เครื่องวัดและควบคุมอุณหภูมิคืออะไร?
เครื่องวัดและควบคุมอุณหภูมิ (Temperature Control) เป็นเครื่องมือที่กำจัดค่าอุณหภูมิตามที่กำหนด สามารถควบคุมเพิ่มหรือลดอุณหภูมิ ตามช่วงอุณหภูมิที่ต้องการใช้งาน ตามเวลาที่กำหนดได้ ตัวอย่างเช่น การควบคุมความร้อนของฮีทเตอร์ ควบคุมความเย็นในห้องแช่แข็ง เป็นต้น
เพื่อการวัดและควบคุมอุณหภูมิในระบบได้อย่างแม่นยำ โดยไม่ต้องใช้คนควบคุมระบบตลอดเวลา โดยการควบคุมอุณหภูมิต้องอาศัยเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิแบบต่างๆส่งค่าอุณหภูมิที่วัดได้ไปสู่ตัวควบคุมเพื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงที่ต้องการใช้งาน เช่น เทอร์โมคัปเปิลหรือ RTD ตาม อินพุตที่เลือกใช้งาน มาเปรียบเทียบกับอุณหภูมิที่ต้องการควบคุมหรือจุดที่ต้องการ และส่งคำสั่งไปยังอุปกรณ์ที่เราต้องการควบคุม ตัวควบคุมอุณหภูมิเป็นส่วนหนึ่งของระบบควบคุมทั้งหมด
ความแตกต่างระหว่างลักษณะของการควบคุมและการทำงาน
การควบคุมพื้นฐานมี 3 แบบ
1. แบบ On/Off
2. แบบ Proportional
3. แบบ PID
การเลือกใช้งานจะขึ้นอยู่กับความเหมาะสมของลักษณะงานที่ต้องการใช้งาน
1. การควบคุมแบบ On/Off
การควบคุมแบบ On/Off เป็นการควบคุมที่ง่ายที่สุดจากทั้ง 3 แบบโดยการนำเอาต์พุตจากTemperature Control ที่มีสถานะ เปิด (on) หรือ ปิด (off) เท่านั้น จะไม่มีสถานะกลาง หลักการทำงาน On หรือ Off สำหรับการควบคุมความร้อน หรือความเย็น เราสามารถกำหนดค่าคงที่ หรือกำหนดค่าตามที่ต้องการควบคุม ต่ำสุดเป็น On หรือ เป็นOff และ สูงสุดเป็น On หรือ เป็นOff หรือตั้งปิด (on)เมื่ออุณหภูมิมีค่ามากกว่าค่าที่กำหนดไว้ เอาต์พุทจะเปลี่ยนสถานะเป็นเปิด(off) และจะทำซ้ำอย่างนี้ไปเรื่อยๆ เรียกว่า “วนลูปการทำงาน” (Loop) ตัวอย่างเช่น ต้องการควบคุมอุณหภูมิน้ำร้อนที่ 70°C โดยอุณหภูมิของน้ำปกติอยู่ที่ 25°C ควบคุมอุณหภูมิให้ได้อุณหภูมิ 70°C โดยใช้ฮีทเตอร์ทำความร้อน เมื่อน้ำอุณหภูมิถึง 70°C ตัวควบคุมอุณหภูมิก็จะสั่งให้ฮีทเตอร์หยุดการทำงาน (เปรียบเอาต์พุต เปลี่ยนสถานะเป็น Off โดยสั่งให้ฮีทเตอร์หยุดการทำงานเมื่อน้ำมีอุณหภูมิ70°C) และจะอยู่สถานะ Off ไปเรื่อยๆอุณหภูมิของน้ำก็จะลดลงต่ำกว่า70°C ฮีทเตอร์จะกลับมาทำงานอีกครั้ง (เปรียบเอาต์พุต เปลี่ยนสถานะเป็น On โดยสั่งให้ฮีทเตอร์ทำงาน เพื่อปรับอุณหภูมิของน้ำให้อยู่ที่ 70°C ) และระบบจะทำซ้ำแบบนี้ไปเรื่อยๆ (ตามที่เราตั้งค่าวัดควบคุมอุณหภูมิ โดยการใช้ Temperature Control) ในกรณีมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้หน้าคอนแทคเตอร์ เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะอย่างรวดเร็ว อาจเกิดความเสียหายได้ เพื่อป้องกันความเสียหายต่อหน้าคอนแทคเตอร์ ดังนั้นจึงมีการหน่วงเวลาระหว่างการเปิดหรือปิด(On/Off) หรือเรียกว่า “ฮิสเทอรีซิส”(Hysteresis) การหน่วงเวลา On/Off จะป้องกันการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์ที่ต่ออยู่กับเครื่องควบคุมเสียหายได้ เช่น Relay เป็นต้น และยังส่งผลให้อายุการใช้งานของอุปการณ์อาจจะสั้นลง การควบคุมอุณหภูมิแบบ On/Off การควบคุมแบบนี้เหมาะสำหรับงานที่ค่อยๆเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างช้าๆ
2. การควบคุมอุณหภูมิแบบ Proportional
การควบคุมอุณหภูมิแบบ Proportional ออกแบบมาเพื่อแทนการควบคุมแบบ On/Off โดยการควบคุมแบบ Proportional ลดพลังงานที่จ่ายให้กับฮีตเตอร์เมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้จุดที่ต้องการใช้งาน (SV)
ผลของการทำให้ฮีทเตอร์ทำงานช้าลง เพื่อไม่ให้เกิดการ Overshoot ของอุณหภูมิใช้งาน (SV) แต่จะเข้าใกล้อุณหภูมิใช้งาน(SV) และรักษาอุณหภูมิให้คงที่ การควบคุมอุณหภูมิแบบ Proportional จะทำงานโดยการเปิดและปิด การทำงานสำหรับช่วงเวลาสั้นๆ การกำหนด "Time Proportioning" นี้จะเปลี่ยนอัตราส่วนของเวลา "เปิด" และเวลา "ปิด" ในการควบคุมอุณหภูมิ แบบ Proportional นั้นเกิดขึ้นจากค่า "proportional band" ซึ่งจะทำงานเมื่อเข้าใกล้อุณหภูมิใช้งาน(SV) หากเลยจากค่า proportional band ไปแล้ว จะเปลี่ยนเป็นการควบคุมแบบ On / Off
ที่อุณหภูมิใช้งาน(SV) (จุดตรงกลางของ proportional band) ทำงานแบบOn /Off มีอัตราส่วนคือ 1:1 นั่นคือเวลา On และเวลา Off เท่ากัน หากอุณหภูมิแตกต่างจากจุดที่กำหนดไว้มาก เวลา On และเวลา Off จะแปรผันตามสัดส่วน ความแตกต่างของอุณหภูมิ หากอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิใช้งาน (SV) การทำงานจะ On นานขึ้น หากอุณหภูมิสูงเกินไปการทำงานจะ Off นานขี้นด้วยเช่นกัน
3. การควบคุมอุณหภูมิแบบ PID
การควบคุมอุณหภูมิแบบ PID ประกอบไปด้วย proportional, integral และ derivative การควบคุมแบบ PID เป็นการควบคุม proportional ที่เพิ่มสองรายการซึ่งจะช่วยควบคุมแบบอัตโนมัติโดยการชดเชยค่าที่เปลี่ยนแปลงในระบบ
การปรับ integral และ derivative จะแสดงในหน่วยของเวลา โดยการปรับ proportional, integral และ derivative จะต้องถูกปรับทีละตัว ใช้ระบบในการทดลองข้อผิดพลาด จะทำให้การควบคุมแม่นยำและเสถียรที่สุด การควบคุมอุณหภูมิแบบ PID ใช้ได้ดีในระบบที่ค่อนข้างเล็กซึ่งตอบสนองเร็วต่อพลังงานที่เพิ่มเข้ามาในระบบ
การประยุกต์ใช้งาน
ในด้านงานวัดควบคุมอุณหภูมิ สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานอุตสาหกรรมที่หลากหลาย เช่น อุตสาหกรรมเซรามิค, อุตสาหกรรมพลาสติก, อุตสาหกรรมยาง, อุตสาหกรรมทางเคมีภัณฑ์ และ อุตสาหกรรมอาหาร เป็นต้น ดังรูปตัวอย่างเป็นกาารประยุกต์ใช้เครื่องวัดควบคุมอุณหภูมิ AP-56 Series ใช้ในเครื่องพ่นไอน้ำแรงดันสูง
วิธีการเลือกใช้งานเครื่องวัดควบคุมอุณหภูมิ (Temperature Control)
จากที่ได้ทราบถึงการประยุกต์ใช้งานเครื่องวัดควบคุมอุณหภูมิในงานอุตสาหกรรมต่างๆแล้ว วิธีการเลือก Temperature Control ให้เหมาะกับการใช้งานก็สำคัญไม่แพ้กัน เพื่อให้ใช้งานเครื่องวัดควบคุมอุณหภูมิไดู้กต้องตามวัตถุประสงค์ ทั้งนี้การเลือกขึ้นอยู่กับปัจจัยหลาย ๆ อย่าง เช่น
- “อินพุต” การเลือกอินพุตมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของระบบควบคุมอุณหภูมิซึ่งรวมถึงช่วงการวัดอุณหภูมิ, ความแม่นยำ, และการใช้งานในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ
- “เอาต์พุท” การเลือกเอาต์พุทขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่ต้องการควบคุม หรืออุปกรณ์ที่ต้องการขยาย (Actuator) เช่น Relay, SSR, 4-20mA, 0-10VDC
- Alarm เพื่อใช้เตือนเมื่อมีความผิดปกติในระบบ หรือสามารถเลือกฟังก์ชั่นและอุณหภูมิทีต้องการให้เตือนได้ โดยการเลือก Alarm ขึ้นอยู่กับฟังก์ชั่นที่ผู้ใช้งานต้องการนำไปใช้
4.ขนาดตัวเครื่อง ขนาดตัวเครื่องก็มีความสำคัญเช่นกัน ควรเลือกขนาดให้เหมาะสมกับหน้างาน ขนาดที่ใช้กันแพร่หลายเช่น 48 x 48mm, 96 x 96mm, 48 x 96mm (แนวตั้ง), 96 x 48mm (แนวนอน) และ 72 x 72mm เป็นต้น
5.Step control หรือ Programable temperature control เป็นการควบคุมอุณหภูมิอีกรูปแบบหนึ่ง ที่สามารถกำหนดอุณหภูมิได้หลายจุดเรียงตามลำดับล่วงหน้า เหมาะกับงานที่ต้องการรักษาระดับอุณหภูมิ หรืองานที่ค่อย ๆ ลด หรือเพิ่มอุณหภูมิ เช่น งานอบเซรามิค
เครื่องวัดควบคุมอุณหภูมิใช้งานหลากหลายอุตสาหกรรมทั้งงานที่มีความซับซ้อน ไปจนถึงงานต้มน้ำธรรมดา ทั้งนี้การใช้งานเครื่องวัดควบคุมอุณหภูมิ ก็เพื่อลดจำนวนการใช้คนในการควบคุมระบบ และลดความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นกับคนอีกด้วย ตัวอย่างงานดังรูปด้านล่างเป็นการควบคุมอุณหภูมิของHeater ในห้องอบสี เพื่ออบสีรถยนต์ โดยจะใช้ SSR ในการจ่ายไฟให้กับHeater และมีThermocouple เป็นเซนเซอร์เพื่อวัดอุณหภูมิ จากนั้น Thermocouple จะส่งสัญญาณอุณหภูมิที่วัดได้ไปที่ Input ของเครื่องควบคุมอุณหภูมิ
ที่มา https://en.wikipedia.org/wiki/Temperature_control
