การจำแนกประเภททางเทคนิคและการวิเคราะห์หลักการของอุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิในห้องทดสอบละอองเกลือ

การควบคุมอุณหภูมิ ในฐานะหน่วยการทำงานหลักของห้องทดสอบละอองเกลือ เป็นตัวกำหนดโดยตรงถึงความน่าเชื่อถือของการจำลองสภาพแวดล้อมละอองเกลือและการทำซ้ำได้ของผลการทดสอบ อุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิทำงานโดยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายในพื้นที่ทดสอบ กระตุ้นให้เกิดผลกระทบทางกายภาพภายในส่วนประกอบสวิตช์ เพื่อเริ่มต้นการกระทำการเปิดหรือปิด โดยอิงจากหลักการตรวจจับอุณหภูมิและวิธีการควบคุมที่แตกต่างกัน อุปกรณ์เหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็น 5 ประเภททางเทคนิค ซึ่งแต่ละแบบมีลักษณะเฉพาะทางโครงสร้างและสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน

I. เทอร์โมสตาทแบบควบคุมด้วยความดัน: วิธีแก้ปัญหาแบบดั้งเดิมบนพื้นฐานของการส่งผ่านการเปลี่ยนสภาพ
เทอร์โมสตาทแบบควบคุมด้วยความดันได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในการออกแบบห้องทดสอบละอองเกลือรุ่นแรก ๆ โดยมีหลักการทางเทคนิคอิงจากคุณสมบัติความดันของการเปลี่ยนสภาพของของเหลวทำงานภายในระบบตรวจจับอุณหภูมิแบบปิด อุปกรณ์นี้ประกอบด้วยถุงตรวจจับอุณหภูมิ ท่อ capillary ห้องไดอะแฟรมแบบยืดหยุ่น และไมโครสวิตช์ เพื่อสร้างเครือข่ายการส่งผ่านความดันแบบปิด ถุงตรวจจับเติมด้วยของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำ (เช่น คลอโรมีเทน หรือสารทำความเย็น R134a) หรือไออิ่มตัว เมื่ออุณหภูมิภายในห้องทดสอบสูงขึ้น ถุงตรวจจับจะดูดความร้อนทำให้ของเหลวทำงานภายในเกิดการระเหยและขยายตัว การเพิ่มขึ้นของความดันจะถูกส่งผ่านท่อ capillary ไปยังห้องไดอะแฟรม ทำให้แผ่นไดอะแฟรมเกิดการเคลื่อนที่ เมื่ออุณหภูมิถึงค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า แรงกลลของห้องไดอะแฟรมจะเอาชนะแรงดึงของสปริง กระตุ้นกลไกการทำงานแบบ snap-action เพื่อเปิดหรือปิดสัมผัสอย่างรวดเร็ว ทำให้สามารถควบคุมการเปิด-ปิดของวงจรความร้อนได้
ข้อดีของเทอร์โมสตาทประเภทนี้คือโครงสร้างที่เรียบง่าย ต้นทุนต่ำ และไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานจากภายนอก อย่างไรก็ตาม ความแม่นยำในการควบคุมถูกจำกัดโดยการหน่วงของคอมโพเนนต์เชิงกล โดยทั่วไปแสดงให้เห็นถึงช่วงการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิ ±3~5°C ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของการทดสอบที่มีความแม่นยำสูงได้ นอกจากนี้ ความยาวและรัศมีการดัดของท่อ capillary มีผลต่อการลดทอนความดันอย่างมาก จึงจำเป็นต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดทางเทคนิคอย่างเคร่งครัดระหว่างการติดตั้ง เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายทางกลที่อาจลดความไวในการตรวจจับอุณหภูมิ
II. เทอร์โมสตาทแบบ snap-action: กลไกการตอบสนองเชิงเทอร์โมเชิงกลของแผ่นทวนชนิดสองโลหะ
เทอร์โมสตาทแบบ snap-action ใช้แผ่นทวนชนิดสองโลหะเป็นตัวตรวจจับอุณหภูมิหลัก โดยแก่นของเทคโนโลยีคือผลกระทบของความเครียดเชิงกลที่เกิดจากการประกบชั้นของโลหะสองชนิดที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนที่แตกต่างกันอย่างมาก (เช่น ทองเหลืองและอินวาร์) เมื่ออุณหภูมิในห้องทดสอบละอองเกลือสูงขึ้น ชั้นแอกทีฟ (สัมประสิทธิ์การขยายตัวสูง) ของแผ่นทวนจะยืดตัวมากกว่าชั้นพาสซีฟ ทำให้เกิดการเสียรูปแบบโค้งงอไปในทิศทางของชั้นพาสซีฟ เมื่อความเครียดสะสมถึงค่าวิกฤต แผ่นทวนจะพลิกตัวแบบ snap-action ภายในเสี้ยววินาที ขับเคลื่อนกลไกสัมผัสให้เปิดหรือปิดอย่างรวดเร็วผ่านคันโยกฉนวน กระบวนการนี้มีช่วงต่างระหว่างอุณหภูมิการทำงานและการรีเซ็ตที่แน่นอน (โดยทั่วไป 5~15°C) ช่วยป้องกันการสั่นของสัมผัสได้อย่างมีประสิทธิภาพ
อุปกรณ์ดังกล่าวมีอัตราการตอบสนองที่รวดเร็ว การทำงานที่เชื่อถือได้ และอายุการใช้งานยาวนาน (เกิน 100,000 รอบ) ทำให้เหมาะสมโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรล็อคความปลอดภัย เช่น การป้องกันความร้อนสูงเกินไปของท่อความร้อนและการเตือนภัยเมื่อพัดลมทำงานผิดปกติ อย่างไรก็ตาม จุดตั้งอุณหภูมิถูกกำหนดโดยกระบวนการขึ้นรูปของแผ่นทวนสองโลหะ ทำให้การปรับเปลี่ยนหลังการผลิตเป็นไปได้ยากและขาดความยืดหยุ่น ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับสถานการณ์การควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำที่ต้องการการควบคุมอย่างต่อเนื่องและราบรื่น
III. เทอร์โมสตาทแบบขยายตัวของเหลว: เทคโนโลยีการตรวจจับแบบเชิงเส้นบนพื้นฐานการขยายตัวของของเหลวจากความร้อน
เทอร์โมสตาทแบบขยายตัวของเหลวพบได้ทั่วไปในวงจรควบคุมอุณหภูมิเสริมของห้องทดสอบละอองเกลือระดับกลางถึงล่าง โดยอิงหลักการทำงานบนผลกระทบของปริมาตรจากการขยายและหดตัวของของเหลวเมื่อได้รับความร้อน ส่วนประกอบตรวจจับอุณหภูมิประกอบด้วยท่อบellows สแตนเลส ท่อตรวจจับ และท่อ capillary ที่เติมด้วยของเหลวที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวสูง (เช่น เอธานอล น้ำมันก๊าด หรือน้ำมันซิลิโคน) การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิทำให้เกิดการขยายตัวของปริมาตรของของเหลวภายในท่อตรวจจับแบบเชิงเส้น ดันท่อบellows ให้เคลื่อนที่ตามแกน การเคลื่อนที่นี้ถูกขยายโดยกลไกคานและกระตุ้นไมโครสวิตช์ เทอร์โมสตาทประเภทนี้ให้ความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิ ±2°C ด้วยต้นทุนปานกลางและการใช้งานที่มีประสิทธิภาพในเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนและระบบควบคุมอุณหภูมิในอุตสาหกรรมเบา
เมื่อนำไปใช้ในสภาพแวดล้อมละอองเกลือ จำเป็นต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับความต้านทานของตัวกลางตรวจจับอุณหภูมิต่อการกัดกร่อนของไอออนคลอไรด์ วัสดุของท่อบellows ควรเป็นสแตนเลส 316L หรือชุบนิกเกิล นอกจากนี้ ความยาวของท่อ capillary โดยทั่วไปจำกัดอยู่ภายใน 3 เมตร การยาวเกินไปจะเพิ่มความล่าช้าของการส่งผ่านความร้อน ทำให้เกิดการควบคุมอุณหภูมิเกินค่า โครงสร้างทางกลทำให้ความเร็วในการตอบสนองค่อนข้างช้า ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการควบคุมอุณหภูมิแบบโปรแกรมที่ซับซ้อนซึ่งต้องการการสลับอย่างรวดเร็ว
IV. เทอร์โมสตาทดิจิทัล: การผสานรวมอัจฉริยะของเซ็นเซอร์และไมโครโพรเซสเซอร์
เทอร์โมสตาทดิจิทัลเป็นตัวแทนของทิศทางเทคโนโลยีหลักสำหรับห้องทดสอบละอองเกลือสมัยใหม่ โดยแปลงตัวแปรอุณหภูมิให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าต่อเนื่องผ่านตัวต้านทานความร้อน NTC หรือเทอร์โมคัปเปิลแบบ K ส่วนตรวจจับอุณหภูมิจะถูกติดตั้งในตำแหน่งเส้นทางการหมุนเวียนของอากาศภายในห้องทดสอบเพื่อรับข้อมูลอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ หลังจากได้รับการปรับปรุงโดยออปแอมป์ความแม่นยำสูง สัญญาณจะถูกป้อนเข้าสู่พอร์ตแปลง A/D ของไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) เพื่อเสร็จสิ้นการแปลงจากอนาล็อกเป็นดิจิทัล ตัวควบคุมจะรวมอัลกอริทึม PID หรือโปรแกรมควบคุมตรรกะคลุมเครือ เพื่อทำการคำนวณแบบอนุพันธ์-ปริพันธ์-สัดส่วนของค่าเบี่ยงเบนระหว่างค่าที่วัดได้และค่าที่ตั้งไว้ และส่งออกสัญญาณ PWM เพื่อขับรีเลย์สถานะแข็ง (SSR) หรือไทริสเตอร์ ทำให้สามารถปรับความร้อนได้อย่างต่อเนื่องและละเอียด
ข้อได้เปรียบทางเทคนิคของอุปกรณ์ดังกล่าวโดดเด่น: ความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิสามารถทำได้ ±0.1~0.5°C รองรับการตั้งโปรแกรมหลายขั้นตอนและการจัดเก็บข้อมูล มีฟังก์ชันการสื่อสาร RS485 หรือ Ethernet เพื่อความสะดวกในการเชื่อมโยงกับระบบจัดการข้อมูลห้องปฏิบัติการ (LIMS) ความไวสูงของมันมาจากตัวแปลง A/D ที่มีความละเอียด 16 บิตขึ้นไปและเทคโนโลยีการกรองดิจิทัล ซึ่งช่วยปราบปรามการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ของเซ็นเซอร์ในสภาพแวดล้อมละอองเกลือได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ระบบดิจิทัลต้องการคุณภาพของแหล่งจ่ายไฟที่สูงขึ้น จึงต้องติดตั้งอุปกรณ์กรองแยกต่างหาก และมีราคาแพงกว่าเทอร์โมสตาทแบบกล 3~5 เท่า
V. เทอร์โมสตาทอิเล็กทรอนิกส์: แผนการควบคุมแบบต่อเนื่องบนพื้นฐานของวงจรอนาล็อก
เทอร์โมสตาทอิเล็กทรอนิกส์เป็นวงจรควบคุมระบบอนาล็อกโดยพื้นฐาน โดยใช้เส้นลวดวอล์ฟราเมียม ตัวต้านทานความร้อนทองแดง หรือเซรามิกที่มีสัมประสิทธิ์ความร้อนบวก (PTC) เป็นตัวตรวจจับอุณหภูมิ ค่าความต้านทานของเซ็นเซอร์ดังกล่าวเปลี่ยนแปลงอย่างใกล้เคียงเชิงเส้นกับอุณหภูมิ และเชื่อมต่อกับวงจรวีตสตันบริดจ์ที่ประกอบด้วยเครือข่ายตัวต้านทานความแม่นยำสูง ออปแอมป์ และคอมพาราเตอร์ เมื่ออุณหภูมิเบี่ยงเบนจากค่าที่ตั้งไว้ แรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมดุลของวงจรวีตสตันบริดจ์จะถูกขยายเพื่อขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์หรือ MOSFET กำลังสูง ควบคุมกระแสความร้อนได้อย่างต่อเนื่องและปรับพลังงานได้อย่างไม่มีขั้น
วิธีแก้ปัญหานี้มีโครงสร้างกะทัดรัดและขนาดเล็ก โดยมีพลังขับถึงหลายกิโลวัตต์ นำไปใช้อย่างแพร่หลายในเครื่องปรับอากาศสำหรับครัวเรือนและอุปกรณ์คงอุณหภูมิขนาดเล็ก ข้อดีของมันคือไม่มีสัมผัสทางกลและมีความน่าเชื่อถือสูง อย่างไรก็ตาม ความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิถูกจำกัดโดยการเคลื่อนที่ของอุณหภูมิและเสถียรภาพระยะยาวของคอมโพเนนต์อนาล็อก โดยทั่วไปอยู่ที่ ±1~2°C นอกจากนี้ วงจรอนาล็อกแสดงให้เห็นถึงความสามารถต่อต้านการรบกวนที่อ่อนแอ ในสภาพแวดล้อมการกัดกร่อนรุนแรงและความชื้นสูงของห้องทดสอบละอองเกลือ แผ่นวงจรพิมพ์ต้องการการเคลือบป้องกัน ทำให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับตัวควบคุมดิจิทัล ฟังก์ชันการทำงานของมันถูกจำกัด ทำให้ยากที่จะดำเนินการควบคุมแบบโปรแกรมที่ซับซ้อนและการบันทึกข้อมูล
คำแนะนำการเลือกทางเทคนิคและการประยุกต์ใช้อย่างรอบคอบ
เทอร์โมสตาทประเภทต่าง ๆ สามารถสร้างการกำหนดค่าที่เสริมซึ่งกันและกันในห้องทดสอบละอองเกลือได้: ระบบควบคุมหลักควรใช้เทอร์โมสตาทดิจิทัลเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำสูงและสามารถตั้งโปรแกรมได้ของกระบวนการทดสอบ; วงจรความปลอดภัยที่สำคัญ (เช่น การป้องกันความร้อนสูงเกินไป) ควรติดตั้งเทอร์โมสตาทแบบ snap-action เพื่อการป้องกันสำรอง; การควบคุมการเปิด-ปิดของคอนเดนเซอร์แบบระบายความร้อนด้วยอากาศสามารถจัดการได้โดยเทอร์โมสตาทแบบควบคุมด้วยความดัน; ฟังก์ชั่นความร้อนเสริมหรือการละลายน้ำแข็งสามารถเลือกใช้เทอร์โมสตาทแบบขยายตัวของเหลวหรือเทอร์โมสตาทอิเล็กทรอนิกส์ได้ ระหว่างการเลือกใช้ จำเป็นต้องประเมินปัจจัยต่าง ๆ อย่างครอบคลุม รวมถึงความต้องการความแม่นยำของมาตรฐานการทดสอบ งบประมาณอุปกรณ์ ความสามารถในการบำรุงรักษา และระดับดิจิทัลของห้องปฏิบัติการ เพื่อสร้างกลยุทธ์การควบคุมอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด ทำให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่มั่นคงในระยะยาวและความน่าเชื่อถือของข้อมูลการทดสอบการกัดกร่อนละอองเกลือ