Publicerat: 2025-01-17

Effektiv temperaturkontroll: Så fungerar reglerteknik

Reglerteknik är en grundpelare inom modern processindustri och har en avgörande roll i många andra områden, som värmebehandling, energisystem och medicinsk teknik. För att säkerställa att rätt temperatur upprätthålls i kritiska applikationer används ett välbalanserat samspel mellan tre nyckelkomponenter: givare, regulator och effektstyrning. Tillsammans skapar dessa en lösning som inte bara är pålitlig utan även kostnadseffektiv. Här går vi igenom de tekniska aspekterna av reglerteknik och hur de fungerar i praktiken.

Kunskap

1. Givaren

Givaren spelar en avgörande roll genom att mäta temperaturen i processen och ge regulatorn underlag för styrning. De två huvudtyperna av givare är termoelement och resistansgivare, var och en med unika styrkor för olika applikationer.

Termoelement

Termoelement genererar själva en spänning (EMK) som är proportionell mot temperaturen. De är populära tack vare sin snabbhet och lägre kostnad, särskilt i industriella miljöer.

Typ J (järn-konstantan): Används i torra miljöer, exempelvis plast- och gummiindustrin, med ett temperaturområde på 0 °C till 400 °C.
Typ K och N: Vanliga i ugnar, temperaturområde 0 till 800 °C (max 1200 °C).
Andra typer: För mätningar av mer extrema temperaturer, som under 0 °C (t.ex. Typ T) eller över 1200 °C (Typ S).

Vid längre kabeldragningar krävs kompensationskablar eller särskilda skarvkontakter. Den rekommenderade kabellängden är 50–100 meter beroende på applikation och miljö.

Resistansgivare

Dessa finns i flera olika varianter; PT100, PT1000, PTC, NTC samt några andra mindre vanliga. I industriapplikationer är PT100 den vanligaste varianten och är den typ av resistansgivare vi på OEM Automatic har flest tillgängliga modeller av.

På en PT100 ökar resistansen med temperaturen (0 °C=100 Ω,100 °C=ca 138 Ω), dvs resistansen ökar med ca 40 Ω per 100 °C. PT100 liksom PT1000 används främst vid ”lägre” temperaturer, från -200 °C till +200 °C, men sällan över 400 °C) och har bättre linjaritet och stabilitet än termoelementen. Vid förlängning av kabeln och om alltför tunn kabel används ökar totalresistansen och mätfel uppstår. I de flesta instrument kan detta fel kompenseras bort och ofta kan en tretrådsgivare användas; den tredje ledaren används då för att mäta och kompensera för den ökade resistansen. Instrumentets ingång måste då vara anpassad för detta.

2. Regulatorn: Processens styrande enhet

Regulatorn styr värmeelementen baserat på den signal som givaren levererar. För att förstå hur regleringen fungerar är två nyckelbegrepp viktiga:

Börvärde: Den temperatur du vill uppnå i processen.
Ärvärde: Den faktiska temperaturen i processen vid ett givet ögonblick.

Regulatorn jämför dessa värden och justerar styrsignalerna för att minimera skillnaden mellan dem.

Regleringsprinciper

Beroende på noggrannhetskrav väljer man en enkel termostat eller en digital PID-regulator som själv kan optimera sina värden efter applikationen.

Nedan kan du läsa mer om några av de viktigaste reglertermerna. Dessa anger hur regulatorns reglerprincip är uppbyggd.

Notera att principerna gäller för de flesta regleringar, dvs oavsett vad som regleras; temperatur, tryck, flöde osv – dock är de de flesta av våra regulatorer främst framtagna för temperatureglering. Därmed är merparten av beskrivningarna här nedan främst kopplade till temperaturreglering – men kontakta oss gärna för specifika reglerfall!

ON/OFF-reglering

De flesta regulatorer på marknaden är PID-regulatorer dvs de har funktioner för att kunna styra en reglerkrets på ett optimalt sätt. Men ibland är det dock bättre att styra en process med ”on/off-reglering”, dvs utan dessa funktioner. Regulatorn fungerar då som en termostat och de flesta regulatorer kan programmeras för denna styrning.

T.ex. om applikationen inte kräver högre noggrannhet så är denna reglering den enklaste och ofta fullt tillräcklig, särskilt om styrningen sker med kontaktorer eller reläer som inte klarar alltför frekventa till- och frånslag.

On/off-reglering fungerar så här: när temperaturen når inställt börvärde slår utgången ifrån; temperaturen stiger ofta något mer p.g.a eftervärmen i anläggningen varefter den sjunker ner till det inställda differensvärdet (hysteresen) som ligger under börvärdet då utgången slår till igen. Detta gör att temperaturen kommer att pendla mellan en högsta och en lägsta temperatur och blir aldrig helt stabil.

Proportionell reglering (P)

Regulatorn arbetar med ett band (proportionalband eller förstärkning) som ligger runt börvärdet, samt en cykeltid (proportional-tid). Detta band kan vara t.ex. 10 °C som fördelar sig så att 5 °C ligger över inställd temperatur (börvärdet) och 5 °C ligger under. Inom detta band sker själva regleringen av cykeltidens till-tid; under bandet ligger utgången till hela tiden och värmer, över bandet ligger utgången helt från. Inom bandet styrs cykeltidens till-tid av regulatorn. När temperaturen kommer in i bandet ändras tiden som utgången ligger till, tills temperaturen stabiliseras. Idealet är att den stabiliseras på börvärdet och utgången ligger till lika länge som den ligger ifrån. Detta blir sällan fallet då ON/OFF, P eller PD-regulatorer används utan temperaturen lägger sig troligen för högt eller för lågt beroende på tillgänglig effekt i värmeelementet. Se I-funktionen.

Proportionell-deriverande reglering (PD)

Reglerar som en P-regulator. Den deriverande funktionen gör att regulatorn reagerar snabbare än en ren P-regulator vid tillfälliga temperaturförändringar, d.v.s. återhämtar sig snabbare.

PID-reglering

I-funktionen (I=Integrerande) tar bort det fel som oftast uppstår i ovan nämnda principer, d.v.s. att temperaturen stabiliseras en bit ifrån börvärdet. Rätt inställd gör I-funktionen att ärvärdet automatiskt styrs till samma nivå som börvärdet. Detta sker genom att regulatorn flyttar hela P-bandet och på så vis tvingar temperaturen mot börvärdet.

Uppvärmningskontroll

Denna funktion finns i vissa regulatorer och är ett komplement till ovan nämnda PID-funktioner; denna förhindrar att temperaturen går upp för högt i uppvärmningsskedet - utgången slår av tidigare och ärvärdet bromsar in sig på rätt nivå.

Analog reglering

En analog reglerutgång från en regulator används i vissa system för att styra spjällmotorer, tyristorenheter eller frekvensomformare. Dessa system ger ibland en ännu bättre reglermöjlighet men ligger i en högre prisklass. Den analoga förändringen (t.ex. 0-10 V) sker inom P-bandet dvs under bandet ger den ut 10 V, över bandet ger den ut 0 V, däremellan ställer regulatorn utgången i ett läge som ger rätt temperatur.

Dessa PID-funktioner är inbördes förenade med varandra, fel inställda kan de i vissa fall ge en sämre reglering än en enklare termostatreglering (ON/OFF). Rätt inställda ger de en stor reglerförbättring och är idag ofta en förutsättning för att få en acceptabel slutprodukt i t.ex. en plastmaskin.

De flesta regulatorer har en Auto Tune, eller Självinställningsfunktion - självinställningen optimerar PID-funktionerna till varandra och i de flesta fall går det att få till en bra och stabil reglering ganska enkelt.

3. Effektstyrning: Reglering av värmeelement

Effektstyrning översätter regulatorns signaler till fysiska förändringar i processen. Här används vanligtvis kontaktorer eller solid-statereläer då värmeeffekten oftast är för stor för att kunna styras direkt av regulatorernas inbyggda reläer. Om kontaktor används styrs denna av reläet i regulatorn. Ett solid staterelä får sin signal från regulatorns logikutgång; denna brukar vara en aktiv signal på 5-12 V beroende på regulator. Eller så ger regulatorn en analog styrsignal på 4-20 mA eller 0-10 V – se vidare förklaring nedan.

Solid State-reläer (SSR)

Ett solid state-relä är ofta att föredra framför t. ex. kontaktorer för att få en optimal reglering; den bryter eller sluter strömkretsen till värmeelementen när spänningen är 0 V d.v.s. ingen störning uppstår och ingen förslitning sker. Dessutom tål de att slå till och från mycket ofta, d.v.s. kan ”pulsa” ut spänning till värmeelementen vilket ger en jämn reglering och snabb respons på temperaturförändringar. Dessa reläer ställer dock högre krav på dimensionering och installation eftersom de alstrar värme som måste kylas bort samt säkras av med halvledarsäkringar. Rätt installerat är de till skillnad från kontaktorer i stort sett helt underhållsfria.

Det finns ett stort antal solid state-reläer som kan hantera från små strömmar upp till strax över 100 A.

Notera dock att när strömmar över 40-60 A ska styras så är en tyristorstyrning ofta det vi föreslår då de är mer optimerade för detta.

Tyristorstyrning

Dessa är i grunden solid statereläer men har fler funktioner och är allmänt mer avancerade. De kan t. ex. styras med analog signal som 4-20 mA/0-10 V och klarar betydligt högre effekter med strömmar upp till 2000 A -vanligast är de dock i spannet 60-500 A. De har olika tillval som larmrelä, kommunikation, inbyggda säkringar och fläktar mm.

Nyckeln till effektiv temperaturkontroll

Reglerteknikens framgång ligger i den perfekta balansen mellan givare, regulator och effektstyrning. Varje komponent har en viktig roll och deras samspel avgör precisionen och stabiliteten i processen. Med rätt inställningar och moderna självoptimerande system kan även komplexa applikationer styras enkelt och effektivt.

Support från OEM Automatic

”Oavsett om du arbetar inom industrin eller letar efter lösningar för specifika temperaturkrav, är en förståelse för dessa tekniska grunder nyckeln till framgång. Behöver du teknisk support? Tveka inte att kontakta oss på OEM Automatic.” Patrik Thunell, produktansvarig på OEM Automatic.