ORANSAL BASINÇ REGÜLATÖRLERİ

Endüstriyel alanda sıcaklık, vakum basıncı ve akış gibi proses parametrelerinin ultra hassas kontrolü sıkça gereklidir. Endüstriyel kontrol hassasiyeti yüksek hassasiyet (%1) ve ultra yüksek hassasiyet (%0.1) olarak ayrılır. Daha üst düzey laboratuvarlarda ve metroloji kalibrasyonlarında ise genellikle %0.05’ten daha yüksek kontrol hassasiyeti talep edilmektedir.

1. Oransal Basınç Regülatörü Nedir?

Oransal valfler, genellikle darbe genişlik modülasyonu (PWM) döngüsünü kontrol ederek cihaz ömrünü uzatır ve aşırı basınç zirvelerini önler. Oransal basınç regülatörü de bu valf türlerinden biridir.

Tipik bir PID kontrol sistemi, Şekil 1’de görüldüğü gibi kapalı döngü yapısındadır.

Endüstriyel uygulamalarda, PID kontrolörü genellikle bağımsız bir kontrol cihazı olarak çalışır ve analogdan dijitale dönüştürücü (ADC), mikrodenetleyici (MCU) ve dijitalden analog dönüştürücü (DAC) bileşenlerini birleştirir.

Daha yüksek hassasiyet gerektiren kalibrasyon gibi uygulamalarda, ADC’nin altı buçuk haneli (hatta yedi buçuk haneli) dijital voltmetre, MCU’nun bilgisayar ve DAC’ın altı buçuk haneli dijital kaynak metre gibi özel enstrümanlarla değiştirildiği ayrık yapılar kullanılabilir. Ancak bu sistemler maliyet ve hacim açısından endüstriyel uygulamalar için uygun değildir.

Bu analiz, endüstriyel uygulamalar için entegre PID kontrolör cihazına odaklanarak, %0.1 ultra yüksek hassasiyetli kontrolün gerçekleştirilmesinde rol oynayan temel teknik göstergeleri incelemektedir.

2. Ultra Yüksek Hassasiyetli PID Kontrolöründeki Temel Teknik Göstergeler

%0.1’den daha iyi ultra yüksek hassasiyetli kontrol elde etmek için, PID kontrol cihazının donanım ve yazılım bileşenlerinin (ADC, MCU, DAC) yüksek hassasiyetli ölçüm, hesaplama ve kontrol fonksiyonlarını karşılaması gerekir.

(1) Ölçüm Hassasiyeti (ADC)

PID kontrolörünün ölçüm hassasiyeti, harici sensör girişinin kontrolör tarafından alınması, yani Analogdan Dijitale Dönüştürücü (ADC) dönüşüm hassasiyeti ile ilgilidir. ADC’nin hassasiyeti (bit sayısı), ölçülebilir minimum voltajı belirler.

0-10V sinyal giriş aralığına sahip bir DC voltaj sinyali örneğinde, farklı ADC bitlerine karşılık gelen minimum ölçülebilir voltaj (çözünürlük) aşağıdaki gibidir:

ADC (Bit)	Minimum Kullanılabilir Voltaj (mV)
8	39.06
10	9.77
12	2.44
14	0.610
16	0.153
18	0.038
20	0.0095
22	0.0024
24	0.0006

%0.1 Ölçüm Hassasiyeti İçin Gerekli ADC Bitleri:

Analog Sinyal (mV)	%0.1 Ölçüm Hassasiyeti (mV)	Gerekli ADC (Bit)
10000	10.00	10
5000	5.00	12
1000	1.00	14
500	0.50	16
100	0.10	18
50	0.05	18
10	0.01	20
5	0.005	22
1	0.001	24

Bu tabloya göre, 10V’luk bir sensör sinyalinde %0.1 hassasiyet elde etmek için en az 10 bit ADC gerekirken, 100mV’luk bir sinyal için 18 bit ADC gerekmektedir. Yüksek bit sayısı daha yüksek doğruluk sağlasa da, PID kontrolörünün maliyetini artırır ve sinyal toplama hızını yavaşlatır.

(2) Kontrol Hassasiyeti (DAC)

Kontrolörün kontrol hassasiyeti, harici aktüatöre sağlanan analog çıkış hassasiyetiyle ilgilidir. Tıpkı ADC’de olduğu gibi, DAC’ın (Dijitalden Analoga Dönüştürücü) bit sayısı ne kadar yüksek olursa, çıkış hassasiyeti o kadar yüksek olur.

(3) Kayan Noktalı Aritmetik Hassasiyeti (MCU)

Ölçüm ve kontrol hassasiyetleri donanımla ilgiliyken, genel kontrol hassasiyetini sağlamak için mikroişlemci biriminin (MCU) yazılım hesaplama hassasiyeti, yani kayan noktalı işlem hassasiyeti de önemlidir.

PID kontrolöründe çıkış yüzdesini örnek alırsak:

• 8-bit kayan noktalı işlemler için minimum çıkış yüzdesi %1’dir.
• 10-bit ve 12-bit kayan noktalı işlemler için minimum çıkış yüzdesi %0.1’dir.
• %0.1’den daha iyi toplam kontrol hassasiyetine ulaşmak için, minimum çıkış yüzdesinin %0.01 olması gerekir. Bu da 14-bit veya 16-bit kayan noktalı işlemlerin kullanılmasını gerektirir.

Kayan noktalı işlemin bit sayısı ne kadar yüksek olursa, çıkış yüzdesi o kadar küçük olur, kontrol çıktısı o kadar ince ayarlanabilir ve buna karşılık gelen kontrol hassasiyeti o kadar yüksek olur.

3. Basınç Kontrol Örneği Analizi

%0.1 kontrol hassasiyetine ulaşmak amacıyla 0-6 bar (gösterge basıncı) aralığında basıncı hassas bir şekilde kontrol etmek için bir basınç kontrol durumu incelenmiştir. Bu deneysel düzeneğin yapısı Şekil 4’te gösterilmektedir.

Bu tür bir örnekte, KaoLu’nun oransal basınç regülatörünün kontrol hassasiyetinin kontrol etkisi üzerindeki etkisi gösterilebilir.

4. Sonuç

Yukarıdaki analiz ve basınç kontrol durumu doğrulamasından yola çıkarak, endüstriyel entegre PID kontrolör cihazının %0.1 kontrol hassasiyetine ulaşabilmesi için aşağıdaki teknik göstergeleri karşılaması gerekmektedir:

1. Harici Sensör: %0.1’den daha iyi ultra yüksek hassasiyete sahip olmalıdır.
2. Harici Aktüatör: Yüksek hassasiyete sahip olmalıdır, ancak %0.1 ultra yüksek hassasiyet zorunlu değildir.
3. PID Kontrolör ADC Bitleri: En az 16 bit, ideal olarak 24 bit olmalıdır.
4. PID Kontrolör Kayan Noktalı İşlem: Çıkış yüzdesinin %0.01 ila %0.05 arasında bir ayar yeteneğine sahip olmasını sağlamalıdır.
5. PID Kontrolör DAC Bitleri: En az 14 bit, ideal olarak 16 bit olmalıdır.