Temperature Control of a Small Volume-Thermal System in Heating and Cooling Processes with Arduino

Abstract

Sıcaklık kontrolünün önemli bir uygulama alanı malzemelerin mekanik karakteristiklerinin tanımlanmasındaki kullanımıdır. Bu çalışmada sıcaklık kontrollü bir ısıtma ve soğutma sisteminin tasarımı sunulmaktadır. Çok geniş sıcaklık aralıklarında çalışmaya izin veren bu sistem bir çekme-basma test cihazı için tasarlanmıştır. Çekmebasma deneylerinin yapıldığı haznenin sıcaklığı testler sırasında istenilen sıcaklık aralıklarında tutulması amaçlanmıştır. Bu termal sistem yalıtılmış metal hazne, kuru rezistans, güç ayarlayıcı, ısıl çift, hava fanı, röle, yükseltici, mikro kontrolcü ve bilgisayar gibi temel elektrik ve mekanik elemanlardan oluşmaktadır. Krojenik sıcaklıklarda soğutma işlemi için ise bu elemanlara ek olarak solenoid valf, DC motor sürücü ve sıvı azot tankı sisteme eklenmiştir. Haznenin içinin sıcaklığı geri beslemeli bir sistem ile kontrol edilmektedir. Bu geri beslemeli kontrol sistemi sıcaklığı bir K-tipi ısıl çift ile ölçmekte olup hataları telafi etmek için tablo destekli PID, P ve onoff kontrolcülerin bir kombinasyonu kullanılmaktadır. Soğutma kısmında ise sıcaklık kontrolü valf karakteristiğine uygun olarak oransal kontrol işlemi ile yapılmaktadır. Bu sitemde basit, ucuz ve programlanması kolay olduğu için mikro kontrolcü olarak Arduino işlemci kartı kullanılmıştır. Bilgisayar ve deney düzeneği arasındaki tüm haberleşmeler bu kart aracılığı ile gerçekleştirilmiştir. Gerçek zamanlı uygulamalar için MATLAB programı üzerinde yazılan programlar hem haberleşmede hem de kontrolde büyük bir başarı göstermiştir. Bu çalışmada, yalıtılmış haznenin sıcaklığı +450 oC ila –100 oC arasında kolay bir şekilde tutulabilmiştir. Bazı deneysel çalışmaların uygulanmasıyla, kullanıcı tanımlı değişik sıcaklık profilleri başarılı bir şekilde test cihazı üzerinde gerçekleştirilmiş ve sonuçlar ısıtma ve soğutma sisteminin matematiksel modelinden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Oluşan sapmaların çekme-basma test cihazı uygulaması için kabul edilebilir bir seviyede oldukları görülmüştür.