ترموستات: فرماندهٔ نامرئی دما
انبساط مواد: قلب تپندهٔ ترموستات
بسیاری از مواد وقتی گرم میشوند، منبسط و هنگام سرد شدن، منقبض میشوند. این پدیدهای طبیعی به نام انبساط گرمایی3 است. ترموستاتهای سنتی دقیقاً از همین اصل ساده اما قدرتمند استفاده میکنند. برای درک بهتر، به یک مثال روزمره نگاه کنید: وقتی درِ یک شیشهٔ مربای محکم بسته شده است، با ریختن آب گرم روی درب، به راحتی باز میشود. چرا؟ چون فلز درب بر اثر گرما کمی منبسط شده و قفل آن شل میشود.
در ترموستاتهای اولیه، از دو نوار فلزی نازک که به هم چسبانده شدهاند استفاده میشود. این نوار بیمتال4 نام دارد. نکتهٔ جالب اینجاست که این دو فلز (مثلاً آهن و مس) میزان انبساط متفاوتی دارند. وقتی دما افزایش مییابد، فلزی که بیشتر منبسط میشود (مس)، نوار را به سمت فلزی که کمتر منبسط شده (آهن) خم میکند. این خم شدن مانند یک کلید برق عمل کرده و مدار الکتریکی را قطع یا وصل میکند.
انواع ترموستات: از بیمتال تا هوشمند
ترموستاتها را میتوان بر اساس فناوری و کاربرد به دستههای مختلفی تقسیم کرد. در جدول زیر مهمترین انواع آن را مشاهده میکنید:
| نوع ترموستات | ماده یا حسگر اصلی | نحوهٔ کار | کاربرد معمول |
|---|---|---|---|
| مکانیکی (بیمتال) | نوار دو فلزی (آهن و مس) | انبساط نابرابر دو فلز باعث خم شدن نوار و قطع/وصل کنتاکت میشود. | اتو، سماور، شوفاژهای قدیمی |
| ترموستات مایع | مایع (مثل روغن) یا گاز داخل حباب | انبساط مایع یا گاز، فشار ایجاد کرده و دیافراگم را حرکت میدهد. | ترموستات خودرو، سیستمهای تهویه |
| الکترونیکی | ترمیستور5 یا سنسور نیمههادی | مقاومت الکتریکی سنسور با دما تغییر میکند و مدار کنترل را فعال مینماید. | یخچال، آبگرمکن دیواری، کولر گازی |
|
هوشمند (دیجیتال)
جدید
|
حسگر الکترونیکی + پردازنده | دما را حس کرده، با برنامهٔ از پیش تعیین شده مقایسه و از طریق اینترنت یا بلوتوث فرمان میدهد. | خانههای هوشمند، سیستمهای مرکزی |
گشت و گذاری در یک ترموستات مکانیکی اتو
برای درک عملی، بیایید نگاهی به داخل یک ترموستات اتو بیندازیم. وقتی درجه اتو را روی عدد ۳ (متناسب با پارچهٔ پنبه) تنظیم میکنید، در واقع فاصلهٔ بین کنتاکتهای الکتریکی و نوار بیمتال را تغییر میدهید.
- اتو را روشن میکنید. جریان برق از نوار بیمتال عبور کرده و آن را گرم میکند.
- با گرم شدن، نوار به سمت فلز با انبساط کمتر خم میشود.
- وقتی دما به حد مورد نظر رسید، خمش نوار به اندازهای است که کنتاکت را جدا کرده و جریان برق المنت گرمکننده قطع میشود.
- اتو کمکم سرد میشود. نوار بیمتال به حالت اول برمیگردد، کنتاکت دوباره وصل شده و المنت روشن میشود.
این چرخهٔ مداوم قطع و وصل باعث میشود دمای اتو تقریباً ثابت بماند. تنظیم درجهٔ اتو، یعنی تعیین کردن این که نوار بیمتال چقدر باید خم شود تا مدار قطع گردد.
کاربردها: از آشپزخانه تا فضاپیما
ترموستات فقط محدود به وسایل گرمایشی نیست. این ابزار در بسیاری از دستگاههای اطراف ما حضور حیاتی دارد:
- خانه: شوفاژ، پکیج، کولر گازی، یخچال و فریزر، آبگرمکن، ماکروفر.
- خودرو: تنظیم دمای موتور (باز و بسته کردن ترموستات رادیاتور)، سیستم تهویهٔ مطبوع داخل کابین.
- صنعت: کنترل دمای کورهها، دستگاههای تزریق پلاستیک، انبارهای مواد غذایی.
- الکترونیک: محافظت از پردازندههای کامپیوتر و گوشی موبایل در برابر داغ شدن بیش از حد.
مثال جالب در یخچال است. ترموستات یخچال (معمولاً از نوع الکترونیکی) دمای داخلی را اندازه میگیرد. اگر دما از حد تنظیمشده بالاتر برود، به کمپرسور فرمان روشن شدن میدهد تا سرماسازی انجام شود. پس از رسیدن به دمای مطلوب، کمپرسور خاموش میشود. این فرآیند در طول روز بارها تکرار میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: ترموستات دمای نقطهای که در آن نصب شده است را اندازه میگیرد. اگر ترموستات دیواری در معرض نور مستقیم خورشید یا نزدیک یک پنجرهٔ سرد باشد، دمای اشتباهی را حس کرده و سیستم را زودتر یا دیرتر از نیاز واقعی اتاق روشن یا خاموش میکند. بنابراین مکان نصب بسیار مهم است.
پاسخ: ترموستاتها (به ویژه انواع مکانیکی) یک بازهٔ مرده6 دارند. مثلاً ترموستات ممکن است روی ۲۴ درجه سانتیگراد تنظیم شود، اما سیستم گرمایش در دمای ۲۲٫۵ روشن و در ۲۵٫۵ خاموش شود. این تفاوت، نوسان دما در محیط را ایجاد میکند. ترموستاتهای دیجیتال این بازه را کوچکتر و کنترل دقیقتری ارائه میدهند.
پاسخ: قطعاً. یک ترموستات هوشمند میتواند برنامهریزی شود. مثلاً وقتی خانه خالی است، دما را کاهش دهد و قبل از بازگشت ساکنین، سیستم را روشن کند. این کار از کارکرد بیجهت وسایل گرمایشی/سرمایشی جلوگیری کرده و مصرف انرژی و هزینهها را به طور چشمگیری کاهش میدهد.
پاورقی
1 ترموستات (Thermostat): ترکیبی از دو کلمه یونانی "Thermo" به معنای گرما و "statos" به معنای ثابت.
2 وسیله کنترل دما (Temperature Control Device).
3 انبساط گرمایی (Thermal Expansion).
4 بیمتال (Bimetal).
5 ترمیستور (Thermistor): مقاومت حساس به دما.
6 بازهٔ مرده (Deadband).
