Strategii de control al temperaturii pentru condiții variabile de sol

Controlul temperaturii solului este o sarcină dificilă și unică, care este foarte diferită de încălzirea lucrurilor din fabrici. Solul este un mediu dinamic, eterogen, cu calități care se schimbă în timp și spațiu. Acest lucru este diferit de mediile industriale reglementate, în care condițiile termice sunt frecvent standardizate, izolația este maximizată și canalele de transport de căldură sunt previzibile. Unele dintre principalele motive pentru aceste probleme sunt că solul are o inerție termică naturală (capacitatea de a stoca și elibera căldură în timp), conținutul său de umiditate se modifică (ceea ce afectează direct conductibilitatea termică și capacitatea de căldură) și este întotdeauna expus la condiții de mediu precum temperatura aerului, vântul, radiația solară și precipitațiile. Toate aceste lucruri lucrează împreună pentru a schimba modul în care un sistem de încălzire cu cartuş răspunde la semnalele de control. Aceste sisteme sunt adesea folosite pentru a încălzi zone specifice de sol în locuri precum laboratoarele de cercetare, sere, sisteme geotermale și propagare agricolă. Pentru ca sistemul de încălzire să funcționeze bine și în mod fiabil, strategia de control trebuie să se bazeze pe condițiile specifice ale mediului sol, ținând cont de modul în care se modifică și de modul în care funcționează.

Pentru solicitări modeste de încălzire a solului, cum ar fi grădinile mici sau setările agricole de -cu precizie redusă, termostatele simple de pornire-oprire sunt cea mai bună și mai ieftină opțiune. Termostatul funcționează într-un mod simplu: un senzor conectat urmărește temperatura solului și pornește încălzitorul cu cartuş la putere maximă atunci când temperatura scade sub un anumit nivel. Când temperatura atinge acest nivel, încălzitorul se oprește complet. Această metodă este ușor de utilizat și nu necesită prea multe cunoștințe tehnice, dar are mari probleme care pot afecta performanța în multe situații. Când încălzitorul este la maxim, deseori produce mai multă căldură decât poate absorbi imediat solul. Acest lucru face ca temperatura solului să depășească valoarea de referință specificată, care se numește „depășire a temperaturii”. Masa termică a solului eliberează încet căldura pe care a stocat-o după ce încălzitorul se oprește. Acest lucru face ca temperatura să scadă până când este sub valoarea de referință, ceea ce pornește din nou încălzitorul. Acest ciclu de oprire{10}}determină schimbarea frecventă a temperaturii, ceea ce poate fi foarte rău pentru plantele sensibile, cum ar fi răsaduri, specii tropicale sau exemplare dezvoltate într-un laborator, deoarece au nevoie de temperaturi stabile în zona rădăcinilor pentru a crește. Încălzitorul cu cartuş suferă, de asemenea, stres termic din cauza schimbărilor rapide între puterea maximă şi oprirea completă. Aceasta înseamnă că elementul de încălzire și izolația încălzitorului se vor uza mai repede în timp, ceea ce îi va limita durata de viață. Inerția termică a solului ajută la netezirea acestor schimbări de temperatură prin absorbția de căldură suplimentară în timpul ciclului de pornire și ținându-se de ea în timpul ciclului de oprire. Cu toate acestea, depășirea și scăderea (deviarea descendentă sub valoarea de referință) se întâmplă în continuare, ceea ce face ca controlul pornirii-deconectate să nu fie bun pentru aplicațiile care au nevoie de precizie.


Controlul proporțional este un pas important față de termostatele pornit-oprit, deoarece folosește un mod mai subtil de a controla electricitatea, care rezolvă multe dintre problemele cu termostatele pornit-oprit. Controlul proporțional modifică puterea de ieșire a cartușului de încălzire pe baza diferenței dintre temperatura observată a solului și punctul de referință. Aceasta este diferită de opțiunea binară „full on” sau „full off”. Când temperatura solului este mult mai mică decât valoarea de referință, încălzitorul funcționează la putere aproape maximă pentru a crește rapid temperatura. Controlerul scade încet puterea de ieșire pe măsură ce temperatura înregistrată se apropie de punctul de referință. Acest lucru asigură că căldura încălzitorului se potrivește cu căldura pierdută de sol. Această potrivire exactă împiedică creșterea temperaturii prea ridicate și reduce ciclismul, făcând mediul termic considerabil mai stabil pentru rădăcinile plantelor sau materialele de cercetare. Ciclul inferior protejează, de asemenea, cartușul de încălzire împotriva șocului termic, ceea ce îl face să dureze mai mult și să costă mai puțin întreținerea. Pentru a asigura această ajustare lină și continuă a puterii, sistemele de control proporțional folosesc-relee cu stare solidă (SSR) în loc de contactori mecanici. Contactoarele folosesc întrerupătoare fizice care se uzează în timp și pot provoca arc electric. SSR-urile, pe de altă parte, folosesc părți semiconductoare pentru a controla puterea fără piese în mișcare. Acest lucru nu numai că permite un control precis și silențios, dar reduce și uzura mașinii, o face mai fiabilă și face ca sistemul de încălzire să dureze mai mult în general. Pentru sarcinile de-precizie medie, cum ar fi serele comerciale sau proiectele de cercetare mici, în care temperaturile constante sunt esențiale, dar sistemele avansate de control nu merită problemele sau costurile, controlul proporțional este o alegere excelentă.

Controlerele PID (Proporțional-Integral-Derivate) sunt mai avansate decât controlerele proporționale, deoarece pot învăța și se pot adapta. Sunt excelente pentru aplicații care necesită foarte puține schimbări de temperatură. Un regulator PID folosește trei acțiuni de control diferite pentru a menține temperatura stabilă: acțiune proporțională (modificarea puterii în funcție de eroarea curentă de temperatură), acțiune integrală (corectarea erorilor care s-au acumulat de-a lungul timpului pentru a se asigura că temperatura medie se potrivește cu valoarea de referință) și acțiune derivată (prevestirea viitoarelor schimbări de temperatură pe baza ratei de schimbare a temperaturii, astfel încât regulatorul să poată schimba puterea în avans pentru a evita depășirea sau scăderea). Unul dintre cele mai bune lucruri despre controlul PID este că poate „învăța” cum reacționează solul la căldură în timp, ceea ce se numește tuning. În timpul fazei de reglare, controlerul urmărește cât de repede puterea încălzitorului crește temperatura solului, cât de mult se întâmplă depășirea (dacă este cazul) și cât de repede părăsește căldura din sol și intră în mediu. Controlerul folosește aceste informații pentru a modifica setările proporționale, integrale și derivate, astfel încât să funcționeze cel mai bine pentru tipul de sol în care se află. Controlerul poate crește câștigul integral în solul argilos, care are o inerție termică mare, pentru a compensa schimbările lente ale temperaturii. În solul nisipos, care are o inerție termică scăzută, controlerul poate reduce câștigul derivat pentru a compensa schimbările mai rapide de temperatură. Controlul PID este util în special în situațiile în care controlul precis al temperaturii este important, cum ar fi paturile de înmulțire pentru răsaduri fragile (care au nevoie de temperaturi consistente în zona rădăcinilor pentru a asigura germinația și creșterea uniformă) sau cercetarea științifică în microbiologia solului, fiziologia plantelor sau știința mediului (unde schimbările de temperatură pot schimba rezultatele experimentelor). Controlerele PID sunt mai greu de configurat și reglat decât sistemele proporționale sau{11}}off, dar în situațiile în care precizia este foarte importantă, capacitatea lor de a menține temperaturile stabile cu puține modificări face ca munca suplimentară și banii să merite.

Amplasarea senzorilor este o problemă foarte importantă, dar adesea ignorată, care are un efect direct asupra modului în care funcționează gestionarea temperaturii solului. Dacă senzorul de temperatură nu este plasat corect, chiar și cel mai avansat controler nu va putea oferi constatări fiabile, deoarece nu va afișa cu exactitate zona termică țintă (de obicei, zona rădăcinii plantei sau zona monitorizată pentru cercetare). Dacă un senzor este prea aproape de cartușul de încălzire, acesta va răspunde rapid la modificări ale setărilor de pornire-oprire sau de alimentare ale încălzitorului. Cu toate acestea, va măsura doar temperatura solului din jurul încălzitorului, nu temperatura medie a zonei rădăcinii. Acest lucru poate oferi citiri false. De exemplu, senzorul poate spune că valoarea de referință a fost atinsă atunci când o mare parte din zona rădăcină este încă prea rece sau ar putea cauza întreruperi de curent care nu sunt necesare dacă regiunea din jurul încălzitorului devine prea fierbinte. Pe de altă parte, un senzor care este prea departe de încălzitor va dura mai mult pentru a răspunde la schimbările de temperatură, deoarece căldura are nevoie de timp pentru a se muta prin sol până la locația senzorului. Această întârziere poate determina o schimbare foarte mare a temperaturii, ceea ce înseamnă că temperatura din zona rădăcină poate rămâne sub valoarea de referință pentru o lungă perioadă de timp înainte ca regulatorul să observe problema și să modifice puterea încălzitorului. Cel mai bun loc pentru un senzor este în mijlocul a două încălzitoare de cartușe și la adâncimea sistemului radicular al plantei, care este de obicei de 5 până la 15 centimetri pentru răsaduri și 15 până la 30 de centimetri pentru plantele mature. Această poziționare asigură că senzorul măsoară temperatura medie a zonei rădăcinii, nu doar regiunile calde sau reci din apropierea încălzitorului sau departe de acesta. În unele circumstanțe, adâncimea senzorului poate fi necesară modificarea anotimpurilor. De exemplu, în timpul iernii, când solul este rece, este posibil ca senzorul să fie mai adânc în sol pentru a evita modificările cauzate de înghețul de suprafață. Vara, când solul este cald, este posibil ca senzorul să fie mai puțin adânc pentru a monitoriza zona superioară a rădăcinii unde are loc cea mai mare absorbție a nutrienților.

În locuri mari, cum ar fi sere comerciale, câmpuri agricole sau sisteme geotermale industriale, controlul cu un singur-senzor nu este adesea suficient pentru a menține temperatura chiar și în întreaga zonă. Acest lucru se datorează faptului că tipul de sol, conținutul de umiditate și expunerea la vreme se pot schimba. Pentru a remedia acest lucru, sistemul de control poate folosi două metode principale pentru a combina diverse simțuri: senzori de mediere și control diferențial. Senzorii de mediere efectuează măsurători de temperatură din mai multe locuri din zona încălzită și oferă controlerului o cifră care arată temperatura totală a solului. Acest lucru ajută la compensarea diferențelor de temperatură în diferite părți ale aceleiași sere, cum ar fi solul nisipos (care se încălzește și se răcește rapid) și solul argilos (care reține căldura mai mult timp). Controlerul poate modifica ieșirea încălzitorului pentru a menține temperatura medie la nivelul corespunzător, făcând o medie a acestor valori. Acest lucru vă asigură că nicio locație nu este excesiv de caldă sau prea rece. Controlul diferențial, pe de altă parte, permite controlerului să schimbe circuitele fiecărui cartuș de încălzire separat, comparând măsurătorile de temperatură din diferite zone din zona încălzită. Controlerul poate reduce puterea încălzitoarelor din zona însorită și poate crește puterea încălzitoarelor din zona umbrită, de exemplu, dacă o zonă a serei primește lumina directă a soarelui și este mai caldă decât cealaltă. Această modificare specifică asigură că temperaturile sunt aceleași în toată zona, chiar și atunci când condițiile solului sau cantitatea de lumină solară se schimbă foarte mult. De asemenea, puteți combina mai multe-sisteme cu senzori cu zonarea, care împarte zona încălzită în zone de control independente, fiecare având propriul cartuș de încălzire și senzor. Acest lucru face controlul și mai precis. Acest lucru este util în special în clădirile mari, când nevoile de sol, plante sau cercetare sunt variate în diferite secțiuni.

Variabilele mediului ambiant influențează în mod semnificativ soluțiile de control al temperaturii solului, în special pentru aplicații în aer liber sau semi{0}}exterior, unde solul este supus expunerii mediului. Sistemele de încălzire a solului în aer liber trebuie să facă față tot timpul schimbărilor de temperatură a aerului, vitezei vântului, radiațiilor solare și precipitațiilor. Toate aceste schimbări afectează cât de repede părăsește căldura din sol. Situațiile interioare, precum sere-climatizate, nu trebuie să facă față acestor schimbări. De exemplu, într-o zi liniștită de primăvară, cu temperaturi ușoare ale aerului și un câștig solar modest, solul poate reține bine căldura, astfel încât încălzitorul nu trebuie să lucreze foarte mult pentru a menține valoarea de referință. Dar în nopțile reci de iarnă cu rafale puternice, solul pierde multă căldură, așa că încălzitorul trebuie să lucreze mai mult și mai mult pentru a compensa. În același mod, vremea foarte caldă vara poate ridica temperatura solului peste valoarea de referință. Pentru ca solul să nu fie prea fierbinte, controlerul poate fi nevoit să oprească încălzitorul sau chiar să ia măsuri pentru a-l răci, cum ar fi umbrirea sau ventilația. Pentru a rezolva aceste probleme, sistemul include, în general, controlul-feed forward. Controlul-forward forward, pe de altă parte, măsoară condițiile actuale (cum ar fi temperatura aerului, viteza vântului și radiația solară) și modifică din timp puterea încălzitorului pentru a compensa impactul acestora. Acesta este diferit de controlul standard de feedback, care modifică puterea pe baza inexactităților anterioare sau actuale ale temperaturii. De exemplu, dacă senzorul de alimentare-forward vede că temperatura aerului este pe cale să scadă sau viteza vântului este pe cale să crească, controlerul va crește puterea de ieșire a încălzitorului înainte ca temperatura solului să înceapă să scadă. Acest lucru oprește variația de temperatură. Această tehnică proactivă face temperatura mult mai stabilă, scade șansa de depășire sau scădere și face ca încălzitorul să utilizeze doar puterea de care are nevoie pentru a contracara influențele exterioare, ceea ce economisește energie. În anumite sisteme moderne, controlul feed-forward poate folosi și prognozele meteo pentru a prezice schimbările pe termen lung ale mediului, ceea ce face sistemul și mai adaptabil.

Controlul centralizat este mai bun decât controlerele descentralizate, specifice zonei-pentru sistemele de încălzire cu mai multe zone de încălzire cu cartuş, cum ar fi sere mari, fabrici sau ferme care sunt împărţite în mai multe zone de control. Un sistem de control centralizat folosește un controler principal pentru a regla toate zonele de încălzire. Acest lucru vă asigură că totul funcționează împreună și funcționează cât mai bine posibil. Un mare beneficiu este echilibrarea sarcinii. Controlerul centralizat poate distribui puterea în zonele, astfel încât sistemul electric să nu se încălzească prea mult, asigurându-vă că toate încălzitoarele funcționează bine fără a crea căderi de tensiune sau probleme electrice. De exemplu, controlerul ar putea oferi mai multă energie electrică zonelor cu instalații mai sensibile sau mostre importante de cercetare în perioadele de cerere mare de încălzire și mai puțină energie în zonele care sunt mai puțin importante. Controlul centralizat ajută, de asemenea, la economisirea energiei, analizând datele de temperatură din toate zonele și modificând puterea de ieșire în funcție de cererea totală, mai degrabă decât gestionând fiecare zonă separat. Acest lucru poate economisi multă energie, în special în sistemele mari în care controlul fiecărei zone separat risipă energie. Un alt mare plus al controlului centralizat este că poți urmări și schimba lucrurile de la distanță. Operatorii pot verifica temperatura fiecărei zone în timp real, pot modifica punctele de referință și pot rezolva problemele fără a fi nevoie să meargă la fiecare instalație de încălzire folosind un dispozitiv conectat, cum ar fi un computer, o tabletă sau un smartphone. Acest lucru este util în special pentru clădirile mari sau locurile care sunt departe, unde ar fi nevoie de mult timp și bani pentru a monitoriza lucrurile în persoană. În plus, sistemele de control centralizat includ adesea capabilități de înregistrare a datelor, care înregistrează citirile de temperatură, timpii de funcționare a încălzitorului și consumul de energie în timp. Aceste date pot fi analizate pentru a identifica tendințe, cum ar fi creșterea consumului de energie (care poate indica o defecțiune a încălzitorului sau deteriorarea izolației solului) sau fluctuațiile de temperatură (care pot semnala probleme ale senzorilor sau modificări ale condițiilor solului). Operatorii pot face întreținere sau pot face modificări înainte ca aceste probleme să se agraveze și să provoace defecțiuni ale sistemului, deteriorarea recoltei sau greșeli în experimente. În sistemele avansate, înregistrarea datelor poate fi, de asemenea, integrată cu algoritmi de inteligență artificială (AI) pentru a optimiza și mai mult strategiile de control, învățând din datele istorice pentru a prezice schimbările viitoare de temperatură și pentru a ajusta automat setările.