तापनियंत्रक :कित्येक रासायनिक प्रक्रिया विशिष्ट तापमानातच चांगल्या तऱ्हेने होऊ शकतात. विविध विज्ञानांतील प्रक्रियाही काही निश्चित तापमानकक्षेत कराव्या लागतात. मोजपट्ट्या, उच्च दर्जाची भिंगे इ. साधने विशिष्ट तापमानात तयार न केल्यास ती पुरेशी अचूक होत नाहीत. कित्येक खाद्यपदार्थ, औषधे पुरेशा नीच तापमानात साठवून ठेवल्यास दीर्घ काळ टिकतात. विजेची इस्त्री जास्त गरम झाल्यास नाजूक कपड्यांचे नुकसान होऊ शकते. काम करण्याच्याजागेत पुरेसा आराम मिळावा व कार्यक्षमताही वाढावी यासाठी अशा जागा वातानुकूलित (विशिष्ट तापमान व आर्द्रता राहील अशा) करतात. जेथे तापमानाचे स्वयंचलित नियंत्रण करणे जरूर असते अशा काही ठिकाणांची वा परिस्थितींची ही उदाहरणे आहेत. येथे एक गोष्ट लक्षात ठेवली पाहिजे की, तापनियंत्रकांकडून तापमान काही विशिष्ट मर्यादांमध्ये स्थिर केले जाते ते एका विशिष्ट तापमानाला स्थिर करता येत नाही.
स्थूलमानाने तापनियंत्रकांचे दोन भाग करता येतात. (१) नियंत्रित तापमान सभोवतालच्या तापमानापेक्षा कमी ठेवण्यासाठी वापरावयाचे नियंत्रक उदा., शीतगृहासाठी. येथे शीतगृहातील तापमान विशिष्ट मर्यादेच्या वर गेले की, नियंत्रक शीतलन करणारी यंत्रणा कार्यवाहीत आणतो व तापमान दुसऱ्या एका मर्यादेच्या खाली गेले की, ती यंत्रणा बंद करतो. (२) नियंत्रित तापमान भोवतालच्या तापमानापेक्षा जास्त असल्यास नियंत्रकाचे कार्य याच्या उलट असते. म्हणजेच तापमान विशिष्ट मर्यादेच्या खाली गेले की, नियंत्रक एक उष्णतादायक यंत्रणा कार्यवाहीत आणतो व दुसऱ्या मर्यादेच्या वर गेले की, ती यंत्रणा बंद करतो.
तापनियंत्रकाचे सामान्यपणे (१) संवेदक, (२) प्रेरक व (३) प्रत्यक्ष नियंत्रक असे तीन भाग करता येतात. काही नियंत्रकांत यांतील दोन किंवा तीनही भागांचे कार्य एकच भाग करतो. उष्णतेमुळे धन, द्रव किंवा वायुरूप पदार्थांच्या होणाऱ्या प्रसरणावर बहुतेक संवेदक कार्य करतात. तापविद्युत् परिणाम (दोन भिन्न धातूंच्या तारांची एकेक टोके एकत्र करून ती एका तापमानाला आणि दुसरी टोके एकत्र करून निराळ्या तापमानाला ठेवल्यास या तापमान फरकाच्या प्रमाणात निर्माण होणारा विद्युत् प्रवाह परिणाम) व तापमानातील फेरफारामुळे धातूंच्या विद्युत् रोधात होणारा बदल यांचाही कामासाठी उपयोग करता येतो.
संवेदकाचे कार्य म्हणजे तापमानातील फेरबदलाची दखल घेऊन त्यानुसार प्रेरकाला योग्य ती चालना देणे हे होय. जेथील तापमान नियंत्रित करावयाचे त्याच जागेत किंवा तिला संलग्न असा संवेदक बसविलेला असतो. संवेदकात वापरलेला कार्यकारी पदार्थ अपेक्षित तापमानाच्या कक्षेत त्याचे गुणधर्म बदलणार नाहीत असा निवडावा लागतो.
द्रव प्रसरण संवेदक : उष्णतेमुळे द्रवाच्या होणाऱ्या प्रसरणावर चालणाऱ्या संवेदकाचे तत्त्व आ. १ मध्ये दाखविले आहे.
(१) ही द्रव्याने भरलेली टाकी असून तिला जोडलेल्या (२) ह्या नळीत (३) हा एक दट्ट्या आहे आणि दट्ट्याला (४) ही एक दांडी जोडलेली आहे. टाकीतील द्रवाचे तापमान वाढले की, त्याचे प्रसरण होऊन दट्ट्या उजवीकडे सरकतो आणि त्याला जोडलेली दांडी प्रत्यक्ष नियंत्रकाला कार्यवाहीत आणते. येथे दट्ट्या व दांडी हे प्रेरक आहेत. प्रत्यक्ष नियंत्रक हा एखादा स्विच किंवा झडप असू शकतो. त्याची उघडमिट प्रेरकाकडून होते. तापमान उतरल्यावर द्रवांचे आकुंचन होते वेळी स्प्रिंगेच्या दाबाने दट्ट्या परत डावीकडे सरकतो.
द्विधातवीय पट्टी संवेदक : या साधनात वेगवेगळे प्रसरणांक (१° से. तापमान वाढविण्यास एकक लांबीत होणारी वाढ) असलेल्या दोन धातूंच्या पट्ट्या (उदा., पितळ आणि लोखंड) वितळजोडाने (वेल्डिंग क्रियेने) परस्परांना लांबीला समांतर अशा जोडलेल्या असतात. या पट्टीचे तापमान वाढले की, ती (कमी प्रसरणांक असलेल्या धातूच्या बाजूला) वाकते. अनेक तापनियंत्रकांत (उदा., विजेच्या इस्त्रीत) ही पट्टी संवेदक म्हणून वापरलेली असते. पट्टीच्या या वाकण्याने नियंत्रक यंत्रणा कार्यवाहीत आणता येते. जेव्हा विद्युत् प्रवाहानेच उष्णता उत्पन्न केली जात असते तेव्हा विशिष्ट मर्यादेपेक्षा तापमान जास्त झाले की, द्विधातवीय पट्टी वाकून विद्युत् प्रवाह बंद व्हावा, अशी योजना केलेली असते. दुसऱ्या (नीच) मर्यादेपेक्षा तापमान खाली गेले की, पट्टी सरळ होऊन विद्युत् प्रवाह पुन्हा सुरू होतो व उष्णता उत्पन्न होऊ लागते. आ. ३ मध्ये स्वयंचलित विद्युत् इस्त्रीच्या तापनियंत्रकाचे कार्य दाखविले आहे.
ही सर्व रचना इस्त्रीच्या आतच बसविलेली असते. इस्त्रीचे तापमान इच्छित मर्यादेपेक्षा जास्त झाले म्हणजे द्विधातवीय पट्टी इतकी वाकते की, (३) व (४) हे स्पर्शक एकमेकांपासून अलग होतात व विद्युत् पुरवठा बंद होतो. या वेळी स्पर्शकांमध्ये विद्युत् ठिणग्या पडतात. त्यामुळे स्पर्शक खराब होऊ नयेत यासाठी ते टंगस्टनासारख्या उच्च तापमानाला न वितळणाऱ्या धातूचे करतात. इस्त्रीच्या वर एक नियंत्रक तबकडी बसविलेली असते. ती फिरवून (१) ही पट्टी कमीअधिक खाली दाबता येते. त्यामुळे कोणत्या तापमानाला विद्युत् प्रवाह खंडित व्हावा ते इच्छेनुसार बदलता येते.
आ. ४ मध्ये काचेच्या नळीत हवाबंद केलेला द्विधातवीय तापनियंत्रक दाखविला आहे. नळीतील हवा काढून घेऊन तीत हायड्रोजन वायू भरलेला असतो अथवा ती निर्वात ठेवलेली असते. नळी हवाबंद असल्याने स्पर्शकांचे ऑक्सिडीभवन (ऑक्सिजनाशी संयोग) होत नाही. हा तयार करताना (१) हा स्क्रू उपकरण तयार करताना कारखान्यातच अशा तऱ्हेने पक्का करतात की, इष्ट तापमानाला स्पर्शक अलग व्हावेत. त्याचप्रमाणे इच्छित तापमान आल्याबरोबर स्पर्शक एकत्र यावेत, अशा पद्धतीचेही नियंत्रक बनविता येतात.
प्रसरणांकातील फरकावर आधारलेले नियंत्रक : दोन धातूंच्या प्रसरणांकांत बराच फरक असेल, तर त्याचा संवेदकासाठी उपयोग करता येतो. आ. ५ मध्ये या तत्त्वावर आधारलेल्या ‘नळीत सळई’ पद्धतीच्या संवेदकाचे तत्त्व दाखविले आहे. एका पितळी नळीत (प्रसरणांक १९ X १०-६ प्रती ° से.) एक इनव्हार पोलादाची सळई (प्रसरणांक १·५ X १०-६ प्रती ° से.) समाक्ष बसविलेली असते. सळईचे खालचे टोक नळीच्या बुडाला वितळजोडाने पक्के केलेले असते. या रचनेचे तापमान वाढले की, प्रसरणांकांमधील फरकामुळे नळीचे वरचे तोंड व सळईचे वरचे टोक यांमधील अंतर वाढते. या दोहोंची मूळची लांबी जितकी जास्त तितकी ही अंतरातील वाढ जास्त आणि संवेदक जास्त सूक्ष्मग्राही होतो. याचा उपयोग करून एक स्विच उघडून तापकाला होणारा विद्युत् पुरवठा खंडित करता येतो किंवा वायूच्या ज्वलनाने उष्णता निर्मिती होत असल्यास याच्या साहाय्याने एक झडप अंशतः (किंवा पूर्णपणे) बंद करून उष्णता निर्मिती कमी करता येते. घरगुती भट्ट्यांच्या तापमान नियंत्रणासाठी या प्रकारच्या नियंत्रकाचा पुष्कळ ठिकाणी उपयोग करतात.
एकधातू प्रसरणावर आधारलेला तापनियंत्रक : केवळ एकाच धातूच्या प्रसरणावर कार्य करणारा सनव्हिक तप्त तार निर्वात स्विच तापमान नियंत्रणासाठी अनेक ठिकाणी वापरतात. आ. ६ मध्ये याचे तत्त्व दाखविले आहे. (५) ह्या एका टेकूवर ठेवलेल्या (६) ह्या तरफेच्या एका टोकाला एक चल स्पर्शक (७) बसविला असून दुसऱ्या टोकाला एक रीळ (४) जोडले आहे. स्प्रिंगच्या (८) दाबामुळे चल स्पर्शक स्थिर स्पर्शकाला (११) स्पर्श करून विद्युत् मंडल पुरे करू पाहतो, परंतु रिळावरील पोलादी तारेच्या (३) ताणामुळे त्याला प्रतिबंध होतो. परंतु या तारेतून अल्प (सु. २५ ते ६० मिअँपि.) विद्युत् प्रवाह सोडल्यास ती तापून प्रसरण पावते व सैल पडते आणि (७) व (११) हे स्पर्शक परस्परांना स्पर्श करतात आणि विद्युत् मंडल पूर्ण होते.
प्रत्यक्षात ही सर्व रचना एका निर्वात नळीत बसविलेली असते. या स्विचाचा तापनियंत्रणासाठी अनेक तऱ्हांनी उपयोग करता येतो.
भाता प्रकारचा संवेदक : उष्णतेमुळे द्रवाच्या बाष्पदाबात होणाऱ्या वाढीचा या संवेदकात उपयोग करून घेतलेला असतो. एका दंडगोलाकृती लवचिक भात्यात चटकन बाष्पीभवन होणारा द्रव अंशतः भरलेला असतो (आ. ७) आणि भाता हवाबंद केलेला असतो. तापमान वाढले की, भात्यातील (१) बाष्पदाब वाढून भाता प्रसरण पावतो आणि त्यामुळे तरफ (२) उजवीकडे ढकलली जाते. ती पुरेशी ढकलली गेली की चल स्पर्शक (३) उजवीकडच्या स्थिर स्पर्शकाला (४) स्पर्श करून एक विद्युत् मंडल पूर्ण होते. या पद्धतीचा नियंत्रक घरगुती प्रशीतकात (रेफ्रिजरेटरमध्ये) बहुशः वापरलेला असतो. (३) व (४) या स्पर्शकांनी स्पर्श करून विद्युत् मंडल पूर्ण झाले की, संपीडकाचे (द्रव वा वायूवरील दाब वाढवून त्यांचे संकोचन करणाऱ्या साधनाचे) विद्युत् चलित्र (मोटर), सुरू होते व शीतलन होऊ लागते. विशिष्ट मर्यादेच्या पलीकडे शीतलन झाले की, भात्यातील बाष्पदाब कमी होऊन भाता संकोच पावतो आणि (३) व (४) एकमेकांपासून अलग होतात.
अप्रत्यक्ष नियंत्रक :अनेकदा संवेदकामुळे एखादे ⇨अभिचालित्र(रिले) कार्यवाहीत आणले जाते व अभिचालित्राकडून खुद्द नियंत्रक कार्यवाहीत आणला जातो. याला अप्रत्यक्ष नियंत्रण पद्धती म्हणतात. आ. ८ मध्ये विद्युत् चुंबकीय अभिचालित्र द्विधातवीय पट्टीच्या संवेदकाने कसा कार्यवाहीत आणता येतो, त्याची एक पद्धत दाखविली आहे.
(१) हा द्विधातवीय संवेदक असून इष्ट तापमान आले की, (३) व (४) हे स्पर्शक एकत्र येऊन विद्युत् चुंबकाच्या वेटोळ्यामध्ये (८) विद्युत् प्रवाह चालू होतो. त्यामुळे त्याचा मृदू लोखंडाचा अंतरक (गाभा) चुंबकित होऊन (१०) ही तरफ डावीकडे आकर्षिली जाते. त्यामुळे (१२) या दांडीकडून (१३) हा स्वीच बंद होतो व मुख्य विद्युत् प्रवाह चालू होतो. याउलट इष्ट तापमान आले असता (१६) हा स्विच उघडून मुख्य विद्युत् प्रवाह खंडित होईल, अशीही रचना करता येते. अशा तऱ्हेने या उपकरणाच्या साहाय्याने एखादे विद्युत् चलित्र चालू करून एखादी झडप मागेपुढे करता येते (व त्यामुळे इंधन वायूचा प्रवाह कमीजास्त करता येतो) किंवा विद्युत् तापकातील विद्युत् प्रवाह सुरू किंवा खंडित करता येतो व तापनियंत्रण करता येते.
अति–उच्च तापनियंत्रक : अति–उच्च तापमानाच्या (२,०००° से. ते २,३००° से.) नियंत्रणासाठी दोन पद्धती उपयोगात आणतात. (जिचे तापमान नियंत्रित करावयाचे त्या) भट्टीत एक प्लॅटिनम–प्लॅटिनम–ऱ्होडियम यांचे तपयुग्म (तापविद्युत् परिणामाचा उपयोग करणारी प्रयुक्ती)घालतात व त्यामुळे उत्पन्न होणारे विद्युत् वर्चस् एका मिलिव्होल्टमापकाला लावले जाते.इष्ट तापमान आल्यावर मिलिव्होल्टमापकाचा काटा जेथे येईल तेथे एक स्थिर स्पर्शक बसविलेला असून काटाच स्वतः चल स्पर्शकाचे कार्य करतो. त्या दोघांमुळे विद्युत् मंडल पूर्ण होऊन एक विद्युत् अभिचालित्र कार्यवाहीत येते व त्याच्याकरवी उष्णता निर्मिती थांबविली जाते.
प्लॅटिनम विद्युत् रोध तापमापकाची रचनाही उच्च तापमानाच्या नियंत्रणासाठी वापरता येते. यात प्लॅटिनम रोध तापमापक एका संतुलित ⇨ व्हीट्स्टन सेतूचा एक भुज करतात. संतुलित अवस्थेत गॅल्व्हानोमीटरामधून विद्युत् प्रवाह जात नाही परंतु रोध तापमापकाचे तापमान चढेल त्या प्रमाणात सेतू जास्त जास्त असंतुलित होतो आणि गॅल्व्हानोमीटराच्या दर्शकाचे जास्त जास्त विचलन होते. त्याच्या साहाय्याने वरीलप्रमाणे तापनियंत्रण साधता येते.
विद्युत् चुंबकीय अभिचालित्राशिवाय, इलेक्ट्रॉनीय त्याचप्रमाणे संपीडित वायूवर चालणारी अभिचालित्रेही वापरता येतात.
नीच तापनियंत्रक : (क्रायोस्टॅट), नीच तापमान नियंत्रित करण्यासाठी द्रव पदार्थांचे उकळबिंदू अथवा घन पदार्थांचे वितळबिंदू स्थिर तापमान बिंदू असतात, या तत्त्वाचा उपयोग करता येतो. घन व वायूरूप कार्बन डाय–ऑक्साइड –७८·५° से. या तापमानाला समतोलात असतात. एका देवार पात्रात घन कार्बन डाय–ऑक्साइड घालून त्यात इष्ट उपकरण ठेवल्यास त्याचे तापमान आपोआपच वरील मूल्याला स्थिर राहील. त्याचप्रमाणे उकळत्या द्रव नायट्रोजनात उपकरण ठेवून त्याचे तापमान त्या उकळबिंदू इतके स्थिर ठेवता येते.
कार्यपद्धतीवरून तापनियंत्रकांचे दोन भाग पाडता येतात : (१) उघड–मीट पद्धतीचा आणि (२) अखंड प्रकारचा. वर वर्णिलेले सर्वनियंत्रक उघड–मीट प्रकारात मोडतात. ते इच्छित तापमान विशिष्ट मर्यादेच्या वर अथवा दुसऱ्या मर्यादेच्या खाली जाऊदेत नाहीत. या दोन मर्यादांत १° से. ते १०° से. पर्यंत तफावत असू शकते. ही तफावत कमी करण्यासाठी म्हणजेच तापमान जास्त स्थिर मूल्यी ठेवण्यासाठी संवेदक जास्त सूक्ष्मग्राही असावे लागतात आणि यंत्रणेत होणारा विलंबकाल किमान असावा लागतो. वातानुकूलित घरासाठी १° से.च्या मर्यादेत तापमान वर–खाली झाले, तरी ते उत्तम समजतात आणि त्यापलीकडे फरक गेला की, तापमान पूर्वस्थितीला आणण्यासाठी ३० मिनिटांपर्यंत विलंबकाल चालू शकतो परंतु प्रयोगशाळेतील तापनियंत्रकात ही तफावत ०·०१° से. व विलंबकाल फक्त काही सेकंदांचाच असणे आवश्यक असते.
पहा : तापमापन.
संदर्भ : 1. Haines, J.E.Automatic Control of Heating and Air–Conditioning, New York, 1961.
2. Jones, E.B. Instrument Technology, London, 1965.
सप्रे गो. वि. पुरोहित, वा. ल.
“