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手动升级一款不靠软件与电子控制的“智能”装置

时间:2018-12-07 作者:Bill Schweber 阅读:
圆形的Honeywell T-86恒温器是在1953年问世,这款产品完全不靠软件与电子来控制,超过半世纪以来已经在全球市场出货上百万个,而且很多都还在使用中...

笔者最近帮某人升级了用Honeywell T-86圆形恒温器控制的暖气系统,换了一个更新、更聪明的装置;这次的升级事实上是好几个等级的跃进,因为旧有的恒温器至少已经存在了30年,搞不好有40或50年。P4rednc

根据从网络上搜寻的相关数据,Honeywell T-86恒温器是在1953年问世;我不能确定该装置是何时正式停产,但应该是没多久以前。这款恒温器在全球销售了上百万个,其中有很多仍在使用中;因为其基本设计是如此深植人心,Honeywell为喜欢这种简洁设计的使用者提供了外观几乎相同的替代产品,内建的锂电池续航力号称可达10~20年。P4rednc

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Honeywell T-86闻名市场的圆形恒温器,因为外观与工程设计优雅简洁,自从1953年问世以来已经出货了数百万个,有许多仍在使用中。(来源:Cooper Hewitt Smithsonian Design Museum)P4rednc

这款恒温器的目标就是简单与可靠:在两条导线──其中一条是「热」(hot)、通常是24VAC,另一条是「一般」(common)──之间提供开关闭合(switch closure),在环境感测到的温度低于阈值设定点时要求加热,在温度高于设定点时则将导线分开。有趣的是,该装置不需要使用任何电子或电气动力,而是采用螺旋状双金属带(spiraled bimetallic strip),随着温度增加或下降而卷曲或伸展,长度也随着拉长或缩短。P4rednc

在卷曲金属条末端有一个密封玻璃小瓶(即安瓿- ampule),有两条导线穿过玻璃瓶、瓶内则有少许水银;当金属带卷曲/伸展,以及瓶子的方向改变时,水银会形成两条导线之间的电气链接或是断开。此装置的运作原理以及设计带来了可靠度,在其应用领域长时间的表现也证实了这一点;双金属带的微幅卷曲不会导致长时间的金属疲劳,电气触点因为是密封于玻璃瓶中,也不会有锈蚀的问题(但是没错,如果安瓿破裂导致水银外泄就会是个问题)。P4rednc

不过这种高效率温度控制解决方案的设计者也面临所有开关式(on-off;或称为「双位- two-position」、「bang-bang」)、非比例控制系统的问题:在设定点周遭准确带(accuracy band)以及开关循环率(cycling rate)之间的权衡。P4rednc

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简单的开关控制系统之挑战,是设定点周遭的颤振(chattering)现象;因为系统会以相当高的频率打开/关闭驱动力,这大部分是以相对于该力道的负载「质量」(mass)为变化因素。(来源:Control System DEM5B)P4rednc

在设定点周遭更快的开关循环带来准确度,但频率循环(颤振)问题十分恼人,会造成暖气系统零件(如风扇、风箱、点火器、电热器、开关、继电器等等)的过度磨损。循环率随着暖气系统输出功率以及类型(热风、电热或是热水式散热器)变化,还有房屋的热质量(thermal mass)与关联的热时间常数(thermal time constant);这些全都是在恒温器领域以外的因素。P4rednc

解决这种知名问题的第一步,是为回路添加一点迟滞作用(hysteresis);透过这种方式,恒温器会有由开启与关闭阈值定义的死区(deadband),通常设置在1度左右。不过会有一个问题:你如何精确地在非电子装置上设置这个?没有软件、没有模拟运算放大器(要在运算放大器上加入迟滞是非常简单的)、也没有其他电子组件;事实上这是一个全机械系统,以一条24 VAC线路开关。P4rednc

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标准的解决方案众所周知:在设定点附近添加一些迟滞作用,但是得付出较广错误带的代价。(来源:Fuji Electric France S.A.S.)P4rednc

而Honeywell布置的解决方案既简单又巧妙,这种方法也被运用于其他控制装置,但从未用在长寿命、低成本的大众市场产品──他们加入了一个预测器(anticipator;在1924年首度被应用于温度控制装置),也就是一个迷你的加热器、能为恒温器加温来「骗」装置,让恒温器以为温度比实际上高。这会让恒温器把暖气系统在室温实际达到设定点之前「一点点」,就先把系统关闭,以避免过度加热。P4rednc

该加热器是缠绕在绝缘体上的镍铬合金(nichrome)线,藉由系统导线的24 VAC自供电(是一种能量采集方法),因位置固定所以能为双金属带加热。P4rednc

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恒温器内的预测器是微小的加热线圈,能在环境温度没那么高的时候「骗」双金属带已经达到。(来源:Inspectapedia)P4rednc

这种架构有两个挑战:首先标称24 VAC系统通常功率没那么高,只有15或12 VAC;因此加热器的输出也会降低。其次暖气系统的上升/下降时间取决于其类型,热水式的温度质量最大、能传递「动能」,而热风式其次、电热式最小。P4rednc

要克服这些问题,在预测加热器的镍铬合金在线有一个可调整的滑条,能控制通过加热器的电流量──电阻较小的时候电流就越大、发热也更大,依据著名的公式P = I2。 Honeywell也提供了参考设定值(如下表),也就是预测器电流值(安培)。P4rednc

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就算最简单的预测器也需要调整,以搭配热源的温度上升时间;表内的数值是T-86恒温器的建议初始设定。(来源:HVAC School)P4rednc

虽然预测器缺少现代软件控制暖气系统的灵活度,后者加入了定时还有其他许多编程选项,这种方法还是相当有效、便宜又可靠。当然,这种加热装置为系统添加了复杂度,也降低了长期可靠性,但就算它扮演预测器的功能失效了,系统还是能在一般的开路故障(open-failure)模式下运作,这比恒温器被锁定在全开或全关模式下的故障要好得多。P4rednc

而尽管微控制器(MCU)组件方便可得,你知道什么其他能解决某个问题的简单、非软件方法吗?对于项目开发团队以及营销人员来说,像这样的方案会「很难卖」吗?或者是人们其实坦承这类解决方案实际上是最有效的?欢迎分享你的看法!P4rednc

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版;参考原文:Dumb thermostat provides power smarts without software,by Bill Schweber;本文作者为资深EE人,撰写过三本教科书、数以百计的技术文章与评论;编译:Judith Cheng)P4rednc

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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