В. Зотов, А. Кравченко

Автоматический регулятор температуры на основе Z-термистора

Задачи измерения и поддержания температуры на заданном уровне актуальны во многих сферах деятельности человека. Решаются они пут╦м использования различного рода терморегуляторов, управляющих силовыми цепями нагревателей или охладителей.

При разработке устройств терморегулирования разработчику приходится учитывать множество факторов, влияющих на их работоспособность. Это, в первую очередь, - параметры контролируемой среды - величины измеряемых температур, их диапазон и динамика, а также технико-эксплуатационные требования к терморегуляторам - точность, экономичность, технологичность, эксплуатационная пригодность и над╦жность. При этом главная роль, определяющая функциональные возможности терморегулятора, принадлежит выбору чувствительного элемента, то есть первичного термопреобразователя.

Для решения технических задач невысокого уровня, в которых не требуется высокая точность, над╦жность и долговечность, применяют, как правило, биметаллические контактные замыкатели. Они просты в изготовлении и эксплуатации, не требуют электронного обрамления, но при этом имеют низкую чувствительность, большой гистерезис, чувствительность к вибрации, свойство диффузионного старения биметалла с потерей им чувствительности, искрение (дребезг), конструктивные сложности в случае необходимости герметизировать контакты и прочее.

Бесконтактные первичные термопреобразователи используются для решения самых разнообразных и сложных задач температурного регулирования. Однако, несмотря на это, их типовой ряд ограничивается всего лишь двумя типами термопреобразователей, различающихся между собой по физической природе функции преобразования. Это термоэлектрические преобразователи-термопары и терморезистивные термометры сопротивления.

Термопары используются в очень широком диапазоне температур (-270ºC; +2760ºС), обладают высоким быстродействием и имеют очень малые размеры температурного спая, что позволяет производить ими точечные измерения. Однако, термопары имеют низкую чувствительность (десятки мкВ/град.), требуют использования опорного спая и его температурной стабилизации. Устройства терморегулирования на их основе сложны схемотехнически и конструктивно.

Наиболее распростран╦нный тип первичных термопреобразователей ≈ термометры сопротивления. Они подразделяются на два вида: металлические и полупроводниковые (термисторы). Термометры сопротивления более инерционны, чем термопары, но гораздо более чувствительны. Чувствительность включенных в измерительную схему металлических термометров сопротивления достигает величин порядка единиц мВ/град., а полупроводниковых ≈ двух или тр╦х десятков мВ/град. Основная область использования металлических термометров сопротивления ≈ это измерение критических температур: или крайне низких (до -270ºС), например, в криогенной технике, или крайне высоких (свыше 2500ºС), например, в космиче-ском ракетостроении. Полупроводниковые термометры сопротивления ≈ термисторы применимы в более узком температурном диапазоне. В зависимости от используемого полупроводникового материала, они способны работать при температурах от нескольких градусов по шкале Кельвина до 300ºС. Однако электронные схемы, регистрирующие малые температурные изменения сопротивления термистора и преобразующие их в электрические сигналы, сами имеют весьма ограниченные температурные возможности. Поэтому термисторы, как правило, используют в довольно узком интервале температур (-50ºC; +100ºС). Если необходимо провести измерение и регулирование в более широком интервале температур, то приходится последовательно использовать различные термисторы с соответственно подобранными сопротивлениями.

При разработке терморегулирующих устройств на основе термисторов разработчикам приходится решать ряд технических задач разной степени сложности. Во-первых, это необходимость дополнительно вводить в измерительную цепь регулируемое пороговое устройство вследствие того, что термисторы имеют непрерывную и гладкую, монотонно изменяющуюся функцию преобразования. Во-вторых, это необходимость усиливать на постоянном токе очень слабые сигналы рассогласования, снимаемые с мостовой схемы включения термистора. И, в-третьих, это необходимость использовать тр╦х- или четыр╦хпроводную, обязательно экранированную, электрическую связь термистора со схемой обработки сигнала. При этом провода должны быть строго нормированы по сопротивлению, то есть иметь строго определ╦нную длину при заданном сечении. Это обстоятельство вызывает неудобства монтажа и не позволяет производить температурное измерение и регулирование в произвольно выбранной и достаточно удал╦нной от корпуса терморегулятора точке пространства. В случае встраивания термистора внутрь корпуса прибора теряется объективность температурных измерений в контролируемом пространстве и вообще смысл регулирования его температурного поля.

Избежать этих трудностей, упростить схемотехнически и конструктивно устройство терморегулятора, а также существенно улучшить его характеристики, ≈ позволило использование в качестве первичного термопреобразователя термистора с пороговой переключающей функцией преобразования или Z-термистора [1-4]. Он отличается чрезвычайно высокой температурной чувствительностью, а схема его включения ≈ уникальной помехоустойчивостью в отношении электромагнитных воздействий. Он запитывается через двухпроводную линию и совершенно нечувствителен к длине соединительных проводов. Благодаря этим свойствам, а также малым размерам (диаметр менее 4 мм), Z-термистор можно располагать в любой точке контролируемого температурного поля, а монтаж соединительных проводов осуществлять совместно с любой силовой линией без их экранирования и ограничения по длине. Более того, Z-термистор позволяет осуществлять температурный контроль силовых проводов пут╦м его установки непосредственно поверх изоляции провода.

Z-термистор и разработан в Институте проблем управления РАН совместно с малым предприятием "VZ Sensor". Благодаря использованию Z-термистора, структура регулятора чрезвычайно проста и состоит из источника питания, Z-термистора и коммутатора, переключающего большие токи нагрузки (нагревателя, охладителя и пр.)

Области применения терморегулятора на основе Z-термистора весьма широки и определяются пределами контролируемых им температур - от -40ºC до +120ºС. Объектами температурного регулирования могут быть отопительные системы жилых, производственных и складских помещений (например, зернохранилищ), салоны автомобилей и авиалайнеров, различные двигатели, трансмиссии, тормозные системы транспортных средств, электропроводки, электроразъ╦мы, средства пожарной сигнализации (возможно, параллельное подключение до десяти Z-термисторов к одной линии), медицинская контрольно-измерительная и физиотерапевтическая аппаратура, объекты биотехнологий, парники, оранжереи и многие другие объекты промышленного, бытового, медицинского и сельскохозяйственного назначения.

В ряду технико-эксплуатационных характеристик терморегулятора целесообразно отметить следующие:

• возможный диапазон температурных измерений: -40ºC +120ºС;
• ширина интервала температурного регулирования: 170ºС;
• абсолютная погрешность измерения температуры: 0,1 - 0,5ºС (зависит от ширины интервала регулирования);
• привед╦нная погрешность: 0,51%;
• электрическое соединение термочувствительного элемента с корпусом - любая двухпроводная неэкранированная линия произвольной длины;
• количество одновременно (параллельно) включаемых термочувствительных элементов - до десяти;
• величина коммутируемого тока нагрузки ограничена нагрузочной способностью коммутирующего устройства;
• источник первичного электропитания - любая стандартная электросеть, аккумуляторная батарея или гальванические элементы с напряжением от 1,5 В и выше.

Литература

1. Zotov V.D. et al. Semiconductor Structures, Methods for Controlling Their Conductivity and Sensing Elements Based on These Semiconductor Structures. Patent of USA, #5.742.092, April 1996.
2. Зотов В.Д. Полупроводниковые многофункциональные сенсоры широкого применения (Z-сенсоры) // Chip News. 1998. ╧ 4. С. 22√24.
3. Зотов В.Д. Z-термисторы ≈ новый класс температурных сенсоров // Chip News. 1999. ╧ 1. С. 37√38.
4. Зотов В.Д., Кравченко А.М., Миронова П.В. Z-термисторы в режиме генератора импульсов // Chip News. 2001. ╧ 1. С. 42√43.