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 путём 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 надёжность. 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, надёжность 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 распространённый 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 трёх 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 трёх- или четырёхпроводную, обязательно экранированную, электрическую связь термистора со схемой обработки сигнала. При этом провода должны быть строго нормированы по сопротивлению, то есть иметь строго определённую длину при заданном сечении. Это обстоятельство вызывает неудобства монтажа и не позволяет производить температурное измерение и регулирование в произвольно выбранной и достаточно удалённой 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 путём 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, электроразъёмы, 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);
• приведённая 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.