筆者最近幫某人升級了用Honeywell T-86圓形恆溫器控制的暖氣系統,換了一個更新、更聰明的裝置;這次的升級事實上是好幾個等級的躍進,因為舊有的恆溫器至少已經存在了30年,搞不好有40或50年。

根據從網路上搜尋的相關資料,Honeywell T-86恆溫器是在1953年問世;我不能確定該裝置是何時正式停產,但應該是沒多久以前。這款恆溫器在全球銷售了上百萬個,其中有很多仍在使用中;因為其基本設計是如此深植人心,Honeywell為喜歡這種簡潔設計的使用者提供了外觀幾乎相同的替代產品,內建的鋰電池續航力號稱可達10~20年。

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Honeywell T-86聞名市場的圓形恆溫器,因為外觀與工程設計優雅簡潔,自從1953年問世以來已經出貨了數百萬個,有許多仍在使用中。
(來源:Cooper Hewitt Smithsonian Design Museum)

這款恆溫器的目標就是簡單與可靠:在兩條導線──其中一條是「熱」(hot)、通常是24VAC,另一條是「一般」(common)──之間提供開關閉合(switch closure),在環境感測到的溫度低於閾值設定點時要求加熱,在溫度高於設定點時則將導線分開。有趣的是,該裝置不需要使用任何電子或電氣動力,而是採用螺旋狀雙金屬帶(spiraled bimetallic strip),隨著溫度增加或下降而捲曲或伸展,長度也隨著拉長或縮短。

在捲曲金屬條末端有一個密封玻璃小瓶(即安瓿- ampule),有兩條導線穿過玻璃瓶、瓶內則有少許水銀;當金屬帶捲曲/伸展,以及瓶子的方向改變時,水銀會形成兩條導線之間的電氣連結或是斷開。此裝置的運作原理以及設計帶來了可靠度,在其應用領域長時間的表現也證實了這一點;雙金屬帶的微幅捲曲不會導致長時間的金屬疲勞,電氣觸點因為是密封於玻璃瓶中,也不會有鏽蝕的問題(但是沒錯,如果安瓿破裂導致水銀外洩就會是個問題)。

不過這種高效率溫度控制解決方案的設計者也面臨所有開關式(on-off;或稱為「雙位- two-position」、「bang-bang」)、非比例控制系統的問題:在設定點周遭準確帶(accuracy band)以及開關循環率(cycling rate)之間的權衡。

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簡單的開關控制系統之挑戰,是設定點周遭的顫振(chattering)現象;因為系統會以相當高的頻率打開/關閉驅動力,這大部分是以相對於該力道的負載「質量」(mass)為變化因素。
(來源:Control System DEM5B)

在設定點周遭更快的開關循環帶來準確度,但頻率循環(顫振)問題十分惱人,會造成暖氣系統零件(如風扇、風箱、點火器、電熱器、開關、繼電器等等)的過度磨損。循環率隨著暖氣系統輸出功率以及類型(熱風、電熱或是熱水式散熱器)變化,還有房屋的熱質量(thermal mass)與關聯的熱時間常數(thermal time constant);這些全都是在恆溫器領域以外的因素。

解決這種知名問題的第一步,是為迴路添加一點遲滯作用(hysteresis);透過這種方式,恆溫器會有由開啟與關閉閾值定義的死區(deadband),通常設置在1度左右。不過會有一個問題:你如何精確地在非電子裝置上設置這個?沒有軟體、沒有類比運算放大器(要在運算放大器上加入遲滯是非常簡單的)、也沒有其他電子元件;事實上這是一個全機械系統,以一條24 VAC線路開關。

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標準的解決方案眾所周知:在設定點附近添加一些遲滯作用,但是得付出較廣錯誤帶的代價。
(來源:Fuji Electric France S.A.S.)

而Honeywell佈置的解決方案既簡單又巧妙,這種方法也被運用於其他控制裝置,但從未用在長壽命、低成本的大眾市場產品──他們加入了一個預測器(anticipator;在1924年首度被應用於溫度控制裝置),也就是一個迷你的加熱器、能為恆溫器加溫來「騙」裝置,讓恆溫器以為溫度比實際上高。這會讓恆溫器把暖氣系統在室溫實際達到設定點之前「一點點」,就先把系統關閉,以避免過度加熱。

該加熱器是纏繞在絕緣體上的鎳鉻合金(nichrome)線,藉由系統導線的24 VAC自供電(是一種能量採集方法),因位置固定所以能為雙金屬帶加熱。

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恆溫器內的預測器是微小的加熱線圈,能在環境溫度沒那麼高的時候「騙」雙金屬帶已經達到。
(來源:Inspectapedia)

這種架構有兩個挑戰:首先標稱24 VAC系統通常功率沒那麼高,只有15或12 VAC;因此加熱器的輸出也會降低。其次暖氣系統的上升/下降時間取決於其類型,熱水式的溫度質量最大、能傳遞「動能」,而熱風式其次、電熱式最小。

要克服這些問題,在預測加熱器的鎳鉻合金線上有一個可調整的滑條,能控制通過加熱器的電流量──電阻較小的時候電流就越大、發熱也更大,依據著名的公式P = I2。 Honeywell也提供了參考設定值(如下表),也就是預測器電流值(安培)。

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就算最簡單的預測器也需要調整,以搭配熱源的溫度上升時間;表內的數值是T-86恆溫器的建議初始設定。
(來源:HVAC School)

雖然預測器缺少現代軟體控制暖氣系統的靈活度,後者加入了定時還有其他許多編程選項,這種方法還是相當有效、便宜又可靠。當然,這種加熱裝置為系統添加了複雜度,也降低了長期可靠性,但就算它扮演預測器的功能失效了,系統還是能在一般的開路故障(open-failure)模式下運作,這比恆溫器被鎖定在全開或全關模式下的故障要好得多。

而儘管微控制器(MCU)元件方便可得,你知道什麼其他能解決某個問題的簡單、非軟體方法嗎?對於專案開發團隊以及行銷人員來說,像這樣的方案會「很難賣」嗎?或者是人們其實坦承這類解決方案實際上是最有效的?歡迎分享你的看法!

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Dumb thermostat provides power smarts without software,by Bill Schweber;本文作者為資深EE人,撰寫過三本教科書、數以百計的技術文章與評論)