1953年的一款“智能”设备，不用软件就能运行

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、更聪明的设备；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。

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；我不能确定该设备是何时正式停产，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。

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）

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，该设备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。

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。此设备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)。

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。

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）

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。

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设备上设置这个？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。

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.）

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设备，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设备)，也就是一个迷你的加热器、能为恒温器加温来“骗”设备，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。

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。

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）

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。

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)。

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）

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，这种加热设备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。

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！

编译：Judith Cheng，EDN Taiwan

编按：本文授权编译自ASPENCPORE旗下媒体EDN，本文作者Bill Schweber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