В процессе конструирования автоматики для ректификационной установочки мне понадобился датчик среднеквадратичного (по-буржуйски RMS - Root Mean Square) напряжения сети для ее мониторинга и коррекции мощности нагрева куба. Вариантов решения этой задачи в Сети много разных. Но захотелось чего-нибудь нетрадиционного. Так и возник вариант датчика, описанный ниже. Пока это только очень сырой прототип. Он весьма инерционен. Но главное: 1) он простой, 2) он работает и 3) даже в таком виде (в виде прототипа) он вполне может осуществлять мониторинг медленных суточных колебания напряжения в сети, необходимый в длительных, многочасовых процессах ректификации. Первые шаги по снижению его инерционности понятны и просты. Они описаны в заключении.
Принцип действия его основан на том факте, что тепловая мощность, выделяемая в проводнике при прохождении через него переменного электрического тока (любой формы) пропорциональна его среднеквадратичному значению, которое нам как раз и нужно измерять. Поэтому, вместо измерения RMS, мы можем измерять тепло, которое будет выделяться в резисторе, подключенном к этой сети. Или, если резистор низкоомный, включить его последовательно с нагрузкой и тоже измерять RMS, но только уже потребляемого тока.
Простейшая модель такого резистора (в первом, линейном приближении) выглядит так:
C*m*dT/dt = Urms^2/R - k*(T - T0), (1)
где C - удельная теплоемкость резистора, m - его масса, T - температура резистора (средняя за N периодов), t - время, Urms - среднеквадратичное напряжение в сети, R - электрическое сопротивление резистора, T0 - температура окружающей среды и k - некий эффективный коэффициент теплоотдачи (тепловых потерь) резистора. Эта модель - отражает просто закон сохранения энергии. Если резистор после подключения к сети постоит, успокоится и придет в стационарное состояние, то dT/dt = 0 и мы получаем формулу для измерения среднеквадратичного напряжения сети:
Urms = sqrt(k*R*(T1 - T0)), (2)
где T1 - установившаяся температура резистора при данном напряжении в сети.
Схема датчика
Таким образом, схема, отражающая принцип работы такого теплового датчика RMS может выглядеть так, как показано на первом рисунке.
Пояснение к рисунку 1. Малоинерционный пленочный резистор подключен к измеряемой сети. На него приклеен первый датчик температуры. Он измеряет температуру резистора. Сам пленочный резистор приклеен к тонкой керамической пластинке, через которую по сути и происходит темлообмен с окружающей средой, поскольку со всех остальных сторон резистор теплоизолирован. С другой стороны керамической пластинки приклеен второй датчик температуры и радиатор для эффективного отвода тепла от резистора.
Прототип
Прежде чем изготавливать такой датчик, разумно было бы изготовить какой-нибудь простенький прототип и помотреть на нем что и как... Такой прототип был сделан из 2-х ваттного резистора МЛТ. Конструкция прототипа показана на втором рисунке.
Пояснение к рисунку 2. Один из колпачков резистора (в данном случае - сверху) стачивается до керамического основания и в керамической трубочке резистора алмазной коронкой просверливается отверстие (диаметром 5 мм) под датчик DS18B20. Этот датчик, обмазанный термопастой, помещается в это отверстие. Второй датчик температуры помещается просто в воздухе рядышком с корпусом резистора.
Внешний вид прототипа показан на третьем рисунке.
Заскорузлая железяка справа не имеет отношения к делу. Она просто попалась под руку и держит второй датчик температуры в воздухе вблизи резистора.
Испытания прототипа
Испытания прототипа производились следующим образом. Поскольку сеть у меня достаточно приличная и сильно не дергается, для моделирования колебаний сети использовался ЛАТР, к выходу которого подключался резистор (далее в тексте под сетью понимаем именно выход ЛАТРа). Крутя ручку ЛАТРА (там есть маркировка) можно было моделировать любые колебания сети. Калибровка датчика проводилась по установившейся разности температуры при 220 В на ЛАТРе. Никаких дополнительных измерений параметров сети не проводилось. На данном этапе это не нужно.
На следующем рисунке представлен график, демонстрирующий линейность и отсутсвие существенного гистерезиса датчика (в разных направлениях - при повышении напряжения сети и ее понижении).
Видно, что установившиеся значения более-менее совпадают. Линейность имеет место быть.
На следующем рисунке показаны динамические характеристики прототипа.
Ну тут, конечно, чудес ждать не стоит - прототип достаточно инерционен. Тем не менее, напряжение сети отслеживается довольно стабильно.
Выводы и варианты развития прототипа
Какие выводы можно сделать из экспериментов с таким (я бы сказал, "кондовым") прототипом?
1. Датчик работает достаточно стабильно. Существенного гистерезиса не наблюдается. Передаточная характеристика более-менее линейна.
2. Инерционность датчика (в такой реализации) желает желать лучшего. Т.е. необходимо существенно увеличить "жесткость" системы.
ИМХО, стОит сделать такие первые шаги по уменьшению инерционности прототипа:
1. Уменьшить величину резистора до 12-16 кОм. Это увеличит разность температур T1 и T0.
2. Уменьшить массу резистора: просверлить отверстие для температурного датчика 1 насквозь.
3. Интенсифицировать теплообмен: припаять на колпачки резистора медные пластинки (a la радиатор) и попробовать организовать их обдув дополнительным вентилятором. Это уменьшит время релаксации датчика при снижении напряжения сети.
В следующий "досуг" попробую это реализовать. Если кого-нибудь заинтересовала такая конструкция датчика - с удовольствием пообщаюсь.
