Температурный гистерезис - понятие довольно сложное для понимания. Однако оно имеет важное практическое значение в работе многих технических устройств. Давайте разберемся, что же это такое.
Что представляет собой температурный гистерезис
По сути, температурный гистерезис - это разница температур между включением и выключением нагревательного или охладительного элемента при регулировании температуры.
Например, терморегулятор настроен поддерживать температуру 25°С с гистерезисом 3°С. Это значит, что нагревательный элемент будет:
- включаться при снижении температуры до 22°С;
- выключаться при повышении температуры до 25°С.
После выключения температура начнет снова падать. И по достижении 22°С нагреватель опять включится. Такой цикл повторяется постоянно.
Зачем нужен температурный гистерезис
Гистерезис необходим по нескольким причинам:
- Предотвращает слишком частое переключение. При малом или нулевом гистерезисе перепады температуры могут привести к "дребезгу" - почти непрерывному включению-выключению нагревателя, что нежелательно.
- Повышает точность регулирования. С помощью подбора оптимального гистерезиса можно более плавно и стабильно поддерживать нужный температурный режим.
- Увеличивает срок службы оборудования за счет сокращения количества переключений.
Однако чрезмерно большой гистерезис тоже вреден, так как приводит к резким колебаниям температуры и выходу за нужные пределы.
Гистерезис в программе MSI Afterburner
Гистерезис температуры присутствует не только в физических устройствах, но и в некоторых компьютерных программах. Например, популярная утилита MSI Afterburner для разгона видеокарт использует этот параметр.
Здесь гистерезис отвечает за то, насколько градусов должна измениться температура GPU, чтобы программа скорректировала скорость вентилятора охлаждения. Чем меньше это значение, тем быстрее и точнее будет реакция.
Однако слишком низкий гистерезис может вызвать слишком частое изменение оборотов вентилятора. Поэтому оптимальное значение обычно составляет 2-5 градусов.
Примеры проявления гистерезиса температуры
Кроме упомянутых случаев, температурный гистерезис проявляется в работе:
- Термостатов систем отопления, горячего водоснабжения
- Холодильников и кондиционеров
- Систем охлаждения процессора и других компонентов компьютера
- Промышленных печей, сушилок и термокамер
Во всех случаях он выполняет функцию более плавного и точного регулирования температурными режимами с учетом инерционности нагревательных и охладительных элементов.
Оптимальный размер гистерезиса
Как же определить, какое значение гистерезиса будет оптимальным в каждом конкретном случае? Для этого нужно учитывать несколько факторов:
- Инерционность системы. Чем больше тепловая масса и дольше разгоняется/тормозится, тем бóльший гистерезис нужен.
- Требуемая точность регулирования. Для высокоточных систем значение должно быть меньше.
- Допустимый диапазон колебаний температуры вокруг заданного значения.
- Технические параметры исполнительных устройств - нагревателей, вентиляторов.
К сожалению, точных универсальный формул для расчета нет. Поэтому оптимальный гистерезис подбирают эмпирически для каждого конкретного механизма.
Плюсы и минусы гистерезиса
Гистерезис, безусловно, полезное и важное свойство систем терморегуляции. Однако у него есть и недостатки:
Плюсы:
- Стабилизация температурного режима
- Уменьшение числа переключений
- Защита оборудования от дребезга
- Экономия электроэнергии
Минусы:
- Менее точное регулирование
- Температурные колебания вокруг заданного значения
- Невозможность быстрого реагирования на внешние возмущения
Как снизить гистерезис
Иногда возникает необходимость уменьшить величину температурного гистерезиса. Для этого можно предпринять следующие меры:
- Модернизировать нагревательные/охладительные элементы для ускорения набора мощности.
- Установить более чувствительные датчики температуры.
- Заменить терморегулятор на более точный и быстродействующий.
- Оптимизировать алгоритмы управления в программном обеспечении контроллера.
Однако полностью устранить гистерезис невозможно в силу физических особенностей термодинамических процессов. Поэтому нужен разумный компромисс.
Гистерезис и инерционность
Как мы видели ранее, на оптимальную величину гистерезиса существенно влияет инерционность системы терморегуляции. Чем выше тепловая масса объекта и медленнее он набирает/теряет температуру, тем больше должна быть разница между точками включения и выключения.
Это объясняется тем, что при большой инерционности с момента включения/выключения нагревателя до изменения реальной температуры пройдет много времени. И если гистерезис будет мал, произойдет pre дребезг переключений, не дожидаясь видимого эффекта.
Способы снижения инерционности
Чтобы уменьшить влияние инерционности на работу терморегуляторов, можно предпринять такие меры:
- Использовать более мощные нагревательные элементы;
- Применять дополнительные теплоотводы и тепловые трубки;
- Устанавливать датчики температуры непосредственно на поверхность нагревателя;
- Разделить объект на несколько независимых температурных зон.
Гистерезис и цикличность
Из-за наличия гистерезиса работа терморегулятора всегда носит циклический характер. Период таких температурных колебаний зависит от:
- Величины самого гистерезиса;
- Мощности нагревателя/охладителя;
- Теплоемкости и теплопроводности материала.
При необходимости "сгладить" циклы можно либо увеличивать гистерезис, либо использовать пропорционально-интегральные алгоритмы управления вместо простых двухпозиционных.
