Проектирование термостатирующих устройств с широтно-импульсной модуляцией управляющих воздействий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ



Макаров Дмитрий Сергеевич

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕРМОСТАТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ УПРАВЛЯЮЩИХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 01 04 14 — Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ Ои^ * = —-"

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2007

003162262

Работа выполнена на кафедре компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Кораблев Владимир Антонович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

заслуженный деятель науки и техники РСФСР, профессор Цветков Олег Борисович

кандидат технических наук Федоров Александр Валентинович

Ведущая организация

ОАО «ЛОМО»

Защита диссертации состоится «13» ноября 2007 г в 15— на заседании диссертационного совета Д212 227 02 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики, расположенном по адресу 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр , 49, ауд 285

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб ГУ ИТМО

Автореферат разослан «12» октября 2007 г

Отзыв на реферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять по адресу. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр, 49

Ученый секретарь

диссертационного совета

Козлов С А

Актуальность работы.

В современной промышленности и науке существует большое количество объектов, функционирование которых невозможно без термостатирования, т е без поддержания их температуры на определенном уровне с заданной точностью в широком диапазоне изменения возмущающих воздействий К таким объектам можно отнести элементы оптической и лазерной техники электроники, приборы управления, технологические установки, испытательные стенды и многие другие Так, например, генерационные характеристики лазеров существенно зависят от температур активного и нелинейного элементов, электрооптических затворов, зеркал Современные газоанализаторы позволяют проводить непрерывный мониторинг атмосферы и быстро выявлять наличие фракций очень небольшой концентрации, однако точность работы этих приборов существенно зависит от температуры проб газа Для получения качественного защитного покрытия необходимо обеспечение равномерности распределения и поддержание уровня температуры внутри сушильных камер Как видно из вышеперечисленных примеров, технические устройства и технологии характеризуются различными условиями функционирования и предъявляют различные требования к объекту термостатирования, температурным диапазонам, точности, времени выхода в рабочее состояние, конструкции и размерам

Теория термостатирования, разработанная, в частности, Г Н Дульневым, Н А Ярышевьш и их учениками, позволяет проектировать приборы различного назначения, однако, в ряде случаев требования современной техники по точности термостатирования трудно удовлетворить, используя ранее разработанные тепловые модели и законы регулирования температуры

Применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управляющего сигнала позволяет реализовать большое количество законов регулирования температуры, однако, существующие тепловые и математические модели термостатов и методики расчета и выбора параметров термостатирующих устройств не позволяют полностью реализовать преимущества ШИМ-управления тепловыми процессами В диссертационной работе приводится обзор существующих методов регулирования температуры, описание современной элементной базы устройств термостатирования, радиоэлектронных компонентов датчиков, исполнительных ует-

С,

ройств, а также описание способов компенсации погрешностей термостатирова-ния и регулирования температуры Приведено описание регулирующих устройств, разработанных для различных условий и созданных с учетом рекомендаций по компенсации погрешностей

Отдельную задачу представляет собой мониторинг (контроль и управление) теплофизических параметров удаленных объектов Приводятся основные требования к данному типу приборов, а также дается описание разработанного устройства, позволяющего производить теплофизические измерения на удаленных объектах (например, объектах энергетики), с возможностью экстренного оповещения при отказах электропитания либо выходе значений параметров (например, температуры, давления или расхода теплоносителя) за пределы заданного диапазона При необходимости система производит необходимое управление исполнительными механизмами, позволяющими предотвратить аварийную ситуацию

Цель и задачи работы, физическое и математическое моделирование процессов регулирования температуры газа в технологических и измерительных установках, разработка термостатирующих устройств, а также контроль теплофизических параметров процессов с помощью мобильных телекоммуникационных систем

Для достижения с поставленных целей необходимо

- разработать и обосновать тепловые и математические модели подогревных термостатов, испытательных и сушильных камер с внутренним перемешиванием теплоносителя, термостатов для стабилизации температуры газового потока,

- проанализировать тепловые и математические модели термостатов и регуляторов температуры и разработать рекомендаций по выбору параметров термостатирующих устройств,

- на практике реализовать устройства регулирования температуры, включая выбор датчиков преобразование сигнала, формирование условных кодов и передачу данных с помощью сотовой связи

Научная новизна-

- предложены тепловые и математические модели для термостатирующих устройств с регулированием температуры, основанным на широтно-имлульсной модуляции,

- предложена методика выбора закона регулирования температуры, основанного на широтно-импульсной модуляции, элементов конструкций и их параметров,

- предложена методика выбора параметров подогревного термостата с перемешиванием воздушной среды внутри рабочей камеры,

- разработан метод управления тепловыми процессами в сложных системах термостатирования с помощью мобильных средств связи и его приборная реализация

Практическая ценность результатов работы.

В результате выполнения диссертационной работы был разработан ряд термостатирующих устройств для лазерных систем, газоанализаторов, испытательных и сушильных камер, позволивший существенно уменьшить статическую и динамическую погрешности поддержания рабочей температуры повысить КПД и эффективность этих устройств

Также были разработаны новые типы аналоговых и цифровых регуляторов позволяющие проводить многопараметрическое программное регулирование температуры и других физических параметров и реализовывать различные законы регулирования

На основе проведенных исследований и разработок устройств термостатирования и регулирования 1еплофизических параметров были созданы приборы, обеспечивающие работу твердотельных лазеров газоанализаторов, объектов энергетики технологических и испытательных камер Результаты работы были внедрены в ЭОЗ «Руссар», УНП «Лазерный центр» ОАО «НПО Прибор», АО «Авантаж-строй» ФГУП НПК «ГОИ им С И Вавилова»

Достоверность полученных результатов обеспечена всесторонним исследованием разработанных устройств и результатами испытаний систем, включающих эти устройства

Положения, выносимые на защиту:

- тепловая и математическая модели термостата с дополнительными элементами, компенсирующими статическую погрешность поддержания температуры,

- тепловая и математическая модели камеры с устройствами устранения перепадов температуры по объему камеры,

- тепловая и математическая модели термостата для проб газа в газоанализаторе,

- алгоритмы управления тепловыми процессами с помощью мобильных средств связи

Личный вклад автора: формулировка тепловых и математических моделей, математическое описание и расчет тепловых характеристик устройств, разработка конструкций и электрических схем термостатирующих устройств, сборка и тестирование этих приборов, постановка и проведение экспериментальных исследований

Публикации.

Результаты работы опубликованы в 8 печатных работах Апробация

Результаты обсуждались и опубликованы в трудах II и III всероссийских конференций по вопросам термометрии «Температура 2004», «Температура 2007», г Обнинск, на XXX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ИТМО, на I, II и IV межвузовских конференциях молодых ученых проведенных в ИТМО в 2004-2007 гг Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения пяти глав, заключения, списка литературы и приложений, основной текст занимает 103 страницы машинописного текста и содержит 36 рисунков, список литературы состоит из 90 наименований

Основное содержание работы

В первой главе приводится обзор существующих методов регулирования теп-лофизичееких процессов, их достоинства и недостатки Основное внимание уделяется методам регулирования температуры, определяется понятие статической и динамической погрешностей регулирования, их происхождение и способы компенсации, рассмотрены методы широтно-импульсной модуляции Также проводится обзор современной элементной базы радиоэлектроники, приводятся описания наиболее распространенных на сегодняшний день термоэлектрических микроохладителей, датчиков и регуляторов температуры с указанием их параметров, областей применения, протоколов передачи данных для датчиков с цифровым выходом Проведенный обзор позволяет сделать следующие выводы

- применяемые методы и конструкции термостатирующих устройств не всегда обеспечивают подавление статической погрешности термостатирования,

- не разработаны методы регулирования перепадов температур по объему термостатирующих камер вызванных тепловой стратификацией газа или жидкости

- необходимо реализовать мониторинг регулируемых объектов с помощью современных средств связи

Во второй главе описана конструкция подогревного термостата для тепловыделяющего объекта и метод минимизации статической погрешности термостатирования, источником которой являются перепады температур окружающей среды Конструкция термостата показана на рис 1

Объект 1 установлен в камере 2, на поверхности которой установлен электрический нагреватель 8 и датчик температуры 3 Камера 2 окружена теплоизоляцией 7

По сигналам датчика температуры 3 регулятор б подает напряжение на нагреватель в соответствии с заданным законом регулирования температуры

Как показано в первой главе, при двухпозиционном законе регулирования неизбежно появление автоколебаний температуры, т е динамической погрешности термостатирования, а при пропорциональном законе появляется статическая

Рис. 1. Тепловая модель подогревного термостата.

погрешность, вызванная изменением температуры окружающей среды, а также тепловыделениями в объекте. Для минимизации этих видов погрешностей предлагается в конструкцию ввести кожух 4. охватывающий тепловую изоляцию, и на его поверхности установить дополнительный датчик температуры 5. Закон регулирования предлагается выбрать в виде двух независимых слагаемых, где первое слагаемое — это мощность, необходимая для нагрева камеры до заданной температуры, а второе слагаемое компенсирует потери нагретой камеры в среду:

$2 = зад - £з) + зад - ¿5>,

(1)

где Ф2 — мощность тепловыделений в нагревателе камеры, ¿3 и £3 — температуры датчиков, установленных на камере и кожухе соответственно, ¿зад — заданная температура статирования.

Задание коэффициентов в законе регулирования осуществляется путем настройки усилительной схемы, для выбора значений коэффициентов к\ и разработаны тепловая и математическая модели: последнюю можно описать системой уравнений с сосредоточенными параметрами

Ф1 = + - Ь) + <Г1с{*1 - *ср),

Фз = Сз^ + <Г2з(*3 - «2) + ^(¿3 - ¿ср), ^ = а24^4 _ ^ — ¿срХ

_ Ь\т=0 — ~ ¿2н,^з|т=0 = ¿ЗН!^4|Т=0 = ¿4н5

где Фь Фг и Ф3 — мощности тепловыделений в объекте, камере и датчике соответственно, % ¿4, Си Сг, Сз, С4 — среднеобъемные температуры и полные теплоемкости объекта, камеры, датчика и кожуха соответственно, <7у — тепловые проводимости между элементами тепловой модели, ¿ср — температура окружающей среды

Значения коэффициентов в законе регулирования (1) при ряде сделанных допущений выбираются исходя из необходимого времени выхода термостата в требуемый тепловой режим т* и минимизации статической погрешности <5Тст

кг = ^(А + С2 + Сз) _ <724^40 ^

т* 0'24 + С4с'

кг = а24 (4)

Так как объект термостатирования является тепловыделяющим элементом, то необходимо обеспечить выполнение условия оттока теплоты от него в окружающую среду при ее максимальной температуре и заданной температуре камеры ¿¡¡ад

4- _¿мах

* хтхтх Ю

& 12 <724 ""4с

Исходя из этого условия, величина сг24 может быть определена из неравенства

_ ^зад «Г / 1 . 1 \

(724 > -■ -- - - + --(Р)

Ф1 \0" 12 <74С/

Определенные по данным рекомендациям коэффициенты к\ и в формуле (1) задаются настройкой регулятора температуры В главе приводится пример практической реализации термостата, принципиальная электрическая схема методика настройки регулятора температуры и результаты испытаний

Этот закон регулирования был успешно применен для регулирования температуры в устройствах для градуировки тепловизоров

В третьей главе описан метод уменьшения перепадов температуры в термо-статируемых камерах, возникающих из-за естественной температурной стратификации воздуха Эти перепады могут достигать довольно значительных величин и оказывать вредное влияние при сушке окрашиваемых деталей, так как за счет перепада температура помещенного в камеру объекта может выйти за допустимые пределы при исправном регуляторе среднеобъемной температуры

Обычно минимизация перепадов температуры достигается путем интенсивного перемешивания воздуха в камере, однако это приводит к подниманию пыли, ее оседанию на окрашиваемых поверхностях, сдуванию и оплыванию краски, вибрации, дополнительным затратам энергии и т п

Целью разработки данного термостата являлись уменьшение времени работы вентилятора и исключение влияния последнего на регулятор среднеобъемной температуры камеры Для этого предложено применить раздельное регулирование температуры воздуха и градиента температур по высоте камеры

Схема регулятора температуры приведена на рис 2 В камере 1 установлен электрический нагреватель 2, датчик температуры воздуха 3 и дифференциальный датчик измерения перепада температур 4 Регулятор 5 управляет мощностью нагревателя 2 при помощи датчика 3

Регулятор перепада температур 6 управляет вентилятором 7 по сигналам дифференциального датчика температуры 4 При превышении заданного порога (например, 40 К) вентилятор включается и снижает этот перепад до приемлемого уровня, при этом время работы вентилятора уменьшается во много раз

Для устранения взаимного влияния этих регуляторов необходимо установить датчик температуры 3 в таком месте камеры в котором температура воздуха практически не зависит от работы вентилятора 7

При перемешивании воздуха происходит изменение поля температур т е

изменение температур локальных областей. При этом существует область, температура которой остается практически неизменной. Разместив^ в этой области датчик регулятора температуры воздуха 3, возможно минимизировать влияние, оказываемое работающим вентилятором.

В литературных источниках приводится теоретический расчет распределения температуры воздуха но высоте в вертикальных полостях при естественной конвекции, однако не приводятся практические рекомендации по месту установки датчика, поэтому были проведены экспериментальные исследования.

В диссертации дается описание эксперимента по измерению распределения температуры по высоте камеры. Обработка результатов опыта указывает на то, что область со средней температурой находится на высоте Н* = 0.6Н, где Н — высота камеры, что и обусловило выбор места установки датчика температуры. Следует отметить, что для камер различной конфигурации результаты могут отличаться, поэтому целесообразно проведение экспериментальных исследований по выбору места установки датчика.

Для выбора параметров регулирования разработана тепловая модель и описывающая ее математическая модель, состоящая из системы п дифференциаль-

ных уравнений, учитывающих теплоемкости элементов тепловой модели Сг и тепловые проводимости сгу между ними

о = Сг-^ + -Т]) + а1 возд(Тг - тв03д) + 0К(Т% - Тс),

(7)

Фнатр = Свозд ^ I" ^ возд(Увозд — ^г) г=1

Мощность нагревателя Фнагр в камере регулируется по пропорциональному закону

Фнагр — ^(¿зад — ¿возд )> (8)

где ¿в03д и ¿зад — среднеобъемная и заданная температуры воздуха Среднеобъем-ная температура может быть вычислена по формуле

4озд = ^ У **хщ(х> 2/' (9)

V

Для регулировки градиента температуры предложен двухпозиционный закон регулирования

Го, пРи(Гы-ТА2)<ДГкр,

Фвент = < (Ю)

(Фшк, при (Гм - Газ) > АТвр,

где ФВент — электрическая мощность, подаваемая на электродвигатель вентилятора, Ты и Тп2 — локальные температуры воздуха на высотах кх и /¿2 над полом

Использование разработанного термостата привело к снижению перепада в среднем с 80 К до 30 К при минимизации времени работы вентилятора и независимой работе регулятора температуры, что позволило повысить качество окрашиваемых деталей

В результате применения такой схемы установлено что возможно применение раздельного регулирования этих параметров, так как включение и выключение вентилятора практически не влияет на температуру воздуха в точке установки датчика В диссертации приведены схемы термостата и результаты испытаний

Четвертая глава посвящена описанию устройства для термостатирования проб газа на входе в газонализатор, описана методика расчета теплового режима и выбора закона регулирования температуры проб газа в газоанализаторе

Современные газоанализаторы позволяют проводить непрерывный мониторинг атмосферы и быстро выявлять наличие фракций очень небольшой концентрации, однако точность их работы существенно зависит от температуры проб газа

Исследования состава воздушной среды могут проводиться в широком диапазоне температур, поэтому необходимо термостатировать поток газа, непрерывно отбираемый из среды, на заданном уровне с высокой точностью В существующих газоанализаторах эта задача решается путем прокачки газа через термостатированный объем, однако, при этом теряется оперативность измерений, так как на выходе этого устройства уменьшается концентрация исследуемых фракций из-за разбавления пробы воздухом, находящимся в этом объеме В результате этого есть риск не зафиксировать локальное резкое изменение концентрации какой-либо газовой составляющей

Для устранения этого недостатка было предложено устройство, изображенное на рис 3, термостатирующее непосредственно поток газа, подлежащий исследованию Устройство представляет из себя трубку из нержавеющей стали 1, внутри которой в направлении, указанном стрелками, протекает исследуемый газ, снаружи на трубку намотан нагреватель 2, мощность тепловыделений которого регулируется управляющим блоком Снаружи трубка защищена теплоизоляцией 3 Датчики температуры 4 и 6 измеряют температуру газового потока на входе и выходе соответственно, а датчик 5 используется в режиме термоанемометра и измеряет среднюю скорость газового потока При этом сделано допущение, что температура потока на входе ¿4 равна температуре окружающей среды ¿ср

Для регулирования температуры воздуха в таких устройствах обычно применяются двухпозиционный и пропорциональный законы Опыты показали, что при двухпозиционном регулировании возникает недопустимо большая динамическая погрешность а при пропорциональном регулировании значительная статическая погрешность, величина которой зависит от температуры и скорости воздуха на входе Устранить эти недостатки возможно, если применить комбинированный

1 2 3 5 6

Рис. 3. Термостатирующее устройство для проб газа в газоанализаторе.

закон регулирования температуры, в котором мощность тепловыделений в нагревателе Ф„агр будет зависеть от температур воздуха на входе tcp и выходе трубки:

Фнагр = ^(¿зад ~ *ср) + зад ~ Ь), (11)

где ¿зад ^ температура настройки регулятора, к\ и /с2 — коэффициенты, значения которых можно обосновать с помощью тепловой модели, описывающей теплообмен между трубкой, воздухом в трубке и средой в устройстве термостатирования.

При протекании через трубку воздуха мощность нагревателя идет на нагрев трубки, нагрев потока воздуха, а также частично уходит в окружающую среду. В общем виде можно записать

(а

Фнагр = + 01»(¿1 - 1ВОЗд) + 0"из(*1 ~ ¿4)! (12)

где С) — полная теплоемкость трубки, ¿1 — температура трубки, а1в и аю тепловые проводимости к воздуху в трубке и к среде через изоляцию на внешней поверхности.

Нагрев воздуха в трубке можно описать выражением

С • С • (¿5 - ¿ср) = - ¿возд), (13)

где сиб - удельная теплоемкость и массовый расход воздуха в трубке соответственно, ¿цозд — средняя температура воздуха в трубке, которая определяется по

формуле

¿возд = | (*ср + Ч) (14)

Решая систему уравнений (12), (13) и (14) с учетом закона регулирования (11) при постоянной температуре среды можно получить стационарное значение температуры воздуха на выходе из трубки

£ _ + (0 5с1в + сгиз - А;1)<ср] - (СГ1В + <7Из)(° Ь<?ы ~ сО)

5 (С1в + СизХ0 5сГ1в + сС) + <71в(А;2 - о 5сГ1в)

Статическая погрешность (5ГСТ определяется как разность температур воздуха на выходе ¿5 при максимальной Т^ и минимальной температурах среды

5Та = - Т™11 (16)

С учетом выражения (15) можно получить зависимость для 6Т,„

г/т. _СГ1в(0 5ст1в + СГиз — _/грмэх_гртт\ /тгл

СТ (а1в + аиз)(0 5а1в + с0) + а111(к2-0 5а1в){1ср ср ; У 4

Из выражения (17) следует, что 8Та равна нулю при

кг = О 5ст1В + сгиз (18)

Величина к2 в законе регулирования температуры (11) может быть обоснована заданием времени выхода системы на стационарный тепловой режим т* от момента включения при постоянной температуре среды

Если считать режим стационарным при недогреве трубки до стационарного значения на величину менее 5Т\ = 0 05(£зад — ¿5), то, решая систему уравнений (11), (12), (13) и (14) относительно к2 можно получить

^ = Зс1(2сС + ст1в) - (и1в + аиз)(2сС + <тю)тзад + оь ^^

^в^зад 2

Практическая реализация закона регулирования (11) с учетом зависимостей (17) и (18) выполнена с использованием широтно-импульсной модуляции Реализация устройства термостатирования позволила существенно повысить точность работы газоанализатора

В пятой главе приводится описание системы автоматического мониторинга удаленных объектов энергетики с помощью мобильных телекоммуникаций

Оператор

Компьютер

I

£ &

сш-си>

Сотовый телефон

Базовая . станция

Аварийный блок

Уаикгельйый блок

Микроконтроллер

Щ

Блок управления

передана »

СОТОВЫЙ телефон

J

" 1 ^

1 й э-

■—1 § &

Рис. 4. Схема устройства мониторинга удаленных объектов.

Одним из перспективных путей использования сотовой связи является автоматическая передача результатов измерений от различных приборов, устанавливаемых на удаленных объектах энергетики, химического производства, транспортных средств, а также различных команд, управляющих этими приборами. Например, актуальна задача контроля многочисленных параметров котельных, таких как давление и температура теплоносителя, расход топлива, наличие взрывоопасных и иных газов в помещении, присутствие посторонних лиц и др. Все эти сведения своевременно передаются руководящему составу предприятия и диспетчерских служб.

Для измерения физических параметров используются датчики, преобразующие их в электрический сигнал как функции тока, напряжения, частоты, разности фаз и т. д. в зависимости от типа датчика.

Структурная схема системы представлена на рис. 4. Аналоговые датчики подключены к усилительному блоку, преобразующему различные сигналы от датчиков в напряжение. Унифицированный сигнал в виде напряжения подается на АЦП, встроенный в микроконтроллер. Двухпозиционные датчики подключаются к аварийному блоку, генерирующему немаскируемое прерывание при срабатыва-

нии любого из этих датчиков Путем последовательного опроса микроконтроллер определяет источник сигнала и немедленно отсылает уведомление об аварии на телефон-приемник оператора Результаты измерения также передаются по каналам сотовой связи через определенные промежутки времени Возможна загрузка переданных данных в ПЭВМ

При необходимости с ПЭВМ или телефона-приемника блоку управления отсылается управляющая команда, приводящая в действие требуемые исполнительные элементы

Разработанная система построена на базе 8-ми битного микропроцессора фирмы Microchip и подключена к мобильному телефону для приема-передачи данных Обмен данными между микроконтроллером и телефоном осуществляется по стандартному протоколу RS-232 Устройство дополнительно снабжено внутренним аккумулятором, позволяющим работать несколько часов при отключении электропитания (при отключении отсылается соответствующее уведомление), а также системой зарядки аккумуляторов мобильного телефона и самой системы Устройство может работать в нескольких режимах

- аварийное срабатывание,

- периодический опрос,

- измерение по требованию осуществление управляющего воздействия

При аварийном срабатывании по наступлению события формируется SMS с текстовым описанием события и номера канала, на котором произошла авария

При периодическом опросе система производит измерение аналоговых параметров (например, температуры и давления) с некоторой периодичностью и отсылает результаты измерения в виде SMS Период опроса лежит в достаточно широком диапазоне от сотен миллисекунд до десятков часов и задается индивидуально для нужд конкретной задачи Отправка результатов измерения возможна также в виде потока данных

При необходимости можно провести досрочное измерение, отправив соответствующую команду с телефона-приемника Количество и тип датчиков подбираются индивидуально для каждого конкретного объекта, максимальное число

подключаемых датчиков описываемой системы равно 15

В диссертации приведено описание практической реализации системы для контроля и управления энергетическими объектами в республике Карелия

Заключение.

Основные результаты исследований, проведенных при выполнении диссертационной работы, сводятся к следующему

- разработаны тепловые и математические модели термостатирующих устройств для различных объектов оптико-электронных устройств, технологических установок и устройств газоанализа среды,

- методами минимизации погрешности определены коэффициенты в законах регулирования температуры объектов термостатирования (оптических элементов, сушильных и климатических камер, проб газа),

- исследованы температурные поля в сушильных камерах и определены допустимые скорости перемешивания воздуха при термостатировании,

- разработаны аналоговые и цифровые регуляторы температуры для многопараметрического управления тепловыми процессами,

- проведены испытания термостатов в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды и уточнены законы регулирования температуры,

- разработаны устройства для дистанционного управления теплогидравличе-скими процессами с использованием средств мобильной связи,

- разработаны алгоритмы регулирования теплогидравлическими процессами с использованием датчиков, имеющих различные виды выходного сигнала,

- спроектированы и испытаны устройства регулирования тепловых параметров на основе широтно-импульсной модуляции реализующие разработанные законы

Основные результаты работы изложены в следующих трудах

1 Макаров Д С Термостатирование и контроль температуры элементов лазерных схем с импульсным тепловыделением / Д С Макаров, науч рук В А. Кораблев — Вестник конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО сб науч тр - СПб [СПбГУ ИТМО], 2004 - Т 2 - С 289-292

2 Макаров Д С Система автоматического мониторинга удаленных объектов с использованием каналов сотовой связи // Приборы — 2004 — № 6 (48) — С 17-18

3 Стенд для испытаний приборов и средств защиты на устойчивость к мощным тепловым воздействиям / Д П Волков, В А Кораблев, Д С Макаров [и др ] // Приборы — 2004 — № 6 (48) - С 46-48

4 Термометрия элементов лазерной техники / А В Шарков, В А Кораблев, Д С Макаров, В Ю Сушко // Приборы - 2005 - № 3 (57) - С 32-34

5 Макаров Д С Система регулирования расхода и температуры газа в газоанализаторе / Д С Макаров, науч рук В А Кораблев — Вестник II межвузовской конференции молодых ученых сб науч тр - СПб. [СПбГУ ИТМО], 2005 - Т 2 - С 151-154

6. Макаров Д С Компьютерное управление полупроводниковыми микроохладителями / Д С Макаров — Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО Вып 18 Исследования в области физики и оптики - СПб (СПбГУ ИТМО], 2005 - С 42-44 — Примеч нас 42 дано ошибочное название статьи «Система регулирования расхода и температуры газа в газоанализаторе»

7 Кораблев В А , Макаров Д С Устройство термостатирования проб газа в газоанализаторах / Д С Макаров, науч рук В А Кораблев — Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО Вып 31 Исследования и разработки в области физики и приборостроения — СПб {СПбГУ ИТМО], 2006 - С 91-93

8 Кораблев В А , Макаров Д С Электронный манометр для исследования теплогидравли-ческих процессов при пониженных давлениях / Д С Макаров, науч рук В А Кораблев — Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО Вып 31 Исследования и разработки в области физики и приборостроения - СПб (СПбГУ ИТМО], 2006 — С 94-96

(

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул, 14 Тел (812) 233 4669 объем 1 п.л. Тираж 100 экз

Основные обозначения

Введение.

1. Научные основы термостатирования в приборостроении.

1.1. Методы и устройства регулирования температуры объектов термостатирования.

1.2. Метод широтно-импульсной модуляции при регулировании мощности тепловыделений

1.2.1. Прицип действия ШИМ.

1.2.2. Способы получения ШИМ.

1.2.3. Практическое применение ШИМ.

1.3. Элементная база для создания термостатов.

1.3.1. Датчики температуры.

1.3.2. Регуляторы температуры.

1.3.3. Термоэлектрические микроохладители.

1.3.4. Системы отвода тепла.

1.3.5. Тепловая изоляция.

1.4. Выводы.

2. Подогревные термостаты для оптических элементов.

2.1. Основные требования к тепловому режиму оптических элементов

2.2. Тепловая и математическая модели подогревного термостата

2.3. Выбор закона регулирования.

2.4. Практическая реализация термостатов

2.4.1. Термостат для нелинейного элемента квантрона.

2.4.2. Система термостатирования устройства для калибровки тепловизионных приборов.

2.5. Выводы.

3. Система регулирования температуры в сушильных и климатических камерах.

3.1. Тепловая и математическая модели камер с внутренним перемешиванием воздуха.

3.2. Закон регулирования температуры и градиента температур в камере.

3.3. Экспериментальное исследование температурных полей в объеме камеры.

3.4. Практическая реализация систем регулирования температуры в камере.

3.5. Выводы.

4. Системы термостатирования газового потока.

4.1. Требования к термостату газового потока.

4.2. Тепловая и математическая модели термостата для газового потока

4.3. Выбор закона регулирования температуры.

4.4. Конструкция подогревного термостата для газоанализатора

4.5. Конструкция термоэлектрического термостата воздушного потока

4.6. Выводы.

5. Устройство мониторинга удаленных объектов

5.1. Способы передачи информации в системах мобильной связи

5.2. Методы преобразования тепловых величин в условный код

5.3. Метод передачи управляющих воздействий с помощью сотовой связи.

5.4. Выводы.

В современной промышленности и науке существует большое количество объектов, функционирование которых невозможно без термостатирования, т. е. без поддержания их температуры на некотором определенном уровне с заданной точностью в широком диапазоне температур окружающей среды. К ним можно отнести элементы оптической и лазерной техники, электроники, приборы управления, технологические установки, испытательные стенды и многие другие. Эти объекты характеризуются различными условиями функционирования и предъявляют к термостатам различные требования по температурным диапазонам, точности, времени выхода в рабочее состояние, конструкции и размерам.

При проектировании термостатирующих устройств существует ряд проблем, в том числе минимизация статической и динамической погрешностей термостатирования, градиентов температуры по высоте объекта или камеры, передача результатов измерения и управление объектами, удаленными на значительное расстояние.

В литературе описан ряд термостатирующих приборов, предназначенных для минимизации статической погрешности термостатирования, однако, используемые методы имеют ряд ограничений, что не всегда позволяет использовать их в дальнейших разработках. Ограниченность и невысокая функциональность прежней элементной базы также осложняли разработку.

Бурное развитие микроэлектроники привело к возможности использования микроконтроллеров в термостатирующих устройствах для задания законов регулирования произвольной сложности, применения произвольного количества датчиков, совмещения чувствительных элементов датчиков с аналогово-цифровыми преобразователями и передатчиками в едином корпусе интегральной микросхемы и т. п.

В настоящей работе приводится обзор современной элементной базы, включая датчики температуры, исполнительные элементы, автоматические регуляторы, системы охлаждения, описываются общие принципы передачи данных.

Научная новизна:

- предложены тепловые и математические модели для термостатирую-щих устройств с регулированием температуры, основанным на широтно-импульсной модуляции;

- предложена методика выбора закона регулирования температуры, основанного на широтно-импульсной модуляции, элементов конструкций и их параметров;

- предложена методика выбора параметров подогревного термостата с перемешиванием воздушной среды внутри рабочей камеры;

- разработан метод управления тепловыми процессами в сложных системах термостатирования с помощью мобильных средств связи и его приборная реализация.

Практическая ценность и внедрение.

В результате выполнения диссертационной работы был разработан ряд термостатирующих устройств для лазерных систем, газоанализаторов, испытательных и сушильных камер, позволивший существенно уменьшить статическую и динамическую погрешности поддержания рабочей температуры, повысить КПД и эффективность этих устройств.

Также были разработаны новые типы аналоговых и цифровых регуляторов, позволяющие проводить многопараметрическое программное регулирование температуры и других физических параметров и реализовывать различные законы регулирования.

На основе проведенных исследований и разработок устройств термо-статирования и регулирования теплофизических параметров были созданы приборы, обеспечивающие работу твердотельных лазеров, газоанализаторов, объектов энергетики, технологических и испытательных камер. Результаты работы были внедрены в ЭОЗ «Руссар», УНП «Лазерный центр», ОАО «НПО Прибор», АО «Авантаж-строй», ФГУП НПК «ГОИ им. С. И. Вавилова».

Основные результаты исследований, проведенных при выполнении диссертационной работы, сводятся к следующему:

- разработаны тепловые и математические модели термостатирующих устройств для различных объектов оптико-электронных устройств, технологических установок и устройств газоанализа среды;

- методами минимизации погрешности определены коэффициенты в законах регулирования температуры объектов термостатирования (оптических элементов, сушильных и климатических камер, проб газа);

- исследованы температурные поля в сушильных камерах и определены допустимые скорости перемешивания воздуха при термостатировании;

- разработаны аналоговые и цифровые регуляторы температуры для многопараметрического управления тепловыми процессами;

- проведены испытания термостатов в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды и уточнены законы регулирования температуры;

- разработаны устройства для дистанционного управления теплогидрав-лическими процессами с использованием средств мобильной связи;

- разработаны алгоритмы регулирования теплогидравлическими процессами с использованием датчиков, имеющих различные виды выходного сигнала;

- спроектированы и испытаны устройства регулирования тепловых параметров на основе широтно-импульсной модуляции, реализующие разработанные законы.

Заключение

1. Венгеровский J1. В., Вайнштейн А. X. Системы термостатирования в радиоэлектронике. — JL: Энергия, 1969.

2. Володин Ю. Г., Малюков Г. В. Конструирование систем терморегулирования подвижных радиоэлектронных комплексов. — М.: Сов. радио, 1977.

3. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы. Конструирование / Под ред. Р. Г. Варламова — М.: Сов. радио, 1980.

4. Ярышев Н. А., Андреева JL Б. Тепловой расчет термостатов. — JL: Энер-гоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1984.

5. Егоров В. И., Кораблев В. А., Шарков А. В. Системы термостатирования. Методические указания к лабораторным работам. —СПб: СПбГУ ИТМО., 2006. 51 с.

6. Андреева J1. Б. Исследование тепловых режимов термостатирующих устройств. — Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — JL: ЛИТМО, 1972.

7. Манжикова С. Ц. Методы расчета тепловых режимов термостатов с тепловыделяющими объектами. — Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Л.: ЛИТМО, 1975.

8. Горохов С. М. Анализ динамики теплообмена проточных систем термостабилизации тепловыделяющих объектов. — Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Л.: ЛИТМО, 1975.

9. Дульнев Г. Н., Тарновский Н. Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. — Л.: Энергия, 1971.

10. Столяров А. С., Ярышев Н. А. Обобщенный переходный процесс теплообмена однородного тела // Вопросы радиоэлектроники, серия ТРТО. — 1973. Вып. 1.

11. И. Ярышев Н. А., Столяров А. С. Нестационарный теплообмен объектов с внутренними адиабатически изолированными полостями // Изв. ВУЗов. Приборостроение. 1982. - Т. 25. - № 8.

12. Спокойный М. Ю. Тепловое проектирование малогабаритных электрических термостатов для РЭА. — Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — JL: ЛИТМО, 1984.

13. Коренев П. А. Методы теплового расчета и проектирования подогревных термостатов для объектов приборостроения. — Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Л.: ЛИТМО, 1986.

14. Егоров В. И. Методы теплового расчета термостатов для систем автоматизированного проектирования. — Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Л.: ЛИТМО, 1983.

15. Дульнев Г. Н., Полыциков Б. В., Коренев П. А. Тепловая модель термостата для электрооптических элементов при различных способах отвода тепла // Известия ВУЗов. Приборостроение. -1978. № 6. - С. 118-122.

16. Коренев П. А., Шар ков А. В. Исследование параметров подогревного термостата с двухпозиционным регулятором // Учебно-технические разработки. СПб: СПбГИТМО(ТУ), 2001.

17. Ярышев Н. А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. — Л.: Энергия, 1967. — 300 с.

18. Температурные измерения: Справочник / О. А. Геращенко, А. Н. Гордов, А. К. Еремина и др. / Отв. ред. О. А. Геращенко; АН УССР. Ин-т проблем энергосбережения. — Киев: Наукова думка, 1989. — 704 с.

19. Точность контактных методов измерения температуры / А. Н. Гордов, Я. В. Малков, Н. Н. Эргардт и др. — М.: Изд-во стандартов, 1976. — 232 с.

20. Ярышев Н. А., Махновецкий А. С. О погрешностях измерения нестационарных поверхностных температур // Изв. ВУЗов. Приборостроение. — I960. Т. 3.

21. Мирошник И. В. Теория автоматического управления: Линейные системы: Учебное пособие для вузов. — СПб: Питер, 2005. — 333 с.

22. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления / Под ред. В. В. Солодовникова. — М.: Машиностроение, 1990. — 332 е., ил.

23. Кондратьев Г. М., Дульнев Г. Н., Платунов Е. С., Ярышев Н. А. Прикладная физика. Теплообмен в приборостроении. — СПб: СПбГУ ИТМО., 2003. 560 с.

24. Большой энциклопедический словарь: В 2-х т. / Гл. ред. А. М. Прохоров — М.: Сов. энциклопедия, 1991.

25. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2003. — 704 с.

26. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов». — 3-е изд., перераб. — М.: «Энергия», 1978. — 704 с.

27. Термоэлектрические преобразователи температуры. Теория, практика, развитие / А. В. Белевцев, В. В. Богатов, А. В. Каржавин и др. // Приборы. 2004. - № 4.

28. Резисторы: Справочник / В. В. Дубровский, Д. М. Иванов, Н. Я. Пра-тусевич и др. — М.: Радио и связь, 1991. — ххх е.!!!

29. R. Amador, A. Polanco, H. Hernandez, E. Gonzalez, A. Nagy. Technological compensation circuit for accurate temperature sensor. — Sensors and Actuators A: Physical 1998, Vol. 69, № 2.

30. D. De Bruyker, R. Puers. Thermostatic control for temperature compensation of a silicon pressure sensor. — Sensors and Actuators A: Physical 2000, Vol. 82, №1-3.

31. Вавилов В. Д., Кругликов П. Ф., Толочков Ю. А. Интегральные датчики давления. Конструкция и технология: учеб. пособие. — М.: Изд-во МАИ, 2001.

32. Казарян А. А. Тонкопленочный пьезоэлектрический датчик давления // Измерительная техника. — 2002. — № 5.

33. Богачкин А. Г. Тензорезисторный микроэлектронный датчик давления ДАЭ-100 // Датчики и системы. 2003. - № 11.

34. Михайлов П. Г. Экспериментальное исследование совмещенного датчика давления и температуры // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2003. — J№ 12.

35. Абрамов Д. В., Заварзин М. А., Орлов Е. Ю. Унифицированные датчики влажности, давления и температуры на основе пьезокварцевых резонаторов // Пром. АСУ и контроллеры. — 2002. — № 2.

36. Саблин А. В. Интегральные датчики абсолютного и избыточного давлений // Микросистемная техника. — 2001. — № 11.

37. Чуркин Г. М. Электрические промышленные регуляторы (Electrical industrial controllers): учеб. пособие. — Саратов, 2001.

38. Киселев С. В., Шейнарт В. А. Терморегулятор высокоточный программируемый // Металлургия машиностроения. — 2004. — № 2.39. http://www.anaIog.com/ (Analog Devices)40. http://www.maxim-ic.com/ (Dallas Semiconductors)

39. Калинин В. Ф., Шувалов А. М., Кочергин С. В. Теоретические исследования параметров электронагревательного устройства с саморегулированием мощности // Вестник Тамбовского государственного университета. 2003. - Т. 9. - № 4.

40. Грабой Л. П. и др. К вопросу уменьшения статической нестабильности температуры термостатирования методом тепловой компенсации // Вопросы радиоэлектроники, серия ТРТО. — 1967. — Вып. 2. — С. 17-23.

41. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1975. 467 с.

42. Лыков А. В. Теория теплопроводности. — М.: Изд-во «Высшая школа», 1967.

43. Классен К. Б.; пер. с англ. Е. В. Воронова, А. И. Ларина. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. — М.: Постмаркет, 2000.

44. Термоэлектрическое охлаждение / А. Ф. Иоффе, Л. С. Стильбанс, Е. К. Иорданишвили и др. М-Л: Изд. АН СССР, 1956.

45. Бурштейн А. И. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. — М.: Физматгиз, 1962.

46. Термоэлектрическое охлаждение / Л. П. Булат, М. В. Ведерников, А. П. Вялов и др. / Под ред. Л. П. Булата. СПб: СПбГУНиПТ, 2002.

47. Брусницын П. С., Кораблев В. А., Шарков А. В. Применение термоэлектрических элементов в системах охлаждения // Изв. ВУЗов, Приборостроение.— 2000. — № 5.

48. Кораблев В. А., Тахистов Ф. Ю., Шарков А. В. Прикладная физика. Термоэлектрические модули и устройства на их основе. Учебное пособие / Под ред. проф. А. В. Шаркова. СПб: СПбИТМО(ТУ), 2003. -44 с.

49. Теплов В. Ю., Анисимов А. В. Система термостатирования на однокристальной микроЭВМ и термомодулях Пельтье // Приборы и техника эксперимента. — 2002. — № 3.54. http://www.titan-cd.com55. http://www.thermaltake.com56. http://www.zalman.com

50. Белостоцкий Б. Р., Любавский Ю. В., Овчинников В. М. Основы лазерной техники. Твердотельные ОКГ / Под ред. акад. А. М. Прохорова. — М.: «Советское радио», 1972. — 408 с.

51. Белостоцкий Б. Р. Тепловой режим твердотельных оптических квантовых генераторов непрерывного действия. — Л.: Изд-во ЛДНТП, 1970.

52. Ханин Я. И. Основы динамики лазеров. — М.: Наука. Физматлит, 1999. — 368 с.

53. Белостоцкий Б. Р. Тепловой режим твердотельных импульсных оптических квантовых генераторов. — Л.: Изд-во ЛДНТП, 1970.

54. Дмитриев В. Г., Тарасов J1. В. Прикладная нелинейная оптика. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 512 с.

55. Блистанов А. А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. — М.: МИСИС, 2000.

56. Тарасов Л. В. Физические основы квантовой электроники (оптический диапазон). — М.: Сов. радио, 1976. — 368 с.

57. Янг М. Оптика и лазеры, включая волоконную оптику и оптические волноводы: Пер. с англ. — М.: Мир, 2005. — 541 е., ил.

58. Koechner W. Solid-state laser engineering / W. Koechner. — 6th ed., rev. and upd. NY: Springer. - 2006. - 747 p.66. «ГСИ. Приборы тепловизионные измерительные. Методика поверки». ГОСТ Р 8.619-2006. М.: Стандартинформ, 2006.

59. Порошковые краски. Технология покрытий. Справочник / Под ред. А. Д. Яковлева. — СПб: Химиздат, 2001. — 256 с.

60. Шинкель, Линтхорст, Хогендорн (W. М. М. Schinkel, S. J. М. Linthorst, С. J. Hoogendoorn). Стратификация при свободной конвекции в вертикальных полостях // Тр. Амер. о-ва инж.-мех. Сер. С. Теплопередача. — 1983. Т. 105. - № 2. - С. 57-63.

61. Ostrach S., "Natural Convection in Enclosures" // Advances in Heat Transfer, Vol. 8, 1972, pp. 161-227.

62. Микроконтроллерный регулятор температуры MPT110 для сушильно-стерилизационных шкафов / Н. Н. Костин, В. И. Гаврищук, С. А. Зеле-пукин и др. // Мед. техника. — 2002. — № 2.

63. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. — М.: Энергия, 1973. 320 с.

64. Магунов А. Н. Лазерная термометрия твердых тел. — М.: Физматлит, 2002.

65. Тепловой неразрушающий контроль изделий: науч.-метод. пособие / О. Н. Буданин, А. И. Потапов, В. И. Колганов и др. — М.: Наука, 2002.

66. Никоненко В. А., Малышев Ю. О., Шевелев Ю. В. Расширение диапазона жидкостного термостата для поверки контактных термометров // Приборы, 2003. № 10.

67. Оглоблин Г. В. Конструирование измерительной аппаратуры: учеб. пособие. — Комсомольск-на-Амуре: 2001.

68. Макаров Д. С. Система автоматического мониторинга удаленных объектов с использованием каналов сотовой связи // Приборы. — 2004. — № 6 (48). С. 17-18.

69. Стенд для испытаний приборов и средств защиты на устойчивость к мощным тепловым воздействиям / Д. П. Волков, В. А. Кораблев, Д. С. Макаров и др. // Приборы. 2004. - № 6 (48). - С. 46-48.

70. Термометрия элементов лазерной техники / А. В. Шарков, В. А. Кораблев, Д. С. Макаров и др. // Приборы. 2005. - № 3 (57). - С. 32-34.

71. Макаров Д. С. Система регулирования расхода и температуры газа в газоанализаторе / Д. С. Макаров; науч. рук. В. А. Кораблев // Вестник II межвузовской конференции молодых ученых: сб. науч. тр. — СПб.: СПбГУ ИТМО., 2005. Т. 2. - С. 151-154.