Проектирование термостатирующих устройств с широтно-импульсной модуляцией управляющих воздействий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Макаров, Дмитрий Сергеевич

• Макаров, Дмитрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Макаров, Дмитрий Сергеевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проектирование термостатирующих устройств с широтно-импульсной модуляцией управляющих воздействий»

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».

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Макаров, Дмитрий Сергеевич

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Макаров, Дмитрий Сергеевич, 2007 год

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.