«Информационно-измерительная система для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий ...»

Пензенский государственный университет

На правах рукописи

Горячев Николай Владимирович

Информационно-измерительная система для исследования

средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий

Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие

системы (приборостроение)

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Н.К. Юрков Пенза 2014 2

СОДЕРЖАНИЕ

Список используемых сокращений..... Введение......... Глава 1. Современное состояние проблемы теплофизического проектирования.... 1.1 Роль информационно-измерительной системы при решение задач теплофизического проектирования.. 1.2 Моделирование в проектировании РЭС... 1.3 Классификация систем охлаждения ЭРИ... 1.4 Натурные испытания в проектировании ЭРИ.. Выводы по главе 1........ Глава 2. Разработка информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий....... 2.1 Структурная схема информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий....... 2.2 Структурная схема измерительной подсистемы средств охлаждения....... 2.3 Тепловая модель системы охлаждения установленной в измерительной подсистеме средств охлаждения... 2.4 Разработка метрологической модели измерительной подсистемы......... Выводы по главе 2........ Глава 3. Методическое и алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной системы 3.1 Методика теплофизического проектирования... 3.2 Алгоритм выбора унифицированной конструкции системы охлаждения....... 3.2.1 Концептуальное проектирование подсистемы выбора средства охлаждения...... 3.2.2 Выбор и принятия решений при многокритериальных условиях. Оптимизационный и экспертный методы принятия решений.......... 3.2.3 Алгоритм выбора унифицированной конструкции системы охлаждения....... 3.3 Алгоритмическое обеспечение функционирования информационно-измерительной системы....

Выводы по главе 3........ Глава 4. Программно-аппаратная реализация информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий. 4.1. Реализация аппаратной части информационноизмерительной системы....... 4.1.1 Схемотехническая реализация информационноизмерительной системы...... 4.2 Реализация программной части информационноизмерительной системы...... 4.3 Технические характеристики информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения. 4.4 Применение информационно-измерительной системы для экспериментального исследования средств воздушного 4.5 Оценка эффективности информационно-измерительной Библиографический список использованной литературы. Приложение В Свидетельства о регистрации программ ЭВМ Список используемых сокращений АЦП – аналого-цифровой преобразователь БОД – блок обработки данных ЖКИ – жидкокристаллический индикатор ИМ – интегральная микросхема ИО – исследуемый объект ИИС – информационно-измерительная система ИИиУС – информационно-измерительная и управляющая система ИПСО – информационная подсистема средств охлаждения ММ – математическая модель НИР – научно-исследовательская работа НИОКР – научно-исследовательская опытно конструкторская работа ОЗУ – оперативное запоминающие устройство ПО – программное обеспечение ПУ – печатный узел ПЗУ – постоянное запоминающие устройство ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема РЭС – радиоэлектронное средство САПР – система автоматизированного проектирования СО – система охлаждения ТО – теплоотвод ТУ – технические условия ТФП – теплофизическое проектирование ТЭМ – термоэлектрический модуль Т.Э.Д.С. – термоэлектродвижущая сила ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь ШИМ – широтно-импульсная модуляция ФМ – физическая модель ЭВМ – электронная вычислительная машина ЭРИ - электрорадиоизделие CAD – computer-aided design (система автоматизированного проектирования) SDA – Serial data (последовательная шина данных) SCL – Serial clock (последовательная шина синхронизации) USB – Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина) Актуальность темы. Информационно-измерительные и управляющие массогабаритных показателей. При этом объективно необходим анализ теплонагруженности элементов системы и проблем отвода тепла с помощью разнообразных систем охлаждения (СО). При этом возникает задача выбора существующих типоразмеров, выпускаемых промышленностью.

разнообразные подходы к поддержанию тепловых режимов, многие из которых основаны на анализе математических моделей теплонагруженных элементов, выборе способа тепловой защиты радиоэлектронных средств (РЭС). В тоже время при осуществлении полного цикла теплофизического проектирования ИИиУС необходимо иметь возможность проведения натурного эксперимента над теплонагруженными электрорадиоизделиями (ЭРИ), существенно влияющими на тепловой режим всей системы, что позволяет оценить адекватность математических моделей, а также уточнить результаты анализа систем охлаждения, большинство из которых составляют воздушные системы охлаждения. При этом возникает необходимость автоматизированного выбора, удовлетворяющего расчётным данным, унифицированных конструкций СО из доступного пользователю множества.

Это позволит существенно сократить сроки и повысить точность теплофизического проектирования.

Вопросы обеспечения теплового режима элементов РЭС освещены в работах отечественных учёных Г.Н. Дульнева, В.Г. Парфёнова, А.В. Сигалова, А.А. Иофина, С.У. Увайсова и др. Заметный вклад внесли и зарубежные ученые В.И. Азаренков, М. Макгуайр (M. McGuire), Р. Уэслати (R. Oueslati), Б. Арпачи (B. Arpaci), А. Бешли (A. Bensely), С. Хариш (S. Harish) и др.

Достижения отечественных научных школ в области разработки и совершенствования ИИиУС связаны с именами таких ученых, как Ю. В. Арбузов, Е.А. Ломтев, С.И. Маслов, О.Н. Новоселов, Б.З. Персов, М.П. Цапенко Э.К. Шахов, В.М. Шляндин и др.

При создании современных ИИиУС используются программные комплексы и унифицированные системы теплофизического проектирования, такие как Ansys Icepak, FloTherm, Elmer, Analog Workbench, Qfin, APM FEM (КОМПАС-3D), Betasoft, COSMOS, COLDPLATE, Microwave Office, MSC Nastran, PRAC, российский комплекс программ ТРиАНА (АСОНИКА-Т) и др., но в них отсутствует возможность комплексного исследования физических и математических моделей теплонагруженных элементов РЭС, формирующих тепловой режим ИИиУС. Остаются нерешенные задачи, связанные с синтезом структуры информационно-измерительной системы комплексного исследования СО, на основе совместного проведения как вычислительного, так и натурного экспериментов. Необходим автоматизированный выбор унифицированной конструкции СО из некоторого доступного пользователю множества, удовлетворяющей заданным требованиям, что существенно расширит возможности ИИС. Следует повысить точность определения тепловых режимов работы ЭРИ.

В связи с этим актуальной является задача создания информационноизмерительной системы с расширенными функциональными возможностями для исследования и выбора унифицированной конструкции средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, определяющих тепловой режим всей ИИиУС.

Целью диссертационной работы является совершенствование информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий путем расширения ее функциональных возможностей и повышения точности выбора унифицированной конструкции системы тепловой защиты на основе уточнения математической модели теплонагруженных элементов, что, в конечном счете, приводит к сокращению сроков теплофизического проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

проектирования и определить требования к ИИС, которая требуется при теплофизическом проектировании ИИиУС.

Усовершенствовать структурную схему ИИС, расширить ее вычислительного и натурного экспериментов, а также уточнения тепловых режимов ЭРИ, необходимых для выбора унифицированной конструкции СО.

функционирования ИИС с расширенными функциональными возможностями для исследования средств воздушного охлаждения ЭРИ, определяющих тепловой режим всей ИИиУС.

Реализовать структурную схему и внедрить в практику работы современных предприятий и учебный процесс ИИС для исследования средств воздушного охлаждения ЭРИ на основе предложенных методического и алгоритмического обеспечения.

Методы исследования. Методологической основой работы являются теория информационно-измерительных и управляющих систем, теория планирования эксперимента, теория системного анализа и теория тепломассообмена. В работе использовались также технологии объектноориентированного и межплатформенного программирования.

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в работе, основывается на корректном применении методов теории планирования эксперимента, системного анализа и теории межсистемного взаимодействия, апробацией решений, достаточной близостью результатов полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований, а также в лабораторных условиях.

Научная новизна и теоретическая значимость работы заключаются в следующем:

1 Разработана структурная схема информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, взаимодействия, сменных аппаратных модулей, предназначенных для проведения натурных экспериментов над конечным множеством доступных охлаждения, подсистемы отображения результатов моделирований, что обеспечивает одновременное проведение физического моделирования и вычислительного эксперимента для обоснованного выбора унифицированной системы охлаждения.

2 Уточнена тепловая модель системы охлаждения за счет введения суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом поверхности исследуемого объекта с окружающей средой, что позволило повысить точность расчёта температуры перегрева теплонагруженного электрорадиоэлемента.

информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, отличающиеся учетом результатов совместного проведения вычислительного и натурного экспериментов над системами охлаждения, что позволило повысить эффективность функционирования ИИС за счет снижения сроков и стоимости проектирования.

разработанной информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, осуществляющей как натурные, так и модельные радиоаппаратуры (акты о внедрении прилагаются). Предложенная ИИС используется в учебном процессе при подготовке инженеров-конструкторов РЭС (см. акт внедрения).

На защиту выносятся:

1 Структура информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, обеспечивающая одновременное проведение физического моделирования и вычислительного эксперимента для обоснованного выбора системы охлаждения.

2 Уточненная тепловая модель средства охлаждения, учитывающая суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом поверхности исследуемого объекта с окружающей средой, что позволило повысить точность расчёта температуры перегрева теплонагруженного электрорадиоизделия.

3 Методическое и алгоритмическое обеспечение информационноизмерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, позволяющее повысить эффективность функционирования ИИС за счет снижения сроков и стоимости проектирования.

4 Реализация информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, созданной на основе методического и алгоритмического обеспечения теплофизического исследования систем охлаждения, в проектно-конструкторскую деятельность предприятий, а также в учебный процесс.

Реализация и внедрение результатов работы осуществлялись в виде применения ИИС исследования средств воздушного охлаждения в проектноконструкторской деятельности ЗАО НИИФИ НИИВТ (г. Пенза), ОАО «Радиозавод» (г. Пенза), ОАО «Рубин» (г. Пенза), также в учебном процессе кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Работы проводились в рамках федеральной программы У.М.Н.И.К. в 2010-2012 гг., по теме «Разработка алгоритма функционирования программноаппаратного комплекса анализа эффективности систем охлаждения радиоаппаратуры».

Результаты исследований использованы:

В НИОКР по проекту №12622 «Разработка устройств, технологий и новых материалов для повышения надёжности, качества и экономичности технических систем», 2010-2011 гг.

В НИОКР по проекту №14199 «Разработка устройств, технологий и новых материалов, для повышения надёжности, качества и экономичности технических систем», 2011-2012 гг.

В НИР по проекту «Разработка интеллектуальной системы управления сложным программно-аппаратным комплексом на основе теории межсистемного взаимодействия» (НК-682П/23) ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России (2009–2013 гг.)».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г.

Пенза, 2008–2013 гг.); Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2010–2013 гг.); ІI Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники – 2011» (г. Перемышль, Польша, 2011 г.); научнопрактической конференции ИНФО-2011 «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (г. Сочи, 2011 г.); I Международной научно-практической интернет-конференции «Молодежь.

Наука. Инновации» (г. Пенза, 2010 г.); Всероссийской заочной научнометодической конференции студентов и аспирантов «Вопросы совершенствования предметных методик в условиях информатизации образования» (г. Славянск – на Кубани, 2009 г.); научно-практической конференции «Перспективные технологии искусственного интеллекта» (г.

Пенза, 2008 г.); молодёжном инновационном форуме Приволжского федерального округа (г. Ульяновск, 2009 г.), также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ПГУ (г. Пенза, 2010–2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 29 печатных работ, в том числе 4 – в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России, 2 отчета о проведении НИОКР и 3 свидетельства о регистрации программ ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка, включающего 148 наименований, и пяти приложений. Основная часть изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и таблиц.

Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, разработке программ обеспечения натурного эксперимента, получении и анализе результатов.

Глава 1. Современное состояние проблемы теплофизического 1.1 Роль информационно-измерительной системы при решение задач теплофизического проектирования Теплофизическое проектирование (ТФП) является неотъемлемой частью конструкторского проектирования РЭС Процесс ТФП объединяет методы обеспечения заданного теплового режима отдельных элементов и составных частей РЭС. При ТФП различают три вида элементов РЭС: дискретные; модульные, микромодульные и микроминиатюрные схемы; блочные или «большие» элементы [47, 77, 87].

В работе рассматривается обеспечение заданного теплового режима дискретных элементов или электрорадиоизделий (ЭРИ). К классу ЭРИ относятся диоды, транзисторы, микросхемы, резисторы конденсаторы, катушки индуктивности и т.д. Наиболее остро проблема обеспечения теплового режима стоит при охлаждении силовых пассивных, а также полупроводниковых и вакуумных ЭРИ. Результатом теплофизического проектирования ЭРИ является расчет новой или выбор уже имеющейся унифицированной конструкции СО. При решении типовых задач, к которым относится, например, обеспечение теплового режима ЭРИ в унифицированном корпусе, не целесообразно каждый раз рассчитывать новую конструкцию СО. Это связано с тем, что промышленностью выпускается широкая номенклатура унифицированных конструкций СО [136, 148], теплонагруженных ЭРИ, и возможно обеспечить выбор подходящей СО для решения конкретной задачи [24, 50, 60].

Задача, реализуемая в процессе теплофизического проектирования, является трудноформализуемой [47,87], при решении которой необходимо дестабилизирующих факторов [24, 42]. Для этого необходимо:

1. Построить математическую модель системы охлаждения.

2. Провести ее анализ и подтвердить адекватность модели с помощью исследования физической модели СО, т.е. провести натурные испытания.

3. Осуществить подбор подходящей СО из базы унифицированных конструкций, в случае отказа создать техническое задание на разработку новой СО.

Для решенич этих задач строится специальная информационноизмерительная система (ИИС), которая должна удовлетворять следующим требованиям [19, 24, 28]:

Обеспечивать исследование математической модели СО.

Обеспечивать исследование адекватности математической модели на основе проведения натурного эксперимента над СО.

Обеспечивать выбор унифицированной конструкции СО.

Для осуществления исследований широкой номенклатуры СО ИИС должна иметь открытую (масштабируемую) структуру.

Создание ИИС, решающей поставленные задачи, позволит проводить комплексное ТФП.

В настоящее время существует большое количество зарубежных и отечественных программных продуктов, позволяющих проводить тепловые расчеты конструкций РЭС любой сложности. Среди них следует выделить те, которые получили наибольшую известность и широкое распространение:

BETAsoft компании DYNAMIC SOFT ANALYSIS;

Sauna компании THERMAL SOLUTIONS;

«Приборостроение» Красноярского государственного технического университета и кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики;

модуль T-FLEX АНАЛИЗ российской компании «Топ Системы»;

анализ деталей и сборок) компании PTC;

COSMOS/Works компании Solid Works Corp.

Подробно рассмотрим возможности каждого программного продукта.

Программное обеспечение BETAsoft компании DYNAMIC SOFT ANALISYS представляет современную, мощную и удобную систему теплового анализа электронных устройств, предлагая новый подход к проектированию и тепловому анализу, суть которого заключается в том, что два процесса идут практически параллельно: как только установлены высокочувствительные к температуре компоненты или компоненты с высоким приоритетом (высокий приоритет, например, может быть определен в ходе мощностного анализа) можно начать тепловое моделирование, которое работает в связке с пакетом проектирования печатного узла (ПУ) [22, 23, 54].

По мере доработки проекта ПУ тепловое моделирование проводится снова, но уже с учетом внесенных доработок и изменений начальных и граничных условий.

Результаты моделирования, полученные на каждой итерации, сохраняются и сравниваются, что позволяет системе выбрать наилучший вариант способа отвода тепла. Таким образом, за несколько итераций получается результат моделирования, удовлетворяющий пользователя [72].

Реализация такого метода имеет смысл в том случае, если тепловое моделирование действительно необходимо проводить параллельно с внесением изменений.

В состав программного пакета BETAsoft входят несколько программ, которые позволяют рассчитать температуру и градиент температуры на различных участках ПУ, температуры отдельных ЭРИ и переходов, после чего выдать предупреждение о возможном превышении максимально допустимых значений перегрева СО.

Главенствующей задачей теплового анализа является определение температуры ЭРИ и ПУ [84, 120, 128, 130]. Пакет BETAsoft позволяет рассчитать среднюю температуру корпуса ЭРИ, а дополнительный модуль ТНЕТА дает возможность на основе учета тепловых сопротивлений определить температуру переходов между теплонагруженным ЭРИ и системой охлаждения, либо любыми другими элементами тепловой схемы.

Рассчитанные результаты отображаются на общем виде ПУ с помощью градации различных цветов, что позволяет определить степень перегрева ПУ, ЭРИ и других элементов, установленных на поверхности ПУ [23, 55]. Имеется возможность вывода численных значений рассчитанных температур в табличной форме.

Недостатком пакета программ BETAsoft является не возможность исследования физической модели СО, отсутствие базы унифицированных конструкций систем охлаждения. Необходимо отметить, что этот пакет программ хотя и используется в конструкторской деятельности, однако в году снят с производства и не поддерживается производителем [23].

Программа теплового анализа Sauna компании Thermal Solutions, которая позволяет моделировать поведение не только печатных узлов, но и блоков и шкафов [23, 120]. В пакете присутствуют обширные библиотеки компонентов и материалов. Имеется специальный графический редактор, позволяющий прорисовывать конфигурацию системы (рис. 1.1).

Пакет прикладных программ дает возможность назначать специальные рабочие циклы с учетом включения и выключения внешних источников питания.

Анализ тепловых потоков в пакете Sauna очень похож на процесс схемотехнического моделирования. Для каждого отдельного проекта создается цепь, состоящая, подобно цепи узлов напряжений и электрических импедансов, из температурных узлов и тепловых резисторов, как это делается при схемотехническом анализе фильтров или усилителей. В программе Sauna эти величины рассчитываются с учетом габаритов анализируемого устройства и физических свойств используемых материалов, что позволяет существенно снизить погрешности в выборе величин тепловых сопротивлений.

Пользователи имеют возможность провести температурный расчет как установившегося, так и переходного процессов, а также анализ рабочих климатических циклов, позволяющий моделировать климатические испытания. Однако, в связи с отсутствием базы унифицированных конструкций СО, программа не обеспечивает выбор конкретного типа СО, и так же как предыдущий пакет не имеет инструментов для исследования физической модели ТО и СО.

моделирования ТРИАНА (АСОНИКА-Т), который позволяет решить аналогичные задачи, но использует оригинальное вычислительное ядро, учитывает специфику отечественной радиоэлектронной аппаратуры, ее элементную базу и методологии проектирования [23, 55, 110, 119].

В состав подсистемы ТРИАНА (АСОНИКА-Т) входят уникальные программные комплексы, позволяющие синтезировать модели тепловых процессов в автоматическом режиме по созданной в специальной графической среде геометрической модели конструкции (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 – Цветовые карты температуры и градиента в Подсистема теплового моделирования предназначена для работы в тесной интеграции с другими САПР РЭС. Так, для обмена данными с САПР топологического проектирования РЭС в программе имеется набор интерфейсов, позволяющих загружать бинарные и текстовые файлы проектов печатных плат (ПП), разработанных в таких популярных системах проектирования, как P-CAD 2001, Protel 99 SE, OrCAD 9.2, Allegro, Spectra, а также старых, но все еще распространенных в России версиях P-CAD 4.58.7.

В подсистеме также имеется возможность осуществлять операции импорта (экспорта) термограмм в/из тепловизионный диагностический комплекс ТЭРМИД РЭС [111, 119].

В результате моделирования может быть получена следующая информация: температуры корпусов и активных зон компонентов, тепловые поля шин, изотермы несущей конструкции, термограммы конструкции, изображение только перегревшихся элементов, распределение мощностей по компонентам, коэффициенты тепловой нагрузки компонентов, графики зависимости температур компонентов от времени [110, 119]. Следует признать, что некоторые из перечисленных характеристик недоступны в зарубежных системах теплового моделирования. В тоже время отметим, что аппаратные средства, входящие в состав АСОНИКА-ТМ, хотя и позволяют контролировать температуру физического образца исследуего объекта, но в большей степени всего подходят для исследования печатных узлов, тогда как исследование отдельных СО электрорадиоизделий затруднительно.

теплофизическом проектировании - это модуль теплового анализа T-FLEX АНАЛИЗ российской компании «Топ Системы» [22, 23]. Алгоритм работы с модулем прост и в целом напоминает работу с другими расчетными модулями T-FLEX АНАЛИЗА для осуществления механических расчетов. Все этапы моделирования выполняются непосредственно в среде T-FLEX CAD в привычном для пользователя интерфейсе.

T-FLEX АНАЛИЗ поддерживает работу со сборками, поэтому в механическом или тепловом расчете могут участвовать различные детали сборочной конструкции. При этом, конечно, учитываются различные физические свойства материалов деталей, а также при необходимости определяются дополнительные граничные условия в области контакта твердых тел.

После создания задачи автоматически вызывается команда построения конечно-элементной сетки из тетраэдральных элементов. Тетраэдры аппроксимируют геометрию модели и используются для построения математической модели исходной конструкции. При создании сетки пользователь имеет возможность определить ее различные параметры:

степень дискретизации, гладкость, локальные сгущения сетки и т.п.

Для задания тепловых нагрузок в T-FLEX АНАЛИЗЕ предусмотрен набор специализированных команд: «Температура», «Тепловой поток», «Конвективный теплообмен», «Тепловая мощность», «Излучение».

После построения конечно-элементной сетки и наложения граничных условий можно приступить непосредственно к решению поставленной задачи - оценки эффективности системы охлаждения.

В отличие от стационарного теплового расчета, при котором определяется установившаяся в системе температура, в результате нестационарного расчета получаем температурные поля в различные моменты времени в пределах заданного времени i-го интервала. Для просмотра таких результатов в T-FLEX АНАЛИЗЕ имеется специальный удобный инструмент в виде плавающей панели, позволяющей интерактивно перемещаться по всему массиву результатов, максимально быстро переключаясь в интересующий момент времени.

Отметим еще одну важную функциональную особенность системы TFLEX АНАЛИЗ. Во многих практических случаях возникает потребность в учете температурных воздействий при механических расчетах – так называемая задача термоупругости. Под действием температуры тела изменяют свои размеры, при этом в механической системе могут возникать температурные деформации и вызываемые ими напряжения. Расчет подобных режимов поддерживается в модуле статических расчетов T-FLEX АНАЛИЗ.

Однако, притом, что T-FLEX АНАЛИЗ обладает богатейшим математическим аппаратом моделирования теплообменных процессов, применять его для выбора конкретного способа и средства охлаждения проблематично, т.к. в состав модуля не входят данные о существующих унифицированных СО.

Также пакет T-FLEX АНАЛИЗ не позволяет проводить натурные испытания ТО и СО и имеет слабую интеграцию с существующими средствами проектирования электроники [22, 23].

В модуле Pro/MECHANICA Thermal Simulation Package компании PTC температурный анализ деталей и сборок позволяет добиваться необходимых температурных характеристик изделия, анализируя поведение деталей и конструкций при воздействии тепловых нагрузок. Его основные возможности [23]:

импортирование моделей из других систем CAD;

моделирование двухмерных и трехмерных конструкций;

введение различных тепловых граничных условий: тепловых нагрузок, температуры, условий конвекции;

термических процессов;

анализ исходной модели или модели с заданными параметрами чувствительности изделия к изменению параметров проектирования;

оптимизация формы геометрии исходя из тепловых требований к изделию;

просмотр результатов анализа в графическом (изолинии, цветовые закраски, графики) и числовом виде.

Рассматриваемый модуль может использовать модели, созданные в Pro/ENGINEER, а также импортировать модели из других CAD-систем.

Имеет те же недостатки, что и предыдущий пакет прикладных программ.

Модуль COSMOS/Works является разработкой компании SolidWorks Corp.

пространстве с SolidWorks, исключается необходимость использовать какиелибо трансляторы для экспорта геометрии. Это обеспечивает отсутствие ошибок в геометрии и, как следствие, в конечно-элементной модели [22, 23].

Изменение геометрической модели автоматически отслеживается в COSMOS/Works.

Поддержка конфигураций SolidWorks позволяет более гибко подходить к процессу проведения численных испытаний. Например, возможно сравнивать результаты, полученные в COSMOS/Works, и данные реального физического эксперимента. Таким образом, можно корректировать расчетную модель для увеличения достоверности результатов.

автоматическом режиме. К тому же пользователь может не только управлять настройками генератора, но и вручную указывать области, в которых необходимо установить большее разрешение конечно-элементной сетки.

Пользователь может применять как библиотеку материалов SolidWorks, так и свои собственные материалы COSMOS/Works. Если в детали или в сборке указаны физико-механические характеристики, то они будут автоматически добавлены в расчетную модель. Существует и возможность добавлять свои или редактировать существующие материалы с помощью специальной утилиты.

В тепловом анализе возможно решение задачи теплопроводности в твердом теле. Расчет можно проводить для стационарного режима, при котором граничные условия остаются неизменными, либо указать временной диапазон, в котором будет происходить изменение того или иного параметра.

В ходе расчета определяются распределение и градиенты температур, тепловые потоки. Однако, как и рассмотренные выше средства, модуль Thermal Simulation имеет ряд недостатков, таких как отсутствие возможности проведения натурного эксперимента с физической моделью СО, не возможность выбора унифицированной конструкции СО, также модуль COSMOS/Works переходов ЭРИ.

Существуют еще несколько менее популярных универсальных систем теплового моделирования, но, как показал проведенный анализ, все они осуществляют стационарный или не стационарный тепловые расчеты для распределенных узлов, позволяют оценить температурные поля, но не поддерживают физическое моделирование, а также не предназначены для проектирования реальных систем охлаждения.

1.2 Моделирование при проектировании РЭС Рассмотрим задачу одномерного температурного поля. Эта задача активно используется при тепловых расчетах и обеспечении тепловых режимов РЭС. Наиболее полно решение задачи одномерного температурного поля предложено профессором А.М. Тартаковским.

В работе [74] рассматривается некая одномерная область, содержащая внутренние источники тепловыделения удельной мощностью W Вт/м3. Левая граница (рисунок 1.3) подвергается действию теплового потока плотностью q Вт/м2; правая граница охлаждается за счёт естественной конвекции;

интенсивность проникновения потока тепла через эту границу оценивается коэффициентом теплоотдачи Вт/м2 град. Для решения задачи требуется найти распределение температур в пределах области в стационарном режиме.

Рисунок 1.3 – К определению одномерного температурного Уравнение теплопроводности для данного случая имеет вид где – коэффициент теплопроводности материала пластины, Т – температура.

Граничные условия можно записать на основании известных законов Фурье и Ньютона [6]. В соответствии с законом Фурье плотность потока пропорциональна градиенту температуры. Для одномерной задачи Уравнение (1.2) и будет граничным условием при х=0 (граничное условие второго рода).

Закон Ньютона устанавливает связь между потоком тепла Р, проникающим через поверхность тела и условиями теплообмена:

где Тn – температура поверхности, где Тc – температура среды, омывающей поверхность, S – площадь поверхности.

Поток, определяемый формулой (1.3), равен потоку, проходящему сквозь бесконечно тонкий поверхностный слой тела и определяемому законом Фурье. Поэтому Уравнение (1.4) является граничным условием при x= (граничные условия третьего рода).

Интегрирование уравнения (1.1) дает Постоянные С1 и С2 определяются из граничных условий. На сновании (1.2) и (1.5) имеем Решая систему (1.6), получаем:

Таким образом, искомое распределение температуры имеет вид:

Таким образом, для одномерной задачи выражение (1.9) определяет теплопроводности, рассеиваемой тепловой мощности и толщины материала.

К одномерным задачам, имеющим точное аналитическое решение, сводятся только простые задачи тепломассообмена, которые практически не встречаются в практике конструирования РЭС. В сложных случаях задачу не удаётся свести к одномерной [74]. В этих случаях наиболее перспективно применять приближенные численные методы. Таким образом, перенеся одномерную задачу в трёхмерную область, можно вычислить температурное поле пластины, как простейшего теплоотвода.

В соответствии со сложившейся практикой обычно применяются три основных вида моделирования: математическое, полунатурное и физическое.

Конечной целью математического моделирования является получение необходимой точности оценок выбранных количественных показателей.

Наибольшее распространение при математическом моделировании теплофизических процессов получили методы статистических испытаний, представляющие собой прямые методы расчета вероятностных характеристик предшествующего моделирования. На самом деле между оценками, полученными в процессе моделирования, существует определенная статистическая зависимость, учет которой во многих случаях позволяет существенно сократить число экспериментов.

Так как материальные затраты на моделирование сложных систем велики за счет большого количества экспериментов, то сокращение общего их числа является актуальной задачей. В настоящее время разрабатываются комбинированные методы применения разнородных статистических оценок, при которых на каждом очередном этапе моделирования используется ранее полученная информация. Однако пока не создано общей теории, позволяющей теплофизических систем в общем виде, а комбинированные методы дают лишь частные решения [13, 20].

При решении задач теплофизического проектирования математическое моделирование применимо лишь в случаях, когда, только когда известно имеется достоверное математическое описание процесса. В противном случае при решении трудноформализуемых задач, заключающихся в учете множества дестабилизирующих факторов, необходимо проведение полунатурного и/или физического моделирований.

Вычислительные алгоритмы получения оценок параметров как при полунатурном, так и при физическом моделированиях аналогичны методам, применяемым при математическом моделировании.

Полунатурное моделирование применяется для оценки качества аппаратных решений, эргономической оценки, а также при отработке образцов для уточнения технических решений, получения объективных оценок для принятия решений о проведении натурных испытаний, возможности перехода от одного этапа полунатурных испытаний к последующему.

Физическое моделирование применяется при отсутствии возможности или излишней сложности получения достоверного математического описания процесса обеспечения нормального теплового режима как всей РЭС, так и ее теплонагруженных элементов (а также при не возможности выполнения полунатурного моделирования). Таким образом, в области теплофизического проектирования практически нельзя получить достоверного решения без проведения натурных исследований и испытаний. Таким образом, необходим этап, в ходе которого исследуется физическая модель системы охлаждения.

При этом, чем раньше будет проводиться такое исследование, тем меньше будет затрачиваться времени на устранение ошибок.

Примечание. Отметим обязательность применения натурных испытаний физической модели при проверке полученного решения о выборе той или иной системы охлаждения.

В результате проведенного анализа сделаем вывод, что наиболее часто выполнения следующих обобщенных функций [45, 29]:

Измерение величин, использующих модели подобия исследуемому объекту.

Описание свойств системы в различных сочетаниях в соответствующей шкале измерений как в нормальных климатических условиях, так и при отрицательных/положительных изменениях температуры в виде таблиц, графиков, временных циклограмм, диаграмм и т.д. [80].

Накопление информации об объекте, например, в базе данных о системе, используемой для математического моделирования.

Преобразование информации (данных математического моделирования или натурного эксперимента) для получения законов распределения параметров и их аппроксимации известными законами распределения.

Прогнозирование будущего поведения исследуемого объекта или изменения его свойств.

Последняя функция особенно привлекательна при проектировании высокоточных средств измерения, работоспособных в широком диапазоне температур, так как позволяет, не проводя натурного эксперимента, функционирования, и по результатам моделирования синтезировать наиболее рациональные схемотехнические решения.

специализированным моделям. Модели, соответствующие реальным перечисленных выше.

индуктивные, дедуктивные и комбинированные подходы, которые приводят к эмпирическим, аналитическим и смешанным моделям или направлениям моделирования. Классификация моделей по способу построения представлена на рисунке 1.4. Согласно рисунку, перечисленные укрупненные модели или направления моделирования образуют первый уровень классификации.

Наибольшее распространение при исследовании систем получили смешанные эмпирико-аналитические модели, так как в их структуре использовано максимальное количество информации об объекте моделирования.

Эмпирико-аналитическое направление моделирования делится на два больших класса моделей:

имитационные – представляющие логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта. Практическое применение имитационных моделей для моделирования процессов в гибких производственных системах имеется, например, в работе [114];

семиотические (знаковые) модели, которые нашли применение для моделирования сложных объектов, когда принципиально необходимо привлечение информации, которая не может быть выражена количественно, например, в этом случае может быть использована теория семантических сетей.

Второй уровень классификации аналитических моделей на рисунке 1. включает феноменологические модели и модели потенциальной эффективности, которые широко применяются при проектировании информационно-измерительной техники.

Рисунок 1.4 – Классификация моделей, используемых при Эмпирические модели на втором уровне классификации разделены на эмпирико-статические модели, реализующие функции описания и накопления информации о свойствах объекта, а также ее преобразования. Эти модели основаны на методах математической статистики. Самоорганизующиеся модели выполняют прогностическую функцию - сведения о структуре и поведении системы синтезируются по алгоритмам эволюционного распознавания образов. Последний вид моделей создается с применением методов кластерного анализа, автоматической и статистической классификации [74, 76]. Суть этих методов - выделение классов однородных групп измерений по степени различия их характеристик и замена каждого класса одним элементом, включающим однотипные измерения среднестатистическим «представителем».

Из моделей распознавания образов на четвертом уровне классификации стоят модели:

дискриминантные, использующиеся при обработке информации, получаемой от средств измерения; в частности, к ним относятся модели опознавания или исследовательские модели на основе метода статистических испытаний для получения максимально возможной точности прибора [29, 40, 45];

структурные (синтаксические), представляющие «образ» объекта, формируемый путем создания его отличительных элементов по правилам «формальных грамматик»; примером структурных моделей служат алгоритмы распознавания образов радиолокационных, оптических, инфракрасных и других сигналов.

Вернемся к феноменологическим моделям и моделям потенциальной эффективности второго уровня классификации аналитических моделей. При построении феноменологических моделей отбираются самые существенные элементы и связи, что делает модели чрезвычайно упрощенными, пригодными только для описания качественной картины поведения объекта моделирования.

Аналитические модели потенциальной эффективности особенно важны для построения ИИС, так как используются для получения заданных значений показателя эффективности этих систем, при выборе их состава, структуры и технических параметров на этапах проетьирования до начала стадии изготовления макетов и опытных образцов. Эти модели выполняют важную прогнозную функцию и значительно сложнее феноменологических, но их сложность компенсируется качеством полученных результатов.

повторяет декомпозицию показателя эффективности системы и выстраивается по иерархическому принципу [92]. Элементы структуры модели представляют ряд взаимосвязанных между собой формул, выстроенных по правилу «от общего к частному».

увязывают между собой [5, 63, 78, 81]:

показатель эффективности системы с обобщенными показателями эффективности входящих в ее состав устройств;

функционирования его отдельных каналов, блоков и т.д., вплоть до функционально-конструктивных модулей, а также с их техническими параметрами;

энергопотребление) с техническими параметрами устройств и системы в целом.

Так как на все элементы системы накладываются ограничения, то эффективности является оптимизированная структура состава и технических параметров аппаратуры (системы) на начальном этапе ее проектирования.

Оптимизация проводится по максимальному значению эффективности системотехнике такая методология получила название «оптимальный структурно-параметрический синтез» или просто синтез аппаратуры [72, 73, 114].

Модели потенциальной эффективности функционирования системы на третьем уровне классификации разделяются на две группы (рисунок 1.4):

аппаратурной реализации и концептуальные модели, построенные в соответстветствии с определенной концепцией.

Таким образом, представленное многообразие моделей указывает на всевозрастающую сложность систем, требующих для своего описания все более сложных средств. В то же время актуальным было и остается реальное моделирование при наличии возможности исследования различных характеристик либо на реальной системе в целом, либо на отдельной ее подсистеме [92]. Такие исследования могут проводится как на системахЖ, работающих в нормальных условиях, так и в условиях повышенных нагрузок.

Реальное моделирование является наиболее адекватным, при этом ограничениями реального моделирования являются сложность его реализацйии для больших систем.

В работе [92] проводится деление реального моделирования на натурное и физическое, проводимое в реальном масштабе времени и/или в нереальном масштабе. В процессе физического моделирования сохраняется природа явлений, происходящих в системе, при соблюдении физического подобия. В ходе физического моделирования задаются некоторые характеристики внешней среды и исследуется поведение либо реальной системы, либо ее модели при заданных или создаваемых искусственно воздействиях внешней среды.

При этом под натурным моделированием понимается научный эксперимент, комплексные испытания и производственный эксперимент, которые проводятся над реальной системой с последующей обработкой результатов экспериментов на основе теории подобия.

В настоящее время возрастает роль научного эксперимента, который в отличии от реального протекания процесса в системе заключаетсмя в том, чт в нем могут появляться отдельные критические ситуации и могут определяться границы устойчивости процесса. В ходе эксперимента вводятся новые факторы и возмущающие воздействия в процессе функционирования системы.

охлаждения электрорадиоизделий будем использовать как физическое моделирование, так и натурное, соеденяя результаты этих видов моделирования с результатами математического моделирования.

1.3 Классификация систем охлаждения на основе конструктивных особенностей охлаждаемого элемента Одна из тенденций современной электроники – уменьшение габаритов устройств при одновременном росте требований к их производительности (функциональной сложности) и надежности. При этом размещение большого числа энергопотребляемых электронных модулей на малой площади приводит к их интенсивному нагреву. Поэтому все актуальнее становится проблема эффективного охлаждения электронных средств [1, 44]. Прослеживается настоятельная необходимость развития теории создания надежных систем отвода тепла от электронных компонентов.

Системы охлаждения принято разделять на две основные группы:

пассивные системы охлаждения и активные системы охлаждения [2, 7, 9, 44, 67].

Для пассивных методов характерен естественный путь отвода тепла – конвекцией, теплопроводностью и излучением. В активных методах используется активный теплоотвод с применением вентиляторов, термоохладителей или омывающих жидкостей.

Самый простой способ охлаждения ЭРИ – пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Он основан на явлениях теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения [3]. Размеры полупроводникового кристалла, как активного тепловыделяющего элемента, также как и размеры резистивных элементов имеют небольшие поверхности, чтобы конвекции было достаточно для их охлаждения. При закреплении корпуса ЭРИ на радиаторе многократно увеличивается площадь охлаждаемой поверхности. За счет теплопроводности тепло от корпуса ЭРИ передается металлическому радиатору. Далее теплоотдача от радиатора осуществляется конвективным и лучистым теплообменом. По конструкции различают пластинчатые, ребристо-пластинчатые, игольчатые радиаторы (рисунок 1.5).

Для естественной конвекции лучшей является игольчатая конструкция, как обладающая наибольшей площадью теплоотдачи.

Метод естественного охлаждения не требует затрат энергии, при его реализации ничто не движется, а, следовательно, не ломается. Это обеспечивает его надежность и простоту. Недостаток – низкая эффективность охлаждения и большие габариты: на 1 Вт мощности требуется поверхность охлаждения 25 – 30 см2.

Более эффективное охлаждение дает принудительная конвекция, например, за счет обдува вентилятором. Принудительное воздушное охлаждение не всегда позволяет добиться требуемой рабочей температуры ЭРИ по причине низкой теплоемкости и теплопроводности газов. В условиях принудительного охлаждения роль теплового излучения мала, так как на его долю приходится около 3 % отводимого тепла. Для повышения качества обдува можно использовать один или нескольких методов: увеличение количества вентиляторов; увеличение скорости вращения крыльчатки вентилятора; установка вентиляторов большего диаметра; увеличение количества лопастей, а также изменение их формы (т.е. замена существующих вентиляторов на более «продвинутые» модели); разработка более эффективной схемы движения воздушных масс; устранение препятствий на пути отвода воздуха. К достоинствам такой системы охлаждения относят:

низкую стоимость; простоту установки и обслуживания. Однако у данной системы есть и существенные недостатки: вращающаяся крыльчатка является основным источником шума в устройстве; скромные, в сравнении с другими активными системами, показатели эффективности; небольшой потенциал для покрытия постоянно возрастающих потребностей в охлаждении; вентиляторы обладают крайне невысокой надежностью [84].

Более эффективным является жидкостное охлаждение. Известно, что теплоемкость жидкостей значительно выше, чем газов. Система жидкостного охлаждения работает следующим образом: миниатюрный резервуар, объем которого меньше, чем у воздушного радиатора, закрепляется на поверхности ЭРИ, из него по шлангу с помощью помпы жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор, который может обдуваться наружным вентилятором. Эффективность охлаждения зависит от следующих факторов:

скорости охлаждающей жидкости; состава охлаждающей жидкости; наличия турбулентности; количества каналов охлаждения в радиаторе; материала радиатора.

Особым типом жидкостного охлаждения являются тепловые трубки.

Естественную конвекцию с применением тепловых трубок целесообразно использовать при невозможности жидкостного охлаждения или охлаждения с применением вентилятора. Тепловая трубка представляет собой тонкостенный металлический сосуд. Если один конец тепловой трубки подключить к источнику тепла, а другой – к приемнику – радиатору, будет происходить интенсивный теплообмен. Количество отводимого тепла окажется во много раз больше, чем при использовании радиаторов из меди или серебра.

Отсутствие насосов и помп делает этот метод экономичным (нет шума и потребления энергии), однако малая длина трубок (до 30 см) снижает эффективность метода.

термоохладителей, действие которых основано на эффекте Пельтье [50, 52].

При протекании постоянного тока через цепь из двух разнородных проводников в местах контактов выделяется или поглощается тепло (в зависимости от направления тока). Термоохладители выдерживают 200 тысяч часов работы (вентиляторы – 50 тысяч ч.). Существенными преимуществами построения систем охлаждения и термостабилизации с применением термоэлектрических модулей (ТЭМ) является [5]: малые габариты и вес (именно они определяют отсутствие альтернативных решений для термостабилизации и охлаждения в микро- и фото-электронике); высокая надежность; высокая охлаждающая способность на единицу веса и объёма;

холодопроизводительности и температурного режима; малая инерционность, быстрый переход из режима охлаждения в режим нагрева; отсутствие рабочих жидкостей и газов и др.

Любая даже наиболее эффективная жидкостная система имеет следующие недостатки: возможность протечек; микронасос и вентилятор требуют потребления энергии; система занимает определенные габариты; все, что движется (вентилятор и насос), снижает надежность и является источником шума.

Термоохладители надежны и бесшумны, имеют малые габариты, однако их недостатком является большое потребление энергии, термоохладитель сам является источником выделения тепла, для его работы требуются токи до десятков ампер, тогда как у жидкостных систем ток не превосходит 0,3 А [5].

Каждая из существующих систем охлаждения ЭРИ имеет свои особенности, которые определяют область применения (таблица 1.1.).

Таблица 1.1 – Области применения систем охлаждения Обобщенная классификация СО (рисунок 1.6), составленна на основе работ [42, 74, 84] и расширена за счет введения СО, получивших широкое распространение в последние годы. Это СО, встроенные в ПУ [140], и системы, основанные на применение CVD-алмазов [16].

Если рассматривать СО для ЭРИ, то основываясь на анализе работ [42, 74, 84], можно сделать вывод, что на сегодняшний день в силу своей простоты охлаждения. Это наглядно демонстрирует рисунок 1.7.

Рисунок 1.7 – Распространённость систем охлаждения ЭРИ Однако, следует признать, что доля воздушных систем год от года падает прежде всего за счет развития жидкостных и комбинированных СО.

Также, свою роль играет тот факт, что с развитием силовой электроники повышается удельная плотность рассеиваемой мощности и расширяется температурный диапазон, а также уменьшаются габариты электронных средств, что предъявляет повышенные требования к массо-габаритным параметрам СО.

Дальнейший прогресс техники, содержащей теплонагруженные ЭРИ, возможен только при условии повышения эффективности систем охлаждения, наиболее перспективными из которых являются системы, построенные с применением новых материалов. В связи с чем необходимы новые средства оценки, анализа и исследования работы систем охлаждения. К таким средствам можно отнести проектируемую информационно-измерительную систему. ИИС не только позволяет проводить измерения температуры реальной системы охлаждения, но и проводить вычислительный эксперимент и обеспечивает выбор унифицированной конструкции СО.

1.4 Натурные испытания в проектировании РЭС Моделирование как метод исследований широко распространен не только при решении технических задач и формировании технических требований к создаваемому образцу, но и на ранних стадиях эскизного и технического проектирования, при отработке образцов в системах, в составе которых предполагается их использование, а также на этапе различных видов натурных испытаний, определяющих характеристики объектов, их отработанность и возможность перехода от данного этапа испытаний к последующему или служащих основанием для передачи объектов в серийное производство.

В настоящее время во всех областях создания сложных технических систем, к которым относятся информационно-измерительные и управляющие системы (ИИиУС) моделирование является обязательным элементом в процессе создания, изготовления, испытаний и внедрения в производство новых ИИиУС [12, 44, 51, 69, 77].

распространение при решении сравнительно несложных задач. При этом в основном создавались физические модели, сохраняющие неизменным появлением сложных систем роль моделирования при оценке параметров функциональных связей между параметрами системы, изменяющимися условиями внешних воздействий и анализируемыми показателями. При этом возростает роль аналитических моделей. При моделировании более сложных систем сталкиваются с ситуацией, когда исследуемые процессы в системе и условия внешней среды имеют случайный характер, колличество факторов, изменяющих анализируемые показатели, значительно и оценки заданных параметров необходимо получить в широком диапазоне изменений условий функционирования системы.

обеспечивающих экспериментальную отработку результатов экспериментов, организационной структуры самих экспериментов и, связанные с этим трудности перестройки экспериментов в процессе их реализации, делают необходимым проведение ряда мероприятий по повышению эффективности этого этапа создания аппаратуры.

экспериментальых исследований является широкое привлечение методов моделирования к натурным экспериментам с целью получения в ограниченное время результатов из минимального объема экспериментальных данных (см.

рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Взаимосвязь объемов моделирования и натурных испытаний:

1 — объем моделирования; 2 — объем натурных экспериментов без моделирования; 3 — объем натурных экспериментов при моделировании сопровождающего моделирования позволяет в 1,5 2 раза сократить число натурных экспериментов [21].

Одной из особенностей сложных систем натурного эксперимента является то, что при их реализации не всегда возможно провести необходимый объем экспериментальных исследований функционирования объекта в целом или отдельных его подсистем. Поэтому в натурных испытаниях приходится создавать некоторую имитационную обстановку. В этих случаях полнота и достоверность получаемого экспериментального материала могут быть гарантированы при привлечении к исследованиям методов моделирования. Однако это накладывает определенные требования на организационную схему экспериментальных исследований, которые в общем случае должны проводиться в следующем порядке:

разработка модели систем натурного эксперимента;

составление программ и проведение моделирования для отработки плана экспериментов и их оптимизации;

натурный эксперимент в имитационной обстановке;

уточнение на основе экспериментальных данных разработанной модели и программ моделирования;

статистических данных и прогнозирования результатов натурных испытаний;

разработка модели системы натурного эксперимента и составление программ моделирования с учетом реальных условий функционирования объекта;

разработка методов переноса результатов, получаемых в процессе моделирования, на реальные условия функционирования объекта;

моделирование для оценки эффективности функционирования объекта в реальных условиях.

Вне зависимости от вида моделирования и помимо работ, связанных с постановкой задачи, выбором критериев оценки и методов оптимизации, реализации моделей в виде программ или схем моделирования, их отладки и проведения моделирования, важнейшей задачей является разработка моделей, объективно отражающих процессы, подлежащие изучению.

1.4.1 Обоснование выбора датчиков температуры Назначением вновь создаваемой ИИС является снятие тепловых параметров (теплового поля) СО, и дальнейшая обработка получаемых данных при помощи специализированного программного обеспечения, входящего в состав ИИС. Одной из первостепенных задач при реализации ИИС данной предметной области является выбор способа измерения температуры и, непосредственно, элементов первичного преобразования – так называемых температурных датчиков.

При измерении температуры объекта используется либо, контактный либо бесконтактный (неразрушающий) методы. При контактных измерениях температуры поверхности тела обычно применяют термопары, термометры сопротивления, жидкостные и манометрические термометры, датчики температуры со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и др. в виде термокрасок, жидких кристаллов и т. п. [36].

В современных электронных измерительных системах, в том числе и научно-исследовательского назначения, все чаще используются датчики температуры со встроенным аналого-цифровым преобразователем. Такие датчики называют цифровыми интегральными или интеллектуальными датчиками температуры. Эти датчики предварительно оцифровывают значение температуры своего корпуса и передают информацию в цифровом коде по стандартному интерфейсу.

Классифицировать цифровые интегральные датчики удобно по выходному интерфейсу. Для цифровых интегральных датчиков температуры распространёнными являются следующие интерфейсы:

1-Wire - низкоскоростной интерфейс для передачи данных (скорость обмена не более 125 Кбит/с). Отличительной особенность этого интерфейса является использования всего одного провода для передачи данных (не считая проводов питания и общего). Классическим представителем цифровых интегральных датчиков с интерфейсом 1-Wire является широко распространённая микросхема DS18B20 в корпусе TO-92.

I2C – двухпроводной двухнаправленный интерфейс, обеспечивающий последовательную передачу данных со скоростью до 400 Кбит/с.

Интерфейс разработан фирмой Philips [130]. Самым массовым температурным датчиком с этим интерфейсом является микросхема DS (производитель рекомендует в новых конструкциях применять DS1631), которая выпускается в корпусах DIP-8 и SO-8.

Структурная схема DS1631 приведена на рисунке. 1. Рисунок 1.9 – Структурная схема цифрового интегрального датчика Выводы SDA и SCL разных датчиков данного типа, согласно спецификации интерфейса I2C [130], можно соединять параллельно.

Учитывая разрядность адресной шины датчиков (A0-A2), возможно соединение до 8-ми датчиков. Соответственно, возможно организовать измерение температуры в восьми независимых точках. В этом случае адреса датчиков определяются логическим состоянием адресных выводов A0-A2, так как показано в таблице 1.2.

Адрес датчика на Состояние Адресных выводов датчика Более детально номенклатура, особенности работы и применения цифровых интегральных датчиков температуры описаны в работах [15, 17, 40].

Следует отметить, что все контактные теплоприемники (термопары, термометры сопротивления и т. п.) измеряют не температуру среды, поверхности тела или части его объёма, а свою собственную температуру.

Задача экспериментального исследования состоит в том, чтобы создать такие условия измерения, при которых температура чувствительного элемента не отличалась бы от измеряемой температуры среды, тела в пределах требуемой точности измерений. Решение этой задачи не всегда возможно, так как показания теплоприемника нуждаются во введении поправок. Инструментальные погрешности измерительного комплекса достаточно изучены и их значения приводятся в соответствующей технической документации [12, 25, 78]. Более сложной является задача учета систематических погрешностей, возникающих из-за возмущения температурного поля среды, вносимого теплоприемником [23].

Таким образом, термопары позволяют надёжно измерять температуру в достаточно широком диапазоне, но их применение не лишено недостатков, в частности необходимо обеспечить надёжный контакт с исследуемым объектом [11, 25]. При этом применение контактных напряжения. Такая обработка, как минимум, должна включать усиление сигнала и его оцифровку. Этого недостатка лишены температурные датчики со встроенным АЦП. Эти датчики содержат в себе устройства квантования исследуемого объекта, и один из стандартных интерфейсов связи с другими подсистемами, в частности, с управляющим микроконтроллером.

температурный диапазон, не полностью совпадающий с требованиями технического задания на проектируемую ИИС. Как справедливо замечено в исследовании [25], они не позволяют измерять температуру у СО, экранированных дополнительными конструктивными элементами [42 - 44].

исследования теплоотводов радиоаппаратуры разрешающей способностью, обладают только модели тепловизоров верхнего ценового диапазона. К тому же, как показал проведенный анализ, для организации эффективного функционирования ИИС для исследования систем воздушного охлажденич вполне достаточно возможностей цифровых интегральных датчиков температуры.

Таким образом, анализ существующих способов и датчиков измерения температуры показал, что для применения в разрабатываемой ИИС достаточно использовать контактный способ измерения температур, основанный на использовании датчиков температуры со встроенным АЦП.

Для конкретной реализации подходят датчики типа DS1631, выпускаемые фирмой Maxim Integrated Products [147].

Выводы по главе В результате проведенного анализа следуют следующие выводы:

1. Процесс теплофизического проектирования - это комплексная информационно-измерительной системы.

2. При проектировании РЭС используются как эмпирические, так и аналитические модели. Однако, существующие средства и методики теплофизического проектирования РЭС основаны на применении только методологической) для исследования реальных конструкций СО.

автоматизированный выбор унифицированной конструкции теплоотвода и\или СО.

4. Современные ИИС являются узкоспециализированными, и не имеют в своей структуре элементов межсистемной интеграции.

5. Для исследования СО достаточной эффективностью обладает контактный способ измерения температур, который позволяет снимать показания с заэкранированных участков РЭС. В качестве датчика выбран цифровой интегральный датчик температуры, который решает проблему первичной обработки данных, полученных от первичного измерительного преобразователя.

Таким образом, основные задачи исследования можно сформулировать следующим образом:

совершенствования ее структуры, в которой пространственно разнесены исследуемый объект и устройство обработки данных натурного эксперимента.

унифицированной конструкции СО.

Глава 2. Разработка информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий 2.1 Структурная схема информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий Основным назначением произвольной ИИиУС является получение от объекта и доставка до потребителя необходимого количества информации с заданной точностью [70]. Проведенный анализ показал, что современную ИИиУС можно представить как комплекс, включающий аппаратнопрограммное обеспечение, математическое и метрологическое обеспечение (рисунок 2.1).

измерительных преобразователей проводит измерение искомого параметра.

Затем обеспечивается обработка, хранение и отображение результатов измерений. Программное обеспечение организовывает контроль за работой аппаратных подсистем.

за работой аппаратных Математическое и метрологическое обеспечение, используя модели исследуемых объектов и процессов на основе алгоритмов их исследования, позволяет с заданной точностью определить искомые параметры.

Анализ существующих ИИиУС показывает, что они не в полной мере соответствуют требованиям к проектируемой системе, которые изложены в предназначены для работы только с одним типом исследуемого объекта [17, 26, 38, 41, 45, 48, 57,70]. Существующие ИИиУС направлены на исследования только физического объекта и не позволяют совместно с ним исследовать математическую модель (ММ).

Целью данного исследования является создание информационноизмерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения проектировании и диагностики РЭС и предназначенные для анализа наибольший интерес [110, 111, 119]. Однако, они предназначены для снятия тепловых характеристик с печатного узла (ПУ) и их сложно адаптировать для исследования СО.

Базовой структурой для разрабатываемой системы выберем модель ИИС, предложенную в работе [110]. Состав модели представлен на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 – Структурная модель информационно-измерительной системы В модели представлены только подсистемы, выполняющие отдельные самостоятельные функции. Источником сообщений является исследуемый объект и первичные измерительные преобразователи, формирующие сообщением. Подсистема представления сообщений обеспечивает временное разделение каналов (дискретизацию по времени), затем каждое дискретное значение квантуется по своему уровню и кодируется.

последовательность от различных измерительных каналов объединяется в общий поток, т.е. группируется для последующей передачи. Подсистема передачи сообщений обеспечивает помехоустойчивое кодирование и доставку сообщения до подсистемы, в которой осуществляется цифровая обработка.

связанные с искажениями старших разрядов кодового слова, а также отбраковываются в подсистеме цифрорвой обработки. Эта подсистема погрешностью, а также за вычисление искомых характеристик сообщения и объекта.

Основываясь на анализе структурной модели ИИС, представленной на рисунке 2.2, используя основные положения работ [70, 75] и результаты оригинальную структурную схему ИИС, которая предназначена для исследования как физических, так и математических моделей воздушных СО, а также для обеспечения выбора унифицированной конструкции СО.

Предложенная ИИС условно разделена на аппаратную часть и программное обеспечение (см. рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Структурная схема ИИС анализа систем воздушного Здесь БОД - блок обработки данных; ИПСО– измерительная подсистема средств охлаждения; ФМ – физическая модель; ММ – математическая модель; МК – микроконтроллер; СО – система охлаждения.

В состав аппаратной части входят физические модели (ФМ) систем охлаждения, блок обработки данных, основными узлами которого являются вычислительное устройство, подсистема межсистемного взаимодействия, подсистема сбора обработки и передачи данных, подсистема индикации и локального управления, подсистема исполнительных устройств, а также интерфейс, котоый обеспечивает передачу данных натурного эксперимента в программную часть ИИС.

Программное обеспечение состоит из блока обработки и визуализации (БОиВ), математических моделей СО, базы данных унифицированных СО, подсистемы выбора СО.

Предложенная схема ИИС отличается от существующих:

Пространственным разделением ИО и блока обработки данных, что позволяет без изменения архитектуры БОД, простой сменной ИПСО и изменением программы исследования заложенный в БОД, увеличить количество исследуемых объектов и видов исследований в рамках одной системы, и тем самым расширить функциональные возможности ИИС.

Наличием как физических, так и математических моделей СО, что позволяет обеспечить совмещение результатов вычислительного и натурного экспериментов и минимизировать ошибки при проектировании систем охлажденгия радиоэлектронных средств.

Введением в состав системы выбора СО, что позволяет осуществить выбор унифицированной конструкции СО и повысить эффективность работы системы.

За счет введения модуля индикации и локального управления обеспечена возможность управления и снятия данных ИИС.

Предложенная архитектура ИИС является гибкой и масштабируемой за счет пространственного разделения ИО и БОД, а также разделения структуры ИИС на аппаратную часть и ее программное обеспечение. При этом ИИС имеет открытую структуру и приспособлена для подключения новых подсистем.

Предложенная структурная схема ИИС объединяет возможности универсальных автоматизированных лабораторных стендов с возможностями лабораторных стендов удаленного коллективного доступа, описание которых приведено в работах [7-9].

Центральным узлом БОД является вычислительное устройство, осуществляющее обработку поступающих от датчиков температуры данных и управление работой как отдельным ИПСО, так и всей ИИС в целом. В предложенной ИИС - это интегральная микросхема повышенной степени интеграции (например, микроконтроллер или ПЛИС), представляющая программируемой логикой [16, 24, 30].

Микроконтроллеры имеют сложную структуру и содержат как средства обработки информации (микропроцессор с необходимым набором периферийных устройств (АЦП, ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода и пр.)), так и средства измерения и управления (программируемые счетчики/таймеры, порты ввода/вывода и пр.) [10,14,71].

Структуры ИИС как представители измерительно-управляющих подсистем, реализованные на базе микроконтроллера, отличаются простотой конфигурации и компактностью. Часто в качестве основы ИИС используют законченные промышленные конфигурации, содержащие базовый вычислительный модуль и набор типовых модулей ввода/вывода или так называемые отладочные платы. Эти платы содержат строго заданный комплект микроконтроллера с необходимыми внешними устройствами (АЦП, порты ввода/вывода, ОЗУ, ПЗУ, и т.п.), а также свободную часть ПУ для макетирования схемотехнической реализации нестандартных функций, необходимых в системе.

В настоящее время распространено большое количество типов микроконтроллеров различных фирм (Atmel, Freescale, Intel, Maxim, Microchip, Motorola, Philips STmicroelectronics и др.). Все они различаются как внутренней архитектурой, так и функциональным назначением.

Дополнительные функциональные возможности микроконтроллера несложно расширить за счет периферийных устройств, подключаемых по цифровой шине, встроенной в микроконтроллер. В качестве периферийных устройств используются высокоточные АЦП, ЦАП, счетчики, дополнительные преобразователи сигналов, датчики физических величин и т.п.

При большом количестве разнообразных задач, возлагаемых на измерительно-управляющую подсистему, целесообразно распределять эти задачи между несколькими микроконтроллерами в зависимости от их производительности. При этом для совместной работы микроконтроллеры объединяются в локальную сеть на основе стандарта RS-485 (при удалении на десятки и сотни метров) или на основе двухпроводной двунаправленной шины I2C (при условии, что удалении микроконтроллеров друг от друга не более одного метра). При реализации подобной архитектуры обмен данными по сети осуществляется по принципу ведущий/ведомый, т.е. один из микроконтроллеров (главный вычислитель) берет на себя функции ведущего и осуществляет общее управление потоками данных по сети.

В зависимости от сложности решаемых задач следует выбирать микроконтроллеры разной архитектуры, начиная от простейших 8разрядных до мощных 16-ти и 32-ух разрядных.

Микроконтроллер должен не только производить обработку данных, полученных с измерительных преобразователей, но и управлять исследуемым объектом в зависимости, например, от заданных начальных и граничных условий или количественного значения измеренного параметра.

В этом случае требуется производить достаточно сложный и ресурсоемкий математический анализ данных натурного эксперимента, который связан с обработкой большого объема данных в реальном масштабе времени и с минимальными временными задержками. Для этого необходимо применять специализированные инструменты, предназначенные для решения подобных задач, которые реализуют функции цифровых сигнальных процессоров.

Каждая ФМ, т.е. натурная модель СО, множество которых определено количеством выпускаемых промышленностью образцов, устанавливается в отдельной измерительной подсистеме средств охлаждения (ИПСО).

Перейдем к рассмотрению структурной схемы подобной подсистемы.

охлаждения Измерительная подсистема средств воздушного охлаждения (рисунок 2.4, а) состоит из нагревателя, исследуемой СО, первичного преобразователя, АЦП, приемо-передающего устройства, реализующего протокол Последние три узла входят в состав датчика температуры. Отличительная особенность структурной схемы состоит в том, что за счет применения цифрового датчика температуры в состав источника сообщений включены узлы подсистем формирования и передачи сообщений.

Рисунок 2.4 – Измерительная подсистема средств охлаждения:

Измерительная подсистема работает следующим образом. Нагреватель, имитирующий работу теплонагруженного электрорадиоизделия передает тепловой поток с заданной мощностью P к исследуемой СО, контактный температуру системы охлаждения. Устройство дискретизации превращает полученное значение температуры в цифровой код. Приемо-передающее устройство с помощью протокола I2C передает цифровое сообщение о преобразователь, АЦП и приемопередающее устройство протокола I2C входят в состав интегрального датчика температуры (см. § 1.4.1).

Таким образом, ИПСО является источником сообщений о температуре устанавливаемой в измерительной подсистеме, рассмотрим ее тепловую модель.

2.3 Тепловая модель системы охлаждения, установленной в ИПСО Нормальным тепловым режимом принято считать такой режим, при котором температура каждого из элементов ЭС находится в диапазоне значений, допустимых по техническим условиям (ТУ) на данный элемент.

Исходя из этого, крайне важно обеспечить расчёт теплоотводов и систем охлаждения (СО) каждого из теплонагруженных элементов РЭС. Как производителя.

сопротивления теплоотвода, т.к. этот параметр в достаточной мере характеризует возможности теплоотвода. Для обеспечения теплового расчета воспользуемся аналогией с законом Ома (способ электротепловой аналогии), применение которой обосновано в работах [42, 84]. При этом напряжение заменяется на температуру (T), ток на мощность (P), а сопротивление заменяется тепловым сопротивлением (R) с размерностью °C/Ватт. Таким образом, тепловой аналог закона Ома имеет вид:

Тепловой расчёт тепловыделяющего электрорадиоизделия (ЭРИ) необходим для обеспечения его нормального теплового режима. Это допустимую (для облегчения редима работы была ниже на 25%).

Для примера будем считать, что ЭРИ является интегральной микросхемой (ИМ) в стандартном корпусе с металлическим фланцем ТОПри отсутствии теплоотвода тепловая схема ИМ примет вид показанный на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Тепловая схема ИМ без теплоотвода TJ - температура кристалла; P - мощность рассеиваемая кристаллом; RJ A - тепловое сопротивление криссталлокружающая среда; TA - температура окружающей среды.

Пусть рассеиваемая кристаллом мощность составляет 5 Ватт, RJ A = 50 °C/Ватт, а температура окружающей среды 25°C. Тогда, согласно (2.1) температура кристалла равна:

Расчёт (2.2) показывает, что температура кристалла значительно превышает температуру допустимую для полупроводника. Изменить ситуацию поможет установка ЭРИ на теплоотвод (рисунок 2.6).

При установке ЭРИ на теплоотвод тепловая схема претерпевает сопротивления:

- тепловое сопротивление кристалл – корпус. Параметр указывается в технических характеристиках ЭРИ;

RC H - тепловое сопротивление корпус-теплоотвод;

- тепловое сопротивление теплоотвод-окружающая среда.

Параметр приводится в технической документации на теплоотвод.

Особое внимание из перечисленных выше сопротивлений следует сопротивление зависит от теплопроводности прокладки между корпусом ЭРИ и теплоотводом. Такая прокладка необходима, т.к. разная степень теплоотвода приводит к возникновению воздушного зазора между ними теплопроводностью, поэтому необходимо заполнить зазор каким-либо материалом (прокладкой), обладающим более высоким коэффициентом теплопроводности.

Рисунок 2.7 – Воздушный зазор между корпусом ЭРИ и В качестве прокладки может использоваться слюда, теплопроводная электроизоляционная силиконовая прокладка, а также теплопроводная паста или клей, которые заполняют воздушный зазор. Современные силиконовые прокладки, в частности, широко известные “Номакон” марки КПТД обладают коэффициентом теплопроводности, лежащим в пределах 0,8 1,5 Вт/(м*°C) [121]. Наряду с силиконовыми прокладками часто используются теплопроводные пасты. Самая распространенная в России паста КПТ-8 имеет коэффициент теплопроводности 0,75 Вт/(м*°C). С учетом этого при известном значении коэффициента теплопроводности несложно получить тепловое сопротивление корпус-теплоотвод:

где L – толщина прокладки; - коэффициент теплопроводности; S – площадь одной стороны прокладки.

Тепловая схема при установке ИМ на теплоотвод примет вид указанный на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 – Тепловая схема ИМ, установленой на теплоотвод Исходя из (2.1) температура кристалла для схемы, представленной на рисунке 2.6, определяется как:

Таким образом, найдём TJ и TH при тех же исходных данных, что и в (2.2), дополнительно приняв RJ C = 3°C/Ватт, RH A = 4°C/Ватт, RC H = 0,4°C/Ватт. Тогда Из (2.5) видно, что температура кристалла ЭРИ, установленного на теплоотвод, значительно снижена и составляет 62°C. Такое значение температуры позволяет считать, что полупроводниковый ЭРИ работает в нормальном температурном режиме. При инженерном расчёте температуры ЭРИ следует пользоваться следующим условием [80]:

где TJ max - максимально допустимая температура кристалла ЭРИ, указанная в ТУ.

температура перегрева теплоотвода составляет:

Значение температуры перегрева теплоотвода используется для последующего расчёта теплового режима элементов, установленных в непосредственной близости от теплоотвода.

Далее в работе разработан алгоритм инженерного расчета температур перегрева тепловыделяющих ЭРИ, представленный на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 – Алгоритм программы расчёта температуры Программная реализация указанного алгоритма инженерного расчёта выполнена на объектно-ориентированном языке программирования ObjectPascal, имеет интуитивно понятный интерфейс. Листинг программы приведен в Приложении. Главное окно программы представлено на рисунке 2.10.

Таким образом, подставляя текущие значения параметров СО в систему получаем значения температур кристалла ЭРИ и теплоотвода, на основе чего конструктором принимается решение о выборе типа теплоотвода с заданным RH A. Такой выбор осуществляется из множества унифицированных типов теплоотводов, выпускаемых промышленностью и хранящихся в базе данных.

Если ни один из существующих типов не обеспечивает нормаьный режим функционирования (на основе требуемого значения RH A ), то проводится расчёт геометрических параметров теплоотвода в соответствии с методикой, описанной в [42, 84]. В ходе опытной эксплуатации предложенной системы был сделан вывод, что программа инженерного расчёта температур перегрева может служить основой создания подсистемы автоматизированного выбора теплоотвода.

2.3.1 Уточнение тепловой модели СО СБИО Математическая модель (2.4) построена по известной методике изложенной, например, в [42, 84], и позволяет вычислить температуры перегрева как в любой точке тепловой схемы охлаждения радиокомпонента, так и температуру перегрева самого теплоотвода. Модель реализована в исследований, задачей которых было определение температуры перегрева СО теплонагруженного радиокомпонента, выявлено расхождение между результатами, получеными с помощью математической модели. Числовые значения обоих экспериментов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Сравнение реальной температуры с предсказанной Таблица 2.1 наглядно показывает расхождение на 10 15 % сравниваемых результатов. Такое расхождение может быть существенным для оценки работы ответсвенных ЭРИ (или ЭС в целом), предназначенных, например, для работы на пределах своего ресурса в течение краткого момента времени.

Отметим также, что совпадение предсказанных по математической модели значений и значений, полученных в ходе экспериментального исследования, наиболее важно при работе СО в температурном режиме, близком к критическому для охлаждаемого ЭРИ. В этом случае даже незначительное расхождение температур приведет к превышению нормального температурного режима радиокомпонента, что повлечет температурный пробой компонента. Также, разброс температур, представленный в таблице 2.1, влечет за собой 10 15 % -ное увеличение массогабаритных характеристик систем охлаждения, либо повлечет их удорожание, например, за счет использования принудительного охлаждения. Именно поэтому крайне важно повысить точность и выявить и устранить причину расхождения результатов математического моделирования и результатов экспериментального исследования СО.

Примечание. Экспериментально исследуемая СО первоначально была эксперимента использовались паспортные данные СО и радиокомпонента.

На основе анализа возможных причин расхождения (с учетом влияния кожуха РЭС [2] на температуру охлаждающей системы) была выдвинута гипотеза о возможном влиянии на результат экспериментального исследования СО материала, из которого изготовлен корпус сменного блока. Для этогобыл проведен эксперимент, в ходе которого СО была вынута из корпуса сменного блока (см. рисунок 2.11).

Результаты эксперимента для СО без корпуса сменного блока приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Расхождение между экспериментальным и вычислительным исследованием для СО, установленной вне корпуса сменного блока Температура TСО, Температура TH, | TСО - TH |, сменного блока, ОС Из сравнения результатов, представленных в таблице 2.2, видно, что реальные расхождения не превышают 0,5 С и, фактически, определяется погрешностью примененных цифровых датчиков температуры. Тем самым было выявлено влияние корпуса сменного блока на температурный режим.

Таким образом, при проведении вычислительного эксперимента с ММ (2.4), в качестве температуры окружающей среды T A указывается температура помещения, в котором проходит исследование. В тоже время, при экспериментальном исследовании фактически T A это температура, которая установилась в корпусе сменного блока и как видно из исследования она выше температуры в помещении. Именно это обстоятельство приводит к неточности определения с помощью ММ температуры перегрева СО, установленной в сменный блок. Нетрудно предположить, что для исправления сложившейся ситуации необходима корректировка ММ с целью учета реальной температуры внутри сменного блока. Решением этой проблемы является установка в корпусе дополнительного измерительного элемента, фиксирующего фактическое значение температуры в корпусе сменного блока. Однако это повлечет за собой усложнение аппаратной части сменного блока и необходимость осуществления передачи значения T A сменного блока в программу, обеспечивающую вычислительный эксперимент. Напомним, что в сменном блоке происходит измерение температуры непосредственно СО и согласно тепловой схеме, лежащей в основе ММ, связывающим элементом между температурой СО TH и T A в сменном блоке, является тепловое сопротивление СО – окружающая среда RH A. Предлагается использовать для корректировки значения температуры СО, полученной в ходе вычислительного эксперимента на корректирующий тепловое сопротивление СО. Этот корректирующий коэффициент получен авторами эмпирически при проведении серии экспериментов с СО, установленной в сменном блоке. Коэффициент корректирует RH A, следовательно, он учитывает суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом системы охлаждения с окружающей средой [84]. На рисунке 2.12 представлена эмпирически полученная зависимость поправочного коэффициента qКЛ от температуры СО.

Рисунок 2.12 – Зависимость поправочного коэффициента от диапазона температур Таким образом, в ходе серии экспериментальных исследований был получен поправочный коэффициент qКЛ, учитывающий суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом системы охлаждения с окружающей средой.

Применение поправочного коэффициента позволяет скорректировать результаты, полученные в ходе вычислительного эксперимента. Пользуясь моделью (2.4) и полученным коэффициентом qКЛ температура перегрева теплоотвода определяется как:

установленной в корпусе сменного блока. Результаты экспериментов, учитывающих поправочный коэффициент q КЛ, объединены с результатами предыдущих экспериментов и представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Расхождение между экспериментальным и вычислительным Итак, введение поправочного коэффициента в ММ (2.4) позволяет учесть влияние корпуса сменного блока на температуру перегрева СО. Как видно из приведенных в таблице 2.1 и 2.3 данных, удалось скорректировать конечный результат на 10 15%. Предложенная коррекция результатов вычислительного эксперимента будет максимально полезна при исследовании работы СО в режиме, когда температура охлаждаемого элемента близка к максимально допустимой для этого прибора.

Для оценки точности информационно-измерительной системы необходимо построить и проанализировать метрологическую модель измерительной подсистемы.

2.4 Разработка метрологической модели Функциональная схема ИПСО представлена на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Функциональная схема ИПСО На рисунке 2.13 приняты следующие обозначения:

1 – погрешность установки тока;

2 – погрешность определения сопротивления теплопередачи;

3 -= вар + лин + инертн + нестаб;

преобразования вследствие изменение цикла нагрев-охлаждение;

преобразования, что характерно для полупроводниковых датчиков температуры;

инерц.– погрешность обусловленная несоответствием динамических возможностей датчика скорости воздействия входной величины;

нестаб. – погрешность обусловленная нестабильностью функции преобразования вследствие процессов старения материала;

квант.– погрешность квантования (или дискретности АЦП);

изменением параметров температуры, механических воздействий;

2 – погрешность, обусловленная изменением мощности нагревателя;

преобразователя;

поступающих на АЦП.

S1 – S4 – чувствительность преобразования.

Известно [108], что суммарная погрешность цифрового датчика температуры, примененного в ИПСО, определяется суммой нескольких погрешностей:

- Погрешность дискретизации, которая зависит от разрядности входящего в состав датчика АЦП.

приближенно это последний цифровой разряд индикатора.

рисунок 2.14).

- Систематическая погрешность. Зависит от рабочего диапазона датчика и, как правило, указывается в технической документации.

- Погрешность методики измерения.

Рисунок 2.14 - Статистическая погрешность аналоговой части датчика Таким образом, суммарная погрешность заявленная производителем примененного в подсистеме датчика температуры составляет ±0,5°С (это значение характеризует разброс характеристик датчиков в одной партии) [142]. Действительная абсолютная погрешность какого-либо конкретного из них оценивается как ±0,1-0,2 °С (в зависимости от схемы включения).

Диапазон чувствительности датчика - от -40°С до +125°С. Причем на краях процентов.

Разработаем метрологическую модель ИПСО с учетом всех выше перечисленных погрешностей.

Рисунок 2.15 – Метрологическая модель измерительной подсистемы обозначения:

Л - погрешность обусловленная нелинейностью нагревательного элемента.

К - погрешность корпуса датчика.

паст – погрешность обусловленная применением теплопроводной пасты.

dyn – погрешность, обусловленная саморазогревом первичного преобразователя при подаче на него напряжения питания.

Кв – погрешность дискретизации или квантования, определяется разрядностью датчика температуры, и для выбранного датчика составляет (12 разрядов) – 0,0625 °С.

полупроводникового первичного преобразователя.

– чувствительность нагревателя.

– мультипликативная погрешность нагревателя.

– чувствительность средства охлаждения.

– мультипликативная погрешность средства охлаждения.

температуры.

– мультипликативная погрешность первичного преобразователя датчика температуры.

– чувствительность корпуса датчика.

обусловленная наличием теплового сопротивления между корпусом и исследуемым средством охлаждения.

встроенного в датчик температуры.

– погрешность аналого-цифрового преобразователя встроенного в датчик температуры.

Номинальная функция преобразования:

рисунке 2.15, имеет вид:

Погрешность преобразования определяется следующим образом:

Подставляем в формулу 2.13 выражения 2.9 и 2.12 и получаем:

Мультипликативная составляющая погрешности равна:

аддитивная составляющая погрешности:

Аддитивная и нелинейная составляющие погрешности не влияют на результат измерения, т.к. в техническую документацию на датчик внесена градировочная характеристика датчика, смещенная вдоль оси ординат относительно номинальной функции преобразования на величину аддитивной погрешности (рисунок 2.14). Эта характеристика учитывается аппаратными средствами датчика [4].

информационную подсистему вносит мультипликативная погрешность средств охлаждения -. Эта погрешность компенсируется за счет коэффициента учитывающего лучистый и конвекционный теплообмен предложенный в § 2.3.1. Аналогично компенсируется и мультипликативная погрешность. Мультипликативная погрешность учитывается производителем датчика.

Выводы по главе Разработана структурная схема информационно-измерительной системы предназначенной для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, отличающаяся включением в её состав подсистемы межсистемного взаимодействия, сменных аппаратных модулей, предназначенных для проведения натурных экспериментов, подсистемы выбора унифицированной системы охлаждения, модуля отображения результатов моделирований, что обеспечивает одновременное проведение физического моделирования и вычислительного эксперимента для обоснованного выбора унифицированной системы охлаждения.

Разработана структурная схема измерительной подсистемы, которая состоит из нагревательного элемента, имитирующего работу реального ЭРИ, исследуемого средства охлаждения и датчик температуры со встроенным аналого-цифровым преобразователем.

Уточнена тепловая модель системы охлаждения за счет введения дополнительного корректирующего коэффициента, учитывающего суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом поверхности исследуемого объекта с окружающей средой, что позволило повысить точность расчёта температуры перегрева теплонагруженного электрорадиоэлемента.

Эмпирически получено значение поправочного коэффициента, который позволяет учесть влияние конструкции корпуса сменного блока (кожуха) на температуру перегрева СО. Как видно из приведенных в таблицах 2.1 и 2.3 данных, использование поправочного коэффициента позволяет уточнить значение температуры от 10 до 15%. Таким образом, применение поправочного коэффициента особенно существенно при расчетах СО, когда температура охлаждаемого ЭРИ близка к максимально допустимой.

Разработанная метрологическая модель измерительной подсистемы показала что если в процессе конструирования учесть возможные причины возникновения погрешностей, то можно как в процессе разработки, так и в процессе обработки измерительной информации существенно снизить различные составляющие погрешности измерения температуры средств охлаждения. В частности аддитивные погрешности паст и к возможно снизить в процессе проектирования подсистемы, за счет использования более качественных материалов, которые удовлетворяют техническим требованиям.

Глава 3. Методическое и алгоритмическое обеспечение ИИС 3.1 Методика теплофизического проектирования исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий при автоматизированный выбор унифицированной конструкции СО.

Необходима методика теплофизического проектирования, пригодная для СО, работающих в стационарном тепловом режиме с естественным или принудительным воздушным охлаждением при изменении температуры окружающей среды от - 60 до + 85°С и атмосферного давления от 5 до мм рт. ст. (от 665 до 202160 Н/м 2). Выбор указанных выше диапазонов существующих отраслевых стандартов [74].

содержащих теплонагруженные ЭРИ, работающих в заданном тепловом режиме.

представлена на рисунке 3.1.