СТЕНД ДЛЯ ИМИТАЦИИ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ

Предполагаемая полезная модель относится к технике испытаний и может быть использована для лабораторного моделирования условий эксплуатации бортовой аппаратуры.
Известна автоматизированная система контроля испытаний (АСКИ) (см., например, Н.Севрюгин и др. «Автоматизированная система контроля испытаний газотурбинных двигателей», СТА 1/2002, http: www. cta.ru), включающая блок сбора данных от датчиков температуры, давления, вибраций и функциональных параметров аппаратурных блоков испытуемого объекта, а также устройства обработки информации и визуализации.
Известная система обеспечивает возможность получения информации о состоянии испытуемого объекта, однако не решает вопроса задания эксплуатационных режимов.
6
Наиболее близким аналогом-прототипом является стенд для испытания термочувствительных клапанов, содержащий блоки нагрева и охлаждения, через систему клапанов соединенных со входами соответствующих контуров нагрева и охлаждения, выходами подключенных к линиям слива жидкости из соответствующих контуров, а также блок управления (см., например, патент РФ №2049981 с приоритетом от 18.07.90, МПК: G01M 19/00).
Известный стенд обеспечивает возможность задания эксплуатационных режимов, однако его применение ограничено номенклатурой указанных в названии стенда объектов.
Задача полезной модели состоит в разработке стенда, обеспечивающего возможность соответствующих испытаний объектов различного профиля.
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
Сущность полезной модели состоит в том, что стенд для имитации тепловых режимов, включающий блок управления и электрически связанные с ним две нагревательных системы и блок охлаждения, а также датчики температуры, датчики скорости воздушного потока, а также блоки измерения температуры и скорости воздушного потока, блоки аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и компьютер, при этом стенд выполнен в виде камеры, корпус которой содержит теплоизолирующий слой, причем количество блоков первой нагревательной системы выбрано равным n, где n=1,…, N, количество датчиков температуры взято равным (n+n), где n=1,…, N, а количество датчиков скорости воздушного потока выбрано равным (n+n), где n=1,…N, при этом n датчиков температуры и n датчиков скорости воздушного потока установлены на соответствующих блоках первой нагревательной системы, причем блоки первой нагревательной системы с соответствующими датчиками установлены внутри камеры в местах испытуемых аппаратурных блоков, а вторая нагревательная система установлена на входе камеры, n датчиков температуры и n датчиков скорости воздушного потока равномерно установлены по внутреннему периметру камеры, причем электрические выходы с первого по (N+N) датчиков температуры и с первого по (N+N) датчиков скорости воздушного потока соединены с соответствующими с первого по (N+N) и с первого по (N+N) входами блоков соответственно измерения температуры и скорости воздушного потока, своей группой выходов через соответствующий блок АЦП подключенных соответственно к первой и второй группам входов компьютера, а управляющими входами соединенных соответственно с первым и вторым выходами блока управления, своими третьим выходом подключенного к управляющему входу блока охлаждения, соответствующими от первого до N-го выходами своей первой группы выходов соединенного с управляющими входами соответственно от первого до N-го блоков первой группы блоков нагрева, соответствующими от первого до (N+N)-го выходами своей второй группы выходов подключенного к управляющим входам соответственно от первого до (N+N)-го датчиков температуры, а соответствующими от первого до (N+N)-го выходами своей третьей группы выходов соединенного с управляющими входами соответственно от первого до (N+N)-го датчиков скорости воздушного потока и группой входов подключенного к группе выходов компьютера, входом соединенного со входом стенда.
При этом блоки первой нагревательной системы, выполнены в виде тепловыделяющих панелей, вторая нагревательная система выполнена в виде тепловой пушки, а блок охлаждения выполнен в виде системы приточно - вытяжной вентиляции и содержит установленный в отверстии в корпусе камеры вентилятор, а также расположенный внутри камеры в верхней ее части и выполненный в виде трубы вытяжной канал, одним из торцев выведенный и открытый наружу, а другим торцем и щелями, выполненными по длине трубы, открытым со стороны внутреннего объема камеры, причем управляющий вход вентилятора соединен с управляющим входом блока охлаждения.
Разработанный стенд при проведении испытаний объектов различного профиля обеспечивает возможность задания тепловых режимов, соответствующим эксплуатационным нагрузкам.
На фиг.1 приведена функциональная блок-схема стенда.
Стенд для имитации тепловых режимов содержит блок 1 управления, соответственно предназначенный для задания требуемых режимов работы стенда и выполненный в виде соответствующего устройства (см., например, описание патента РФ №2117326), группой входов соединенный с группой выходов компьютера 2, предназначенного для определения требуемых режимов работы стенда и контроля их воспроизведения и выполненного в виде, например, промышленного компьютера IPPC-950T фирмы Advantech (см., например, справочник «Передовые технологии автоматизации», Москва, апрель 1999, с.5, составитель справочника и поставщик продукции фирма ProSoft, адрес в Web - http://www. prosoft.ru).
Компьютер 2 своим входом соединен со входом стенда, а своими первой и второй группами входов через соответствующие группы выходов и входов блоков 3 и 4 аналого-цифровых преобразователей (АЦП) подключен к группам выходов соответственно блока 5 измерения температуры и блока 6 измерения скорости воздушного потока, управляющими входами подключенных соответственно к первому и второму выходам блока 1 управления, третий выход которого соединен с управляющим входом блока 7 охлаждения.
1
1
2
2
Кроме того, соответствующими от первого до N-го выходами своей первой группы выходов блок 1 управления подключен к управляющим входам соответственно от первого до N-го блоков 8 первой нагревательной системы (на фиг. не пронумерована), соответствующими от первого до (N+N)-го выходами своей второй группы выходов блок 1 управления соединен с управляющими входами соответственно от первого до (N+N)-го датчиков 9 температуры, а соответствующими от первого до (N+N)-го выходами своей третьей группы выходов блок 1 управления подключен к управляющим входам соответственно от первого до (N+N)-го датчиков 10 скорости воздушного потока.
Блоки 3 и 4 АЦП применены в соответствии со своим функциональным назначением и выполнены в виде КМОП - схем с параллельными выходами типа ILC 7109 (см., например, У.Титце и К.Шенк «Полупроводниковая схемотехника», М., «Мир», 1982, с.464), блок 5 измерения температуры предназначен для преобразования получаемых от датчиков 9 температуры показаний в электрические сигналы и выполнен в виде, например, многоканального измерителя серии ТМ 5100 (см., например, www.informpribor.ru/CATALOG/character/Izmeriteli_texnologiche-skie_mnog…), а блок 6 измерения скорости воздушного потока соответственно предназначен для преобразования показаний, получаемых от датчиков 10 скорости воздушного потока, в электрические сигналы и выполнен в виде, например, микропроцесорного многоканального термоанемометр-термометра типа ТТМ-2/16-06 (см., например, каталог фирмы ОАО «Практик-НЦ», www.pnc.ru).
Датчики 9 температуры использованы в соответствии со своим функциональным назначением и выполнены в виде, например, термопреобразователей сопротивления ТС-1288Э/6 (см., например, www.elemer.ru), а датчики 10 скорости воздушного потока предназначены для измерения поверхностной плотности теплового потока и выполнены в виде, например, преобразователей плотности теплового потока ПТП 03 (см., например, www.omskeleton.ru).
При этом блок 11 охлаждения выполнен в виде системы приточно - вытяжной вентиляции и содержит установленный в отверстии (на фиг. не пронумеровано) в корпусе 12 камеры (на фиг. не пронумерована) вентилятор 13, выполненный в виде соответствующего устройства (см., например, www.vfco.ru), а также расположенный внутри камеры в верхней ее части и выполненный в виде трубы 14 вытяжной канал, одним из торцев 15 выведенный из полости камеры и открытый наружу, а другим торцем 16 и щелями 17, выполненными по длине трубы, открытыми со стороны внутреннего объема камеры, причем управляющий вход вентилятора 13 соединен с управляющим входом блока 11 охлаждения.
Кроме того, блоки 8 нагрева, предназначенные для обогрева воздуха в камере, выполнены в виде тепловыделяющих панелей, например в виде электрических обогревателей фирмы «Noirot» серии «Axane» (cм., например, www.comfort-da.ru/catalogue/heaters/convectors), причем теплоизолирующий слой 18 корпуса камеры стенда выполнен из минеральной ваты марки АТМ-1-МК.
При этом на входе камеры установлена вторая нагревательная система 19, управляющим входом соединенная с соответствующим выходом блока 1 управления и выполненная в виде тепловой пушки фирмы ООО «Электронагреватели» (см., например, http:// www.elten. ru/catalog_teplopushk.htm) и предназначенная для создания движущегося по камере потока подогретого воздуха.
Группа выходов компьютера 2 (соответственно группа входов блока 1 управления) состоит из шести выходов (соответственно входов), из которых первый, второй и третий выходы ориентированы на управление через блок 1 управления работой блоков 5 измерения температуры, 6 измерения скорости воздушного потока и 7 охлаждения, а четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы предназначены для соответствующего управления работой соответственно блоками 8 первой нагревательной системы, датчиками 9 температуры, датчиками 10 скорости воздушного потока второй нагревательной системой.
1
2
1
2
При этом первая, вторая и третья группы выходов блока 1 управления содержат первая N, вторая N+N, а третья N+N выходов и соответственно управляющих входов от первого до N-го блоков 8 нагрева, от первого до (N+N)-го датчиков 9 температуры и от первого до (N+N)-го датчиков скорости воздушного потока.
Стенд работает следующим образом:
С помощью блоков 8 нагрева через блок 1 управления и компьютер 2 в камере стенда задают температурное поле, соответствующее температурному состоянию среды, в которой должна работать испытываемая аппаратура.
i нат
нат.
нат.
нат.
Распределение температур внутри камеры регулируют с помощью системы приточно-вытяжной вентиляции блока 11 охлаждения и контролируют с помощью компьютера 2 путем анализа данных, поступающих от датчиков 9 температуры через блок 5 измерения температуры и АЦП 3, а также показаний датчиков 10 скорости воздушного потока через блок 6 измерения скорости воздушного потока и соответственно АЦП 4, причем для воспроизведения температурного состояния (Т) испытываемой на стенде аппаратуры (на фиг. не показана) параметры воздушной среды, а именно, температуру (Т), скорость (V) и коэффициент теплоотдачи (α) задают путем реализации с помощью компьютера 2 зависимости
ст.
нат.
нат.
нат.
T=f(T, α, V),
ст.
iст
i нат.
при которой для заданного α достигается идентичность стендового температурного поля (Т.) для испытываемого аппаратурного блока эксплуатационному (натурному) Т
iст
iнат
Следует отметить, что вышеуказанная идентичность (равенство Т=Т) может быть достигнута путем решения компьютером 2 системы уравнений:
i=1,2,…,N,
i
i
j
αi
i
ij
ij
ij
i
i
α
i
αi
I
i
-1
-1
где С - теплоемкость i-го тела (в данном случае соответствующего испытываемого блока аппаратуры); Т и Т - температура соответственно i-го и j-го тела; Т, - температура среды; Ф(t) -мощность внутреннего источника теплоты в i-ом теле (в нашем случае мощности i-го блока 8 нагрева); R=g  - тепловое сопротивление между i-м и j-м телами; g - теплопроводимость между i-м и j-м телами; α - коэффициент теплоотдачи с поверхности i-го тела S в среду с температурой Т,, ; R=(αS), (см., например, А.Г.Мадера «Моделирование теплообмена в технических системах», М.: НО Научный Фонд «Первая исследовательская лаборатория имени академика В.А.Мельникова», 2005, с.96) с использованием, например, метода последовательных приближений.
wст
wпол
При этом моделирование аэродинамического нагрева (конвективного теплообмена) осуществляют в соответствии со способом нагрева в процессе полета путем создания движущегося вдоль объекта испытаний подогретого воздуха, температура и скорость движения которого достаточны для обеспечения равенства теплового потока, воздействующего на испытуемый объект на стенде (q), полетному (q)
wст
cт
rст
wcт
wпол
пол
rпол
wпол
Так как q=α(t-t), а q=α(t-t), то
wст
wпол
для обеспечения равенства (1), при выполнении которого t=t, необходимо создать поток воздуха с параметрами:
rст
rпол
cт
пол
t=t и α=α,
причем влияние турбулентности набегающего потока моделируют с помощью тепловой струи, задаваемой тепловой пушкой второй нагревательной системы 19.