Моделирование реального температурного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру

погружаться в верхний слой кокса на неопределённую глубину (предположительно от 0 до 1 м). Это приводит к значительной погрешности результатов измерений.

Предлагается отслеживать уровень продвижения коксующегося продукта путём измерения градиента температур на наружной поверхности стенки реактора по ее инфракрасному излучению. Предложение основывается на известном положении, что процесс замедленного коксования состоит из стадии распада, протекающей с поглощением тепла, и стадии конденсации, протекающей с выделением тепла. По градиенту температур по высоте реактора можно отслеживать различные стадии процесса коксования.

Техническую реализацию контроля за градиентом температур на стенке реактора предлагается осуществить бесконтактно при помощи сканирующего тепловизора, разработанного в ОмГТУ. Специальное программное обеспечение обеспечивает визуализацию на экране монитора динамики тепловых процессов, происходящих внутри реактора, и позволяет не только контролировать уровень коксообразования, но и отслеживать превращение сырья в кокс.

Исследования по возможности бесконтактного тепло-визионного контроля за динамикой коксообразования и определения уровня кокса по температуре стенки корпуса реактора проводились на реакторе №3.

Температура стенки реактора измерялась на высоте с 17,7 по 20,4 метра по полосе шириной 15 см, освобождённой от теплоизоляции.

Сравнительные результаты замеров уровней кокса тепловизионным способом и при помощи штанги приведены в табл.1.

В настоящее время в программное обеспечение вводятся расчеты на основе теплофизической модели реактора и классических закономерностей процессов переноса тепла, описываемых как:

[дх- ду' dz1 J { ' дх • ду - dz) дт ср у '

где а-коэффициент температуропроводности, м2/с;

а= У г п \ * - коэффициент теплопроводности, Вт/мК; с/ с и

теплоемкость, Дж/кг-К; р - плотность материала стенки реактора, кг/мэ.

Введение в уравнение (1) численных значений физических констант и граничных условий позволяет расчитать уточненные границы градиентов температур в темпе технологического процесса на персональном компьютере Pentium II.

А. В. КОСЫХ А. А. РОЙ Д. Н. МУРАШ КО

Омский государственный технический университет

УДК 681.34.32

1 Введение

Известно что одним из наиболее влияющих на работу радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) внешних дестабилизирующих факторов является температура окружающей

среды. Для уменьшения температурного влияния приходит-

Таблица 1

Дата контроля Время Уровень кокса Примечание

Замер по штанге, м Замер по тепловизору, м

7.09.2000 2:00 18,5 18,5

9.09.2000 18:00 18 17,8.18,2 Экранировано бандажом

12 09.2000 10:00 17,5 - За пределами поля измерений тепловизором

15.09.2000 2:00 15,5 -

17.09.2000 18:00 16,5 -

23.09.2000 2:00 20,5 20

25.09.2000 18:00 19 19,2

28.09 2000 10:00 20,5 20,5

Расчеты проводятся с использованием программы А^УБ.

Теплофизические расчеты, введенные в программное обеспечение, создают предпосылки для контроля не только за уровнями, но и за фазовыми превращениями внутри реактора.

Выводы:

1. Предлагается реализация теплового контроля для задач уровнеметрии в замкнутых резервуарах.

2. Математическое описание теплофизической модели реактора позволит извлекать новую информацию о ходе технологического процесса коксования.

3. Применение контроля за уровнем коксования позволит уменьшить число циклов коксования при заданной производительности, а, следовательно, уменьшить энергозатраты и увеличить сроки безопасной эксплуатации коксовых камер.

4. При неизменности числа циклов коксования появляется возможность увеличения производительности установки.

ЗАХАРЕНКО Владимир Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология электронной аппаратуры» Омского государственного технического университета.

ВАЛЬКЕ Алексей Александрович, аспирант кафедры «Технология электронной аппаратуры» Омского государственного технического университета. КОЗЛОВ Алексей Вениаминович, инженер по автоматизации завода №1 ОАО «Сибнефть - Омский НПЗ».

ся применять сложные конструктивные и схемотехнические приемы, такие как термостатирование или термокомпенсация. Эффективность этих решений сильно зависит от характера температурного воздействия на РЭА. Если известны статистические характеристики темпера-

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАЛЬНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАДИОЭЛЕКТРОННУЮ АППАРАТУРУ_

В СТАТЬЕ ПРИВЕДЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА РАДИОЭЛЕКТРОННУЮ АППАРАТУРУ. ПРОВЕДЕННЫЙ АНАЛИЗ ПОЗВОЛИЛ РАЗРАБОТАТЬ МОДЕЛЬ ЭТОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РЭА. ПРИВЕДЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ НА КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР С ЦИФРОВОЙ ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЕЙ И НА ИК ПИРОМЕТР С 3-0 ИНТЕРПОЛЯЦИЕЙ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОПРИЕМНИКА.

турного воздействия, то, применяя методы компьютерного моделирования, можно оценить результативность принятых технических решений и провести оптимизацию конструкции без трудоемких и длительных натурных температурных испытаний.

К сожалению, сведения о статистических характеристиках температурных процессов для типовых условий эксплуатации РЭА в широкой литературе отсутствуют, что не позволяет проводить моделирование поведения устройств в реальных температурных условиях.

Целью настоящей работы является измерение статистических характеристик температурных процессов для типовых условий эксплуатации РЭА и демонстрация примеров использования полученных данных для анализа параметров прецизионных радиоэлектронных устройств в реальных температурных условиях.

2. Описание измерительной установки

Воздействующий на РЭА температурный процесс в общем случае является нестационарным. Основные статистические характеристики этого процесса зависят от времени года и суток, внешних температурных условий, интенсивности теплообмена в помещении и др. На небольших интервалах наблюдения можно рассматривать воздействующий на РЭА температурный процесс как сумму детерминированной и шумовой составляющих

n(t)=e(t)+s(t) (D

Здесь ^(t) - гауссовский стационарный случайный процесс с нулевым математическим ожиданием (¡vi{^(t)} = 0), дисперсией ^ = и корреляционной функцией кДт).

Случайный процесс в форме (1) может быть использован в аналитических расчетах и легко моделируется на ЭВМ.

Для определения статистических характеристик температурного процесса была использована измерительная установка, схема которой приведена на рис. 1. Для повышения достоверности измерений использовалось два термодатчика различных типов. В качестве датчиков температуры были использованы интегральный термодатчик AD22100 фирмы Analog Devices (2) и интегральный термометр DS1624 фирмы Dallas Semiconductor (4).

значение 5с + 30 %. Данные о температурах обоих датчиков накапливались в ЭВМ 6.

Измерения проводились в различных помещениях и на открытом воздухе при различных погодных условиях. Время измерения, как правило, не превышало нескольких суток. Дискретность взятия отсчетов значений температуры составляла 0.5 с.

3. Анализ полученных данных

На рис.2 показаны оценки спектров температурного процесса на открытом воздухе (а) и в лаборатории (б) соответственно. Здесь толстой штриховой линией проведена аппроксимирующая функция, а тонкой показана спектральная плотность мощности температурных флук-туаций.

Ю18(]Т(Щ2) о

-3D

-«О

001 01 I

On

а

101g(]T(O2)a

о

х

40

-М

i I0"J МО-4 l io"3 001 01

tTa

б

Рис.2. Рассчитанная спектральная плотность температурных флуктуаций.

Рис.1

Термодатчик А022100 представляет собой преобразователь «температура - напряжение». Питание термодатчика осуществляется от источника опорного напряжения 1. Выходное напряжение термодатчика измеряется при помощи 12 - разрядного АЦП 3. Данные о выходном напряжении термодатчика в цифровом виде по последовательной шине поступают в микроконтроллер 5, который осуществляет их обработку и вычисление температуры, соответ-стветствующей выходному напряжению термодатчика.

Интегральный термометр ОБ 1624 передает в тот же микроконтроллер по последовательной шине двоичный код, непосредственно соответствующий температуре.

Экспериментально была определена тепловая постоянная времени обоих датчиков, которая имела

Проведенные эксперименты показали, что огибающая спектра температурных флуктуаций в закрытых помещениях и на открытом воздухе в области частот наблюдений 10"3... 10"1 Гц может быть аппроксимирована двумя прямыми линиями (горизонтальной в области нижних частот и наклонной с крутизной 20 дБ/дек. в области более высоких частот). Спектральная плотность мощности температурных флуктуаций может описываться формулой (2), что соответствует спектру белого шума, прошедшего через ФЖ.

N.

г-о+кс1-*2)' где (ЧС - постоянная времени фильтрующей цепи. Нормированная корреляционная функция температурных флуктуаций будет описываться выражением:

г(т) =

-¿и

а дисперсия температурных флуюуаций будет равна: в-

И)

где N,/2 - спектральная плотность мощности белого шума.

При измерениях, результаты которых приведены на рис.2 уровень шумов квантования имеет значение около минус 50 дБ. На частотах от 0.1 до 1 Гц этот шум может маскировать спектр температурного воздействия. Поэтому для более достоверных измерений в диапазоне этих частот шум квантования был понижен до минус 70 дБ за счет уменьшения динамического диапазона измеряемых температур и повышения разрешающей способности (по градусам) аппаратуры. Для этого был увеличен коэффициент усиления по напряжению сигнала термодатчика А022100. Результаты измерений приведены на рис. 3.

10"ват(ща) о

Рис.4. Спектральная плотность температурных флуюуаций в сосуде Дьюара.

Рис.3. Рассчитанная спектральная плотность температурных флуюуаций по измерениям в закрытом помещении. Г^С, =2000, ИгС2=5.

На рис.3 при частотах от 0.2 до 1 Гц спад спектральной плотности мощности температурного воздействия составляет около 40 дБ на декаду. В эквивалентной тепловой схеме это соответствует последовательному включению дополнительного фильтра нижних частот первого порядка. Постоянная времени второго эквивалентного фильтра по своему значению близка к тепловой постоянной времени термодатчиков (5 сек.), поэтому можно считать, что второй излом определяется тепловой инерционностью термодатчика.

Для проверки разрешающей способности аппаратуры были проведены измерения спектра температурных флуктуаций в условиях очень спокойного воздуха. Для этого термодатчики были размещены в сосуде Дьюара. На Рис.4, показана спектральная плотность мощности температурных флуюуаций, рассчитанная по измерениям в сосуде Дьюара. Спад спектральной плотности мощности температурного воздействия на термодатчик в сосуде Дьюара составляет около 40 дБ на декаду. Таким образом, этот сосуд можно считать очень низкочастотным тепловым Фильтром второго порядка, имеющем собственную постоянную времени более 6000 сек.

Статистическая проверка гипотезы о нормальном распределении амплитуды температурных флуюуаций показала правомерность такого предположения на уровне значимости, равном 0.01 при времени наблюдения не превы-

6

Рис.5. Гистограммы распределения амплитуды температурных флуюуаций.

шающем 1000 с. На рис.5 а, б приведены примеры гистограмм распределения амплитуды температурных флуюуаций в закрытом помещении и на открытом воздухе соответственно.

4.Примеры практического применения

Проиллюстрируем практическую применимость полученных данных на основе анализа температурно-динами-ческих свойств двух реальных прецизионных устройств:

- ИК- сканера теплового излучения с термокомпенсацией температурной чувствительности сенсорной головки;

-Высокостабильного кварцевого генератора с цифровой термокомпенсацией.

Фоточувствительный элемент ИК-сканера имеет большую зависимость крутизны преобразования от внешней температуры. Эта зависимость определяется экспериментальным путем и хранится в памяти цифрового устройства обработки сигналов. Введенный в систему термодатчик постоянно определяет реальную температуру фотодатчика и передает информацию в устройство цифровой обработки, которое осуществляет соответствующую коррекцию сигнала фотодатчика. В идеале, показания фотодатчика в такой системе не должны зависеть от температуры окружающей среды. Однако, из-за возникающей в динамическом температурном режиме

разности температур между фото- и термо- датчиками возникает эффеет неполной компенсации.

Для моделирования реакции реальных устройств-на случайное температурное воздействие необходимо составить тепловую эквивалентную схему анализируемого РЭА. Простейшая тепловая модель ИК сканера [1] в виде электрической схемы приведена на рис.6. Индексами обозначены: кожух-К, датчик-Д, фоторезистор - Ф, стойка, на которой укреплены фоторезистор и термодатчик - С, окружающая среда - О. Тепловые проводимости между составными частями устройства обозначены через теплоемкости - через С,, где индексы ¡, \ принимают вышеуказанные значения в зависимости от того, между какими частями устройства они находятся

(ТККГ) изображена на рис.9, где - спектральная плотность мощности температурных флуктуаций.

SB„,x

Рис.9. Тепловая модель термодатчика и КР в ТККГ.

К Sue С s«t> ф

4— 1 си _L се _ Сф _1_ -Сд

} Т • • Т "

Рис.6. Тепловая модель ИК сканера.

На рис.7 изображены динамические разности температур между термодатчиком и фоторезистором при воздействии на сканер случайного температурного процесса с параметрами, соответствующими полученным нами для открытого воздуха. Кривая 1 соответствуют термодатчику прижатому к стойке платой; кривая 2 - термодатчику установленному в углублении стойки и прижатого винтом.

Рис.7. Динамическая разность температур между фоторезистором и термодатчиком.

Результаты моделирования динамической ошибки измерения температуры сканером изображены на рис.8.

Рис.8. Динамическая ошибка интерполяции при воздействии случайного процесса; математическое ожидание = -20вС, температура объекта = 110°С.

Втермокомпенсированном кварцевом генераторе, также как и в сканере, для точной компенсации необходимо, чтобы температура термодатчика (ТД) и кварцевого резонатора (КР) были по возможности близкими. Тепловая модель термокомпенсированного кварцевого генератора

При разных тепловых постоянных R1C1 и R2C2 (см рис.9) в случае воздействия реального температурного процесса всегда возникает различие температур между термодатчиком и КР. Используя разработанную модель температурного процесса можно оценить разницу температур термодатчика и KF> и, соответственно, влияние температурных флуктуаций на выходной спектр ТККГ. Допустим, что крутизна ТЧХ кварцевого резонатора в точке равна 10 Гц/°С (это среднее значение для срезов SC на частоте 10 МГц). Синтезатор компенсирующей функции (СКФ) на рис.11 считаем идеальным. На вход модели воздействует случайный процесс с параметрами, соответствующими полученным нами для закрытого помещения. На рис. 10 приведены рассчитанные спектры на выходе кварцевого генератора с термокомпенсацией при разных отношениях постоянных времени R1C1 и R2C2. На графиках 1-5 отношения постоянных времени R1C1n R2C2 равно 0.9,0.8,0.5, 0.1,0 соответственно.

S0wxiw),dB О

-I»

I 10

10 Р.Ги

Рис.10. Рассчитанные спектры на выходе кварцевого генератора с термокомпенсацией при разных отношениях постоянных времени К1С1 и Р2С2.

Кратковременная нестабильность частоты (КНЧ) генератора, рассчитанная по формуле (5), находится в пределах от 210"*ДляФафика5(см.рис.11)до (.ю-10 для графика 1, при времени наблюдения 1 сек.

a/;=_L /. 2*

¿>-00

. 1VI sin — 2

'1С/ 2

dw

Таким образом, применение полученных данных позволяет смоделировать важнейшие параметры генератора.

5.3аключение

1. Исследование статистических параметров температурных процессов показало, что для моделирования температурного воздействия можно использовать

случайный процесс, огибающая спектральной плотности мощности которого выражена функцией вида (2).

2. Закон распределения амплитуды процесса при времени наблюдения не превышающем 1000 сек, можно считать нормальным.

3. Значения тепловой постоянной ЯС для большинства случаев находятся в интервалах: от 800-1200 сек на открытом воздухе, 1500-3500 сек в закрытом помещении.

Литература

1. Мурашко Д. Н., Косых А. В. Недорогой инфракрасный линейный сканер с 30 - интерполяцией характеристик фотодатчика. Омский гос. техн. ун-т,- Омск, 2000. -Деп. в ВИНИТИ.

2. Температурно-динамические характеристики кварцевых генераторов. /Косых А. В., Ионов Б. П., Воронцов П. И., Файлер Я. Е. - Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты, вып. 2(83), 1991, с. 46-51.

3. Косых А. В., Ионов Б. П., Васильев А. М. Температурно-динамическая модель и температурно-динамическая компенсация кварцевых генераторов. // «Зарубежная радиоэлектроника», 1994, N9-10.

4. Харкевич A.A. Избранные труды. Т.2 - линейные и нелинейные системы. - М: Наука, 1973.-с.566.

5. Саух С.Е. Ярмоленко A.M. К вопросу о влиянии времени анализа на качество спектральных измерений. -Киев, 1981.-с 11.

КОСЫХ Анатолий Владимирович, к т.н., доцент кафедры РТУиСДОмГТУ.

РОЙ Андрей Александрович, аспирант кафедры РТУиСД ОмГТУ.

МУРАШКО Дмитрий Николаевич, младший научный сотрудник НИЛ "Проблемные исследования" НИЧ ОмГТУ.

ПРЕДСТАВЛЯЕМ ДИССЕРТАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

18 декабря 2000 г. в Омском государственном техническом университете успешно защищена докторская диссертация Сушкова Валерия Валентиновича на тему: "Разработка системы технических обслуживаний и ремонтов электрооборудования нефтегазодобывающих предприятий Западной Сибири по фактическому состоянию" по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование.

Наиболее существенные результаты, полученные лично соискателем:

1.1. Обоснована обобщенная стратегия ТОиР разработан метод определения ее основных элементов: способ объединения в классы известных подходов к ТОиР нефтепромыслового электрооборудования, методика оценки эффективности подходов к ТОиР и рекомендации по разбивке на классы основных видов электрооборудования.

1.2. Разработаны метод и методики определения основных параметров обобщенной стратегии в том числе периодичности ТО и ремонтов с учетом кратности межремонтных периодов и временного резервирования в технологии добычи и периодичности диагностики в зависимости от электропотребления производительности нефтепромыслового объекта.

1.3. Разработаны способ оценки ущерба от проведения плановых и аварийных ремонтов нефтепромыслового электрооборудования, метод определения ремонтных присоединений и объединения их в группы; определены удельные ущербы.

1.4. Разработана методика, проведено нормирование надежности и определены нормативы надежности для кустов нефтяных скважин, которые необходимы для оптимизации ТОиР

1 5 Разработана методика определения экономически обоснованного уровня отключаемой нагрузки в часы максимума активных нагрузок энергосистемы, определена величина отключаемой нагрузки для нефтегазодобывающих предприятий (НГДП).

Научная ценность заключается в обосновании обобщенной стратегии ТОиР и развитии теории рациональной эксплуатации, методов и методик обоснования основных параметров обобщенной стратегии применительно к электрооборудованию нефтегазодобывающих

предприятий.

Разработанная обобщенная стратегия ТОиР нефтепромыслового электрооборудования

используется в руководящем документе.

Разработанные способы обоснования и определения технико-экономических показателей

системы ТОиР по фактическому состоянию внедрены в НГДП.

Разоаботана и оформлена в виде руководящих документов методика расчета ущерба от отказов в нефтепромысловых электрических сетях, по нормированию надежности и

расчетам надежности электрических сетей 35 и 6 кВ.

Разработана и оформлена в виде руководящего документа система ТОиР нефтепромыслового электрооборудования по фактическому состоянию.

Результаты диссертационной работы рекомендуются для отраслевого использования

на предприятиях топливно-энергетического комплекса_