Устройство терморегуляции радиоэлектронной аппаратуры

Решение относится к устройствам для размещения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) специального назначения для применения в жестких условиях эксплуатации и может быть использовано в электронных блоках различного назначения, имеющих закрытый герметичный корпус и используемых в условиях пониженных и повышенных температур окружающей среды.
Известна «Система управления предупредительным подогревом электронной аппаратуры в условиях низких температур», патент на полезную модель РФ №96615 от 10.08.2010 Бюл. №22.
Устройство состоит из нагревателя утепленного шкафа управления, питающегося от наружной сети или от автономного источника, блока контроля низкой температуры, блока контроля высокой температуры, блока исполнения, блока защиты от запуска неисправной аппаратуры.
Устройство работает следующим образом. После включения нагревателя происходит нагрев электронной аппаратуры, находящейся в замкнутом пространстве. При достижении минимально допустимой температуры срабатывает блок контроля низкой температуры, который дает команду блоку исполнения на запуск электронной аппаратуры. Блок контроля высокой температуры контролирует верхний предел допустимой температуры и дает команду исполнительному блоку на отключение электронной аппаратуры. Блок защиты, который блокирует работу блока контроля высокой температуры и блока контроля низкой температуры, предотвращает также несанкционированный запуск шкафа управления.
Недостаток устройства заключается в том, что оно предназначено для поддержания температурного режима, позволяющего производить запуск электронной аппаратуры только при пониженных температурах окружающей среды.
Известно устройство-прототип предпусковой подготовки температурного режима для запуска электронной аппаратуры основного назначения и поддержания температурного режима работы РФ №2479958 от 20.04.2013.
Устройство-прототип содержит: блок управления, который соединен с блоком контроля температуры, нагревателем, охладителем и блоком готовности. Данное техническое решение позволяет вывести температуру в интервал температур режима работы электронной аппаратуры основного назначения (ЭАОН), поддерживать температуру в интервале температур режима работ ЭАОН, включить ЭАОН, когда обеспечена температура интервала режима работ ЭАОН, а также предотвратить включение ЭАОН, если не обеспечена температура интервала режима работы ЭАОН.
Недостаток устройства заключается в том, что оно в нем применяется позиционный закон регулирования температуры. При этом методе, на нагреватель подается полная мощность до достижения заданного значения температуры, после чего подача мощности прекращается. Несмотря на это, разогретый нагреватель продолжает отдавать тепло и температура объекта какое-то время продолжает нарастать, что приводит к перегреву, иногда значительному. При последующем остывании объекта, по достижении заданного значения температуры, на нагреватель вновь подается полная мощность. Нагреватель сначала разогревает себя, затем окружающие области объекта, и, таким образом, охлаждение будет продолжаться до тех пор, пока волна тепла не достигнет датчика температуры. Следовательно, реальная температура может оказаться значительно ниже заданного значения. Таким образом, при позиционном законе регулирования возможны значительные колебания температуры около заданного значения.
Указанные недостатки отсутствуют в предлагаемом устройстве, состоящим из из датчиков температуры, контроллера температурного режима, в котором используется алгоритм ПИД регулирования определяющего значения регулятора мощности нагревательных и охладительных элементов, которые установлены между двумя слоями корпуса, нижний слой которого выполнен из нержавеющего сплава с низкой теплопроводностью, верхний слой, на котором с обратной стороны крепится радиоэлектронная аппаратура, выполнен из алюминиевого сплава.
Техническим результатом решения является повышение эффективности работы РЭА, за счет поддержания оптимальной температуры, повышение надежности работы компонентов РЭА в условиях низких и высоких температур.
Это достигается тем, что устройство терморегуляции радиоэлектронной аппаратуры состоит из датчиков температуры, контроллера температурного режима, в котором используется алгоритм ПИД регулирования определяющего значения регулятора мощности нагревательных и охладительных элементов, которые установлены между двумя слоями корпуса, нижний слой которого выполнен из нержавеющего сплава с низкой теплопроводностью, верхний слой, на котором с обратной стороны крепится радиоэлектронная аппаратура, выполнен из алюминиевого сплава.
В заявленном устройстве применяется пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования (ПИД закон). ПИД предполагает уменьшение мощности, подаваемой на нагреватель, по мере приближения температуры объекта к заданной температуре. Кроме того, в установившемся режиме регулирования по ПИД закону находится величина тепловой мощности, необходимой для компенсации тепловых потерь и поддержания заданной температуры.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования обеспечивает значительно более высокую точность поддержания температуры, чем позиционный. Мощность N, которая должна выделяться нагревателем (охладителем), выраженная в процентах от его максимальной мощности, рассчитывается по формуле:
где Kp, Ki, Kd - пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты регулирования соответственно (ПИД коэффициенты).
Первое слагаемое в выражении (пропорциональная составляющая) прямо пропорционально «невязке» ΔТ=Тус-ТΔ разности температурной установки Тус и измеренного значения температуры Т. Его смысл состоит в том, что при «невязке» ΔТ=Кр (в °С) регулятор начнет снижать мощность.
Второе слагаемое в установившемся режиме регулирования равно величине тепловой мощности, необходимой для компенсации тепловых потерь при ΔТ=0.
Третья составляющая пропорциональна скорости изменения температуры с обратным знаком и должна препятствовать резким изменениям температуры объекта (дифференциальная составляющая).
Техническим результатом решения является повышение эффективности работы РЭА, за счет поддержания оптимальной температуры, повышение надежности работы компонентов РЭА в условиях низких и высоких температур.
На фиг. 1 представлена общая схема устройства терморегуляции, на фиг. 2 - вид внутреннего слоя с нагревательным и охладительным элементом.
На фиг. 1, 2 обозначены: 1 - контроллер температурного режима, 2 - датчики температуры, 3 - регулятор мощности нагревательного и охладительного элемента, 4 - нагревательный элемент, 5 - охладительный элемент, 6 - радиоэлектронная аппаратура, 7 - нижний слой корпуса из нержавеющего сплава, 8 - верхний слой корпуса из алюминиевого сплава.
Устройство терморегуляции радиоэлектронной аппаратуры, состоящим из контроллера температурного режима 1, получающий значения с датчиков температуры 2 и с использованием алгоритма ПИД регулирования значение мощности передается через регулятор мощности 3 на нагревательные 4 и охладительные элементы 5 которыми обеспечивается поддержание эксплуатационной температуры РЭА 6.
При низкой температуре окружающего воздуха устройство включается в режиме предварительного обогрева, без запуска измерительной аппаратуры и работает до достижения эксплуатационной температуры.
При достижении и поддержании эксплуатационной температуры контроллер переключает выключает режим предварительного нагрева и запускает вычислительную систему с измерительными устройствами. Для поддержания температуры реализована обратная связь через управление регулятором напряжения. При увеличении или уменьшении температуры данные датчика температуры поступают в контроллер работающий с использованием алгоритма ПИД регулирования, где проходит расчет параметров и нужное значение мощности поступает на регулятор мощности в котором регулируется входная мощность нагревательного и охладительного элементов.
Одно из основных требований к радиоэлектронной аппаратуре - это надежная и безотказная работа в жестких климатических условиях: например, температуры в помещениях на стартовых комплексах могут варьироваться от минус 40 до 55°С. Для того, чтобы удовлетворять этим требованиям, необходимо следить за обеспечением тепловых режимов работы РЭА и систем. Для обеспечения стабильной работы РЭА в условиях пониженных и повышенных температур была разработана система терморегуляции, которая обеспечивает поддержание оптимальной температуры РЭА с использованием алгоритма ПИД регулирования, определяющего значения мощности нагревательных и охладительных элементов.
Устройство терморегуляции для радиоэлектронной аппаратуры работающей в условиях экстремальных температур представляет законченную конструкцию, которая может транспортироваться и монтироваться целиком как единый элемент и не требует конструктивных соединений воздуховодами с системами охлаждения. Наличие в устройстве модуля контроля температурного режима 3-х режимов работы, в зависимости от требуемой температуры, позволяет поддерживать требуемый рабочий температурный режим для РЭА как при отрицательных температурах наружного воздуха, так и при положительных в назначенном диапазоне температур.