БЛОК ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ С РЕВЕРСИВНОЙ СИСТЕМОЙ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ
MEASUREMENT UNIT OF ANGULAR VELOCITIES WITH REVERSIBLE THERMAL CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к бесплатформенным инерциальным навигационным системам, которые широко применяются в системах управления и ориентации подвижных объектов на земле, на море и в космическом пространстве.
Несмотря на достаточно хорошо разработанную теорию и практику применения блоков измерения угловых скоростей (БИУС) на основе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), задача повышения их точности и надежности не теряет актуальности. Одним из важных факторов, оказывающих влияние на точность как отдельного ВОГ, так и БИУС в целом, являются температурные воздействия.
Известна навигационная система (патент на изобретение РФ №2430333, опубл. 27.09.2011 г.) содержащая корпус, выполненный в виде несущего кронштейна, имеющего форму, приближенную к прямоугольному параллелепипеду с боковыми, верхней и нижней гранями, внутренней полостью, три волоконно-оптических гироскопа, расположенных со стороны двух смежных боковых граней и верхней грани, и три акселерометра, при этом гироскопы и акселерометры снабжены защитными крышками и закреплены в корпусе на базовых поверхностях с обеспечением ортогональности установки их измерительных осей, а также блок электроники, расположенный в полости корпуса. Смежные боковые грани корпуса снабжены защитными кожухами, выполненными с возможностью размещения в них гироскопов и акселерометров, при этом внутренняя поверхность защитных кожухов имеет сложную рельефную форму, обусловленную формированием базовых поверхностей, состоящих из базовых опорных элементов, расположенных по периметру внутренней поверхности защитных кожухов, акселерометры размещены в плоскости размещения гироскопов, при этом акселерометры, расположенные со стороны смежных боковых граней, установлены в нижней части корпуса.
Описанная в указанном патенте навигационная система представляет собой стандартную базовую комплектацию БИУС, в которой не предусмотрена реализация решения проблемы температурных воздействий.
Задачей настоящего изобретения является создание БИУС с системой терморегулирования.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности и надежности работы БИУС за счет минимизации возмущающего температурного воздействия.
Указанный технический результат достигается благодаря дополнению базовой конструкции блока измерения угловых скоростей двухконтурной реверсивной системой терморегулирования. Усовершенствованный заявляемый блок измерения угловых скоростей содержит корпус с боковыми, верхней и нижней гранями и внутренней полостью, три волоконно-оптических гироскопа, расположенных со стороны двух смежных боковых граней и верхней грани, при этом гироскопы снабжены защитными крышками и закреплены в корпусе на базовых поверхностях с обеспечением ортогональности установки их измерительных осей, а также блок электроники, расположенный в полости корпуса, при этом заявляемый блок измерения угловых скоростей снабжен реверсивной системой терморегулирования, включающей внешний и внутренний контуры, при этом внешний контур включает в себя расположенный на поверхности корпуса термоэлектрический модуль Пельтье, рабочая поверхность которого находится с корпусом в тепловом контакте, при этом на наружной поверхности модуля Пельтье установлен радиатор с вытяжным вентилятором, и внутренний контур, включающий в себя расположенные на внешней поверхности каждого волоконно-оптического гироскопа модули Пельтье с установленными на них радиаторами.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показана комплектация БИУС с двухконтурной системой терморегулирования, и позициями обозначены:
1 – волоконно-оптический гироскоп,
2 – корпус БИУС,
3 – блок электроники,
4 – термоэлектрический модуль Пельтье,
5 – радиатор,
6 – вентилятор.
Заявляемый БИУС представляет собой моноблок, содержащий три измерительных канала. В состав каждого измерительного канала входит чувствительный элемент – волоконно-оптический гироскоп 1 с соответствующей сервисной электроникой и источник питания. Корпус 2 моноблока выполнен в виде несущего кронштейна, имеющего форму, приближенную к прямоугольному параллелепипеду с боковыми, верхней и нижней гранями и внутренней полостью. Три волоконно-оптических гироскопа 1 расположены со стороны двух смежных боковых граней и верхней грани. Гироскопы 1 снабжены защитными крышками и закреплены в корпусе 2 на базовых поверхностях с обеспечением ортогональности установки их измерительных осей. Блок электроники 3 расположен в полости корпуса 2 и представляет собой набор электронных плат. Электронные платы расположены на стойке, одна под другой в виде этажерной конструкции, находящейся внутри блока и прикрепленной к основанию (дну) корпуса 2.
На поверхности корпуса 2 расположен термоэлектрический модуль Пельтье 4, рабочая поверхность которого находится с ним в тепловом контакте через теплопроводящую пасту и через корпус 2 с ВОГ 1 и другими элементами БИУС. На наружной поверхности модуля 4 установлен через теплопроводящую пасту радиатор 5 с вытяжным вентилятором 6 для обеспечения эффективного теплообмена между наружной поверхностью модуля Пельтье 4 и окружающей средой.
Совокупность указанных элементов представляют собой внешний контур системы терморегулирования. Такая конструктивная схема расположения исполнительных элементов системы терморегулирования позволяет непосредственно стабилизировать температуру корпуса БИУС.
Основной тепловой поток от исполнительных органов системы терморегулирования к внутренним элементам БИУС (в том числе к ВОГ) идет через корпус и дно корпуса.
Волоконно-оптические гироскопы 1 закреплены на корпусе 2. На внешней плоской поверхности каждого ВОГ 1 расположены модули Пельтье  4 с радиаторами 5, образующие внутренний контур системы терморегулирования. Главные особенности внутреннего контура системы терморегулирования каждого ВОГ заключаются в том, что отсутствуют вентиляторы, и радиаторы шунтируются в тепловом отношении на корпус, т. е. имеют с ним максимально возможный тепловой контакт.
С целью подтверждения технического результата заявляемого изобретения на основе метода "элементарных балансов" были построены и реализованы в специализированных программных комплексах математические модели тепловых процессов всего БИУС в стандартной базовой конструкции без системы терморегулирования и с двухконтурной реверсивной системой терморегулирования, реализованной за счет заявляемой конструкции, а также отдельного ВОГ  в базовой конструкции и с реверсивной системой регулирования.
Математическая модель тепловых процессов, предназначенная для расчета неоднородных, трехмерных, нестационарных температурных полей, их производных и других температурных характеристик с учетом применения реверсивной системы терморегулирования на термоэлектрических модулях Пельтье, на основе модифицированного метода "элементарных балансов" (МЭБ). Основной алгоритм расчета температурного поля имеет вид:
i
ij
ic
где , , c (i = 1,…,M) - температуры i-го элемента в настоящий и последующий момент времени и его теплоемкость; q - термопроводимости между элементами i,j (j=1,…,N); q - термопроводимость между i-м элементом и окружающей средой; - температура среды; - мощность источника тепла; M - количество элементов; N - количество элементов, имеющих тепловой контакт с i-м элементом; - шаг расчета.
Приближенное решение, полученное с помощью основного разностного алгоритма МЭБ, при определенном выборе количества точек разбиения и стремлении шага расчета  и пространства к нулю, сходится к точному решению, как это показано на модельной задаче [6], соответствующей дифференциальной краевой задачи с погрешностью .
Температуры внешней и внутренней окружающей среды БИУС и термоплаты, на которой он устанавливается, могут изменяться во времени по детерминированным (ступенчатым или гармонически изменяющимся) и случайным законам или быть постоянными.
ij
Коэффициенты термопроводимости q между "элементарными" объемами тепловой модели и в окружающую среду рассчитываются в соответствии с фундаментальными законами теплообмена и учитывают все его виды (конвекция, кондукция и т.д.).
В данной тепловой модели принято, что температура внутренней среды БИУС отличается от температуры среды снаружи и определяется как среднее значение температур элементов конструкции, контактирующих с окружающей средой.
Количество "элементарных" объемов для БИУС (расчетных точек, в каждой из которых определяется температурное поле с течением времени) выбрано 90, а в конструкции с системой терморегулирования – 102. Для ВОГ эти значения равны соответственно 82 и 85.
Базовая конструкция БИУС выполнена без системы термостатирования и без принудительной вентиляции. Теплоотвод блока - пассивного типа, осуществляется через корпус в окружающую среду и через узлы крепления блока к термоплате.
В блоке предусмотрено тепловое шунтирование тепловыделяющих элементов отдельных плат электроники на основание через стойки теплоотвода, шунты и пластины радиатора и далее на термоплату. Суммарная мощность тепловыделения прибора – до 6,7 Вт.
Окружающая внешняя и внутренняя (заполняющая внутренние полости блока) среда – воздух при заданном атмосферном давлении (нормальном или вакууме). Температура окружающей среды может изменяться в диапазоне (–10 ч +40) ºС.
Z
На основе построенных математических моделей с помощью разработанного программного обеспечения проведена серия компьютерных экспериментов по моделированию тепловых процессов в исследуемом приборе при различных возмущающих тепловых воздействиях и условиях окружающей среды, а именно: температура внешней среды изменяется в пределах  –10 ÷ +40 °С, при нормальном атмосферном давлении и силе тяжести или 10-ти кратном понижении давления и невесомости. Оптимальная температура в режиме термостабилизации T принята  30 °С.
Моделирование тепловых процессов в базовой конструкции БИУС показало, что в экстремальных условиях вакуума и невесомости на платах электроники могут возникнуть максимальные перегревы до 20 °С над температурой окружающей среды и температурой термоплаты. Время прогрева прибора составило ≤ 140 мин.
В нормальных, "земных", условиях эти показатели составляют соответственно значения 9 °С над температурой окружающей среды и время прогрева блока примерно 60 мин.
В проведенных исследованиях три волоконно-оптических гироскопа в составе БИУС моделировались на первом этапе как однородные твердотельные элементы с усредненными теплофизическими параметрами, содержащие источники тепла с заданной постоянной мощностью тепловыделения ≤ 1 Вт каждый. Полагалось, что эти элементы имеют хороший тепловой контакт с металлическим корпусом и, через него, с термоплатой, на которой прибор установлен в объекте.
При таком подходе, средние перегревы гироскопов над температурой термоплаты, по данным компьютерных экспериментов, оказались ≤ 3 °С. Далее, на втором этапе, проведен более детальный тепловой анализ отдельного гироскопа в составе БИУС. При этом другие элементы блока полагались внешними для ВОГ.
В процессе моделирования тепловых процессов в отдельном ВОГ в составе БИУС базовой конструкции при постоянной температуре окружающей среды и термоплаты выявлено следующее.
ψ
В условиях нормального атмосферного давления и силы тяжести максимальные перегревы элементов ВОГ над температурой окружающей среды принимают значения ≤4 °С. Максимальные значения окружных температурных перепадов ΔT в зоне оптоволоконной бухты ВОГ не превышают 0,3 °С. Время установления переходных тепловых процессов в элементах ВОГ составляет ≈120 мин.
Анализ тепловой ситуации с точки зрения ориентации ВОГ относительно вектора силы тяжести показал слабую зависимость в условиях нормального атмосферного давления и силы тяжести. Изменения температурных показателей находятся в пределах 2 %.
В условиях вакуума и невесомости температурная ситуация в ВОГ ухудшается по сравнению с условиями нормального атмосферного давления и силы тяжести.
Максимальные перегревы элементов прибора над температурой среды во всех вариантах не превосходят 10 °С, что в 2,5 раза больше перегревов в условиях нормального давления и силы тяжести.
ψ
Максимальные окружные температурные перепады в зоне оптоволоконной бухты ВОГ принимают значения на уровне ΔT =0,6 °С, что в 2 раза превышает значения этих перепадов, полученные в условиях нормального давления и силы тяжести.
Время установления переходных тепловых процессов в элементах ВОГ в условиях вакуума и невесомости существенно возросло и составило ≈350 мин.
В процессе моделирования тепловых процессов в ВОГ при гармонически изменяющейся температуре внешней среды и термоплаты выявлено, что гармонически изменяющаяся внешняя температура с законами изменения во времени, близкими к полетам по круговой орбите спутников Земли, улучшает температурную ситуацию в ВОГ при таком характере колебаний внешней температуры.
Таким образом, проведенные исследования показали, что тепловая ситуация в ВОГ в базовой конструкции удовлетворительная, однако для повышения термоинвариантности и сокращения времени прогрева прибора рекомендовано предусмотреть меры активного характера, минимизирующие неоднородность и нестационарность температурных полей БИУС путем применение реверсивных систем терморегулирования.
В соответствии с общей программой исследования на компьютерной модели проведена сравнительная оценка эффекта от применения двухконтурной реверсивной системы терморегулирования на элементах Пельтье, выполненной согласно заявляемому изобретению.
Построенная и реализованная в программном комплексе тепловая модель БИУС с системой терморегулирования позволяет имитировать расположение термодатчика в любом "элементарном" объеме. Компьютерные эксперименты показали, что оптимальным вариантом расположения термодатчиков системы терморегулирования является место установки исполнительных элементов системы терморегулирования – корпус БИУС, крышки ВОГ.
В этом случае моделирование тепловых процессов на первом этапе (принцип иерархии, БИУС в целом) показало следующее.
Z
При тепловых воздействиях по заданной циклограмме и включенной системой терморегулирования имеет место существенное снижение максимальных перегревов над температурой среды по сравнению с базовой конструкцией. При температуре термостабилизации T= 30 °С температура самого "горячего" элемента на плате 1 не превышает температуру внешней среды.
Z
Существенно снижается время прогрева (в случае применения системы терморегулирования - время выхода на заданную температуру T) < 30 мин (в 3,5 раза меньше базового). При этом в зоне гироскопов это время составляет менее 5 мин.
Точность стабилизации температуры в установившемся режиме на корпусе блока (внешний контур) не хуже 0,3 °С, а в зоне ВОГ (внутренний контур) не хуже 0,1 °С. Суммарная дополнительная потребляемая мощность обоих контуров системы терморегулирования в установившемся режиме не превышает значения 3 Вт, а ток 0,2 А. Т.е. имеет место увеличение общей потребляемой мощности прибора на ≈45% по сравнению с базовой конструкцией.
В процессе моделирования тепловых процессов в БИУС с системой терморегулирования при гармонических тепловых воздействиях и воздействиях по заданной циклограмме в термокамере выявлено, что реверсивная система терморегулирования на элементах Пельтье с выбранными параметрами обеспечивает поддержание заданной температуры при таких видах воздействия в зоне оптоволокна  ВОГ с точностью не хуже 0,02 °С.
При моделировании теплового воздействия случайного характера выявлено, что реверсивная система терморегулирования с выбранными параметрами также обеспечивает поддержание заданной температуры. Точность поддержания заданной температуры и потребляемая мощность при этом не хуже, чем в предыдущих режимах.
Анализ различных температурных режимов БИУС на первом этапе показал, что применение реверсивной двухконтурной системы терморегулирования существенно улучшает во всех элементах БИУС его температурную ситуацию. Диапазон изменения температуры ВОГ составил ≈ 0,21 °С при диапазоне изменения температуры среды и термоплаты, на которой крепится БИУС, от -10 до +40 °С. Следовательно, влияние внешних перепадов температуры (причины температурного дрейфа) на температуру корпуса ослабилось в ≈250 раз.
Для получения более детальных результатов сделан подробный тепловой анализ отдельного ВОГ на втором этапе с системой терморегулирования (внутренний контур) с использованием результатов, полученных при расчете температурного поля всего блока на верхнем уровне. Важно отметить, что при моделировании тепловых процессов температура внутренней среды БИУС является температурой окружающей среды для ВОГ.
При ступенчатых тепловых воздействиях выявлено следующее.
Z
При включенной системе терморегулирования существенно снижается время прогрева (в случае применения системы терморегулирования - время выхода на заданную температуру T) в зоне оптоволокна (более чем в 2,5 раза меньше базового). При этом в зоне элементов крышки ВОГ, имеющей непосредственный тепловой контакт с термоэлементом Пельтье, это время составляет менее 7 мин, что хорошо согласуется с результатом, полученном на предыдущем этапе.
Потребляемая мощность системы терморегулирования отдельного ВОГ в установившемся режиме не превышает десятых долей Вт. Точность стабилизации абсолютных температур в зоне волоконной бухты при этом не хуже 0,1 °С.
i
В экстремальных условиях (10-ти кратное уменьшение давления окружающей среды и невесомость) система регулирования температуры остается работоспособной при незначительном увеличении времени прогрева и других показателей (температурные перепады, производные температур по времени Ṫ).
В процессе моделирования тепловых процессов в ВОГ при воздействиях по заданной циклограмме и гармонических тепловых воздействиях показано, что реверсивная система терморегулирования с выбранными параметрами наиболее эффективна и обеспечивает поддержание заданной температуры в зоне волоконной бухты с точностью до сотых долей градуса (≈0,02 °С).
Применение реверсивной двухконтурной системы терморегулирования позволяет более чем на два порядка (≈ в 180 раз) уменьшить температурные перепады в зоне волоконной бухты, а также производные по времени от текущих температур при потребляемой дополнительно мощности системы терморегулирования отдельного ВОГ, не превышающей сотых долей Вт в установившемся режиме.
Моделирование внешнего теплового воздействия случайного характера показало, что реверсивная система терморегулирования с выбранными параметрами также обеспечивает поддержание в приборе заданной температуры. Точность поддержания заданной температуры и потребляемая мощность при этом не хуже, чем в предыдущих режимах.
Основные результаты сравнительного анализа тепловых режимов в БИУС в базовой конструкции и с применением реверсивной двухконтурной системы терморегулирования в условиях нормального атмосферного давления и силы тяжести сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Моделирование тепловых процессов на верхнем уровне иерархии (БИУС)
Базовая конструкция без СТР
Реверсивная СТРТ<sub>Z</sub>=30 ºС
Время прогрева БИУС при Т окр. среды +40 ºС
60 мин
30 мин
Время прогрева в зоне ВОГ на верхнем уровне иерархии при Т окр. среды +40 ºС
120 мин
5 мин
Максимальная температура в самом "горячем" "элементарном" объеме (плата 1) БИУС при Т окр. среды +40 ºС
59 ºС
38 ºС
Максимальная температура ВОГ
44 ºС
30 ºС
Точность термостабилизации внешнего контура СТР (БИУС)
-
не хуже 0,3 ºС
Точность термостабилизации внутреннего контура СТР (ВОГ)
-
не хуже 0,02 ºС
Суммарная дополнительная потребляемая мощность БИУС с СТР в установившемся режиме
-
3 Вт
Моделирование тепловых процессов на нижнем уровне иерархии (отдельный ВОГ)
Время прогрева в зоне термодатчика СТР при Т окр. среды +40 ºС
120 мин
7 мин
Время прогрева в зоне оптоволокна при Т окр. среды +40ºС
120 мин
40 мин
Максимальная температура в самом "горячем" "элементарном" объеме ВОГ при Т окр. среды +40 ºС
44 ºС
30 ºС
Точность термостабилизации в зоне волоконной бухты ВОГ
-
не хуже 0,1 ºС
Окружной температурный перепад в волокне ВОГ ΔT<sub>ψ</sub>
3,5 ºС
0,04 ºС
Радиальный температурный перепад в волокне ВОГ ΔT<sub>R</sub>
3,5 ºС
0,04 ºС
Потребляемая мощность СТР в установившемся режиме
-
0,01 Вт
Таким образом, применение системы терморегулирования существенно улучшает тепловую ситуацию в БИУС в условиях детерминированных и случайных нестационарных тепловых воздействий.