Способ регулирования температуры в термокамере
TEMPERATURE CONTROL METHOD IN HEATING CHAMBER

Изобретение относится к космической технике, а именно к проведению тепловакуумных испытаний космических объектов, и может найти применение в областях техники, где предъявляются повышенные требования к надежности изделий при их эксплуатации.
Известен способ регулирования температуры в термокамере мощностью нагревателей (заявка ЕР 0024268, опубликовано 02.07.1985, МПК: G05D 23/19 (2006.01)), где в резервуаре высокого давления расположен датчик температуры, измеряющий температуру в термокамере и формирующий сигнал, который сравнивается с допустимым значением температуры. С помощью микропроцессора регулируется мощность нагревателя, чтобы обеспечить подачу требуемого количества электроэнергии на нагреватель и соответственно отрегулировать и поддержать температуру в камере. К недостаткам способа следует отнести то, что тепловые испытания проводятся не в вакууме и регулирование температуры на всей поверхности изделия производится неравномерно, что для тепловакуумных испытаний космических объектов недопустимо, так как в вакууме теплообмен происходит по материалу изделия, а не по атмосфере, поэтому необходимо регулировать и контролировать температуру на всей поверхности изделия, используя необходимое количество независимых нагревателей.
1
2
1
2
Известен также способ регулирования температуры в термокамере (патент RU 2195695, опубликовано 27.12.2002, МПК: G05D 23/00 (2006.01), G05D 23/19 (2006.01)), включающий нагрев объекта испытаний в вакууме, измерение текущего значения температуры Т на объекте испытаний измерение текущего значения температуры Т на объекте испытаний по истечении заданного промежутка времени (t), вычисление разницы значений температур T и Т и определение темпа и направления изменения значений температуры, задавание допустимых верхней (VG) и нижней (NG) границ диапазона изменения температуры на объекте испытаний, определение положения текущей температуры относительно нижнего допуска температуры и относительно верхнего допуска температуры, вычисление значения управляющего напряжения нагревателя. Этот способ принят авторами за прототип.
Недостатками прототипа являются значительно затянутый по времени процесс первоначального выхода на тепловой режим объекта испытаний и высокая вероятность выхода текущей температуры объекта испытаний за разрешенные температурные границы из уже установившегося теплового режима. Данные недостатки проявляются вследствие того, что изменение коэффициента, участвующего в управлении нагревателем во время автоматического поддержания температурного режима, жестко привязано ко времени цикла пересчета (таймеру), что не позволяет измениться этому коэффициенту более чем один раз за цикл работы таймера, а это приводит к тому, что температура на объекте испытаний может измениться весьма значительно между двумя соседними импульсами на нагреватель, вплоть до нарушения границ (VG…NG). При таком способе приходится очень долго подбирать пару технологических параметров (время и значение приращения управляющего напряжения нагревателем) для того, чтобы температурный режим не нарушался.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности испытаний и снижение трудозатрат при проведении тепловых испытаний в термокамере.
Техническим результатом изобретения является сокращение времени проведения испытаний, повышение качества испытаний за счет увеличения точности тепловых испытаний, повышения надежности и долговечности изделий при эксплуатации.
1
2
1
2
1
2n
i1
i2
2
1
n
0
1
2
1
2
1
2
i
2
i
2
тек
Технический результат достигается тем, что в способе регулирования температуры в термокамере, включающем нагрев объекта испытаний в вакууме, измерение текущего значения температуры T на объекте испытаний, измерение текущего значения температуры Т на объекте испытаний по истечении заданного промежутка времени (t), вычисление разницы значений температур Т и Т и определение темпа и направления изменения значений температуры, задавание допустимых верхней (VG) и нижней (NG) границ диапазона изменения температуры на объекте испытаний, определение положения текущей температуры относительно нижнего допуска температуры и относительно верхнего допуска температуры, вычисление значения управляющего напряжения нагревателя, при этом разделяют заданный диапазон [VG…NG] на равные внутренние зоны и добавляют еще две внешние зоны, одна из которых находится выше VG, а другая - ниже NG, получают (n) зон с последующей сквозной нумерацией каждой внешней и внутренней зоны, подготавливают массив коэффициентов [K…K] из расчета, по крайней мере, по два коэффициента на каждую зону, один из которых соответствует событию нагрева (K), а другой (K) - событию остывания объекта испытаний за заданный промежуток времени (t) внутри каждой зоны его текущей температуры Т, подготавливают массив констант [B…B] и каждую константу ставят в соответствие с зоной, при этом значения констант в зонах различны, определяют базовое значение величины управляющего напряжения (U) нагревателя, при измерении текущих значений температур (T) и (Т) на объекте испытаний определяют номер текущей зоны (i), в которой находятся T и Т соответственно через заданный промежуток времени (t), после вычисления разности значений температур dT=T-Т оценивают  и при условии ≤B и при сохранении номера зоны текущей температуры Т не производят воздействия на нагреватель до следующего цикла замера текущей температуры, а при условии >B или при изменении номера зоны нахождения текущей температуры Т производят воздействие на нагреватель путем увеличения или уменьшения текущего значения управляющего напряжения нагревателей U по формуле:
пред
U - предыдущее значение управляющего напряжения нагревателя;
0
U - базовое значение величины управляющего напряжения нагревателя;
i1
K - коэффициент, соответствующий текущей зоне (i), применим для события остывания объекта испытаний;
i2
K - коэффициент, соответствующий текущей зоне (i), применим для события нагрева объекта испытаний,
1
2
1
2
1
2
причем измерение текущих значений температур (T) и (Т) на объекте испытаний, определение номера зоны, в которой находятся T и Тсоответственно, вычисление разности значений температур dT=T-Т и оценку , соблюдая вышеперечисленные условия, циклически повторяют до истечения времени поддержания заданного температурного режима.
1
1
2
2
тек
Сущность изобретения поясняется графиком зависимости температуры от времени T(t) (фиг. 1), на котором приняты следующие обозначения: VG - верхняя граница допустимого диапазона изменения температуры на объекте по условиям испытаний, NG - нижняя граница допустимого диапазона изменения температуры на объекте по условиям испытаний, T - текущее значение температуры на объекте в момент времени t, Т - текущее значение температуры на объекте в момент времени t, RZ - величина одной зоны внутри границ [VG…NG]. Возможный диапазон изменений текущей температуры на объекте испытаний (Т) во времени (t), допустимой по условиям испытаний, логически разбивается на несколько независимых зон таким образом, что верхняя (VG) и нижняя (NG) границы допустимого диапазона изменения температуры на объекте образуют несколько равных зон внутри себя, а также добавляются еще две внешние зоны: выше VG (зона 6) и ниже NG (зона 1). Итого образуются (n) зон, где может оказаться текущая температура объекта. Каждой зоне присваивается номер.
тек
тек
тек
В предлагаемом способе регулирования температуры в термокамере текущая температура на объекте испытаний (Т) поддерживается внутри заданного диапазона температур [VG…NG] по условиям испытаний, поддержание температуры производится в условиях вакуума и реализуется методом автоматического регулирования управляющего напряжения (U), подаваемого на нагреватель с использованием блока управления с контроллером, количество выходов (Т) за заданный диапазон [VG…NG] при первоначальном выведении объекта на температурный режим сводится к минимуму.
Предлагаемый способ регулирования температуры в термокамере осуществляется следующим образом:
- размещают в термокамере объект испытаний с наклеенными датчиками температур;
- устанавливают нагреватели вокруг объекта испытаний;
- вакуумируют термокамеру с помощью вакуумных насосов и захолаживают стенки холодильника термокамеры жидким азотом;
- задают допустимые верхнюю (VG) и нижнюю (NG) границы диапазона изменения температуры на объекте испытаний;
- разбивают заданный диапазон [VG…NG] на равные внутренние зоны и добавляют еще две внешние зоны, одна из которых находится выше VG, а другая - ниже NG, получают всего (n) зон с последующей сквозной нумерацией каждой внешней и внутренней зоны,
1
2n
- в зависимости от количества выбранных зон подготавливают массив коэффициентов [K…K] из расчета, по крайней мере, по два коэффициента на каждую зону, один из которых соответствует событию нагрева, а другой - событию остывания объекта испытаний за заданный промежуток времени (t) внутри каждой зоны его текущей температуры; коэффициенты применяются в формуле определения текущего значения управляющего напряжения на нагреватель;
1
n
- подготавливают массив констант [B…B] и выбирают для каждой зоны свою константу, значение которой соответствует положению зоны относительно центра заданного диапазона [VG…NG],
0
- определяют базовое значение величины управляющего напряжения (U) нагревателя,
1
1
- с помощью датчиков температур измеряют текущую температуру на объекте T и определяют номер текущей зоны (i), в которой находится Т;
2
2
1
2
- с помощью датчиков температур через заданный промежуток времени (t) измеряют текущую температуру на объекте Т и определяют номер текущей зоны (i), в которой находится Т, с помощью системы измерения вычисляют изменение текущей температуры dT за заданный промежуток времени (t) dT=T-Т;
1
2
i
2
i
2
тек
- после вычисления разности значений температур dT=T-Т оценивают  и при условии ≤B и при сохранении номера зоны текущей температуры Т не производят воздействия на нагреватель до следующего цикла замера текущей температуры, а при условии >B или при изменении номера зоны нахождения текущей температуры Т производят воздействие на нагреватель путем увеличения или уменьшения текущего значения управляющего напряжения нагревателей U по формуле:
где
пред
- U - предыдущее значение управляющего напряжения на нагреватель;
0
- U - базовое значение величины приращения управляющего напряжения нагревателя, определяется опытным путем исходя из технических характеристик стендового оборудования, а именно:
- расстояния от нагревателя до объекта испытаний;
- количества нагревательных элементов в нагревателе;
- типа нагревательных элементов и их мощности.
i1
- K - коэффициент, соответствующий текущей зоне (i), применим для события остывания объекта испытаний;
i2
- K - коэффициент, соответствующий текущей зоне (i), применим для события нагрева объекта испытаний.
i
i
В зонах, ближних к центру диапазона [VG…NG], коэффициенты (K) принимают минимальные значения; в зонах, дальних от центра диапазона [VG…NG] коэффициенты (K) принимают максимальные значения.
тек
2
Выдача управляющего воздействия (U) на нагреватель может произойти досрочно (до истечения времени работы таймера), если Т изменит зону своего нахождения внутри диапазона [VG…NG].
Вышеперечисленные действия циклически повторяют до истечения времени поддержания заданного температурного режима.
В блок управления с контроллером вводят исходные данные:
- верхняя граница диапазона (VG);
- нижняя граница диапазона (NG);
- время цикла измерения (t);
0
- базовое значение величины приращения управляющего напряжения нагревателя (U);
1
2n
- массив [K…K] - по два на каждую зону (событие "нагрев" и событие "остывание");
1
n
- массив констант [B…B] - по одному на каждую зону;
- общее количество зон (n).
В предлагаемом способе коэффициент (K) выбирается из массива коэффициентов, являющегося массивом технологических параметров, доступных для изменения, а диапазон [VG…NG] разбивается на несколько зон.
1
n
Из массива констант [B…B] выбирают для каждой зоны свою константу, значение которой соответствует положению зоны относительно центра заданного диапазона [VG…NG].
В блоке управления с контроллером вырабатывается выходной сигнал на нагреватели в виде управляющего напряжения, а система измерения по показаниям датчиков регистрирует текущие значения температуры объекта испытаний.
Это позволяет сделать данный способ регулирования универсальным по отношению к различному стендовому оборудованию, так как появляется возможность гибко настроить систему управления исходя из условий проведения испытаний, а также технических характеристик конкретных термокамер и нагревателей.
тек
В предлагаемом способе изменение коэффициента (K) привязано не только к циклу таймера, но также и к фактическому изменению номера зоны текущей температуры объекта внутри границ [VG…NG], что позволяет более плавно подвести (Т) к середине диапазона [VG…NG] и за более короткое время.
тек
тек
Данный метод регулирования температуры в сравнении с прототипом исключает резкое колебание (Т) внутри диапазона [VG…NG], что уменьшает вероятность выхода (Т) за границы данного диапазона. Температура на объекте стремится к середине диапазона [VG…NG] за более короткое время.
Пример реализации.
3
Размещают в горизонтальной термокамере полезным объемом 0,1 м объект испытаний - блок электронных переключателей (БЭП) с наклеенными датчиками температур типа ТЭП018-05. Вокруг БЭП устанавливают нагреватели типа КГ 220-1000-6. Вакуумируют термокамеру с помощью высоковакуумного насоса Н-400/7000 и захолаживают стенки холодильника термокамеры жидким азотом. Затем задают допустимые верхнюю (VG) и нижнюю (NG) границы диапазона изменения температуры на БЭП; заданный диапазон изменения температур [VG…NG] (фиг. 1) разбивают на 6, равных по величине RZ, зон, из которых четыре - внутренние (зоны 2-5) и две - внешние: выше VG (зона 6) и ниже NG (зона 1). Таким образом, общее количество зон n=6, каждой из которых присваивается номер:
тек
Зона 1: Т<NG
тек
Зона 2: NG<Т≤NG+RZ
тек
Зона 3: NG+RZ<Т≤NG+2*RZ
тек
Зона 4: VG-2*RZ<Т≤VG-RZ
тек
Зона 5: VG-RZ<Т≤VG
тек
Зона 6: VG<Т
RZ - величина одной зоны внутри границ [VG…NG].
1
2
С помощью датчиков температур ТЭП018-05, входящих в систему измерения, проводят измерение текущих температур T и Т в течение заданного промежутка времени t, ограниченного моментами времени t1 и t2.
тек
1
2
тек
тек
5
1
2n
тек
3
1
n
3
3
тек
5
тек
пред
0
5
тек
тек
С помощью системы измерения определяют, что текущая температура объекта Т находится в зоне i=3. На основании полученной разности температур dT=T-Т системой измерения устанавливают, что Т уменьшается. В соответствии с установленными фактами уменьшения Т и нахождения ее в зоне i=3 с помощью системы измерения производят выбор коэффициента K из массива [K…K], соответствующего уменьшению Т в зоне i=3, и выбор константы В из массива [B…B], соответствующей зоне i=3. С помощью системы измерения сравнивают dT и В и на основании того, что >B, формируют команду, адресованную блоку управления, например, с контроллером BRX20CP1484 на увеличение текущего управляющего напряжения нагревателя U. Вместе с командой из системы измерения в блок управления передают и коэффициент K, необходимый для формирования нового значения U, путем изменения предыдущего значения управляющего напряжения нагревателя U на величину, равную базовому значению величины управляющего напряжения U, умноженного на коэффициент K (формула 1). В результате увеличения управляющего напряжения нагревателя текущая температура объекта Т возросла и произошел выход на стационарный температурный режим в зоне 4. После выдержки БЭП в течение заданного температурного режима отключают нагреватель блоком управления, после чего начинается процесс остывания - текущая температура объекта Т пересекает зону 3, зону 2 и входит в зону 1.
Использование предлагаемого способа позволит:
а) гибко адаптировать систему управления нагревателем к различному стендовому оборудованию, принимая во внимание технические характеристики термокамер, типы нагревателей, условия проведения испытаний;
б) повысить точность проведения тепловых испытаний при получении на объекте испытаний заданного диапазона температур и снизить влияние человеческого фактора на нарушение температурного режима объекта испытаний (предотвратить перегрев или переохлаждение);
в) снизить временные затраты на проведение испытаний за счет уменьшения времени выхода на температурный режим, а следовательно и финансовые затраты на проведение испытаний.
Способ достаточно прост в реализации и не требует дополнительных средств на доработку существующего испытательного оборудования.