Автореферат (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах), страница 3

Рассматриваются работа ПИГ в режиме датчика угловой скорости и характеристики измерительного канала ГИВУС, построенного на ПИГ.Приводятся основные характеристики конкретной модели ЧЭ, выбраннойдля ГИВУС и особенности её конструкции, включающей элементы для построения системы термостатирования (Рис.

2).ЧЭ крепится к элементам конструкции ГИВУС с помощью двухустановочных кронштейнов 4, расположенных на торцах корпуса ЧЭ. Дляпостроения системы термостатирования в ЧЭ имеются:71) два последовательно соединённыхрезистивных нагревательных элемента 1 ссопротивлением (60 ± 10) Ом каждый,приклеенные к торцевым поверхностямкорпуса ЧЭ;2) элементы 3 мостовой измерительной схемы контура термостатирования:– два термодатчика с сопротивлением (200 ± 1,5) Ом каждый при температуре+60 °С, выполненные в виде катушек провода из никеля типа ПЭВНК-2, располоРис.

2. Схема расположенияженных на краях цилиндрической поверхэлементов конструкции ЧЭности корпуса ЧЭ;– два резистора на наружной поверхности термодатчиков, выполненные ввиде катушек провода из манганина типа ПЭМС, величина сопротивления которых подбирается близкой к величине сопротивления термодатчиков при температуре нулевой плавучести поплавка ЧЭ, равной +60 °С.Для контроля температуры ЧЭ имеется термодатчик 2 аналогичный термодатчикам мостовой измерительной схемы и расположенный на центральнойчасти цилиндрической поверхности корпуса ЧЭ.Также во второй главе представлен метод построения аналитической тепловой модели разрабатываемой СТС, основанный на комбинированном использовании программной системы конечно-элементного анализа ANSYS и графической среды имитационного моделирования Simulink (Matlab), суть которогозаключается в следующем:1) В системе ANSYS создаётся 3D-модель исследуемой конструкции, задаются характеристики материалов ее элементов и производится первоначальный расчет теплового поля конструкции при температуре основания прибора врабочем диапазоне.

На практике для создания 3D-модели целесообразнее использовать специализированные системы трехмерного моделирования(Inventor, SolidWorks, Catia, Proingeneer или другие), а затем импортировать её всистему ANSYS для последующего теплового анализа.2) По результатам моделирования в системе ANSYS исследуемая конструкция разбивается на отдельные элементы или их группы по принципу конструктивной и температурной однородности выделенных элементов, что позволит в дальнейшем определить температуру контрольных точек конструкциипри различных режимах работы СТС.Для каждой пары выделенных и непосредственно взаимодействующихjjэлементов i и j рассчитывается тепловая проводимость между ними Gi (Gi =Gji),для чего эти элементы теплоизолируются от других элементов модели в системе ANSYS, и при задании мощности Рi в i-й элемент определяются температуры i–го и j–го элементов.Также определяется эквивалентная теплоемкость выделенных элементовСi, как суммарная теплоемкость материалов этого элемента.8j3) По результатам расчета коэффициентов Gi и Сi составляется уравнениетеплового баланса для каждого выделенного элемента конструкции:dСi Ti + ∑ Gi j (Т i − Т j ) + Gi0 (Т i − Т 0 ) = Pi ,(1)dtjгде: Gi0 – тепловая проводимость между i-м элементом и окружающей средой;Pi – тепловая мощность, выделяемая в i-м элементе; Тi и Тj – температуры i-го иj-го элементов; Т0 – температура окружающей среды.В соответствии с уравнением (1) в среде Simulinkстроится аналитическая тепловая модель ЧЭ с СТС, гдевзаимодействие между i-м иj-м элементами может бытьпредставлено, как показано наjРис.

3, а подсистемы Сi и Giизображены на Рис. 4. В разработанной Simulink-моделиРис. 3. Тепловая Simulink-модельформируютсяалгоритмыдля i-го и j-го элементауправления контурами СТС,позволяющие проводить полноценный анализ СТС в динамическом и установившемся режимах.Рис. 4. Подсистемы Ci и Gij тепловой Simulink-модели.В третьей главе диссертации приводится предлагаемая оптимальнаяконструкция двухконтурной системы термостатирования для каждого ЧЭГИВУС (Рис.

5) в которой ЧЭ заключён в собственный термостатируемый модуль гироблока (МГБ), где 1-й контур поддерживает температуру элементовконструкции, окружающей корпус ЧЭ, в диапазоне от +58 до +59,8 °С, а 2-йстабилизирует температуру самого корпуса на уровне +60 °С.ЧЭ устанавливается на кронштейн, который охватывает нижнюю цилиндрическую часть его корпуса. Кронштейн крепится к основанию МГБ с помощью двух теплоизолирующих стоек, что позволяет уменьшить теплопередачумежду ЧЭ и основанием МГБ, а, следовательно, снизить подводимую мощностьк ЧЭ для его обогрева.9Под кронштейном на основание МГБ устанавливаются стабилизатортока и предварительный усилитель, которые помимо своих основных функцийслужат дополнительными источниками тепловыделения.Нагревательные элементы2-го контура СТСВнешний кожухЧувствительныйэлементВнутренний кожухТермодатчики2-го контура СТСНагревательныеэлементы1-го контура СТСТермодатчик1-го контура СТСКронштейнЭлектронные модулиОснование МГБТеплоизолирующиестойкиТеплоизоляционныйматериалКорпус прибораРис.

5. Схема конструкции ЧЭ с СТСЧЭ закрывается внутренним кожухом с открытыми торцами, а весь МГБзакрывается внешним кожухом. Каждый термостатируемый МГБ (рис. 6) устанавливается на корпус прибора (рис. 7) с помощью четырёх теплоизолирующихстоек. Зазор между основанием МГБ и корпусом прибора для исключения конвективных потоков газа и уменьшения тепловой проводимости между МГБ икорпусом прибора заполняется теплоизоляционным материалом – пенопластом.Рис. 7. Схема компоновкиРис. 6. 3D-модель МГБприборабез внешнего кожухаОба контура СТС питаются однополярным напряжением с широтноимпульсной модуляцией, позволяющей по величине скважности импульсовнапряжения с достаточно высокой точностью контролировать мощность, выделяемую в нагревательных элементах контуров. Амплитуда этих импульсовравна напряжению первичного электропитания ГИВУС.

Выходная статическаяхарактеристика контуров термостатирования представлена на Рис. 8.10К1=60 В/ОмК2=60 В/ОмU1, ВU2, В27 В27 ВU2=К2∆R2U1=К1∆R1б)а)∆R2, Ом∆R1, Ом-0,45 Ом (-0,22 °С) 0-0,45 Ом (-0,51 °С) 0Рис. 8. Выходная статическая характеристика 1-го (а) и 2-го (б) контура СТСU1 , U2 – средние значения выходных напряжений контуров,К1 , К2 – коэффициенты усиления контуров, ∆R1 – отклонение сопротивленияконтрольного термодатчика 1-го контура от требуемого значения,∆R2 – сумма отклонений сопротивлений двух контрольных термодатчиков 2-гоконтура от требуемого значенияПредложенный вариант построения двухконтурной СТС для каждого ЧЭимеет принципиальное отличие от СТС, используемой в приборе КИНД34-020.Все четыре индивидуальные СТС ЧЭ развязаны между собой с точки зрениятепловых связей, что практически исключает теплообмен между ЧЭ.В приборе КИНД34-020 имеется контур термостатирования общий для всех ЧЭ,обеспечивающий стабилизацию температуры основания, на котором они установлены.К достоинствам и преимуществампредложенной в работе СТС ГИВУС посравнению с СТС прибора КИНД34-020относятся:– возможность автономной сборки,проверки и отладки МГБ, их взаимозаменяемость;– упрощение конструкции за счет отсутствия элементов Пельтье и использования системы термостатирования с активным обогревом и пассивным охлаждением;– снижение теплового взаимовлияния ЧЭ, при различных сочетаниях вклюРис.

9. Результаты тепловогочения и выключения измерительных канарасчёта в системе ANSYSлов прибора и в случае отказа любого из них;– увеличение точности термостабилизации корпуса ЧЭ (с 0,1 до 0,01 °С).В третьей главе также представлен тепловой расчёт СТС для установившегося теплового состояния ЧЭ в системе ANSYS (Рис. 9).Описывается аналитическая тепловая модель ЧЭ с СТС в среде Simulink(Matlab) и приводятся результаты её моделирования в динамическом и установившемся режимах, как системы автоматического регулирования при различных температурных условиях эксплуатации прибора.На Рис. 10 представлены графики изменения мощностей P1, P2 в 1-м и 2-мконтурах СТС и отклонения температур ∆Тчэ, ∆Ткр корпуса ЧЭ и кронштейна от11температурынастройки,полученныевсредеSimulink.

По результатаммоделирования при изменении температуры основания прибора Тосн в диапазоне от 0 до +35 °С точностьтермостабилизации корпусаЧЭ составила 0,03 °С, амаксимальная потребляемаяСТС мощность для одногоизмерительного канала непревысила 8,3 Вт.В четвертой главедиссертации описываетсяметодика проведения экспериментальных исследований разработанной индивидуальной двухконтурнойСТС ЧЭ в составе измерительного канала ГИВУСдля подтверждения правильности принятых технических решений и результатов моделирования.