Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах), страница 10

Амплитуда этих импульсов равна напряжению первичного электропитания ГИВУС (подается наБУСТ), которое на борту КА может меняться в диапазоне от 25 до 29 В. Следовательно при изменении первичного электропитания будет меняться мощность, выделяемая в нагревательных элементах ЧЭ, что приведёт к появлению переходныхтепловых процессов в ЧЭ и изменению нулевого сигнала ИК. Поэтому первыйконтур термостатирования должен быть настроен таким образом, чтобы мощность, выделяемая в нагревательных элементах ЧЭ, была минимальной в диапазоне температур теплоотводящего основания под прибором на борту КА от 0 до+35 °С.

Это позволит свести к минимуму влияние напряжения первичного элек-тропитания прибора на точностные характеристики ЧЭ.Предложенный вариант построения двухконтурной СТС для каждого ЧЭимеет принципиальное отличие от СТС, используемой в приборе КИНД34-020.65Все четыре индивидуальные СТС ЧЭ развязаны между собой с точки зрения тепловых связей, что практически исключает теплообмен между ЧЭ. В прибореКИНД34-020 имеется контур термостатирования общий для всех ЧЭ, обеспечивающий стабилизацию температуры основания, на котором они установлены.К достоинствам и преимуществам представленной тепловой схемы МГБ иприбора ГИВУС относятся:– возможность автономной сборки, проверки и отладки МГБ, их взаимоза-меняемость;– упрощение конструкции за счет отсутствия элементов Пельтье и исполь-зования системы термостатирования с активным обогревом и пассивным охлаждением;– снижение теплового взаимовлияния ЧЭ, при различных сочетаниях вклю-чения и выключения измерительных каналов прибора и в случае отказа любого изних;– увеличение точности термостабилизации корпуса ЧЭ.3.3 Тепловая модельВ соответствии со схемой конструкции ЧЭ с СТС (Рис.

3.1) в программеInventor создана 3D-модель конструкции МГБ, представленная на Рис. 3.5.Рис. 3.5. 3D-модель конструкции модуля гироблока без внешнего кожуха66С целью оценки необходимого количества элементов, на которые необходимо разделить конструкцию МГБ, для дальнейшего построения аналитическойтепловой модели, в системе ANSYS произведён расчёт теплового поля МГБ. Расчёт проводился при следующих условиях:– свободное внутреннее пространство МГБ было заполнено газовым вкла-дышем для имитации теплообмена внутри модуля кондукцией и излучением;– температура установочной поверхности теплоизолирующих стоек основа-ния МГБ задавалась равной 0 °С;– теплообмен МГБ с соседними устройствами прибора имитировался пара-метрами задаваемого теплообмена конвекцией наружных поверхностей модуля;– выделяемые собственные мощности элементов конструкции МГБ задава-лись в соответствии с конструкторской документацией на эти элементы (см.

Приложение П.1);– мощности в нагревательных элементах контуров термостатирования под-бирались так, чтобы обеспечить температуру корпуса ЧЭ на уровне +60 ºС.Результаты расчёта в системе ANSYS представлены на Рис. 3.6 (внешний ивнутренний кожуха МГБ не показаны).Рис.

3.6 Тепловой расчёт конструкции МГБ в системе ANSYS67По результатам теплового расчёта конструкция МГБ разделена на следующие 27 элементов: 1 – центральная часть поплавка ЧЭ, 2 – торцевая часть №1 поплавка ЧЭ, 3 – торцевая часть №2 поплавка ЧЭ, 4 – центральная часть корпусаЧЭ, 5 – торцевая часть №1 корпуса ЧЭ, 6 – торцевая часть №2 корпуса ЧЭ, 7 – установочный кронштейн №1 ЧЭ, 8 – установочный кронштейн №2 ЧЭ, 9 – кронштейн, 10 – теплоизолирующая стойка №1 кронштейна, 11 – теплоизолирующаястойка №2 кронштейна, 12 – основание МГБ, 13 – теплоизолирующие стойки основания МГБ (4 штуки), 14 – боковая часть №1 внутреннего кожуха, 15 – боковаячасть №2 внутреннего кожуха, 16 – центральная верхняя часть внутреннего кожуха, 17 – верхняя плата СТ, 18 – корпус СТ, 19 – основание СТ, 20 – плата ПУ, 21 –теплоотвод ПУ, 22 – теплоизоляция (пенопласт), 23 – центральная верхняя частьвнешнего кожуха, 24 – боковая часть №1 внешнего кожуха, 25 – боковая часть №2внешнего кожуха, 26 – торцевая часть №1 внешнего кожуха, 27 – торцевая часть№2 внешнего кожуха.Тепловая модель конструкции МГБ, разделённой на 27 элементов, будетиметь вид представленный на Рис.

3.7, 3.8. Также в модели имеется корпус прибора (28 элемент) в который устанавливается МГБ и температура основания которого принимается равной температуре теплоотводящего основания КА.68Т022316GС16G0223С2316Р16С4 G4G0227G0226Р57552107GС26С5С2GС1G2610С10G917GG1213С21Р21G811С27G1219 С19G2021GС11G1220С122212G1127G1112G1819Р18GGG1118G1718С18211298С8GР9Р17G1012С6119С171810G1328G69С9G910G68G927GС13С3G49G926Р663GG24 G 6454GG31G9597Р321GGС7Р1Р2С20С22G2228С28G0128Т01Рис.

3.7. Тепловая модель конструкции МГБ, вид спередиС1369Т02G0223С23С16Р16G0225G0224G2324G2325Р1G2324G1516С1G24С25С24G1424С4G49С14G914179G1525С9Р9G159С15GС17G1718Р17С18G1819Р18G1219G1213С132813С1920С12 G12С20G1222С13С22G2228GС28G0128Рис. 3.8. Тепловая модель конструкции МГБ, вид сбоку70Тепловые проводимости между элементами конструкции МГБ и их теплоёмкости рассчитывались по методике, изложенной в Разделе 2.2.2.

Результатырасчёта представлены в Приложении П.1, где также указаны значения тепловыхмощностей, выделяемых в элементах, и их источники.В соответствии с тепловой моделью конструкции МГБ, представленной наРис. 3.7, 3.8, в среде Simulink построена аналитическая тепловая модель ЧЭ с СТС(Рис. 3.9), позволяющая производить расчёт работы СТС в динамическом и стати-ческом режимах. Simulink-модель состоит из следующих блоков: 1 – блок ЧЭ(элементы конструкции 1...8) , 2 – блок кронштейна (элемент конструкции 9), 3 –блок теплоизолирующей стойки №1 кронштейна (элемент конструкции 10), 4 –блок теплоизолирующей стойки №2 кронштейна (элемент конструкции 11), 5 –блок стабилизатора тока (элементы конструкции 17, 18, 19), 6 – блок внутреннегокожуха (элементы конструкции 14, 15, 16), 7 – блок внешнего кожуха (элементыконструкции 23...27), 8 – блок основания МГБ, предварительного усилителя, теплоизоляции и корпуса прибора (элементы конструкции 12, 13, 20, 21, 22, 28), 9 –блок управления контурами СТС.

Внутренняя структура блоков 1...9 представлена в Приложении П.2.Для определения температур элементов конструкции, таких как корпус ЧЭ,кронштейн, основание СТ, тепловая модель содержит осциллографы О1, О2, О3соответственно. Дополнительно, для оценки точности поддержания температурыкорпуса ЧЭ и кронштейна, имеются осциллографы О4, О5, определяющие отклонение температуры корпуса ЧЭ Тчэ от температуры настройки 2-го контура термостатирования Тн2 и отклонение температуры кронштейна Ткр от температуры настройки 1-го контура термостатирования Тн1.Тепловая модель также позволяет определять мощности тепловыделения внагревательных элементах контуров термостатирования благодаря осциллографуО6, расположенному в блоке 9 тепловой модели.Для задания внешних температурных условий для МГБ, предусмотрены:блок Т01 – задаёт температуру основания прибора и блок Т02 – задаёт среднюютемпературу электронных устройств, окружающих МГБ.71T4T9Р2/2Р2/29 Р /2194G (T4 − T9 )T4G59 (T5 − T9 )196G (T6 − T9 )G79 (T7 − T9 )О1T6T4T8G89 (T8 − T9 )T11T10T5T7G811 (T11 − T8 )О4G416 (T16 − T4 ) G10 (T − T )7107Tн2Тнif(Tнi)Тif(Ti)G710 (T10 − T7 ) G910 (T9 − T10 )T93T18RiT6T5T8T7T4Р1/2SaturationUi2G49 (T4 − T9 )T10f(Ui)PiО5PiО2T9G69 (T6 − T9 )G910 (T9 − T10 )97G (T7 − T9 )G917 (T9 − T17 )G926 (T9 − T26 )98G (T8 − T9 )G927 (T9 − T27 )T90SwitchG (T − T )118118T9T9G915 (T9 − T15 )G911 (T9 − T11 )4T18T11G1118 (T11 − T18 )T12G914 (T9 − T14 )G1018 (T10 − T18 ) G1012 (T10 − T12 )Tн1G59 (T5 − T9 )G911 (T9 − T11 )G1018 (T10 − T18 )T12RтзiG1127 (T11 − T27 ) G1112 (T11 − T12 )iT9G917 (T9 − T17 )G1018 (T10 − T18 )G1118 (T11 − T18 )5T12G1418 (T18 − T14 )T18T17G1518 (T18 − T15 )G1417 (T17 − T14 )T19G1517 (T17 − T15 )О3G1419 (T19 − T14 )19G (T19 − T15 ) G12 (T19 − T12 )1915T4Р1/2T17T19T18T9T11G416 (T16 − T4 )6G914 (T9 − T14 )G915 (T9 − T15 )1814G (T18 − T14 )G1518 (T18 − T15 )G1012 (T10 − T12 )G1112 (T11 − T12 )G1224 (T12 − T24 )G1517 (T17 − T15 )G1225 (T12 − T25 )G1419 (T19 − T14 )T01T9G1424 (T14 − T24 )G1525 (T15 − T25 )G1623 (T16 − T23 )8G1219 (T19 − T12 )G1417 (T17 − T14 )T19T12G927 (T9 − T27 )T10G1018 (T10 − T18 )T15G1127 (T11 − T27 )T14T16G1424 (T14 − T24 )T12G1525 (T15 − T25 )G1623 (T16 − T23 )G1224 (T12 − T24 )G1519 (T19 − T15 )T15T14T167G926 (T9 − T26 )T02G1225 (T12 − T25 )T01T02Рис.

3.9. Аналитическая тепловая модель конструкции МГБ в среде Simulink72Реализация в среде Simulink контура управления мощностью Pi, выделяемойв исполнительных элементах контура термостатирования i-го элемента, представлена на Рис. 3.10.Тнif(Tнi)RтзiSaturationUiТif(Ti)f(Ui)PiPiRi0SwitchiРис. 3.10. Реализация в среде Simulink контура СТС i-го элементаТемпература Тi объекта термостатирования и температура Тнi настройкиконтура СТС преобразуются через функции f(Ti) и f(Tнi) в сопротивление контрольного термодатчика Ri и сопротивление термозадатчика Rтзi контура термостатирования соответственно.Разница сопротивлений Ri и Rтзi умножается на коэффициент усиления контура термостатирования K и на выходе получаем напряжение Ui, подаваемое нанагревательные элементы контура СТС, максимальная величина которого ограничивается блоком «Saturation» («ограничение»).

Напряжение Ui преобразуется через функцию f(Ui) в мощность Pi, выделяемую в нагревательных элементах контура СТС, а блок «Switch» («переключатель») обеспечивает отключение подачимощности Pi в нагревательные элементы при перегреве термостатируемого элемента.733.4 Результаты моделирования в среде SimulinkПри помощи построенной аналитической тепловой модели МГБ, представленной на Рис.

3.9, проведён анализ работы системы термостатирования прикрайних значениях температуры основания прибора Тосн= 0 °С и Тосн= +35 °С. Примоделировании в среде Simulink процесс изменения температуры осуществлялсяпо линейной зависимости, имитирующей переход от +35 до 0 °С за 30 мин.

Результаты моделирования в виде графиков изменения мощностей P1, P2, выделяемых в 1-м и 2-м контурах, представлены на Рис. 3.11.Р 1, P 2, Вт12Т осн, °С42Р 1=11 ВтТ осн=35°С1035Т оснР1828Р 1=7,00 ВтР 2=6,4 Вт621Р24214Р 2=1,25 ВтР 1=1,09 ВтР 2=0,22 Вт000,20,40,60,817Т осн=0°С1,21,41,61,802Время, чРис. 3.11. Влияние изменения температуры основания (Тосн) навеличину мощности в 1-м (Р1) и 2-м (Р2) контурах СТС.При температуре основания прибора Тосн= +35 °С мощность, выделяемая вконтурах термостатирования, составила Р1=1,09 Вт и Р2=0,22 Вт, а при Тосн=0 °С –Р1=7,00 Вт и Р2=1,25 Вт.