Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах), страница 11

Таким образом, мощность, потребляемая системой термостатирования в установившемся режиме, не превышает 8,3 Вт.Для оценки точности термостатирования кронштейна 1-м контуром и корпуса ЧЭ 2-м контуром, по результатам моделирования, на Рис. 3.12 представленоизменение отклонения ∆Ткр температуры кронштейна Ткр от номинального значения температуры настройки 1-го контура СТС, равного Тн1= +59,2 °С и изменение74отклонения ∆Тчэ температуры корпуса ЧЭ Тчэ от номинального значения температуры настройки 2-го контура СТС, равного Тн2= +60 °С.

Отклонения определялисьпо следующим формулам: ∆Ткр = Тн1-Ткр, ∆Тчэ = Тн2-Тчэ.400,260,240,22...0,20,180,160,140,120,10,080,060,040,020Т осн, °С∆Т кр,∆Т чэ,°СТ осн=35°С5248444036322824201612840Т осн∆Т кр=0,14 °С∆Т кр∆Т чэ∆Т чэ=0,07 °С∆Т кр=0,02 °С∆Т чэ=0,01 °С00,20,4Т осн=0°С0,60,811,2Время, ч1,41,61,82Рис. 3.12. Влияние изменения температуры основания (Тосн) навеличину отклонения температуры кронштейна от температуры настройки 1-гоконтура СТС (∆Ткр) и на величину отклонение температуры корпуса ЧЭ оттемпературы настройки 2-го контура СТС (∆Тчэ)При температуре основания прибора Тосн= +35 °С отклонения температуркронштейна и корпуса ЧЭ от температур настройки контуров составили∆Ткр= 0,02 °С и Тчэ= 0,01 °С, а при Тосн=0 °С – ∆Ткр= 0,14 °С и ∆Тчэ= 0,07 °С. Такимобразом, по результатам моделирования при изменении температуры основанияприбора в диапазоне от 0 до +35 °С стабильность поддержания температурыкронштейна составляет 0,06 °С, а корпуса ЧЭ – 0,03 °С, что достаточно близко ктребуемой точности термостатирования ЧЭ, равной 0,01 °С.

Для достижения полученных стабильностей поддержания температуры, для 1-го и 2-го контуровтермостатирования выбраны оптимальные значения коэффициентов усиления K1,К2 (см. Рис. 3.3, 3.4) равные 60 В/Ом и 40 В/Ом соответственно.75Время тепловой готовности измерительного канала прибора определяетсявременем тепловой готовности 2-го контура термостатирования – переходом контура из режима насыщения в режим линейного регулирования, т.е.

временем достижения средней температуры корпуса ЧЭ требуемого значения +60 °С с отклонением не более 0,38 °С. По результатам моделирования время тепловой готовности измерительного канала прибора от момента его включения при температурах основания Тосн 0 °С, +20 °С и +35 °С, составило 58 мин, 37 мин и 24 мин соответственно, что является приемлемым результатом.Результаты моделирования разогрева прибора при температуре основанияТосн=0 °С представлены на Рис. 3.13, где показаны графики изменения температуркорпуса ЧЭ, кронштейна и основания СТ, в соответствии с которыми тепловая готовность 1-го контура СТС наступает за 56 мин, а 2-го за 58 мин от моментавключения измерительного канала.656015523Температура, °C5045Тепмпература корпуса ЧЭТемпература основания СТТемпература кронштейнаТепловаяготовность2-го контура3403530225Тепловаяготовность1-го контура20151105000,250,50,7511,251,5Время, чРис.

3.13. Зависимости температур элементов конструкции МГБ от времени приразогреве прибора, полученные по результатам моделированияЧтобы подтвердить эффективность двухконтурной системы термостатирования по сравнению с одноконтурной, проведено моделирование работы 2-го контура термостатирования с выключенным 1-м контуром при крайних значениях76температуры основания прибора Тосн= 0 °С и Тосн= +35 °С.

Результаты моделирования в виде графиков изменения мощности, выделяемой во 2-м контуре, и отклонения ∆Тчэ представлены на Рис. 3.14, 3.15 соответственно.8Р 2, ВтТ осн, °С40Т осн=35°С735Р 2=6,20 Вт630Р 2=6,4 ВтТ осн525420Р2315210Р 2=0,99 Вт15Т осн=0°С000,2 0,4 0,6 0,811,2 1,4 1,6 1,822,2 2,4 2,6 2,803Время, чРис. 3.14. Влияние изменения температуры основания (Тосн) навеличину мощности во 2-м контуре СТС (Р2) при выключенном 1-м контуре400,650,6...0,550,50,450,40,350,30,250,20,150,10,050∆Т чэ,°СТ осн, °СТ осн=35°СТ осн∆Т чэ=0,37 °С∆Тчэ∆Т чэ=0,06 °СТ осн=0 °С00,2 0,4 0,6 0,811,2 1,4 1,6 1,822,2 2,4 2,6 2,852484440363228242016128403Время, чРис. 3.15. Влияние изменения температуры основания (Тосн) навеличину отклонения температуры корпуса ЧЭ от температуры настройки2-го контура СТС (∆Тчэ) при выключенном 1-м контуре77Стабильность поддержания температуры корпуса ЧЭ при работе только2-го контура СТС составила 0,15 °С (Рис.

3.14), что в 5 раз хуже точности термо-стабилизация ЧЭ при работе двух контуров термостатирования, равной 0,03 °С(Рис. 3.12). Таким образом, эффективность использования двухконтурной систе-мы термостатирования подтверждена.3.5 Выводы по главе 31. Для наиболее точного термостатирования ЧЭ прибора оптимальным ва-риантом является использование индивидуальной двухконтурной СТС для каждого ЧЭ, где первый контур стабилизирует температуру элементов конструкции,окружающей корпус ЧЭ, а второй стабилизирует непосредственно температурусамого корпуса ЧЭ.2.

Предложенный 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 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..3. В качестве электропитания нагревательных элементов обоих контуровтермостатирования выбрано однополярное напряжение с широтно-импульсноймодуляцией, позволяющей изменением скважности импульсов напряжения с достаточно высокой точностью контролировать мощность, выделяемую в нагревательных элементах.4.

По результатам теплового расчёта 3D-модели конструкции МГБ в систе-ме ANSYS, принято достаточным разбиение конструкции МГБ на 27 элементовдля построения аналитической тепловой модели в среде Simulink.5. По результатам моделирования работы системы термостатирования ЧЭ всреде Simulink получены следующие результаты:– точность термостатирования корпуса ЧЭ, при изменении температуры ос-нования прибора в диапазоне от 0 до +35 °С, составила 0,03 °С;78– мощность, потребляемая системой термостатирования в установившемсярежиме, не превышает 8,3 Вт;– время тепловой готовности измерительного канала прибора не превышает58 мин;– точность термостатирования корпуса ЧЭ двухконтурной СТС в 5 раз луч-ше по сравнению с точностью одноконтурной СТС.79Глава 4. Экспериментальные исследования ГИВУС с системойтермостатирования4.1 Методика исследованияС целью проведения экспериментальных исследований разработанной системы термостатирования была изготовлена конструкция МГБ (Рис.

4.1) и затемустановлена в измерительный канал ГИВУС, обеспечивающий функционирование поплавкового гироблока, заключенного в МГБ, в режиме датчика угловойскорости.а)б)Рис. 4.1. Внешний вид МГБ (а) и его внешнего кожуха (б)80Кинематическая схема ГИВУС с четырьмя измерительными каналами,представлена на Рис. 4.2.y3y4z4y1x1z1z3x4z2x3y2x2Рис. 4.2. Кинематическая схема ГИВУСx1...x4 – выходные оси гироскопов, y1...y4 – оси чувствительности гироскопов,z1...z4 – оси кинетических моментов гироскопов (оси вращения гиромоторов),oxпyпzп – система координат ГИВУСВ качестве приборной системы координат используется прямоугольная система координат oxпyпzп, материализованная элементами посадочного места накорпусе прибора.

При этом ось oxп ортогональна установочной плоскости прибора oyпzп. Оси чувствительности четырёх гироскопов прибора равномерно расположены вокруг оси oxп через 90º и направлены по образующим конуса с угломϕ= 54° 44' 08". При таком расположении каждая ось чувствительности отклоненаот каждой оси приборной системы координат на один и тот же угол, равный ϕ,т.е. все оси чувствительности равнозначно расположены по отношению к осямприборной системы координат, что позволяет обеспечить резервирование в при-81боре. Для определения проекций вектора входной угловой скорости на оси приборной системы координат достаточно выходной информации только трёх измерительных каналов, поэтому при отказе одного любого измерительного каналаприбор остается работоспособным [21, 22, 43].Для проведения тепловых испытаний прибор устанавливался на термостатируемое основание, температура которого изменялась по заданному алгоритму вдиапазоне от 0 °С до +35 °С.

С помощью поворотного приспособления, установленного на основании испытательного стенда, задавалось положение ГИВУСмаксимально имитирующее его работу в условиях невесомости, которая наблюдается на околоземной орбите при эксплуатации прибора. Для этого ГИВУС разворачивался таким образом, чтобы ось oxп лежала в горизонтальной плоскости ибыла направлена на Юг, далее вращением вокруг оси oxп устанавливался в положение, при котором корпус гироскопа исследуемого измерительного каналаГИВУС располагается вертикально (Рис.

4.3).Выставка оси oxп в плоскость горизонта и осей oyп, ozп в вертикальной плоскости обеспечивается с точностью 10" за счет двух поплавковых уровней, расположенных на поворотном приспособлении. Выставка оси oxп в азимуте относительно направления на Юг задается с точностью 45" путем разворота поворотногоприспособления вокруг вертикальной оси испытательного стенда, ориентируясьпо зеркальной призме, жестко привязанной к месту проведения испытаний и ориентация которой известна относительно направления на Юг.Сам испытательный стенд установлен на изолированном основании, представляющем собой массивную бетонную плиту, стоящую на сухом песке.Угловая привязка системы координат гироскопа относительно приборнойсистемы координат обеспечивается конструкцией прибора с точностью 15".82NWyExпН45°90°φzgSzпxyпОси вращенияповоротногоприспособленияУстановочнаяплоскость поворотного приспособленияГироскопЭлектронныеустройства ИКПриборПоворотноеприспособлениеОснованиеиспытательногостендаРис.

4.3. Положение прибора при испытаниях83В положении прибора, как показано на Рис. 4.3, ось чувствительности гироскопа y и вектор кинетического момента H лежат в плоскости горизонта, а отклонение оси чувствительности y гироскопа от направления на Юг равно углу φ(Рис. 4.4).ωзвyz (Н)ωзгxРис. 4.4. Положение чувствительного элемента ГИВУС при испытанияхωзг, ωзв – соответственно горизонтальная и вертикальнаяпроекции угловой скорости собственного вращения ЗемлиТакое положение гироскопа позволяет исключить из выходной информацииизмерительного канала вертикальную проекцию угловой скорости собственноговращения Земли и составляющую нулевого сигнала, пропорциональную первойстепени ускорения свободного падения g и обусловленную остаточной несбалансированностью поплавкового гироузла [1]. Отсутствие влияния g на нулевой сигнал обеспечивается за счет вертикального расположения выходной оси x гироскопа, при котором сила тяжести действует на центр масс поплавка в направлениипараллельном выходной оси x, тем самым не создавая возмущающий момент вокруг неё.После установки испытуемого гироскопа в положение, показанное наРис.