Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах), страница 13

4.9. Влияние температуры основания (Тосн) навеличину температуры корпуса ЧЭ (Тчэ)110501209162Т ст, °СТ осн, °С∆Т ст=0,38 ºС403560Т ст, эксперимент58302556Т ст, моделирование20541552∆Т ст=0,54 ºСТ осн, моделирование505Т осн, эксперимент480102030401050607080901001101200130Время, минРис. 4.10. Влияние температуры основания (Тосн) навеличину температуры основания СТ (Тст)Как видно из графиков динамика изменения параметров СТС, полученнаяэкспериментально, близка к результатам моделирования.В рассматриваемом эксперименте дополнительно измерено изменение температур установочных кронштейнов ЧЭ, за счёт двух термодатчиков, установленных на их торцах.

Полученные графики представлены на Рис. 4.11.61Т к1; Т к2 ,°СТ осн, °С60,54035Т осн∆Т к1=1,54 ºС6059,525Т159302058,51558Т257,510∆Т к2=2,47 ºС57556,501020304050607080901001101200130Время, минРис. 4.11. Влияние температуры основания (Тосн) навеличину температуры установочных кронштейнов ЧЭТк1 – температура верхнего кронштейна, Тк2 – температура нижнего кронштейна92Выявлено, что верхний кронштейн ЧЭ (расположен сверху при положенииЧЭ, как показано Рис. 4.4) имеет более высокую температуру, чем нижний кронштейн (расположен снизу при положении ЧЭ, как показано Рис.

4.4). При этом спонижением температуры основания прибора от +35 °С до 0 °С понижаются итемпературы верхнего и нижнего кронштейнов на ∆Тк1=1,54 °С и ∆Тк2=2,47 °С соответственно, а разница между температурами кронштейнов увеличивается и может достигать значения 1,2 °С при температуре основания прибора Тосн=0 °С. Полученная разница между температурами кронштейнов связана с вертикальнымрасположением ЧЭ во время испытаний, при котором верхний кронштейн дополнительно обогревается за счёт конвективных потоков газовой среды. В ходе дополнительного эксперимента при котором ЧЭ располагался горизонтально, максимальная разница между температурами его кронштейнов составила не более0,14 °С, что подтверждает теорию о дополнительном обогреве за счёт конвектив-ных потоков газовой среды.Как было отмечено ранее неравномерное температурное поле ЧЭ вдоль еговыходной оси может влиять на величину нулевого сигнала ω0, однако при эксплуатации прибора в условиях невесомости (в космическом пространстве) разница между температурами торцов ЧЭ и ее влияние на ω0 будут минимальными, засчет отсутствия конвекции газовой среды и симметричной конструкции ЧЭ, подразумевающей близкие друг к другу тепловыделения вдоль продольной оси корпуса ЧЭ.4.3.3 Определение времени тепловой готовности измерительногоканалаРезультаты испытаний и результаты моделирования (при начальных условиях аналогичных экспериментальным) по определению времени тепловой готовности ИК представлены на Рис.

4.12, где показаны графики изменения температурэлементов конструкции МГБ, таких как корпус ЧЭ, кронштейн и основание СТ вовремя их разогрева от момента включения ИК при постоянной температуре основания Тосн= +20 °С. В эксперименте максимальная мощность 1-го контура СТС в93режиме насыщения составляла 8,79 Вт, вместо требуемой по результатам разработки СТС – 11 Вт. Поэтому время тепловой готовности ИК следует определятьпо результатам моделирования, представленным в Разделе. 3.4, а экспериментальные данные использовать для верификации аналитической тепловой моделиЧЭ с СТС.65160Температура, °C553Тепловаяготовность2-го контура5045Тепловаяготовность1-го контура40235302512023Температура ЧЭТемпература основания СТТемпература кронштейна1500,250,50,7511,251,5Время, ча)6560Температура, °C55Тепловаяготовность2-го контура50345Тепловаяготовность1-го контура402353025112023Тепмпература корпуса ЧЭТемпература основания СТТемпература кронштейна1500,250,50,7511,251,5Время, чб)Рис.

4.12. Зависимости температур элементов конструкции МГБ от временипри разогреве прибора, полученные экспериментально (а) и моделированием (б)94По результатам эксперимента тепловая готовность 1-го контура СТС приТосн= +20 °С наступила за 39 мин, а 2-го за 45 мин, что является удовлетворительным результатом, несмотря на уменьшенную максимальную выходную мощность1-го контура СТС.4.3.4 Численное сравнение результатов моделирования и экспериментальных исследованийДля оценки погрешностей моделирования, которые могут быть полученыпри использовании разработанной в среде Simulink аналитической тепловой модели МГБ, проведёно численное сравнение результатов экспериментальных исследований работы СТС с результатами аналогичных исследований, выполненных при помощи аналитической тепловой модели.Сравнение результатов моделирования и эксперимента по определению тепловых параметров СТС при изменении температуры основания прибора в диапазоне от 0 до +35 °С (Рис.

4.7-4.11) представлено в Таблице 5.Таблица 5ТемператураТосн, С°350350350350ИзмеряемыйпараметрТемператураТчэ, С°ТемператураТст, С°МощностьР1, ВтМощностьР2, ВтЗначение параметрав установившемсясостоянииМоделированиеЭксперимент60,72160,64959,6450,591,437,530,231,1260,71660,64860,0250,051,397,270,211,02Абсолютная Относительразницаная погрешмежду резульностьтатами модели- моделироварования и эксния, %перимента0,0070,0080,0010,0020,380,630,541,080,032,880,263,580,029,520,109,80Погрешности определения тепловых параметров при помощи аналитической тепловой модели не превышают 1 % для значений температурного поля и10 % для значений потребляемых мощностей контурами термостатирования, чтоявляется приемлемым результатом и позволяет использовать модель для теорети-95ческих исследований, сократив материальные и временные издержки на натурноемакетирование и экспериментальную отработку системы термостатирования.Сравнение результатов моделирования и эксперимента по определениювремени тепловой готовности СТС при температуре основания прибораТосн= +20 °С (Рис.

4.12) представлено в Таблице 6.Таблица 6Измеряемыйпараметр1-го контураСТС, минЗначениепараметраМоделиро- ЭкспериваниементАбсолютная разница между результатами моделирования и экспериментаВремя тепловой готовности:3839Относительнаяпогрешностьмоделирования, %12,62-го контура41454СТС, минТемпература элемента в установившемся состоянии:Тчэ, С°60,6960,680,01Ткр, С°60,4260,490,07Тст, С°57,1157,320,2190,020,120, 37Как видно из Таблицы 6, а также из сравнения графиков разогрева ИК,представленных на Рис. 4.12, погрешность определения времени тепловой готовности контуров СТС по результатам моделирования не превышает 9 %, при этомпогрешность определения температур в контрольных точках МГБ менее 0,37 %.Сходимость результатов моделирования и эксперимента достаточная, чтобыиспользовать результаты определения времени тепловой готовности ИК, полученные при помощи аналитической тепловой модели (см.

Раздел 3.4).По результатам моделирования с учётом погрешности в 9 % максимальноевремятепловойготовностиИКвТосн=(0...+35) °С не будет превышать 63 мин.диапазонетемпературоснования964.3.5 Исследование причин изменения нулевого сигнала измерительного канала при внешних температурных воздействияхДля выяснения причины изменения нулевого сигнала ω0 на 0,009 °/ч(Рис. 4.6) при внешних температурных воздействиях на прибор и достаточно вы-сокой точности стабилизации температуры ЧЭ вторым контуром термостатирования, проведён ряд дополнительных экспериментов. Выявлено влияние тока J2,протекающего во 2-м контуре термостатирования на величину нулевого сигналаω0 [55].

Графики зависимости изменения нулевого сигнала ω0 и температуры Тчэот величины и направления тока J2 представлены на Рис. 4.13.Т чэ , °С∆ω0 , °/ч0,0860,75К -J =-0,2849 °/ч /А0,06К +J =-0,2505 °/ч/А60,70Т чэ0,0460,65∆ω00,020-0,25-0,0260,60J 2, А-0,2-0,15-0,1-0,0500,050,10,15-0,040,260,550,2560,5060,45-0,0660,40К J =-0,2677 °/ч/А-0,0860,35Рис.

4.13. Зависимость изменения нулевого сигнала и температуры ЧЭот тока во 2-м контуре СТССтоит отметить, что зависимость нулевого сигнала от тока имеет несколькоотличающийся наклон характеристик для положительного (+J) и отрицательного(-J) направления тока. Это обусловлено влиянием на нулевой сигнал температурыЧЭ. Из полученных данных, представленных на Рис. 4.13, можно выделить коэффициенты влияния величины и направления тока во 2-м контуре термостатирования и температуры ЧЭ на нулевой сигнал, которые составили КJ=(К-J + К+J)/2=(-0,2677) °/ч/А и КТ=0,0178 °/ч/°C соответственно.Используя полученные коэффициенты, можно определить величину изменениянулевого сигнала от изменения тока ∆J2=0,03 А и температуры ЧЭ97∆Тчэ=0,06 °C для представленного на Рис.

4.6 графика выходной информацииприбора. Приращение нулевого сигнала от изменения тока в контуре термостатирования ЧЭ составило ∆ω0(∆J2)= КJ · ∆J2=0,008 °/ч (89% от общего изменения ω0),а от изменения температуры – ∆ω0(∆Тчэ)= КТ · ∆Тчэ=0,001 °/ч. Суммарное расчётное изменение нулевого сигнала, обусловленное двумя этими факторами равно∆ω0=0,009 °/ч, что соответствует значению, полученному экспериментально.Предположительно, влияние тока на величину нулевого сигнала обусловлено конструктивными особенностями и погрешностями изготовления бифилярныхнагревательных элементов (Рис.