Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах), страница 16

Вариант модернизации мостовой измерительной схемы1-го контура СТС.R1 –сопротивление термодатчика 1-го контура СТС, расположенного на крон-штейне, Rтз1 – сопротивление термозадатчика 1-го контура СТС, Rм1=Rм2 – входные сопротивления измерительного моста, Rдi –дополнительное сопротивление,i=(1...8), Uпит – напряжение электропитания измерительного моста 1-го контураСТС, К(0) – ключ в положении «0» (положение ключа при Тосн= +17 °С), Uизм –измеряемое выходное напряжения измерительного моста111Управление ключом К в измерительной мостовой схеме (Рис.

4.23) должноосуществляться в соответствии с алгоритмом Рис. 4.16, т.е. входной информациейдля изменения положения ключа К должна быть величина мощности Р2 в нагревательных элементах 2-го контура СТС. При этом положения ключа «+1», «+2»,«+3», «+4» увеличивают температуру настройки 1-го контура СТС относительнотемпературы настройки при Тосн= +17 °С, а положения «-1», «-2», «-3», «-4»уменьшают в соответствие с уравнением баланса моста при котором напряжениеUизм должно быть равно нулю [28, 29, 30]:R1·( Rм2+(8-n)·Rдi)= Rтз1·( Rм1+n·Rдi),где n – количество подключенных к сопротивлению Rм1 добавочных сопротивлений Rдi.Исходным положением ключа К должно быть «-4», а работа алгоритма изменения температуры настройки 1-го контура СТС начинаться после вхождения2-го контура СТС в режим линейного регулирования (см.

раздел 3.2). Данные ме-ры необходимы для предотвращения перегрева ЧЭ во время разогрева ИК послеего включения при температуре Тосн= +35 °С.В качестве ключа К предлагается использовать схему на полевых транзисторах, управляемую набором логических микросхем. Полевым транзисторомможет быть выбран 2П7190, имеющий:– малое сопротивление в открытом состоянии 0,1 Ом, что позволит миними-зировать погрешность задания температуры настройки 1-го контура, обусловленную величиной сопротивления ключа;– небольшие габариты корпуса 12×14 мм;– два ключа в одном корпусе.Один из вариантов реализации схемы съёма и преобразования информациио потребляемой мощности 2-го контура СТС представлен на Рис.

4.24.112МГББУСТнагревательныеэлементы ЧЭRн2UпитRиКомпараторЛогическийпреобразовательКлюч KДешифраторРис. 4.24. Схема съема информации о потребляемой мощности2-го контура СТСС измерительного резистора Rи, включенного последовательно к нагревательным элементам 2-го контура СТС с сопротивлением Rн2, подаётся напряжениена компаратор, который сравнивает имеющийся сигнал с порогами выработкикоманд управления ключом К. Далее результат сравнения поступает на логический аналого-цифровой преобразователь, выполняющий роль реверсивного счётчика, где аналоговый сигнал преобразуется в код положения ключа К.

Код передаётся на дешифратор, представляющий собой набор логических микросхем, ипреобразуется в необходимую команду управления ключом, задающим вариантподключения дополнительных сопротивлений Rдi измерительной мостовой схемы1-го контура СТС, соответствующий коду положения ключа К.Так как выходная мощность 2-го контура СТС оценивается по величине напряжения на нагревательных элементах ЧЭ, то при изменении напряжения первичного питания БУСТ и отличии величины сопротивления нагревательных элементов ЧЭ от номинального значения, будет меняться и диапазон выходной мощности 2-го контура СТС относительно требуемого (0,2...0,4) Вт.113Оценка изменения диапазона выходной мощности 2-го контура СТС, обеспечиваемого работой 1-го контура представлена в Таблице 7.

Для оценки принятыследующие исходные данные:– регулировочные операции по настройке БУСТ проводятся при номиналь-ном напряжении первичного электропитания U=27 В и номинальном значениисуммарного сопротивления нагревательных элементов ЧЭ Rчэ=120 Ом и заключаются в определении двух средних значений напряжения U2 на нагревательныхэлементах ЧЭ, соответствующих нижней (0,2 Вт) и верхней (0,4 Вт) границам допустимого диапазона выходной мощности Р2 во 2-м контуре СТС;– рабочий диапазон напряжения первичного электропитания U=(25...29) В;– значение сопротивления каждого торцевого нагревательного элемента ЧЭ(50-70) Ом (по документации на ЧЭ), значение суммарного сопротивления (100140) Ом.– расчёт выходной мощности 2-го контура СТС рассчитывается в соответ-ствии с (4.2), где амплитуда напряжения Uмах, подаваемого на нагревательныеэлементы ЧЭ соответствует напряжению U первичного питания БУСТ, а сопротивление Rнi, сопротивлению Rчэ нагревательных элементов ЧЭ.Таблица 7.Оценка изменения диапазона выходной мощности 2-го контура СТС, посленастройки БУСТ при Rчэ=120 ОмНастройка БУСТ при U=27 В, Rчэ=120 Ом, тогдапри Р2=0,2 Вт → U2=0,89 В, при Р2=0,4 Вт → U2=1,78 ВU, В252925292529Rчэ, Ом100120140Р2 при U2=0,89 В,Вт0,22Р2 при U2=1,78 В,Вт0,450,260,520,190,370,220,430,160,320,180,37114По результатам анализа данных, представленных в Таблице 7, наихудшаястабильность поддержания выходной мощности 2-го контура СТС составляет0,15 Вт в диапазоне от 0,2 до 0,52 Вт и может быть получена при условии сочета-ния минимальной величины суммарного сопротивления нагревательных элементов ЧЭ Rчэ=100 Ом и крайних значений напряжения первичного электропитания U25 В и 29 В.Для повышения стабильности поддержания мощности Р2 при всех возможных значениях Rчэ можно проводить регулировочные операции по настройкеБУСТ при минимальном значении Rчэ=100 Ом, тогда при увеличении Rчэ до максимального значения 140 Ом стабильность поддержания мощности будет увеличиваться (Таблица 8), однако будет смещаться в сторону уменьшения диапазонизменения мощности Р2 до (0,13...0,31) Вт.Таблица 8.Оценка изменения диапазона выходной мощности 2-го контура СТС, посленастройки БУСТ при Rчэ=100 ОмНастройка БУСТ при U=27 В, Rчэ=100 Ом, тогдапри Р2=0,2 Вт → U2=0,74 В, при Р2=0,4 Вт → U2=1,48 ВU, В252925292529Rчэ, Ом100120140Р2 при U2=0,74 В,Вт0,19Р2 при U2=1,48 В,Вт0,370,210,430,150,310,180,360,130,260,150,31Другим способом повышения стабильности поддержания мощности Р2 является проведение регулировочных операций по настройке БУСТ при Rчэ, равномсопротивлению нагревательных элементов конкретного образца ЧЭ.

В таком случае на регулировку БУСТ будет влиять только напряжение U, а стабильность Р2115составит 0,12 Вт в диапазоне от 0,19 до 0,43 Вт, при требуемой стабильности0,1 Вт в диапазоне от 0,2 до 0,4 Вт, что является приемлемым результатом. Един-ственным недостатком подобной настройки образцов БУСТ является то, что ониперестают быть взаимозаменяемыми и могут работать в паре только с конкретными образцами ЧЭ.4.4.4 Моделирование работы СТС с модернизированным 1-м контуромС целью проверки правильности работы алгоритма изменения температурынастройки Тн1 1-го контура СТС в автоматическом режиме, в среде Simulink промоделирована работа СТС измерительного канала при изменении температурыТосн от +35 °С до 0 °С со скоростью изменения 23 °С/ч (длительность изменения1,5 ч).

Скорость изменения Тосн выбрана исходя из суммарного времени, необхо-димого 1-му контуру СТС на изменения температуры своей настройки от одногокрайнего значения до другого. Суммарное время изменения температуры настройки 1-го контура СТС составляет 64 мин и складывается из времени задержек(по 8 мин) после каждого из 8-ми шагов изменения температуры.В выбранную скорость изменения Тосн также заложен 50 % запас гарантирующий удержание 1-м контуром СТС мощности Р2 во 2-м контуре в диапазонеот 0,2 до 0,4 Вт на протяжении всего изменения Тосн.Коэффициент усиления 2-го контура СТС выбран равным К2=60 В/Ом, исходя из положительных результатов экспериментальных исследований (см.

раздел4.4.2).Графики изменения мощности в контурах СТС, полученные моделированием, представлены на Рис. 4.25.116Р 1 , Р 2 , Вт12Т осн , °СР 1=11 Вт42Р1Т осн1035Т осн=35°С828Р 1=8,67 ВтР 2=6,4 Вт621Р24142Т осн=0°СР 1=1,31 Вт7Р 2=0,31 ВтР 2=0,28 Вт0000,20,40,60,811,21,41,61,822,22,42,62,83Время, чРис. 4.25. Влияние изменения температуры основания (Тосн) навеличину мощности в 1-м (Р1) и 2-м (Р2) контурах СТСБлагодаря изменению температуры настройки 1-го контура СТС (Рис. 4.26)мощность во 2-м контуре СТС, после его перехода в режим линейного регулирования, не выходит за пределы диапазона (0,2...0,4) Вт (Рис. 4.27), что позволяетобеспечить требуемую стабильность нулевого сигнала ИК на уровне 0,002 °/ч.При этом максимальное изменение температуры настройки 1-го контура СТС составило 0,8 °С, а шаг изменения температуры – 0,1 °С, что достаточно близко крезультатам, полученным экспериментально (Рис.

4.15, 4.16).117Т н1 ,°СТ осн , °С60,740Т оснТ осн=35°С60,6Т н1=60,59 °СТ н1=60,49 °С60,532Т н1=60,39 °С60,428Т н1=60,29 °С60,33624Т н1=60,19 °С60,220Т н1=60,09 °С60,1Т н116Т н1=59,99 °С6012Т н1=59,89 °СТ н1=59,89 °С59,98Т н1=59,79 °С59,8Т н1=59,79 °С4Т осн=0 °С59,7000,20,40,60,811,21,4 1,6Время, ч1,822,22,42,62,83Рис. 4.26. Влияние изменения температуры основания (Тосн) навеличину температуры настройки 1-го контура СТС (Тн1)Р 2 , ВтТ осн , °С0,540Т осн=35°СТ осн0,4535Р 2=0,31 Вт0,430Р20,3525Р 2=0,28 Вт0,3200,25150,2100,155Т осн=0°0,1000,20,40,60,811,21,41,61,822,22,42,62,83Время, чРис. 4.27. Влияние изменения температуры основания (Тосн) навеличину мощности во 2-м контуре СТС (Р2)Повышение и понижение температуры настройки 1-го контура СТС, отмеченное пунктиром на графике Рис.

4.26 на интервале времени от 0,5 до 0,7 ч яв-118ляется следствием реакции 1-го контура на величину мощности Р2 во 2-м контурепревышающую 0,4 Вт при переходе работы 2-го контура из режима насыщения врежим линейного регулирования. Так как это изменение температуры 1-го контура возникает только один раз за запуск ИК при его начальном разогреве и не приводит к перегреву ЧЭ, то оно допустимо.Помимо стабилизации мощности во 2-м контуре СТС, также обеспечиваетсявысокая стабильность температуры корпуса ГБ на уровне ±0,003 °С при изменении температуры основания в диапазоне от 0 до +35 °С (Рис.

4.28).∆Т чэ ,°СТ осн , °С0,0240Т оснТ осн=35°С0,018360,01632∆Т чэ=0,01°С0,014∆Т чэ0,0122824∆Т чэ=0,01°С0,01200,008160,006120,00480,0024Т осн=0 °С0000,20,40,60,811,21,4 1,6Время, ч1,822,22,42,62,83Рис. 4.28. Влияние изменения температуры основания (Тосн) навеличину отклонения температуры корпуса ЧЭ от температуры настройки2-го контура СТС (∆Тчэ)Результаты моделирования СТС в среде Simulink подтверждают эффективность выбранного алгоритма работы 1-го контура СТС с адаптируемой температурой настройки с целью поддержания мощности во 2-м контуре в диапазонеот 0,2 до 0,4 Вт, что в свою очередь позволяет обеспечить требуемую стабильность нулевого сигнала ГИВУС на уровне 0,002 º/ч.119Оптимальные выходные статические характеристики контуров СТС, полученные при моделировании и экспериментальных исследованиях, имеют видпредставленный на Рис.