Материал: Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

С.Д. Кретов, А.В. Турецкий, Н.В. Ципина

Анализ теплового режима одноблочной

конструкции РЭС при естественном охлаждении

Данный анализ проводится с целью определения существующих направлений и методов математического обеспечения процедур и функций теплового расчета и состоит в оценке современных моделей описывающих тепловой режим одноблочной конструкции при естественном охлаждении

Целью данной работы является создание программного комплекса, позволяющего производить расчет температурных перегревов одноблочной конструкции при естественном охлаждении. Для достижения поставленной задачи программа должна обеспечивать вычисление тепловых характеристик на основе исходных данных о габаритах и теплофизических параметрах блока.

При выборе математических моделей и алгоритмов, реализуемых в программе, необходимо предъявлять к ним следующие требования:

• Математическое обеспечение должно быть построено с использованием иерархической структуры моделей;

• Модели должны обладать достаточной адекватностью и универсальностью;

• Алгоритмы и модели должны быть экономически оправданы с точки зрения затрат времени и средств на их реализацию.

Разработанные в программе методы и алгоритмы строятся на основе принципов многоуровневой и декомпозиционной структуры, и учитывают необходимость многократного воспроизведения результатов моделирования. Программное обеспечение разработано с учетом принципов объектно-ориентированного программирования в среде визуального программирования Delphi. При этом предусмотрено большая степень универсальности и удобства использования, для чего рекомендуется применить диалоговый режим ввода и обработки информации.

Применяемое математическое обеспечение обладает достаточной степенью точности, адекватно решаемой задачи, и экономически выгодно, с точки зрения затрат времени и средств на его реализацию.

Разработанное в рамках данной работы, программное обеспечение строится на основе современных принципов объектно-ориентированного программирования (ООП) в среде Delphi. При этом программное средство обладает большой степенью универсальности и удобства использования.

Алгоритм расчета, реализованный при помощи среды программирования Delphi, учитывает необходимость многократного воспроизведения результатов моделирования, а также строиться на основе принципов многоуровневой и декомпозиционной структуры.

Программное обеспечение ориентировано на использование стандартных баз данных, с которыми позволяет работать Delphi, и работать в среде Windows на ПЭВМ типа IBM PC.

Одноблочную конструкцию с вертикально ориентированными субблоками часто используют для нестационарных ЭВМ. В связи с этим интересен анализ ее теплового режима. При переходе к тепловой модели в качестве нагретой зоны будем рассматривать субблок. Примем следующие ограничения и допущения: нагретые зоны и корпус конструкции являются изотермическими поверхностями с температурами 6; и 6_К; давление внутри корпуса больше 133 кПа, есть гравитация, эффективная ширина каналов между субблоками больше 2..3 мм, т.е. возможен теплообмен за счет естественной конвекции; платы субблоков имеют одинаковый размер, причем толщина платы субблока и эффективная ширина каналов между субблоками много меньше геометрических размеров нагретой зоны субблока, ширина зазора между крайними платами и корпусом больше эффективной ширины каналов между субблоками; скорость движения воздуха постоянна по длине канала, образованного субблоками.

Тепловая модель с необходимыми параметрами показана на рис. 1.

Рис. 1. Тепловая модель одноблочной конструкции

с вертикально ориентированными субблоками

При естественном охлаждении такой конструкции температурное поле неравномерно распределено по осям х, у, z. На рис. 2 показаны зависимости температуры пакета плат от координат х, у, z.

Рис. 2. Распределение температурного поля по осям х, у, z

Рассмотрим механизмы передачи тепловой энергии от нагретых зон в окружающую среду. В бескаркасной конструкции с субблоками без теплоотводящих шин можно пренебречь передачей теплоты кондукцией по элементам крепления и монтажа. Тепловая энергия, выделяемая i-ой нагретой зоной (субблоком), передается излучением с боковых поверхностей на соседние (i+l)-ю и (i-l)-ю нагретые зоны (тепловые сопротивления R_i,i+1 и R_i,i-1) и с торцевых поверхностей к корпусу (тепловые сопротивления R_iK). От боковых поверхностей i -й и N-й плат тепловая энергия передается излучением к корпусу (тепловые сопротивления Ri _кб и R_{N кб}). Тепловая энергия от плат передается корпусу за счет естественной конвекции в каналах между нагретыми зонами, а также между i-й и N-й платами и боковыми стенками корпуса (тепловое сопротивление R_BK), который рассеивает ее в окружающую средув общем случае за счет кондукции, конвекции и излучения (тепловое сопротивление R_KC).

Тепловая схема, составленная на основании выполненного анализа механизмов передачи тепловой энергии, показана на рис. 3.

Рис. 3. Тепловая схема одноблочной конструкции

при естественном охлаждении

Тепловые проводимости, входящие в (3), зависят от температур плат, воздуха внутри конструкции, корпуса и окружающей корпус среды. Поэтому уравнения теплового баланса — нелинейные. Решение этих уравнений находится методом итераций, исходя из предполагаемых значений неизвестных перегревов. Основные этапы метода:

1. задают начальные значения неизвестных перегревов корпуса, воздуха и нагретых зон;

1. для данных перегревов определяются тепловые проводимости;

2. решают уравнения теплового баланса относительно неизвестных перегревов;

3. текущие значения перегревов сравнивают с предыдущими.

Тепловые проводимости для теплообмена конвекцией в каналах определяют по формуле (1):

σ = α_iв s_{i ,} (1)

где α_iв — коэффициент теплообмена конвекцией между поверхностью тела и воздухом; s_i — площадь поверхности теплообмена тела, м².

Коэффициент α_iв подсчитывается по формуле (2):

α_iв = 4,12 λ_в/b_эф, (2)

где λ_в – коэффициент теплопроводности.

Тепловая проводимость σ_вк равна сумме трех составляющих: от двух вертикальных стенок площадью соответственно 2 L₁L₃ и 2 L₂L₃ и двух горизонтальных стенок площадью L₁L₂ каждая.

В общем виде коэффициенты теплообмена конвекцией определяется по формуле

, (3)

где K_op – коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности,

К_н – коэффициент, учитывающий давление внутри конструкций и нормальное давление окружающей среды.

Результирующая тепловая проводимость

. (4)

Коэффициент теплообмена излучением от корпуса к среде определяем по формуле (5)

, (5)

При φ_кс=1.

Тогда лучевая составляющая тепловой проводимости корпус – среда

,

где θ_к – предполагаемая температура корпуса,

S_к = 2(L₁L₂+ L₁L₃ + L₂L₃) – площадь поверхности корпуса.

Литература

1. Муратов А.В., Макаров О.Ю. Автоматизированное теплофизическое проектирование микроэлектронных устройств: Учеб. пособие. Воронеж, 1997. 92 с.

2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1997. 312 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

В.А. Муратов, И.А. Новикова, А.А. Пирогов

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

МЕТОДОМ ХАРАКТЕРНЫХ НЕИСПРАВНОСТЕЙ

В разрабатываемом программном обеспечении заложен метод, который заключается в сравнении выходных характеристик диагностируемых радиоэлектронных средств (РЭС) со значениями выходных характеристик, занесёнными в память (так называемым справочником)

Первым шагом на пути составления справочника (справочной таблицы) является формирование таких определений неисправностей, которые охватывают наиболее вероятные их типы. Это очень важно для всего подхода, поскольку впоследствии могут быть идентифицированы только эти типы. Следует учесть большое число потенциально возможных типов неисправностей. Естественно, что от этого числа будут зависеть размеры справочника, что накладывает ограничения на применимость метода /2/. Справочные перечни входных воздействий и выходных реакций формируются при помощи моделирования проверяемой схемы для каждой гипотетической неисправности. Выходные характеристики заносятся в справочник с целью последующего использования для оперативной идентификации неисправностей. Расчёт модели схемы с заложенными в неё неисправностями производится при помощи программы схемотехнического моделирования PSpice. Так как диагностирование РЭС проводится в разных режимах (по постоянному току, во временной и частотной областях), то для каждого случая при формировании справочника необходимо использовать соответствующий метод /4,5/.

Чтобы обеспечить накопление минимального объёма данных, позволяющего достичь желаемой степени обнаружения и локализации, необходимо произвести оптимальный выбор входных воздействий и выходных реакций. Цель этого выбора состоит в сокращении объёма измерений без потери диагностической способности. Для этого могут быть использованы следующие методы: метод операций бинарной логики, эвристические методы, вероятностные методы.

В процессе диагностирования РЭС проводится измерение выходных характеристик исследуемого образца с помощью контрольно-измерительной аппаратуры для тех же входных сигналов, что были использованы при составлении справочника. После чего эти значения вводятся в программу диагностирования, которая путём сравнения их со значениями, хранящимися в справочнике, выдаёт перечень наиболее вероятных дефектов для данных выходных характеристик. Степень совпадения измеренных значений выходных характеристик с характеристиками, хранящимися в справочнике, оценивается по следующим методам: с использованием критерия максимального правдоподобия, нечёткого критерия, методу голосования и методам согласования /1,3/.

Для функционирования данного программного обеспечения необходима операционная система Windows 95 или более новая и установленная программа PSpice версии 6.х. Программа разрабатывалась на языке Visual C++.

Литература

1. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. М.: Высш. шк., 1975. 215 с.

2. Леденева Т.М. Моделирование процесса агрегирования информации в целенаправленных системах: Кн. 8. Моделирование, оптимизация и компьютеризация в сложных системах. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999. 155 с.

3. Интеллектуальные САПР технологических процессов в радиоэлектронике / А.С. Алиев, Л.С. Восков, В.Н. Ильин и др.; Под ред. В.Н. Ильина. М.: Радио и связь, 1991.

4. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики, аппаратные средства/ Под. ред. П.П. Пархоменко. М: Энергия, 1981. 203 с.

5. Саати Т.Л. Принятие решений. Метод анализа иерархий: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1993. 320 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 624.156

Л.С. Очнева, Н.Э. Самойленко, Л.С. Звегинцева

ВЫНОСНОЙ ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАТЧИКА

Изложены вопросы проектирования выносного пульта управления, предназначенного для управления по проводной линии связи передатчиком широкополосного сигнала, используемого для блокирования радиоуправляемых каналов

Выносной пульт управления (ВПУ) предназначен для дистанционного управления и диагностического контроля работы передатчика широкополосных сигналов, который используется для блокирования каналов управления радиоуправляемых устройств, при проведении взрывных работ. При проведении данных работ передатчик располагается в непосредственной близости от радиоуправляемого взрывного устройства, рядом с ним работает взрывотехник, а ВПУ находится на безопасном расстоянии от передатчика и взрывотехника.

Оператор осуществляет включение/выключение и диагностирование работы передатчиков. При возникновении аварийных ситуаций, о которых ему сообщает индикация пульта управления, он сообщает взрывотехнику, чтобы тот покинул опасную зону.

В различных системах управления одним из важных устройств является выносной пульт управления. Он предназначен для управления изделиями, диагностирования состояния работы устройств. В ряде случаев, когда исполнительное устройство располагается на расстоянии от оператора, то заменить выносной пульт управления практически нечем. Это свойство пультов позволяет их использовать всевозможными ведомственными службами.

Практически во всех радиостанциях применяют манипуляторы различной сложности, от наиболее простых до наиболее сложных, в виде малогабаритных компьютерных систем. Также практически во всех радиостанциях существует выносная гарнитура, которая позволяет переключать режимы работы, управлять включением/выключением радиостанции. На таких выносных пультах обычно располагаются микрофон, громкоговоритель, тангента управления режима приема/передачи, тональный вызов и др.

Выносные пульты управления можно классифицировать по способу передачи информации - проводные линии, радиоуправление, инфракрасное (ИК) управление.

Выносные пульты управления с радиоканалом позволяют управлять всевозможными радиомоделями (например, моделями машин, самолетов и другой техники), где используется пропорциональное управление. Примером пультов, в которых в качестве линии управления используют ИК управление, могут служить пульты практически всех бытовых приборов (телевизоров, видеомагнитофонов, музыкальных центров, кондиционеров и прочих). Но ИК устройства управления принадлежат к пультам, которые используются в стационарных условиях, в отсутствии ИК помех, климатических осадков и в условиях прямой видимости.

В рассматриваемом ВПУ не представляется возможным использование ИК или радиоуправления. Радиоуправление неприменимо по причине того, что передатчик помех блокирует все каналы радиосвязи. Если применять специальные меры компенсации помех или специальные устройства, работающие под помехами, то цена блока ВПУ станет достаточной дорогой, а надежность понизится. ИК управление также неприменимо из-за условий эксплуатации, атмосферные осадки в виде дождя и снега могут сделать невозможным передачу информации, не всегда возможно обеспечение прямой видимости. Проанализировав основные способы дистанционного управления можно сделать вывод, что для ВПУ, выполняющего вышеуказанные функции, наиболее предпочтительным является управление с помощью проводной линии в виде кабеля.

В существующем аналоге данного устройства использовалась упрощенная схема, в которую входили коммутационные элементы в виде тумблеров включения/выключения и переключения, индикаторов о работе каналов. Передача информации обеспечивается по девяти каналам. Такое схемное решение требует применения дорогостоящего четырнадцатипроводного кабеля с экранированными проводниками. Пятьдесят метров такого кабеля имеет достаточно большой объем и массу (15,1 кг), что представляет неудобство в работе и снижает надежность устройства.

Альтернативное схемное решение позволило уменьшить в 2 раза массогабаритные параметры устройства и применить четырехпроводный кабель.

Блок ВПУ реализован на матричной большой интегральной микросхеме (МБИС) 1806ВШ. Она представляет собой кодер-декодер, в котором в качестве помехоустойчивых кодов выбраны блоковые коды. А именно код Хэмминга, который позволяет исправить единичные ошибки. Микросхема 1806ВП1 предназначена для приема-передачи цифровой информации, выполнена по КМОП технологии, которая обеспечивает малое потребление энергии (ток потребления не более 1 мА при напряжении питания 5 В).

В блоке ВПУ в качестве физического канала связи используется проводная линия. Она представляет собой четырехпроводный кабель длинной 50 м, соединенный с ВПУ и внешним устройством при помощи четырехконтактных разъемов. По первому кабелю провода осуществляется подача положительного напряжения питания. По второму кабелю - подача отрицательного напряжения питания. По третьему кабелю - передача информации. По четвертому кабелю передается сигнал состояния футера. Структурная схема блока ВПУ приведена на рисунке.

С труктурная схема выносного пульта управления

При подаче питания на блок ВПУ он выходит в дежурный режим и осуществляет циклический прием информации о состоянии передатчиков. Существует пять состояний:

1. Передатчик выключен, индикаторы «Раб» (зеленого цвета) и «Авар» (красного цвета) погашены.

2. Передатчик включен и находится в режиме - при этом горит индикатор «Раб», а индикатор «Авар» погашен.

3. Авария по питанию (напряжение питания ниже минимального значения) - индикатор «Раб» погашен, индикатор «Авар» горит.

4. Авария по мощности - горит индикатор «Раб» и индикатор «Авар».

5. Превышение напряжения питания - все шесть индикаторов «Авар» моргают.

Блок индикации предназначен для вывода информации о состоянии передатчика оператору. Вывод информации осуществляется при помощи индикаторов зеленого и красного цвета («Раб» и «Авар» соответственно).

Блок управления предназначен для ввода команд оператором. Он осуществляется с помощью шести тумблеров и одной кнопки «Ввод».

Плата предназначена для приема-передачи команд от внешнего устройства, формирования этих команд по результатам данных пришедших от блока управления и дешифрации команд, принятых от внешнего устройства и выводе соответствующих сигналов в блок индикации.

Для подачи команды на включение-выключение передатчика во внешнее устройство производятся следующие действия: тумблер соответствующего передатчика переводится в положение «Вкл» («Выкл»). При этом МБИС формирует кодовое слово и по нажатию кнопки «Ввод», передает его во внешнее устройство. Для правильного приема информации в микросхеме 1806ВП1 используется цикловая синхронизация. Она предназначена для выделения начала передачи кодового слова. Синхронизация по циклам осуществляется при помощи передачи специальной синхронизирующей последовательности, структура которой в точке приема заранее известна, момент дешифрации которой принимается за начало отсчета передачи кодового слова. Таким образом, в начальный момент времени декодер находится в состоянии ожидании синхронизации и осуществляет переход в состояние обработки кодового слова только после ее приема. В случае неприема синхронизации, например, при искажении ее помехами, будет потеряно все сообщение. Для уменьшения потерь такого рода, блок ВПУ после нажатия кнопки «Ввод» повторяет кодограмму несколько раз. Для исключения ложной синхронизации выбор синхропосылки произведен из условия несовместимости ее с кодовыми словами и их сдвигами.