Стенд для имитации тепловых режимов

Предполагаемая полезная модель относится к технике испытаний и может быть использована для лабораторного моделирования условий эксплуатации бортовой аппаратуры.

Сущность полезной модели состоит в том, что в стенд для имитации тепловых режимов, включающий блок управления и электрически связанные с ним две нагревательных системы и блок охлаждения, а также датчики температуры, датчики скорости воздушного потока, а также блоки измерения температуры и скорости воздушного потока, блоки аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и компьютер, при этом стенд выполнен в виде камеры, корпус которой содержит теплоизолирующий слой, причем количество блоков первой нагревательной системы выбрано равным n, где n=1,, N, количество датчиков температуры взято равным (n+n ₁), где n₁=1,, N₁, а количество датчиков скорости воздушного потока выбрано равным (n+n₂), где n₂=1,N₂, при этом n датчиков температуры и n датчиков скорости воздушного потока установлены на соответствующих блоках первой нагревательной системы, причем блоки первой нагревательной системы с соответствующими датчиками установлены внутри камеры в местах испытуемых аппаратурных блоков, а вторая нагревательная система установлена на входе камеры, n₁ датчиков температуры и n₂ датчиков скорости воздушного потока равномерно установлены по внутреннему периметру камеры, причем электрические выходы с первого по (N+N₁) датчиков температуры и с первого по (N+N₂) датчиков скорости воздушного потока соединены с соответствующими с первого по (N+N₁) и с первого по (N+N₂) входами блоков соответственно измерения температуры и скорости воздушного потока, своей группой выходов через соответствующий блок АЦП подключенных соответственно к первой и второй группам входов компьютера, а управляющими входами соединенных соответственно с первым и вторым выходами блока управления, своими третьим выходом подключенного к управляющему входу блока охлаждения, соответствующими от первого до N-го выходами своей первой группы выходов соединенного с управляющими входами соответственно от первого до N-го блоков первой группы блоков нагрева, соответствующими от первого до (N+N₁)-гo выходами своей второй группы выходов подключенного к управляющим входам соответственно от первого до (N+N₁)-гo датчиков температуры, а соответствующими от первого до (N+N₂)-го выходами своей третьей группы выходов соединенного с управляющими входами соответственно от первого до (N+N₂)-го датчиков скорости воздушного потока и группой входов подключенного к группе выходов компьютера, входом соединенного со входом стенда.

При этом блоки первой нагревательной системы, выполнены в виде тепловыделяющих панелей, вторая нагревательная система выполнена в виде тепловой пушки, а блок охлаждения выполнен в виде системы приточно - вытяжной вентиляции и содержит установленный в отверстии в корпусе камеры вентилятор, а также расположенный внутри камеры в верхней ее части и выполненный в виде трубы вытяжной канал, одним из торцев выведенный и открытый наружу, а другим торцем и щелями, выполненными по длине трубы, открытым со стороны внутреннего объема камеры, причем управляющий вход вентилятора соединен с управляющим входом блока охлаждения.

Разработанный стенд при проведении испытаний объектов различного профиля обеспечивает возможность задания тепловых режимов, соответствующим эксплуатационным нагрузкам.

Предполагаемая полезная модель относится к технике испытаний и может быть использована для лабораторного моделирования условий эксплуатации бортовой аппаратуры.

Известна автоматизированная система контроля испытаний (АСКИ) (см., например, Н.Севрюгин и др. «Автоматизированная система контроля испытаний газотурбинных двигателей», СТА 1/2002, http: www. cta.ru), включающая блок сбора данных от датчиков температуры, давления, вибраций и функциональных параметров аппаратурных блоков испытуемого объекта, а также устройства обработки информации и визуализации.

Известная система обеспечивает возможность получения информации о состоянии испытуемого объекта, однако не решает вопроса задания эксплуатационных режимов.

Наиболее близким аналогом-прототипом является стенд для испытания термочувствительных клапанов, содержащий блоки нагрева и охлаждения, через систему клапанов соединенных со входами соответствующих контуров нагрева и охлаждения, выходами подключенных к линиям слива жидкости из соответствующих контуров, а также блок управления (см., например, патент РФ 2049981 с приоритетом от 18.07.90, МПК⁶: G01M 19/00).

Известный стенд обеспечивает возможность задания эксплуатационных режимов, однако его применение ограничено номенклатурой указанных в названии стенда объектов.

Задача полезной модели состоит в разработке стенда, обеспечивающего возможность соответствующих испытаний объектов различного профиля.

Сущность полезной модели состоит в том, что стенд для имитации тепловых режимов, включающий блок управления и электрически связанные с ним две нагревательных системы и блок охлаждения, а также датчики температуры, датчики скорости воздушного потока, а также блоки измерения температуры и скорости воздушного потока, блоки аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и компьютер, при этом стенд выполнен в виде камеры, корпус которой содержит теплоизолирующий слой, причем количество блоков первой нагревательной системы выбрано равным n, где n=1,, N, количество датчиков температуры взято равным (n+n ₁), где n₁=1,, N₁, а количество датчиков скорости воздушного потока выбрано равным (n+n₂), где n₂=1,N₂, при этом n датчиков температуры и n датчиков скорости воздушного потока установлены на соответствующих блоках первой нагревательной системы, причем блоки первой нагревательной системы с соответствующими датчиками установлены внутри камеры в местах испытуемых аппаратурных блоков, а вторая нагревательная система установлена на входе камеры, n₁ датчиков температуры и n₂ датчиков скорости воздушного потока равномерно установлены по внутреннему периметру камеры, причем электрические выходы с первого по (N+N₁) датчиков температуры и с первого по (N+N₂) датчиков скорости воздушного потока соединены с соответствующими с первого по (N+N₁) и с первого по (N+N₂) входами блоков соответственно измерения температуры и скорости воздушного потока, своей группой выходов через соответствующий блок АЦП подключенных соответственно к первой и второй группам входов компьютера, а управляющими входами соединенных соответственно с первым и вторым выходами блока управления, своими третьим выходом подключенного к управляющему входу блока охлаждения, соответствующими от первого до N-го выходами своей первой группы выходов соединенного с управляющими входами соответственно от первого до N-го блоков первой группы блоков нагрева, соответствующими от первого до (N+N₁)-го выходами своей второй группы выходов подключенного к управляющим входам соответственно от первого до (N+N₁)-го датчиков температуры, а соответствующими от первого до (N+N₂)-го выходами своей третьей группы выходов соединенного с управляющими входами соответственно от первого до (N+N₂)-го датчиков скорости воздушного потока и группой входов подключенного к группе выходов компьютера, входом соединенного со входом стенда.

При этом блоки первой нагревательной системы, выполнены в виде тепловыделяющих панелей, вторая нагревательная система выполнена в виде тепловой пушки, а блок охлаждения выполнен в виде системы приточно - вытяжной вентиляции и содержит установленный в отверстии в корпусе камеры вентилятор, а также расположенный внутри камеры в верхней ее части и выполненный в виде трубы вытяжной канал, одним из торцев выведенный и открытый наружу, а другим торцем и щелями, выполненными по длине трубы, открытым со стороны внутреннего объема камеры, причем управляющий вход вентилятора соединен с управляющим входом блока охлаждения.

Разработанный стенд при проведении испытаний объектов различного профиля обеспечивает возможность задания тепловых режимов, соответствующим эксплуатационным нагрузкам.

На фиг.1 приведена функциональная блок-схема стенда.

Стенд для имитации тепловых режимов содержит блок 1 управления, соответственно предназначенный для задания требуемых режимов работы стенда и выполненный в виде соответствующего устройства (см., например, описание патента РФ 2117326), группой входов соединенный с группой выходов компьютера 2, предназначенного для определения требуемых режимов работы стенда и контроля их воспроизведения и выполненного в виде, например, промышленного компьютера IPPC-950T фирмы Advantech (см., например, справочник «Передовые технологии автоматизации», Москва, апрель 1999, с.5, составитель справочника и поставщик продукции фирма ProSoft, адрес в Web - http://www. prosoft.ru).

Компьютер 2 своим входом соединен со входом стенда, а своими первой и второй группами входов через соответствующие группы выходов и входов блоков 3 и 4 аналого-цифровых преобразователей (АЦП) подключен к группам выходов соответственно блока 5 измерения температуры и блока 6 измерения скорости воздушного потока, управляющими входами подключенных соответственно к первому и второму выходам блока 1 управления, третий выход которого соединен с управляющим входом блока 7 охлаждения.

Кроме того, соответствующими от первого до N-го выходами своей первой группы выходов блок 1 управления подключен к управляющим входам соответственно от первого до N-го блоков 8 первой нагревательной системы (на фиг. не пронумерована), соответствующими от первого до (N+N₁ )-го выходами своей второй группы выходов блок 1 управления соединен с управляющими входами соответственно от первого до (N+N ₁)-го датчиков 9 температуры, а соответствующими от первого до (N+N₂)-го выходами своей третьей группы выходов блок 1 управления подключен к управляющим входам соответственно от первого до (N+N₂)-го датчиков 10 скорости воздушного потока.

Блоки 3 и 4 АЦП применены в соответствии со своим функциональным назначением и выполнены в виде КМОП - схем с параллельными выходами типа ILC 7109 (см., например, У.Титце и К.Шенк «Полупроводниковая схемотехника», М., «Мир», 1982, с.464), блок 5 измерения температуры предназначен для преобразования получаемых от датчиков 9 температуры показаний в электрические сигналы и выполнен в виде, например, многоканального измерителя серии ТМ 5100 (см., например, www.informpribor.ru/CATALOG/character/Izmeriteli_texnologiche-skie_mnog), а блок 6 измерения скорости воздушного потока соответственно предназначен для преобразования показаний, получаемых от датчиков 10 скорости воздушного потока, в электрические сигналы и выполнен в виде, например, микропроцесорного многоканального термоанемометр-термометра типа ТТМ-2/16-06 (см., например, каталог фирмы ОАО «Практик-НЦ», www.pnc.ru).

Датчики 9 температуры использованы в соответствии со своим функциональным назначением и выполнены в виде, например, термопреобразователей сопротивления ТС-1288Э/6 (см., например, www.elemer.ru), а датчики 10 скорости воздушного потока предназначены для измерения поверхностной плотности теплового потока и выполнены в виде, например, преобразователей плотности теплового потока ПТП 03 (см., например, www.omskeleton.ru).

При этом блок 11 охлаждения выполнен в виде системы приточно - вытяжной вентиляции и содержит установленный в отверстии (на фиг. не пронумеровано) в корпусе 12 камеры (на фиг. не пронумерована) вентилятор 13, выполненный в виде соответствующего устройства (см., например, www.vfco.ru), а также расположенный внутри камеры в верхней ее части и выполненный в виде трубы 14 вытяжной канал, одним из торцев 15 выведенный из полости камеры и открытый наружу, а другим торцем 16 и щелями 17, выполненными по длине трубы, открытыми со стороны внутреннего объема камеры, причем управляющий вход вентилятора 13 соединен с управляющим входом блока 11 охлаждения.

Кроме того, блоки 8 нагрева, предназначенные для обогрева воздуха в камере, выполнены в виде тепловыделяющих панелей, например в виде электрических обогревателей фирмы «Noirot» серии «Axane» (cм., например, www.comfort-da.ru/catalogue/heaters/convectors), причем теплоизолирующий слой 18 корпуса камеры стенда выполнен из минеральной ваты марки АТМ-1-МК.

При этом на входе камеры установлена вторая нагревательная система 19, управляющим входом соединенная с соответствующим выходом блока 1 управления и выполненная в виде тепловой пушки фирмы ООО «Электронагреватели» (см., например, http:// www.elten. ru/catalog_teplopushk.htm) и предназначенная для создания движущегося по камере потока подогретого воздуха.

Группа выходов компьютера 2 (соответственно группа входов блока 1 управления) состоит из шести выходов (соответственно входов), из которых первый, второй и третий выходы ориентированы на управление через блок 1 управления работой блоков 5 измерения температуры, 6 измерения скорости воздушного потока и 7 охлаждения, а четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы предназначены для соответствующего управления работой соответственно блоками 8 первой нагревательной системы, датчиками 9 температуры, датчиками 10 скорости воздушного потока второй нагревательной системой.

При этом первая, вторая и третья группы выходов блока 1 управления содержат первая N, вторая N+N₁, а третья N+N₂ выходов и соответственно управляющих входов от первого до N-го блоков 8 нагрева, от первого до (N+N₁ )-го датчиков 9 температуры и от первого до (N+N₂)-го датчиков скорости воздушного потока.

Стенд работает следующим образом:

С помощью блоков 8 нагрева через блок 1 управления и компьютер 2 в камере стенда задают температурное поле, соответствующее температурному состоянию среды, в которой должна работать испытываемая аппаратура.

Распределение температур внутри камеры регулируют с помощью системы приточно-вытяжной вентиляции блока 11 охлаждения и контролируют с помощью компьютера 2 путем анализа данных, поступающих от датчиков 9 температуры через блок 5 измерения температуры и АЦП 3, а также показаний датчиков 10 скорости воздушного потока через блок 6 измерения скорости воздушного потока и соответственно АЦП 4, причем для воспроизведения температурного состояния (Т _{i нат}) испытываемой на стенде аппаратуры (на фиг. не показана) параметры воздушной среды, а именно, температуру (Т_нат. ), скорость (V_нат.) и коэффициент теплоотдачи (_нат.) задают путем реализации с помощью компьютера 2 зависимости

T_ст.=f(T_нат. , _нат., V_нат.),

при которой для заданного _ст. достигается идентичность стендового температурного поля (Т_iст.) для испытываемого аппаратурного блока эксплуатационному (натурному) Т_{i нат.}

Следует отметить, что вышеуказанная идентичность (равенство Т _iст=Т_iнат) может быть достигнута путем решения компьютером 2 системы уравнений:

i=1,2,,N,

где С_i - теплоемкость i-го тела (в данном случае соответствующего испытываемого блока аппаратуры); Т_i и Т_j - температура соответственно i-го и j-го тела; Т_i, - температура среды; Ф_i(t) -мощность внутреннего источника теплоты в i-ом теле (в нашем случае мощности i-го блока 8 нагрева); R_ij=g_ij^-1 - тепловое сопротивление между i-м и j-м телами; g_ij - теплопроводимость между i-м и j-м телами; _i - коэффициент теплоотдачи с поверхности i-го тела S_i в среду с температурой Т,, _i; R_i=(_IS_i)^-1, (см., например, А.Г.Мадера «Моделирование теплообмена в технических системах», М.: НО Научный Фонд «Первая исследовательская лаборатория имени академика В.А.Мельникова», 2005, с.96) с использованием, например, метода последовательных приближений.

При этом моделирование аэродинамического нагрева (конвективного теплообмена) осуществляют в соответствии со способом нагрева в процессе полета путем создания движущегося вдоль объекта испытаний подогретого воздуха, температура и скорость движения которого достаточны для обеспечения равенства теплового потока, воздействующего на испытуемый объект на стенде (q_wст), полетному (q _wпол)

Так как q_wст=_cт(t_rст-t_wcт), а q _wпол=_пол(t_rпол-t_wпол), то

для обеспечения равенства (1), при выполнении которого t_wст=t_wпол, необходимо создать поток воздуха с параметрами:

t_rст=t_rпол и _cт=_пол,

причем влияние турбулентности набегающего потока моделируют с помощью тепловой струи, задаваемой тепловой пушкой второй нагревательной системы 19.

1. Стенд для имитации тепловых режимов, включающий блок управления и электрически связанные с ним две нагревательные системы и блок охлаждения, а также датчики температуры, датчики скорости воздушного потока, а также блоки измерения температуры и скорости воздушного потока, блоки аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и компьютер, при этом стенд выполнен в виде камеры, корпус которой содержит теплоизолирующий слой, причем количество блоков первой нагревательной системы выбрано равным n, где n=1,, N, количество датчиков температуры взято равным (n+n ₁), где n₁=1,, N₁, а количество датчиков скорости воздушного потока выбрано равным (n+n₂), где n₂=1,N₂, при этом n датчиков температуры и n датчиков скорости воздушного потока установлены на соответствующих блоках первой нагревательной системы, причем блоки первой нагревательной системы с соответствующими датчиками установлены внутри камеры в местах испытуемых аппаратурных блоков, а вторая нагревательная система установлена на входе камеры, n₁ датчиков температуры и n₂ датчиков скорости воздушного потока равномерно установлены по внутреннему периметру камеры, причем электрические выходы с первого по (N+N₁) датчиков температуры и с первого по (N+N₂) датчиков скорости воздушного потока соединены с соответствующими с первого по (N+N₁) и с первого по (N+N₂) входами блоков соответственно измерения температуры и скорости воздушного потока, своей группой выходов через соответствующий блок АЦП подключенных соответственно к первой и второй группам входов компьютера, а управляющими входами соединенных соответственно с первым и вторым выходами блока управления, своими третьим выходом подключенного к управляющему входу блока охлаждения, соответствующими от первого до N-го выходами своей первой группы выходов соединенного с управляющими входами соответственно от первого до N-го блоков первой группы блоков нагрева, соответствующими от первого до (N+N₁)-го выходами своей второй группы выходов подключенного к управляющим входам соответственно от первого до (N+N₁)-го датчиков температуры, а соответствующими от первого до (N+N₂)-го выходами своей третьей группы выходов соединенного с управляющими входами соответственно от первого до (N+N₂)-го датчиков скорости воздушного потока и группой входов подключенного к группе выходов компьютера, входом соединенного со входом стенда.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что блоки первой нагревательной системы выполнены в виде тепловыделяющих панелей, а вторая нагревательная система выполнена в виде тепловой пушки.

3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что блок охлаждения выполнен в виде системы приточно-вытяжной вентиляции и содержит установленный в отверстии в корпусе камеры вентилятор, а также расположенный внутри камеры в верхней ее части и выполненный в виде трубы вытяжной канал, одним из торцев выведенный и открытый наружу, а другим торцем и щелями, выполненными по длине трубы, открытым со стороны внутреннего объема камеры, причем управляющий вход вентилятора соединен с управляющим входом блока охлаждения.