УДК 621.3.066.6 (КазНТУ имени К.И. Сатпаева, Алматы, Республика Казахстан)

УДК 621.3.066.6
А.Б. Бекбаев, Е. Жалмухамед, Р.М. Утебаев, Н.А. Колтун
(КазНТУ имени К.И. Сатпаева, Алматы, Республика Казахстан)
ЛАБОРАТОРНАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ НЕДОСТУПНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Аннотация. Рассмотрены вопросы, связанные с определением температуры площадки касания
электрического контакта методами моделирования путем решения прямой задачи теплопроводности.
Изложена методика вычислений температуры недоступной поверхности с помощью применения
микропроцессорной техники и интерфейса ввода коэффициентов уравнения, реализованного на мобильном
компьютере. Методика испытаний включает описание лабораторной установки, алгоритм проведения
испытаний и возможности получения результатов.
Ключевые слова: электрический контакт, температура недоступной поверхности, измерение.
Методика испытаний интеллектуального датчика температуры недоступной
поверхности (ИД ТНП)
Основу описываемой лабораторной установки (рисунок 1) составляет разработанный метод
определения температуры недоступной поверхности контактной площадки электрического контакта
[1].
Лабораторная установка для исследования ИД ТНП состоит из четырех основных частей:
мобильный компьютер, микроконтроллерный блок управления, модель контактного элемента и
регулятор напряжения. Модель контактного элемента представляет собой латунный стержень,
длинной 24 см. Стержень закреплен на подставке, на одном из его концов установлен нагреватель.
В качестве нагревателя используется встроенное в стержень жало паяльника на композитном
материале, использование которого позволило добиться необходимой для экспериментов скорости
нагревания (нагрев до 100 по Цельсию градусов за 10 с.). Такая скорость нагрева стержня
приближает экспериментальную установку к реальным тепловым процессам, происходящим в
контактном элементе.
В качестве первичных измерителей-преобразователей в каждом канале используются
термопары. Сигнал, сформированный на выходе первого канала, представляет собой физическую
модель температуры доступной поверхности (ТДП), а сигнал, сформированный на выходе второго
канала, представляет собой вычисленную по расчётной формуле
в микроконтроллере
температуру недоступной поверхности. Результатом проведения испытаний является сравнение
результатов, полученных по первому и второму каналам. При проведении испытаний ИД ТНП
выполняются следующие действия:
- выбор материала испытуемого стержня;
- установка начального значения средней температуры стержня, теплофизических
характеристик стержня и максимально допустимой температуры нагрева;
- установка характеристик стержня, при которых на измеряемых точках заданная
максимальная температура достигается за 60 с.;
- установка плотности теплового потока, проходящего через недоступную для прямых
измерений температуры поверхность, и расчет соответствующей программы нагрева недоступной
поверхности;
- ввод режимных параметров и программы нагрева в энергонезависимую память ИД ТНП;
- проведение натурного эксперимента.
Рис.1. Лабораторная установка интеллектуального датчика температуры недоступной поверхности
Микроконтроллерный (МК) блок управления производит вычисление температуры
недоступной поверхности по запрограммированной формуле. Основными элементами блока
управления ИД ТНП являются (рисунок 2):
- U1, U2 – AD597 термопарные усилители с компенсацией температуры холодного спая
- TC1 – термопара К-типа (ТХА) UNI-T UT-T01 для измерения температуры доступной
поверхности;
- TC2 - термопара К-типа (ТХА) UNI-T UT-T01 для измерения температуры псевдонедоступной поверхности;
- BUTTON 1 (SB1), BUTTON 2 (SB2), BUTTON 3 (Reset) – кнопки управления;
- LCD1 – ЖК-дисплей LMB204BBC для отображения работы программы микроконтроллера;
- U4 – микроконтроллер (МК)PIC18F2550 – основа схемы;
- U5 – 32К 2.5В I2C последовательное ЭСППЗУ (EEPROM) 24LC32A;
- ZQ1- кварц 20МГц;
- FUSE 0.4A – предохранитель на 400 мА;
- J1 – USB – коннектор для связи МК с ПК.
Рис. 2. Принципиальная схема микроконтроллерного блока управления. Собрана и отлажена в среде
интеллектуального ввода схем ISIS Proteus [2]
Схема работает следующим образом. Сигналы с термопар поступают на термопарные
усилители U1 и U2 (AD597). Это монолитный контроллер, который оптимизирован для работы
при повышенных температурах. Компонент осуществляет компенсацию холодного спая и
усиление входного сигнала термопары, формируя внутренний сигнал, пропорциональный
температуре. Внутренний сигнал сравнивается с приложенным внешним напряжением, задающим
рабочую точку, для формирования коммутируемого выходного напряжения на низкоимпедансном
выходе. AD597 преобразует входной сигнал термопары в выходное напряжение с масштабом 10
мВ/°C. Далее выходные сигналы усилителей поступают на АЦП микроконтроллера для
дальнейших преобразований (АЦП имеет разрядность 10 бит). Настройка датчика на конкретный
режим производится вводом режимных параметров с клавиатуры мобильного компьютера с
помощью программной оболочки, написанной на языке DELPHI [3]. В МК осуществляются все
необходимые вычисления, результаты которых сохраняются во внешней энергонезависимой
памяти и передаются компьютеру по шине USB. На экране монитора компьютера в той же
оболочке (рисунок 3) отображаются результаты измерения температуры от двух термопар и
результат вычисления ТНП по формуле. Результаты измерений отображаются в виде колонок
(таблиц) данных (20 значений измерения) и в виде графиков.
Рис. 3. Программная оболочка для ввода данных с ПК
1 – Область ВВОДА ДАННЫХ (ввод режимных параметров)
Т0 – начальное значение средней температуры образца (0С), до начала эксперимента вводится
температура контактной системы;
L– расстояние от контактной поверхности до поверхности термометрирования (м),
расстояние между термопарой 1 и термопарой 2;
λ- теплопроводность материала (Вт/(м*0С));
с – удельная теплоемкость материала (МДж/(м3*0С));
q –плотность теплового потока (кВт/м2);
n3 – поправочный коэффициент 1;
n4 – поправочный коэффициент 2;
n5 – поправочный коэффициент 3;
U14 – поправочный коэффициент 4;
E10 – поправочный коэффициент 5;
T_Off – температура отключения нагревателя;
Delay – интервал измерения температуры.
2 – Область ОТОБРАЖЕНИЯ ДАННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР
(данные из микроконтроллера)
Та - температура доступной поверхности (измеряется Термопарой 1);
Тb –температура недоступной поверхности-эмуляция (измеряется Термопарой 2);
Т1 – искомая температура недоступной поверхности, вычисляемая в МК по формуле;
3 – Область ГРАФИКОВ ЗАВИСИМОСТЕЙ ТЕМПЕРАТУР ОТ ВРЕМЕНИ
В этой области строятся графики результатов измерений и вычисления температур.
Описание работы интерфейса пользователя. При запуске интерфейса в полях для ввода
уже содержатся значения режимных параметров, поле для графиков и колонки вывода данных
пустые, кнопка «Запуск программы контроллера» не активна. В поле для ввода данных можно
вводить не более 6 символов, включая точку. При подключении интеллектуального датчика
температуры к компьютеру активируется кнопка «Запуск программы контроллера». Необходимо
ее нажать, чтобы запустить программу микроконтроллера. После нажатия эта кнопка
деактивируется. Если перед измерением (опытом) колонки данных Ta, Tb и T1 имеют какие-то
значения, то необходимо их очистить нажатием кнопки «Очистить Ta, Tb, T1 и график». После
ввода новых значений режимных параметров необходимо нажать соответствующую кнопку
«Отправить в PIC-микроконтроллер». При получении данных от микроконтроллера заполняются
колонки Ta, Tb и T1. При нажатии кнопки «Построить» строятся графики зависимостей
температуры от времени. Время измеряется в относительных единицах (20 значений от 0 до 19).
При работе с графиками можно изменять масштаб (используя левую клавишу мыши) и
перемещать поле графиков (удерживая правую клавишу мыши). Перед следующим измерением
(опытом) необходимо очистить колонки данных Ta, Tb и T1 нажатием кнопки «Очистить Ta, Tb,
T1 и график», при этом поля для ввода данных не очищаются. Результаты последнего измерения
(опыта) сохраняются в файлах «Usb_thermocouple_T2.txt», «Usb_thermocouple_Tb.txt»,
«Usb_thermocouple_T1.txt», расположенных в одной папке с файлом исполняемой программы
интерфейса пользователя «USBThermocouple.exe».
Рис. 4. Алгоритм работы программы микроконтроллера. Программа написана на языке PicBasic [4,5]
Проведение экспериментальных работ.
При длительном прохождении номинальных токов через электрический контакт
максимальные температуры нагрева контактных соединений не должны превышать
установленных значений. Под температурой контакта понимают температуру наиболее нагретого
места в контактном узле (температуру площадки касания).
Площадка касания и непосредственно прилегающие к ней области обладают наибольшей
температурой нагрева. В реальных конструкциях контактных систем площадка касания, как
правило, недоступна для прямого измерения температуры [1].
Задачей эксперимента является, измерив температуру доступной поверхности вычислить
температуру недоступной поверхности с помощью полученной расчётной формулы.
Для моделирования процесса нагрева элемента электрического контакта выбран стержень
латуни длинной – 24 см, диаметром – 3мм.,который нагревается с одного конца композитным
материалом. На стержень установлены 2 термопары, позволяющие измерять температуру в
пределах от -60С до +230С (рисунок 5).
Термопара 1 предназначена для измерения температуры доступной поверхности
моделируемого контакта (срединное сечение теплоизолированного стержня). В дальнейшем это
значение используется для вычисления температуры недоступной поверхности .
Термопара 2 установлена возле нагревательного элемента и измеряет температуру
псевдонедоступной поверхности. Данные с термопары – 2 используются только для сравнения,
вычисленного по формуле значения температуры недоступной поверхности.
Проведение эксперимента начинается с задания начальных коэффициентов. Для этого в
программном интерфейсе, разработанном специально для работы пользователя с лабораторной
установкой, задаются следующие параметры:
- количество измерений температуры контактов доступной поверхности за минуту;
- коэффициент теплового потока контактного материала;
- длина самого контакта;
- поправочные коэффициенты.
Рис. 5. Внешний вид лабораторной экспериментальной установки
Далее запускается процесс нагрева стержня и измеряется температура контактов доступной
поверхности. Измерения производятся каждые 3 секунды, эксперимент длится не более минуты,
общее количество измерений достигает 20 значений. Данные значения подставляются в формулу
для определения ТНП. Полученные в результате значения ТНП сохраняются в памяти
контроллера, для дальнейшего построения графика.
Программный интерфейс пользователя позволяет по завершению эксперимента построить
график зависимости температуры, от времени используя данные сохраненные в памяти
контроллера (рисунок 6).
Рис. 6. График зависимости температуры от времени
На графике строятся три линии:
- Ta (красная линия) – температура доступной поверхности (измеряется Термопарой 1);
- Тb (коричневая линия) –температура недоступной поверхности-эмуляция (измеряется
Термопарой 2);
- Т1(синяя линия) – искомая температура недоступной поверхности, вычисляемая по
формуле.
Искомая температура недоступной поверхности, вычисляемая по формуле, сравнивается со
значением Термопары 2 для выявления погрешности.
Laboratory experimental equipment for testing intelligent sensor of temperature on inaccessible surface
Summary. The article presents the results of experimental work, which previously put forward by the authors
prove the theoretical assumptions about the possibility of determining the temperature of the contact surface of an
electrical contact by solving the direct heat conduction problem. Justified method of calculating temperature of
inaccessible surface by using microcontroller device and computer interface for enters equation coefficients.
Methods of tests include a description of the laboratory device, the algorithm testing and the possibility of obtaining
results.
Key words: electrical contact, the temperature of inaccessible surface, measurement.