Спосіб прогнозування показників надійності термоелектричного охолоджувача

Спосіб прогнозування показників надійності термоелектричного охолоджувача, що включає подачу постійного струму на входи термоелектричного охолоджувача і визначення холодопродуктивності по перепаду температур між гарячим і холодним електродами, який відрізняється тим, що на холодному електроді термоелектричного охолоджувача, що працює зі схемою термостабілі 3 Проте для складних умов експлуатації параметричних підходів виявляється недостатньо, оскільки ці методи вирішують лише частку проблеми забезпечення надійності, а саме - якість проектування і виготовлення виробів. Використання структурних методів резервування підвищує параметри надійності проблемних елементів і системи в цілому (див. Половко A.M., Гуров С.В. Основы теории надежности. Практикум. - СПб: БХВ-Петербург, 2006.-560 с). В той же час, основні принципи, закладені в структурні методи підвищення надійності, засновані виключно на імовірнісних методах, тобто на середньостатистичних характеристиках відмов елементів при стандартних умовах, і практично не враховують умови експлуатації і навантаження. Розкид інтенсивностей відмов конкретного елемента і його середньостатистичної моделі в реальних умовах експлуатації може відрізнятися в десятки разів. Накопичення статистичних даних щодо відмов компонентів показує, що розкид відмов за часом відносно середньостатистичного значення великий і спостерігається насущна потреба в методах, які забезпечують прогнозування характеристик надійності конкретного елемента за його фактичним станом (див. Александровская Л.Н., Афанасьев А.П., Лисов А.А. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем. - М: Логос, 2001. - 208 с.). Ця задача є частиною фундаментальної проблеми забезпечення безвідмовного функціонування технічних систем. Тому сучасним направленням проектування надійних систем з елементів з кінцевим рівнем інтенсивності відмов стає не лише імовірнісна оцінка виходу елементів з робочого стану, а також контроль за робочим станом критичних компонентів в процесі експлуатації, що направлений на забезпечення прогнозування можливого виходу компоненту за характером неминучих деградаційних процесів, що впливають на параметри його надійності. Найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється, є спосіб, в якому пропонується прогнозування показників надійності однокаскадних термоелектричних охолоджуючих пристроїв. Спосіб полягає в тому, що від системи термостабілізації подають струм і визначають перепад температур між його холодним и гарячим електродами, по співвідношенню значень струму і температури яких визначають холодопродуктивність термоелектричного охолоджувача, розраховують показники надійності залежно від струмового режиму роботи термоелемента, величини струмового навантаження, підвищеної і зниженої температури навколишнього середовища (див. Зайков В.П., Киншова Л.А., Моисеев В.Ф. Прогнозирование показателей надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Книга 1. Однокаскадные устройства. Одесса,: Политехпериодика, 2009. - 120 с). Основними перевагами прототипу з позиції надійності є можливість раціонального проектування термоелектричних пристроїв при використанні стандартних модулів з урахуванням здатності радіатора по відводу тепла, визначення вірогідності безвідмов 62554 4 ної роботи в залежності від режимів роботи і навантаження, а також управління інтенсивністю відмов варіацією робочого струму. Даний спосіб вибраний найближчим аналогом способу. Найближчий аналог і спосіб, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: - на вхід термоелектричного охолоджувача подають постійний струм від системи термостабілізації; - визначають перепад температур між холодним і гарячим електродами. В той же час, запропонований спосіб прогнозування показників надійності термоелектричних охолоджуючих пристроїв, призначений для проектування пристроїв стосовно усереднених умов експлуатації і режимів роботи, обумовлених в технічних умовах, не забезпечує контролю працездатності в процесі експлуатації і прогнозування можливості виходу пристроїв з ладу унаслідок дії як зовнішніх умов, так і можливої деградації передавальних характеристик, що впливають на параметри надійності. Відомий термоелектричний пристрій термостабілізації (див. Изъярский О.И., Удалов Н.П. Термоэлектрические элементы. М.: Энергия, 1970. 72 с.), що містить термоелектричний охолоджувач, датчик температури і схему термостабілізації, що містить термоелектричний охолоджувач, датчик температури і схему термостабілізації. Проте, відомий пристрій не може достовірно і точно прогнозувати показники надійності термоелектричного охолоджувача. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу, що забезпечує контроль стану термоелектричного охолоджувача в процесі експлуатації і здійснює прогнозування показників надійності по наявності деградації параметрів термоелектричного охолоджувача та його функціонального оточення за допомогою пристрою, необхідного для цього контролю. Поставлена задача вирішена способом прогнозування показників надійності термоелектричного охолоджувача, що включає подачу постійного струму на входи термоелектричного охолоджувача і визначення холодопродуктивності по перепаду температур між гарячим і холодним електродами тим, що на холодному електроді термоелектричного охолоджувача, що працює зі схемою термостабілізації, генерують тепловий імпульс нормованої енергії потужністю 5-10 % максимальної холодопродуктивності і тривалістю, рівною тепловій сталій часу термоелектричного охолоджувача 2-4 с, а після його закінчення аналізують зміну температури на холодному електроді термоелектричного охолоджувача, і приймають рішення про працездатність термоелектричного охолоджувача за умови, що температура на холодному електроді досягла значення початкової температури до подачі теплового імпульсу нормованої енергії, а за значенням - сталої температури на холодному електроді після закінчення перехідного процесу термостабілізації, і за результатами зіставлення робочого струму живлення термоелектричного охолоджувача з раніше накопиченими аналогічни 5 62554 ми свідченнями прогнозують вірогідність виходу параметрів надійності за допустимі межі. Новим в способі, що заявляється, є те, що на холодному електроді термоелектричного охолоджувача, що працює з схемою термостабілізації, генерують тепловий імпульс нормованої енергії потужністю 5-10 % максимальної холодопродуктивності і тривалістю, рівною тепловій сталій часу термоелектричного охолоджувача - 2-4 с, а після його закінчення аналізують зміну температури на холодному електроді термоелектричного охолоджувача, і приймають рішення про працездатність термоелектричного охолоджувача за умови, що температура на холодному електроді досягла значення початкової температури до подачі теплового імпульсу нормованої енергії, а за значенням сталої температури на холодному електроді після закінчення перехідного процесу термостабілізації і зіставлення струму живлення термоелектричного охолоджувача з раніше накопиченими значеннями - прогнозують вірогідність виходу параметрів надійності за допустимі межі. Спосіб реалізується таким чином. На холодний електрод термоелектричного охолоджувача подається імпульс джоулева тепла потужність 5-10 % максимальної холодопродуктивності охолоджувача і тривалістю, рівною тепловій сталій охолоджувача (2-4 секунди). Відхилення від встановленої температури холодного електроду термоелектричного охолоджувача розглядається схемою термостабілізації як збурення, і вона відпрацьовує режим відновлення температури холодного електроду. На струмові входи термоелектричного охолоджувача надходить збільшений струм для компенсації розбалансу. Оскільки об'єкт управління тепловий, то його можна описати лінійною інерційною ланкою першого порядку (Tp  1)y  kx з передавальною хаk рактеристикою w(p)  (див. Юревич Е.И. Tp  1 Теория автоматического управления. Л.: Энергия, 1969. - 375 с). Перехідна характеристика такої ланки є експонентою h( t )  k(1  exp  1T , а величина постійною часу T визначає інерційність ланки. Інерційність ланки добре описують теплові об'єкти з однорідними характеристиками, до яких можна віднести і термоелектричні пристрої охолоджування з радіаторами. Оскільки короткочасний тестовий тепловий вплив істотно менше теплової інерційності системи охолоджування з радіатором, то приведені міркування щодо передавальних характеристик можна визнати коректними. Управління термоелектричними пристроями охолоджування виконано так, щоб мати можливість компенсації додаткового теплового імпульсу, що надходить ззовні, отже, має бути надлишок холодопродуктивності у порівнянні із звичайним робочим режимом. Системи управління по відхиленню зазвичай моделюються коливальною лан   2 кою другого порядку (T1 p 2  T2p  1)y  kx , причо му T1 і T2 зв'язані умовою:   T2  1 , а корні 2T1 6 характеристичного рівняння є комплексними. Рівняння сталого режиму коливальної ланки має такий же вигляд, як і інерційної ланки: y CT  kx CT . T2 , то можна ви2T1 значити перехідні характеристики коливальної ланки для різних значень  . При малих значеннях величини (  0,1) спостерігається максимальна швидкість наростання h(t ) , яка досягає сталого значення k, досягається майже двократне перевищення цього значення, а потім починається коливальний затухаючий процес, відносно сталого значення. При   0,4 швидкість наростання перехідного процесу знижується, коливання затухають швидше, проте зменшується і перерегулювання. При   1 коливальний процес відсутній, проте і час досягнення стаціонарного значення істотно збільшується (див. там же). З наведеного вище виходить, що відмінність в поведінці інерційної ланки (ланка сприйняття і накопичення зовнішнього теплового потоку) і статичної коливальної ланки другого порядку температурної стабілізації (схема термостабілізації за рахунок варіації холодопродуктивності термоелектричного охолоджувача) можна використовувати для прийняття рішення щодо працездатності охолоджувача. При справному термоелектричному охолоджувачі поглинання зовнішнього теплового імпульсу приводить до підвищення температури холодного електроду. Ця інформація по ланцюгу зворотного зв'язку надходить на схему управління температурою і змінюється робочий струм для збільшення холодопродуктивності охолоджувача. При компенсації зовнішнього теплового потоку відбувається деяке перерегулювання, оскільки термін компенсації критичний для подібних пристроїв. Цей коливальний процес з перекомпенсацією і служить початковою інформацією про працездатність термоелектричного пристрою. При несправному термоелектричному пристрої коливальний процес спостерігатися не буде. Температура холодного електроду при поглинанні джоулева тепла спочатку підвищиться, а потім за рахунок теплоємності навколишніх компонентів може декілька знизитися, проте не досягне температури стабілізації і коливального процесу відносно температури стабілізації спостерігатися не буде, що може служити підставою для прийняття рішення про непрацездатність термоелектричного охолоджувача зі схемою термостабілізації. Сталий режим на холодному електроді після дії тестового теплового імпульсу збурення і відпрацювання циклу термостабілізації використаний для визначення величина струму живлення за незмінних зовнішніх умов. Зіставлення її з раніше одержаними величинами за тих же умов дозволяє виявити характер деградаційних процесів в термоелектричному охолоджувачі. Незмінні зовнішні умови можуть бути забезпечені блокуванням вхідного теплового потоку, що для інфрачервоних систем досягається діафрагмуванням випромінювання, що надходить, на час тестування. Якщо ввести позначення   7 Методи аналізу сигналів пропрацьовано досить глибоко (див. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник. - СПб: Питер, 2001. - 752 с), тому задача виявлення коливання сигналу відносно константи, до того ж синхронізованого з тестовим тепловим імпульсом, не представляє технічної проблеми. Це також стосується і побудови за отриманими даними кривої зміни характеристики передачі в часі. Математичні методи прийняття рішень і алгоритми їх реалізації також відомі (див. Бодров В.И., Лазарева Т.Я., Мартемьянов Ю.Ф. Математические методы принятия решений: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. тех. ун-та, 2004. - 124 с). Мікропроцесорні засоби реалізації обробки таких сигналів в реальному часі експлуатації системи відомі, вони широко представлені на ринку по доступній ціновій політиці (див. Павлов А.И. Микропроцессорные системы управления. Одесса, 2004. - 386 с). Отже, запропонований спосіб прогнозування працездатності термоелектричного пристрою охолоджування із схемою термостабілізації технічно реалізується існуючими технічними засобами і не вимагає додаткових винаходів для його реалізації. Порівняння запропонованого способу з найближчим аналогом показує, що спосіб подачі теплового імпульсу на холодний електрод відомий. Відомі також способи обробки сигналів мікропроцесорними пристроями. Проте в новій сукупності вони дозволяють набути нової неочевидної властивості, а саме - визначити працездатність термоелектричного охолоджувача по коливальній характеристиці температури на холодному електроді, а по сталому значенню температури після закінчення перехідного процесу, встановити характер процесів деградації коефіцієнта передачі і прогнозувати вірогідний час виходу його з ладу. Позитивний ефект від реалізації запропонованого способу полягає в можливості автоматичного визначення працездатності термоелектричних охолоджувачів, а також прогнозувати вірогідності виходу його з ладу і своєчасно вживати заходів для цього. Це дозволяє як своєчасно приймати рішення щодо заміни виробів, що вийшли з ладу, і тим самим скорочувати час простою устаткування, так і передбачати вірогідність можливого виходу системи з ладу, попереджаючи супутні дорожчі і більш серйозні наслідки раптових відмов системи. Пристрій для реалізації запропонованого способу приведений на фіг. 1. Пристрій прогнозування показників надійності термоелектричного охолоджувача включає: 1 - термоелектричний охолоджувач; 2 - гарячий електрод термоелектричного охолоджувача; 3 - холодний електрод термоелектричного охолоджувача; 4 - датчик температури; 5 - схему термостабілізації; 6 - блок формування тестового імпульсу; 7 - нагрівник; 8 - мікропроцесорний аналізатор. Пристрій містить термоелектричний охолоджувач 1 з гарячим 2 і холодним 3 електродами термоелектричного охолоджувача, датчик темпе 62554 8 ратури 4, розташований на холодному 3 електроді термоелектричного охолоджувача 1, призначений для отримання зворотного зв'язку для схеми термостабілізації 5. Виходи схеми термостабілізації 5 підключені до живильних входів термоелектричного охолоджувача 1. Для забезпечення можливості прогнозування параметрів надійності термоелектричного охолоджувача, в його склад введений блок формування тестового імпульсу 6, підключеного до нагрівника 7, який методом тонко плівкової технології нанесений на холодний електрод 3 термоелектричного охолоджувача 1. Крім того, пристрій містить мікропроцесорний аналізатор 8, вхід першого аналого-цифрового перетворювача якого приєднаний до датчика температури 4, вхід другого аналого-цифрового перетворювача якого підключений до виходу схеми термостабілізації 5, управляючий вихід якого сполучений із стартовим входом блоку формування тестового імпульсу 6, а його інформаційний вихід є виходом пристрою прогнозування. Пристрій працює таким чином. На термоелектричний охолоджувач 1 подається робочий струм від схеми термостабілізації 5, в ланцюг зворотного зв'язку якої поступає сигнал про температуру холодного 3 електроду термоелектричного охолоджувача від датчика температури 4, виготовленого за тонко плівковою технологією у вигляді металевого (наприклад, танталового) датчика опору. Отже, блоки 1, 4, 5 в сукупності утворюють класичну систему стабілізації температурного режиму охолоджувача зі зворотнім зв'язком по відхиленню. При подачі стартового імпульсу від мікропроцесорного аналізатора 8, за який використовується мікроконтролер з двома аналоговими входами, на виході блоку формування тестового імпульсу генерується імпульс заданого струму і тривалості у діапазоні 1-4 секунд. Він надходить на нагрівник 7, виготовлений за тією ж технологією і з того ж матеріалу, що і датчик температури 4, але що має ширшу доріжку (у 10-20 разів), що дозволяє пропускати через нього більший струм. Фізикотехнологічні основи технології і конструювання тонкоплівкових опорів відомі (див. Бабыкин А.А. Электроника и микроэлектроника. Физикотехнологические основы. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 424 с, Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование /Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И. под ред. Л.А. Коледова. - М.: Высш. шк., 1984. - 231с). Тепло, що виділяється на нагрівнику 7, нагріває холодний електрод 3 термоелектричного охолоджувача. Потужність теплового імпульсу складає 5-10 % від максимальної холодопродуктивності охолоджувача, чого вистачає для проведення якісного аналізу перехідної характеристики і мінімізації терміну відновлення температурного режиму холодного електроду. Схема термостабілізації зачинає відпрацьовувати режим відновлення температури холодного електроду 3, тобто подає збільшений струм на термоелектричний охолоджувач 1, продукуючи вищу холодопродуктивність охолоджувача. Процес відновлення сталого значення температури на холодному електроді 3 при справному термоелектричному охо 9 лоджувачі проходить затухаючий коливальний цикл через точку перетину температури сталого значення, перерегулювання, коли температура опускається нижче сталого значення і недорегулювання, наближаючись до сталого значення. Мікропроцесорний аналіз сигналу відносно часу збурення (подачі тестового теплового імпульсу) не представляє проблеми, оскільки моделювання і програмування перехідних процесів представлене в літературі (див. ПавловА.И. Микропроцессорные системы управления. Одесса, 2004. - 386 с). По наявності коливань сигналу відносно сталого значення мікропроцесорний аналізатор приймає рішення про працездатність контрольованого термоелектричного охолоджувача. Якщо термоелектричний охолоджувач зі схемою термостабілізації не досягає сталого рівня температури, приймається рішення щодо непрацездатності охолоджувача. Прогнозування можливості виходу з ладу термоелектричного охолоджувача при безперервному характері відмов за рахунок деградації характеристик здійснюється після встановлення сталого значення температури на холодному електроді і зіставлення робочого струму термоелектричного охолоджувача з аналогічними значеннями в попередніх перевірках. Для виключення впливу зовнішніх дій на результати вхідний потік на холодний електрод блокується шляхом діафрагмування в момент подачі стартового імпульсу на блок формування тестового імпульсу 6 до встановлення сталого процесу (на рисунку не показано). Приклад конкретного використання способу, що заявляється, з використанням пристрою, що заявляється. Прийняття рішення щодо працездатності засновано на аналізі зміни температури на холодному електроді - при досягненні стаціонарної температури після сприйняття тестового імпульсу нагріву приймається рішення про працездатність термоелектричного охолоджувача. Якщо за термін 62554 10 3-5 теплових сталих часу охолоджувача температура холодного електроду не досягла стаціонарного значення охолоджувач із схемою стабілізації (надійність якої суттєво вище охолоджувача, оскільки вона не знаходиться у теплонавантаженому режимі), приймається рішення про його непрацездатність. На фіг. 2 наведений графік перехідного процесу по перевірці працездатності термоелектричного охолоджувача. Прогнозування ймовірного часу виходу термоелектричного охолоджувача з ладу засновано на аналізі відносного коефіцієнту передачі в стаціонарному режимі k стаб.  ki  ki  kc , де k0 Iрі - коефіцієнт передачі, Tстаб. k 0 - коефіцієнт передачі при початкових паспортних умовах експлуатації, Iрі - робочий струм термоелектричного охолоджувача, необхідний для підтримання стаціонарної температури на холодному електроді Tстаб . На фіг. 3 наведений графік прогнозування часу виходу з ладу термоелектричного охолоджувача. Аналіз проводиться екстраполяцією одержаного відносного коефіцієнту передачі та 3-х або більше попередніх коефіцієнтів на вісь допустимої зміни коефіцієнту, коли термоелектричний охолоджувач виходить з зони допуску по надійності. На рисунку наведено для прикладу екстраполяція прямою, одержаною по 3-х точках. Прогнозування по першій екстраполяції показує, що до виходу приладу з ладу є достатньо великий термін часу. Прогнозування по останній екстраполяції показує, що треба терміново проводити регламентні роботи. 11 Комп’ютерна верстка Мацело В. 62554 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601