Спосіб прогнозування показників надійності термоелектричного пристрою

Реферат: Спосіб прогнозування показників надійності термоелектричного пристрою включає визначення працездатності за формою перехідної характеристики, що отримується при подачі на вхід нормованого джоулева теплового імпульсу, прогнозування можливості виходу з ладу термоелектричного пристрою шляхом аналізу часової зміни його коефіцієнтів передачі. Визначення показників надійності проводять без переривання функціонування пристрою по значеннях температури на холодному і гарячому електродах і їх перепаду. Визначають первинне і поточне значення ефективності термоелектричного матеріалу, по значеннях яких при фіксованому часовому відрізку зчитування поточного усередненого значення ефективності термоелектричного матеріалу обчислюють вірогідний час виходу пристрою з ладу. Запуск теплового імпульсу здійснюють лише на квазістаціонарній ділянці процесу, який визначають по відхиленню поточного значення ефективності матеріалу від максимального значення інтерпольованої гістограми розподілу первинного тимчасового ряду вибірок значень ефективності матеріалу. UA 104880 U (12) UA 104880 U UA 104880 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до холодильної техніки і може бути використана для підвищення показників надійності термоелектричних пристроїв. Сфери використання термоелектричних пристроїв: малогабаритні холодильники, кондиціонування повітря, медична апаратура, системи забезпечення теплових режимів процесорних елементів, лазерів, інфрачервоних приймачів і тому подібне. Це обумовлено малими габаритами і масою охолоджуючих пристроїв, низькою інерційністю, простотою управління, здатністю працювати в широкому діапазоні механічних і кліматичних експлуатаційних дій. Відсутність рухомих частин робить термоелектричні пристрої надійнішими в порівнянні з компресійними пристроями. Це важливо для критичних систем, в яких вихід з ладу значимих теплонавантажених компонентів призводить до наслідків, що істотно перевищують вартість самої системи або до катастрофічних (див.: Соммервиль И. Инженерия программного обеспечения. - М.: Вильяме. - 2002. - 624 с.). Розширення галузі застосування критичних систем і наближення експлуатаційних характеристик тепло навантажених елементів до граничних, суттєво погіршуються показники надійності порівняно з паспортними (Жаднов В.В., Сарафанов А.В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 464 с.), тому підходи, направлені на підвищення показників надійності теплонавантажених елементів, актуальні. Відомі способи підвищення показників надійності термоелектричних охолоджувачів, засновані: - на збільшенні відтоку тепла від тепловиділяючих елементів (див. патенти RU № 110604, 2407111, 2474484, 2419181); - на введенні бар'єрного покриття, що перешкоджає дифузії матеріалу припою і контактних пластин в напівпровідниках (див. патент RU № 2425434); - на захисті термоелементів від конденсату (див. патент RU № 2372757); - на технології виготовлення модуля (див. патент US № 5103286); - на інтенсифікації теплообміну (див. патент RU № 1824681); - на особливостях конструкції пристроїв (див. патенти RU № 2131564, 2155917). Всі ці способи засновані на параметричних методах підвищення показників надійності термоелектричних охолоджувачів, кожен з яких враховує лише одну складову, що часто виявляється недостатнім. Для складних умов експлуатації та в режимах, близьких до граничних, використання середньостатистичних показників надійності (інтенсивності відмов, вірогідність безвідмовної роботи), отриманих для паспортних умов експлуатації, неприйнятно, оскільки реальні показники можуть відрізнятися на порядки у порівнянні з довідковими (див.: Зайков В.П. Влияние тепловой нагрузки на показатели надежности двухкаскадных термоэлектрических охлаждающих устройств / В.П. Зайков, В.И. Мещеряков, А.А. Гнатовская // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий. Прикладные информационные технологи. - 4/9 (52). - Харьков: Технологический центр, 2011. - С. 34-38). Відомі також способи підвищення показників надійності термоелектричних охолоджуючих пристроїв за рахунок обліку основних значимих конструктивних, енергетичних, електричних параметрів і ефективного конструювання (див. Зайков В.П., Киншова Л.А., Моисеев В.Ф. Прогнозирование показателей надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Книга 1. Однокаскадные устройства. Одесса: Политехпериодика, 2009. - 118 с). Такі підходи дозволяють проектувати термоелектричні охолоджувачі з урахуванням їх режимів роботи і прогнозувати показники надійності, проте вихідні дані беруться з усереднених довідкових, тому залишаються проблеми отримання реальних характеристик, особливо за умов експлуатації, відмінних від паспортних. Актуальна потреба визначення реального стану критичних елементів при експлуатації для прогнозування поведінки системи і вживання обґрунтованих заходів по забезпеченню їх працездатності (Александровская Л.Н., Афанасьев А.П., Лисов А.А. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем. - М.: Логос, 2001. - 208 с.). Найбільш близьким аналогом по технічній суті та результатам, що досягаються, є 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, при цьому на холодному електроді термоелектричного охолоджувача, що працює зі схемою термостабілізації, генерують тепловий імпульс нормованої енергії потужністю 5-10 % максимальної холодопродуктивності і тривалістю рівній постійною тепловою часу - 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 1 UA 104880 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 подачі теплового імпульсу нормованої енергії, а за значенням сталої температури на холодному електроді після закінчення перехідного процесу термостабілізації і зіставлення струму живлення термоелектричного пристрою з раніше накопиченими значеннями струму живлення, одержаних при тих же умовах, прогнозують вірогідність виходу показників надійності за допустимі межі (див. Патент UA № 62554 Спосіб прогнозування показників надійності термоелектричного охолоджувача: винахідники і власники Мещеряков В.І., Зайков В.П., Гнатовська Г.А. зареєстровано 25.08.2011; опубл. 25.08.2011, Бюл. № 16. - С. 4) Найближчий аналог і спосіб, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: - працездатність термоелектричного охолоджувача визначається за формою перехідної характеристики, що отримується при подані на вхід нормованого джоулева теплового імпульсу; - прогнозування можливості виходу з ладу термоелектричного пристрою проводять шляхом аналізу часових змін теплової характеристики передачі пристрою. В той же час, запропонований спосіб визначення працездатності термоелектричних охолоджуючих пристроїв, може бути застосовано лише для стаціонарних процесів. Дійсно, вказаний в найближчому аналогу спосіб внесення збудження і аналіз перехідної характеристики заснований на тому, що початковий об'єкт (ТЕУ) знаходиться в стійкому стані та при подачі ступінчастого збудження ТЕУ переходить в інший стійкий стан. Перехідний процес, описаний в найближчому аналогу, містить затухаючі коливання, а негативна частка хвилі перехідного процесу щодо нового стійкого стаціонарного стану служать ознакою працездатності термоелектричного пристрою. Якщо ж під час дії ступінчастого збудження температура змінюється по інших причинах, отримуємо нестаціонарний процес, для якого поняття математичного очікування не зовсім коректно. Якщо передбачити, що температура зростає, причому її приріст у момент негативної напівхвилі дорівнює амплітуді цієї напівхвилі, то система обробки сигналу не виявить цю ознаку і не буде вирішено про працездатність термоелектричного охолоджувача. Аналогічна ситуація буде і при зниженні температури, тобто нестаціонарний процес приводить до помилки в прийнятті рішення щодо працездатності пристрою. Крім того, прогнозування вірогідного часу виходу термоелементів за допустимі межі працездатності у найближчому аналогу визначається лише по значеннях температури на холодному електроді і величині струму в термоелементі. Це обмежує достовірність прийняття рішення щодо прогнозованого виходу пристрою з ладу, оскільки температура і струм не є незалежними показниками, тому що пов'язані з навантаженням, опором і ефективністю матеріалу термоелементів. Зокрема, при виробництві термоелектричних модулів надійність виробу визначається за трьома показниками: зміні електропровідності, теплопровідності термоелектричних елементів, постійній часу термоелектричного пристрою, кожен з яких ідентифікує свій деструктивний фізичний процес (див. Babin, V.P. Thermoelectric testing by a manufacturer / V.P. Babin, S.M. Gorodetskiy // Proc. XIV Int. Conf. on Thermoelectrics, June 27-30, St. Peterburg, Russia, - 1995. - P. 338). В основу корисної моделі поставлена задача. що полягає у створенні способу, який підвищує достовірність контролю стану термоелектричного пристрою в процесі експлуатації і підвищує достовірність прогнозування вірогідного часу виходу пристрою з ладу внаслідок деградації ефективності термоелектричного матеріалу. Поставлена задача вирішується за рахунок виключення даних на нестаціонарному етапі функціонування, що включає: - виявлення квазістаціонарних і нестаціонарних ділянок часового ряду вибірок ефективності термоелектричного матеріалу; - визначення теплової сталої часу термоелектричного пристрою; - виділення інформаційно значимих ознак працездатності термоелектричного пристрою; - прийняття рішення про працездатність термоелектричного пристрою на квазістаціонарній ділянці; - формування тренда деградації на квазістаціонарних ділянках термоелектричного матеріалу пристрою; - визначення залишкового ресурсу і прогнозованого часу виходу пристрою з ладу. Поставлена задача вирішується в способі прогнозування показників надійності термоелектричного пристрою, що включає визначення працездатності за формою перехідної характеристики, що отримується при подачі на вхід нормованого джоулева теплового імпульсу, прогнозування можливості виходу з ладу термоелектричного пристрою шляхом аналізу тимчасової зміни його коефіцієнтів передачі, згідно з корисною моделлю, визначення показників надійності проводять без переривання функціонування пристрою по значеннях температури на 2 UA 104880 U 5 10 15 холодному та гарячому електродах і їх перепаду, визначають первинне і поточне усереднені значення ефективності термоелектричного матеріалу, по значеннях яких при фіксованому тимчасовому відрізку зчитування поточного усередненого значення ефективності термоелектричного матеріалу обчислюють вірогідний час виходу пристрою з ладу, при цьому запуск теплового імпульсу здійснюють лише на квазістаціонарній ділянці процесу, який визначають по відхиленню поточного усередненого значення ефективності матеріалу від максимального значення інтерпольованої гістограми розподілу у вікні первинного тимчасового ряду вибірок ефективності термоелектричного матеріалу. Новим в способі, що запропонований є те, що визначення показників надійності пристрою здійснюють без переривання функціонування пристрою в умовах квазістаціонарності його функціонування, а як контрольований показник вибрана ефективність термоелектричного матеріалу і її деградація, яка прямо не залежить від режимів роботи і навантаження термоелектричного пристрою. Це забезпечує підвищення достовірності прогнозування показників надійності термоелектричного пристрою охолодження. Спосіб реалізують наступним чином. Мікропроцесорний аналізатор з заданою періодичністю зчитує температуру холодного Т 0 і гарячого 20 Tгор електродів термоелектричного пристрою, по значеннях яких визначає поточний Ті  Тгорі  Т0і перепад температури . По цьому перепаду і температурі холодного електрода Т 0 знаходить по графічній залежності (див. Зайков В.П., Киншова Л.А., Моисеев В.Ф. Прогнозирование показателей надежности термоэлектрических охлаждающих устройств. Книга 1. Однокаскадные устройства. Одесса: Политехпериодика, 2009. - 118 с.), записаній у пам'яті мікропроцесорного аналізатора, максимальний перепад температур Tmax , і обчислює поточне ZMi i  2Tmax i 2 T0i значення ефективності термоелектричного матеріалу ZM i Поточне значення порівнюється з усередненим 25 30 . значенням ефективності Z термоелектричного матеріалу M i , отримане шляхом багатократного усереднювання поточних Z значень M i . Початкове значення ZM0 є базовим рівнем і нульовим елементом тренда, отриманим шляхом багатократного усереднення в стаціонарних паспортних умовах експлуатації. Визначення усередненої ефективності матеріалу може бути реалізоване на принципі поелементного перетворення. Суть його полягає в зміні стану реверсивного лічильника на одиницю у напрямі негативного зворотного зв'язку, що визначається знаком Z Z порівняння M i з M i . Підвищення точності поелементного перетворення для визначення тренда ефективності термоелектричного матеріалу досягається розбиттям реверсивного 35 40 45 50 Z перетворення на дві частки - інформативну (наприклад, 12 розрядів), співпадаючу з M i , і фільтруючу - для підвищення відношення сигнал/шум (наприклад, 10 розрядів). Так, при періоді надходження тактових імпульсів 0,1 сек., чого достатньо для аналізу теплового перехідного процесу термоелектричного пристрою, період вхідних сигналів інформаційної частки складе 102 сек, а максимальний цикл 116 годин (час напрацювання на відмову ТЕУ складає більш 100 тис. годин). Цього вистачає для ефективної фільтрації шумової складової і відстежування динаміки дрейфу тренда ефективності матеріалу. Виділення ділянок квазістаціонарності аналізованого ряду вибірок значень ефективності термоелектричного матеріалу визначається шляхом формування гістограми розподілу вхідного ряду вибірок (наприклад, з 99 послідовних значень), інтерполяції гістограми поліномом другого порядку, пошук значення її максимуму і визначення модуля різниці з усередненим значенням ефективності, що приймається за базовий рівень. Технічна реалізація такої процедури не представляє проблеми (див. Половко, А.М. Интерполяция. Методы и компьютерные технологии их реализации / А.М. Половко, П.Н. Бутусов, - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 320 с. - ISBN 594157-493-2). Наступна гістограма одержується додаванням нового значення в послідовність і виключення найстарішого значення, тобто методом ковзаючого вікна. Якщо значення цієї різниці перевищує заданий поріг (наприклад, 1-2 % первинного значення ефективності термоелектричного матеріалу), вхідний потік вважається за нестаціонарний, інакше - це квазістаціонарний процес. Сигнал квазістаціонарності процесу служить дозволом на запуск теплового збудження на холодний електрод термоелектричного пристрою і формування 3 UA 104880 U сигналу прийняття рішення щодо справності ТЕУ в автоматичному режимі контролю. Якщо під час формування опиту працездатності термоелектричний пристрій опиняється в нестаціонарному режимі, сигнал щодо дозволу запуску тестового імпульсу відсутній, мікропроцесорний аналізатор чекає появи умов квазістаціонарності і тоді запускає тестовий 5 10 Z тепловий імпульс. Стан M i і відповідний цьому моменту, і поточний час, є компонентами тренда деградації ефективності термоелектричного матеріалу охолоджувача. Періодичність автоматичної перевірки працездатності пристрою може задаватися автоматично, наприклад, один раз в добу, або вручну по запиту оператора. Оскільки тренд деградації є повільно спадаючим (див. Шевелев, А.В. Наноструктурированные термоэлектрические материалы. [Текст] / А.В. Шевелев // М.: Научнообразовательный центр по нанотехнологиям МГУ им. М.В. Ломоносова, 2010. - 58 с.), то різниця ZM0  ZMi є деградацією ефективності матеріалу в часі в абсолютному представленні, 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ZM0  ZMi ZM0 або 100 % у відносних одиницях. Вірогідний час досягнення пристроєм заданого рівня деградації матеріалу, тобто вірогідний час виходу охолоджувача з ладу, визначається з подібності прямокутних трикутників, катетами яких служать часові відрізки від нульової точки з ZM0 до точки виміру з ZM i і катета ZM i i часового відрізку пошуку з катетом ZM доп допустимого погіршення ефективності термоелектричного матеріалу (наприклад, 10 % від максимального). Тренд деградації термоелектричного матеріалу і апроксимація вірогідного часу виходу пристрою з ладу наведений на кресленні. Для визначення поточної працездатності пристрою в квазістаціонарному режимі роботи на холодний електрод термоелектричного пристрою подається імпульс джоулева тепла тривалістю не менш тепловою постійною часу охолоджувача (4-6 сек) і енергією 5-10 % від максимальної холодопродуктивності. Відхилення від сталого теплового режиму системою термостабілізації, що працює по відхиленню, сприймається як збурення, яке вона компенсує зміною робочого струму через термоелементи, відновлюючи температуру холодного електроду. Негативна напівхвиля перехідного процесу служить ознакою працездатності охолоджувача в квазістаціонарному режимі. Технічна реалізації запропонованого способу не викликає труднощів, оскільки методи цифрової обробки сигналів відпрацьовані досить глибоко (див.: Кехтарнаваз Н. Цифровая обработка сигналов на системном уровне с использованием Lab VIEW / Н. Кехтарнаваз, Н. Ким // М.: Додэка - XXI. - 2007. - 288 с), а мікропроцесори з аналоговими сигналами на вході широко представлені, у тому числі і у вигляді однокристальних засобів з мікропрограмним управлінням, наприклад (див. Бондаренко Д.Н. Встраиваемые микроконтроллеры AVR-8 / Д.Н. Бондаренко // - СПб.: БХВ, - 2014. - 198 с.). Отже, запропонований спосіб підвищення достовірності прогнозування відмови термоелектричного пристрою з системою термостабілізації технічно реалізується існуючими технічними засобами і не вимагає додаткових досліджень для його реалізації. Порівняння запропонованого способу з аналогами показує, що основними шляхами підвищення показників надійності термоелектричного пристрою є параметричні методи, якість проектування і технологія виготовлення, а з найближчим аналогом - введення теплового імпульсу на холодний електрод з подальшим аналізом перехідного процесу при перериванні робочого процесу термоелектричного пристрою для примусового введення його в стаціонарний режим. У запропонованому способі реалізується функція аналізу існуючого теплового процесу, виділення квазістаціонарних ділянок процесу і визначення прогнозу виходу пристрою з ладу і внесення тестового теплового збудження на квазістаціонарних ділянках, що розширює можливості способу за рахунок використання незалежного показника - ефективності термоелектричного матеріалу і розділення теплових процесів на нестаціонарні і квазістаціонарні. Позитивний ефект від реалізації запропонованого способу полягає в можливості автоматичного контролю працездатності термоелектричного пристрою і прогнозування залишкового ресурсу пристрою (або часу безвідмовної роботи) без переривання його роботи, що дозволяє своєчасно приймати рішення щодо заміни, резервування, запобігаючи супутнім дорожчим наслідкам відмов систем, в яких ТЕП є складовою частиною. Приклад конкретного використання способу. Інформаційна система управління розподілом просторової щільності інфрачервоного випромінювання з незалежними матричними напівпровідниковими датчиками з 4 UA 104880 U 5 термоелектричним охолоджуванням, що працюють в теплонавантаженому режимі. Показники надійності підсистеми "приймач випромінювання - термоелектричний охолоджувач" при критичних теплових навантаженнях на порядки нижче паспортних. Тому можливість управління системою обумовлена наявністю достовірної інформації від датчиків, які не можуть функціонувати без термоелектричних охолоджувачів, інформація про показники надійності і прогноз стану яких безпосередньо визначає життєздатність критичної системи. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Спосіб прогнозування показників надійності термоелектричного пристрою, який включає визначення працездатності за формою перехідної характеристики, що отримується при подачі на вхід нормованого джоулева теплового імпульсу, прогнозування можливості виходу з ладу термоелектричного пристрою шляхом аналізу часової зміни його коефіцієнтів передачі, який відрізняється тим, що визначення показників надійності проводять без переривання функціонування пристрою по значеннях температури на холодному і гарячому електродах і їх перепаду, визначають первинне і поточне значення ефективності термоелектричного матеріалу, по значеннях яких при фіксованому часовому відрізку зчитування поточного усередненого значення ефективності термоелектричного матеріалу обчислюють вірогідний час виходу пристрою з ладу, при цьому запуск теплового імпульсу здійснюють лише на квазістаціонарній ділянці процесу, який визначають по відхиленню поточного значення ефективності матеріалу від максимального значення інтерпольованої гістограми розподілу первинного тимчасового ряду вибірок значень ефективності матеріалу. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5