Автоматизированная система изучения тепловых режимов устройств ЭВС (стр. 11 из 19)
В связи с тем, что разработка всего комплекса программных средств (как прикладного, так и системного ПО – см. рисунок 5.1.1) для проектируемой системы – задача весьма трудоемкая и требующая специальной повышенной квалификации от разработчика, в рамках данного дипломного проекта, как уже отмечалось выше (п. 5.1), предполагается реализовать некоторую часть ПО для АСИТР, сакцентировав внимание на разработке прикладного ПО и, в частности, пользовательского интерфейса.
Разработку пользовательского интерфейса управляющей программы для АСИТР целесообразно выполнить на языке Visual Basic (в частности, используя версию Visual Basic 6.0 Professional Editor), который представляет собой мощный аппарат для создания высококачественных Windows – приложений, совмещая при этом широкие возможности с простотой создания кода [14]. Однако, в связи тем, что широко распространенный бесплатный элемент управления «Microsoft Chart Control» (Version 6.00.00) не содержит средств для построения наиболее приемлемой для решения данной задачи поверхностной диаграммы, и, как следствие, не является наиболее удачным средством визуализации тепловой модели исследуемого объекта, для этой цели целесообразно использовать возможности математического пакета «Matlab 5.2». «Matlab» представляет собой интерактивную программу, предназначенную для цифровых вычислений, обработки пользовательских данных и сигналов, а также наглядной визуализации результатов. Система Matlab сформирована на основе матричного программного обеспечения для работы с линейными системами уравнений.
Говоря о математическом обосновании построения тепловой модели исследуемого устройства ЭВМ, необходимо заметить, что для решения этой задачи нужно использовать интерполяцонную теорию (для вычисления температур, в промежуточных точках, т. е. в тех точках теплового поля, в которых непосредственно не установлены датчики температуры). Однако, учет суперпозиции полей и функций зависимостей распределения температуры от расстояния до источника тепловой энергии применительно к двухмерному пространству, является достаточно сложной задачей. Поэтому, при построении тепловой модели исследуемого устройства ЭВМ целесообразно использовать ряд упрощений и допущений, которые, однако, не приведут к невыполнению требований, предъявляемых к разрабатываемой системе по точности измерений.
Фрагменты программного обеспечения АСИТР приведены в Приложении 3.
5.4 Рекомендации по работе с программой
При разработке представленных в Приложении 3 фрагментов управляющей программы особое внимание было сакцентировано на построении доброжелательного интерфейса и поэтому представленное ПО во многом является самодостаточным и не требующим обширных дополнительных рекомендаций по работе. Однако, как и в каждой прикладной программе, учитывая особенности различных пользователей, есть некоторые аспекты использования ПО, которые нуждаются в уточнении и дополнительных разъяснениях для пользователей. Сюда можно отнести вопрос, связанный с вводом координат устанавливаемых на исследуемый объект датчиков. Очевидна нецелесообразность помещения непосредственно на форму какого-либо то пусть даже самого небольшого по объему руководства по заполнению соответствующих полей. Такую информацию предпочтительнее поместить в файл справки и в справку «Что это?».
6 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
6.1 Градуировка датчиков, настройка и регулировка системы
Для получения адекватных данных об исследуемом тепловом режиме с помощью АСИТР необходимо выполнить (однократно) ряд действий по настройке и регулировке системы. Первое, что требуется сделать – необходимо откалибровать используемые датчики.
Для выполнения данной задачи для проектировщика имеет смысл построить график температурной зависимости напряжения база – эмиттер (Vbe) для используемого в качестве теплодатчика транзистора. Для этого необходимо: 1) определить реальное значение Vbe на границах измеряемого интервала температур (согласно ТЗ: - 30 , +1000С); 2) построить график линейной зависимости Vbe= Vbe (Тх) с использованием двух значений Vbe: Vbe(- 300С ) и Vbe(+1000С). Для проверки линейности данной зависимости целесообразно дополнительно измерить значения Vbe в нескольких промежуточных точках рабочего диапазона температур (построить реальную градуировочную кривую).
На рисунке 6.1.1 представлена градуировочная кривая.
Рисунок 6.1.1 – Градуировочная кривая
Построение градиировочной кривой подтвердило, что для применяемых датчиков зависимость выходного напряжения от измеряемой температуры носит линейный характер. Некоторая нелинейность (неотображаемая на графике и лежащая в пределах 0,5 – 2%) объясняется погрешностями измерительной аппаратуры.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что применяемые датчики полностью соответствуют представленным фирмой-разработчиком на них техническими условиями.
В п.5.3 представлен фрагмент кода, из которого очевидны принципы использования и калибровки датчика: в граничных точках измеряемого интервала температур определяются данные от модуля АЦП, которые используются для расчета коэффициента линейной зависимости температуры от напряжения (ß) и далее, расчет температуры производится по формуле: Тх = ß *( Vadcx - Vadco), где Vadcx – данные от модуля АЦП при измеряемой температуре, Vadco – данные (однажды измеренные и записанные в память) при температуре 00С.
6.2 Экспериментальное исследование теплового режима системного блока ПЭВМ
В качестве исследуемого блока выберем блок персональной ЭВМ, который конструктивно содержит трансформаторный блок питания для питания электронной части ПЭВМ. Электронная часть реализована в виде объединительной панели (корзины) с установленными на ней горизонтально ячейками. Технические характеристики блока приведены в Приложении 2.
Как известно, температура нагрева устройства оказывается выше температуры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи тепла в окружающую среду. Этот процесс идет тем интенсивнее, чем больше разность температур рассматриваемого устройства и окружающей среды. Кроме того, следует помнить, что нагрев блока определяется величиной энергии, зависящей от времени. Если за определенный промежуток времени в блоке выделяется тепла больше, чем он может рассеять в окружающую среду, то тепло идет на нагрев элементов прогрессирует (нестационарный режим). В зависимости от конструкции изделия, а также от условий окружающей среды, через некоторое время наступает установившийся (стационарный) режим, при котором дальнейший нагрев элементов прекращается, и в окружающую среду отдается постоянная тепловая энергия.
Таким образом, для получения достоверных данных о реальном (стационарном) тепловом режиме исследуемого блока необходимо проводить измерения температур тепловыделяющих элементов через некоторое время (15 – 20 минут) после включения устройства.
В эксперименте целесообразно исследовать тепловой режим не всех компонентов входящих в состав блока, а лишь критичных к перегреву (в частности, ИМС - см. Приложение 2).
Необходимо также помнить, что кроме источников тепла, по которым производятся измерения, в исследуемом блоке присутствуют и нерассматриваемые источники тепловой энергии.
Учитывая вышеизложенное, произведем экспериментальное исследование теплового режима рассматриваемого блока. Датчики установим на поверхности исследуемых ИМС. Результаты исследования приведены на плакате БГУИ.411117.004Д (на первую ИМС, приведенную в таблице, поместим датчик №1, на 12-ую - №12).
Полученные в ходе проведенного эксперимента значения температур компонентов исследуемого блока ПЭВМ необходимо сопоставить с результатами теоретического расчета теплового режима данного блока, что и будет сделано в п. 6.3.
6.3 Теоретический расчет теплового режима системного блока ПЭВМ
Как было сказано п. 2, расчет теплового режима устройств ЭВМ заключается главным образом в определении по конструктивным данным тепловой модели температур нагретых зон (объем, в котором происходит рассеяние тепла) и поверхностей элементов. В ходе расчета определяют также температуру в других характерных зонах устройства (окружающего воздуха, корпуса и т.д.) и характеристики системы охлаждения.
При расчете тепловых режимов конструкций ЭВС реальную систему представляют в виде модели. Понятие тепловой модели было введено Г. Н. Дульневым [3]. Им же сформулировано основное требование, предъявляемое к тепловой модели: тепловая модель должна быть адекватна изучаемому явлению и реализуема математически.
Конструкция ЭВМ является системой многих тел с неравномерно распределенными источниками (элементами, выделяющими тепло) и стоками (- поглощающими) тепловой энергии. Ее температурное поле может иметь достаточно сложный характер, зависящий от распределения источников и стоков тепла, геометрии элементов конструкции и их теплофизических свойств. При построении тепловой модели упрощают рассматриваемые элементы конструкции и идеализируют протекающие в них тепловые процессы.
Один из способов упрощения – замена сложной по форме нагретой зоны элемента конструкции (например, субблока с разногабаритными комплектующими элементами, выделяющими неодинаковую тепловую энергию) прямоугольным параллелепипедом – эквивалентной нагретой зоной с одинаковой среднеповерхностной температурой и равномерно распределенным источником тепловой энергии. Такая замена выполняется на основании принципа усреднения [3].
В ряде случаев форму эквивалентной нагретой зоны определяют на сновании принципа местного влияния, который формулируется следующим образом: «любое местное возмущение температурного поля является локальным и не распространяется на отдаленные участки поля». Принцип суперпозиции температурных полей также используют при исследовании температурных режимов устройств ЭВМ для упрощения анализа сложных условий теплообмена и построения тепловой модели исследуемого объекта.