Študije primerov / Peltierjev toplotni simulator
Peltierjev toplotni simulator za testiranje termostatskih ventilov
Prenosna testna naprava v enem kovčku, ki posnema spremembe temperature v prostoru in neprekinjeno, vzporedno meri, kako se odzivajo termostatske glave ventilov. Vsa elektronika, senzorji, mehanika, vdelana programska oprema in programska oprema so naša zasnova.
Pogovorimo se
Izziv
Termostatski radiatorski ventil se na temperaturo prostora odziva prek oddaljenega tipala, hitrost tega odziva pa je odvisna od tehnologije v glavi. Da bi to pokazal strankam, je proizvajalec potreboval demonstrator, ki bi ponovljivo spreminjal temperaturo okoli več glav ventilov in natančno pokazal, kako se giblje vsak aktuator.
Zahteve: simulirati temperaturo prostora med 10 in 30 °C, neprekinjeno meriti hod aktuatorja okoli 4 mm in ne le v končnih legah, primerjati glave, napolnjene s plinom, in glave, napolnjene s tekočino, v enakih pogojih ter vse poganjati iz navadne enofazne vtičnice 230 V.
Naša rešitev
V enem kovčku smo zgradili štiri neodvisne sklope, dva za glave s plinom in dva za glave s tekočino. Vsak sklop je aluminijast monoblok toplotni izmenjevalnik s Peltierjevim elementom na vsaki strani, rebrastim hladilnikom in puhalom. Natančen temperaturni senzor bere monoblok, magnetni senzor položaja v vložku po meri pa bere gibanje aktuatorja ventila.
Ena krmilna plošča po meri uravnava vse štiri sklope in pošilja podatke v računalnik, kjer naša programska oprema vse prikazuje, beleži in krmili. Pri naših preizkusih je naprava daleč presegla specifikacijo: hitro doseže −20 °C, tako mrzlo, da se na monobloku naredi led, in se segreje do 40 °C.
Kako deluje toplotni izmenjevalnik
Peltierjev element prenaša toploto v smeri toka. Obrnite tok in isti element preklopi med hlajenjem in gretjem.
Simulacija, ki ji lahko zaupate
Oddaljeno tipalo ventila sedi v izrezu monobloka, ločeno z majhno zračno režo. Reža je namerna. Naš prvi prototip je ni imel, tipalo pa se je odzvalo takoj, kar ni ne realistično ne pošteno do počasnejše tehnologije.
Prenos toplote bi lahko simulirali v programski opremi, a bi potem lahko vsak nastavil simulacijo tako, da da želen rezultat. Izbrali smo fizično rešitev: pravo toploto, pravo zračno režo in regulacijo neposredno na kovini. Obstajata dve velikosti oddaljenega tipala, zato smo izdelali dva monobloka z različno toplotno maso, nastavljena tako, da se pod regulacijo odzivata enako.
Zaznavanje
Digitalni temperaturni senzor band-gap z natančnostjo okoli 0,1 °C in zelo majhno toplotno maso sedi neposredno na monobloku, na majhni tiskanini, ki smo jo zasnovali zanj.
Položaj ventila meri 3D magnetni senzor v vložku, ki se zaskoči v termostatsko glavo natanko tako kot ventil, zato ventila samega nikoli ne spreminjamo. Magnet 10 × 2 mm na kontaktni točki se premika z aktuatorjem, vsak senzor pa je kalibriran posebej, kalibracija pa je shranjena v vdelani programski opremi.
Učinkovita krmilna elektronika
Krmilna plošča ima procesno enoto, močnostno stopnjo z osmimi krmilnimi kanali, senzorski del in glajeno napajanje. Vsaka od štirih vej nosi temperaturni senzor in senzor položaja. Ker enaki senzorji delijo isti naslov, vgrajeno komunikacijsko stikalo veje loči in jih medsebojno izolira.
Peltierjevi elementi zapravljajo energijo, kadar jih poganjamo s preprostim signalom vklop-izklop, ker parazitna toplota narašča s kvadratom napetosti. Zato smo razvili novo generacijo krmilnika, ki moč modulira pri okoli 100 kHz in jo filtrira, kar ga naredi podobnega pravemu analognemu napajanju.
Rezultat je manj izgubljene toplote, manj toplotnega stresa in manjši hladilniki. Pri naših preizkusih na mizi sta dva Peltierjeva elementa s samo 14 W vsak ohladila monoblok z 22,5 °C na 12,5 °C, pri večji moči pa je monoblok padel za 10 °C v manj kot dveh minutah.
Hladilniki so enako pomembni kot Peltierjevi elementi. Kadar ne morejo dovolj hitro odvajati toplote, ta teče nazaj skozi element in hladna stran se spet segreje. To smo rešili z več toplotne mase, več površine in močnim pretokom zraka.
Na obeh grafih temperaturne krivulje štirih sklopov ležijo skoraj druga na drugi. Sklopi so neodvisni, a sledijo istemu profilu.
Programska oprema
Mikrokrmilniki na krmilni plošči poganjajo vdelano programsko opremo, napisano v C. Ciklično obhodi štiri senzorske veje, jih inicializira in pošilja neprekinjene meritve v računalnik. Računalniški vmesnik, zgrajen v LabVIEW, prikazuje temperaturne in položajne sledi v živo za vsak sklop, beleži podatke in nastavlja temperaturni profil. Ima tudi namenske poglede za primerjavo tehnologij in za izračun prihranka energije ter razvojni način za servisna dela.
Zgrajeno korak za korakom
Vsak del je šel skozi več različic, vsako pa smo preizkusili posebej, preden smo preizkusili celoten sistem. Senzor položaja je prešel z optične na magnetno zasnovo, toplotni izmenjevalnik je dobil zračno režo, aktivno hlajenje in večje hladilnike, elektronika pa je prešla s preprostega preklapljanja na regulacijo v analognem slogu.
Kaj dobi stranka
Vzporedna primerjava
Štiri glave se testirajo hkrati v enakih pogojih, zato razlike izhajajo iz tehnologije in ne iz testa.
Neprekinjeno merjenje
Zabeleži se celotno gibanje aktuatorja, ne le končne lege.
Pošteni rezultati
Fizična izmenjava toplote namesto programskega modela pomeni, da rezultata ni mogoče nastaviti tako, da izgleda boljši.
Prenosno in preprosto za napajanje
Vse je v enem kovčku, ki teče iz enofazne vtičnice 230 V.
Učinkovita zasnova
Krmiljenje Peltierjevih elementov v analognem slogu ohranja parazitno toploto, porabo energije in velikost hladilnikov nizke.
V celoti po meri
Elektroniko, senzorje, mehaniko, vdelano programsko opremo in programsko opremo smo izdelali sami, zato lahko napravo prilagodimo drugim izdelkom.