Система поддержания температуры эталонного комплекса времени и частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДВ филиал ФГУП «ВНИИФТРИ»

СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭТАЛОННОГО КОМПЛЕКСА ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ

Калинов Д.Г. - ведущий инженер

отдела время-частотных измерений

Римлянд В.И. - д-р техн. наук, проф., завкафедрой «Физика»,

Федянин И.В. - инженер отдела время-частотных измерений

Аннотация

температурный прецизионный измерение режим

В статье представлена система поддержания температурного режима прецизионных средств измерения, в том числе стандартов частоты и времени в ограниченном объеме. Описан принцип действия системы, основанный на алгоритме ПИД-регулирования. Приведены результаты тестовой эксплуатации измерительного оборудования в замкнутом пространстве.

Ключевые слова: эталон времени и частоты, ПИД-алгоритм, температурный режим, нестабильность частоты, точность поддержания температуры.

Annotation

Title: Time and Frequency Reference Temperature System Authors' affiliation:

Kalinov D. G. - Far Eastern branch of FSUE VNIIIFTRI, Khabarovsk, Russian Federation

Rimlyand V. I. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Fedyanin I. V. - Far Eastern branch of FSUE VNIIIFTRI, Khabarovsk, Russian Federation

The article presents a system for maintaining the temperature regime of precision measuring instruments, including frequency and time standards in a limited volume. The principle of the system's operation based on the PID control algorithm is described. The results of the test operation of measuring equipment in a confined space are presented.

Keywords: time and frequency standard, PID algorithm, temperature conditions, frequency instability, accuracy of temperature maintenance.

Введение

В состав системы ГЛОНАСС входят средства наземной инфраструктуры, к которым относятся государственные первичный эталон (ГЭТ) [1] и вторичные эталоны времени и частоты (ВЭТы), обеспечивающие воспроизведение хранение единиц времени и частоты, а также формирование непрерывного сигнала с высокими показателями стабильности. Основой эталонных комплексов является базовый комплекс времени и частоты (БКВЧ) [2] разработки АО «Время-Ч», который размещается в специальном помещении с особыми климатическими требованиями. Одним из определяющих факторов, который влияет на нестабильность формируемой эталонными комплексами частоты и соответственно шкалы времени является температура окружающей среды [3]. Для получения суточной нестабильности 3-10 "¹⁶, водородный стандарт частоты и времени (ВСЧВ) и измерительное оборудование, обеспечивающее внутренние сличения, должны находится в условиях, где температура окружающего воздуха должна поддерживаться с точностью ± 0,1 С и скоростью изменения не более 0,2 С/час [4]. Как показывает практика поддержание температурного режима с такими характеристиками в отдельно взятом помещение практически невозможно, из-за естественного разделения нагретых воздушных потоков и влияния обслуживающего персонала, поэтому прецизионное измерительное оборудование с чувствительными к температуре окружающего воздуха конструктивными элементами и электронными компонентами принято размещать в специальных температурно- стабилизированных камерах. Вторым фактором, влияющим на изменение частоты ВСЧВ, являются внешние магнитные поля. В основе работы хранителя времени лежат эффекты Зеемана и Пашена-Бака, которые применяется для управления движением атомов водорода с помощью магнитного поля [4]. Для характерного значения магнитного поля в 1 мкТл относительный сдвиг частоты составляет Av/v « 2-10^-12. Для снижения электромагнитной зависимости хранитель времени имеет сложную систему магнитных экранов, которые эффективно снижают флуктуации внутри экранов в 2 * 10⁶ раз при условии, что внешние магнитные поля могут изменятся в пределах ± 50 мкТл.

Первая система поддержания температурного режима измерительного оборудования ГЭТ с применение термостабильных камер введена в эксплуатацию 2015 году в ФГУП «ВНИИФТРИ» (п. Менделеево, Московская обл.) для поддержания температурного режима стандартов времени и частоты [5]. В частности, была применена температурная камера 7304 -5167A (Parameter Generation Control, Inc.), которая обеспечивает все предъявляемые требования и спроектирована с запасом регулируемых параметров и имеет объем 0,78 м³ [6]. Камера предназначена для проведения динамических испытаний, имеет набор программных констант для настройки режимов, пропорционально- интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулирования. Применение шаговых двигателей, платиновых термометров и достаточной термоизоляции позволяет управлять температурой с точностью ± 0,1 °С. Электропитание температурной камеры осуществляется от сети 220 В 50 Гц, потребляемый ток до 12 А. Управление работой и контроль осуществляются с компьютера через RS-232 порт.

Применение климатических камер модели 7304-5167A для задач точного поддержания температурного режима имеет ряд недостатков:

- мощность климатической камеры, потребляемая в штатном режиме работы, составляет 1,6 кВт/ч. В комплекс БКВЧ с учетом оборудования внутренних сличений входит 5 климатических камер. Суммарное энергопотребление, которых составляет 8 кВт. С учетом средней стоимости электроэнергии около 4 руб. за 1 кВт/ч, затраты на обеспечение электропитанием температурных камер за год составят примерно 280000 руб. (8760ч -8кВт-4 руб/кВт-ч). По мимо этого выделенное тепло температурными камерами необходимо удалять из помещения, где они установлены. Для этих целей необходимо предусмотреть дополнительный запас по холодопроизводител ь- ности внешних кондиционеров;

- водородный стандарт времени и частоты чувствителен к электромагнитным возмущениям и вибрациям, как указанно в руководстве по эксплуатации на стандарт частоты п. 4.1.9. [7]. При питании прибора от источника резервного (аккумуляторного) питания постоянного тока 24 В, условия эксплуатации по электромагнитной обстановке соответствуют «0» классу ГОСТ Р 51317.4.5-99 [8]. В случае использования климатической камеры модели 7304-5167A, хранитель времени оказывается в непосредственной близости к источнику электромагнитных возмущений и вибраций, а именно к компрессору. Электромагнитная обстановка в таком случае перестает соответствовать «0» классу;

- высокая стоимость температурных камер фирмы PARAMETR Generation & Control 7000 серии (около одного миллиона рублей);

- в случае выхода из строя климатической камеры или нештатного отключения электропитания необходимо не допустить повышение температуры, так как ВСЧВ находится в малом замкнутом объеме с температурным экраном в рабочем состояние с тепловыделением до 100 Вт. Замена климатической камеры представляется не целесообразной из-за высокой её стоимости. Ремонт камеры может занять время, в течение, которого стандарт времени и частоты придётся исключить из участия в формирование выходных групповых сигналов эталона до момента устранения неисправности.

Предположение о недопустимости разогрева стандарта авторами было проверено экспериментально. В климатическую камеру (М-60/100-120 КТВХ) сопоставимого объема с камерой Model 7304-5167A поместили измерительное оборудование с тепловыделением 95 Вт, эквивалентное одному ВСЧВ. Эксперимент показал, что за первый час температура повысилась примерно на 13 С, за второй примерно на 10 С и т.д. Рост температуры прекратился, достигнув 64 С.

В [9] предлагается использовать термостабильную камеру модели VCH- A17, в которой предусмотрены две резервные независимые системы термостабилизации на базе чиллера SMC HEC006-A5B с водяным охлаждением и резервным на базе компрессорного охлаждения. Камера оборудована механическим термоавтоматом, который подает сигнал на открывание двери камеры при достижение заданной температуры. Разработчикам камеры удалось устранить часть недостатков, таких как резервирование системы термостабилизации и автоматическое открывание дверей, но часть так и не была решена, а именно высокое энергопотребление, наличие в камере компрессора, как источника электромагнитного излучения, высокая стоимость климатической камеры и чиллера.

Система поддержания температурного режима с применением смесителя воздушных масс

Авторами разработана и опробована автоматическая система прецизионного поддержания температуры измерительного оборудования в ограниченном объеме. Система входит в комплекс средств технического обеспечения функционирования эталонных комплексов для время-частотных измерений [5]. Разработанная система состоит из двух канальных не инверторных кондиционеров (основной и резервный), шести смесителей воздушных масс, двух цифровых датчиков температуры TH-485, блока вентиляторов, воздуховодов, теплоограждающих ширм и теплообменника.

На рис. 1 показан принцип функционирования системы прецизионного поддержания температуры в локальном объеме. Основные элементы и блоки системы: 1 - канальный кондиционер; 2 - помещение подготовки воздушных масс; 3 - емкость с жидкостью (аккумулятор холода); 4 - циркуляционный насос; 5 - теплообменник; 6 - воздушная заслонка; 7 - управляемый смеситель; 8 - блок вентиляторов; 9 - система воздуховодов; 10 - датчик температуры TH-485 на выходе из воздуховода; 11 - датчик температуры TH-485 на корпусе стандарта частоты; 12 - ограждающая конструкция (ширма); 13 - стандарт времени и частоты; 14 - датчик температуры TH-485 над стандартом частоты и времени; 15 - помещение с измерительным оборудованием; 16 - датчик температуры TH-485 в комнате подготовке воздушных масс.

Рис. 1 Принцип функционирования системы прецизионного поддержания температуры в локальном объеме

Два кондиционеров канального типа, работая по переменно, охлаждают нагретый измерительным оборудованием воздух (условно теплый) и подают его в отдельное помещение подготовки воздушных масс, где воздушные массы перемешиваются. Точность поддержания температуры канальных кондиционеров составляет ± 2,5 через теплообменник активного типа, температура на выходе у которого изменяется в пределах ± 0,5 плообменник соединен трубопроводом с емкостью с жидкостью на 200 л (5 рис. 2). Необходимо отметить, что емкость располагается непосредственно в помещение подготовки воздушных масс, а жидкость имеет температуру близкую к поддерживаемой в помещение, то есть жидкость является аккумулятором холода, сглаживающим температурные пики (выбросы), создаваемые канальными кондиционерами. Циркуляция жидкости осуществляется в режиме ротации двумя насосами. Затем охлажденный воздух поступает на управляемый смеситель воздушных масс, где смешивается с теплым воздухом, получая на выходе поток воздуха с температурой, изменяющейся не более чем на ± 0,1 C.

В основе управления системы поддержания температурного режима производственного помещения лежит принцип ПИД-регулирования, реализованный на базе контроллер STM32L052C8. В общем случае закон ПИД- регулирования выглядит как сумма входящих в состав ПИД-регулятора управляющих компонент:

где t - время,

u_pid(t) - выходная характеристика регулятора;

пропорциональная, интегральная и дифференциальная составляющая соответственно;

к_р, k_t, k_d - коэффициенты усиления пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей составляющих регулятора соответственно;

e(t) - ошибка регулирования.

Однако, такая форма представления ПИД-алгоритма неудобна для программной реализации, поэтому на практике применена упрощенная форма, так называемая дискретная реализация или уравнение ПИД -регулятора в конечных разностях:

где ti - период дискретизации.

Искомой величиной является температура (T), значения которой поступают с датчика TH-485 (10 рис. 1), который расположен на выходе из воздуховодов, непосредственно перед охлаждаемым оборудованием. Полученные данные, преобразуются в цифровой код и поступают на вход микроконтроллера, который в свою очередь управляет шаговым двигателем, отвечающим за положение воздушной заслонки (6 рис. 1). Теоретически для подбора параметров ПИД-регулятора необходимо составить математическую модель, которая будет учитывать все дестабилизирующие факторы. Однако, очень сложно учесть все нелинейные и случайные процессы, поэтому рассчитанные коэффициенты на практике не дадут оптимальный результат. Поэтому оптимальное значение пропорционального коэффициента к_р равное 25 было подобранно экспериментально из условий наименьшего колебания температуры в заданной точке измерения датчика (10 рис. 1) и наиболее близкого к заданному значению температуры 19 C. Значение интегральной составляющей ki принято равной 1, исходя из условия, чтобы при установившемся значении переходной характеристики u_pid(t) выходное значение было максимально близко к поддерживаемой температуре 19 C, а также выполнялось условие, чтобы амплитуда колебаний u_vid(t) не увеличивалась. Так как интегральная составляющая имеет свойство накапливаться, её значение было программным путем ограниченно на уровне ± 100, для того, что бы избежать переполнения. На последнем этапе был подобран дифференциальный коэффициент k_d равный 0,1 из расчета максимально быстрого выхода на режим регулирования и в то же время установившееся значение u_vid(t) должно попадать в диапазон 18,9 - 20,1 C. Дифференциальный коэффициент не рекомендуется вводить в том случае, если система имеет значительный уровень шумов. Для предотвращения негативного влияния дифференциальной составляющей, значения полученные от датчика температуры (10 рис.2) усреднялись методом экспоненциального скользящего среднего.

где EMA_t- значение экспоненциального скользящего среднего в точке t (последнее значение), EMA_t-1- значение экспоненциального скользящего среднего в точке t -- 1 (предыдущее значение), p_t - значение исходной функции в момент времени t (последнее значение), а - сглаживающая константа.

где п - интервал сглаживания, в нашем случае n = 40.

Питание смесителя воздушных масс осуществляется от сети постоянного тока 24 В. Потребляемая мощность одного смесителя составляет 10 Вт, что значительно меньше 1,6 кВт по сравнению с температурной камерой.

Разность температур между теплым и охлажденным воздухом может достигать 3 - 6 °С, что является основой для регулирования температуры в системе. С помощью блока вентиляторов (8 рис. 1), присоединенного к смесителю воздушных масс, осуществляется подача воздуха по воздуховодам л о- кальным камерам. Электропитание блоков вентиляторов осуществляется от сети постоянного тока 24 В. Потребляемая мощность одного блока вентиляторов составляет 30 Вт.

Датчик температуры (16 рис. 1) расположен в комнате подготовке воздушных масс и необходим для подбора коэффициентов к_р, k_t и k_d ПИД- регулирования. Воздух поступает по воздуховоду в помещение с измерительным оборудованием. Для того чтобы исключить влияние обслуживающего персонала на температурный режим, оборудование внутренних сличений и хранители времени ограждены с четырех сторон светопрозрачными ширмами. Так как холодный воздух, охлаждая измерительное оборудование нагревается и соответственно поднимается вверх, то для исключения влияния на температурный режим ограждающие ширмы изготовлены несколько выше чем измерительное оборудование. Далее теплый воздух через перфорированные решетки подвесного потолка попадает в межпотолочное пространство, где через воздуховоды снова попадает в комнату подготовки воздушных масс.

На рис. 2 приставлен график температуры в помещение подготовки воздушных масс, измеренной датчиком 16 рис. 1 на интервале двое суток.

Рис. 2 Температурный режим в помещении подготовки воздушных масс

Из графика видно, что температура в комнате подготовки воздушных масс поддерживаемая канальными не инверторными кондиционерами за два дня менялась от +15 С до +19,5 С.

На рис. 3 показано перемещение задвижки (5) от начального состояния - 0%, когда открыт доступ холодному воздуху, поступающему из комнаты подготовки воздушных масс к блоку вентиляторов (8 рис. 1), до противоположного положения задвижки - 100%, когда доступ открыт для теплого воздуха из помещения с измерительным оборудованием при этом доступ холодному потоку воздуха перекрыт. Из рисунка видно, что задвижка часто находится в максимально открытом положение для подмешивания холодного воз духа.

Рис. 3 График положения задвижки

Положение задвижки S зависит от температуры воздушного потока, создаваемого кондиционером (в нашем случае без теплообменника). Экспериментально подобранно оптимальное значение настройки кондиционера и равное 18 С, для поддержания температуры в комнате подготовки воздушных масс, при котором количество крайних положений задвижки 0% и 100% примерно одинаково. При возникновение нештатной ситуации и отключение питания, кондиционер прекращает работать, температура в помещение подготовки воздушных масс постепенно начинает увеличиваться. По факту кондиционер настроен на поддержание температуры 17,5 С, что позволяет продлить поддержания температурного режима на время за, которое температура в комнате подготовки воздуха поднимется до 18 С.

На рис. 4 приведен график изменения температуры, измеренной датчиком 10 на рис. 1, т.е. температуры воздуха, подаваемого на эталон.

Рис. 4 Изменения температуры на выходе воздуховодов

Как видно из рис. 4 ПИД- алгоритм поддерживает положение заслонки таким образом, чтобы температура воздуха находилась в пределах от +18,92 С до +19,08 С. Это соответствует поставленной задаче.

Для того чтобы испытать систему регулировки температурного режима в максимально неблагоприятных условиях, эксперимент проводился без сгл а- живающего температурные выбросы теплообменника и аккумулятора холода. Дополнительно были проведены измерения температуры с помощью датчика температуры (11 рис. 1), установленного на корпусе ВСЧВ и датчика, расположенного над ВСЧВ (14 рис. 1). Значения изменения температуры в данных точках не превысили ±0,1 С, по отношению к датчику на выходе из воздуховода. Скорость изменения температуры была меньше 0,2 С/час.

Разработанная авторами система легко масштабируется для выполнения конкретной задачи, например, в Дальневосточном филиале ФГУП «ВНИИФТРИ» в 2019 г. была реализована система, состоящая из шести независимых смесителей воздушных масс, поддерживающих температуру в л о- кальных объемах в границах одного помещения. Отличительными особенностями системы являются: простота и оперативность замена блоков системы прецизионного поддержания температуры в локальном объеме, которая не вызывает изменение режима работы ВСЧВ или необходимость его выключения; отсутствие источников вибраций и электромагнитных помех. Насосы и блоки вентиляторов расположены в отдельном помещение подготовки воздушных масс и не оказывают негативного влияния на электромагнитную обстановку комнаты с высокочувствительным измерительным оборудованием, что соответствует ГОСТ Р 51317.4.5-99 при испытаниях для «0» класса условий эксплуатации. Общая стоимость системы поддержания температурного режима, состоящая из шести объемов по 1 м³, включающая подготовку двух специальных помещений, не превышает стоимости одной температурной камеры.

Заключение

Разработана система прецизионного поддержания температуры в локальном объеме, входящая в состав комплекса средств технического обеспечения функционирования эталонных комплексов для время-частотных измерений. Система позволяет поддерживать температуру в пределах ± 0,1 °C, и имеет 100% резервирование. В помещения с ВСЧВ отсутствуют источники вибраций и электромагнитных помех, что соответствует ГОСТ Р 51317.4.5 -99 при испытаниях для «0» класса условий эксплуатации. Электрическая мощность, потребляемая системой существенно меньше, чем у аналогичных систем с климатическими камерами. Стоимость разработанной системы и ее технического содержания на порядок ниже, чем у систем, использующих климатические камеры.

Библиографические ссылки

1. Гончаров А. С., Смирнов Ю. Ф., Норец И. Б. Эталонный комплекс времени и частоты для хранения национальной шкалы времени РФ // Альманах современной метрологии. 2017. № 11. С. 221-229.

2. Базовый комплекс времени и частоты. Руководство по эксплуатации ЯКУР.411735.010РЭ.

3. An Analysis of the Frequency Instability of the Group Signal of an Ensemble of Active Hydrogen Standards / Podogova S. D., Mishagin K. G., Chernyshev I. N., Vorontsov V. G. // Measurement Techniques. Springer. 2014. Vol. 57, № 7. P. 770-776.

4. Riehle Fritz. Frequency standards. Basics and Applications. WILEY-VCH, 2004. 526 p.

5. Технические средства обеспечения функционирования эталонных комплексов для время-частотных измерений / Нестулей В. И., Довгалюк М. А., Попов А. Н., Володина С.В. // Альманах современной метрологии. 2016. № 8. С. 324-332.

6. Parameter Temperature & Humidity Control Chambers. Black Mountain. URL: https://humiditycontrol.com/product/30-cu-ft-chamber (дата обращения: 28.01.2020).

7. Стандарт частоты и времени водородный. Руководство по эксплуатации ЯКУР.411141.037РЭ.

8. ГОСТ Р 51317.4.5-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000.

9. Уткин А. Г., Павленко Ю. К. Камера поддержания стабильной температуры // Метрология времени и пространства: материалы IX Междунар. симп. М.: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2018. С. 260-261.

Размещено на Allbest.ru