1284

100

На основании структурной схемы микротермостата составим эквивалентную электрическую схему замещения тепловой подсистемы и объединим ее с электрической подсистемой (рисунок 2.55).

Рисунок 2.55 – Эквивалентная электрическая схема замещения микротермостата

Преобразование внешних воздействий. Внешние воздействия, оказываемые на микротермостат, имеют различную природу. Используя метод электротепловой аналогии [15], задающий сигнал и возмущающее воздействие температуры среды моделируются с помощью источников напряжения:

ТЗАД [К] UЗАД [В]; UЗАД = А ТЗАД;

ТСР [К] UСР [В]; UСР = А ТСР,

где А - масштабный коэффициент.

Преобразование электрической подсистемы. Для детального анализа свойств схемы регулирования необходимо ее полное представление в соответствии с реальной электрической принципиальной схемой. Передаточные функции звеньев контура регулирования температуры можно представить в следующем виде:

передаточная функция датчика - KД U ВХ_УС ;TД

101

где UВХ_УС, UВЫХ_УС - входное и выходное напряжение усилителя схемы

регулирования, соответственно; ТД - температура датчика; РН - мощность нагревателя.

На начальных этапах проектирования целесообразно представить схему регулирования идеализированным вариантом операционного усилителя (рисунок 2.55). Коэффициент усиления операционного усилителя равен переда-

точной функции всей электрической подсистемы: КОУ = WЭ(р). При этом нет необходимости в согласовании сигналов электрической и тепловой подсистем, а значит, все коэффициенты преобразования тепловой подсистемы равны единице:

KОУ U ВЫХ_УС ; А = 1.U ВХ_УС

Преобразование тепловой подсистемы. Тепловая подсистема содержит конструктивные элементы, обладающие теплофизическими параметрами - тепловым сопротивлением, теплоемкостью. Процесс преобразования заключается в представлении конструктивных элементов микротермостата интегрирующими электрическими цепями, соединенными между собой аналогично тепловой подсистеме на рисунке 2.54.

Термостатируемая подложка. Габаритные размеры длина aП = 18

мм; ширина bП = 16 мм; толщина hП = 1 мм.

Материал – керамика марки ВК-94 на основе Al2O3, SiO2, MnO, Cr2O3. Теплофизические параметры – удельная теплоемкость СУД_П = 900

Дж/(кг К); плотность П = 3860 кг/м3; коэффициент теплопроводности П = 20 Вт/(м К).

Датчик. Датчик представляет собой кремниевый транзистор 2Т360А. Габаритные размеры длина aД = 0.75 мм; ширина bД = 0.75 мм; высо-

та hД = 0.8 мм.

Масса mД = 0.003 г.

Теплофизические параметры – удельная теплоемкость СУД_Д = 900

Дж/(кг К); коэффициент теплопроводности Д = 109 Вт/(м К).

Нагреватель. Нагреватель выполнен в виде толстопленочного резистора на основе оксида рутения, нанесенного с обратной стороны подложки.

Площадь толстопленочного резистора SН = 1816 мм.

Толщина резистивного слоя hН = 40 мкм.

Корпус. Корпус изготовлен из полированного алюминия.

Габаритные размеры корпуса длина aК = 34 мм; ширина bК = 28 мм; высота hД = 22 мм.

Толщина стенок корпуса lК = 0.6 мм.

102

Теплофизические параметры – удельная теплоемкость СУД_К = 880

Дж/(кг К); плотность К = 2710 кг/м3.

Теплоизоляция. Материал теплоизоляции – пенопласт. Теплофизические параметры – удельная теплоемкость СУД_Т = 1260

Дж/(кг К); плотность Т = 120 кг/м3; теплопроводность Т = 0.05 Вт/(м К). Толщина теплоизоляции торцевых поверхностей – 10 мм, толщина теп-

лоизоляции боковых поверхностей – 8 и 6 мм.

Теплопроводящий клей. Теплопроводящий клей предназначен для фиксации датчика к подложке.

Теплопроводность КЛ = 5 Вт/(м К). Толщина слоя клея hКЛ = 0.1 мм.

Расчет теплофизических параметров. Теплоемкость элементов мик-

где СУД_i – удельная теплоемкость материала элемента; mi = i Si hi – масса

элемента; i – плотность материала элемента; Si – площадь элемента; hi – высота (толщина) элемента.

Тепловое сопротивление между элементами микротермостата с учетом теплопроводности прослойки определяется как:

где lij – толщина прослойки между i-ым и j-ым элементами; М – коэффици-

ент теплопроводности материала прослойки; SМ – площадь прослойки.

В соответствии с (2.16) запишем выражения массовой теплоемкости для нагревателя и подложки:

CН СУД _ Н Н SН hН ;

CП СУД _ П П SП hП .

Учитывая технологию нанесения резистивного слоя на подложку, делаем следующие выводы:

- массовая теплоемкость нагревателя много меньше массовой теплоемкости подложки:

CП hП 1 10 3 25 ; СН hН 40 10 6

- тепловое сопротивление корпус-нагреватель тождественно равно теп-

ловому сопротивлению корпус-подложка RКН RКП;

- тепловым сопротивлением нагреватель-подложка можно пренебречь

RНП 0.

103

Следовательно, исходную схему замещения микротермостата (рисунок 2.55) можно свести к системе второго порядка (рисунок 2.56).

Рисунок 2.56 - Эквивалентная схема замещения

Подставив в (2.16) соответствующие величины, вычислим массовую теплоемкость подложки:

C 900 3860 18 10 3 16 10 3 1 10 3 1 Дж .

П К

Подставив в (2.17) соответствующие величины, вычислим тепловое сопротивление датчик-подложка (материалом прослойки служит теплопрово-

Подставив в (2.18) соответствующие величины, вычислим суммарную массовую теплоемкость корпуса:

CK 880 2710 2 0.6 34 28 28 22 34 22 10 9

1260 120 2 10 34 28 8 28 2 6 18 2 10 9 9.7 Дж .

К

104

Для типовых корпусов микротермостатов экспериментальным путем определены значения тепловых сопротивлений корпус-подложка и корпуссреда, а также тепловое сопротивление датчик-корпус для датчика в виде транзистора 2Т360А [6]. В частности, для корпуса и теплоизоляции данных

размеров тепловое сопротивление корпус-подложка составляет RКП = 40 К/Вт, тепловое сопротивление корпус-среда составляет RКС = 32 К/Вт. Тепло-

вое сопротивление датчик-корпус равно RДК = 400 К/Вт После преобразования имеем три динамических звена:

АC[К Ф/Дж], АR[Вт Ом/К]- масштабные коэффициенты преобразования теплоемкости в электрическую емкость и теплового сопротивления в электрическое сопротивление, соответственно.

Применение программных комплексов схемотехнического моделирования (например, OrCAD) по отношению к эквивалентной электрической схеме позволяет эффективно провести анализ САР и оценить основные характеристики микротермостата.

Оценку пускового режима микротермостата проведем в виде анализа отклика системы на импульсную функцию:

где UСР = А ТСР - преобразованная температура среды; UЗАД = А ТЗАД - пре-

образованная задающая температура; ВКЛ - момент времени включения микротермостата.

На основании проведенного схемотехнического анализа (рисунок 2.57) следует, что САР при выбранных параметрах элементов микротермостата обладает запасом устойчивости, время полного затухания колебаний составляет около 1 с.

105

Tзад, С

Рисунок 2.57 – Отклик системы на импульсную функцию

106

3МЕТОДЫ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА

3.1Постановка задачи

Творчество представляет собой явление, относящееся прежде всего к конкретным субъектам и связанное с особенностями человеческой психики, закономерностями высшей нервной деятельности, умственного труда. Одни ученые считают, что мышление начинается там, где создалась проблемная ситуация, которая предполагает поиск решения в условиях неопределенности, дефицита информации. Другие утверждают, что определяющим механизмом творчества является не логика, а интуиция. «Посредством логики доказывают, посредством интуиции изобретают», – говорил А.Пуанкаре. И действительно, интуиция нередко помогает в поиске правильного решения, однако при этом следует отметить, что если раньше явление интуиции относилось к чему-то мистическому и сверхъестественному, то в настоящее время доказали, что интуиция имеет материалистическое объяснение и представляет собой быстрое решение, полученное в результате длительного накопления знаний в данной области и, следовательно, длительной подготовки. Это, скорее, итог умственной деятельности, чем начало. Таким образом, интуиция приходит в качестве вознаграждения за труд исследователя и поэтому сложному механизму творческого мышления присущи как интуиция, так и логика.

Специфический акт творчества – внезапное озарение (инсайт) – заключается в осознании чего-то, всплывающего из глубин подсознания, в схватывании элементов ситуации в тех связях и отношениях, которые гарантируют решение задач.

Поиск решения творческой задачи у заинтересованного и квалифицированного инженера всегда продолжается в подсознании, в результате чего могут быть решены самые сложные задачи, причем сам процесс обработки информации при этом не осознается. В сознании отражается лишь результат (если он получен). Поэтому исследователю иногда кажется, что на него ниспослано озарение, что удачная мысль пришла неведомо откуда. Можно констатировать, что человек использует это явление каждый раз, когда он откладывает какое-нибудь дело, чтобы дать мыслям созреть и, таким образом, рассчитывает на работу своего подсознания.

Одной из проблем творчества является его мотивационная структура. Мотивации (побуждения) связаны с потребностями, которые делятся на три группы: биологические, социальные и идеальные (познавательные). Биологические потребности (например, принцип экономии сил) лежит в основе житейской изобретательности и совершенствовании навыков, но могут приобрести и самодовлеющее значение, превратившись в лень. Среди социальных потребностей мотивами к творчеству могут быть стремление к материальному вознаграждению, к почету и уважению в обществе. Идеальные – составляют потребности познания в самом широком смысле. Они ведут свое происхож-

107

дение от потребности в информации, изначально присущей всему живому, наряду с потребностью в притоке вещества и энергии. Удовлетворение любой потребности требует информации о путях и способах достижения цели. Но существует потребность в информации и как стремление к новому, ранее не известному. Наиболее важным для творчества видом мышления является воображение. Творческому воображению, фантазии принадлежит решающая роль в создании нового и развитии общества. Эта способность должна постоянно развиваться, стимулироваться и тренироваться. Различают три типа воображения: логическое (выводит будущее из настоящего путем логических преобразований); критическое (ищет, что именно в современной системе несовершенно, и нуждается в изменении); творческое (рождает принципиальные новые идеи и представления, опирающиеся на элементы действительности, но не имеющие пока прообразов в реальном мире).

Активизация творческого мышления предполагает знание факторов, отрицательно влияющих на него. К числу таких факторов относится отсутствие гибкости мышления, сила привычки, узкопрактический подход, чрезмерная специализация, влияние авторитетов, боязнь критики, страх перед неудачей, чересчур высокая самокритичность, лень.

Противоположностью творческого воображения является психологическая инерция мышления, связанная со стремлением действовать в соответствии с прошлым опытом и знаниями, с использованием стандартных методов и т.д.

В связи с этим необходимо формулировать технические задания таким образом, чтобы исключать возможность психологической инерции и ее отрицательного влияния на творчество, стремиться всемерно развивать творческое воображение.

Творческая личность обладает рядом особенностей и прежде всего умением сосредоточить внимание и долго удерживать его на каком-либо вопросе или проблеме. Это одно из важнейших условий успеха в любом виде деятельности. Без упорства, настойчивости, целенаправленности немыслимы творческие достижения.

Получение значимого результата самым непосредственным образом зависит от исходной мировоззренческой позиции автора, принципиального системного подхода к постановке проблемы и определению общих путей движения исследовательской мысли. В научно-техническом творчестве материалистическая диалектика как наука о наиболее общих законах развития природы, общества и мышления и системный подход составляют единое направление в развитии современного научного познания.

Фиксация проблемы начинается с точного названия объекта проектирования и описания недостатков существующего прототипа или аналогов. Заметим, что фиксация проблемы является лишь отправной точкой для отыскания недостающей информации по объекту проектирования, а вовсе не окончательной формулировкой проблемы, которая в полной мере будет выполнена на последующих этапах системного исследования.

108

При обосновании проблемы необходимо рассмотреть потребность в проектируемом объекте. Потребность определяется следующими факторами:

-наличием серийно выпускаемого объекта, выполняющего рассматриваемую в данной проблеме функцию;

-наличием недостатков этого объекта;

-возможными направлениями устранения этих недостатков;

-технической и технологической возможностью выхода из рассматриваемой проблемной ситуации.

Анализ потребности необходимо проводить на основе детального информационного исследования и с учетом опыта эксплуатации прототипа объекта проектирования.

В ряде случаев решение сформулированной проблемы сводится к улучшению известного устройства, называемого прототипом, путем внесения

внего определенных изменений. Улучшение или модернизация ТО не охватывает другие классы задач, такие как поиск новых потребностей и формулировка новых функций ТО; разработка принципиально новых технических решений, не имеющих прототипов; постановка задач поиска новых технических решений как задач математического программирования. Заметим, что методология поиска новых технических решений (генерация вариантов) относится к задачам инженерного творчества [16].

Задачи инженерного творчества, как правило, решаются итерационным путем, т.е. делается несколько приближений к искомому решению, поскольку искомое неизвестно.

Постановка задачи - нелегкая работа. Однако нужно всегда помнить, что правильная постановка творческой инженерной задачи - это половина ее решения. Она часто связана с отсечением многих бесперспективных и тупиковых направлений поиска. Нередки случаи, когда решение задачи находят в процессе ее постановки. Поэтому не следует экономить время на анализ и постановку задачи.

Операция 1. Описание проблемной ситуации. Эта операция представ-

ляет собой самую предварительную краткую формулировку задачи, в которой должны содержаться ответы на следующие вопросы:

а) в чем состоит затруднение или проблемная ситуация и какова ее предыстория?

б) что требуется сделать для устранения проблемной ситуации, т.е. какую потребность нужно удовлетворить?

в) что мешает устранению проблемной ситуации или достижению це-

ли?

г) что дает решение задачи для людей, предприятия, народного хозяйства и т. д.?

Пример описания проблемной ситуации:

а) бытовая радиоэлектронная аппаратура в большинстве случаев оснащена унифицированными межкомпонентными разъемами типа RCA, еще известными под названием «тюльпан» (рисунок 3.1, а). Для соединения аудио-

109

видеокомпонентов через указанные разъемы используются соответствующие кабели RCA-RCA или «тюльпан-тюльпан». Оконечная часть кабеля представляет собой металлический штекер с соосным расположением контактов. Контакт общего проводника выполнен в виде внешней цилиндрической поверхности («юбка»), по центру располагается штыревой сигнальный контакт (рисунок 3.1, б). Современный этап развития бытовой аппаратуры характеризуется появлением новых цифровых форматов для воспроизведения звука и изображения, в частности DVD-video, DVD-audio, Super Audio CD, MiniDV.

Указанные форматы обеспечивают исключительное качество звука и изображения, недоступное для ранее существовавших форматов [17]:

-диапазон воспроизводимых частот для аудиоаппаратуры – 10 100000 (сто тысяч) Гц;

-динамический диапазон усиления для аудиоаппаратуры – свыше 120

дБ;

-четкость воспроизводимого изображения для видеоаппаратуры - свыше 540 ТВЛ (телевизионных линий).

Проблемная ситуация заключается в том, что разъемы типа RCA рассмотренной выше конструкции уже не в состоянии передавать информационный сигнал новых форматов без видимых и слышимых искажений. Таким образом, потенциал высокого качества звука и изображения, заложенный в новых форматах раскрывается не в полной мере. Фактически, потребитель современной аудиовидеоаппаратуры переплачивает деньги за качество, которого на самом деле не получает;

Рисунок 3.1 – Межкомпонентный разъем (а) и штекер (б) типа RCA

б) кардинальным решением поставленной проблемы явилась бы передача информационных сигналов между компонентами бытовой аппаратуры, основанная на иных физических принципах действия, через разъемы и кабели другого типа (например, оптический цифровой канал, который ограниченно уже применяется в бытовой аппаратуре);

в) однако, такое кардинальное решение неприемлемо для устранения проблемной ситуации, поскольку теряется совместимость с многочисленным