3380

торую врезан нагнетательный вентилятор. Управление величиной воздушного потока осуществляется изменением количества оборотов вентилятора, вращением ручки управляющего потенциометра.

Блок измерения является термоанемометром, построенным на основе измерительного моста Уитстона. В отличии от промышленных моделей, где в качестве чувствительного элемента выступает платиновая нить, здесь применен высокоточный терморезистор.

Так же стенд можно питать от любого источника питания, обеспечивающего постоянное напряжение 12 В ± 5 %.

Измерения производятся щупом с чувствительным элементом с открытого конца трубы блока нагнетателя.

Литература

1.Mark Gherin. Dual Hot-wire anemometer. Calibrated using a Pitot tube anemometer. / Mark Gerin // Elector. – 2012. – №6.

–С. 46-52.

2.Герасимов В. Г. Электротехнический справочник. В 4- x томах / Под общ. ред. профессоров МЭИ Герасимова В. Г. и др.. — 9-е издание. — М.: Издательство МЭИ, 2003. — Т. 1. — 99 с.

151

УДК 681.3

А.В. Хвостов, О.Ю. Макаров

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ

Встатье рассмотрены вопросы моделирования и оптимизации процессов теплообмена, а также представлена методика оптимизации с применением эволюционных алгоритмов и теплового моделирования, проиллюстрированная практическим примером

Вусловиях интенсивного развития радиоэлектронных

систем (РЭС), вопрос обеспечения нормального теплового режима электронной аппаратуры (ЭА) становится как никогда актуальным. Причиной этому служит увеличение степени интеграции, плотности компоновки и удельных мощностей рассеивания микроэлектронных устройств. Повышенные тепловые нагрузки негативно сказываются на режимах работы электрорадиоэлементов (ЭРЭ), что снижает качество и степень надёжности изделия. На современном конкурентном рынке радиоаппаратуры, производителю необходимо обеспечить производство товара надлежащего качества в как можно более короткий срок. Поэтому инженерам, занимающимся исследованием тепловых режимов РЭС, приходится решать не только конкретные задачи, но и подбирать тепловые и соответствующие им математические модели, подходящие для данного этапа проектирования РЭС. Возможным подходом к решению задачи обеспечения оптимального теплового режима РЭС, является совместное использование методов эволюционного моделирования (генетических алгоритмов) для размещения ЭРЭ на монтажном пространстве и систем математического моделирования тепловых режимов. На сегодняшний день генетические алгоритмы доказали свою конкурентоспособность при решении многих NP-трудных задач и особенно в практических приложениях, где математические модели имеют сложную структуру и применение стандартных методов типа ветвей и границ, динамического или линейного программирования крайне затруднено. Комбинация из методов эволюционной оптимизации и теплового моделирования

152

позволяет гарантированно получать наборы допустимых проектных решений в кратчайшие сроки.

Постановка задачи оптимизации включает:

а) основное уравнение (или систему уравнений), которому удовлетворяет искомая функция, описывающая исследуемое явление;

б) краевые условия.

Краевые условия определяются физическим характером явления и могут иметь разнообразный (в том числе и нелинейный) характер.

Отличительной особенностью моделирования процессов теплообмена, осуществляемого при проектировании, является необходимость рассмотрения процесса одной и той же физической природы для всего прибора или приборного комплекса. При этом необходимо учитывать тепловые связи между элементами, принадлежащими подсистемам более высоких уровней иерархии, в которых протекают функциональные процессы различной физической природы. Тепловая модель такой сложной системы в общем случае представляет собой комбинацию многочисленных областей сложной конфигурации с источниками и стоками теплоты, в которых движутся потоки теплоносителей (газов или жидкостей). Наиболее полная математическая модель теплового режима объекта записывается в виде системы многомерных нестационарных уравнений теплопроводности для твердых тел. При конструкторском проектировании РЭС решаются задачи, связанные с поиском наилучшего варианта конструкции, удовлетворяющего требованиям технического задания и максимально учитывающего возможности технологической базы производства.

Один из самых популярных методов проектирования является функционально-узловой. Он предусматривает расчленение РЭС на отдельные конструктивно законченные единицы (модули) различных уровней. В связи с этим при разработке конструкции РЭС проектировщик неизбежно сталкивается с задачей распределения элементов схемы (модулей предыдущего уровня) по коммутационным платам (коммутационным пространствам) данного уровня иерархии. Для построения формальной математической модели компоновочных задач удобно использовать теорию графов. При этом электрическую схему

153

интерпретируют ненаправленным мультиграфом, а все соединения между элементами приводят к попарно взвешенным связям, в которых каждому конструктивному элементу соответствует точка, совпадающая с его геометрическим центром на коммутационной плате, а электрическим связям схемы — его ребра.

Задача сводится к отысканию для каждого размещаемого элемента таких позиций, при которых оптимизируется выбранный показатель качества и обеспечиваются наиболее благоприятные условия для последующего электрического монтажа. Основная сложность в постановке задач размещения заключается в выборе целевой функции [1]. Целевая функция — это количественная мера производительности системы, та величина, которую мы хотим минимизировать или максимизировать. Целевая функция зависит от переменных — неизвестных величин, варьируемых в процессе оптимизации так, чтобы получить оптимальное решение. Однако из-за условности разделения задач размещения с учетом излучаемых тепловых полей ЭРЭ и трассировки построить подобный критерий, достаточно точно отражающий условия прокладки трасс на печатном узле, очень трудно. Для учета коммутационных требований при размещении элементов используется следующий критерий:

расстояние между точками привязки элементов i и j; С , весовые коэффициенты матрицы связности ЭРЭ; М – коэффициент масштабирования; Ftkкритерий оптимизации с учётом тепловых полей.

На практике задачу размещения элементов с учетом теплового режима удобно решать, выбирая в качестве дополнительного один из критериев и накладывая ограничения на значения другого критерия. Для этого при решении указанных задач в качестве одного из критериев оптимизации Ftk ->min, выбирается один из следующих критериев:

-Среднее значение температуры элементов;

-Среднее квадратическое отклонение температур элементов от их среднего значения ;

-Максимальная температура элементов.

Критерии трассировки соединений - это прежде всего

154

различные приближённые оценки тех интегральных параметров трассировки, изменение которых косвенно характеризует условия её проведения при заданном размещении элементов на печатной плате (ПП). К таким параметрам относятся: суммарная длина соединений на ПП; количество слоев в ПП; суммарная площадь областей размещения цепей; число трасс, длина которых больше заданной и т.д. Основное достоинство подобных критериев - простота расчета при относительно высоком качестве получаемого решения. Недостаток – тенденция к стягиванию групп сильно связанных между собой элементов в минимальные области на ПП, что затрудняет их последующую трассировку.

При практической реализации алгоритмов размещения весовые оценки попарно взвешенных связей учитывают такие характеристики схемы, как число электрических цепей между элементами, теплонагруженность элементов, условия распространения сигналов в цепях и т. д. Широкий класс таких оценок описывается формулой:

x( s) — коэффициент учета размера цепи, равный 2/ s; s — число эквипотенциальных выводов s-й цепи; g — число цепей,

сти, его значение можно получить из специального файла (расширение *.net) системы схематического проектирования P-CAD 2006, при наличии модели проектируемого устройства [2].

При возрастании количества распределяемых элементов число возможных сочетаний увеличивается по экспоненциальному закону и, соответственно, время решения задачи становится неприемлемо большим. Генетические алгоритмы (ГА)[3], представляющие собой алгоритмы поиска в символьном пространстве на основе принципов, заимствованных из эволюцион-

155

ной теории, являются объединением методов направленного и случайного поиска. Из всего многообразия программных продуктов, применяемых для реализации аналитических и численных методов построения и оптимизации температурных полей,

были выбраны MATLAB и Pro/ENGINEER Mechanica. Первона-

чальный вариант размещения был получен (по умолчанию) из системы схематического проектирования P-CAD 2006.

Практическое применение методики моделирования и оптимизации тепловых процессов конструкциях РЭС продемонстрировано на примере решения задачи тепловой оптимизации специализированного модуля питания и размещения контроллера. Для большей наглядности и возможности визуальной оценки результатов размещения, моделирование производилось только для самых теплонагруженных ЭРЭ. Первоначальный вариант размещения был получен (по умолчанию) из системы схематического проектирования P-CAD 2006 и смоделирован в Pro/ENGINEER Mechanica. Оптимизация по тепловому критерию выполнялась с помощью модуля Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox системы MATLAB.

Рис.1. Первоначальный вариант размещения

156

Рис.2. Оптимизированный вариант размещения

Проведем сравнительный анализ температуры радиоэлементов при различных вариантах размещения

В ходе проведенного моделирования тепловых процессов и размещения ЭРЭ было выявлено, что размещение, полученное с применением разработанной методики, является наиболее оптимальным. Средневзвешенный коэффициент тепловой нагрузки снизился с 0.6 до 0.48. Средняя температура

157

ЭРЭ снизилась на 15 °C. Температура размещаемой микросхемы DD25 снизилась на 10,5 °C. Исходя из вышеописанных данных можно сделать вывод, что разработанная методика оптимизации с применением генетического алгоритма является эффективной.

Литература

1.Деньдобренко Б.Н., Малика А.С. Автоматизация конструирования РЭА: Учебник для вузов. М.: Высш.

школа, 1980. 384 с.

2.Материалы сайта http://www.altium.com.

3.Панчинко Т.В. Генетические алгоритмы: учебнометодическое пособие / под ред. Ю. Ю. Тарасевича. — Астрахань : Издательский дом «Астраханский универси-

тет», 2007. — 87 с.

Воронежский государственный технический университет

158

УДК 697.947

А.А. Жиряков, А.С. Самодуров

РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОЗОНАТОРА

В данной статье рассмотрена проблема грязного воздуха, а так же негативное влияние положительно заряженных пылинок на здоровье человека. Проанализированы пути решения данной проблемы. Озонирование - один из наиболее прогрессивных современных технологических процессов, направленный на создание экологически благоприятных условий труда и жизнедеятельности человека. Известно, что окисляющие процессы активным атомарным кислородом обеспечивают нейтрализацию различных токсических веществ, приводя их в нетоксические формы. Выявлена и обоснована необходимость использование бытовых озонаторов. Самостоятельно изготовлен озонатор для очистки воды и воздуха. На основе проведенного исследования выявлены и устранены слабые места схемы прибора, разработана и изготовлена печатная плата и корпус. Проведены небольшие исследования влияния озонатора на домашнюю среду

Находящиеся вокруг нас электроприборы выделяют огромное количество положительных аэроионов, нарушая естественный для человека баланс, что весьма отрицательно отражается на здоровье. Необходимо устройство, которое очистит воздух, не нанося вреда человеку. Принцип работы озонатора похож на образование озона в природе. Электрический заряд, действуя на молекулы воздуха, вызывает их распад на атомарный кислород, который, соединившись с молекулярным кислородом, формирует конечный продукт – озон. У озона весьма большое количество целебных качеств. Именно это стало основной целью моей работы. Советский биофизик Чижевский А.Л. ещё в 30-е года 20-го столетия обнаружил положительное воздействие аэроионов в воздухе на здоровье человека. Озонатор, сделает воздух очищенным, свежим и приятным. Помимо этого, благодаря озонатору из воздуха удаляется пыль. Это происходит благодаря тому, что отрицательные аэроионы передают пылинкам свой заряд, и пыль начинает притягиваться и оседать на относительно положительно заряженных объектах (пол, стены). Влажная уборка один раз в неделю уберет всю пыль с пола, а вот если данная пыль будет оседать в легких, простой влажной уборкой

159

тут никак не отделаешься. Как известно, большая часть веществ, вызывающих аллергические реакции, находятся в пыли. Устраняя пыль, озонатор оберегает вас и от находящихся в ней аллергенов. Озон обладает высокой химической активностью, во время работы прибора образуются условия, в которых не могут выжить бактерии и вирусы. На этом основано дезинфицирующее действие озона. В отличие от хлора, который сложно полностью удалить после обработки, озон через 10-30 мин. превращается в кислород. Помимо этого при действии озона возникают элементарные нетоксичные вещества, а воздействие хлора может приводить к возникновению канцерогенов. Медицинские исследования доказали, что озон оказывает лечебное воздействие, служит профилактическим средством от множества болезней, существенно улучшает качество жизни и даже способен замедлить процесс старения. Озон обладает мощнейшим дезинфицирующим, обеззараживающим воздействием. Таким образом, благодаря прибору, в Вашем доме всегда будет чистый и свежий воздух, продукты питания и вода. Более того, вы всегда сумеете в домашних условиях поправить здоровье. Создание подобного устройства и стало моей задачей.

Озонатор – это устройство, которое вырабатывает озон. Озон очень сильный и агрессивный газ. Если превысить его концентрацию, то он может вступать в реакцию и с тканями человека, вызывая раздражение слизистых оболочек. Для устранения этого недостатка достаточно не превышать допустимую концентрацию озона в воздухе, которая составляет: не более 0,2 мг/м3. После образования озон не может долго существовать и быстро распадается на кислород, поэтому невозможно достигнуть высокой концентрации озона. Определиться с набором подходящих деталей, требуемых для сборки прибора своими руками, поможет выяснение принципа его действия. Озонатор действует по принципу высоковольтной дуги: мультивибратор вырабатывает прямоугольные импульсы, затем подает их на транзисторы, которые их усиливают и подают на первичную обмотку строчного трансформатора. На вторичной обмотке строчного трансформатора образуется высокое напряжение, которое вырабатывает озон. Во-первых, нам надо подобрать основу (схему которая будет вырабатывать импульсы высокой частоты) есть 2 варианта такой схемы:

160