автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий

«"0552692

На правах рукописи

- 1)

ГОРЯЧЕВ Николай Владимирович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СРЕДСТВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗДЕЛИЙ

Специальность 05Л 1.16 — Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 СЕН 2Щ

ПЕНЗА 2014

005552692

Работа выполнена на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель -Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор Юрков Николай Кондратьевич. Буц Виктор Петрович,

доктор технических наук, профессор, ОАО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г. Пенза), главный консультант по научной работе; Семочкина Ирина Юрьевна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», начальник учебного управления. ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 9 октября 2014 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Диссертация размещена на сайте ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»: http://science.pnzgu.ru/page/13778

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан » ¿ЫЦ/у 2014 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Информационно-измерительные и управляющие системы (ИИиУС) подвержены общей тенденции к снижению массогабаритных показателей. В связи с этим объективно необходим анализ теплонагруженности элементов системы и проблем отвода тепла с помощью разнообразных систем охлаждения (СО). При этом возникает задача выбора унифицированной конструкции СО из широкой номенклатуры существующих типоразмеров, выпускаемых промышленностью.

При проектировании современных ИИиУС используются разнообразные подходы к поддержанию тепловых режимов, многие из которых основаны на анализе математических моделей теплонагруженных элементов, выборе способа тепловой защиты радиоэлектронных средств (РЭС). В то же время при осуществлении полного цикла теплофизического проектирования ИИиУС необходимо иметь возможность проведения натурного эксперимента над тештонагруженными электрорадио-изделиями (ЭРИ), существенно влияющими на тепловой режим всей системы, что позволяет оценить адекватность математических моделей, а также уточнить результаты анализа систем охлаждения, большинство из которых составляют воздушные. При этом возникает необходимость автоматизированного выбора, удовлетворяющего расчетным данным, унифицированных конструкций СО из доступного пользователю множества. Это позволит существенно сократить сроки и повысить точность теплофизического проектирования.

Вопросы обеспечения теплового режима элементов РЭС освещены в работах отечественных ученых Г. Н. Дульнева, В. Г. Парфенова, А. В. Сигалова,

A. А. Иофина, С. У. Увайсова и др. Заметный вклад внесли и зарубежные ученые

B. И. Азаренков, М. Макгуайр (М. McGuire), Р. Уэслати (R. Oueslati), Б. Арпачи (В. Arpaci), А. Бешли (A. Bensely), С. Хариш (S. Harish) и др.

Достижения отечественных научных школ в области разработки и совершенствования ИИиУС связаны с именами таких ученых, как Ю. В. Арбузов, Е. А. Ломтев, С. И. Маслов, О. Н. Новоселов, Б. 3. Персов, М. П. Цапенко, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин и др.

При создании современных ИИиУС используются программные комплексы и унифицированные системы теплофизического проектирования, такие как Ansys Icepak, FloTherm, Elmer, Analog Workbench, Qfin, АРМ FEM (KOMIIAC-3D), Betasoft, COSMOS, COLDPLATE, Microwave Office, MSC Nastran, PRAC, российский комплекс программ ТРиАНА (АСОНИКА-Т) и др., но в них отсутствует возможность комплексного исследования физических и математических моделей теплонагруженных элементов РЭС, формирующих тепловой режим ИИиУС. Остаются нерешенные задачи, связанные с синтезом структуры информационно-измерительной системы комплексного исследования СО, на основе совместного проведения как вычислительного, так и натурного экспериментов. Необходим автоматизированный выбор унифицированной конструкции СО из некоторого доступного пользователю множества, удовлетворяющей заданным требованиям, что существенно расширит возможности ИИС. Следует повысить точность определения тепловых режимов работы ЭРИ.

В связи с этим актуальной является задача создания информационно-измерительной системы с расширенными функциональными возможностями для исследования и выбора унифицированной конструкции средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, определяющих тепловой режим всей ИИиУС.

Целью диссертационной работы является совершенствование информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий путем расширения ее функциональных возможностей и повышения точности выбора унифицированной конструкции системы тепловой защиты на основе уточнения математической модели теплонагруженных элементов, что существенно сокращает сроки теплофизического проектирования.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих систем теплофизического проектирования и определить требования к ИИС, которая необходима при теплофизическом проектировании ИИиУС.

2. Усовершенствовать структурную схему ИИС, расширить ее функциональные возможности за счет совмещения результатов вычислительного и натурного экспериментов, а также уточнения тепловых режимов ЭРИ, необходимых для выбора унифицированной конструкции СО.

3. Разработать методику и алгоритмическое обеспечение функционирования ИИС с расширенными функциональными возможностями для исследования средств воздушного охлаждения ЭРИ, определяющих тепловой режим всей ИИиУС.

4. Реализовать структурную схему и внедрить в практику работы современных предприятий и учебный процесс ИИС для исследования средств воздушного охлаждения ЭРИ на основе предложенного методического и алгоритмического обеспечения.

Методы исследования. Методологической основой работы являются теория информационно-измерительных и управляющих систем, теория планирования эксперимента, теория системного анализа и теория тепломассообмена. В работе использовались также технологии объектно-ориентированного и межплатформенного программирования.

Научная новизна и теоретическая значимость работы заключаются в следующем:

1. Разработана структурная схема информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, отличающаяся включением в ее состав подсистемы межсистемного взаимодействия, сменных аппаратных модулей, предназначенных для проведения натурных экспериментов над конечным множеством доступных типоразмеров СО, подсистемы выбора унифицированной системы охлаждения, подсистемы отображения результатов моделирования, что обеспечивает одновременное проведение физического моделирования и вычислительного эксперимента для обоснованного выбора унифицированной системы охлаждения.

2. Уточнена тепловая модель системы охлаждения за счет введения дополнительного корректирующего коэффициента, учитывающего суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом поверхности исследуемого объекта с окружающей средой, что позволило повысить точность расчета температуры перегрева теплонагруженного электрорадиоэлемента.

3. Разработаны методическое и алгоритмическое обеспечения информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, отличающиеся учетом результатов совместного проведения вычислительного и натурного экспериментов над системами охлаждения, что позволило повысить эффективность функционирования ИИС за счет снижения сроков и стоимости проектирования.

Практическая значимость работы состоит в использовании разработанной информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, осуществляющей как натурные, так и модельные исследования при теплофизическом проектировании, а также при исследовании перспективных теплоотводов и систем охлаждения радиоаппаратуры (акты о внедрении прилагаются). Предложенная ИИС используется в учебном процессе при подготовке инженеров-конструкторов РЭС.

На защиту выносятся:

1. Структура информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, обеспечивающая одновременное проведение физического моделирования и вычислительного эксперимента для обоснованного выбора системы охлаждения.

2. Уточненная тепловая модель средства охлаждения, учитывающая суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом поверхности исследуемого объекта с окружающей средой, что позволило повысить точность расчета температуры перегрева теплонагруженного элсктрорадиоизделия.

3. Методическое и алгоритмическое обеспечения информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, позволяющие повысить эффективность функционирования ИИС за счет снижения сроков и стоимости проектирования.

4. Реализация информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, созданной на основе методического и алгоритмического обеспечений теплофизического исследования систем охлаждения, в проектно-конструкторскую деятельность предприятий, а также в учебный процесс.

Реализация и внедрение результатов работы осуществлялись в виде применения ИИС исследования средств воздушного охлаждения в проектно-конструкторской деятельности ЗАО «НИИФИ и ВТ» (г. Пенза), ОАО «Радиозавод» (г. Пенза), ОАО «НПП "Рубин"» (г. Пенза), также в учебном процессе кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Работы проводились в рамках федеральной программы У.М.Н.И.К. в 2010-2012 гг. по теме «Разработка алгоритма функционирования программно-аппаратного комплекса анализа эффективности систем охлаждения радиоаппаратуры».

Результаты исследований использованы:

-в НИОКР по проекту № 12622 «Разработкаустройств, технологий и новых материалов для повышения надежности, качества и экономичности технических систем», 2010-2011 гг.;

-в НИОКР по проекту № 14199 «Разработкаустройств, технологий и новых материалов для повышения надежности, качества и экономичности технических систем», 2011-2012 гг.;

-в НИР по проекту «Разработка интеллектуальной системы управления сложным программно-аппаратным комплексом на основе теории межсистемного взаимодействия» (НК-682П/23) ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза,

2008-2013 гг.); Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2010-2013 гг.); II Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники-2011 » (г. Перемышль, Польша, 2011 г.); научно-практической конференции ИНФО-2011 «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (г. Сочи, 2011 г.); I Международной научно-практической интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (г. Пенза, 2010 г.); Всероссийской заочной научно-методической конференции студентов и аспирантов «Вопросы совершенствования предметных методик в условиях информатизации образования» (г. Славянск - на Кубани, 2009 г.); научно-практической конференции «Перспективные технологии искусственного интеллекта» (г. Пенза, 2008 г.); молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа (г. Ульяновск, 2009 г.), также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ПГУ (г. Пенза, 2010-2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 4 - в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России; 2 отчета о проведении НИОКР и 3 свидетельства о регистрации программ ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка, включающего 148 наименований, и восьми приложений. Основная часть изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 13 таблиц.

Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, разработке программ обеспечения натурного эксперимента, получении и анализе результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки структурной схемы, методического и алгоритмического обеспечения функционирования ИИС исследования средств воздушного охлаждения, позволяющих ввести в процесс проектирования натурные испытания СО, применяемых при выборе систем теплозащиты ИИиУС. Сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ способов поддержания тепловых режимов ИИиУС, задач их теплофизического проектирования. Показано, что основным средством охлаждения являются воздушные системы теплоотвода. Проведенный анализ позволил сформулировать основные требования к разрабатываемой ИИС исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий.

Для обеспечения точности выбора средств теплозащиты необходим комплексный подход к процессу теплофизического проектирования современной ИИиУС, когда наряду с созданием математической модели проводятся исследования реальной (натурной) модели системы охлаждения, учет достигнутых результатов при проведении вычислительного эксперимента, что позволяет на ранних стадиях выявлять проблемные места и уточнять выбор унифицированной конструкции системы охлаждения.

В ходе анализа выявлены особенности наиболее востребованных современных средств теплофизического проектирования. Показано, что существующие средства не позволяют проводить натурный эксперимент, направленный на исследование теплонагруженных ЭРИ. С целью повышения эффективности ИИиУС следует проводить в процессе проектирования натурные испытания элементов тепловой защиты РЭС, а также обеспечивать выбор унифицированной конструкции СО.

В разрабатываемой ИИС исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий объектом является совокупность устройств и конструктивных элементов, применяемых для обеспечения теплового режима ЭРИ.

Во второй главе разработана структурная схема информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий. В состав ИИС включены подсистемы межсистемного взаимодействия, сменные аппаратные модули, предназначенные для проведения натурных экспериментов, подсистемы выбора унифицированной системы охлаждения и модуля отображения результатов моделирований (рисунок 1).

Данные о конструкции II тспяофн шчсских

параметрах унпфицированых СО ( раамер. тип корпуса материал.

Аппарата» часть

ЗычнелшсльнЫ

Подсистема управления мощностью

|С=П

Подсистема сбора, обработки и передачи данны:

Интерфейс

изв

| \iotlbus НИ)

с=о

Подсистема выбора СО

Блок обработки и шпуалнишпи

| Молви.

ка..........

Данные

- - Управление

Программная часп.

Рисунок 1 - Структурная схема ИИС: БОД - блок обработки данных; ВУ - вычислительное устройство;

ИПСО,- ¡-я измерительная подсистема средств охлаждения; ФМ - физическая модель;

ММ - математическая модель Как показано на рисунке 1, система состоит из подсистем выбора СО, блока обработки данных (БОД), блока обработки и визуализации (БОВ), наборов физических и математических моделей. Результаты проведения совместного как физического, гак и математического моделирования отображаются в БОВ и поступают в подсистему выбора унифицированной конструкции СО. При этом ИИС обеспечивает повышение точности тепловых расчетов для обоснованного выбора унифицированной системы охлаждения.

Структурная схема ИИС отличается от существующих:

1) пространственным разделением исследуемых объектов и блока обработки данных, что позволяет без изменения архитектуры БОД, сменной измерительной подсистемы средств охлазвдения (ИПСО) и программы исследования, заложенной в БОД, провести исследования всего множества унифицированных СО и тем самым расширить функциональные возможности ИИС;

2) проведением совместных как физических, так и математических экспериментов над СО, что позволяет минимизировать ошибки при проектировании ИИиУС;

3) введением в состав ИИС подсистемы выбора СО, что позволяет осуществить выбор унифицированной конструкции СО из всего множества конструкций, доступных пользователю;

4) наглядностью представления результатов моделирования в блоке обработки и визуализации, что оказывается полезным для систем, реализуемых в целях проведения учебного процесса.

Структурная схема ИПСО представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема ИПСО

Измерительная подсистема средств охлаждения состоит из нагревателя, самой исследуемой СО и интегрального цифрового датчика температуры, содержащего первичный температурный преобразователь, устройство дискретизации и приемопередающее устройство, реализующее протокол /2С, т.е. в состав источника сообщений включены узлы подсистем формирования и передачи сообщений. При этом нагреватель имитирует работу теплонагруженного ЭРИ.

Для определения температуры исследуемой СО используется контактный способ. В ИПСО установлены полупроводниковые интегральные датчики температуры со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Первичным преобразователем в таких датчиках является р-и-переход, изменяющий свои свойства под действием температуры. Примененные в ИПСО датчики температуры обеспечивают точность измерения ±0,5 °С во всем диапазоне рабочих температур СО (от - 40 °С до +60 °С).

В качестве датчиков температуры выбраны цифровые интегральные датчики температуры типа 081631, включающие в себя как первичный преобразователь, так и АЦП.

В ИИиУС все теплонагруженные ЭРИ соединяются с СО посредством элементов корпуса. Обобщенное уравнение теплопроводности описывает процесс нагрева:

ат

Ж

6е

■Уо'

где

Ов =

■V о'

(1)

(2)

Здесь (2в~ тепловая энергия, выделяющаяся в единице объема; Од -коэффициент тепловой диффузии; (/¡>- плотность материала. Для получения точных данных о температуре ЭРИ уравнение (1) решается численными методами -либо методом конечных разностей, либо методом конечных элементов. При этом результаты математического моделирования имеют определенное отклонение от реально существующих.

В инженерной практике вместо решения (1) используется представление СО в виде электрического эквивалента тепловой схемы. Тепло, выделяемое ЭРИ, представляется активным источником мощности, электрическая энергия которого распределяется по аналоговой схеме, содержащей набор тепловых сопротивлений, соответствующих распределению температуры в системе. Таким образом, задача теплопередачи из решения уравнения (1) преобразуется в задачу, решаемую с помощью теории линейных электрических цепей.

Далее в работе предложена эквивалентная электрическая схема теплового потока системы охлаждения. Как видно из рисунка 3,а, теплонагруженное ЭРИ размещается на поверхности теплоотвода.

"С'/Г Квл-Л

о-

Д!

Д2

• нагревательный элемент

а)

б)

Рисунок 3 - СО в измерительной подсистеме средства охлаждения: а - схема размещения теплонагруженного ЭРИ на поверхности СО; б - электрическая схема теплового потока

Электрическая схема теплового потока для ЭРИ, установленного на поверхность СО, представлена на рисунке 3, б. Здесь - температура активного элемента, °С; Р - мощность активного элемента (нагревателя), Вт; Тл - температура окружающей среды, °С; / с - тепловое сопротивление отрезка «активный элемент - корпус», °С/Вт; сн - тепловое сопротивление отрезка «корпус - теплоотвод», "С/Вт; Н_А - тепловое сопротивление «теплоотвод - окружающая среда», °С/Вт.

Здесь под активным элементом понимается теплотворный элемент ЭРИ (полупроводниковый кристалл, резистивный элемент и т.д.). На основе этой схемы температура корпуса ЭРИ

Гс = Р((К0Н-Л<7кл) + К0С-Н) + 7Л, (3)

а температура активного элемента

т, = Р(*е ,-с + Кв с-н+К н-д9кл)) + Тд. (4)

Уравнения (3) - (4) отличаются введением безразмерного коэффициента qкл , который учитывает суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом поверхности исследуемого объекта с окружающей средой. Значение этого поправочного коэффициента зависит от температуры СО, его учет позволяет уточнить расчетную модель в пределах 10-15 % -й погрешности.

Далее в работе построена метрологическая модель измерительной подсистемы, проведен анализ погрешностей, в ходе которого получены мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности:

(5)

где б5со- мультипликативная погрешность средства охлаждения;

= ^СО V» ( АФ> + К'" ) + ^со^АЦП Ак + ЯссАорпЛк* • (6)

Сделан вывод о том, что основное влияние на погрешность ИПСО вносит мультипликативная погрешность.

В третьей главе разработаны методическое и алгоритмическое обеспечения функционирования ИИС исследования воздушного охлаждения электрора-диоизделий. Для этого необходимо обеспечить совместное проведение исследований как физических, так и математических моделей СО ЭРИ, что позволяет получить данные о перегреве поверхности СО и выбрать унифицированную конструкцию из множества доступных конструкций (рисунок 4).

Рисунок 4 - Методика теплофизического проектирования для автоматизированного выбора СО: НУ - начальные условия; ГУ - граничные условия

Выбор унифицированной конструкции СО зависит от сформулированных конструктором критериев (блок 9 на рисунке 4), выбранных в соответствии с требованиями технического задания, ОСТ, техническими условиями эксплуатации теплонагружениого ЭРИ, и др.

Предложенная методика теплофизического проектирования отличается комплексным и совместным проведением натурного и вычислительного экспериментов и состоит:

1) в исследовании тепловой математической модели и физической модели, выбранной из множества доступных систем охлаждения (блоки 2 и 6), см. рисунок 4;

2) оценке адекватности математической модели по результатам физического эксперимента (блок 3);

3) определении значения теплового сопротивления Ид по математической модели (блок 4);

4) определении соответствия СО сформулированным конструктором критериям (пригодности физической модели) (блок 7);

5) выбора унифицированной конструкции СО (блок 5) с учетом критерия выбора (блок 9).

Алгоритмическое обеспечение включает в себя разработку алгоритма, согласно которому осуществляется выбор унифицированной конструкции СО (рисунок 5).

Рисунок 5 - Алгоритм выбора унифицированной конструкции СО

Основными шагами работы алгоритма являются:

- ввод исходных данных в соответствии с требованиями технического задания, ОСТ, техническими условиями эксплуатации теплонагруженного ЭРИ и др.;

- вычисление требуемого теплового сопротивления К0тр ;

- выбор СО из базы данных, где хранятся параметры унифицированных конструкций, доступных пользователю.

Работа алгоритма делится на два этапа. На первом этапе для упрощения детализированного выбора СО используется лишь основной критерий:

^©тр - R®co >

где /?0тр - максимально допустимое (требуемое) тепловое сопротивление СО; ^ЭСО - тепловое сопротивление унифицированной СО. При этом из базы данных, имеющей фреймовую структуру, отбирают все подходящие варианты СО.

На втором этапе (если количество вариантов более одного) осуществляется выбор на основе всех оставшихся критериев. Полученный результат (конструкция унифицированной СО) выводится на дисплей ЭВМ.

В случае преждевременного прекращения работы алгоритма пользователю выдаются рекомендации по возможному решению задачи в виде возможного изменения требований к СО либо к ее массогабаритным параметрам и др.

Особенностью предложенного алгоритма выбора СО ЭРИ является использование уточненной модели теплового сопротивления, получаемого на основе натурного эксперимента.

В четвертой главе представлена программно-аппаратная реализация предложенных структурной схемы, методики и алгоритма в единой информационно-измерительной системе исследования средств воздушного охлаждения электро-радиоизделий.

Программное обеспечение ИИС реализовано с помощью кроссплатфор-менного инструментария С++ - Qt. Оно позволяет в графической и табличной формах отображать экспериментальные данные, создавать и редактировать отчеты проведенных экспериментов в форматах odt, pdf и html.

Интерфейс пользователя программного обеспечения представлен на рисунке 6. Основное окно состоит из главного меню, панели параметров и рабочей области.

Панель

параметров

Рабочая область

Рисунок 6 - Интерфейс пользователя

Предложенный интерфейс позволяет обеспечивать наглядность процесса исследования и теплофизического проектирования СО с использованием ИИС.

Аппаратная часть ИИС состоит из блока обработки данных и набора измерительных подсистем средств охлаждения, выполненных для всего множества доступных пользователю унифицированных СО.

Па лицевой панели БОД расположен жидкокристаллический индикатор, отображающий текущую информацию о работе ИИС. БОД осуществляет обработку информации, поступающей от интегральных датчиков температуры, которые установлены на поверхности СО в каждой из ИПСО.

Критериями эффективности разработанной системы являются время проведения проектирования СО, а также точность оценки температур СО. При ручном расчете конструкции СО и последующем моделировании, например в среде T-flex, время составило 6 часов, что приблизительно на 48 % больше, чем время, затрачиваемое на проектирование с использованием разработанной ИИС. Диаграмма сравнения эффективности использования ИИС по сравнению с известными системами представлена на рисунке 7.

Анализ полученных результатов показал, что сокращение времени проведения теплофизического проектирования обеспечивается комплексным подходом к процессу теплофизического проектирования на основе совместного проведения как физического, так и вычислительного экспериментов.

eg 1 Расчет конструкции СО с последующим моделированием в среде T-Flex м 2 Pro/ Mechanics

ш 3 Cosmos/ Works

а 4 Ansys ш 5 Flotherm й 6 Sauna

« 7 BETAsoft

Ш 8 Проектирование с помощью ИИС

9Qftn

Рисунок 7 - Сравнение эффективности разработанной ИИС

Таким образом, эксплуатация ИИС подтвердила работоспособность и эффективность разработанных структурных схем, тепловой модели и методики теплофизического проектирования СО ЭРИ.

В заключении обобщены результаты работы. Сделаны выводы о возможности разработки на основе предложенной структуры ИИС информационно-измерительного оборудования нового поколения.

Работа нашла практическое применение, что подтверждается актами о внедрении в производственный процесс предприятий ЗАО «НИИФИ и ВТ» (г. Пенза), ОАО «Радиозавод» (г. Пенза) и ОАО «НПП "Рубин"» (г. Пенза), а также в учебный процесс кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Дальнейшее развитие диссертационного исследования может заключаться в совершенствовании подсистемы сбора, обработки и передачи данных ИИС за счет применения, например, технологий беспроводной передачи данных. Также отметим, что тенденция создания унифицированных конструкций интегрированных СО открывает новые перспективы применения ИИС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

¡.Проведенный анализ существующих систем теплофизического проектирования позволил сформулировать основные требования к информационно-измерительной системе исследования средств воздушного охлаждения элек-трорадиоизделий, состоящие в необходимости совместного проведения как физического, так и вычислительного экспериментов, обеспечении возможности работы с базой унифицированных СО, осуществлении выбора СО из множества доступных.

2. Разработана структурная схема информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, отличающаяся включением в ее состав подсистемы межсистемного взаимодействия, сменных аппаратных модулей, предназначенных для проведения натурных экспериментов над конечным множеством доступных типоразмеров СО, подсистемы выбора унифицированной системы охлаждения, подсистемы отображения результатов моделирований, что обеспечивает одновременное проведение физического моделирования и вычислительного эксперимента для обоснованного выбора унифицированной системы охлаждения.

3. Уточнена тепловая модель системы охлаждения за счет гведения дополнительного корректирующего коэффициента, учитывающего суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом поверхности исследуемого объекта с окружающей средой, что позволило повысить точность расчета температуры перегрева теплонагруженного электрорадиоизделия на 10-15 %.

4. Разработаны методическое и алгоритмическое обеспечения информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, отличающиеся учетом результатов совместного проведения вычислительного и натурного экспериментов над системами охлаждения, что позволило повысить эффективность функционирования ИИС на 17-48 % за счет снижения сроков и стоимости проектирования.

5. Разработана метрологическая модель измерительной подсистемы, позволившая сделать вывод, что основную погрешность в информационную подсистему вносит мультипликативная погрешность средств охлаждения - 5.УСо-

6. Реализована структура информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий на основе предложенных методического и алгоритмического обеспечений и внедрена в практику работу трех предприятий, а также в учебный процесс.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Горячев, Н. В. Структура и программно-информационное обеспечение информационно-измерительного лабораторного комплекса / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Известия Южного федерального университета. Технические науки.-2012.-Т. 130.-№5.-С. 169-173.

2. Автоматизированный выбор системы охлаждения теплонагружепных элементов радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, К. С. Петелин,

B. А. Трусов, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. -2013. — № 4. - С. 136-143.

3. Горячев, Н. В. Подсистема расчета средств охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. А. Рыжов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. -№ 4(16). - С. 24-29.

4. Горячев, Н. В. Концептуальная схема разработки систем охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Проектирование и технология электронных средств. - 2009. -№ 2. - С. 66-70.

Публикации в других изданиях

5. Горячев, Н. В. Совершенствование структуры современного информационно-измерительного комплекса / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Инновационные информационные технологии. - 2013. — Т. 3. - № 2. - С. 433—436.

6. Горячев, Н. В. Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотводов электрорадиоэлементов / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, П. К. Юрков // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2012. - Т. 2. - С. 239-240.

7. Горячев, Н. В. Тепловая модель сменного блока исследуемого объекта / Н. В.Горячев // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2012. - Т. 1. —

C. 263.

8. Горячев, Н. В. Уточнение тепловой модели сменного блока исследуемого объекта / Н. В.Горячев, И. Д. Граб, Н. К.Юрков // Надежность и качество : тр. Междунар. симп.-2013.-T. 1.-С. 169-171.

9. Горячев, Н. В. Алгоритм функционирования системы поддержки принятия решений в области выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2012. - Т. 2. -С. 238.

10. Grab, I. D. Research methods of cooling systems / I. D. Grab, U. A. Sivagina, N. V. Goryachev, N. K. Yurkov // Innovative Information Technologies : materials of the International scientific - practical conférence. - M. : HSE, 2014. - Part 2. -p. 443-446.

11. Программа инженерного расчета температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2012. -Т. 2.-С. 242-243.

12. Горячев, Н. В. Концептуальная структура СППР в области выбора теп-лоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2012. - Т. 2. - С. 241-241.

13. Бростилов, С. А. Метрологический анализ измерительной подсистемы информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения / С. А Бростилов, Н. В. Горячев, Т. Ю. Бростилова // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2014. - Т. 2. - С. 127-129.

14. Алгоритм функционирования стенда исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. - 2011.-№ 1.-С. 385-391.

15. Алгоритм функционирования компьютерной программы стенда исследования теплоотводов / И. Д. Граб, Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Надежность и качество : тр. междунар. симп. - 2011. - Т. 1. - С. 244-246.

16. Горячев, Н. В. Выбор датчиков температуры учебного стенда ИКОС / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Materialy VII Mi^dzy-narodowej : naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania s^ naukq. i technikami - 2011» Techniczne nauki. - Przemysl // Nauka i stadia, 2011. -Vol. 56. - Str. 3^.

17. Горячев, H. В. Применение контактного способа измерения температуры в учебном лабораторном стенде / Н. В. Горячев // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС. - 2011. - Вып. 16. - С. 69 -73.

18. Горячев, Н. В. Структура автоматизированной лаборатории исследования теплоотводов / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2011. - Т. 2. - С. 119-120.

19. Горячев, Н. В. Комплексы и системы теплофизического проектирования электронной аппаратуры / Н. В. Горячев, Ю. А. Сивагина, Е. А. Сидорова // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС. - 2011. - Вып. 16. -С. 178-186.

20. Горячев, Н. В. Концепция создания автоматизированной системы выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. - 2010. -№ 11. - С. 171-176.

21. Исследование тепловых режимов радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, Д. Л. Петрянин, И. Д. Граб, П. Г. Андреев // Ульяновский центр трансфера технологий : сб. аннотаций проектов Молодежного инновационного форума Приволжского федерального округа. - Ульяновск : УлГТУ. -2009. - С. 96-98.

22. Горячев, Н. В. К вопросу выбора вычислительного ядра лабораторного стенда автоматизированного лабораторного практикума / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. - 2009. -№ 10. - С. 128-130.

23. Горячев, Н. В. Комплекс по анализу эффективности систем охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронной аппаратуры / Н. В. Горячев // Каталог инновационных проектов молодых изобретателей Пензенской области. - Пенза. - 2009. - С. 19.

24. Горячев, Н. В. Моделирование тепловых режимов при проектировании радиоэлектронной аппаратуры / Н. В. Горячев // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2009. -Т. 1. - С. 330-332.

25. Горячев, Н. В. Об оценке адекватности модели / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Вопросы совершенствования предметных методик в условиях информатизации образования: материалы Вссрос. заочной науч.-метод. конф. студентов и аспирантов. - Славянск-на Кубани : Издательский центр СГПИ. -2009-С. 83-87.

26. Стенд исследования тепловых полей элементов конструкций РЭС / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, Л. В. Лысенко, П. Г. Андреев, В. А. Трусов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2008. - Т. 2. — С. 162-166.

Свидетельства о регистрации программ

27. Свидетельство о регистрации программы № PR11009. Программа визуализации и обработки данных натурного эксперимента по исследованию теплоот-водов / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков. - Зарсг. в реестре фонда алгоритмов и программ Сиб. отд. Российской академии наук 28.01.2011.

28. Свидетельство о регистрации программы № PR11001. Программа визуализации теплового поля радиаторов РЭА / Н. В. Горячев, И. Д. Граб. - Зарег. в реестре фонда алгоритмов и программ Сиб. отд. Российской академии наук. 23.01.2011.

29. Свидетельство о регистрации программы №PR11045. Расчет температуры перегрева теплоотвода и кристалла радиоэлемента / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков. - Зарсг. в реестре фонда алгоритмов и программ Сиб. отд. Российской академии наук. 05.09.2011.

Научное издание

ГОРЯЧЕВ Николай Владимирович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СРЕДСТВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.11.16 — Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редактор Т. В. Веденеева Компьютерная верстка С. В. Денисовой

Распоряжение № 9/47-2014 от 10.07.2014

Подписано в печать 14.07.2014. Формат 60х841/|6. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 008486.

Издательство 111 У. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; с-таП:пс@рп?ци.ги

Пензенский государственный университет

На правах рукописи

04201460993

Горячев Николай Владимирович

Информационно-измерительная система для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий

Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие

системы (приборостроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Н.К. Юрков

Пенза 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Список используемых сокращений ..... 4

Введение ......... 6

Глава 1. Современное состояние проблемы теплофизического проектирования . 13

1.1 Роль информационно-измерительной системы при

решение задач теплофизического проектирования . . 13

1.2 Моделирование в проектировании РЭС ... 22

1.3 Классификация систем охлаждения ЭРИ . . . 33

1.4 Натурные испытания в проектировании ЭРИ . . 39

Выводы по главе 1. . . . . . . . 47

Глава 2. Разработка информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий ....... 48

2.1 Структурная схема информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий ....... 48

2.2 Структурная схема измерительной подсистемы

средств охлаждения . . . . . . . 55

2.3 Тепловая модель системы охлаждения установленной в измерительной подсистеме средств охлаждения . . . 56

2.4 Разработка метрологической модели измерительной подсистемы ......... 68

Выводы по главе 2. . . . . . . . 74 Глава 3. Методическое и алгоритмическое

обеспечение информационно-измерительной системы 76

3.1 Методика теплофизического проектирования . . . 76

3.2 Алгоритм выбора унифицированной конструкции

системы охлаждения ....... 79

3.2.1 Концептуальное проектирование подсистемы

выбора средства охлаждения. ..... 79

3 3.2.2 Выбор и принятия решений при многокритериальных

условиях. Оптимизационный и экспертный методы принятия

решений. ......... 80

3.2.3 Алгоритм выбора унифицированной конструкции

системы охлаждения ....... 86

3.3 Алгоритмическое обеспечение функционирования

информационно-измерительной системы .... 91

Выводы по главе 3. 99

Глава 4. Программно-аппаратная реализация

информационно-измерительной системы для исследования

средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий 100

4.1. Реализация аппаратной части информационно-

измерительной системы ....... 100

4.1.1 Схемотехническая реализация информационно-

измерительной системы ...... 102

4.2 Реализация программной части информационно-

измерительной системы ...... 107

4.3 Технические характеристики информационно-измерительной

системы для исследования средств воздушного охлаждения. 113

4.4 Применение информационно-измерительной системы

для экспериментального исследования средств воздушного

охлаждения ......... 114

4.5 Оценка эффективности информационно-измерительной

системы ......... 117

Выводы по главе 4. 119

Заключение ......... 120

Библиографический список использованной литературы 123

Приложение А Листинг программы ..... 140

Приложение Б Акты о внедрении ..... 168

Приложение В Свидетельства о регистрации программ ЭВМ 172

Приложение Г Всероссийские награды .... 175

Приложение Д Общий вид ИИС и набора ИПСО 176

Список используемых сокращений

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БОД - блок обработки данных

ЖКИ - жидкокристаллический индикатор

ИМ - интегральная микросхема

ИО - исследуемый объект

ИИС - информационно-измерительная система

ИИиУС - информационно-измерительная и управляющая система

ИПСО - информационная подсистема средств охлаждения

ММ - математическая модель

НИР - научно-исследовательская работа

НИОКР - научно-исследовательская опытно конструкторская работа ОЗУ - оперативное запоминающие устройство ПО - программное обеспечение ПУ - печатный узел

ПЗУ - постоянное запоминающие устройство

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема

РЭС - радиоэлектронное средство

САПР - система автоматизированного проектирования

СО - система охлаждения

ТО - теплоотвод

ТУ - технические условия

ТФП - теплофизическое проектирование

ТЭМ - термоэлектрический модуль

Т.Э.Д.С. - термоэлектродвижущая сила

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ФМ - физическая модель

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ЭРИ - электрорадиоизделие

CAD - computer-aided design (система автоматизированного проектирования)

SDA - Serial data (последовательная шина данных)

SCL - Serial clock (последовательная шина синхронизации)

USB - Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина)

Введение

Актуальность темы. Информационно-измерительные и управляющие системы (ИИиУС) подвержены общей тенденции на снижение массогабаритных показателей. При этом объективно необходим анализ теплонагруженности элементов системы и проблем отвода тепла с помощью разнообразных систем охлаждения (СО). При этом возникает задача выбора унифицированной конструкции СО из широкой номенклатурой существующих типоразмеров, выпускаемых промышленностью.

При проектировании современных ИИиУС используются разнообразные подходы к поддержанию тепловых режимов, многие из которых основаны на анализе математических моделей теплонагруженных элементов, выборе способа тепловой защиты радиоэлектронных средств (РЭС). В тоже время при осуществлении полного цикла теплофизического проектирования ИИиУС необходимо иметь возможность проведения натурного эксперимента над теплонагруженными электрорадиоизделиями (ЭРИ), существенно влияющими на тепловой режим всей системы, что позволяет оценить адекватность математических моделей, а также уточнить результаты анализа систем охлаждения, большинство из которых составляют воздушные системы охлаждения. При этом возникает необходимость автоматизированного выбора, удовлетворяющего расчётным данным, унифицированных конструкций СО из доступного пользователю множества. Это позволит существенно сократить сроки и повысить точность теплофизического проектирования.

Вопросы обеспечения теплового режима элементов РЭС освещены в работах отечественных учёных Г.Н. Дульнева, В.Г. Парфёнова, A.B. Сигалова, A.A. Иофина, С.У. Увайсова и др. Заметный вклад внесли и зарубежные ученые В.И. Азаренков, М. Макгуайр (М. McGuire), Р. Уэслати (R. Oueslati), Б. Арпачи (В. Arpaci), А. Бешли (А. Bensely), С. Хариш (S. Harish) и др.

Достижения отечественных научных школ в области разработки и совершенствования ИИиУС связаны с именами таких ученых, как Ю. В. Арбузов, Е.А. Ломтев, С.И. Маслов, О.Н. Новоселов, Б.З. Персов, М.П. Цапенко Э.К. Шахов, В.М. Шляндин и др.

При создании современных ИИиУС используются программные комплексы и унифицированные системы теплофизического проектирования, такие как Ansys Icepak, FloTherm, Elmer, Analog Workbench, Qfin, АРМ FEM (KOMIIAC-3D), Betasoft, COSMOS, COLDPLATE, Microwave Office, MSC Nastran, PRAC, российский комплекс программ ТРиАНА (АСОНИКА-Т) и др., но в них отсутствует возможность комплексного исследования физических и математических моделей теплонагруженных элементов РЭС, формирующих тепловой режим ИИиУС. Остаются нерешенные задачи, связанные с синтезом структуры информационно-измерительной системы комплексного исследования СО, на основе совместного проведения как вычислительного, так и натурного экспериментов. Необходим автоматизированный выбор унифицированной конструкции СО из некоторого доступного пользователю множества, удовлетворяющей заданным требованиям, что существенно расширит возможности ИИС. Следует повысить точность определения тепловых режимов работы ЭРИ.

В связи с этим актуальной является задача создания информационно-измерительной системы с расширенными функциональными возможностями для исследования и выбора унифицированной конструкции средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, определяющих тепловой режим всей ИИиУС.

Целью диссертационной работы является совершенствование информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий путем расширения ее функциональных возможностей и повышения точности выбора унифицированной конструкции системы тепловой защиты на основе уточнения математической модели

теплонагруженных элементов, что, в конечном счете, приводит к сокращению сроков теплофизического проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих систем теплофизического проектирования и определить требования к ИИС, которая требуется при теплофизическом проектировании ИИиУС.

2. Усовершенствовать структурную схему ИИС, расширить ее функциональные возможности за счет совмещения результатов вычислительного и натурного экспериментов, а также уточнения тепловых режимов ЭРИ, необходимых для выбора унифицированной конструкции СО.

3. Разработать методику и алгоритмическое обеспечение функционирования ИИС с расширенными функциональными возможностями для исследования средств воздушного охлаждения ЭРИ, определяющих тепловой режим всей ИИиУС.

4. Реализовать структурную схему и внедрить в практику работы современных предприятий и учебный процесс ИИС для исследования средств воздушного охлаждения ЭРИ на основе предложенных методического и алгоритмического обеспечения.

Методы исследования. Методологической основой работы являются теория информационно-измерительных и управляющих систем, теория планирования эксперимента, теория системного анализа и теория тепломассообмена. В работе использовались также технологии объектно-ориентированного и межплатформенного программирования.

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в работе, основывается на корректном применении методов теории планирования эксперимента, системного анализа и теории межсистемного взаимодействия, апробацией решений, достаточной близостью результатов полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований, а также в лабораторных условиях.

Научная новизна и теоретическая значимость работы заключаются в следующем:

1 Разработана структурная схема информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, отличающаяся включением в её состав подсистемы межсистемного взаимодействия, сменных аппаратных модулей, предназначенных для проведения натурных экспериментов над конечным множеством доступных типоразмеров СО, подсистемы выбора унифицированной системы охлаждения, подсистемы отображения результатов моделирований, что обеспечивает одновременное проведение физического моделирования и вычислительного эксперимента для обоснованного выбора унифицированной системы охлаждения.

2 Уточнена тепловая модель системы охлаждения за счет введения дополнительного корректирующего коэффициента, учитывающего суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом поверхности исследуемого объекта с окружающей средой, что позволило повысить точность расчёта температуры перегрева теплонагруженного электрорадиоэлемента.

3 Разработано методическое и алгоритмическое обеспечения информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, отличающиеся учетом результатов совместного проведения вычислительного и натурного экспериментов над системами охлаждения, что позволило повысить эффективность функционирования ИИС за счет снижения сроков и стоимости проектирования.

Практическая значимость работы состоит в использовании разработанной информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, осуществляющей как натурные, так и модельные исследования при теплофизическом проектировании, а также при исследовании перспективных теплоотводов и систем охлаждения радиоаппаратуры (акты о внедрении прилагаются). Предложенная ИИС

используется в учебном процессе при подготовке инженеров-конструкторов РЭС (см. акт внедрения).

На защиту выносятся:

1 Структура информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, обеспечивающая одновременное проведение физического моделирования и вычислительного эксперимента для обоснованного выбора системы охлаждения.

2 Уточненная тепловая модель средства охлаждения, учитывающая суммарные потери, вызванные конвективным и лучистым теплообменом поверхности исследуемого объекта с окружающей средой, что позволило повысить точность расчёта температуры перегрева теплонагруженного э л ектрорадиоиз де л ия.

3 Методическое и алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения, позволяющее повысить эффективность функционирования ИИС за счет снижения сроков и стоимости проектирования.

4 Реализация информационно-измерительной системы исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий, созданной на основе методического и алгоритмического обеспечения теплофизического исследования систем охлаждения, в проектно-конструкторскую деятельность предприятий, а также в учебный процесс.

Реализация и внедрение результатов работы осуществлялись в виде применения ИИС исследования средств воздушного охлаждения в проектно-конструкторской деятельности ЗАО НИИФИ НИИВТ (г. Пенза), ОАО «Радиозавод» (г. Пенза), ОАО «Рубин» (г. Пенза), также в учебном процессе кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Работы проводились в рамках федеральной программы У.М.Н.И.К. в 2010-2012 гг., по теме «Разработка алгоритма функционирования программно-

аппаратного комплекса анализа эффективности систем охлаждения радиоаппаратуры».

Результаты исследований использованы:

- В НИОКР по проекту №12622 «Разработка устройств, технологий и новых материалов для повышения надёжности, качества и экономичности технических систем», 2010-2011 гг.

- В НИОКР по проекту №14199 «Разработка устройств, технологий и новых материалов, для повышения надёжности, качества и экономичности технических систем», 2011-2012 гг.

- В НИР по проекту «Разработка интеллектуальной системы управления сложным программно-аппаратным комплексом на основе теории межсистемного взаимодействия» (НК-682П/23) ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2008-2013 гг.); Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2010-2013 гг.); II Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники - 2011» (г. Перемышль, Польша, 2011 г.); научно-практической конференции ИНФО-2011 «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (г. Сочи, 2011 г.); I Международной научно-практической интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (г. Пенза, 2010 г.); Всероссийской заочной научно-методической конференции студентов и аспирантов «Вопросы совершенствования предметных методик в условиях информатизации образования» (г. Славянск - на Кубани, 2009 г.); научно-практической конференции «Перспективные технологии искусственного интеллекта» (г. Пенза, 2008 г.); молодёжном инновационном форуме Приволжского федерального округа (г. Ульяновск, 2009 г.), также на научно-технических

конференциях профессорско-преподавательского состава ПГУ (г. Пенза, 2010-2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 29 печатных работ, в том числе 4 - в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России, 2 отчета о проведении НИОКР и 3 свидетельства о регистрации программ ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка, включающего 148 наименований, и пяти приложений. Основная часть изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 12 таблиц.

Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, разработке программ обеспечения натурного эксперимента, получении и анализе результатов.

Глава 1. Современное состояние проблемы теплофизического

проектирования

1.1 Роль информационно-измерительной системы при решение задач теплофизического проектирования

Теплофизическое проектирование (ТФП) является неотъемлемой частью конструкторского проектирования РЭС [87]. Процесс ТФП объединяет методы обеспечения заданного теплового режима отдельных элементов и составных частей РЭС. При ТФП различают три вида элементов РЭС: дискретные; модульные, микромодульные и микроминиатюрные схемы; блочные или «большие» элементы [47, 77, 87]. В работе рассматривается обеспечение заданного теплового режима дис