Применение самодельного тепловизора на базе Arduino в исследованиях экономии электроэнергии Страница 1 из 3

Что можно сделать с помощью двух кирпичей, обыкновенной электрической плитки итепловизора на Arduino ? Сэкономить кучу электричества! Как все эти вещи взаимосвязаны, можно узнать из данной статьи. По ходу дела пришлось затронуть некоторые вещи из ТАУ (теория автоматического управления), но я постарался избавиться от занудной математики и подробно объяснить роль «тепловизора менее чем за 100$» в процессе.





Внимание! Под катом есть одна очень «толстая», но красивая картинка! И много текста!


Сегодня, практически у каждого в хозяйстве имеются электронагревательные приборы — плитки, чайники, обогреватели ну и кипятильники на худой конец. В целом принцип их работы можно описать так — ток течет по нихромовой нити и вызывает ее нагрев, а также нехило мотает электросчетчик. Все нагревательные приборы очень много «кушают» электричества, так уж повелось. Однако и здесь есть выход!

Дело в том, что любое тело, обладает своей собственной «тепловой инерционностью», и здесь можно привести может и не совсем точную, но понятную аналогию с большим круглым булыжником:
Представим, что булыжник нужно откатить на расстояние десять метров. Можно сразу навалиться на него всем весом, на протяжении всего участка толкать что есть сил, и таким образом переместить его до нужного места. А можно сначала усилием сдвинуть его, и далее лишь слегка подталкивать. Разумеется, во втором случае, мы устанем меньше. Так вот по аналогии первый способ — это включение нагревателя напрямую в сеть, а второй — использование энергосберегающих алгоритмов управления.

А это означает, что мы можем подать на вход электронагревательного элемента напряжение специальной формы, что позволит достичь нужной температуры, но с меньшими затратами электроэнергии (кВт*ч). Разумеется, при этом экономия не берется из воздуха. А появляется она за счет увеличения времени нагрева, и чем больше время — тем соответственно больше экономия! Как рассчитать такое управление — долгая история и в рамках данной статьи это будет затронуто лишь поверхностно (ибо матан).
Итак, возьмем, например, для исследования обыкновенную электроплитку, мощностью в 1 кВт. И положим на нее два силикатных кирпича — для повышения той самой «тепловой инерционности» (а как Вы уже поняли, чем эта условная величина больше, тем грандиознее процент экономии). Вот эта красавица:




Согласен, выглядит не очень! Она много повидала на своем веку, и, тем не менее продолжит служить во имя науки и дальше.
Для расчета энергосберегающего управления для данного электронагревательного прибора во-первых, нужно выполнить задачу составления его простейшей математической модели. Она может быть, например, дифференциальным уравнением или, как в данном случае, передаточной функцией. Говоря языком википедии, передаточная функция является дифференциальным оператором, выражающим связь между входом и выходом линейной стационарной системы. И зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.
У электронагревательных приборов входной величиной является действующее значение напряжения, а выходной — температура объекта. И имея на руках передаточную функцию теплового объекта, мы можем, подав на вход напряжение в 220В, на выходе получать значение температуры, а значит, владеть самой настоящей математической моделью.
Открыв любой учебник по ТАУ, можно убедиться, что разновидностей передаточных функций существует великое множество. Так как же узнать какая из них наиболее точно опишет объект исследования? Для этого необходимо провести своеобразное «опознание», по научному — идентификацию объекта. Звучит серьезно, а на практике выглядит так: включить в сеть и замерить температуру на протяжении всего времени нагрева. Вот что получится в случае с электроплиткой:



Исходя из вида функции, смело можно сделать вывод, что электроплитка точно описывается передаточной функцией, под названием апериодическое звено второго порядка. Вот так она выглядит:



Здесь входная величина U(t) обозначает напряжение, которое может быть как постоянным во времени (220В, имеется в виду действующее значение), так и изменяющимся по какому либо закону. Выходная величина x(t) — температура. Из картинки можно понять, что у данного звена есть свои параметры — K, T1 и T2, которые называются соответственно коэффициентом усиления и постоянными времени. Как следует из их названий, значение K отражает величину изменения сигнала, прошедшего через такое звено, а постоянные времени напрямую зависят от той самой «тепловой инерционности» объекта. Эти коэффициенты можно приблизительно вычислить из предыдущего графика. И, очевидно, что они влияют на точность математической модели, а значит и на величину сэкономленной электроэнергии.
Забегая вперед, скажу — для данной плитки уже не один год студенты рассчитывали то самое энергосберегающее управление (поэтому она такая потрепанная). И раз за разом, для идентификации объекта (ну чтобы получить тот график сверху) располагали термопару строго посередине между кирпичами. Ну и возник закономерный вопрос — а что если взять и переместить датчик температуры в совсем другое место, как изменятся параметры объекта? Каждый раз проводить опыт с различным положением термопары было бы чрезвычайно долго — как можно понять из графика выше, один эксперимент идет почти три часа. И тут в самый раз подходит использование того самого тепловизора на Arduino.
Главный недостаток только что упомянутого устройства — долгое время получения изображения в инфракрасном диапазоне здесь практически не играет роли — эксперимент идет очень долго по сравнению с временем сканирования. Но в результате, получается не один график изменения температуры в одной точке, а целых 768! В соответствии с разрешением термограммы 32x24 пикселя.
Таким образом, используя тепловизор, был произведен подобный эксперимент по идентификации объекта — 25 термограмм было снято за несколько часов. Область сканирования охватывала практически всю боковую поверхность кирпичей, как показано на картинке:

  • 1004
  • 24/06/2014


Поделись



Подпишись



Смотрите также