Застосування теплового зображення на основі ардуїно на основі енергії

Що можна зробити з двома цеглими, звичайним електричним плитковим термальним зображенням на Ардуїно? Заощаджуйте багато електроенергії! Як можна знайти всі ці речі в цій статті. У процесі доторкнутися до деяких речей про ТАУ (автоматичне управління теорії), але я спробував позбутися від виснажливої математики і докладно пояснити роль менш ніж $100 термального зображення в процесі.



УВАГА! Під вирізом є одна дуже «злий», але красива картина! І багато тексту!


Сьогодні практично кожен в господарстві має електронагрівачі - плитка, чайники, обігрівачі і котли для гіршого. В цілому принцип їх роботи можна описати наступним чином: струм потоків по нитці ніхрому і викликає його опалення, а також електричний метр добре прокочується. Всі опалювальні прилади дуже сильно «поживна» електрика, тому це сталося. Тексти пісень, а це означає: Але є вихід!

Справа в тому, що будь-яке тіло має власну «термальну інерцію», і тут можна надати не зовсім точну, але зрозумілу аналогію з великим круглим гальком:
Уявіть, що гальковий камінь повинен бути розкочений на відстані десять метрів. Ви можете негайно прокочувати його з усіма вагами, по всьому сайту виштовхувати те, що є доступним, і таким чином перемістити його на потрібне місце. І можна спочатку змусити його пересуватися, а потім тільки злегка відштовхуватися. Звичайно, в другому випадку, ми менше втомилися. Таким чином, за аналогією, першим способом є включення обігрівача безпосередньо в мережу, а другий – використовувати алгоритми регулювання енергозберігаючого контролю.

Це означає, що ми можемо поставляти напругу спеціальної форми до входу електричного нагрівального елемента, що дозволить нам досягти необхідної температури, але при меншій електриці (кВт). Звісно, заощадження не знімаються з тонкого повітря. І з'являється збільшення часу нагріву, і чим більше часу - тим більш економія відповідно! Як розрахувати такий менеджмент - це довга історія і в рамках цієї статті вона буде доторкнутися тільки надфіціально (because matan).
Так, візьміть, наприклад, щоб вивчити звичайну електричну плитку, потужністю 1 кВт. І кладемо на неї дві силікатні цегли – збільшити однакову «термальну інерцію» (і так як ви вже розуміли, чим більша ця умовна величина, тим більший відсоток економії). Це краса:
193359

Я згоден, це не добре! У своїй житті, але вона продовжує служити наукою.
Для розрахунку енергозберігаючого контролю для цього електроприводу, перш за все, потрібно виконати завдання складання його найпростішої математичної моделі. Це може бути, наприклад, диференціальне рівняння або, в цьому випадку функція передачі. У Вікіпедії функція передачі є диференціальним оператором, який виражає зв'язок між входом і виведенням лінійної стаціонарної системи. І знаючи вхідний сигнал системи і функції передачі, можна відновити вихідний сигнал.
При електричному опалювальному приладі значення вводу є поточною вартістю напруги, а вихідне значення є температурою об'єкта. І має функцію передачі теплового об'єкта на руках, ми можемо, подаючи напругу 220В в вхід, отримати температурне значення при виході, а отже, мати реальну математичну модель.
Відкриття будь-якого підручника з ТАУ можна переконатися, що є безліч варіантів передачі. Отже, як ви знаєте, що один точно описати тему дослідження? Для цього необхідно провести своєрідну «визнання», відповідно до наукового - визначення об'єкта. Вона звучить серйозним, але на практиці це виглядає: ввімкніть мережу і вимірюйте температуру протягом усього часу нагріву. Ось що відбувається в разі електромережі:


Виходячи з типу функції, ми можемо сміливо зробити висновок, що електрична плитка точно описана функцією передачі, що називається другим замовленням аперіодичне посилання. Це те, що він виглядає так.


Тут значення вводу U(t) позначається напругою, яка може бути постійною в часі (220V, значення струму значення) або змінної будь-яким законом. Вихідне значення x(t) є температурою. З картини ви можете зрозуміти, що цей посилання має свої параметри - K, T1 і T2, які називаються відповідно коефіцієнтом отримання і часовими константами. У зв'язку з їх назвами значення К відображає величину зміни сигналу, що пропускається через таке посилання, а час константи безпосередньо залежать від дуже "термальної інерції" об'єкта. Ці коефіцієнти можна приблизити з попереднього графіка. І, очевидно, вони впливають на точність математичної моделі, а отже, кількість електроенергії врятувала.
Шукаю вперед, я скажу, що для цієї плитки, більше одного року студенти рахують на той самий енергозберігаючий менеджмент (так це так shabby). А час після часу, щоб визначити об'єкт (навіть, щоб отримати цей графік з вище), розміщений термопаром строго посередині між цеглою. Ну, природне питання виникло - що якщо ви берете і перемістіть датчик температури на зовсім інше місце, як будуть параметри зміни об'єкта? Кожен раз, щоб провести експеримент з різним положенням термопара буде надзвичайно довго - як можна побачити з графіка вище, один експеримент займає майже три години. І ось це просто право використовувати той самий термічний образ на Ардуїно.
Головний недолік пристрою, який просто згадується, полягає в тому, що тривалий час отримання зображення в інфрачервоній довжині хвилі практично не грає ролі тут - експеримент займає дуже довгий час у порівнянні з час сканування. Але результат не один графік зміни температури в одній точці, але 768! Відповідно до постанови термограми 32х24 пікселів.
Таким чином, за допомогою теплового зображення, аналогічного експерименту було зроблено для виявлення об'єкта - 25 термограмів були зняті протягом декількох годин. Площа сканування покрита практично всю бічну поверхню цегли, як показано на малюнку:


І ось те, що процес обігріву в інфрачервоній довжині хвилі (наприклад, інфрачервоний час ляпас):


Варто відзначити, що помилкові кольори в термограмі приводяться автоматично в залежності від максимальної і мінімальної вимірюваної температури, а також градієнта матчу також змінюється динамічно.
Відкриття було в тому, що в центрі цегли зрушився нагрівальний центр. Це, ймовірно, завдяки неоднорідності всередині низової цегли, або конструкції нагрівального елемента плитки.
Термознімок на основі Arduino працює наступним чином: спочатку скомпільована простора матриця температури, потім на ній візуалізується помилкова кольорова картина. Це виявилося величезним плюсом - так як вихід системи не тільки красива картина, але і матричний файл, який грає важливу роль в дослідженні. Візьміть п'ять точок на таких матрицях (від 25), можна відслідковувати динаміку зміни температури:


Це те, що транзисторні графіки (як ці температурні залежності називаються) будуть виглядати як п'ять вибраних точок і з термопара для порівняння:
р.

Графіки з терморегулятора є більш чіткими, оскільки вони ґрунтуються лише на 25 пунктах, тоді як дані з термопара надходять кожні два секунди. Крім того, голий око може відзначити різницю в графіках температури від термопара і теплового зображення. Можливо, це пов'язано з фізичними відмінностями в методах вимірювання - якщо термопар знаходиться як якщо "всередині" об'єкт, то інфрачервоний датчик теплового зображення сканує поверхню, яка в свою чергу впливає на процеси випаровування вологи і повітряної конвекції.

Далі з цих графіків можна отримати однакові коефіцієнти (K, T1 і T2) для створення математичної моделі плитки. Тим не менш, цей час ми не будемо, але шість моделей!
Витративши математичну частину, варто відзначити, що цікава особливість була помітлена під час дослідження - значення коефіцієнтів залежать від місця розташування точки на термограмі відносно передбачуваного центру опалення - це червона зона внизу термограми. Їх залежність практично лінійна:


295394

І так як відомо, що графіки не лежать, орієнтуючись на позицію точки вимірювання в принципі, можна визначити коефіцієнти практично будь-якої точки об'єкта, не вдаючись до позначення всіх 768 точок.
І все ж, з цих п'яти раніше вибраних точок, точка лівої руки показали найкращі результати в економії енергії. В рамках системи з регулятором налаштовано дані, отримані з цієї точки:


Відсоток економії вважається порівняно з енергією, що витрачається на обіг плитки до 80 градусів, просто заглушуючи в розетку. Як змінити напругу на плитці, щоб зберегти майже 40% електроенергії, можна побачити на цій діаграмі:


Тут позначений оптимальний контроль U(t), відповідна температура плитки під таким контролем - T(оптимальний). Для порівняння графіки напруги і температури плитки також даються при простому переключенні в мережу. Як бачимо, заощадження отримують шляхом збільшення часу нагріву майже в три рази.

В резюме:
Отже, якщо вся стаття торментувала вас питанням про те, чому потрібно нагрівати цегли на плитці і розглянути якусь міфічну економіку, якщо на практиці це не потрібно для будь-якого, то тут варто відповісти на вас: той факт, що ця плитка є прямим аналогом такого предмета дослідження як опорна піч. Цей промисловий монстр 800 кВт споживає не просто багато, але катастрофічна кількість електроенергії. А отже, економія енергії дуже багато на місці.
Термознімок в цьому випадку відігравав величезну роль, що дозволяє побудувати найбільш повну картину процесів, що відбуваються під час роботи електроприладів опалення, а на основі цих даних для отримання ще більш точної моделі об'єкта з точки зору економії енергії, а крім того, знайти серйозне застосування як повноцінний пристрій.

Джерело: habrahabr.ru/post/226313/