Что можно сделать из двух кирпичей, обычной электроплиты и тепловизор на ардуино ? Сэкономьте тонну электроэнергии! О том, как все эти вещи взаимосвязаны, вы можете узнать из этой статьи.
Попутно мне пришлось затронуть некоторые вопросы ТАУ (теории автоматического управления), но я постарался избавиться от скучной математики и подробно объяснить роль «тепловизора стоимостью менее 100 долларов» в этом процессе.
Внимание! Под катом одна очень «толстая», но красивая картинка! И много текста!
Сегодня почти у каждого в доме есть электрические отопительные приборы – плиты, чайники, обогреватели и, на худой конец, бойлеры.
В целом принцип их действия можно описать так: ток течет по нихромовой нити и вызывает ее нагревание, а также энергично трясет электросчетчик.
Все отопительные приборы потребляют много электроэнергии, так уж получилось.
Однако и здесь есть выход! Дело в том, что любое тело имеет свою «тепловую инерцию», и здесь можно привести, возможно, не совсем точную, но понятную аналогию с большим круглым булыжником: Представим, что булыжник нужно откатить на расстояние десять метров.
На него можно сразу опереться всей тяжестью, надавить изо всех сил на протяжении всего участка и таким образом переместить его в нужное место.
А можно сначала с силой сдвинуть его, а потом просто слегка подтолкнуть.
Конечно, во втором случае мы будем меньше уставать.
Итак, по аналогии, первый способ – подключить обогреватель напрямую к сети, а второй – использовать энергосберегающие алгоритмы управления.
Это означает, что мы можем подать на вход электрического нагревательного элемента напряжение особой формы, что позволит нам достичь желаемой температуры, но с меньшими затратами энергии (кВтч).
Конечно, экономия не возникает из воздуха.
А появляется оно за счет увеличения времени нагрева, причем чем больше время, тем соответственно больше экономия! Как рассчитать такое управление – это долгая история и в рамках данной статьи она будет затронута лишь поверхностно (потому что это матан).
Итак, возьмем, к примеру, для исследования обычную электроплиту мощностью 1 кВт. А положим на него два силикатных кирпича – для увеличения той самой «тепловой инерции» (а как вы уже поняли, чем больше эта условная величина, тем больше процент экономии).
Вот эта красота: 
Согласен, выглядит не очень! Она многое повидала на своем веку и, тем не менее, продолжит служить во имя науки и в будущем.
Для расчета энергосберегающего регулирования для данного электронагревательного прибора, прежде всего, необходимо выполнить задачу по составлению его простейшей математической модели.
Это может быть, например, дифференциальное уравнение или, как в данном случае, передаточная функция.
На языке Википедии передаточная функция — это дифференциальный оператор, выражающий связь между входом и выходом линейной стационарной системы.
А зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.
Для электронагревательных устройств входная величина равна эффективное значение напряжения , а на выходе — температура объекта.
А имея на руках передаточную функцию теплового объекта, мы можем, подав на вход напряжение 220В, получить на выходе значение температуры, а значит, иметь реальную математическую модель.
Открыв любой учебник по ТАУ, можно увидеть, что видов передаточных функций существует великое множество.
Так как же узнать, какой из них наиболее точно опишет объект исследования? Для этого необходимо провести своеобразную «идентификацию», выражаясь научным языком – идентификацию объекта.
Звучит серьезно, но на практике это выглядит так: подключите и измеряйте температуру на протяжении всего времени нагрева.
Вот что происходит в случае с электрической плитой: 
Исходя из типа функции, можно смело заключить, что электроплита точно описывается передаточной функцией, называемой апериодическое звено второго порядка .
Вот как она выглядит: 
Здесь входное значение U(t) обозначает напряжение, которое может быть либо постоянным во времени (220 В, что означает эффективное значение), либо изменяться по некоторому закону.
Выходное значение x(t) — это температура.
По картинке можно понять, что это звено имеет свои параметры – К, Т1 и Т2, которые называются коэффициентом усиления и постоянными времени соответственно.
Как следует из их названий, величина K отражает величину изменения сигнала, проходящего через такое звено, а постоянные времени напрямую зависят от самой «тепловой инерции» объекта.
Эти коэффициенты можно приблизительно рассчитать по предыдущему графику.
И, очевидно, они влияют на точность математической модели, а значит, и на количество сэкономленной энергии.
Забегая вперед, скажу, что для этой плитки студенты уже много лет рассчитывают один и тот же энергосберегающий контроль (поэтому он такой убогий).
И раз за разом для идентификации объекта (ну, чтобы получить тот график сверху) термопару ставили строго посередине между кирпичами.
Ну и возник закономерный вопрос - а что если взять и перенести датчик температуры совсем в другое место, как изменятся параметры объекта? Каждый раз проводить эксперимент с разным положением термопары было бы чрезвычайно долго — как можно понять из графика выше, один эксперимент занимает почти три часа.
И здесь использование того же тепловизора на Ардуино в самый раз.
Основным недостатком только что упомянутого устройства является то, что длительное время получения изображения в инфракрасном диапазоне здесь практически не играет роли — время эксперимента очень велико по сравнению со временем сканирования.
Но в результате мы получаем не один график изменения температуры в одной точке, а целых 768! В соответствии с разрешением термограммы 32х24 пикселей.
Так, с помощью тепловизора был проведен аналогичный эксперимент по идентификации объекта – за несколько часов было снято 25 термограмм.
Область сканирования охватывала почти всю боковую поверхность кирпичей, как показано на рисунке: 
А вот так выглядит процесс нагрева в инфракрасном диапазоне (этакий инфракрасный таймлапс): 
Стоит отметить, что ложные цвета на термограмме назначаются автоматически в зависимости от максимальной и минимальной измеряемой температуры, а также динамически изменяется градиент соответствия.
Открытием стало то, что центр нагрева был смещен влево, хотя камера была направлена строго в центр кирпичей.
Вероятно, это связано с неоднородностями внутри нижнего кирпича, либо конструкцией нагревательного элемента плитки.
Тепловизор на базе Arduino работает следующим образом: сначала составляется матрица пространственной температуры, затем по ней визуализируется изображение в искусственных цветах.
Это оказалось огромным плюсом – поскольку на выходе системы получается не только красивая картинка, но и файл матрицы, играющий главную роль в исследовании.
Взяв навскидку пять точек на таких матрицах (их 25), можно отследить динамику изменения температуры: 
Вот как будут выглядеть графики переходных процессов (так называются эти зависимости температуры от времени) в пяти выбранных точках и от термопары для сравнения: 
Графики с тепловизора более корявые, так как основаны всего на 25 точках, а данные с термопары приходят каждые две секунды.
Кроме того, невооруженным глазом можно заметить разницу в графиках температуры с термопары и тепловизора.
Возможно, это связано с физическим различием методов измерения – если термопара расположена как бы «внутри» объекта, то инфракрасный датчик тепловизора сканирует поверхность, на которую в свою очередь влияют процессы увлажнения.
испарение и конвекция воздуха.
Далее из этих графиков можно получить те же коэффициенты (К, Т1 и Т2) для создания математической модели электроплиты.
Однако на этот раз у нас будет не одна, а целых шесть моделей! Опуская математическую часть, стоит отметить, что в ходе исследования была замечена интересная особенность – значения коэффициентов зависят от расположения точки на термограмме относительно предполагаемого центра нагрева – эта красная область внизу термограмма.
При этом их зависимость практически линейна: 
А поскольку известно, что графики не врут, ориентируясь на положение точки измерения, в принципе можно определить коэффициенты практически для любой точки объекта, не прибегая к построению графиков для всех 768 точек.
И все же из этих пяти выбранных ранее точек левая точка показала лучшие результаты по энергосбережению.
В составе системы с регулятором, настроенным на основе данных, полученных с этой точки: 
Процент экономии рассчитывается в сравнении с затратами энергии на нагрев электроплиты до 80 градусов простым включением ее в розетку.
Как должно меняться напряжение на электроплите, чтобы сэкономить почти 40% электроэнергии, можно увидеть на этом графике: 
Здесь оптимальное управление обозначено U(t), соответствующая температура плитки при таком управлении равна T(оптимальная).
Для сравнения также показаны графики напряжения и температуры плитки при простом подключении к сети.
Как видите, экономия достигается за счет увеличения времени нагрева почти в три раза.
Подвести итог: Итак, если вас на протяжении всей статьи мучил вопрос, зачем вам греть кирпичи на плитке и считать какую-то мифическую экономию, если на практике это никому не нужно, то вот достойный ответ: факт есть.
что эта плитка является прямым аналогом такого объекта исследования, как печное сопротивление.
Этот промышленный монстр мощностью 800 кВт (к примеру) потребляет не просто много, а катастрофически большое количество электроэнергии.
И соответственно энергосбережение очень уместно.
Тепловизор в данном случае сыграл огромную роль, позволив построить наиболее полную картину процессов, происходящих при работе электронагревательных устройств, и на основе этих данных получить еще более точную модель объекта с точки зрения с целью энергосбережения, а кроме того, наконец-то найти серьёзное применение в качестве полноценного устройства.
Теги: #тепловизор #arduino #дешевая термокамера #теплокамера #ТАУ #САУ #математическое моделирование #энергосбережение #Разработка для Arduino
-
Алкан И Циклоалкан
19 Oct, 24 -
Интернет-Конкурентная Разведка
19 Oct, 24 -
Открыть Сейф
19 Oct, 24 -
Знакомьтесь, Рао
19 Oct, 24 -
Простой Парсинг Сайта С Помощью Slimerjs
19 Oct, 24
