Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2015
Скачать 2.44 Mb.
|
    Министерство обороны Российской ФедерацииМинистерство промышленности и энергетики Саратовской области ПАО «Тантал», ОАО «Институт критических технологий» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского» Решением Президиума ВАК Министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени доктора и кандидата наук Гетеромагнитная микроэлектроника Сборник научных трудов Выпуск 18 Гетеромагнитная микро- и наноэлектроника. Методические аспекты физического образования. Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2015 УДК 621.382.029.6 ББК 548.537.611.44 Г44
В настоящем выпуске сборника представлены материалы по гетеромагнитной микроэлектронике, магнонным кристаллам, гибридным волнам, моделированию случайных процессов, бесплатформенным системам ориентации, методическим аспектам физического образования, инновациям в промышленности и особенностям рисков в условиях санкций. Для специалистов-разработчиков, экспертов, работающих в области микро- и наноэлектроники, а также студентов, аспирантов и докторантов. Редакционная коллегия: А. А. Игнатьев, д-р физ.-мат. наук, проф. (отв. редактор); М. Н. Куликов, канд. физ.-мат. наук, проф. (зам. отв. редактора); Л. Л. Страхова, канд. физ.-мат. наук, доц. (отв. секретарь); С. Ю. Глазьев, д-р экон. наук, проф., акад. РАН; В. И. Борисов, д-р техн. наук, член-корр. РАН; С. А. Никитов, д-р физ.-мат. наук, проф., член-корр. РАН; О. С. Сироткин, д-р техн. наук, проф., член-корр. РАН; О. Ю. Гордашникова, д-р экон. наук, проф.; А. Н. Плотников, д-р экон. наук, проф.; Е. А. Наумов, канд. экон. наук, проф.; Л. С. Сотов, д-р. техн. наук, проф.; А. А. Солопов, канд. экон. наук; С. П. Кудрявцева, канд. техн. наук, доц.; С. В. Овчинников, канд. физ.-мат. наук, доц.; В. А. Малярчук, канд. техн. наук., доц.; А. Л. Хвалин, канд. техн. наук, доц.; Б. А. Медведев, канд. физ.-мат. наук, доц.; Л. А. Романченко, канд. техн. наук, доц.; А. С. Краснощекова, зам. нач. КБ КТ по общим вопросам (референт ОАО «Институт критических технологий») УДК 621.382.029.6 ББК 548.537.611.44
Предисловие Начиная с 2013 г. в соответствии с изменившимися требованиями к изданиям ВАК сборник научных трудов «Гетеромагнитная микроэлектроника» выходит четыре раза в год (два выпуска в открытом и два спецвыпуска в ограниченном доступе). В настоящем выпуске сборника «Гетеромагнитная микроэлектроника» в разделе «Теоретические и экспериментальные исследования, компьютерные технологии» представлены материалы, посвященные следующим вопросам:
В разделе «Методические аспекты физического образования» приведены материалы о магистерской программе «Магнитоэлектроника в системах защиты информации и безопасности» и современных образовательных технологиях при преподавании специальных дисциплин. В разделе «Экономика в промышленности» рассмотрены:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УДК 621.382.017 возможность использования термоэлектрических модулей для термостабилизации гетеромагнитного датчика магнитного поля в условиях повышенной температуры среды С. В. Овчинников, А. С. Ретунский Саратовский государственный университет Россия, 410012, Саратов, Астраханская, 83 E-mail: kof@sgu.ru Предложена простая методика оценки эффективности применения термоэлектрических модулей Пельтье в целях термостабилизации радиоэлектронного устройства при повышенных температурах среды. Рассмотрено применение модулей Пельтье для термостабилизации оригинальных гетеромагнитных датчиков магнитного поля. Определены требования к радиаторам системы термостабилизации и рассчитано время тепловой готовности датчика. Ключевые слова: гетеромагнитный датчик магнитного поля, термоэлектрический модуль, тепловое сопротивление радиатора, время тепловой готовности. Heteromagnetic Magnetic Field Sensor, Operating in High Temperature Environment, Thermostabilized by Thermoelectric Modules S. V. Ovchinnikov, A. S. Retunsky Simple method for efficiency estimation of Peltier element as a heat stabiliser in radio-electronic devices at high temperatures is described in the article. Peltier element application for heteromagnetic magnetic field sensor temperature stabilization has been studied. Parameters of heatsink and standby time of sensor has been calculated. Key words: heteromagnetic magnetic field sensor, thermoelectric module, thermal impedance of heatsink, thermal standby time. Гетеромагнитный датчик слабых магнитных полей представляет собой законченное функциональное устройство [1, 2] с первичным преобразователем в виде твердотельного автогенератора на полевых или биполярных транзисторов с ферритовым (железоиттриевый гранат – ЖИГ) микрорезонатором в цепи обратной связи. Ферритовый микрорезонатор находится в поле постоянного магнита, обеспечивающего требуемый уровень индукции поля подмагничивания. Параметры ЖИГ-микрорезонатора и магнита системы подмагничивания зависят от температуры [3–5]. Следствием этого является зависимость от температуры информационного сигнала – частоты генерации первичного преобразователя датчика. Поскольку датчик предназначен для работы при различных температурах окружающей среды, в систему обработки данных, входящей в состав датчика, можно ввести алгоритм, приводящий данные первичного преобразователя к некоторой опорной температуре. Принцип работы алгоритма описан в [6] и базируется на показаниях датчиков температуры, включенных в состав датчика магнитного поля. Ясно, что такая система обработки данных должна содержать высокопроизводительный процессор. Одной из возможностей минимизации влияния температурного фактора на информационный сигнал является термостабилизация первичного преобразователя датчика в небольшом температурном диапазоне. Очевидно, что система термостабилизации датчика потребует дополнительных энергетических затрат, ухудшит его масс-габаритные показатели и увеличит его стоимость. Однако в тех случаях, когда указанные негативные факторы не являются решающими, применение системы термостабилизации вполне оправданно. Одним из вариантов построения такой системы является использование термоэлектрических модулей (ТЭМ) Пельтье [7, 8], которые обладают сравнительно высокой надежностью, допускают каскадное использование, что позволяет довести температуру корпусов охлаждаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния. Кроме того, ТЭМ могут работать в инверсном режиме, выполняя функцию нагревателя. В то же время ТЭМ имеют относительно низкий коэффициент полезного действия и сами являются источниками тепла. Поэтому для системы охлаждения на основе ТЭМ требуется эффективный теплоотвод. И наконец, ТЭМ в случае выхода его из строя изолирует охлаждаемый элемент от теплоотвода. Таким образом, разработка системы термостабилизации на основе ТЭМ в основном сводится к выбору типа термоэлектрического модуля, конструкции теплоотвода (радиатора) для горячей поверхности холодильника и системы управления питанием ТЭМ, отслеживающей температуры термостабилизируемого объекта и окружающей среды. При этом оптимальным можно считать такой вариант конструкции, который обеспечивает заданный тепловой режим датчика при минимальном потреблении энергии. Однако паспортные данные ТЭМ не позволяют дать прямого ответа о преимуществах того или иного типа модуля Пельтье по отношению к конкретной системе отвода тепла. Выбор модуля по величине максимальной холодопроизводительности и максимальному перепаду температур между спаями не дает возможности сравнительной оценки ТЭМ. В качестве критерия для оценки эффективности применения ТЭМ для термостабилизации гетеромагнитного датчика магнитного поля предлагается принять максимально возможное тепловое сопротивление радиатора системы, при котором обеспечивается требуемый тепловой режим датчика. Очевидно, что для варианта конструкции с радиатором, тепловое сопротивление которого не будет превышать такого максимального значения, в заданном рабочем температурном диапазоне можно выбрать ТЭМ, исходя из соображений энергетической экономичности. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Рис. 1. Схема одноосного гетеромагнитного датчика Рассмотрим пример такой оценки на основе одноосного гетеромагнитного датчика, схематическое представление которого приведено на рис. 1. Предполагаем, что датчик должен работать при повышенной температуре окружающей среды. Дюралевый корпус 1 датчика содержит электронную плату 4, резьбовое отверстие под винт 2 крепления постоянного магнита 3, а также сферический ЖИГ-резонатор 6, размещенный в пределах объемного элемента обратной связи (на рис. 1 не показан) полупроводникового генератора, сформированного на плате 4. ЖИГ-сфера 6 закреплена на держателе 9, вставленном в крепление 7, что допускает коррекцию ориентации оси намагничения сферы через заглушаемое отверстие 8. Вся электронная система закрыта крышкой 5. Такая конструкция датчика дает возможность размещения ТЭМ только со стороны крышки корпуса. Рис 2. Теплофизическая модель гетеромагнитного датчика с ТЭМ Адиабатическая оболочка Датчик ТЭМ Радиатор Соответствующая теплофизическая модель датчика с ТЭМ изображена на рис. 2. Датчик со стороны крышки расположен на холодной грани ТЭМ, который, в свою очередь, размещен своей горячей гранью на радиаторе. Вся система, за исключением радиатора, закрыта адиабатической оболочкой. Оценку максимально допустимого теплового сопротивления радиатора проведем для наиболее напряженного теплового режима, когда потребляемый модулем Пельтье ток I равен характеристическому значению IХ, а отводимая от датчика тепловая мощность РТ1 максимальна. Тепловая мощность РТ1, выделяемая в электронной плате датчика, через крышку датчика передается на холодные спаи ТЭМ, имеющие температуру Тхол. Свяжем требуемую температуру стабилизации Тст с крышкой корпуса датчика, так как в силу локализованного тепловыделения температурное поле датчика, очевидно, будет неоднородным. Температуры всех элементов датчика можно определить из решения соответствующей задачи теплопроводности по известной температуре крышки корпуса. Такие задачи для разнообразных конструктивных исполнений гетеромагнитных систем рассмотрены, например, в [9–12]. Введем суммарное тепловое сопротивление RTхол всех возможных промежуточных прослоек между холодной гранью ТЭМ и крышкой корпуса датчика, включая контактные тепловые сопротивления, и тепловое сопротивление RTр радиатора, определяющее температурный перепад между горячей гранью ТЭМ с температурой Тгор и окружающей средой с температурой ТС. Тогда перепад температур между крышкой корпуса и холодной гранью ТЭМ определяется как
Аналогично определяется перепад температур между горячей гранью ТЭМ и окружающей средой:
где  ; R – омическое сопротивление ТЭМ. Тогда
Рабочую характеристику ТЭМ  обычно считают линейной, причем максимальная разность температур  при РТ1 = 0 и характеристическая холодопроизводительность QX = PT1 при Тгор = Тхол являются паспортными данными ТЭМ. Вводя в рассмотрение рабочий температурный перепад  при РТ1 > 0, получим
Из выражений (1)–(4) следует:
Поскольку тепловое сопротивление радиатора не может быть отрицательным, то из (5) вытекает, что отводимая от охлаждаемого объекта тепловая мощность должна удовлетворять следующему неравенству:
где РТкр – критическое значение собственной мощности тепловыделения охлаждаемого объекта при выбранных параметрах ТЭХ и температурах стабилизации и окружающей среды. При РТ1 > РТкр система термостабилизации неработоспособна. Если же собственное тепловыделение охлаждаемого объекта удовлетворяет неравенству (6), то выражение (5) дает информацию о максимально возможном значении теплового сопротивлении радиатора, обеспечивающего работоспособность системы. Для практического применения рассматривались однокаскадные термоэлектрические модули производства ООО НПО «Кристалл» (URL : crystalltherm.com/ru/production) или аналогичные производства ОАО «Корпорация НПО «РИФ» (URL : deu.rifcorp.ru). В качестве примера на рис. 3 показаны зависимости предельных значений тепловых сопротивлений радиаторов (теплоотводов) от величины температурного перепада между окружающей средой и охлаждаемой поверхностью датчика для трех ТЭМ, паспортные данные которых приведены в табл. 1. Температура стабилизации принималась равной 20оС, а мощность тепловыделения в датчике РТ1 = 0,25 Вт. Таблица 1 |
,Похожие:
 | Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |  | К38 Неправомерные действия должностных лиц налоговых органов. Саратов: Изд-во Сарат ун-та, 2008 376 с.: ил. 978-5-292-03835-1 |
| Лингвометодические проблемы преподавания иностранных языков в высшей школе: Межвуз сб науч тр. / Под ред. Л. И. Со | | Лингвометодические проблемы преподавания иностранных языков в высшей школе: Межвуз сб науч тр. / Под ред. Л. И. Со |
| Экономика. Теория и практика: материалы III международной научно-практической конференции (16 июня 2015 г.). Отв ред. Зарайский А.... | | О. В. Бессчетнова : под ред. Г. В. Дыльнова. — Саратов : Научная книга, 2008. — 288 с |
| Для преподавателей, научных работников и студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм» | | Для преподавателей, научных работников и студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм» |
| «Педагогика и психология» Пензенского государственного технологического университета О. А. Вагаева | | «Педагогика и психология» Пензенского государственного технологического университета О. А. Вагаева |