Застосування саморобного тепловізора на базі Arduino в дослідженнях економії електроенергії

    Що можна зробити за допомогою двох цеглин, звичайної електричної плитки і тепловізора на Arduino ? Заощадити купу електрики! Як всі ці речі взаємопов'язані, можна дізнатися з цієї статті. По ходу справи довелося торкнутися деякі речі з ТАУ (теорія автоматичного управління), але я постарався позбутися занудной математики і докладно пояснити роль «тепловізора менш ніж за 100 $» у процесі.
 
Увага! Під катом є одна дуже «товста», але красива картинка! І багато тексту!
 
 
Сьогодні, практично у кожного в господарстві є електронагрівальні прилади — плитки, чайники, обігрівачі ну і кип'ятильники на худий кінець. В цілому принцип їх роботи можна описати так — струм тече по нихромовой нитки і викликає її нагрівання, а також нехило мотає електролічильник. Всі нагрівальні прилади дуже багато «їдять» електрики, так уже повелося. Однак і тут є вихід!
 
Справа в тому, що будь-яке тіло, має своєї власної «теплової інерційністю», і тут можна привести може і не зовсім точну, але зрозумілу аналогію з великим круглим кругляком:
Уявімо, що булижник потрібно відкотити на відстань десять метрів. Можна відразу навалитися на нього всією вагою, на протязі усієї ділянки штовхати що є сил, і таким чином перемістити його до потрібного місця. А можна спочатку зусиллям зрушити його, і далі лише злегка підштовхувати. Зрозуміло, у другому випадку, ми будемо втомлюватися менше. Так от за аналогією перший спосіб — це включення нагрівача безпосередньо в мережу, а другий — використання енергозберігаючих алгоритмів керування.
 
А це означає, що ми можемо подати на вхід електронагрівального елемента напруга спеціальної форми, що дозволить досягти потрібної температури, але з меншими витратами електроенергії (кВт * год). Зрозуміло, при цьому економія не береться з повітря. А з'являється вона за рахунок збільшення часу нагрівання, і чим більше час — тим відповідно більше економія! Як розрахувати таке управління — довга історія і в рамках даної статті це буде порушено лише поверхово (бо матан).
Отже, візьмемо, наприклад, для дослідження звичайну електроплитку, потужністю в 1 кВт. І покладемо на неї два силікатних цегли — для підвищення тієї самої «теплової інерційності» (а як Ви вже зрозуміли, чим ця умовна величина більше, тим грандіозніше відсоток економії). Ось ця красуня:
 
Згоден, виглядає не дуже! Вона багато побачила на своєму віку, і, тим не менш продовжить служити в ім'я науки і далі.
Для розрахунку енергозберігаючого управління для даного електронагрівального приладу по-перше, потрібно виконати завдання складання його найпростішій математичної моделі. Вона може бути, наприклад, диференціальним рівнянням або, як у даному випадку, передавальної функцією. Говорячи мовою вікіпедії, передавальна функція є диференціальним оператором, що виражає зв'язок між входом і виходом лінійної стаціонарної системи. І знаючи вхідний сигнал системи і передавальну функцію, можна відновити вихідний сигнал.
У електронагрівальних приладів вхідний величиною є діюче значення напруги , а вихідний — температура об'єкта. І маючи на руках передавальну функцію теплового об'єкта, ми можемо, подавши на вхід напруга в 220В, на виході отримувати значення температури, а значить, володіти справжнісінькою математичною моделлю.
Відкривши будь-який підручник з ТАУ, можна переконатися, що різновидів передавальних функцій існує безліч. Так як же дізнатися яка з них найбільш точно опише об'єкт дослідження? Для цього необхідно провести своєрідне «впізнання», по науковому — ідентифікацію об'єкта. Звучить серйозно, а на практиці виглядає так: включити в мережу і заміряти температуру протягом усього часу нагрівання. Ось що вийде у випадку з електроплиткою:
 
Виходячи з виду функції, сміливо можна зробити висновок, що електроплитка точно описується передавальної функцією, під назвою апериодическое ланка другого порядку . Ось так вона виглядає:
 
Тут вхідна величина U (t) позначає напругу, яка може бути як постійним у часі (220В, мається на увазі діюче значення), так і мінливих по якому або законом. Вихідна величина x (t) — температура. З картинки можна зрозуміти, що у даного ланки є свої параметри — K, T1 і T2, які називаються відповідно коефіцієнтом посилення і постійними часу. Як випливає з їхніх назв, значення K відображає величину зміни сигналу, що пройшов через таке ланка, а постійні часу безпосередньо залежать від тієї самої «теплової інерційності» об'єкта. Ці коефіцієнти можна приблизно обчислити з попереднього графіка. І, очевидно, що вони впливають на точність математичної моделі, а значить і на величину зекономленої електроенергії.
Забігаючи вперед, скажу — для даної плитки вже не один рік студенти розраховували те саме енергозберігаюче управління (тому вона така пошарпана). І раз за разом, для ідентифікації об'єкта (ну щоб отримати той графік зверху) розташовували термопару строго посередині між цеглою. Ну і виникло закономірне питання — а що якщо взяти і перемістити датчик температури в зовсім інше місце, як зміняться параметри об'єкта? Кожен раз проводити досвід з різним становищем термопари було б надзвичайно довго — як можна зрозуміти з графіка вище, один експеримент йде майже три години. І тут в самий раз підходить використання того самого тепловізора на Arduino.
Головний недолік щойно згаданого пристрою — довгий час отримання зображення в інфрачервоному діапазоні тут практично не грає ролі — експеримент йде дуже довго в порівнянні з часом сканування. Але в результаті, виходить не один графік зміни температури в одній точці, а цілих 768! Відповідно з дозволом термограмми 32x24 пікселя.
Таким чином, використовуючи тепловізор, був проведений подібний експеримент з ідентифікації об'єкта — 25 термограмм було знято за кілька годин. Область сканування охоплювала практично всю бічну поверхню цегли, як показано на зображенні:
 
А ось так виглядає процес нагріву в інфрачервоному діапазоні (такий собі інфрачервоний time-lapse):
 
Варто звернути увагу, що помилкові кольори в термограмме призначаються автоматично залежно від максимальної та мінімальної виміряної температури, і градієнт відповідності також динамічно змінюється.
Відкриттям стало те, що центр нагріву зміщений вліво, хоча камера була направлена ​​строго по центру цеглин. Ймовірно, це відбувається через неоднорідностей всередині нижнього цегли, або конструкцією нагрівального елемента плитки.
Тепловізор на базі Arduino працює таким чином — спочатку складається просторова матриця температур, потім по ній вже візуалізується картинка в неправдивому кольорі. Це виявилося величезним плюсом — так як на виході системи є не тільки красива картинка але і файл матриці, яка і грає головну роль в дослідженні. Взявши навскидку п'ять точок на таких матрицях (їх 25), можна відстежити динаміку зміни температури:
 
Ось так виглядатимуть графіки перехідних процесів (так ці залежності температури від часу називаються) в п'яти обраних точках і з термопари для порівняння:
 
Графіки з тепловізора більш кострубаті, оскільки засновані всього навсього на 25 точках, тоді як дані з термопари надходять кожні дві секунди. Крім того, неозброєним поглядом можна зазначити відмінність в графіках температури з термопари і тепловізора. Можливо це пов'язано з фізичним відмінністю методів вимірювання — якщо термопара розташована як-би «всередині» об'єкта, то інфрачервоний датчик тепловізора сканує саме поверхню, на яку в свою чергу впливають процеси випаровування вологи і конвекція повітря.
 
Далі з цих графіків можна отримати ті самі коефіцієнти (К, Т1 і Т2) для створення математичної моделі електроплитки. Проте цього разу, у нас буде не одна, а цілих шість моделей!
Опустивши математичну частину варто відзначити, що в процесі дослідження була помічена цікава особливість — значення коефіцієнтів залежать від розташування точки на термограмме щодо передбачуваного центру нагріву — ця та червона область внизу термограмми. Причому залежність їх практично лінійна:
 
 
А так як відомо, що графіки не брешуть, орієнтуючись на положенні точки вимірювання в принципі, можна визначити коефіцієнти практично для будь-якої точки об'єкта, не вдаючись до побудови графіків для всіх 768 точок.
І проте, з цих п'яти раніше вибраних точок, кращі результати в економії енергії показала ліва точка. У складі системи з регулятором, налаштованим на основі даних, отриманих з цієї точки:
 
Відсоток економії вважається в порівнянні з енергією, витраченої на нагрів електроплитки до 80 градусів шляхом простого включення в розетку. Як має змінюватися напруга на електроплитці, щоб заощадити майже 40% електроенергії, можна подивитися на даному графіку:
 
Тут оптимальне управління позначено U (t), відповідна температура плитки при такому управлінні — T (оптим). Для порівняння також наведені графіки напруги і температури плитки при простому включенні в мережу. Як видно, економія виходить за рахунок збільшення часу нагрівання майже в три рази.
 
 Підводячи підсумки:
Отже, якщо Вас всю статтю мучив питання, навіщо треба гріти цеглу на плитці і вважати яку те міфічну економію, якщо на практиці це нікому не потрібно, то ось вам гідну відповідь: справа в тому що дана плитка є прямим аналогом такого об'єкта дослідження як піч опору. Цей промисловий монстр потужністю в 800 кВт (наприклад) споживає не просто багато, а катастрофічно багато електрики. І відповідно енергозбереження дуже до місця.
Тепловізор в даному випадку зіграв величезну роль, дозволивши побудувати найбільш повну картину процесів, що відбуваються при роботі електронагрівальних приладів, і на основі цих даних одержати ще більш точну з точки зору енергозбереження модель об'єкта, а крім того, знайти нарешті, серйозне застосування в якості повноцінного пристрою.
    
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.