Гетеромагнитная микроэлектроника (стр. 2 )

Для определения зависимости выходного сигнала от температуры в диапазоне –50°С до 50°С был проведен ряд экспериментов в климатической камере. В ходе каждого эксперимента климатическая камера прогревалась до 50°С, выдерживалась при этой температуре в течение 30 минут, после чего в течение 3 часов температура снижалась до –50°С, и камера выдерживалась 30 минут при этой температуре [4].

Зависимость выходного сигнала макета магнитометра от температуры T(°С) представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость выходного сигнала от температуры: 1 – для схемы усиления и оцифровки; 2 – только для МРЧЭ; 3 – для измерительного канала

Обработка полученных данных показала, что вид функций зависимости выходных сигналов во всех трех экспериментах имеет форму параболы, т. е. описывается уравнением полинома второй степени:

y = a + bx + cx2.

(1)

Численные значения коэффициентов a, b, c уравнения параболы для трех зависимостей приведены в таблице.

Коэффициенты уравнения параболы

Коэффициент	Схема обработки	МРЧЭ	Измерительный канал
a, мВ	511,4093	226,7366	181,5178
b, мВ/°С	–0,0452	–0,2391	–0,1358
c, мВ/°С2	–0,0004	–0,0028	–0,0029

Изменение выходного сигнала в среднем составляет:

-  для схемы обработки сигнала –63,7 мкВ/°С;

-  для МРЧЭ с учетом коэффициента усиления схемы (kу = 300) –218,5 мкВ/°С;

-  для канала измерения в целом –145,6 мкВ/°С.

Для перевода полученных данных в единицы измерения выходного сигнала (нТл) воспользуемся соотношением, описывающим связь измеряемых электрических величин с величиной измеряемого параметра:

B0(нТл) = 0,1×U(мкВ).

(2)

Температурный коэффициент составит:

-  для схемы обработки сигнала –6,37 нТл/°С;

-  для МРЧЭ с учетом коэффициента усиления схемы (kу = 300) –21,85 нТл/°С;

-  для канала измерения в целом –14,56 нТл/°С.

Анализ полученных результатов выявил, что наибольший вклад в смещение нуля выходного сигнала, вызванное изменением температуры, вносит схема обработки и усиления сигнала. Во-первых, это собственный температурный дрейф элементов схемы, а во-вторых, дрейф МРЧЭ, обусловленный высоким коэффициентом усиления сигнала. Если исключить последний, то собственный температурный дрейф МРЧЭ составит 0,079нТл/°С. Таким образом, как один из вариантов минимизации смещения нуля выходного сигнала, вызванного изменением температуры, можно использовать схему усиления с меньшим коэффициентом усиления, а заданную разрешающую способность получить за счет применения АЦП с меньшим опорным напряжением или большим количеством значащих разрядов.

Другим методом уменьшения температурного смещения нуля выходного сигнала является программная компенсация температурного дрейфа схемы. Поскольку результирующая кривая зависимости выходного сигнала от температуры имеет параболическую форму без ярко выраженных изломов, для программной компенсации этой зависимости воспользуемся следующей формулой:

В = В0 – (bТ + cТ2),

(3)

где B – результирующий выходной сигнал измерительного канала после температурной компенсации, нТл; B0 – измеренный сигнал, переведенный в нТл с помощью формулы (2); T – температура измерительного канала, °С; b, c – коэффициенты уравнения параболы, вычисленные на основе проведенного эксперимента. Размерности коэффициентов нТл/°С и нТл/°С2 соответственно.

Результат проведения программной компенсации зависимости выходного сигнала от температуры представлен на рис. 4.

Среднеквадратическое отклонение выходного сигнала макета магнитометра после температурной компенсации соответствует 151,5 нТл. До компенсации величина дрейфа составляла 1250 нТл во всем рассматриваемом температурном диапазоне.

Рис. 4. Зависимость выходного сигнала магнитометра от температуры до и после компенсации

Таким образом, можно сделать вывод о том, что магнитометр, построенный на базе магниторезистивных чувствительных элементов, будет иметь дрейф нуля выходного сигнала, вызванный изменением температуры. Устранение этого дрейфа можно реализовать с помощью использования контура обратной связи по температуре путем идентификации температурной зависимости МРЧЭ и тракта обработки сигнала программно-алгоритмическим путем без внесения в схему устройства дополнительных управляющих контуров.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  Компонентные AMR-датчики положения и угла поворота от Honeywell. URL : http://www. kit-e. ru/articles/sensor/2012_11_24.php (дата обращения : 02.10.2015).

2.  ., ., Исследование параметров интегрального датчика температуры К1019ЕМ1 // Гетеромагнитная микроэлектроника : сб. науч. тр. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2013. Вып. 14 : Гетеромагнитная микро - и наноэлектроника. Методические аспекты физического образования. C. 58–66.

3.  Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники : в 3 т. М. : Мир, 1993. Т. 2. 371 с.

4.  ., ., Однофакторные калибровки блока магнитометров (алгоритмы, методика, технологии) // Гетеромагнитная микроэлектроника : сб. науч. тр. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2013. Вып. 15 : Гетеромагнитная микро - и наноэлектроника. Методические аспекты физического образования. C. 115–131.

УДК 536.24.02

инженерные методы оценки коэффициента теплоотдачи

при течении теплоносителя в каналах

,

Саратовский государственный университет

Россия, 410012, Саратов, Астраханская, 83

E-mail: *****@***ru

Представлен обзор ряда литературных данных по определению коэффициента теплоотдачи при течении жидкой или газообразной среды в каналах. Рассмотрен теплообмен при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения среды. Проведено сравнение результатов определения числа Нуссельта по различным соотношениям.

Ключевые слова: критерий Нуссельта, течение в канале, ламинарный, переходной и турбулентный режимы.

Engineering Methods for Evaluating Heat Transfer Coefficient

During Fluids in Channels

S. V. Ovchinnikov, A. S. Retunsky

The literature data on calculation of heat transfer coefficient during fluid stream in the channel is presented. Considered heat transfer in laminar, transitional and turbulent regimes of stream parison of the results of determining the Nusselt’s criterion in diverse formula is conducted.

Key words: Nusselt’s criterion, fluid stream in the channel, laminar, transitional and turbulent regimes.

Охлаждение электронного оборудования с помощью теплообменных систем, в которых применяется прокачка жидкости через каналы различного поперечного сечения, широко используется в современной радиоэлектронной аппаратуре. В литературе по теплообмену приведено большое количество эмпирических соотношений, характеризующих теплообмен при равных условиях, поэтому систематизация и сравнение имеющихся формул весьма желательны.

Ниже представлен обзор ряда литературных данных по определению коэффициента теплоотдачи при течении жидкости в каналах. Рассматривается теплообмен при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения охладителя.

Используются следующие обозначения (интернациональная система единиц):

-  индекс S – обозначение теплоотдающей поверхности;

-  индекс CP – обозначение жидкой или газообразной среды, текущей в канале (далее – среда);

-  α – коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности, имеющей среднюю температуру TS;

-  λСР – коэффициент теплопроводности среды;

-  ρ, h, ν – плотность, динамическая и кинематическая вязкость среды соответственно;

-  ср – удельная теплоемкость среды при постоянном давлении;

-  аСР – коэффициент температуропроводности среды;

-  β – коэффициент объемного расширения среды;

-  u – скорость движения среды относительно поверхности канала;

-  d – диаметр кругового поперечного сечения канала;

-  D =4S/P – эквивалентный диаметр канала с площадью поперечного сечения S и периметром P (для некруговых поперечных сечений);

-  G – массовая скорость потока в канале;

-  L– длина канала;

-  – число Нуссельта, или безразмерный коэффициент теплоотдачи;

-  – число Рейнольдса;

-  – число Пекле;

-  – число Прандтля;

-  – число Грасгофа, где g – ускорение свободного падения.

Кроме того, индексы СР и S означают, что величины критериальных чисел с указанными индексами определяются по температуре среды или теплоотдающей поверхности стенки канала соответственно.

Отметим особо, что поскольку рассматривается средняя по длине канала (трубы) теплоотдача, то температура текущей среды определяется как среднее значение между температурами среды на входе ТСРвх и выходе ТСРвых канала: