Применение самодельного тепловизора на базе Arduino в исследованиях экономии электроэнергии

    Что можно сделать с помощью двух кирпичей, обыкновенной электрической плитки и тепловизора на Arduino ? Сэкономить кучу электричества! Как все эти вещи взаимосвязаны, можно узнать из данной статьи. По ходу дела пришлось затронуть некоторые вещи из ТАУ (теория автоматического управления), но я постарался избавиться от занудной математики и подробно объяснить роль «тепловизора менее чем за 100$» в процессе.


    Внимание! Под катом есть одна очень «толстая», но красивая картинка! И много текста!

    Сегодня, практически у каждого в хозяйстве имеются электронагревательные приборы — плитки, чайники, обогреватели ну и кипятильники на худой конец. В целом принцип их работы можно описать так — ток течет по нихромовой нити и вызывает ее нагрев, а также нехило мотает электросчетчик. Все нагревательные приборы очень много «кушают» электричества, так уж повелось. Однако и здесь есть выход!

    Дело в том, что любое тело, обладает своей собственной «тепловой инерционностью», и здесь можно привести может и не совсем точную, но понятную аналогию с большим круглым булыжником:

    Представим, что булыжник нужно откатить на расстояние десять метров. Можно сразу навалиться на него всем весом, на протяжении всего участка толкать что есть сил, и таким образом переместить его до нужного места. А можно сначала усилием сдвинуть его, и далее лишь слегка подталкивать. Разумеется, во втором случае, мы устанем меньше. Так вот по аналогии первый способ — это включение нагревателя напрямую в сеть, а второй — использование энергосберегающих алгоритмов управления.

    А это означает, что мы можем подать на вход электронагревательного элемента напряжение специальной формы, что позволит достичь нужной температуры, но с меньшими затратами электроэнергии (кВт*ч). Разумеется, при этом экономия не берется из воздуха. А появляется она за счет увеличения времени нагрева, и чем больше время — тем соответственно больше экономия! Как рассчитать такое управление — долгая история и в рамках данной статьи это будет затронуто лишь поверхностно (ибо матан).
    Итак, возьмем, например, для исследования обыкновенную электроплитку, мощностью в 1 кВт. И положим на нее два силикатных кирпича — для повышения той самой «тепловой инерционности» (а как Вы уже поняли, чем эта условная величина больше, тем грандиознее процент экономии). Вот эта красавица:



    Согласен, выглядит не очень! Она много повидала на своем веку, и, тем не менее продолжит служить во имя науки и дальше.
    Для расчета энергосберегающего управления для данного электронагревательного прибора во-первых, нужно выполнить задачу составления его простейшей математической модели. Она может быть, например, дифференциальным уравнением или, как в данном случае, передаточной функцией. Говоря языком википедии, передаточная функция является дифференциальным оператором, выражающим связь между входом и выходом линейной стационарной системы. И зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.
    У электронагревательных приборов входной величиной является действующее значение напряжения, а выходной — температура объекта. И имея на руках передаточную функцию теплового объекта, мы можем, подав на вход напряжение в 220В, на выходе получать значение температуры, а значит, владеть самой настоящей математической моделью.

    Открыв любой учебник по ТАУ, можно убедиться, что разновидностей передаточных функций существует великое множество. Так как же узнать какая из них наиболее точно опишет объект исследования? Для этого необходимо провести своеобразное «опознание», по научному — идентификацию объекта. Звучит серьезно, а на практике выглядит так: включить в сеть и замерить температуру на протяжении всего времени нагрева. Вот что получится в случае с электроплиткой:



    Исходя из вида функции, смело можно сделать вывод, что электроплитка точно описывается передаточной функцией, под названием апериодическое звено второго порядка. Вот так она выглядит:



    Здесь входная величина U(t) обозначает напряжение, которое может быть как постоянным во времени (220В, имеется в виду действующее значение), так и изменяющимся по какому либо закону. Выходная величина x(t) — температура. Из картинки можно понять, что у данного звена есть свои параметры — K, T1 и T2, которые называются соответственно коэффициентом усиления и постоянными времени. Как следует из их названий, значение K отражает величину изменения сигнала, прошедшего через такое звено, а постоянные времени напрямую зависят от той самой «тепловой инерционности» объекта. Эти коэффициенты можно приблизительно вычислить из предыдущего графика. И, очевидно, что они влияют на точность математической модели, а значит и на величину сэкономленной электроэнергии.

    Забегая вперед, скажу — для данной плитки уже не один год студенты рассчитывали то самое энергосберегающее управление (поэтому она такая потрепанная). И раз за разом, для идентификации объекта (ну чтобы получить тот график сверху) располагали термопару строго посередине между кирпичами. Ну и возник закономерный вопрос — а что если взять и переместить датчик температуры в совсем другое место, как изменятся параметры объекта? Каждый раз проводить опыт с различным положением термопары было бы чрезвычайно долго — как можно понять из графика выше, один эксперимент идет почти три часа. И тут в самый раз подходит использование того самого тепловизора на Arduino.
    Главный недостаток только что упомянутого устройства — долгое время получения изображения в инфракрасном диапазоне здесь практически не играет роли — эксперимент идет очень долго по сравнению с временем сканирования. Но в результате, получается не один график изменения температуры в одной точке, а целых 768! В соответствии с разрешением термограммы 32x24 пикселя.

    Таким образом, используя тепловизор, был произведен подобный эксперимент по идентификации объекта — 25 термограмм было снято за несколько часов. Область сканирования охватывала практически всю боковую поверхность кирпичей, как показано на картинке:



    А вот так выглядит процесс нагрева в инфракрасном диапазоне (этакий инфракрасный time-lapse):



    Стоит обратить внимание, что ложные цвета в термограмме назначаются автоматически в зависимости от максимальной и минимальной измеренной температуры, и градиент соответствия также динамически меняется.

    Открытием стало то, что центр нагрева смещен влево, хотя камера была направлена строго по центру кирпичей. Вероятно, это происходит из-за неоднородностей внутри нижнего кирпича, либо конструкцией нагревательного элемента плитки.

    Тепловизор на базе Arduino работает следующим образом — сначала составляется пространственная матрица температур, затем по ней уже визуализируется картинка в ложном цвете. Это оказалось огромным плюсом — так как на выходе системы есть не только красивая картинка но и файл матрицы, которая и играет главную роль в исследовании. Взяв навскидку пять точек на таких матрицах (их 25), можно отследить динамику изменения температуры:



    Вот так будут выглядеть графики переходных процессов (так эти зависимости температуры от времени называются) в пяти выбранных точках и с термопары для сравнения:



    Графики с тепловизора более корявые, так как основаны всего навсего на 25 точках, тогда как данные с термопары поступают каждые две секунды. Кроме того, невооруженным взглядом можно отметить различие в графиках температуры с термопары и тепловизора. Возможно это связанно с физическим различием методов измерения — если термопара расположена как-бы «внутри» объекта, то инфракрасный датчик тепловизора сканирует именно поверхность, на которую в свою очередь влияют процессы испарения влаги и конвекция воздуха.

    Далее из этих графиков можно получить те самые коэффициенты (К, Т1 и Т2) для создания математической модели электроплитки. Однако на этот раз, у нас будет не одна, а целых шесть моделей!

    Опустив математическую часть стоит отметить, что в процессе исследования была замечена интересная особенность — значения коэффициентов зависят от расположения точки на термограмме относительно предполагаемого центра нагрева — эта та красная область внизу термограммы. Причем зависимость их практически линейная:




    А так как известно, что графики не лгут, ориентируясь на положении точки измерения в принципе, можно определить коэффициенты практически для любой точки объекта, не прибегая к построению графиков для всех 768 точек.

    И тем не менее, из этих пяти ранее выбранных точек, лучшие результаты в экономии энергии показала левая точка. В составе системы с регулятором, настроенным на основе данных, полученных из этой точки:



    Процент экономии считается по сравнению с энергией, потраченной на нагрев электроплитки до 80 градусов путем простого включения в розетку. Как должно изменяться напряжение на электроплитке, чтобы сэкономить почти 40% электроэнергии, можно посмотреть на данном графике:



    Здесь оптимальное управление обозначено U(t), соответствующая температура плитки при таком управлении — T(оптим). Для сравнения также приведены графики напряжения и температуры плитки при простом включении в сеть. Как видно, экономия получается за счет увеличения времени нагрева почти в три раза.

    Подводя итоги:
    Итак, если Вас всю статью мучал вопрос, зачем нужно греть кирпичи на плитке и считать какую то мифическую экономию, если на практике это никому не нужно, то вот вам достойный ответ: дело в том что данная плитка является прямым аналогом такого объекта исследования как печь сопротивления. Этот промышленный монстр мощностью в 800 кВт (например) потребляет не просто много, а катастрофически много электричества. И соответственно энергосбережение очень к месту.

    Тепловизор в данном случае сыграл огромную роль, позволив построить наиболее полную картину процессов, происходящих при работе электронагревательных приборов, и на основе этих данных получить еще более точную с точки зрения энергосбережения модель объекта, а кроме того, найти наконец, серьезное применение в качестве полноценного устройства.

    Similar posts

    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More
    Ads

    Comments 31

      0
      На последнем графике представлены кривые моделирования? И какой алгоритм управления использовался для получения оптимальной температуры нагрева?
        0
        Да, последние графики — моделирование управления в среде Matlab. Алгоритм в данном случае использовался тоже интересный — звено второго порядка представлялось в виде двух последовательно соединенных звеньев первого порядка и далее к каждому из них применялся уже давно известный оптимальный закон:

        Который используется два раза:

        В идеале, такой подход можно применять для звеньев n-го порядка.
        +2
        Интересно. А не проводили идентификацию полноценной печи?
        Хочется понять, насколько актуальной оказалась модель.
        Меня смущает что вы аппроксимировали педантичную функцию до инерционного звена второго порядка, но не учли запаздывания. Думаю что в большой печи его необходимо принять во внимание.
          0
          Да идентификацию печи уже проводили, и запаздывание действительно присутствует. И при создании управления для нее, оно учитывается.
          +9
          И всё-таки, чем обусловлена экономия? Я — человек от теплотехники далекий. Но если вспомнить школьную физику, то для нагрева кирпича до T градусов необходимо затратить Q энергии (тепла). При это скорость потери тепла пропорциональна разности температуры окружающей среды и кирпича. Из этих соображений, если дольше греть, то энергии потребуется больше, т.к. больше тепла успеет уйти в окружающую среду. Где ошибка в рассуждениях или неучтенная специфика объекта?
            +4
            В общем и целом тем, что нижняя часть кирпичей не раскаляется до температуры 350 градусов, а потом передает тепло дальше. В данном случае нижняя часть раскаляется (условно) до 250-300 градусов, дальше печка выключается и тепло уходит в во все стороны, нижняя часть остывает и ее опять подогревают. То есть вместо 100% времени работы печка работает условные 50% и греет на 10-15% меньше, ведь количество отдаваемого тепла в атмосферу зависит от разницы температур, а она тут ниже, чем у 100% времени работы.
              +3
              Дело в том, что объект остывает все равно медленнее, чем нагревается и выступает в роли своеобразного теплового аккумулятора. Именно это и используется при создании энергосберегающего управления. Разумеется, бесконечно увеличивать время на нагрев нельзя — есть предел, когда скорость остывания объекта сравнима со скоростью нагрева.
                +2
                Видимо имеется в виду что без тепловой инерции слишком длительные переходные процессы с вылетом — вот на переходных процессах и уходит дополнительное тепло.
                  0
                  .
                    +1
                    Ошибки нет, Вы полностью правы. Чем медленнее греть, тем больше тепла рассеется впустую. На плитках с большой тепловой инерцией экономия может быть в том, чтобы прекратить подачу энергии до того, как внешняя поверхность достигнет нужной температуры, т.к. она (поверхность) все равно будет дальше нагреваться даже при отсутствии подачи энергии за счет накопленного тепла внутреннего слоя. Но и в этом случае начало нагревания должно быть максимально интенсивным, а дальше ограничить подачу энергии только для поддержания нужной температуры.
                      0
                      Еду так и варят: сначала плитку на максимум, вода закипит, потом убавляют на глазок. Всё верно.
                      0
                      Если я правильно понимаю, то тут дело в маленькой теплопроводности тела. В результате чего скорость нагрева ограничивается тем, с какой скоростью тепло «растекается» по телу. Если проводить аналогию, то возьмем скажем зажигалку, на зажигалке вполне реально вскипятить небольшое количество воды, может быть на кружку и не хватит, но рюмку вполне. Но если газ из зажигалки распылить вокруг рюмки и поджечь, то газ вспыхнет, в дол секунды весь прогорит и все. Температура воды изменилась незначительно, хотя газа в этой вспышке сгорело столько же.
                      +4
                      Скрытый текст
                      image
                        +3
                        Самый главный вопрос не раскрыт… самодельный тепловизор.
                          +1
                            +1
                            раскрыт-то в отдельном посте, ссылки на который здесь нет…
                              0
                              В самом начале статьи все это время была: «Что можно сделать с помощью двух кирпичей, обыкновенной электрической плитки и тепловизора на Arduino? ». Хотя согласен, можно было сделать и по-виднее.
                                0
                                Что-то я не заметил в первый раз ссылку, видимо.
                          0
                          Так, навскидку, в последнем графике площадь под u_opt не меньше, чем под просто скачкообразным выключением.
                            0
                            Я рассчитывал энергию (Ватт*час) по этой формуле:

                            Где t1 — время в секундах, R — сопротивление, U(t) — зависимость напряжения.
                            Если просто проинтегрировать графики U(t) получается действительно больше под u_opt.
                            0
                            такая теория применима для линейных систем. проверяли ли вы линейность в данном случае?
                              0
                              Лично я не проверял, это делали до меня
                                0
                                Не, не линейно.
                                0
                                А это означает, что мы можем подать на вход электронагревательного элемента напряжение специальной формы, что позволит достичь нужной температуры, но с меньшими затратами электроэнергии


                                При изменении формы волны действующее значение (площадь графика) изменится — да. Количество передаваемой энергии изменится? Пожалуй, нет.

                                Другой вопрос, что имеет значение интенсивность передачи тепла от нагревателя к нагреваемому телу. Нет смысла нагревать сильнее, чем оно успевает нагреваться.

                                Если нагревать медленнее (но чтобы все же нагревалось, отдавало тепла меньше, чем получало), то энергии потребуется меньше. Измерения это подтвердят.

                                Но в основе лежит явление не из электротехники, а из теплотехники.

                                Что-то у вас на кафедре неправильно.
                                  0
                                  При изменении формы волны действующее значение (площадь графика) изменится — да. Количество передаваемой энергии изменится? Пожалуй, нет.

                                  Форма волны не меняется. Здесь имеется ввиду именно изменение действующего значения напряжения. Видимо, я некорректно выразился, когда писал «напряжение специальной формы». Я имел ввиду «напряжение, действующее значение которого изменяется по особому закону»
                                  Не, не линейно.

                                  Строго говоря, не существует реальных линейных объектов. Разумеется мы используем линейную модель для простоты расчета.
                                  0
                                  Здесь имеется ввиду именно изменение действующего значения напряжения.


                                  Можете объяснить, о чем идет речь? Хотя бы в двух словах?
                                    0
                                    Изменить действующее значение напряжения можно путем управления по числу полупериодов синусоиды напряжения:
                                    Обрезаем каждый второй полупериод и получаем действующее значение напряжения в 50% от изначального — 110 В. Обрезаем каждый четвертый — 25% — 55 В. Этот метод сродни ШИМ. Разумеется, при этом, расходуется соответственно меньше энергии. В том и суть.
                                      0
                                      То есть, просто уменьшаем количество передаваемой энергии? Ну обрезали, и экономия-то откуда… Тут только теплотехника…

                                      Можете дать координаты кафедры, научрука? Кто руководит этой работой?

                                      Можно в ЛС.
                                        0
                                        А экономия появляется потому что мы не «вкладываем» в объект энергии больше чем нужно. Теплотехника здесь играет вторую роль — в частности при расчетах нас интересует лишь параметры объекта и его математическая модель, а дальше по оптимальным законам рассчитывается управление.
                                        Экономия не теоретическая — проводились эксперименты с разными объектами (например электрический чайник, небольшая печка, плитка с кастрюлей воды) и эксперименты подтверждают расчеты. К сожалению в рамках данной работы, экспериментальную проверку провести не успел, хотя уже написал соответствующую программу для ПЛК.
                                        PS По поводу руководителя — отписался в личку.
                                          0
                                          Спасибо за отклик!

                                          Готов доказать, что электротехника тут роли не играет. Полученные результаты имеют отношение исключительно к теплотехнике.

                                          Доказать просто — достаточно элементарного понимания действующего значения. Это отношение площади графика функции ко времени. Любое изменение без коррекции теплотехники — приведет к соответствующим потерям мощности.

                                          Экономия электроэнергии будет иметь место, если нагревать не настолько быстро, чтобы объект успевал нагреваться, чтобы были оптимальные соотношения рассеиваемой теплоты в окружающее пространство к полезной — только теплотехника. Электрических процессов с волшебным увеличением КПД тут нет.

                                          И этому есть много рациональных объяснений, причин и следствий. Одно из них — невозможность изобретения вечного двигателя, каковым и является волшебное устройство, позволяющее «регулировать» КПД без потерь.
                                            0
                                            Ну разумеется, никто и не говорит про увеличение КПД плитки или о чем то подобном. Мы используем электроплитку более эффективно во времени. Разумеется, с учетом параметров самого объекта (собственно теплотехника затрагивается в этом месте). Но нельзя говорить о том, что электротехника не играет роли, когда управляющей величиной является напряжение.

                                            Если Вам так будет понятнее, здесь использован синтез электро- и теплотехники, хотя по сути ни первая, ни вторая большой роли не играет. Мы можем взять вместо электроплитки например двигатель постоянного тока, где выходной величиной будет угол поворота вала. И мы также можем сделать энергосберегающее управление для конкретной задачи (например, повернуть вал 100 раз и израсходовать минимум электроэнергии), если не смотреть на расход времени при этом (экономия идет за счет времени и инерции объекта управления тепловой или механической, все равно). Вы же не будете утверждать, что в этом случае использованы лишь законы механики, а электротехника не причем?

                                            В математических законах, используемых при создании оптимального управления нет жесткого закрепления к параметрам или объектам. Там лишь переменные, функции и функционалы. А какие входные и выходные величины использовать (температуру, скорость, координату) — это уже по желанию. Суть в нахождении наиболее выгодной траектории перехода объекта из состояния А в состояние Б с минимальным значением соответствующего функционала. В нашем случае — энергии.

                                  Only users with full accounts can post comments. Log in, please.