Точность поддержания температуры двухпозиционным термостатом

#DigitalCAT_electronics #Photonics #Thermostat
Обзор посвещен оценке точности поддержания темературы 20 градусов Цельсия двухпозиционным термостатом основанной на вычислении статистик и распределении большого количества равноточных прямых измерений случайной величины – температуры термостата.
Этим обзором мы завершаем цикл видео сюжетов рассказывающих вам о проектировании и создании двухпозиционного термостата предназначенного для поддержания температуры 20 градусов Цельсия полостных приемников излучений серий ПП и радиационных приемников серии РТН.
Посмотрите предыдущие обзоры:
1. Тестирование и настройка двухпозиционного термостата 20 градусов Цельсия нагрев охлаждение: https://youtu.be/Eq5FTZW0F-A
2. Термостат для полостного оптического приемника: https://youtu.be/LCzfCCXwC58
3. Двухпозиционный термостат 20С нагрев и охлаждение, градусов Цельсия, проектирование: https://youtu.be/-p9YO-YO29E
Мы собираемся использовать термостат совместно со средствами измерений (СИ) оптических величин, поэтому нам необходимо знать метрологические характеристики изготовленного нами устройства – какова средняя температура термостата? Какова абсолютная погрешность поддержания средней температуры термостата? Какова доверительная вероятность и ширина доверительного интервала при приемлемых нам погрешностях? Что бы ответить на эти вопросы необходимо собрать данные измерений температуры термостата за достаточно длительный период работы прибора. Так же необходимо оптимизировать ток через термоэлектрический элемент (TEC) с целью уменьшения перерегулирования в первом цикле управления термостатом.
Прежде чем выполнить серии измерений, нам предстоит решить проблему с охлаждением силовых элементов термостата и убедиться путем замеров, что тепловой режим силовых элементов имеет необходимый запас для работы в условиях повышенной температуры окружающего воздуха – 40 градусов Цельсия.
Для этого мы рассчитали и изготовили новый радиатор охлаждения, интегрировали его на плату и провели необходимые испытания и замеры.
В процессе сбора и накопления данных о работе прибора, мы уточнили и оптимизировали ток через TEC, оптимальное значение тока составило 0,78 А тогда как первоначально ток равнялся 2,83 А. Оптимизация тока термоэлектрического охладителя позволила уменьшить выброс переходного процесса и улучшить регулирование.
В ходе наработки значений температуры термостата, термостат проработал около 3 часов, регистрация температуры осуществлялась интервалами в 1 секунду, при этом каждый секундный отсчет формировался как среднее арифметическое из 5 замеров выполняемых каждую секунду.
Для анализа накопленные данные были импортированы в файл CSV, вся математическая обработка данных проводилась в среде MatLab для этого был написан m- скрипт занимающийся импортом, обработкой, анализом и экспортом результатов в MS Word.
В результате расчетов мы получили следующие данные: для доверительной вероятности 0,95 абсолютная погрешность поддержания средней температуры термостата составляет 0,004 градуса Цельсия. Размах колебаний температуры термостата равен 0,3 градуса Цельсия, средняя температура термостата составляет 19,89 градусов Цельсия.
При размахе отклонения температуры в 0.3 градуса Цельсия, для доверительной вероятности 0,95 погрешность термостата составила 0,004 градуса Цельсия. На первый взгляд кажется, что это не возможно. Как такое может быть? Для ответа на этот вопрос нужно понимать, что такое доверительный интервал. Доверительный интервал — это числовой интервал, построенный на основе выборки, который содержит оценку неизвестного параметра с заданной вероятностью (обычно 0,95 или 0,99). То есть, если мы много раз повторяем выборку и строим доверительный интервал, то в 95% случаев истинное значение параметра будет лежать в этом интервале.
Точность поддержания температуры термостата определяется шириной доверительного интервала, который зависит от дисперсии (разброса) значений в выборке. Если разброс значений в выборке мал, то и доверительный интервал будет узким, а значит, точность оценки параметра будет высокой.
В данном случае, хотя максимальное отклонение температуры от среднего составляет плюс-минус 0,3 градуса Цельсия, но таких точек всего 96 из 3512 измерений, что составляет примерно 2.7% от всех измерений. Большинство значений (около 90%) находятся в пределах плюс-минус 0,1 градуса Цельсия, а это значит, что дисперсия (разброс) значений в выборке невелика. Поэтому доверительный интервал будет узким и точность оценки параметра (средней температуры) будет высокой, что и показывает результат расчета точности – 0,004015 градуса Цельсия. Половина максимального размаха (0,3/2 = 0.15) не может быть использована для оценки точности, так как большинство значений находятся в более узком диапазоне.
Наш канал: https://www.youtube.com/channel/UCt2VdJAY7-iM78VEEa-Y1rg
Лазерная техника: https://www.youtube.com/playlist?list=PLNgstzo2FKNOuauhZjiALEcHWPjMrhGiF

Видео Точность поддержания температуры двухпозиционным термостатом канала DigitalCAT