После довольно продолжительного перерыва мы продолжили тесты зонда YY. Сегодня, 8 апреля 2012 г., мы провели первые морозильные тесты прототипа зонда YY в минимальной комплектации -- в стандартную пеноплатсовую коробку мы поместили плату Arduino с платой концентратора с SD-карточкой, 4 термодатчиками и одну выносную термопару для контроля температуры внутри коробки в режиме реального времени. Основные задачи тестов:

1. Логирование изменения температуры внутри коробки в трёх точках на внутренней поверхности коробки
2. Логирование изменение внешней температуры внутри морозильной камеры
3. Проверка записи лог-файла на SD-карточку
4. Проверка работы бортовой электроники при отрицательных пемпературах
5. Определение скорости остывания внутренностей коробки

Тесты, как и ранее, проводили на RS у Вовы (Pova) и Тани (Selestia) дома. Кроме них участвовали Виталик (Lupus) и Лёша (Deimos).

Охлаждение коробки продолжалось 2^ч50^м. Графики остывания коробки по данным бортовых термодатчиков показаны ниже.

По данным бортовых термодатчиков температура в морозильной камере составляла около -36 ^оС. За день до этого мы озадачились рассчитать до какой температуры будет охлаждаться внутренее пространство коробки при наличии внутри работающей электроники, излучающей тепловую мощность P_in Вт. В первом приближении формула для нашей коробки получилась такой:

dT [^oC] = P_in[Вт]/0.129

Эта формула, конечно, лишь первое приближение -- она показывает разницу dT между внутренней и наружной температурами при установившемся равновесии (количество уходящео тепла равно количеству производимого тепла). По показаниям датчиков получается, что dT ≈ 10 ^оС, что означает, что бортовая электроника излучала порядка 1 Вт. Питание Arduino осуществлялось от внешнего блока питания 9В, значит для выделения такого тепла Arduino должна потреблять ток около 100 мА. Позже мы проверим это отдельно.

В прошлый раз мы уже пробовали просчитать, как будет изменяться температура внутри коробки при её охлаждении внутри морозильной камеры. В этот рез подход был похожий, но система дифференциальных уравнений была дополнена с учётом выделения тепла бортовой электроникой. Графики расчётной зависимости внутренней ("inside") и наружной ("outside") температурах с наложением на экспериментальные значения приведены ниже.

Как видно, модельные расчёты хорошо совпадают с экспериментом. Расхождение между "синусоидами" наружной тепмературы (напомним, что температура в  морозильной камере изменяется квазисинусоидально, т.к. встроенный в неё термодатчик отслеживает повышение температуры выше установленого предела, после чего запускается компрессор и происходит охлаждение до определённйо температуры, а затем компрессор отключается; затем всё повторяется снова) виден хорошо -- связан он с тем, что процесс охлаждения камеры квазигармоничный, т.е. не строго с постоянным периодом.

Некоторое отличие между расчётными и экспериментальными данными можно связать с необходимостью нагреть сначала воздух внутри коробки.

Весьма озадачивающим выглядит значение температуры, которую показали датчики -- ниже -30 ^оС! При том, что по показаниям термопары внутри коробки воздух не охлаждался ниже -8 ^оС. Перед экспериментом замеры температуры к морозильной камере термопарой показали температуру около -15 ^оС, а в прошлые "замораживания" температура не опускалась ниже -20 ^оС! Пока не будем делать однозначных выводом, но то, что термодатчики нуждаются в поверке -- факт.

Ранее мы пытались проанализировать особенности изменения температуры при реальном полёте нашего зонда "Аэрапогляд". Напомним, что после 50 минут полёта температура внутри зонда перестала падать, вышла на плато, а затем даже начала немного повышаться до того момента, пока оболочка зонда не лопнула и зонд не начал падать -- тогда дыстро возрастающее наружное давление начало "проталкивать" холодный воздух внутрь коробки зонда и началось активное охлаждение. Наличие участка увеличения температуры на высоте более 20 км мы связали с влиянием стратопаузы и постоянного нагрева внутри коробки.

Пытаясь подтвердить эти предположениями расчётами, мы расчитали изменение температуры внутри коробки при изменении наружной температуры по данным стандартной атмосферы (ГОСТ 4401-81) с наложением на реальные данные, измеренные при полёте. Эти графики показаны ниже.

Как видно из графиков, полученные расчётные значения заметно отличаются от реальных. Нам не удалось подобрать параметры для лутшего совпадения. Видимо, это связано с неучётом особенностей процессов теплообмена, коих немало:

• Нагревателю внутри коробки нужно было нагреть воздух во всей коробке, т.к. датчик температуры находился в фотоаппарате, а нагреватель -- у GPS/GPRS-трекера.
• По мере подъёма зонда наружное давление падало, что приводило к следующему: часть тепла уходило вместе с воздухом при выравнивании наружного и внутреннего давлений, теплоёмкость воздуха (а, значит, и количество энергии, необходимой на нагрев воздуха внитри коробки) также менялась.
• При снижении давления воздух в коробке расширался, что приводило к его охлаждению.
• Зонд выше 2 км постоянно овещался Солнцем, что приводило к негреву коробки. Т.к. солнечная постоянная вблизи Земли составляет 1368 Вт/м², это приводит к наличию падающего не коробку зонда теплового потока порядка 13 Вт. Эта величина, конечно, завышена, т.к. не учтено поглощение в атмосфере. Кроме того, не весь поток от Солнца передаётся коробке -- в зависимости от её альбедо поглощённый поток будет изменяться.  Помимо этого, коробка всё время вращалась, что дополнительно усложняло процес нагрева и излучение полученного от Солнца тепла теневыми участками корпуса. Наличие накладных пенопластовых демпферов на наружной поверхности коробки зонда также служило тепловым щитом.
• Не учтено влияние на термодатчики, пасположенные возле ПЗС-матрицы фотоаппарата и в батарейном отсеке, выделение тепла от работающих батареек и электроники фотоаппарата. Эти тепловые потоки могли исказить показания датчиков.

Lupus.