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Heizsysteme für Industrie-Computer

Panel-PC in Eiseskälte betreiben

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Proportionale Steuerungen

Durch den Einsatz der Impulsdauermodulation, um dem Heizelement Spannung zuzuführen, lassen sich viel feinere Empfindlichkeit und Präzision erzielen, als mit einfachen An-Aus-Regelungen. Das Verhältnis zwischen Spannung und Wärme ist jedoch keine einfache eins-zu-eins Korrespondenz. Um effektive proportionale Steuerungen zu konstruieren, müssen Ingenieure die Ausgabe der Impulsdauermodulation so kalibrieren, dass sie bei jeder Temperatur innerhalb des Zielbereichs zu einer spezifischen, vorherbestimmbaren Wärmeabgabe führt. Bevor Ingenieure die Steuerung der Spannungszufuhr und die Wärmewerte angehen, müssen sie den physischen Apparat des Heizsystems selbst konstruieren. Während die Möglichkeit besteht, unabhängige Heizelemente und Sensoren einzusetzen, ist die effizientere Herangehensweise die Integration der beiden und – statt Temperatursensoren zu montieren, um zusätzliche externe und interne Messungen vorzunehmen – die Temperatursensoren einzig auf die Heizplatten selbst zu begrenzen. So vermeidet man mögliche Fehlerquellen und erzielt die bestmögliche Rückmeldung bezüglich der Wärmeabgabe. Durch die Kombination eines Heizelements und eines integrierten Thermistors in Leiterplatten lässt sich der Heizbereich an sehr leitfähige Heizkörper montieren und dann innerhalb des Display-Gehäuses eines Panel PCs anbringen. So erhält das Gerät ein sicheres, geschütztes und hocheffizientes Heizelement, das konstante Rückmeldung über seinen temporären Temperaturzustand gibt.

Nur das Notwendige

Da die Temperatursensoren dieses Systems (Thermistoren) direkt in die Heizplatten integriert sind, wird effektiv nur die Ausgabetemperatur an seiner Quelle, dem Heizelement, gemessen. Daher muss in einer Formel eine Beziehung zwischen den Messergebnissen hergestellt werden, um die angestrebte Temperatur zu erreichen. Damit dies funktioniert, muss jede Neukonstruktion einer Plattform vorab im Labor detailliert analysiert werden, um die Ausgabe der Impulsdauermodulation und zahlreiche externe Temperaturwerte festzustellen. Die Ausgabe der Impulsdauermodulation und die Umgebungstemperatur bilden einen zweidimensionalen Steuerungsbereich, in dem eine große Anzahl von Datenpunkten gemessen und bewertet werden. Daraus lassen sich die Verhältnisse erstellen, innerhalb derer besondere Kombinationen von Impulsdauermodulations-Ausgabe und Temperatur der Heizung in der Lage sind, das System innerhalb der Zieltemperatur zu halten. Um diese Verhältnisse abzuleiten, werden die Temperaturen an verschiedenen Punkten innerhalb des Computers gemessen, da die zwei Kontrollwerte über das volle Spektrum möglicher Eingaben beeinflusst werden. Auf diesem Weg können Ingenieure ableiten, welche Verhältnisse von Wärmeabgabe an Betriebszyklen den gewünschten Temperaturbereich erzielen. Sofern diese Kontrollwerte erstellt sind, muss das System als Ergebnis davon keine externen Temperaturwerte mehr berechnen. Einzig das Auslesen der aktuellen Impulsdauermodulations-Ausgabe und der Temperatur der Heizplatte ermöglicht dieser Heizlösung das System intelligent und effizient innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs zu halten.

Jede Hardware ist anders

Das alles wird durch die Eigenheiten des Hardware-Designs kompliziert. Jede Hardware-Plattform hat ihr eigenes Wärmeprofil, und dessen Verhalten ändert sich bei verschiedenen Temperaturen von Modell zu Modell. Das liegt daran, dass nicht nur die Heizelemente Wärme erzeugen, sondern auch die internen Komponenten des Computers – und verschiedene Plattformen erzeugen unterschiedliche Wärmeprofile. Gleichsam entstehen auf Komponentenebene unvorhergesehene Leistungsveränderungen bei starkem Temperaturabfall, insbesondere bei den Widerständen. Durch Experimentieren hat Moxa herausgefunden, dass diese Leistungsveränderungen, die Widerstände bei Temperaturabfall erfahren, die Impulsdauermodulations-Ausgabe bei niedrigen Temperaturen auf unvorhergesehene Art und Weise verändern, dadurch wird das Verhältnis zwischen Impulsdauermodulations-Ausgabe und dem Heizelement so gestört, dass das Heizsystem korrumpiert oder sogar beschädigt wird.

Aus diesem Grund wurde für jede Plattform ein unabhängiges Heizprofil auf Basis der PWM-Betriebszyklen im Labor definiert. Zuletzt kommt eine Geräteschutzsicherung zum Einsatz, die gegen die geringe Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion des Heizsystems schützen soll, die einen System-Abbrand erzeugen kann. Die Sicherung ist die mechanische Garantie dafür, dass das System sich permanent selbst abschaltet, sobald die Sensoren der Heizung auf eine Temperatur über 55 Grad Celsius steigen. Wenn man sich die Zeit und Gründlichkeit nimmt, die richtigen Komponenten auszuwählen, effektive System-Ausfallsicherungen zu bauen und umfassende Tests sowie eine vollständige Plattformprofilierung durchzuführen, unterstützt ein sicheres, zuverlässiges Heizsystem den Computerbetrieb intelligent innerhalb eines Kältebereichs, in dem andere Plattformen nutzlos wären.


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