Пневмоавтоматическая система измерения температуры потока воздуха

Аннотация

Л. Г. Казакова, В. В. Корзин, А. Г. Бурцев

Дата поступления статьи: 12.12.2013

Представлена схема экспериментальной установки струйного измерения температуры воздуха. Приведены результаты эксперимента подтверждающие стабильносьт зависимости частоты пневматического сигнала от температуры потока при большом количестве измерений.

Ключевые слова: пневмоавтоматика, температура, пьезоэлемент, поток воздуха, стуйный датчик

Наиболее часто измеряемым параметром, на сегодняшний день,  является температура. Например, на атомных электростанциях может быть до 10 тысяч точек измерения температуры, а на крупных предприятиях химической промышленности  свыше 20 тысяч. Самыми распространёнными  приборами для таких измерений являются электрические датчики, такие как термопары и термометры сопротивления[1].
Их работа основана на преобразовании измеряемого параметра, нашем случае температуры, в электрическую величину. Однако применение таких датчиков на взрыво- и пожароопасных производствах сопряжено с большими затратами на обеспечение безопасности. Также подобные датчики дают большую погрешность измерения при сильных радиационных и электромагнитных излучениях.
В таких случаях целесообразно использовать пневмоавтоматические системы измерения температуры. Однако основным ограничением пневмоавтоматики по сравнению с электронными средствами автоматики - невысокая точность. Это обстоятельство на фоне бурного развития применения электроники во многих отраслях промышленности снизило масштабы применения пневматических средств в автоматизированных системах управления. Тем не менее, современная пневмоавтоматика востребована в измерительных и управляющих устройствах[2].
Для измерения температуры газовых потоков в настоящее время широко применяются термоэлектрические преобразователи и термометры сопротивления. Чувствительные элементы этих приборов помещаются в защитные металлические чехлы, то есть непосредственно измеряется температура чехла, нагретого газовым потоком, температура защитного чехла изменяется с меньшей скоростью, чем температура измеряемой среды. Для потоков газа с быстроизменяющейся температурой  это представляет существенную задержку получения точной информации[3,4].
На рисунке 1 представлена схема экспериментальной установки струйного измерения температуры. Данная установка имеет меньшую инерционность при измерении температуры, чем термопары и термометры сопротивления.

Рис. 1 – Схема экспериментальной установки струйного измерения температуры

Экспериментальная установка  включает в себя: электрический нагреватель 1; датчик температуры, включающий в себя газодинамический преобразователь и струйный генератор частоты 2; образцовый термометр 3; частотомер 4, пьезоэлемент 5.
Данная установка работает следующим образом. Компрессор создает давление воздуха, подаваемого в пневмосеть лаборатории. Воздух поступает в электрический нагреватель 1, в котором осуществляется нагрев воздуха до необходимой температуры. Температура подогретого воздуха измеряется образцовым термометром 3. Далее воздух проходит через струйный датчик температуры 2 и выходит в атмосферу. Сигналы струйного генератора преобразуются пьезоэлементом 5 в электрический сигнал, регистрируются с помощью частотомера 4. Выходные электрические сигналы от всех измерителей параметров поступают на вход ПЭВМ,  в котором осуществляется обработка поступивших сигналов.
Принцип действия системы основан на том, что в зависимости от изменения температуры при постоянных значениях давления питания изменяется вязкость и плотность газа, что приводит к изменению расхода на выходе струйного датчика. Изменение расхода вызывает изменение частоты колебаний струйного генератора, которые фиксируются при помощи пьезоэлемента и измерительной системы[5,6]. Практическое применение пьезоэлектрического эффекта началось с 1917 г. когда французский математик и физик Поль Ланжевен предложил использовать ультразвуковой эхолокатор для обнаружения подводных объектов. Подробнее об использовании пьезоэлементов сказано в статьях[7,8,9,10]
В ходе эксперимента снимались 512 значений частоты для следующих значений температуры: 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150 ^оС.  На рисунке 2 показаны колебания частоты при соответствующей температуре.  Очевидно, что с увеличение температуры возрастает частота.

Рис. 2 – значения частоты при различных температурах

Найдём  средние значения частот при разных температурах. В результате была получена зависимость частоты от температуры, представленная на рисунке 3.

Рис.3 - Зависимость частоты от температуры

Экспериментально была доказана работа струйной системы измерения температуры потока воздуха. Значит, подобные системы могут быть применены в различных производственных процессах, например, в хлебопекарном производстве или сушильных псах лакокрасочных производств.

Список литературы:

1. Геращенко О. А. Температурные измерения / О. А. Геращенко, А. Н. Гордов, А. К. Еремина. – М.: Наукова думка, 1984. – С. 155-158.
2. Касимов А. М. Развитие пневматических средств автоматизации / Труды конференции «Технические и программные средства систем управления, контроля, измерения» - Москва, 2010. - С. 64.
3. Корзин, В.В.Проблемы разработки струйных систем контроля температуры. / В.В. Корзин, Э.И. Чаплыгин // Тез. докл. VII Межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов, Волжский, 2001 / Изд. ВолгГТУ. – Волгоград, 2001. - С. 34.
4. Чаплыгин, Э.И.  Повышение стабильности работы струйных термопреобразователей.  /  Э.И. Чаплыгин, Е.А. Дьячков, В.А. Горюнов, В.В. Корзин // Датчики и системы \ Sensors & Systems. – 2003. – № 10. – С. 31-33.
5. Корзин, В.В. Струйные преобразователи температуры повышенной стабильности. / В.В. Корзин, Э.И. Чаплыгин, В.А. Горюнов // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Прогрессивные технологии в машиностроении». Вып. 5: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград,  2009. – № 8. – С. 98-100.
6. Корзин, В.В. Струйные преобразователи температуры. / В.В. Корзин // Научно-технические и экологические проблемы г. Волжского: тез. докл. Межвузовской конференции по региональной научно-технической программе, Волжский, 23-24.11.99 /  Изд. ВолгГТУ. – Волгоград, 1999. – С. 8.
7. Наседкин А.В., Шевцова М.С. Сравнительный анализ результатов моделирования пористой пьезокерамики методами эффективных модулей и конечных элементов с экспериментальными данными [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2013, №2. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1615 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
8. Панич А.А., Мараховский М.А., Мотин Д.В. Кристаллические и керамические пьезоэлектрики [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2011, №1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2011/325 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
9. Bazhenov A.A., Yarovikov V.I. A universal mathematical model of piezoelectric transducers of mechanical quantities with distributed parameters.//Measurement Techniques, 2007. T. 50. № 12. S.1282 -1290.
10. Pons J.L., Rodriguez H., Seco F., Ceres R., Calderon L. Modelling of piezoelectric transducers applied to piezoelectric motors: A comparative study and new perspective. // Sensors and Actuators A: Physical. 2004. T. 110. № 1-3. Р. 336 – 343.