3.1. Выбор и разработка датчиков для определения параметров микроклимата и внешних климатических условий

Необходимость проводить оценку тепловлажностного режима в кабине МСА, внешних климатических условий, а также регулировать параметры микроклимата привели к необходимости выбора и разработки специальных датчиков.

По сложившейся в нашей стране и за рубежом практике определения параметров микроклимата нами использованы три группы тепловых датчиков, основанных на:

тепловом изменении объемов жидкостей, газов и твердых тел (жидкостные, диламстрические, биметаллические, манометрические и др.);

изменении электрических сопротивлений металлов, полупроводников, диэлектриков;

возникновении термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) на спаях двух разнородных материалов (термопарные).

Все они использованы для измерения температуры, влажности, давления тепловых потоков, уровней радиации, скорости перемещения внешних воздушных потоков, расходов и потоков воздуха от вентиляторов, кондиционеров и отопителей [8, 51,100].

Тепловые датчики применяются не только для.измерения, но и для регулирования многих из этих параметров, связанных с тепловой энергией.

Следует отметить, что первая группа датчиков имеет недостаточную точность измерения в нестационарных тепловых режимах, низкую надежность при воздействии ударов, вибраций и ограниченную долговечность.

Вторая группа датчиков выполнена на основе теплочувствительных элементов из платины, никеля, меди, кремния, полупроводников.

В таких датчиках электрическое сопротивление чувствительных элементов (платины, никеля, меди) R изменяется согласно уравнению R = Ro {1+0С (0-©о)}, (3.1.)

где R - электрическое сопротивление при 0°С (т.е. при 273 К);

0, ©0 - соответственно измеряемая температура и температура при нуле °С;

(X - температурный коэффициент, характеризующий относительное изменение электрического сопротивления при изменении температуры на 1°С, отнесенное к номинальному значению электрического сопротивления чувствительного элемента при 0°С.

Согласно нормативным документам номинальное электрическое сопротивление при 0°С для платины и никеля выбрано равным 100 Ом с диапазоном измерения температуры от -50 до 200°С, для меди - 53 Ом с диапазоном измерения от-50 до 150°С.

В анемометрах и датчиках давления применяются металлические датчики соответственно с сопротивлениями 500 Ом и 1 кОм.

Во всех датчиках чувствительные элементы выполняются в виде спиралей или в тонкопленочном исполнении. Конструктивно датчики представляют собой цилиндры из латуни и стали различного диаметра и длины и пластин на которых наклеены спирали из микропровода, чувствительного к температуре.

В третьей группе датчиков (термопары) используются спаи разнородных материалов. По сравнению с датчиками второй группы, они имеют более высокую чувствительность, точность и низкую цену. Для термопар использована пара: хромель - копель. Для измерения температуры поверхности ограждений применена термопара ТХК-0,33.

ТермоЭДС, возникшая на выходе термопар составляет 7...75 мкВ/°С.

Недостатками всех групп тепловых датчиков является низкая чувствительность, поэтому необходимы дорогие и сложные функциональные преобразователи и усилители.

В термопарах требуется наличие опорной температуры одного из спаев, которая должна поддерживаться постоянной или измеряться.

Для них нами использованы интегральные схемы [54], содержащие внутренний компенсатор точки таяния льда, равной 0°С.

Датчики второй и третьей групп имеют нелинейную зависимость выходного параметра (сопротивления или термоЭДС) от температуры. Электрическое сопротивление металлических и полупроводниковых датчиков изменяется от величины силы тока, что приводит к погрешности измерения.

Измерение тепловых параметров с помощью кремниевых датчиков представляет особый интерес [18], т.к. они значительно чувствительнее и дешевле других датчиков.

Их недостатком является меньший диапазон измеряемых тепловых параметров, нелинейная (квадратичная) зависимость сопротивления от температуры

(3.2.)

где аир- температурные коэффициенты равные соответственно 0,78'КГ2°С' и 1,8410'5оС2.

Нами выбраны кремневые датчики со встроенным усилителем (интегральные датчики) типа STP 35 (фирма Texas Instruments, USA), LM 39H (фирма National Semiconductor, Германия). [101, 110,111]

Терморезисторы использованы для измерения тепловых параметров, где потребовалось высокое быстродействие к их изменению (температуры, тепловых потоков, скорости воздуха).

Для измерения расхода, поступающего от СНМ, использован датчик, основанный на изменении сопротивления самонагревающего резистора в зависимости от скорости изменения потока воздуха (рис. З.1.). ,и„

I* W///////A

шжгл 4

Ри

Kti

1

Q ( р.

Р*1 У/////////////////ШШ

Рис. 3.1. Тепловой датчик расхода воздуха

В этом датчике объемный расход воздуха Q определяется из уравнения Q =

(3.3.)

, At* IС J >

^ аД© а2 j

где A© = ©j - 02 - разность измеряемой и температуры окружающей среды;

и 32 - константы, зависящие от конструктивных параметров датчика;

I - ток нагрева резистора до температуры ©i > ©2, А; U - напряжение питания резистора, В;

Ркь Рк2» Р„ - соответственно мощности за счет теплопроводности, конвекции, теплоотдачи, Вт;

Р - мощность нагрева резистора, Вт.

Для исключения влияние тсмперат>гры окружающей среды нами использованы два самонагревающихся терморезистора, один из которых находится в тепловом потоке, другой — при температуре окружающей среды.

В этом случае объемный расход вычисляется по формуле

(3.4.) На основе этих принципов были разработаны тепловые датчики для измерения скорости потока возду ха (анемометры) в диапазоне от 0 до 10 м/с с погрешностью ±3% и датчик направления потока воздуха.

Для измерения расходов разности температуры жидкого и газообразного хладагента разработана конструкция датчика на основе нескольких последовательно соединенных термопар (константан- серебро), выполненных на диэлектрических пластинах (стеклотекстолит), размещенных в пазах двух трубопроводов I и II (рис. 3.2.) п:п рсватсль

пластины

Рис.

ук \/// // //тшттк

Жидкий хладагент (канал I) нагревается до температуры Qj нафсвателсм R, температура газообразного хладагента (канал И) определяется входным потоком газа.

Разность расходов AQ определяется но формуле

Ui

(3.5.)

ло = о, - а = о =

-0J

|де (X * 0,24 - константа. определенная из конструктивных размеров датчика

Для оценки теплового состоянии оператора на основе гсрморсзистора и термопар при участии автора на кафедре «'Хк-мрификаиии и автоматизации» МСХА модернизирован ранее разработанный в ОАО «13ИСХОМ» датчик, закрепляемы!! на кме оператора (рис. 3.3.) [14, 15].

Датчик включает в себя резиновую ленту (1). монтажную ленту (8) и неипо (9), служащие для крепления на теле оператора, радиатор (2) - для более эффективного рассеивания тепловой энерши, пленочные терморезнсторы (3,6), определяющие усредненные температуры на поверхности кожи и температуры окружающей среды соотвектвенно. датчик (4 к измеряющий интенсивность тепловых потоков, iсиловой коллектор (5), создающий тепловой контакт датчика (4) с поверхностью тела, тенлоизолятор (7), датчик определения влажности воздуха (10).

4 t 3 Ь i * *

• ' ; ( /

Рис. 3 3. Датчик для контроля теплового состояния оператора

При температуре окружающей среды от 32 до 34 °С и температуре па поверхности кожи от 26,4 до 27,8 °С, интенсивность тепловых потоков на различных участках тела оператора изменялась в пределах от 240 до 320 Вт/м2.

Таблица 3.1.

Тепловые параметры, измеряемые датчиком для контроля теплового

состояния оператора Наименование параметра номер оператора 1 2 3 4 5 6 Температура на поверхности кожи, град. 34,0 32,6 33,8 34,5 34,1 35,0 Температура на границе тело-тепловой коллектор, град. 33 32,0 31,9 35,0 32,6 31,8 Температура на поверхности радиатора, град. 27,4 25,9 27,4 26,6 27,9 26,0 Тепловой поток, Вт/м2 410 420 430 430 410 420 Температура окружающей среды, град. 23,0 22,4 22,8 23,0 22,4 22,6

Точность замеров температуры составила ±0,2°С, погрешность измерений тепловых потоков не превысила ±10%.

Выбранные и разработанные датчики позволили обеспечить контроль и регулировки климатических параметров в установившихся и неустановившихся тепловых режимах в соответствии с поставленными задачами исследований.