Метод стабилизации расходов в ответвлениях систем вентиляции с переменным расходом воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метод стабилизации расходов в ответвлениях систем вентиляции с переменным расходом воздуха

Ивашкевич A. A.

ТОГУ, г. Хабаровск, Россия

Абстракт

Рассматривается изменение подхода к стабилизации расходов в ответвлениях систем вентиляции с переменным расходом воздуха за счет выбора другого измеряемого параметра системы для регулирования.

Ключевые слова: системы с переменным расходом воздуха, регулятор давления, камера статического давления, измерение скорости, крыльчатка, сопло.

COSTS' STABILIZING METHOD IN BRANCHES OF VENTILATION SYSTEMS WITH VARIABLE AIR FLOW

Yu S. S., IvashkevichА. А.

PNU, Khabarovsk, Russia

Abstract. We consider a change in the approach to stabilization of costs in the branches of ventilation systems with a variable air flow rate, due to the choice of another measured parameter of the system for regulation.

Keywords', variable air flow systems, pressure regulator, plenum box, speed measurement, impeller, nozzle.

1. Основной подход к проектированию систем вентиляции с переменным расходом

В системах вентиляции с переменным расходом при отключении или изменении расхода в ответвлениях к отдельным потребителям (веткам, помещениям или отдельным воздухораспределителям) важно сохранять неизменным режимы всех остальных ответвлений и потребителей. Для этого применяются регулирующие клапаны с электроприводом, управляемые по сигналу от датчиков давлений, установленных в камерах статического давления перед обслуживаемыми потребителями. Общая схема подобного решения приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Общая схема разводки воздуховодов для системы приточной вентиляции с переменным расходом воздуха

Во избежание такой разрегулировки и предусматриваются узлы стабилизации давления перед потребителями, включающие камеру статического давления (КСД) с расположенным в ней датчиком давления (РЕ), блока управления (БУ) и регулирующего клапана (РК) с моторным редукторным электроприводом (М). Таким образом, реализуется петля отрицательной обратной связи, обеспечивающая стабилизацию давления в каждой КСД и постоянство установленного режима вентилирования каждого помещения. расход приточная вентиляция воздуховод

Одной из важных задач при построении такой системы является получение первичного сигнала для управления регулирующим клапаном. В подавляющем большинстве описываемых в литературе решений используются приемники давления в виде отверстий или трубок различной конфигурации и преобразователи давления в электрический сигнал.

2. Типы преобразователей давления

Известно большое количество типов преобразователей: реостатные, пьезоэлектрические, емкостные, тензорези- сторные. Основной проблемой при выборе преобразователя является малое значение давления, которое необходимо стабилизировать, так как потери давления в подводящем воздуховоде и самом воздухораспределителе имеют обычно весьма небольшое значение.

В области вентиляции наибольшее распространение получили преобразователи деформационного типа, в которых под действием перепада давления происходит деформация некоторого упругого элемента (мембраны, сильфона, пружины), и в выходной электрический сигнал преобразуется именно перемещение или деформация, а не само давление. Таким образом, свойства и точность преобразователя сильно зависят от упругости, размеров, формы и других параметров упругого элемента.

Наиболее распространенным типом упругого элемента для преобразователей являются мембраны. Деформирующее усилие на мембрану определяется как произведение перепада давлений по обеим сторонам мембраны на площадь мембраны. Малый перепад давлений в области вентиляции вынуждает использовать мембраны большой площади из тонкого металлического листа, что увеличивает размеры преобразователя и делает мембрану весьма уязвимой к превышению расчетного перепада давления, который может вывести ее из строя.

В промышленных стрелочных показывающих приборах, в которых требовалось обеспечить значительное перемещение стрелки, мембраны объединялись последовательно. Как минимум, ставились две мембраны, образуя так называемую мембранную коробку, за счет чего получалась замкнутая полость между ними, куда и подавалось измеряемое давление. При необходимости, устанавливалось несколько мембранных коробок одна на другую. Это позволяло суммировать деформацию всех мембран и значительно увеличить перемещение механизма движения стрелки. Тем не менее, даже при такой конструкции минимальный диапазон измерения для таких приборов составлял 12,5 кгс/м² (примерно 125 Па), что значительно превышает давление, которое требуется измерять в нашем случае.

С переходом на электрические методы измерения отпала необходимость обеспечивать большое перемещение стрелки, что позволило кардинально уменьшить размеры мембран. Сегодня выпускаются законченные интегральные преобразователи давления, в которых в одном корпусе микросхемы на кристалле кремния вытравлена сама мембрана диаметрам несколько миллиметров и на ней нанесены тензосопротивления, а на другой части кристалла сформированы все элементы электрической схемы.

Наибольшее распространение получили два типа преобразователей: тензо- резисторные и емкостные. В первом случае на изгибаемой поверхности мембраны нанесены тонкопленочные тензорезисторы, которые совместно с неизгибаемыми, нанесенными по подложке, образуют измерительный мост, сигнал с которого усиливается и калибруется электронной частью преобразователя. Во втором случае по окружности мембраны формируется тонкое гибкое кольцо, а средина оставляется достаточно толстой и не изгибается. На этой средней части нанесен напылением тонкий проводящий слой, который совместно со слоем, нанесенным в нужном месте на подложку, образует электрический конденсатор. Несмотря на малые размеры мембраны, учитывая очень малое расстояние между обкладками, удается добиться достаточной электрической емкости конденсатора, чтобы уверенно измерить ее изменение при прогибе мембраны.

Очевидно, что такие современные конструкции преобразователей требуют исключительно высокой точности изготовления. Как изменение сопротивления терморезисторов, так и изменение емкости конденсатора имеют достаточно малую величину (от долей процента до нескольких процентов), что требует тщательного проектирования и настройки измерительной схемы. Учитывая эти обстоятельства, заключаем, что подобные решения являются уделом исключительно промышленного производства высокой точности и не могут быть повторены в домашних условиях.

3. Выводы по основным решениям

Как показал опыт, при самостоятельном изготовлении преобразователей давления даже более крупных размеров возникают сложности с подбором материала для мембраны, формированием на ней гофров для увеличения гибкости, конструированию и наладкой собственно преобразователя перемещения в электрический сигнал. Для всех типов преобразователей наличие вибрации резко ухудшает качество измерения. В преобразователе резистивного типа очень сложно обеспечить стабильный эффективный контакт ползунка реостата с поверхностью сопротивления. Кроме того, малая величина измеряемого давления и наличие трения в этом узле приводит к появлению гистерезиса, то есть нестабильным показаниям прибора. В преобразователе емкостного типа очень сложно обеспечить достаточную площадь подвижной плоской части мембраны и хорошую параллельность двух обкладок конденсатора. В преобразователе фотоэлектрического типа на основе щелевой оптопары возникают трудности с фиксацией ноля, так как ток светодиода и выходной ток фототранзистора сильно зависит от температуры и питающего напряжения.

4. Другой метод стабилизации расходов

Тем не менее, на наш взгляд, существует еще одно решение, имеющее значительно меньшую стоимость, более простую конструкцию, технологически существенно менее требовательное к точности изготовления, и вполне допускающие ремонт, замену и калибровку на этапе его использования. Данное решение предполагает отказ от измерения непосредственно давления, а взамен предлагается производить измерение скорости потока на выходе специального небольшого измерительного патрубка (сопла), уставленного в стенке камеры статического давления.

Учитывая малое сечение сопла, расход воздуха через него по отношению к общему расходу системы будет крайне малым, меньше погрешности наладки системы, и поэтому не имеет принципиального значения.

Для измерения расхода проще всего использовать турбинный способ измерения, то есть небольшое лопастное колесо осевого или центробежного типа. Конструкция колеса должна быть простой по изготовлению и легкой, а трение в узле вращения должно быть сведено к минимуму. Отметим, что измерять большие скорости в данном случае не требуется (так как давления в КСД невелико), поэтому требований высокой прочности к конструкции колеса не предъявляется.

Если подводить поток к колесу через сужающийся конфузор, то потери в нем будут незначительны, и тогда статическое давление воздуха в КСД почти полностью преобразуется в динамическое давление потока на выходе из сопла. При этом скорость потока, а значит, и скорость вращения крыльчатки должны быть пропорциональны корню квадратному из статического давления в КСД. В общем случае, с учетом неизбежных потерь в элементах преобразователя должно действовать следующее соотношение:

где С - коэффициент местного сопротивления устройства;

р - плотность воздуха, кг/м³;

v- скорость воздуха на выходе сопла, м/с.

При выборе конструкции узла преобразователя следует учитывать, что предпочтительным вариантом является горизонтальное расположение рабочего колеса, так как это позволяет уменьшить влияние эксцентриситета посадки колеса на ось. Наиболее ответственным моментом является начало вращения, так как в этот момент требуется преодолеть силу трения покоя. При вертикальном расположении смещение центра тяжести колеса приводит к необходимости прилагать дополнительное усилие, чтобы поднять центр тяжести, и это часто не позволяет потоку при малой скорости раскрутить колесо.

В зависимости от конструкции колеса, измерительный патрубок может устанавливаться на боковой или нижней поверхности КСД, что обеспечивает хороший доступ к нему для обслуживания, замены и ремонта.

Конструкция образца преобразователя, исследованного авторами, приведена на рисунке 2.

Основой конструкции является диффузор с соплом и крепежным фланцем. На сопло накручивается накидная гайка (заглушка), у которой удалены боковые стороны торцевой плоскости и оставлена лишь узкая планка посредине. В этой планке установлена игла (ось вращения крыльчатки) и инфракрасный светодиод (источник излучения оптопары). Вместо накидной гайки может использоваться и фланцевая система крепления планки, как показано на рисунке 3. Она рекомендуется для вытяжных систем. В этом случае фланец сопла можно использовать и для крепления устройства (к верхней поверхности КСД).

Рисунок 3. Фланцевое крепление планки

Можно увеличить количество лопастей до трех или четырех, но желательно оставить только внешние резы. При этом верхняя часть с накрененным углублением для посадки на иглу остается плоской, а отгибаются только держатели с лопастями.

Кроме осевого типа крыльчатки можно использовать и центробежный тип, однако, скорее всего он кажется более сложным в изготовлении и более тяжелым. Элементы центробежного колеса трудно изготовить из одного куска листового материала, поэтому потребуется как-то крепить лопасти по отдельности к общей втулке, что усложнит изготовление и повысит вероятность разбалансировки крыльчатки из-за смещения центра тяжести. Следует также хорошо продумать расположение и крепление светодиода и фототранзистора.

Схему обработки сигнала можно организовать различным образом. Учитывая, что скорость вращения крыльчатки, скорее всего, будет небольшой, желательно перед схемой измерения поставить удвоитель количества импульсов, который формировал бы импульсы по фронту и срезу сигнала. Преобразование измеряемого количества импульсов в напряжение не должно вызвать серьезных проблем, так как не требуется высокая точность преобразования.

Далее для линеаризации сигнала необходимо возвести в квадрат значение полученного напряжения. Это можно сделать при помощи полевого транзистора, для которого затворно-стоковая характеристика имеет вид параболы, смещенной по оси X(напряжение на затворе). Масштабирования коэффициента преобразования легко выполнить, изменяя сопротивление в цепи стока.

Полученное линеаризованное значение выходного напряжения подается на операционный усилитель, который сравнивает его с уставкой (производит вычитание и умножение разности). В зависимости от знака разности двух этих сигналов он выдает сигнал на вращение двигателя регулирующего клапана, тем самым замыкая цепь обратной отрицательной связи.

При желании, можно использовать и цифровой вариант схемы. В этом случае микроконтроллер производит измерение периода сигнала, вычисляет частоту вращения крыльчатки, возводит ее в квадрат, сравнивает со значением настройки, хранящимся в памяти, и формирует выходной сигнал на привод клапана. При необходимости, может осуществляться дистанционная передача данных по типовым линиям связи, индикация значения скорости вращения крыльчатки или давления, сигнализация остановки вращения крыльчатки (потери сигнала) и другие функции.

Заключение

Рассмотренные выше варианты стабилизации расходов воздуха в ответвлениях через измерения давления показывают, что для их изготовления в «домашних» условиях возникают те или иные трудности в изготовлении или по ходу реализации. Эти недостатки отсутствуют в ином методе стабилизации расходов через измерение скорости воздуха, описанного выше.

Библиографические ссылки на источники

1. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 1,- 5-е изд. перераб. и доп,- СПб.: Политехника, 2015.- 409 с.

2. Теплотехнические измерения и приборы : учеб, для студентов вузов, обучающихся по направлению подгот. "Теплоэнергетика" / Г. М. Иванова, Н. Д. Кузнецов, В. С. Чистяков. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : Изд-во МЭИ, 2005 (Красноармейск (Моск.обл.): Типография-Н). - 458 с.

3. Виглеб Г. Датчики: Пер с нем. - М.: Мир, 1989. - 106 с.

4. Нагорный В. С., Нагорный И. В. Преобразователи малых давлений в электрический сигнал с электрогидродинамической компенсацией по давлению: монография - СПб.: Из-во Политехничекского ун-та, 2011.- 223 с.

Размещено на Allbest.ru