МЕТОДИКА ТЕРМОМЕТРИРОВАНИЯ РАБОЧЕЙ ПОЛОСТИ РОТОРНОГО КОМПРЕССОРА ВНУТРЕННЕГО СЖАТИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
МЕТОДИКА ТЕРМОМЕТРИРОВАНИЯ РАБОЧЕЙ ПОЛОСТИ РОТОРНОГО КОМПРЕССОРА ВНУТРЕННЕГО СЖАТИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
Научная статья
Сайфетдинов А.Г.¹, Хамидуллина Э.М.², Хисамеев И.Г.³
1, 2, 3 Казанский национальный исследовательский технологический университет, Казань, Россия
Аннотация
В работе представлена методика замера температур газа и стенок цилиндра роторного компрессора во время его работы. Целью работы является экспериментальное изучение процессов теплообмена в рабочей полости роторного компрессора с внутренним сжатием.
Ключевые слова: Роторный компрессор, температура газа и стенок, термопара, индицирование
Keys words: Rotary compressor, temperature of gas and walls, thermocouple, indexing
Роторные компрессоры широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. Это связано с тем, что они обладают такими положительными качествами, как быстроходность, уравновешенность, надежность и хорошие массогабаритные показатели.
При математическом моделировании рабочего процесса в роторной машине (компрессоре, вакуум-насосе) учет теплообмена между газом её рабочей полости и стенками представляется затруднительным. Особенностью конструкции роторных компрессоров является то, что объем рабочей полости на протяжении всего рабочего процесса «ометается» роторами, и установка датчиков для измерения температуры рабочей полости является затруднительной [1]. В связи с этим возникают сложности определения параметров теплообмена в зависимости от режимных параметров работы машины.
В этой статье предлагается методика измерения температур в рабочей полости воздушного роторного компрессора внутреннего сжатия [2].
Для замера температуры внутренней поверхности стенок от патрубка всасывания до патрубка нагнетания установлены термопарные датчики 1 и 2 (рис.1). Диаметр проволоки хромель-копелевых термопар (ХКТ) этих датчиков составляет 0,02 мм. Температура газа замеряется таким же термопарным датчиком 3, который расположен на вращающемся роторе компрессора. Постоянная времени ХКТ составляет 8…10 мкс.
Рис.1. Расположение датчиков на корпусе и роторе компрессора
Температура наружной поверхности стенки замеряется при помощи ХКТ, приваренных непосредственно к её поверхности. Диаметр проволоки этих ХКТ 0,5 мм.
Для замера давления в полости машины на этом же роторе установлен чувствительный элемент давления (ЧЭД). Сигнал с вращающейся ХКТ и ЧЭД снимается через ртутно-амальгамированный токосъемник ТРАК-8. Спай ХКТ датчика замера температуры газа, установленного на вращающемся роторе, выступает над поверхностью ротора на 3,5 мм. Чтобы избежать повреждение спая во время работы компрессора, на внешних поверхностях ответного ротора выполнена расточка 4 глубиной 4 мм и шириной 1,5 мм.
Угловой отметчик поворота ротора реализован в виде оптопары (лампа накаливания – фотодиод) с оптическим прерывателем. Последний представляет собой диск с прорезью – на один оборот приходятся один электрический импульс.
Описанная схема установки датчиков позволяет контролировать все стадии рабочего процесса.
Фиксация и обработка сигнала с термопарных датчиков, чувствительного элемента давления и углового отметчика производится с помощью специализированного измерительного комплекса, созданного на базе персонального компьютера. Комплекс предназначен для исследования быстропротекающих процессов. Он включает в себя сам измерительный прибор и плату ввода-вывода L-780, с помощью которой прибор подключается к персональному компьютеру (рис.2).
Рис.2. Схема измерительного комплекса
Плата L-780 является быстродействующим и надежным устройством для ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в персональных компьютерах. Плату L-780 можно рассматривать как удобное средство для многоканального сбора информации, и как законченную систему с собственным процессором, позволяющим реализовывать свои собственные алгоритмы обработки сигналов на уровне программирования, установленного на плате, сигнального процессора американской фирмы Analog Devices.
На плате имеется один аналого-цифровой преобразователь (АЦП), на вход которого при помощи коммутатора может быть подан один из 16 или 32 аналоговых каналов с внешнего разъема платы. Техническая характеристика АЦП приведена в табл.1.
Таблица 1. Параметры АЦП
|
Количество каналов |
16 дифференциальных 32 с общей землей |
| Разрядность |
14 бит |
| Время преобразования |
2,5 мкС |
| Входное сопротивление |
Не менее 1 МОм |
| Диапазон входного сигнала |
5.12 В,2.56 В,0.3125,0.078 В |
| Максимальная частота преобразования |
400 кГц |
Концы термопарных датчиков, ЧЭД и углового отметчика подключаются непосредственно к измерительному прибору. Электрическая принципиальная схема измерительного прибора представлена на рис.3. В состав схемы входят следующие функциональные узлы:
1) XS1 – цепь фильтрации и преобразования напряжений питания;
2) XS2.1-XS2.14 – температурные измерительные каналы;
3) XS2.15 – канал подключения углового отметчика;
4) XS2.16 – канал подключения датчика давления.
Питание измерительного прибора осуществляется напряжением постоянного тока Uп = ±12 В. Для формирования Uп используется внешний источник питания, состоящий из двух блоков марки БПС 12-1.
Для формирования напряжения +5 В на печатной плате измерительного прибора выполнена схема XS1, выполняющая также фильтрацию высокочастотных импульсных помех по цепи питания (конденсаторы С1 и С2). Резистивный делитель R1, R2 преобразует напряжение 12 В в 5 В.
Для установки точного значения величины +5 В используется подстроечный резистор R2. Напряжение на выходе делителя определяется следующим образом:
Электрическая принципиальная схема строится на основе интегральной схемы DD1 марки AD 595. Эта микросхема предназначена для подключения термопар К-типа (хромель-алюмель), но в данном случае она перекалибрована для работы с термопарами типа L (хромель-копель). Микросхема AD 595 имеет следующие основные функции и характеристики:
1) встроенная схема компенсации температуры холодного спая термопары;
2) встроенная схема сигнализации обрыва термопары;
3) амплитуда выходного сигнала соответствует 10 мВ/°С;
4) диапазон напряжений питания: от +5 В до ±15 В;
5) потребляемая мощность < 1 мВт;
6) дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением.
Необходимый диапазон измеряемых температур обеспечивается выбором величины напряжения питания. Так, напряжение питания 0…5 В обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 0 до 300 °С.
Цепь R6, VD1 на рис. 3 обеспечивает сигнализацию обрыва термопары. Резисторы R3-R5 необходимы для перекалибровки микросхемы для работы с термопарой L-типа (ХКТ).
Выходной сигнал термопары (Uвх+, Uвх- ) подается на входы 1, 14 (+IN, -IN) микросхемы DD1. Усиленное напряжение, представляющее собой сигнал стеночной температуры компрессора, с выхода 9 (VO) DD1 подается на выход прибора . Фильтр верхних частот (ФВЧ) первого порядка, реализованный на основе дифференциальной цепи R8, C3, пропускает только переменную составляющую сигнала. Граничная частота этого ФВЧ определяется следующим образом:
(2)
Номиналы элементов выбраны следующие: R8 = 1 МОм, C3 = 1 нФ, что обеспечивает F0 = 1 Гц. Таким образом, ФВЧ R8, C3 обеспечивает фильтрацию практически только постоянной составляющей сигнала. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) RC-цепи показана на рис. 4.
Рис. 4. АЧХ дифференцирующей RC-цепи I-порядка
Полученный сигнал усиливается каскадом DD3, который имеет коэффициент усиления Ku = 10. Величина Ku определяется выражением:
(3)
Вторая цепь R11, C4 служит для исключения постоянной составляющей, вносимой усилительным каскадом DD3. Номиналы элементов R11, C4 эквивалентны номиналам R8, C3.
На операционном усилителе DD2 собрана схема повторителя напряжения (Ku=1), необходимая для согласования по сопротивлению выхода DD1 со входом DD3.
Для сбора и обработки сигналов используется программное обеспечение Temperature Lab, разработанное в среде программирования LabVIEW 8.5. Пользовательский интерфейс ПО представлен на рис. 5. В левой части окна расположены функциональные клавиши, с помощью которых осуществляется управление измерительной системой. Над ними находится окно, отображающее текущую скорость вращения вала компрессора. Справа от функциональных клавиш расположено окно со следующими вкладками:
1) «Исходные сигналы»;
2) «Температура»;
3) «Давление»;
4) «Температурный тренд»;
5) «Табличные значения».
Рис. 5. Пользовательский интерфейс ПО Temperature Lab
На первых четырех вкладках расположены окна, служащие для отображения результатов измерений в графическом виде. На последней вкладке результаты измерений отображаются в табличном виде.
К параметрам измерений данной программы относятся (рис.6):
1) объем выборки;
2) частота дискретизации;
3) количество измерительных каналов;
4) периодичность измерений;
5) периодичность записи данных в тренд;
6) максимальная длина тренда (количество точек);
7) номера измерительных каналов платы ввода/вывода, используемых для подключения углового отметчика, датчика давления и газового датчика.
Могут быть установлены следующие значения объема выборки (количества отсчетов): 512, 1024, 2048, 3072 или 4096.
В отличие от объема выборки, значение частоты дискретизации может быть установлено любым в пределах до 400 кГц (максимальная частота дискретизации платы L-780).
Рис. 6. Меню задания параметров измерений
Для данного эксперимента достаточно установить частоту опроса датчиков 
, т.к. это, например, при частоте вращения роторов 
будет составлять 414 измерений за один оборот ротора.
Измерительные каналы платы ввода-вывода L-780 могут работать в дифференциальном режиме (16 каналов) либо в режиме с общей землей (32 канала). ПО Temperature Lab устанавливает для платы L-780 дифференциальный режим, т.е. максимальное количество каналов будет равно 16.
Полученные при помощи разработанной методики экспериментальные значения температур газа и стенок позволят рассчитать параметры теплообмена в рабочей полости роторного компрессора внутреннего сжатия.
Список литературы / References
1. Шарапов И.И. Разработка методики измерения и расчета параметров процесса теплообмена в шестеренчатом компрессоре с целью повышения точности расчета рабочего процесса: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.04.06: защищена 29.05.09: утв. 18.09.09 / Шарапов Ирек Ильясович. - Казанский химико-технологический ин-т им. С.М. Кирова. – 146 с.
2. Хамидуллин М.С. Разработка и исследование роторного компрессора внутреннего сжатия на основе геометрического анализа и моделирования процессов в рабочих камерах: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.04.06: защищена 17.12.92: утв. 17.12.92 / Хамидуллин Мансур Саубанович. - Казанский химико-технологический ин-т им. С.М. Кирова. – 193 с.