Разработка блока контроля и регулирования температуры измерителя концентрации газов

Автор: А. В. Вовна, М. М. Левшов.
Источник: Научные, аналитические и экологические приборы и системы – 2014 / Материалы конференции «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых» 280 с.

Аннотация

В данной статье рассматривается проблема обеспечения постоянной температуры твер-доэдектолитической ячейки измерительного датчика концетрации кислорода в дымовых газах котлов. Проведена оценка величины температурной погрешности, сравнительный анализ средств измерения температуры, построена математическая модель канала измерения температуры. Проведен сравнительный анализ законов регулирования, выбран и описан наиболее соответствующий поставленной задаче. Выполнен расчет электрических и массогабаритных параметров исполнительного нагревательного элемента. Представлена и описана структурная схема терморегулирующей системы.

Общая постановка проблемы

Для обеспечения работы и повышения точности измерителя концентрации кислорода, основанного на твердоэлектрлитической ячейке необходимо обеспечить ее температуру на уровне 750 °С, с точностью установки температуры не хуже ۬ °C. Поэтому обоснование и разработка блока контроля и регулирования теспературы для данного вида измерителей является актуальной.

Для облегчения понимания общих закономерностей колебательных процессов целесообразно начинать их изучение с простых и наглядных систем, например, замкнутая цепь,

Целью работы является повышение точности измерителя концентрации кислорода в дымовых газах котлов, за счет обеспечения контроля и учета температуры твердоэлектролитической ячейки

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

– оценить дополнительную погрешность контроля концентрации газа от изменения температуры;

– разработка требований к установке температуры регулятором;

– анализ законов регулирования температуры для твердоэлектролитической ячейки;

– обоснование и расчет исполнительного нагревательного элемента;

– разработать структурную схему блока контроля и регулирования температуры,

Результаты разработки и исследований

На основании экспериментальных данных определения э. д. с. сдвига [1] [2], которые проведены при равенстве концентраций кислорода на электродах. Температура управлялась с помощью программного регулятора. Измерения проведены в двух разных режимах:

– плавное изменение температуры в диапазоне от 749 до 775 ^оC (Δ T = 26^оC)при этом диапазон изменения э. д. с. сдвига составлял от 1,7 до 2,05 мВ (см. рис. 1, а);

– периодическое изменение температура в диапазоне от 749,6 до 750,3^оC (Δ T = 0,7 ^оC)с интервалом 10 с., диапазон изменения э. д. с. сдвига в данном эксперименте составлял от 1,85 до 2,15 мВ (см. рис. 1, б).

Из анализа полученных результатов (см. рис. 1) следует, что зависимость э. д. с. от температуры более чем на порядок ниже, чем от ее gроизводной по времени. Процессы теплопроводности, происходящие в корпусе измерительного преобразователя, имеют разные скорости распространения тепла в ячейке. Поэтому температура распределена по объему неравномерно: на торцевых поверхностях, где расположенные электроды, она имеет разное значение. В результате разницы температур в твердом электролите возникает термо-э. д. с., которая при равенстве концентраций кислорода на электродах приводит к появлени юэлектрического напряжения на ячейке. В случае неравных концентраций кислорода темро-э.д.с. вносит дополнительную разницу потенциалов, и определения концентрации с помощью уравнения Нернста, при концентрации кислорода 10 ^об.% термо-э. д. с. величиной 1 мВ приводит к погрешности не более 0,3 ^об.%.

В связи с этим для уменьшения переменной составляющей э.д.с. сдвига, что в свою очередь уменьшает погрешность измерения концентрации кислорода, необходимо использовать плавный регулятор температуры чувствительного элемента. Вследствие этого температурная неравномерность по объему термоэлектролитической ячейки сводится к минимуму.

Требования к установке температуры плавным регулятором [1] [3]:

1. номинальное значение температуры твердоэлектролитической ячейки,^oС 750;

2. диапазон изменения установки температуры,^oC от 748 до 752;

3. значение абсолютной погрешности установки температуры,^oC ±0,3;

4. постоянная времени терморегулятора, c не более 10

Регулировка температуры ТЭЯ осуществляется с помощью нагревателя внутри измерительного преобразователя. Напряжение, подаваемое на нагреватель, регулируется в измерительном блоке.

В качестве средства измерения температуры твердоэлекторлитической ячейки решено использовать платиновый терморезистор, включенный в одно из плеч измерительного моста

Для решения задачи измерения температуры рекомендуется проводить балансировку измерительного моста при Т = 0 ^oС. Ток, протекающий через плечо измерительного моста рекомендуюется выбирать порядка (5…10) мА. Напряжение питания моста принято равным 1.5 В. Напряжение на выходе измерительного моста описывается выражением [3]:

Для приведения выгодного напряжения измерительного моста к унифицированному виду (0…5)В для удобства его дальнейшей обработки к его выходу подключен нормирующий преобразователь (рис 2).

Выходной сигнал нормирующего преобразователя, несущий в себе информацию о изменении температуры поступает на астатический двухпозиционных регулятор, с зоной неоднозначности представленной выражением [4]:

Установившийся режим работы блока контроля и регулирования температуры, соответствующий рис.3, принято называть квазистационарным или режимом автоколебаний. Отличительной особенностью этого режима является наличие устойчивых гармонических колебаний температур каждого из элементов блока вокруг соответствующего им стационарного уровня. Данный режим позволит осуществить плавное регулирование температуры твердоэлектролитической ячейки [4]:

В точке 1, соответствующей температуре термостатирования нагревание объекта не прекращается, а продолжается за счет нечувствительности регулятора дальше, до точки 2. Зона нечувствительности 2&epsilon складывается в основном, из величины, обусловленной тепловой инерцией датчика и величины, обусловленной временем срабатывания реле. В точке 2 произойдет отключение нагревательного элемента. Однако температура будет возрастать до точки 3 вследствие тепловой инерции объекта, а затем начнет падать по кривой 3-6. В точке 5 произойдет включение нагревателя [4]:

Для составления математической модели работы регулятора в режиме автоколебаний необходимо провести ряд экспериментов для получения точных значений теплопроводностей между анализируемой газовой смесью и элементами измерителя.

В качестве исполнительного нагревательного элемента выбран вольфрамовый спиральный нагревательный элемент, были рассчитаны его основные параметры:

Полезное и общее количество теплоты кДж, необходимой для повышения температуры нагреваемого материала до заданной величины

Мощность, кВт, нагревательного прибора определяют по формуле (6):

Определение силы тока, А, нагревательного элемента для однофазной сети осуществляется по формуле (7):

Допустимая поверхностная удельная мощность, т.е. мощность, выделяемая с единицы внешней поверхности нагревателя (8):

Диаметр, м, нагревателя круглого сечения (9):

Удельное сопротивление нагревательного элемента при различной температуре нагрева (10):

Длина, м, нагревательного элемента определяется по формуле [5] (11):

Исходя из вышесказанного, предложена следующая структурная схема системы терморегулирования:

Информация об изменении температуры объекта терморегулирования ОТ через терморезистор включенный в измерительный мост ИМ поступает на нормирующий преобразователь НП. Нормирующий преобразователь НП усиливает сигнал моста, до уровня необходимого для регулятора температуры РТ. В зависимости от полученного сигнала регулятор температуры РТ изменяет подачу мощности от источника питания ИП на исполняющее устройство (нагреватель) ИУ.

Выводы

При разработке системы терморегулирования измерителя концентрации кислорода в дымовых газах котлов были получены следующие результаты:

1. Разработаны требования к установке температуры плавным регулятором:

– диапазон изменения установки температуры,^oС от 749 до 751;

– значение абсолютной погрешности установки температуры, ^oС ±0,3;

– постоянная времени терморегулятора, ^oс не более 10.

2. Произведен расчет канала измерения температуры, который обеспечивает получе-ние информации о изменении температуры твердоэлектролитической ячейки;

3. В качестве регулятора температуры был выбран астатический двухпозиционный ре-гулятор, который обеспечит необходимую плавность изменения температуры;

4.Представлена структурная схема, состоящая из канала измерения температуры твёр-доэлектролитической ячейки, регулятора температуры, подающего мощность от источника питания на исполнительный нагревательный элемент. Данная структурная схема позволит обеспечить температуру ячейки на уровне 750 °С, с точностью установки температуры не хуже ±2°C.

Перечень ссылок

1. Гофман М.А. Повышение точности измерения концентрации кислорода в цифровых твердоэлектролитных газоанализаторах / М.А. Гофман, М.В. Колечкин, О.И. Потатуркин, П.А. Чубаков // Автометрия. Российская академия наук. Сибирское отделение. – 2000. – № 6. – 82–87 с.

2. Вовна А.В., Левшов М.М. Разработка математической модели измерительного прибора концентрации кислорода в дымовых газах. Автоматизация технологических объектов и процессов. поиск молодых. 2013г. г. Донецк.

3.Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И., Стаднык Б.И., Ярышев Н.А. Справочник: Температурные измерения – К.: Наукова думка, 1984–495 с.

4. Грабой Л.П., Ленская Л.П., Трощенко А.В. “Определение динамической ошибки ре-гулирования двухпозиционного термостата”, Вопросы радиоэлектроники, ТРТО, вып. 1, 1971.

5. Дьяков В.И. Типовые расчеты по электрооборудованию, М., Высш. шк., 1991–158 с.