Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные измерительные системы автоматизации и диспетчеризации 11
1.1. Измерительные системы контроля и управления технологическими процессами 11
1.2. Обзор современных однопроводных протоколов обмена данными 19
1.3. Однопроводной протокол MicroLAN 48
1.4. Микроконтроллер Attiny 15L фирмы «Atmel» 57
1.5. Аналого-цифровой преобразователь 61
1.6. Сопряжение микроконтроллера с протоколом MicroLAN 64
Выводы по главе 1 80
Глава 2. Цифровая однопродная измерительная система контроля 82
2 1. Информационно-измерительная система 82
2.2. Измерение скорости ветра 89
2.3. Измерение направления ветра 94
2.4. Система измерения температуры и тепловых потерь через ограждающие конструкции 96
2.5. Измерение абсолютного атмосферного давления 107
2.6. Измерение относительной влажности воздуха 111
2.7. Система оповещения открытия окон и дверей 115
Выводы по главе 2 119
Глава 3. Оценка дополнительных погрешностей в системе измерения температуры 121
3.1. Дополнительные погрешности измерения 121
3.2. Влияние формы и способа крепления датчика на дополнительную погрешность измерения 126
Выводы по главе 3 136
Глава 4. Испытание автоматизированной системы контроля микроклимата 138
4.1. Оценка потерь тепловой энергии в зданиях 138
4.2. Измерение в реальных условиях эксплуатации помещений 146
Выводы по главе 4 150
Заключение 152
Литература 154
Приложение 162
- Обзор современных однопроводных протоколов обмена данными
- Аналого-цифровой преобразователь
- Система измерения температуры и тепловых потерь через ограждающие конструкции
- Влияние формы и способа крепления датчика на дополнительную погрешность измерения
Введение к работе
Вопросы энергосбережения, экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов приобретают сегодня все большую значимость. Исследования, проводившиеся в последние годы в разных регионах России, показывают, что общие тепловые потери в жилищно-коммунальной сфере могут достигать 40-50%[1], причем большая часть этих потерь возникает, когда выдается тепловая нагрузка, не соответствующая текущему времени года, погоде или времени суток.
Мировая практика эксплуатации технических конструкций и сооружений сейчас претерпевает существенные изменения. Она идет по пути создания технологии управления эксплуатацией сооружений, когда в любой момент времени можно будет знать их состояние и прогнозировать поведение. В конечном итоге такой подход должен привести к созданию систем постоянного мониторинга эксплуатационных параметров (температуры, влажности, атмосферного давления, теплопроводности ограждающих конструкций и т.д). Попытки учета всех факторов влияющих на микроклимат внутри помещений уже предпринимаются. В частности для измерения теплопроводности ограждающих конструкций часто применяются средства тепловизионной диагностики, в совокупности с одной или несколькими системами контроля микроклиматом, установленными внутри здания, что заставляет задуматься о стоимости подобных диагностик. На сегодняшний день не существует единой недорогой системы, позволяющей учесть все параметры, влияющие на микроклимат внутри помещения. Подобные системы можно будет с успехом применять для контроля микроклимата в музеях, инкубаторах, библиотеках, хранилищах различных материалов, жилых и производственных помещениях. Для последних необходимость в создании таких систем, обусловливается еще и проводимой реформой жилищно-коммунального хозяйства, предполагающей оплату потребителем
всех коммунальных расходов. Причем предусматривается снижение оплаты за неполное или некачественное предоставление коммунальных услуг, например если температура в помещении ниже требуемой[2]. Автоматизированные измерительные системы мониторинга микроклимата также необходимы для обеспечения комфортных условий пребывания людей[3], а часто и для протекания многих технологических процессов.
Целью комфортного кондиционирования является не столько стремление сохранить определенный уровень теплосодержания в помещении, сколько подготовка приточного воздуха соответствующего определенным нормативам. Наиболее точно уровень теплосодержания можно определить по температуре и относительной влажности воздуха[4]. По мнению многих исследователей, для создания оптимальных условий требуется увлажнение сухого воздуха в помещениях с центральным отоплением, что особенно актуально в зимний период времени[5].
Поскольку приходится контролировать большое количество распределенных параметров во множестве помещений, то успешная реализация мониторинга микроклимата возможна только путем внедрения автоматизированных измерительных систем с соответствующим программным обеспечением. В настоящее время аналоговый интерфейс информационно-измерительных и управляющих систем постепенно вытесняется коммуникационной технологией, объединяющий датчики, исполнительные механизмы и контроллеры в единую однопроводную цифровую сеть. Эти системы имеют целый ряд достоинств, в числе которых минимальное количество соединительных кабелей, дешевизна, простота монтажа и обслуживания, модульность построения и масштабируемость, быстрая локализация отклонений от нормы. Недостатком данных систем является невозможность отслеживать показания со всех датчиков одновременно, а также то, что при обрыве линии, все датчики находящиеся после места разрыва работать не будут. На сегодняшний день существует ряд цифровых промыш-
ленных сетей, применяемых в системах автоматизации. Технические и стоимостные различия этих систем настолько велики, что выбор решения, оптимально подходящего для нужд конкретного производства, является непростой задачей. А поскольку информационно-измерительная система контроля микроклимата это комплекс не только аппаратных, но и программных средств, то необходимо разработать и новое программное обеспечение, поскольку подобная система, учитывающая влияние всех факторов на микроклиматические условия внутри помещения проектируется впервые. Поэтому тематика диссертации, связанная с разработкой информационно-измерительной системы контроля микроклимата на основе использования технологии однопроводных сетей, является актуальной.
Цель работы: повышение эффективности мониторинга микроклимата жилых и производственных помещений на основе использования современных технологий, путем создания более совершенной и в тоже время дешевой информационно-измерительной системы, ведущей контроль всех параметров влияющих на микроклиматические условия внутри помещения, в едином измерительном комплексе.
В рамках данной работы решается основная задача разработки автоматизированной системы измерения множества параметров, влияющих на микроклиматические условия внутри помещения, имеющая существенное значение для теории и практики приборов и методов контроля окружающей среды. Эта задача распадается на следующие подзадачи:
1. Разработать однопроводную информационно-измерительную систему мониторинга микроклимата, позволяющую контролировать распределенные температуру, влажность, а также другие характеристики, оказывающие влияние на микроклиматические условия, такие как температура окружающей среды, тепловые потери через стену, открытие/закрытие окон и дверей, скорость и направление ветра, атмосферное давление.
Разработать программный комплекс позволяющий отображать на мониторе компьютера текущие значения указанных выше характеристик в режиме реального времени и вести их автоматическую запись в файл.
Апробировать работоспособность системы на уменьшенной лабораторной модели, в которой легко создаются требуемые экспериментальные условия.
Провести испытания разработанной информационно-измерительной системы мониторинга микроклимата в реальных условиях эксплуатации помещений.
Развить методы повышения метрологических показателей средств контроля, примененных в разработанной информационно-измерительной системе, путем выбора рационального способа крепления оптимальной геометрии корпуса датчика и программной коррекции систематических ошибок измерения температуры поверхности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана и создана однопроводная цифровая информационно-
измерительная система для контроля микроклимата в помещениях, новыми
отличительными особенностями которой являются наличие модуля оценки
тепловых потерь через стену здания и реализация совместного использова
ния компонентов сети MicroLAN и микроконтроллеров семейства Atmel.
Разработан расчетно-экспериментальный метод оценки тепловых потерь через стену здания, заключающийся в непрерывном измерении температуры поверхностей с разных сторон стены и расчете теплового потока с учетом истории развития нестационарного процесса теплопроводности.
Установлены закономерности влияния геометрии, размера, расположения датчика температуры и сечения соединительных проводов на его метрологические характеристики при измерении температуры поверхности, через которых проходит тепловой поток. Эти закономерности обобщены в
виде формул, позволяющих количественно оценить дополнительные погрешности измерения в зависимости от способа расположения датчика.
4. Разработано программно-техническое обеспечение процессов обработки информативных сигналов средств контроля, использованных в данной информационно-измерительной системе, новыми отличительными особенностями которого являются:
а), реализация алгоритма, обеспечивающего совместимость микроконтроллеров семейства Atmel с компонентами MicroLAN;
б), реализация алгоритма коррекции систематической погрешности измерения, вызванной деформацией поля температуры датчиком;
в), реализация алгоритма, реализующего расчетно-экспериментальный метод оценки тепловых потерь через стены здания, заключающийся в непрерывном снятии измеряемых температур поверхностей с разных сторон стены и расчете теплового потока с учетом распределения температуры по толщине стены, зависящий от истории развития нестационарного процесса теплопроводности.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработанная информационно-измерительная система позволяет контролировать температуру и влажность в помещении и вести непрерывный мониторинг основных факторов влияющих на температуру и влажность в помещении: температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, тепловые потери через стену, атмосферное давление, открытие/закрытие окон и дверей.
Анализ автоматически зафиксированных данных за длительный промежуток времени дает возможность оценить влияние различных факторов на микроклиматические условия и тепловые потери и выработать мероприятия с целью улучшения микроклиматических условий и правильного регулирования тепловой нагрузки зданий.
Благодаря свойствам модульности построения и масштабируемости, распределенной системы измерения, структура аппаратных средств и программного обеспечения позволяет легко модернизировать и наращивать систему путем добавления, удаления и замены компонентов.
Структура программно-аппаратного комплекса позволяет объединить систему мониторинга микроклимата и систему оповещения (охранной сигнализации) в единую однопроводную сеть, что позволяет сократить общую протяженность коммуникационных линий и задействованного диспетчерского оборудования.
По полученным в диссертации формулам можно оценить величину дополнительной методической погрешности при измерении температуры поверхностей.
Все результаты данной диссертационной работы получены автором лично.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 161 страницу машинописного текста, 1 приложение, 5 таблиц и 50 рисунков. Библиография включает 80 наименований.
На защиту выносится:
Информационно-измерительная система, позволяющая контролировать температуру и влажность в помещении и вести непрерывный мониторинг основных факторов влияющих на температуру и влажность в помещении: температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, тепловые потери через стену, атмосферное давление, открытие/закрытие окон и дверей.
Программное обеспечение для мониторинга микроклимата и анализа влияния на него различных факторов, включая температуру окружающей среды, скорость и направление ветра, состояние окон и дверей, атмосферное давление.
3. Закономерности влияния геометрии и способа крепления датчиков температуры на точность измерения.
Обзор современных однопроводных протоколов обмена данными
О построении любой системы контроля можно говорить бесконечно, но она содержит некоторое ядро, как звено между интерфейсом и исполнителями. Это звено несет в себе память программ, кодов, алгоритма работы, как подсистем, так и общих функций управления. Ядро получает команды от интерфейса, датчиков обратной связи, сенсоров, обрабатывает эти команды по внутренней программе, выдает их на соответствующие исполнители и в систему визуализации интерфейса.
Ядро системы может быть централизованным (физически сосредоточенным в одном, центральном контроллере или компьютере), так и децентрализованным (каждый отдельный компонент содержит свой микроконтроллер и память, все компоненты обмениваются данными по отдельной системной шине.) Что надежнее, рассуждать трудно, но очевидно одно: менее надежна та система, которая выходит из строя при нарушении только одного компонента.
К основным характеристикам всех автоматизированных систем следует отнести, прежде всего информационную пропускную способность сети, топологию организации сети (шина, кольцо, дерево), физическую организацию (витая пара, оптоволокно, радиоканал и т.д), максимальное количество подключаемых устройств в сегменте и в целом по сети, максимальная длина сегмента сети без повторителей, и максимальная длина сети с повторителями.
Все существующие протоколы разделяются на «закрытые» и «открытые». «Закрытые» - работают по уникальным протоколам связи, их делает и поддерживает только один производитель. «Открытые» решают проблему интеграции разных производителей в одну сеть, отвечая специфическим интересам всех. Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого объединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям: а), режим доступа к сети; б), средства контроля передачи и восстановления данных (надежность); в), возможность изменения числа узлов сети (расширяемость). Основные топологии — это «звезда», «кольцо» и «дерево» приведены в таблице 1.
Основными достоинствами промышленных сетей являются недорогие линии и надежность передачи данных. Данные передаются последовательно, как правило, по одному физическому каналу (одному проводнику). Такой режим передачи не только экономит кабельное оборудование, но и позволяет решать задачи по надежной передаче данных на большие расстояния. В табл. 2. представлены сравнительные характеристики стандартных физических интерфейсов.
Интерфейс RS232. Этот широко используемый стандартный интерфейс обеспечивает работу стандартного оборудования передачи данных между модемами, терминалами и компьютерами. Электрически система осно вана на импульсах 12В, кодирующих последовательности "О" и "1". Механически этот стандарт определяет 9- и 25-контактные разъемы. Основные сигналы передаются по линиям "передача/прием" данных. Скорость передачи выбирается из диапазона от 50 до 38400 бит/с. Остальные сигнальные линии передают статусную информацию коммутируемых устройств.
Интерфейс RS-422. Симметричный интерфейс RS-422 использует дифференциальные сигнальные линии. На приемном конце используются две информационные линии и линия заземления. В основе кодирования передаваемых/принимаемых данных лежит принцип изменения напряжения на сигнальных линиях. Реализованный принцип кодирования делает этот стандарт устойчивым к внешним возмущениям. Использование этого стандарта позволяет значительно удлинять физические линии передачи данных и увеличивать скорость. С помощью интерфейса RS-422 можно строить и шинные структуры.
Интерфейс RS-485. Этот тип интерфейса соответствует спецификации симметричной передачи данных, описанной в американском стандарте IEA RS-485. Этот интерфейс пригоден для высокоскоростной передачи данных. Максимальная длина варьируется от 1,2 км на скорости до 90 кб/с и до 200 м - на скорости до 500 кб/с.
На сегодняшний день на рынке представлено множество типов цифровых промышленных сетей, применяемых в системах автоматизации. Технические и стоимостные различия этих систем настолько велики, что выбор решения, оптимально подходящего для нужд конкретного производства, является непростой задачей.
Сначала рассмотрим дорогостоящие системы "высшего" класса. Их отличительные особенности: высокая скорость и точность передачи данных, что особенно важно при контроле большого объекта, возможность использования различных сред передачи данных (витая пара, оптоволокно, инфракрасный луч и т.д.), поддержка подключения практически любых аналоговых и цифровых датчиков, а также выбор любой топологии линии. Также любой узел сети может быть как ведущим, так и ведомым. Т.е. при выходе из строя ведущего компонента, его обязанности на себя возьмет др. компонент. Однако все они обладают существенным недостатком - проектирование и установка таких систем доступны только квалифицированным специалистам имеющим опыт в такой работе. Рассмотрим все эти системы поподробнее.
Аналого-цифровой преобразователь
В состав микроконтроллера ATtinyl5L входит 10-разрядный АЦП последовательного приближения. Структурная схема модуля АЦП приведена нарис.7[42]. АЦП имеет следующие основные параметры: абсолютная погрешность: ±2 %; быстродействие: до 15 тыс. выборок/с.
На входе АЦП располагается 4-канальный аналоговый мультиплексор, предоставляющий в распоряжение пользователя 4 канала с несимметричными входами либо 1 канал с дифференциальным входом с возможностью 20-кратного предварительного усиления. Для несимметричных входов диапазон входных напряжений составляет 0...VCC, а для дифференциального входа -0...2.6 В. В качестве источника опорного напряжения ИОН для АЦП может использоваться внутренний или внешний источник опорного напряжения или напряжение питания микроконтроллера. Управление модулем АЦП и контроль его состояния осуществляется с помощью регистра ADCSR (Analog Digital Converter Status Register - регистр состояния АЦП). Режим работы АЦП определяется состоянием разряда ADFR. Если он установлен в «1», АЦП работает в режиме непрерывного преобразования.
Запуск каждого преобразования в режиме одиночного преобразования, а также запуск первого преобразования в режиме непрерывного преобразования осуществляется установкой в «1» разряда ADSC регистра ADSCR[43]. Собственно цикл преобразования начинается по первому нарастающему фронту тактового сигнала после установки этого разряда. Как правило, длительность цикла составляет 13 тактов; выборка и запоминание входного сигнала осуществляется в течение первых 1.5 тактов. Через 13 тактов преобразование завершается, разряд ADSC аппаратно сбрасывается в «О» (в режиме одиночного преобразования) и результат преобразования сохраняется в регистре данных АЦП. Одновременно устанавливается флаг прерывания ADIF регистра ADCSR и генерируется запрос на прерывание. Как и флаги остальных прерываний, флаг ADIF сбрасывается аппаратно при запуске подпрограммы обработки прерывания от АЦП или программно, записью в него лог. 1. Разрешение прерывания осуществляется установкой в «1» разряда ADIE регистра ADCSR при установленном флаге I регистра SREG.
Результат преобразования сохраняется в регистре данных АЦП. Поскольку АЦП 10-разрядное, этот регистр физически размещен в двух регистрах ввода/вывода, доступных только для чтения: ADCH и ADCL. Обращение к регистрам (для получения результата преобразования) должно выполняться в определенной последовательности: сначала необходимо прочитать регистр ADCL, а затем ADCH. Это требование связано с тем, что после обращения к регистру ADCL процессор блокирует доступ к регистрам данных со стороны АЦП до тех пор, пока не будет прочитан регистр ADCH. Благодаря этому можно быть уверенным, что при чтении регистров в них будут находиться составляющие одного и того же результата. Соответственно, если очередное преобразование завершится до обращения к регистру ADCH, результат преобразования будет потерян. С другой стороны, если для результата преобразования достаточно точности 8 разрядов, то для его получения достаточно прочитать содержимое регистра ADCH.
Известно, что работающий микроконтроллер является источником электромагнитных помех. Чтобы свести к минимуму помехи, наводимые ядром процессора, в микроконтроллере предусмотрен специальный «спящий» режим - ADC Noise Reduction (режим снижения шумов АЦП). В этом режиме из всех периферийных устройств функционируют только АЦП и сторожевой таймер.
Для создания устройства способного работать с шиной І-Wire, можно использовать любой программируемый микроконтроллер. В этом случае временные параметры І-Wire интерфейса и функции выполняемые ведомым устройством будут реализованы не параметрически, а программно. Такое устройство сможет использовать те же команды, что и традиционные микросхемы для 1 -Wire шины. Кроме того, такое устройство сможет выполнять не только функции ведомого (Slave), но и функции ведущего (Master). Это означает, что любое устройство сможет передавать информацию любому другому устройству. В результате система построенная по такому принципу оказывается более гибкой. Связь между компьютером и контроллером двунаправленная и осуществляется по интерфейсу RS-232 в асинхронном режиме. Подключение к компьютеру через СОМ-порт. В контроллере для этого используется модуль UART (универсальный асинхронный приемопередатчик). Все передачи инициируются компьютером, т.е. он является ведущим, а контроллер ведомым. Данные по каналу RS-232 передаются последовательно бит за битом. Информация передается группами битов. Для выделения группы перед ее началом передается стартовый бит, по окончании передачи группы - один или два стоповых бита, которым может предшествовать бит четности. И передающее, и принимающее устройства должны работать на одинаковой скорости, которая может быть выбрана из предусмотренного стандартом ряда. Для обеспечения со стороны контроллера нужной скорости в схеме используется кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 7.3728 МГц т.к. при такой частоте можно выбрать любую скорость из стандартного ряда. Логическая единица передается по каналу RS-232 уровнем напряжения -3...-12 В относительно общего провода, логический ноль - уровнем напряжения +3...+I2 В. Уровни сигналов -3...+3 В попадают в зону нечувствительности и не воспринимаются приемником. На линиях RxD и TxD микроконтроллера уровни сигналов соответствуют уровням TTL-логики, поэтому для подключения микроконтроллера к каналу RS-232 требуется преобразователь уровней. На рис. 8. приведен фрагмент схемы контроллера, обеспечивающий подключение микроконтроллера к СОМ-порту компьютера. Основным элементом в контроллере является микроконтроллер ATmega8 (DD2), а в качестве преобразователя уровней используется микросхема МАХ232 (DD1). Микроконтроллер по имеющимся в его распоряжении линиям портов ввода/вывода взаимодействует с компьютером через преобразователь уровней, с устройствами на шине І-Wire, осуществляя индикацию на жидкокристаллическом дисплее. Управление контроллером осуществляется либо командами, посылаемыми компьютером, либо при помощи кнопок S1...S3.
Нажатие, на какую либо кнопку изменяет состояние соответствующего вывода (РВЗ.. .РВ5). На рис. 9, а) изображено подключение кнопок к выводам микроконтроллера. В нормальном состоянии контакты разомкнуты, а выводы РВЗ...РВ5 подтянуты к высокому уровню (лог. 1) через резисторы R2...R4. нажатие на кнопку заземляет вывод тем самым, изменяя состояние на низкий уровень (лог. 0). При этом соответствующее нажатой кнопке функция или выводимая информация индицируется на жидкокристаллическом дисплее, схема подключения которого к микроконтроллеру показана на рис. 9, б). В качестве дисплея используется модуль МТ-10Т7-7, который представляет собой однострочный жидкокристаллический индикатор, содержащий десять семисегментных разрядов. На практике использование ЖК экрана и управляющих клавиш не было реализовано, однако теоретически эта возможность рассмотрена, для управления процессом мониторинга без участия компьютера.
Система измерения температуры и тепловых потерь через ограждающие конструкции
Измерение температуры в последнее время приобретает все большую актуальность для большинства технологических процессов. Качество температурного контроля часто обуславливает успех процесса производства. Существуют десятки различных устройств применяемых в промышленности, при научных исследованиях, для специальных целей[53]. Согласно требованиям, предъявляемым к датчикам для измерения температуры[3] в помещениях, человек может почувствовать изменение температуры только при изменении ее минимум на 2С, однако при предоставлении неполных или некачественных коммунальных услуг предусматривается снижение оплаты, например при падении температуры на 1 градус оплата снижается на 20 %. Следовательно погрешность измерения температурных датчиков должна составлять не более 1 С. Фирма Maxim-Dallas выпускает подобные датчики температуры - DS1820. DS1820 - цифровой термометр, обеспечивающий 9-ти битное считывание показаний температуры.
Принцип действия цифровых датчиков температуры фирмы DALLAS основан на подсчете количества импульсов, вырабатываемых генератором с низким температурным коэффициентом во временном интервале, который формируется генератором с большим температурным коэффициентом. Счетчик инициализируется значением, соответствующим -55С (минимальной измеряемой температуре). Если счетчик достигает нуля перед тем, как заканчивается временной интервал (это означает, что температура больше -55С), то регистр температуры, который также инициализирован значением -55С, инкрементируется. Одновременно счетчик предустанавливается новым значением, которое задается схемой формирования наклона характеристики. Эта схема нужна для компенсации параболической зависимости частот генераторов от температуры. Счетчик снова начинает работать, и если он опять достигает нуля, когда интервал еще не закончен, процесс повторяется снова. Схема формирования наклона загружает счетчик значениями, которые соответствуют количеству импульсов генератора на один градус Цельсия для каждого конкретного значения температуры, По окончанию процесса преобразования регистр температуры будет содержать значение температуры. Все датчики температуры имеют в своем составе три основных компонента: 1) 64-битовое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 2) собственно датчик температуры и 3) энергонезависимые триггеры нижнего и верхнего порогов температур TL и ТН. В ПЗУ каждого датчика содержится информация, идентифицирующая этот датчик и позволяющая мастеру шины вычленить из множества подключенных к шине устройств нужное и вести с ним диалог. При этом остальные устройства этот диалог "слушают", но в нем не участвуют. Общение датчиков с мастером шины осуществляется посредством системы команд. Эти команды разделены на две группы (или функции). В первую группу входят команды, работающие с ПЗУ датчика и исследующие его содержимое. Эти команды позволяют мастеру исследовать шину и определить, сколько и какие именно устройства подключены к шине; найти нужное устройство и вести с ним диалог; реализовать функцию определения аварийных датчиков, т.е. датчиков, чья температура перешла заданный пользователем порог. Вторую группу команд составляют команды управления и памяти. Например, одна из команд управления инструктирует датчик на выполнение преобразования температуры в цифровой код. Результат помещается в сверхоперативную память и может быть в любое время прочитан путем выдачи команды чтения сверхоперативной памяти.
В литературе по контролю и мониторингу помещений часто встречается понятие эффективной температуры. Эффективная температура определяется как показатель, который представляет в виде одного значения эффект действия температуры, влажности и движения воздуха на ощущение человеком холода или тепла. Численным значением показателя для произвольного сочетания этих трех параметров является температура насыщенного воздуха в неподвижном состоянии, которое вызывает идентичное ощущение тепла. Понятие эффективной температуры неоднократно пересматривалось. Раньше при ее определении часто принимались во внимание только два (температура, относительная влажность), или три (температура, относительная влажность, скорость движения воздуха) параметра, без учета температуры окружающих поверхностей.
Созданная нами система измерения температуры и тепловых потерь через ограждающие конструкции состоит из 4 последовательно соединенных интеллектуальных датчиков DS1820. Один из этих датчиков находится на улице для контроля температуры окружающей среды. Второй закреплен в стене с наружной стороны, а напротив него с внутренней стороны закреплен третий датчик для контроля тепловых потерь через стену. Четвертый датчик располагается внутри помещения для измерения внутренней температуры комнаты (рис. 18.). Датчик для измерения температуры наружного воздуха еще необходим и для вычисления коэффициента теплопередачи ограждающих конструкций. Измерение тепловых потоков через стены зданий необходимо для оценки доли потерь тепловой энергии через стены с целью выработки мероприятий по снижению тепловых потерь. Эти измерения также по 100 зволяют оценить степень теплофизической неоднородности ограждающей конструкции, что является важной характеристикой.
Согласно ГОСТ 25380-82, толщина дополнительной стенки (6) должна быть по крайней мере в 10 раз меньше толщины самой ограждающей конструкции, поэтому разность температур (Ti2) с разных сторон дополнительной стенки при характерных значениях тепловых потерь через стены зданий мала. Поэтому «поймать» эту разность температур возможно лишь при условии измерения температуры с очень высокой точностью, а это на практике представляет собой достаточно трудную задачу. Компенсировать этот недостаток путем увеличения разности температур (ТГТ2) за счет использования в качестве дополнительной стенки материала с очень низким коэффициентом теплопроводности X также представляется затруднительным, так как в этом случае дополнительная стенка начинает работать в качестве теплоизоляции и сильно снижает тепловой поток, деформируя тем самым поле температуры и внося недопустимые искажения в измеряемый процесс.
Влияние формы и способа крепления датчика на дополнительную погрешность измерения
Виртуальная модель созданная в PHOENICS, представляет собой расчетную область экспериментальной геометрической модели, изображенной на рис. 32[68]. На модели теплопередающая поверхность (1) с однородной плотностью теплового потока расположена между двумя пластинами (2), покрытыми с внутренней стороны алюминиевой фольгой, обладающей приблизительно 95% отражающей способностью. Поскольку тепловой поток от теп-лопередающей поверхности в обе стороны одинаков, достаточно моделирования только одной половины области. Пластина с алюминиевой фольгой в экспериментальной установке и отвечающая ей адиабатическая поверхность в математической модели введены с целью более точного соответствия условий проведения экспериментальных и теоретических исследований, так как описание инфракрасного излучения могло столкнуться с трудностями, связанными с влиянием степени черноты тел.
Расчетная область покрывается неравномерной расчетной сеткой, густота расчетной сетки выбирается из предполагаемого распределения искомых функций. Так, чем ближе к поверхности, тем гуще становиться расчетная сетка, поскольку набольшее изменения вычисляемых параметров происходит в непосредственной близости от теплопередающей поверхности. Также сетка является неравномерной и по высоте: сетка сгущается в начале и в конце расчетной области
На рис. 33 показана геометрия виртуальной модели. Под воздействием теплового потока от теплопередающей поверхности происходит нагрев воздуха в исследуемой области, в результате которого появляется разность плотностей воздушных слоев. Вследствие свободно-конвективного течения теплые воздушные слои занимают более высокое положение, чем холодные.
Постановка граничных условий следующая. На теплопередающей поверхности задан фиксированный однородный тепловой поток. На адиабатической поверхности задан нулевой тепловой поток (по направлению нормали к ней). На твердых поверхностях (теплопередающая и адиабатическая поверхности) задано условие прилипания, т.е. скорость равна нулю. На верхней границе задано избыточное давление равное нулю, а на нижней границе - из быточное давление, определяемое высотой гидростатического столба: Р pgh.
С помощью программного комплекса PHOENICS были рассчитаны поля скорости, давления и температуры для всех четырех форм датчика DS18S20. В качестве примера на рис. 34. и рис. 35. приведено распределение полей температуры и скорости при удельном тепловом потоке, равном 200 Вт/м2, датчик располагался на высоте 40 мм от нижнего края тепловой панели. Из рисунка видно, что по мере приближения к теплопередающей поверхности поле скорости в пограничном слое сначала возрастает до максимального значения, а затем быстро убывает до нуля на стенке. Здесь черный цвет соответствует максимальной скорости 0,41 м/с. Поле температуры ведет себя несколько иначе. По мере приближения к стенке температура возрастает и достигает максимума на поверхности. Здесь белый цвет - минимальная температура (25С) на удалении от поверхности, черный - максимальная (80,9 С). Из рисунков видно, что наименьшую деформацию обеспечивает форма датчика со сточенными подложкой и верхней частью (форма г, табл. 5), а наибольшую - с исходной формой корпуса.
Согласование расчетных и экспериментальных исследований позволило сделать следующие выводы:
1. Деформация полей скорости и температуры датчиком существенным образом влияет на возникновение дополнительной погрешности. Это особенно актуально для случаев, когда температура резко меняется по мере удаления от теплоотдающей поверхности, как, например, при свободной конвекции от вертикальной пластины.
2. Так как корпус датчика DS18S20 изготовлен из пластика, плохо проводящего тепло, а контакты металлические, то температура чувствительного элемента, близка к температуре контактов датчика. Это обстоятельство надо учитывать при выборе способа крепления, т.е. контакты датчика нужно закреплять плотно прижатыми к месту измерения температуры.
3. Большое количество тепловой энергии может уходить по соединительным проводам, поэтому либо провода должны быть достаточно тонкими, либо необходимо воспользоваться перемычкой из более тонкого провода, разместив ее между контактом датчика и соединительным проводом (мы использовали перемычку из тонкого медного провода диаметром 50 мкм).
