Диссертация (1143641), страница 41
Текст из файла (страница 41)
На мембране расположены тензорезисторы (19), которые преобразуют механическуюдеформацию упругой мембраны под действием разности давлений в выходной электрическийсигнал. В принципе возможны и другие методы съема информации о перемещении мембраны,например оптические или емкостные.Устройство работает следующим образом: по управляющей команде блока управления (Г)включается микронасос (5) и начинается циркуляция рабочей жидкости по контуру (4). Приэтом между входами (8) и (9) микрофлюидного мостика Уинстона создается разность давленийΓPвх, которая измеряется датчиком дифференциального давления высокого диапазона (12).Основным свойством микрофлюидного мостика Уинстона является то, что при наличии междувходами (8) и (9) разницы давлений ΓPвх, на выходах (10, 11) создается разница давления ΓPвых,которое в δ раз меньше ΓPвх. Коэффициент δ может принимать значения от 1 до 1000 и более, ноявляется постоянным для изготовленной микрофлюидной структуры и измеряется один раз наэтапе производства.Сгенерированное дифференциальное давление ΓPвых является опорным ΓPоп (ΓPвых = ΓPоп)и передается в коммутирующее устройство (Б) на первую пару входов (10,11).
Также во времяработы на вторую пару входов (1) и (2) данного элемента подается неизвестное измеряемое217дифференциальное давление ΓPизм. В процессе работы коммутирующее устройство по командеблока управления (Г) попеременно передает через себя на пару входов (17, 18) чувствительногоэлемента (В) или неизвестное измеряемое дифференциальное давление ΓPизм, или известноедифференциальное давление ΓPоп от опорного источника дифференциального давления (А).В чувствительном элементе происходит формирование выходного электрического сигналаψ, который однозначно зависит от величины деформации мембраны (12) и, как следствие, отдифференциальногодавления,котороеподаетсянавходчувствительногоэлемента.Электрический сигнал с чувствительного элемента подается в блок управления (Г).
В блокеуправления происходит запоминание значения ψ выходного сигнала от чувствительногоэлемента(В).Посколькуработаблокауправлениясинхронизированасработойкоммутационного устройства, то происходит запоминание значений выходного сигналачувствительного элемента в два момента времени: ψ(τ1), когда на чувствительный элементподается неизвестное измеряемое внешнее дифференциальное давление ΓPизм и ψ(τ2), когда начувствительный элемент подается известное дифференциальное давление ΓPоп от опорногоисточника дифференциального давления. Сравнивая две величины ψ(τ1) и ψ(τ2) можно сделатьоднозначное заключение о том, какая из этих величин больше.На основе этого сравнения формируется управляющий сигнал для опорного источникадифференциального давления, который воздействует на микронасос (5), заставляя егоувеличивать или уменьшать поток жидкости в контуре (4). При этом соответственноувеличивается или уменьшается дифференциальное давление ΓPвх и ΓPвых=ΓPоп.
Действуятаким образом, блок управления добивается того, чтобы выходные сигналы с чувствительногоэлемента для случая подачи на его вход неизвестного измеряемого давления ΓPизм и для случаяподачи на его вход известного дифференциального давления ΓPоп от опорного источника будутравны друг другу.
Это также будет означать равенство опорного ΓPоп и измеряемого ΓPизмдифференциального давления. В этот момент блок управления считывает показания ΓPвх отдатчика дифференциального давления высокого диапазона (12) и, зная δ – коэффициентуменьшения давления в микрофлюидном мостике Уинстона, рассчитывает значение опорногодифференциального давления ΓPоп, равного ΓPвых как отношение ΓPвх/δ.Относительная погрешность получения опорного дифференциального давления равнаотносительной погрешности измерения давления датчиков высокого диапазона (12). Системаобеспечивает перенос относительной погрешности из высокого диапазона в низкий, где дляобычных систем она выше.Предлагаемая конструкция системы для измерения малого дифференциального давленияимеет повышенную точность.
При этом также происходит уменьшение влияния последствийвибрации, механических ударов и температурных колебаний на точность измерения, что218достигается за счет того, что мембранный чувствительный элемент не измеряет, а толькосравнивает две величины дифференциального давления. При этом время между сравнениемнеизвестного дифференциального давления и известного давления от опорного источника мало,так что изменением свойств мембраны и тензорезисторов можно пренебречь. Стабильностьвыходных параметров опорного источника дифференциального давления обеспечиваетсясвойствамипятикомпонентноймикрофлюиднойструктуры,котораяизготовленаизмонокристаллического кремния высокоточными методами микросистемной техники.
Можносказать, что представленная система имеет встроенную автокалибровку благодаря наличиюисточника опорного дифференциального давления. Такой подход является новым для системизмерения давления. Новизну и практическую значимость данной разработки подтверждаетналичие патента на полезную модель РФ № 172 269 от 01.02.2017.Рассмотрим теперь вопрос практического применения таких систем для точногоизмерения малого дифференциального давления.Применение систем измерения малого дифференциального давления на основемикрофлюидного мостика УинстонаОбласть практического использования систем для измерения малых дифференциальныхдавлений имеет свою специфику. В качестве примеров можно привести бытовые ипромышленные системы вентиляции и кондиционирования, где текущий по трубопроводамвоздух создает перепад давления в десятки Паскаль.
В этих же системах датчикидифференциального давления используются для контроля загрязненности фильтров, показываянеобходимость их замены при повышении перепада давления на нем выше некоторогоустановленногозначения.Ввысокотехнологичнойпромышленностивчистыхпроизводственных помещениях датчики дифференциального давления применяются дляконтроля потоков воздуха и уровня разряжения между зонами с различным классом чистоты. Всистеме с трубкой Пито датчики дифференциального давления могут измерять скоростидвижения воздуха.Все вышеперечисленные системы отличаются тем, что стоят в стационарных условиях,доступны для периодической поверки и калибровки.
Мы же, помимо указанных сфер,рассмотрим важную область применения датчиков дифференциального давления, где они досих пор мало применялись, в виду технической сложности реализации измерительной системы.Речь идет о больших ветроэнергетических установках. Рассмотрим существующую проблему втаких технических системах и объясним, почему там нужно использовать системы длядифференциального измерения давления.219Ветроэнергетика сегодня является сегодня одной из самых динамично развивающихсяотраслеймировогохозяйства.Этообусловленобольшойактуальностьюразвитиявозобновляемых источников энергии, вызванной борьбой с глобальным изменением климата,связанного с антропогенным воздействием.
Развитие ветроэнергетики пользуется большойполитической поддержкой. Так в 2005 году была принята программа Wind Worse 12, согласнокоторой планируется к 2020 году довести долю ветроэнергетики в мировом производствеэнергии до 12% или выражая в цифрах до 1 254 030 МВт.Основной тренд развития ветроэнергетики – строительство ветроэнергетическихустановок (ВЭУ) большой мощности. Так если в 2005 году самая мощная ВЭУ была рассчитанана 5 МВт, то уже сейчас широко распространены ветровые турбины на 7 МВт, а такжесуществуют представленные на рынке установки на 10 МВт. В целом, доля ВЭУ большоймощности составляет более 80% общемирового рынка ветроэнергетических установок.Существует серьезная проблема, характерная для ВУЭ большой мощности. Известно, чтос увеличением мощности растут геометрические размеры ветроколеса. Так для ВЭУ «SeaTitan10 MW» высота установки генератора составляет 125 метров, а диаметр ротора 190 м.Очевидно, что в верхней точке на высоте 220 м и в нижней точке на высоте 30 м скорость ветрабудет неодинакова.
Т.е. если для небольших и средних ВЭУ при их малой площади ротора мымогли еще считать поток воздуха через его сечение постоянным, то для ВЭУ большоймощности это приближение не применимо.С увеличением диаметра ветроколеса из-за прочностных ограничений падает частотавращения ротора. Так если для ВЭУ «Enercon E-44 / 900 kW» она составляет до 34 об/мин, тодля «SeaTitan 10 MW» она равна 10 об/мин. Т.е.
полный оборот лопасть проходит за 6 секунд.Если для малых ВЭУ вследствие быстроты вращения изменением параметров ветра за одиноборот можно было пренебречь, то для ВЭУ большой мощности мы должны все это учитывать.Т.е. за время полного оборота ветроколеса неравномерное распределение воздушного потока посечению ветроколеса может значительно измениться и по скорости и по направлению.Все эти эффекты приводят к тому, что при постоянном угле установки лопастипроисходит изменение угла атаки, которое непосредственно ведет к снижению качествааэродинамического профиля и, как следствие, уменьшению КПД ВЭУ.Еще одним недостатком является невозможность отслеживания кратковременныхизменений в направлении ветра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
