Пирометрического оборудования
ШАРМАНОВА Г.Ю., БИЯТТО Е.В., НИ ТПУ, г. Томск
Науч. рук. канд. техн. наук, доцент ПАК А.Я.
Сегодня наиболее распространенными видами приборов для измерения температур являются: жидкостные термометры, термопары, термосопротивления, пирометры и тепловизоры. Все вышесказанные приборы, за исключением пирометров и тепловизоров, основаны на принципе измерения температуры контактным методом, который не позволяет измерять высокие температуры приборов, температуры удаленных устройств и не обладает высоким быстродействием. На методе бесконтактного измерения температур основаны пирометры и тепловизоры. Высокая стоимость тепловизоров ограничивает их применение. Поэтому на сегодняшний день наиболее широкое применение нашли пирометры ввиду их относительно невысокой стоимости.
Стандартные пирометры, которые находятся в свободной продаже в розничной сети, имеют предел измерения температуры от –50 до 2300 °С. Такой предел измерения температур этих пирометров не позволяет измерять температуру плазмы, электродов при дуговых явлениях, некоторых нагревательных элементов и прочих частей, имеющих высокие температуры. Возможным решением данной проблемы является применение специальных светофильтров, которые позволят увеличить верхний предел измерения температур пирометрического оборудования. Помимо того, пирометры с высокотемпературным диапазоном имеют высокую стоимость.
Для того чтобы решить вышесказанную проблему был проведен эксперимент, в течение которого исследовался процесс измерения температуры с применением светофильтра. При проведении эксперимента был использован пирометр марки CENTER 352 с диапазоном измеряемых температур от –20 до 500 °С и нейтральный светофильтр Kenko Pro ND 4(w) с диаметром 52 мм и коэффициентом пропускания 1/4.
В ходе эксперимента было произведено пирометрическое измерение температуры электрических нагревательных элементов, которые были нагреты до разных температур за счет различной электрической мощности нагревателей, их размеров и уровня тока. После чего было произведено пирометрическое измерение температуры нагревателей, нагретых до таких же температур, только с использованием нейтрального светофильтра. Эксперимент показал, что с применением нейтрального светофильтра температура нагревательных элементов стала в 4 раза меньше относительно измеренной температуры без светофильтра.
По результатам проведения эксперимента установлено, что зависимость температуры, полученной с применением нейтрального светофильтра, от исходной температуры нагревательных элементов имеет линейный вид. При использовании пирометра данной марки в сочетании со светофильтром можно измерить температуру, достигающую 2000 °С.
Применение данного метода измерения температуры является экономически выгодным. Стоимость данной системы (пирометр с предельной температурой 500 °С и нейтральный светофильтр с коэффициентом пропускания 1/4) составляет около 7,2 тыс. руб. Каждый из элементов системы находится в свободном доступе для покупателей. Существуют и готовые пирометры с предельными температурами около 2300 °С. Они также находятся в свободном доступе, только стоимость данных устройств доходит до 25–35 тыс. руб. Высокая стоимость устройства серьезно ограничивает его применение; при этом система «пирометр + светофильтр» в 4 раза дешевле.
Помимо проведения эксперимента с применением светофильтра с коэффициентом пропускания 1/4 был также проведен эксперимент с применением светофильтра с коэффициентом пропускания 1/32. Планировалось получить температуру объекта, сниженную в 32 раза. Но в результате измерения температур объектов с применением данной линзы была получена нелинейная зависимость измеренных температур от исходных температур объектов, в отличие от эксперимента с линзой с коэффициентом пропускания 1/4.
Применение пирометра в совокупности с нейтральным светофильтром является эффективным методом бесконтактного измерения температуры. В ходе эксперимента получилось увеличить диапазон измерения температур используемого пирометра до 2000 °С. Также применение данного метода является экономически выгодным в сравнении с применением пирометра большего диапазона температур. Однако полученного диапазона измерения температур недостаточно для измерения температур объектов, достигающих 5-7 тыс. градусов. Предложенный метод требует более подробного рассмотрения и проведения новых экспериментов с применением других светофильтров (например, инфракрасного диапазона) в целях увеличения верхнего порога измерения пирометрической техники.
УДК 621.315.175
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ
ЯРОСЛАВСКИЙ Д.А., КОНОНОВА А.А., ЯМБАЕВА Т.Г., КГЭУ, г. Казань
Науч. рук. канд. физ.-мат. наук, доцент САДЫКОВ М.Ф.
Одна из серьезных причин аварий в электроэнергетических системах повышенной мощности состоит в образовании плотного ледяного осадка – гололеда – при намерзании переохлажденных капель дождя, мороси или тумана при температуре от 0 до –5 °С на проводах высоковольтных линий электропередачи (ВЛ). Отложения гололеда, изморози и мокрого снега представляют большую опасность для нормальной эксплуатации ВЛ. По причине гололеда в энергосистемах многих стран мира происходит в год до 6–8 крупных аварий.
Контроль гололедообразования выполняется с помощью разработанной системы мониторинга состояния ВЛ. Аппаратная часть устройства имеет распределенную архитектуру (рисунок). Для контроля гололедообразования на ВЛ проводятся измерения следующих параметров:
– температуры провода;
– относительной влажности воздуха;
– угла провеса провода.
Рис. Структура элемента (устройства) сети
Для измерения влажности и температуры окружающей среды использован датчик, представляющий собой интегральную микросхему, в корпусе которой находится первичный и вторичный преобразователь физической величины, аналого-цифровой преобразователь и драйвер шинного интерфейса I2C, выводы которого подключаются на одно-именные выводы микроконтроллера.
Определение угла провеса провода выполнено с использованием акселерометра.
Питание устройства осуществляется за счет отбора мощности с магнитной составляющей электромагнитного поля. Первичным источником питания является трансформатор тока с разделяемым сердечником, установленный на проводе линии электропередачи, а вторичная обмотка трансформатора соединена с мостовым диодным выпрямителем, в цепь постоянного тока которого и включен преобразователь. Выход блока питания соединяется с общей шиной питания. Второй трансформатор тока используется в качестве датчика тока.
Прием и передача данных осуществляются по радиоканалу на частоте 2,4 ГГц с использованием модуля беспроводной сети автоматизации процессов (БСАП). Модуль беспроводной радиосвязи представляет собой микросборку. Микросборка соединена с контроллером посредством интерфейса UART. В качестве модуля беспроводной радиосвязи могут быть использованы встраиваемые модули БСАП, сочетающие высокое быстродействие и низкое энергопотребление. Они содержат встроенное программное обеспечение, реализующее все основные операции в сети, такие как образование сети, присоединение к сети, ретрансляция данных и автоматическое восстановление сети. Причем надежная связь между соседними устройствами может осуществляться на расстоянии до 1000 метров при расположении соседних устройств в пределах прямой видимости, что может быть использовано в случае выхода из строя одного или нескольких устройств, так как есть возможность передавать информацию, минуя неисправные звенья.
Результаты работы показывают возможность определения стрелы провеса и параметров окружающей среды. Получаемые данные могут быть использованы в системе контроля состояния ВЛ и термо-метеорологического прогнозирования. Используя в комплексе перечисленные методы, необходимо создать систему мониторинга гололедообразования ВЛ.
Кроме того, системы мониторинга и количественного контроля гололедообразования на ВЛ, построенные на базе разрабатываемых устройств, имеют и дополнительные функциональные возможности, такие как оперативное определение места обрыва или короткого замыкания ВЛ в каждом пролете и на каждой фазе проводов А, В и С благодаря измерению величины силы тока в проводе, на котором установлено данное устройство.
Данная система позволит предотвратить аварии на ВЛ, возникающие из-за превышения допустимой гололедно-ветровой нагрузки, сократит издержки на ее содержание и повысит экономическую эффективность.
Работа по созданию модуля беспроводной сети автоматизации процессов под различные протоколы связи выполняется при финансовой поддержке прикладных научных исследований и экспериментальных разработок Министерства образования и науки Российской Федерации по Соглашению № 14.577.21.0168 от 27 октября 2015 года, уникальный идентификатор – ПНИЭР RFMEFI57715X0168.