МЕТЕОДАТЧИК СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
METEOROLOGICAL SENSOR OF TEMPERATURE CONTROL

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах контроля температуры нагреваемого оборудования энергетики, например проводов воздушных линий электропередачи, силовых трансформаторов.
Известны защиты проводов от перегрева с вычислением температуры провода на основе решения уравнения теплового баланса, в которое входит коэффициент теплоотдачи провода, определяемый в нелинейном преобразователе в зависимости от скорости ветра (Авторское свидетельство СССР №854768, кл. В60М 3/00, 1981; Авторское свидетельство СССР №1778852, кл. Н02Н 5/04, В60М 3/00, Н02Н 3/08, 1992).
т
т
0,6
Известен способ определения коэффициента теплоотдачи, в котором коэффициент теплоотдачи α в уравнении теплового баланса определяется как α=pV, где p - постоянный коэффициент, V - скорость ветра (Петрова Т.Е., Карминский В.А. Расчет нагрева проводов при ветрах. Режимы работы, автоматическое управление и техническая диагностика систем электроснабжения железных дорог. Труды. Межвузовский тематический сборник. Выпуск 171. Ростов-на-Дону: РИИЖТ, 1983, с.80-85).
Этот способ реализован в устройстве «Тепловая защита контактной сети» (см. Герман Л.А. и др. Тепловая защита контактной сети. Применение ЭВМ и микропроцессорной техники в системе тягового электроснабжения. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск №121. М.: Всесоюзный заочный институт инженеров железнодорожного транспорта, 1984, с.75-78).
Основным недостатком известных устройств является низкая точность из-за слишком приблизительного определения коэффициента теплоотдачи, поскольку не учитываются указанные выше влияющие факторы (температура провода, температура окружающей среды, площадь поверхности и форма сечения провода).
Известен термоанемометр для измерения скорости воздушного потока, принятый за прототип, состоящий из проволочки, включенной в цепь моста Уитстона, работающего на принципе постоянной силы тока, и смонтированной на держателе, предохраняющем ее от вибраций, обусловленных механическими и аэродинамическими причинами, отличающийся тем, что, с целью устранения зависимости показаний термоанемометра от направления потока, в качестве держателя проволочки использован эбонитовый или тому подобный шарик (Авторское свидетельство СССР №67767, МПК G01P 5/12, 20.06.1944).
Для термоанемометра эффект сноса теплоты потоком превосходит остальные охлаждающие факторы и уравнение теплового баланса приобретает вид:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub><mo>−</mo><mi>T</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>ξ</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
, где
Р - мощность нагрева термоанемометра;
S - коэффициент, зависящий от размеров и формы термоанемометра, который для идеального шара равен площади поверхности термоанемометра;
А
Т - температура термоанемометра;
Т - температура потока;
ξ - коэффициент теплоотдачи термоанемометра, зависящий от свойств окружающей среды, в число которых входит и скорость потока воздуха.
Процесс измерения выглядит следующим образом.
А
Подаем постоянный ток на проволочку, таким образом формируем постоянную мощность нагрева Р шарика термоанемометра. Замеряем температуру термоанемометра Т и температуру окружающей среды Т. Из формулы (1) определяем ξ - коэффициент теплоотдачи термоанемометра:
<mrow><mi>ξ</mi><mo>=</mo><mi>P</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub><mo>−</mo><mi>T</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo stretchy="false">]</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Из величины коэффициент теплоотдачи термоанемометра ξ вычисляют скорость потока воздуха.
Из формулы (1) можно определить температуру любого нагреваемого оборудования:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub><mo>=</mo><mi>T</mi><mo>+</mo><mi>P</mi><mo stretchy="false">[</mo><mi>S</mi><mi>э</mi><mi>ф</mi><mi>ф</mi><mo>⋅</mo><mi>ξ</mi><mo stretchy="false">]</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
где
Sэфф - эффективная (поскольку форма оборудования отлична от шара) площадь охлаждения оборудования,
Р - мощность нагрева оборудования.
Трудность представляет определение коэффициент теплоотдачи ξ, который зависит от многих факторов: скорость ветра, влажность, наличие и сила дождя, снега.
В целом, для всех косвенных методов определения температуры необходим учет коэффициента теплоотдачи, который определяет, с какой эффективностью окружающая среда охлаждает оборудование. Для подсчета коэффициента теплоотдачи необходимо замерять много изменяющихся параметров окружающей среды, от которых он зависит: скорость ветра, влажность, наличие и сила дождя, снега. Кроме этого необходимо измерять мощность нагрева оборудования прямым солнечным излучением.
Задача изобретения - создание устройства контроля температуры оборудования энергетики, позволяющего уменьшить число контролируемых факторов без ущерба для точности определения температуры.
Техническим результатом является измерение коэффициента теплоотдачи ξ окружающей среды, мощности нагрева оборудования прямым солнечным излучением, и в результате, повышение точности определения температуры нагреваемого энергетического оборудования.
Технический результат достигается тем, что в метеодатчик системы контроля температуры, содержащий шарообразный датчик, внутри которого расположены датчик температуры и нагревательный элемент с постоянной мощностью нагрева, а также блок определения коэффициента теплоотдачи и датчик температуры окружающей среды, при этом датчик температуры и нагревательный элемент шарообразного датчика, а также датчик температуры окружающей среды подсоединены к блоку определения коэффициента теплоотдачи, согласно предлагаемому изобретению, дополнительно введены датчик мощности солнечного излучения, блок вычисления мощности теплового излучения шарообразного датчика и блок связи, которые подсоединены к блоку определения коэффициента теплоотдачи.
Таким образом, по сравнению с прототипом, вместо измерения большого числа параметров (скорость ветра, влажность, наличие и сила дождя, снега) предлагается применить другой метод: использовать нагреваемый тестовый датчик, и замерить, с какой эффективностью окружающая среда охлаждает тестовый датчик, определить коэффициент теплоотдачи ξ.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен предлагаемый метеодатчик системы контроля температуры.
Метеодатчик системы контроля температуры состоит из шарообразного датчика 1, внутри которого расположены датчик температуры 2 и нагревательный элемент 3 с постоянной мощностью нагрева. Датчик 2 температуры и нагревательный элемент 3 подсоединены к блоку 4 определения коэффициента теплоотдачи, к которому дополнительно подсоединен датчик 5 температуры окружающей среды.
Отличие предлагаемого метеодатчика состоит в том, что к блоку определения коэффициента теплоотдачи 4 подсоединены дополнительно введенные датчик 6 мощности солнечного излучения, блок 7 вычисления мощности теплового излучения шарообразного датчика и блок 8 связи, который по линии 9 связи связан с центральным сервером (на чертеже условно не показан).
Рассмотрим работу предлагаемого метеодатчика.
Шарообразный датчик 1 располагают на открытом пространстве, и кроме нагрева нагревательным элементом 3 его нагревает солнечное излучение, охлаждает окружающая среда, кроме того, шарообразный датчик 1 охлаждается собственным тепловым излучением.
В отличие от формулы (1) уточненное уравнение теплового баланса шарообразного датчика 1 приобретает вид:
<mrow><mi>P</mi><mo>+</mo><mi>P</mi><mi>c</mi><mo>−</mo><mi>P</mi><mi>т</mi><mo>=</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub><mo>−</mo><mi>T</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>ξ</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
, где
P - мощность нагрева 3 нагревательного элемента с постоянной мощностью нагрева, которая нагревает шарообразный датчик 1,
Рс - мощность солнечного излучения, которая дополнительно нагревает шарообразный датчик 1,
Рт - мощность теплового излучения шарообразного датчика 1, которая охлаждает шарообразный датчик 1.
Среди этих величин Р постоянна и задается блоком 4 определения коэффициента теплоотдачи, а мощность Рс солнечного излучения измеряется датчиком 6.
Мощность Рт теплового излучения шарообразного датчика 1 вычисляется блоком 7, на основе:
известной площади S шарообразного датчика 1,
А
температуры Т шарообразного датчика 1, которую измеряет датчик 2 температуры,
температуры Т окружающей среды, которую измеряет датчик 5 температуры окружающей среды.
Из формулы (4) определяем ξ - коэффициент теплоотдачи, который характеризует процесс охлаждения:
<mrow><mi>ξ</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>P</mi><mo>+</mo><mi>P</mi><mi>c</mi><mo>−</mo><mi>P</mi><mi>т</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub><mo>−</mo><mi>T</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo stretchy="false">]</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Блок 8 связи отправляет на центральный сервер коэффициент теплоотдачи ξ, температуру Т окружающей среды, мощность Рс солнечного излучения.
Рассмотрим использование данных (коэффициент теплоотдачи ξ, температуру Т окружающей среды, мощность Рс солнечного излучения), которые центральный сервер получает от предлагаемого метеодатчика.
А
По уточненной формуле (3) определяем температуру Т любого оборудования:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>A</mi></msub><mo>=</mo><mi>T</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mi>P</mi><msub><mi>c</mi><mi>A</mi></msub><mo>−</mo><mi>P</mi><msub><mi>т</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi>S</mi><mi>э</mi><mi>ф</mi><msub><mi>ф</mi><mi>A</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>ξ</mi><mo stretchy="false">]</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
А
A
2
В формуле (6) известны температура Т окружающей среды, мощность Р нагрева оборудования, которую вычисляют из измеренного тока I, протекающего по оборудованию, и известного сопротивления R оборудования по формуле: P=I*R.
А
A
A
A
Мощность Рс нагрева оборудования солнечным излучением вычисляют из полученной мощности Рс солнечного излучения по формуле: Pc=Pc*Sc*Кс/(Sc*Кc), где
A
Sc - площадь оборудования, освещаемая солнечным излучением,
Sc - площадь шарообразного датчика 1, освещаемая солнечным излучением,
А
Кс - коэффициент поглощения солнечного излучения оборудования,
Кс - коэффициент поглощения солнечного излучения шарообразного датчика 1.
А
Известны Sэфф - эффективная (поскольку форма оборудования отлична от шара) площадь охлаждения оборудования, коэффициент теплоотдачи ξ, полученный от метеодатчика.
А
А
А
А
Остаются неизвестными температура Т оборудования и мощность Рт теплового излучения оборудования, поскольку для вычисления Рт необходимо знать Т. Обе эти величины определяем методом последовательных приближений:
А
1. Задаем начальное значение Рт=0.
А
2. По формуле (6) вычисляем Т.
А
A
А
3. Мощность Рт вычисляем на основе известной площади S оборудования, полученной температуры Т, температуры Т окружающей среды.
А
А
4. Повторяем пункты 2 и 3 до тех пор, пока не получим заданную точность определения температуры оборудования Т (полученное на следующем шаге значение Т будет отличаться от предыдущего значения меньше, чем на величину заданной точности).
Таким образом, предлагаемый метеодатчик системы контроля температуры позволяет определять температуру любого нагреваемого оборудования, например проводов воздушных линий электропередачи, силовых трансформаторов. При этом метеодатчик позволяет автоматически учитывать многочисленные факторы внешней среды, такие как температура, ветер, осадки, солнечное излучение, которые влияют на температуру оборудования.