СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКА ПЕРЕГРЕВА
METHOD OF CALIBRATING OVERHEATING SENSOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу калибровки датчика перегрева для холодильной системы. Способ предназначен преимущественно для датчиков, устанавливаемых в холодильный контур холодильной системы, в который также входят регулирующий клапан, испаритель и компрессор.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Работой холодильных систем обычно управляют, варьируя степень открытия регулирующего клапана и/или открывая и закрывая данный клапан и регулируя, таким образом, количество жидкого хладагента, поступающего в испаритель. Желательно управлять регулирующим клапаном так, чтобы весь поступающий в испаритель жидкий хладагент полностью испарялся до выхода из испарителя, при этом также желательно, чтобы на выходе испарителя или непосредственно перед выходным патрубком испарителя хладагент присутствовал в виде смеси жидкой и газообразной фаз. Такие требования обусловлены тем, что в случае выхода хладагента из испарителя существует вероятность его попадания в компрессор, что может привести к повреждению последнего. С другой стороны, если жидкий хладагент полностью испарится, пройдя лишь через первую часть испарителя, хладопроизводительность испарителя будет использована не в полной мере.
О том, достигнуто ли вышеописанное состояние хладагента, можно судить по значению его перегрева. Перегрев обычно определяют как разницу между фактической температурой жидкости и температурой кипения этой жидкости. Перегрев зависит как от температуры жидкости, так и от ее давления. Поэтому значение перегрева является подходящим параметром для регулирования степени открытия регулирующего клапана. В нормальных условиях желательно, чтобы в испарителе наблюдался небольшой, но явно выраженный перегрев. В этом случае достигается вышеописанное состояние, т.е. хладопроизводительность испарителя используется наиболее эффективно, в то время как риск повреждения компрессора в результате выхода жидкого хладагента из испарителя минимален.
Для осуществления управления регулирующим клапаном с целью поддержания оптимального значения перегрева необходимо предусмотреть возможность точного измерения этого значения. Для этого, в свою очередь, необходимо откалибровать датчик или датчики, используемые для измерения перегрева или параметров, по которым вычисляют значение перегрева. Желательно, чтобы такая калибровка была очень точной.
Известны решения, в соответствии с которыми калибровку датчиков перегрева осуществляют путем индивидуальной калибровки каждого датчика на заводе-изготовителе, что требует больших трудозатрат и повышает себестоимость датчиков. При этом крайне важно, чтобы калибровочные данные были соотнесены именно с тем датчиком, к которому они относятся. Для этого калибровочные данные могут записывать непосредственно на датчик, например, на соединенную с ним печатную плату, что связано с большими трудозатратами и приводит к увеличению числа компонентов датчика. В соответствии с другим вариантом калибровочные данные могут хранить отдельно, например, на соответствующем контроллере. Однако такой способ сопряжен со значительным риском возникновения ошибок, вызванных несоответствием калибровочных данных конкретному датчику.
В патенте №US 5820262 раскрыт датчик хладагента, представляющий собой единый узел, измеряющий температуру и давление, а также вычисляющий значение перегрева. Датчик содержит преобразователь давления для измерения давления хладагента и преобразователь температуры для измерения его температуры. По измеренным значениям температуры и давления микропроцессор вычисляет значение перегрева хладагента. Датчик может быть выполнен с возможностью самокалибровки. Калибратор калибрует значения, измеряемые преобразователями температуры и давления на основе данных калибровочной таблицы температуры-давления. В этой калибровочной таблице указаны эталонные значения температуры и давления, с которыми сверяют соответствующие измеренные значения. Для осуществления вышеуказанной калибровки таблица содержит колонку значений давления и колонку значений температуры, причем указанные значения связаны между собой взаимной корреляцией.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на то, чтобы предложить способ точной калибровки датчика перегрева.
Другая задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ калибровки датчика перегрева, при осуществлении которого снижается вероятность возникновения ошибки по сравнению с известными способами.
Еще одна задача изобретения заключается в том, чтобы предложить менее трудоемкий, по сравнению с известными, способ калибровки датчика перегрева.
Дополнительной задачей изобретения является предложение способа калибровки датчика перегрева, позволяющего снизить себестоимость изготовления такого датчика.
Для решения вышеуказанных и других задач настоящим изобретением предложен способ калибровки датчика перегрева, установленного в холодильной системе, содержащей регулирующий клапан, испаритель и компрессор, причем регулирующий клапан, испаритель, датчик перегрева и компрессор гидравлически связаны контуром, по которому протекает хладагент.
Указанный способ включает в себя следующие этапы:
- увеличивают долю жидкого хладагента в испарителе,
- отслеживают по меньшей мере один параметр, по которому можно судить о значении перегрева хладагента,
- обеспечивают возможность изменения указанного параметра,
- когда значение отслеживаемого параметра устанавливается на по существу постоянном уровне, соответствующее указанному уровню значение перегрева принимают за нулевое (SH=0),
- калибруют датчик (5) перегрева в соответствии с принятым нулевым значением перегрева (SH=0).
При необходимости калибровки датчика перегрева сначала увеличивают долю жидкого хладагента в испарителе. Для этого, например, увеличивают степень открытия регулирующего клапана, снижают скорость вращения компрессора или уменьшают поток вторичной среды через испаритель. Ниже эти этапы описаны более подробно.
С увеличением доли жидкого хладагента в испарителе граница раздела между жидким/смешанным и газообразным хладагентом смещается в сторону выходного патрубка испарителя. Вследствие этого значение перегрева хладагента истекающего из испарителя уменьшается. Соответственно изменяется и значение параметра, по которому судят о значении перегрева.
Таким образом, когда граница раздела между жидким/смешанным и газообразным хладагентом достигает выходного патрубка испарителя, небольшое количество жидкого хладагента изливается из испарителя, причем изливающийся испаритель имеет нулевой перегрев. Если продолжать увеличивать долю жидкого хладагента, объем изливающегося из испарителя жидкого хладагента также будет расти, но его перегрев так и останется нулевым. Поэтому в такой ситуации значение параметра, по которому судят о значении перегрева, устанавливается по существу на постоянном уровне.
То есть, если увеличить долю жидкого хладагента в испарителе и отслеживать один или несколько параметров, по которым можно судить о перегреве, то будет наблюдаться следующее. Сначала указанный параметр (или параметры) будет изменяться вследствие уменьшения перегрева, а затем он достигнет по существу постоянного уровня, поскольку значение перегрева хладагента установится на постоянном нулевом уровне. Этот уровень можно использовать для калибровки датчика перегрева.
Желательно увеличивать долю жидкого хладагента таким образом, чтобы она была достаточной для того, чтобы жидкий хладагент попал в датчик перегрева, установленный сзади испарителя по направлению потока, т.е. произошел бы "залив" датчика.
Поскольку при этом из испарителя кратковременно выливается лишь небольшое количество жидкого хладагента, риск повреждения компрессора минимален,
Преимущество заявляемого способа заключается в том, что его можно осуществлять, когда датчик перегрева установлен в холодильном контуре. Это позволяет производить калибровку по месту установки холодильной системы и повторять ее по мере необходимости. Тем самым устраняется необходимость калибровки датчиков на заводе-изготовителе, что позволяет избежать проблем, возникающих при использовании вышеописанных известных решений. Таким образом, более не требуется следить за тем, чтобы калибровочные данные соответствовали тем датчикам, к которым они относятся, что позволяет устранить один из основных источников потенциальных ошибок. Кроме того, освободив изготовителя от работ по калибровке, можно снизить себестоимость изготовления датчиков, поскольку более не требуется предусматривать соответствующий участок в производственной линии.
Далее, калибровку заявляемым способом можно осуществлять неоднократно по мере необходимости, например, при различных режимах температуры и/или давления, или просто для компенсации отклонения показаний датчика. Таким образом, появляется возможность осуществлять сравнительно точную калибровку датчика.
Наконец, принимая за опорную точку по существу постоянный нулевой уровень перегрева, можно откалибровать датчик с высокой точностью.
Этап увеличения доли жидкого хладагента в испарителе могут выполнять путем увеличения степени открытия регулирующего клапана. Регулирующий клапан холодильной системы обычно устанавливают так, чтобы он регулировал расход подаваемого в испаритель хладагента, т.е. с увеличением степени открытия регулирующего клапана увеличивается количество поступающего в испаритель хладагента.
Степень открытия регулирующего клапана можно увеличивать постепенно, т.е. плавно или же, как вариант, резко.
Альтернативно для повышения доли жидкого хладагента в испарителе можно ослабить поток вторичной среды через испаритель. Испаритель холодильной системы работает как теплообменник, т.е. в нем происходит обмен теплом между протекающим по нему хладагентом и вторичной средой, протекающей через испаритель, но не проходящей через холодильный контур. Вторичная среда может быть жидкой или газообразной, например, в виде потока воздуха, который продувают через испаритель. В последнем случае для продувки воздуха через испаритель обычно предусмотрен вентилятор. В этом случае поток вторичной среды ослабляют снижением скорости вращения вентилятора, в том числе до полной его остановки.
Ослабление потока вторичной среды снижает нагрузку на холодильную систему, замедляя испарение хладагента в испарителе. В результате доля жидкого хладагента возрастает.
Как вариант, для увеличения доли жидкого хладагента в испарителе можно снизить скорость вращения компрессора. При уменьшении скорости вращения компрессора возрастает давление в холодильном контуре, что приводит к повышению температуры испарения хладагента, в результате чего, в свою очередь, уменьшается разность температур хладагента на входе и выходе из испарителя. Это замедляет испарение хладагента в испарителе, в результате чего возрастает доля жидкого хладагента.
Этап отслеживания одного или нескольких параметров может предусматривать отслеживание температуры хладагента на выходе из испарителя. При увеличении в испарителе доли жидкого хладагента температура хладагента на выходе из него при данном давлении ведет себя следующим образом. Первоначально она уменьшается, поскольку граница между жидким/смешанным хладагентом и газообразным хладагентом смещается в сторону выходного патрубка. Таким образом, остается все меньше времени на разогрев газообразного хладагента после испарения, что влечет за собой понижение температуры. Когда доля жидкого хладагента возрастает настолько, что он начинает выходить из испарителя, температура выходящего из испарителя хладагента устанавливается на по существу постоянном уровне, соответствующем температуре испарения хладагента при данном давлении хладагента. Таким образом, достижение отслеживаемой температурой по существу постоянного уровня служит индикатором того, что значение перегрева хладагента на выходе из испарителя достигла нуля, что позволяет соответственно откалибровать датчик.
Альтернативно или дополнительно этап отслеживания одного или нескольких параметров может предусматривать измерение расстояния между первой и второй стенками датчика перегрева, которое зависит от давления и от температуры хладагента на выходе из испарителя. В данном варианте осуществления рассматривается датчик перегрева, который может непосредственно измерять значение перегрева хладагента на выходе из испарителя. Это может быть, например, датчик с гибкой стенкой, отделяющей полость, в которой содержится заполняющая жидкость, находящаяся в тепловом контакте с хладагентом, от холодильного контура. В этом случае давление в полости зависит от температуры хладагента, а положение гибкой стенки определяется соотношением давлений между холодильным контуром и полостью. Таким образом, по положению гибкой стенки можно непосредственно измерить значение перегрева хладагента. Гибкая стенка может, например, представлять собой мембрану или сильфон.
Заявляемый способ может также предусматривать этап сохранения результатов этапа калибровки в базе данных. В этом случае этап калибровки датчика перегрева можно в дальнейшем осуществлять на основе данных, ранее занесенных в базу. Калибровку можно производить, например, при различных давлениях, а получаемые результаты использовать для точной калибровки, охватывающей широкий диапазон давлений.
Этап калибровки датчика перегрева может предусматривать решение линейного уравнения, например, вида:
1
P
2
T
SH=aU+aU+b,
P
T
1
2
1
2
где U - параметр, представляющий давление хладагента, U - параметр, представляющий температуру хладагента, a, a и b - постоянные коэффициенты. В данном случае давление и температуру хладагента измеряют раздельно. Коэффициенты a и a часто известны с некоторой погрешностью, тогда как b обычно определяют посредством заявляемого способа.
1
P
2
T
В случае, если калибровка заявляемым способом выполнялась, например, при трех различных давлениях, уравнение SH=aU+aU+b можно решать как систему из трех уравнений с тремя неизвестными, что позволит найти все три постоянных коэффициента и повысить точность калибровки датчика. Однако в большинстве случаев удовлетворительную точность калибровки можно получить и без этого.
Как вариант, линейное уравнение может иметь вид:
1
SH=aU+b,
1
где U - параметр, представляющий значение перегрева хладагента на выходе из испарителя, а и b - постоянные коэффициенты. В данном случае отслеживаемым параметром является непосредственно измеряемое значение перегрева, которое измеряют непосредственно, например, как расстояние между двумя стенками в датчике вышеописанного типа.
Также могут использоваться уравнения иных порядков, например, квадратные. Этап отслеживания одного или нескольких параметров могут осуществлять с использованием датчика перегрева. Как вариант, эти параметры можно измерять с помощью одного или нескольких дополнительных датчиков, например, датчиков температуры.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже настоящее изобретение описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 схематически показан испаритель холодильной системы, работающий в нормальных условиях;
на фиг.2а-2d показан испаритель с фиг.1 во время калибровки;
на фиг.3-7 показаны различные примеры датчиков перегрева, предусматривающих возможность калибровки заявляемым способом.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 схематически показан испаритель 1, установленный в контуре холодильной системы. Указанный испаритель содержит входной патрубок 2, гидравлически соединенный с регулирующим клапаном 3. Степень открытия клапана 3 определяет количество хладагента, подаваемого в испаритель 1. Также испаритель 1 имеет выходной патрубок 4, гидравлически соединенный с датчиком 5 перегрева.
Датчик 5 перегрева измеряет значение одного или нескольких параметром, по которым можно судить о значении перегрева хладагента, выходящего из испарителя 1 через выходной патрубок 4. Он может измерять соответствующие значения температуры и давления хладагента на выходе из испарителя 1. Альтернативно датчик может измерять значение единственного репрезентативного параметра, на основании которого можно оценить значение перегрева хладагента на выходе испарителя.
Датчик 5 перегрева передает результаты измерений управляющему устройству 6. На основании этих результатов управляющее устройство 6 вырабатывает управляющий сигнал для регулирующего клапана 3, регулируя степень его открытия в соответствии со значением перегрева, таким образом, чтобы поддерживать небольшой, но явно выраженный перегрев, при котором достигаются оптимальные условия работы холодильной системы. Управляющее устройство 6 может вычислять значение перегрева хладагента на выходе из испарителя 1 по данным, измеряемым датчиком 5 перегрева, и, следовательно, регулировать степень открытия регулирующего клапана 3 в зависимости от результатов вычислений. Как вариант, управляющее устройство 6 может осуществлять управление регулирующим клапаном непосредственно по данным, измеряемым датчиком 5,
На фиг.1 показано, что в испарителе 1 имеется хладагент как в жидком, так и в газообразном состоянии. У входного патрубка 2 хладагент преимущественно жидкий, а у выходного патрубка 4 - преимущественно газообразный. В промежуточных точках хладагент находится в виде смеси жидкой и газообразной фаз.
График на фиг.1 показывает зависимость перегрева хладагента от пройденного им пути по испарителю 1. Из графика хорошо видно, что пока хладагент находится в жидком состоянии или в состоянии смеси жидкой и газообразной фаз, его перегрев по существу равен нулю. Однако, как только хладагент переходит полностью в газообразное состояние, значение перегрева начинает возрастать.
На фиг.2а-2d показан испаритель 1 с фиг.1 во время калибровки. В случае, показанном на фиг.2а, в испарителе 1 преобладает газообразная фаза, т.е. эффективность холодильной системы не велика. График на фиг.2а показывает зависимость перегрева хладагента на выходе из испарителя 1 от времени в ходе калибровки датчика 5 перегрева. На нем видно, что значение перегрева в данном случае сравнительно велико.
В случае, показанном на фиг.2b, доля жидкого хладагента в испарителе 1 возросла, например, за счет увеличения степени открытия регулирующего клапана 3. На чертеже видно, что линия, обозначающая границу между двухфазовой смесью и чисто газообразным хладагентом, смещена в сторону выходного патрубка 4. Тем не менее, сравнительно большая часть испарителя 1 все еще содержит испаритель в газообразной фазе. На графике видно, что значение перегрева хладагента на выходе из испарителя 1 снизилось по сравнению со значением, наблюдаемым в случае, показанном на фиг.2а, но все еще сравнительно велико.
В случае, показанном на фиг.2с, доля жидкого хладагента в испарителе 1 возросла еще больше. На чертеже видно, что линия, обозначающая границу между двухфазовой смесью и чисто газообразным хладагентом, оканчивается в месте расположения выходного патрубка 4, т.е. холодильная система работает в оптимальном режиме. На графике видно, что значение перегрева хладагента на выходе из испарителя 1 как раз достигло нулевого уровня. Также видно, что производная по времени от кривой перегрева имеет в этой точке разрыв. Этот разрыв можно зарегистрировать, получив, тем самым, точное указание на то, что достигнуты оптимальные условия работы. На чертеже также видно, что небольшое количество жидкого хладагента вылилось из испарителя 1 и затекло в датчик 5 перегрева.
В случае, показанном на фиг.2d, доля жидкого хладагента в испарителе 1 возросла еще больше, в результате чего еще большее количество жидкого хладагента вышло из испарителя 1 и затекло в датчик 5 перегрева. То есть произошел "залив" датчика 5 жидким хладагентом. На графике видно, что значение перегрева хладагента на выходе из испарителя 1 находится на по существу постоянном нулевом уровне. Поэтому значение перегрева, измеряемое датчиком 5, можно принять за ноль и таким образом откалибровать датчик. По завершении калибровки долю жидкого хладагента в испарителе 1 можно снизить и вернуть систему в нормальные рабочие условия.
На фиг.3 показан первый пример осуществления датчика 5 перегрева для применения в холодильной системе. Датчик 5 содержит сильфон 7, охватывающий внутреннюю полость 8, содержащую заполняющую жидкость 9. Желательно, чтобы по термостатическим характеристикам заполняющая жидкость 9 была сходна с хладагентом, циркулирующим в холодильном контуре системы, а в идеале - была бы идентична этому хладагенту.
Датчик 5 перегрева установлен в холодильном контуре; поток хладагента обозначен стрелкой 10.
Поскольку сильфон 7 обладает теплопроводностью, температура заполняющей жидкости 9 изменяется вместе с температурой хладагента. А поскольку внутренняя полость 8 по существу замкнута, давление в ней зависит от этой температуры.
Сильфон 7 расширяется и сужается в соответствии с изменением давления во внутренней полости 8 и в холодильном контуре. Соответственно положение первой стенки 11 определяется соотношением этих двух давлений, т.е. оно определяется как температурой, так и давлением хладагента. Поэтому по положению первой стенки 11 можно измерить значение перегрева хладагента. На первой стенке 11 размещен постоянный магнит 12, а на второй стенке 14 установлен датчик 13 Холла. Положение первой стенки 11 определяет расстояние между первой и второй стенками 11, 14, которое можно измерить датчиком 13 Холла благодаря наличию на первой стенке 11 постоянного магнита 12. Таким образом, датчик 5, показанный на фиг.3, может непосредственно измерять значение перегрева хладагента.
На фиг.4 показан второй пример осуществления датчика 5 перегрева для холодильной системы. Подобно датчику 5 перегрева, показанному на фиг.3, датчик 5 перегрева, показанный на фиг.4, содержит сильфон 7, постоянный магнит 12 и датчик 13 Холла. Однако датчик 5 перегрева, показанный на фиг.4, снабжен пружиной 15 сжатия, установленной в полости 8 датчика 5. Пружина 15 сжатия смещает первую стенку 11 в направлении от второй стенки 14. В случае датчика 5 перегрева, показанного на фиг.4, отсутствует необходимость заполнять внутреннюю полость заполняющей жидкостью, хотя это и не исключается. Для измерения температуры хладагента на второй стенке 14 установлен датчик 16. Таким образом, давление хладагента можно измерять по расстоянию между первой стенкой 11 и второй стенкой 14 посредством постоянного магнита 12 и датчика 13 Холла, а его температуру - посредством датчика 16. По этим двум измеренным значениям можно вычислить значение перегрева.
На фиг.5 показан третий пример осуществления датчика 5 перегрева для холодильной системы. Датчик 5 содержит мембрану 17, установленную в корпусе 18 таким образом, что она отделяет полость 8, заполненную заполняющей жидкостью 9 от хладагента в холодильном контуре. Мембрана 17 теплопроводна, поэтому температура заполняющей жидкости 9 изменяется вместе с температурой хладагента в контуре. Как и в случае, описанном применительно к фиг.3, давление во внутренней полости 8 определяется температурой хладагента. Положение мембраны 17 определяется соотношением давлений хладагента в холодильном контуре и полости 8, т.е. оно определяется как температурой, так и давлением хладагента, и, следовательно, по положению мембраны 17 можно измерить значение перегрева хладагента.
На мембране 17 установлен постоянный магнит 12, а напротив него на стенке корпуса 18 установлен датчик 13 Холла. Таким образом, посредством датчика 13 Холла можно измерять расстояние между мембраной 17 и стенкой, на которой он установлен, и, таким образом, значение перегрева.
На фиг.6 показан четвертый пример осуществления датчика 5 перегрева для холодильной системы. Датчик 5 содержит кремниевый чип 19, установленный в холодильном контуре. В центральной части кремниевого чипа 19 установлена мембрана 20 таким образом, чтобы образовалась полость 21, в которой поддерживается по существу постоянное давление - как правило, очень низкое или по существу вакуум. Мембрана 20 изгибается под действием разности давлений в полости 21 и в холодильном контуре. Поскольку давление в полости 21 по существу постоянно, по степени прогиба мембраны 20 можно измерять давление в холодильном контуре.
На мембране 20 установлен тензодатчик (не показан) для измерения величины прогиба мембраны. Он подключен к измерительному устройству посредством электродов 22. Для получения данных о температуре хладагента тензодатчик оснащен мостовой схемой (не показана) из четырех резисторов, внедренных в поверхность кремниевого чипа 19 в месте размещения мембраны 20. Резисторы выполнены таким образом, что с ростом давления сопротивление двух из четырех резисторов растет, а двух других - падает, при этом с ростом температуры сопротивление всех четырех резисторов растет (или падает). Это позволяет вычислить или по меньшей мере оценить как температуру, так и давление хладагента по показаниям тензодатчика, и, таким образом, рассчитать значение перегрева.
На фиг.7 показан пятый пример осуществления датчика 5 перегрева для холодильной системы. Конструкция датчика 5 перегрева, показанного на фиг.7, аналогична конструкции датчика, показанного на фиг.6. Однако в данном случае полость 21 содержит заполняющую жидкость 9. Заполняющая жидкость 9 поступает из резервуара 23 по капиллярной трубке 24.
Заполняющая жидкость 9 термически соединена с хладагентом холодильного контура через мембрану 20, поэтому ее температура изменяется вместе с температурой хладагента. В результате давление в полости 21 определяется этой температурой, подобно тому, как это было описано в случае, проиллюстрированном на фиг.5. Соответственно по степени прогиба мембраны, измеренной тензодатчиком, можно непосредственно измерить значение перегрева хладагента.