ИЗМЕРЕНИЕ, РЕГИСТРАЦИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕЛИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты разработки средств управления компьютеризованной системы измерений, регистрации и обработки результатов энергетических характеристик гелиотехнических систем. Приведена принципиальная схема автоматизированной системы и результаты програмной обработки энергетических параметров солнечных установок. 

АBSTRACT

The paper presents the results of the development of a computerized control system of measurements, registration and processing of the results of the energy characteristics of solar systems. The schematic diagram of the automated system and the results of software processing of energy parameters of solar installations are also presented.

Ключевые слова: измерительная система, генератор, объект контроля, регистрация, схема, слежение, программа

Keywords: measuring system, generator, control object, registration, scheme, tracking, program.

Для повышения КПД современных солнечных установок требуется постоянное совершенствования конструкций, а также методов и средств определения их характеристик, т.е. применение солнечных имитаторов, высокоточной спектрорадиометрической аппаратуры и измерительных систем с аналоговой, цифровой и компьютерной обработкой результатов.

Рисунок 1. Функциональная схема автоматизированной системы измерения температуры

Применение элементной базы современной оптоэлектроники и микроэлектроники даёт возможность создания более компактных и высокоточных оптоэлектронных устройств при измерении энергетических характеристик, а развитие цифровых и процессорных средств управления, измерений, регистрации и обработки результатов позволяет автоматизировать процесс.    Функциональная схема разрабатанной системы (рис.1) содержит следующие блоки: объект контроля (ОК), генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), датчик измерения (ДИ), компьютерная система регистрации и обработки сигналов (КСРОС) и дисплей (Д).

Устройство работает следующим образом. На ДИ воздействует сигнал от объекта контроля. В результате чего, на выходе ДИ формируется пропорциональный сигнал измеряемой величины энергетического параметра объекта контроля. Этот сигнал подаётся на вход компьютеризованной системы регистрации и обработки сигнала, выход которой подаётся на дисплей (монитор). ДИ выполнен в виде измерительного моста, который питается от ГПИ. Использование ГПИ в данной системе позволяет повысить точность контроля измеряемой величины за счёт использования импульсного тока через измерительный мост. Кроме того, ГПИ необходим для подачи сигнала переменного тока на КСРОС.

Принципиальные схемы автоматизированных систем для измерения температуры, солнечной радиации и плотности лучистого потока в фокальной плоскости концентратора показаны на рис. 2, 3.

Принципиальные схемы содержат генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) и измерительный мост (ИМ).

Генератор прямоугольных импульсов построен на инверторах КМОП структуры типа К561 серии ЛН2. Принцип работы генератора прямоугольных импульсов основан на перезарядке конденсатора С2. Резистор R1 и конденсатор С2 определяют его частоту выработки прямоугольных импульсов. В данном случае эта частота выбрана равным 100 Гц, исходя из соображений оптимальной обработки сигнала в звуковой карте.

В качестве термочувствительного элемента в разрабатываемой системе (рис.2) используется маломощный сверхвысокочастотный транзистор структуры p-n-p серии ГТ328. Параметром, зависящим от температуры, взят обратный ток коллектора, в связи с тем, что его зависимость от температуры полностью линейна.

Принципиальная схема (рис.2) функционирует следующим образом. В момент подключения к питанию генератора прямоугольных импульсов, на выходе DD1.1 напряжение равно нулю. Этот логический 0 подается на DD1.2, на выходе которой устанавливается напряжение равное логической единицы. Таким образом, на выходе DD1.3 устанавливается логический ноль, а на выходе DD1.2 устанавливается логическая единица. Логическая единица с выхода DD1.2 через конденсатор С2 воздействует на вход DD1.1. В это время конденсатор С2 заряжается и напряжение на нём растёт линейно. Когда значение напряжения на конденсаторе С2 достигает значение порогового напряжения DD1.1, на выходе последнего начинает формироваться импульсное напряжение. Вследствие чего DD1.2 запирается и на её выходе формируется логический ноль, который устанавливает логическую единицу на выходе DD1.3.

Рисунок 2. Принципиальная схема автоматизированной системы измерения температуры

Рисунок 3. Принципиальная схема автоматизированной системы для измерения солнечной радиации и плотности лучистого потока в фокальной плоскости концентратора

Эта логическая единица подается на измерительный мост. В промежутке времени t₁t₂ конденсатор С2 разражается до порогового уровня логического нуля, вследствие чего на выходе DD1.2 опять появиться логическая единица. Далее процесс повторяется. Ток измерительного моста проходит по двум плечам. Первое плечо построено на резисторах R2-R3, а второе плечо построено на резисторе R4 и транзисторе VT1. Ток проходящий через R2-R3, не зависит от температуры. Резистор R4 предназначен для установки баланса моста при температуре 20⁰С. Для данной схемы амплитуда этого напряжения равна 2.5 В., напряжение на втором плече составляет 3 В., при максимальной температуре. Максимальный сигнал разбаланса составляет 0,5 В. Данное значение вполне достаточно для дальнейшей обработки звуковой карты компьютера.

Принципиальная схема оптоэлектронного устройства для измерения солнечной радиации и плотности лучистого потока в фокальной плоскости концентратора показанной на рис.3. также состоит из измерительного моста к одному из плеч которого подключен фотодиод, дифференциального усилителя А₁, инвертирующего усилителя А₂, компьютерной системы регистрации и обработки сигналов (КСРОС) и дисплея (Д).

Напряжение пропорциональному освещенности с выхода фотодиода подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя А1, а на неинвертирующий вход подается напряжение с выхода делителя R1 и R2 который в месте цепями фотодиода образуют измерительный мост. Резистор R2 предназначен для компенсации темневого тока фотодиода при нулевом освещенности. При освещении площади фотодиода нарушается баланс измерительного моста и на его выходе формируется разница напряжений который подается на вход инвертирующего усилителя А2.

                                                    (1)

 где: - напряжение на резисторе R₂, - коэффициент усиления дифференциального усилителя который определяется на основе общеизвестного выражения как:

                                                               (2)

Напряжения на выходе инвертирующего усилителя определяется

                                             (3)

 где: - коэффициент усиления инвертирующего усилителя.

Тогда освещенность с учетом (3) описывается как:

                                                (4)

Усиленный сигнал амплитуда которого пропорциональна освещенности с выхода инвертирующего усилителя А₂ через резисторы R₈ и R₉ подается на регистрирующий устройство РУ. По показаниям регистрирующего устройства определяется освещенность. В разработанном устройстве был использован фотодиод ФД 11 К а в качестве дифференциального усилителя и инвертирующего усилителя был использован операционный усилитель ОР-90АZ.

В данных принципиальных схемах подключение электрического измерительного датчика (транзистора или фотодиода) к звуковой плате компьютера осуществляется без посредства дополнительных дорогостоящих плат-адаптеров. Цена такого оборудования намного меньше оборудования использующего специальные платы-адаптеры и АЦП/ЦАП. Например, если использовать систему с дополнительным контроллером ADAM-4022T, то такая система обойдется примерно в 1200-4000 долларов не включая стоимость компьютера (Система Trace Mode – 540 $ и контроллер от 500 до 700 $). Наша же разработка будет стоить порядка 50-60 $. Экономия от применения одной автоматизированной системы порядка 1000-4000 $.

Рисунок 4. Внешний вид компьютерной программы слежения за температурой

Разработанная программа измеряет разность напряжений левого и правого канала снятую с диагонали измерительного моста. Так как сигнал от устройства прямоугольный, в программе заложен простой алгоритм интегрирования положительных отсчётов, предварительно синхронизированного сигнала для каждого канала. После выполнения всех необходимых операций программа выводит на экран значение температуры (рис.4), значения солнечной радиации или плотности лучистого потока в фокальной плоскости концентратора (рис.5).

В целом результаты испытания работоспособность и практическую целесообразность их применения, так как погрешность показаний данных устройств составляет ± 0,2%.

Рисунок 5. Внешний вид компьютерной программы слежения за солнечной радиацией или плотности лучистого потока

Список литературы:

1. MechaUz: Modernization of Mechatronics and Robotics for Bachelor degree in Uzbekistan through Innovative Ideas and Digital Technology 609564-EPP-1-2019-1-EL-EPPKA2-CBHE-JP
2. Тожибоев А. К., Хакимов М. Ф. Расчет оптических потерь и основные характеристики приемника параболоцилиндрической установки со стационарным концентратором //Экономика и социум. – 2020. – №. 7. – С. 410-418.
3. Тожибоев А. К., Немадалиева Ф. М. Комбинированные солнечные установки для теплоснабжения технологических процессов промышленных предприятий. результаты разработки и испытаний //Современные технологии в нефтегазовом деле-2018. – 2018. – С. 253-256.
4. Тожибоев А.К., Мирзаев С.А. Применение комбинированной солнечной установки при сушке сельскохозяйственных продуктов // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 10(91). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12474 (дата обращения: 10.11.2021).
5. Хакимов М. Ф., Тожибоев А. К., Сайитов Ш. С. Способы повышения энергетической эффективности автоматизированной солнечной установки //Актуальная наука. – 2019. – №. 11. – С. 29-33.
6. Эргашев С. Ф., Тожибоев А. К. Расчёт установленной и расчётной мощности бытовых электроприборов для инвертора с ограниченной выходной мощностью //Инженерные решения. – 2019. – №. 1. – С. 11-16.