小小光纤传感器,解决制冷系统效率大难题
发布时间:2019-08-30
 


近几年,越来越多的因素要求汽车、家电以及制冷空调要具有更好更高的功效。

 

《京都议定书》中明确指出要减少引起气候变化的温室气体排放。与我们日常生活息息相关的还有不断增长的能源成本。在世界各地,受新兴工业化国家所驱动,能源(石油、天然煤气、电力)的需求也在不断增加。这些需求的增加造成了在过去几个月里我们有目共睹的能源(电力和石油)价格的大幅度上涨。这是如何影响工作在制冷行业中的工程师们的?而工程师们又是如何做出反应的呢?解决方案的关键是改进新近设计、制造的冷却系统的效率。

 

 

 

 

 
 

制冷剂中润滑油的作用

 
 

关于润滑油浓度比(OCR)对制冷系统效率的影响,已经做了大量的研究。事实上,起到压缩机润滑和密封作用的润滑油在整个制冷系统不可避免地会留下痕迹。即使只有很小量润滑油在系统内被检测到,数量一定会随时间和机械部件磨损的不断扩大而增加。

 

OCR是如何变成人们关注的对象的呢?

许多研究已证明制冷剂中含有少量的油将会增加系统的效率,但是混合物中的油含量达到一定水平时,性能将大幅降低。而一些系统随着混合物中油含量过低时(<1%),效率也会降低。

众所周知,热传导会受制冷剂、油的类型以及管束设计结构的影响。即使制冷剂中油的浓度很低,也会对蒸发作用的热传导系数有巨大的影响。从ASHRAE(美国采暖、制冷与空调工程师学会)的RP-751研究结果来看,我们可以清晰地评定OCR在热传导中的重要性(请见表中的参数)。 不同的制冷剂和油类型,OCR的影响也是差别很大的。在R134a的制冷剂中油含量为1%到2%时,传热系数将降低30 % ,当油含量为5%到15%时,传热系数将降低40%-50%。

典型的油水平与他们的效率在运行的系统中对应关系

蒸发器中油的浓度

运行消耗

1% to 2%

2% to 4%

3% to 4%

5% to 8%

5% to 6%

9% to 11%

7% to 8%

13% to 15%

OCR在系统运行中的影响

要充分地控制HVAC(采暖通风与空调)系统的功效,就需严格控制制冷剂中油的含量。油浓度比的精确控制将改善系统的功效和降低使用成本。控制OCR的第一步就是要精确检测OCR。

检测油浓度比会带来很多好处,不仅仅用于在热量测量计和鉴定测试台上的新系统设计阶段,也用于HVAC系统的实际工作连续监控中。在设计阶段获取的参数将用于:

  • 甄选新型和有利环保的制冷剂;

  • 鉴定管束设计结构;

  • 油分离器和净化器性能评价;

  • 开发维修程序等等。

而连续检测油浓度比可用于:

  • 准确编排维修时间表,以减少由维修而造成的停机时间;

  • 给出油分离和净化器的性能指示,有助于控制和了解系统。

 

 
 

OCR的有效检测

 
 

 

检测制冷剂中油含量最常用的方法就是取样称重法。然而,该方法是非常耗费时间的,在系统中取出一定量的油和制冷剂,而且所得的结果不能反映实时的现象。因此, 很多人试图开发其它方法来取代这一传统检测方法,以明确量化混合物的确切成分。

多年来, 已经研究出大量的技术方法来成功实现实时检测冷却系统中处于工作状态的流体的浓度。这些方法包括广泛的光谱技术;从液体密度检测声速法、光吸收法、非传导性常数法、最后是折射率测量法。然而, 并非所有这些技术都是令人完全满意,并使人确信得出的结果是准确的、可靠的和有价值的。

因此,FISO开发出由光纤折射率传感器FRI光纤信号调理器TMI组成的系统能精确测量OCR。该OCR检测解决方案满足了工作在制冷领域的工程师们提出的检测要求。

  • 油浓度比的分辨率高于0.04 %

  • 传感器非常容易安装于冷却系统中

  • 系统的采集速率和通道数均可灵活选择

  • 信号调理器采用的白光法布利-比罗特技术对由小的光纤弯曲直径、长距离和多处连接造成的光信号损失和波动有很强的容错性

  • 信号调理器的传感器诊断功能为开始进行一系列测试之前提供了传感器状态的进一步显示信息

 

 
 

FRI 光纤折射率传感器

 
 

 

FRI是一种光纤折射率传感器,适用于工业、化工和食品加工业应用中流体的折射率测量。这种经过现场验证的解决方案经常用于油浓度比测量,对于从事仪器仪表工作的工程师来说是一项宝贵的资产。

光纤传感器除了尺寸小以外,还具有精确高、本质安全和不受射频、电磁波和微波辐射的干扰等优点。 可用于过程控制、医学、航空航天、国防、能源以及科学和学术性研究等领域。

专利技术白光正交相关仪(White-light Cross- Correlator) 提供了独一无二且极具实力的测量FP腔绝对长度的方法。此法的测量结果具有惊人的精确度、非常好的线性和一致性。

 

传感器技术

FISO量化制冷剂中油含量的解决办法是基于折射率检测的方法。

当光纤传感器安装在混合物中时,被测液体填充于FP腔中,FP腔长度的变化与被测液体的折射率(RI)成正比例关系。被测RI相对的有效折射率为信号调理器光源的光谱分布所涵盖。它的中心波长处于800 nm左右。首先,用户要校正并找到折射率与油/制冷剂混合物标样的对应关系。然后,这些初始数据将被用于建立校准公式或校准表。即使系统对非常广的油浓度范围进行检测时,也要限制校准范围,以提高精度。

 

信号调理技术

专利技术白光正交相关仪(White-light Cross-Correlator) 提供了独一无二且极具实力的测量FP腔绝对长度的方法。此法的测量结果具有惊人的精确度、非常好的线性和一致性。

宽带光源发出的光发射到2x2耦合器的一个臂上,然后传到FP仪。经由FP仪波长调制的光信号被反射回信号调理器,聚焦成一线,经专利技术的白光正交相关仪传输之后,由线性CCD组合器检测。白光正交相关仪就象一个立体分布的FP腔,其腔的长度沿着横向位置而变。面对CCD组合器,每一个像素都与预定义的类似于FP的腔长度有关。因此仪器工作起来就像一台立体长度可变的光学正交相关仪。例如,假定FP仪的腔长度为d微米, 由该FP仪所反射的光被最大限度地传送到d微米长度的CCD组合器的像素上,即立体分布的FP腔的横向位置上长度为d微米。如图所示,FP腔长度的变化被转化成感应最大传送值的像素的位移量。该技术提供了传感器FP腔长度的精确可靠的测量。

利用完全集成的基于有形的绝缘体涂层沉淀技术的光学正交相关仪。保证在很宽温度范围和长时间内检测的准确性。

 



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