Номенклатура 15 типов технологических датчиков

1. Назначение и классификация контрольно-измерительных приборов

Подсистема промышленного интернета вещей микросервиса HeatBalance.IoTService поддерживает прием и обработку данных от 15 унифицированных классов промышленных измерительных приборов. Каждый тип датчика решает строго определенную задачу в структуре прямого и обратного тепловых балансов технологических установок:

---

2. Метрологические характеристики и математический аппарат датчиков

[ID 0] Термопара рабочей камеры, воздуха и рециркулята

• Назначение в расчёте: измерение энтальпии входящего дутьевого воздуха, начальной температуры садки и температуры газов контура рециркуляции.
• Физический принцип: термоэлектрический эффект Зеебека. Возникновение термоЭДС $E(T)$ в замкнутой цепи из двух разнородных проводников:
  $$E(T, T_0) = \int_{T_0}^T (S_A - S_B) \, dT$$
  где $S_A, S_B$ — коэффициенты дифференциальной термоЭДС; $T_0$ — температура холодного спая (компенсируется микросхемой АЦП MAX31855/MAX31856).
• Спецификация полей JSON:
  • airTemperature (°C) — температура дутьевого воздуха (номинал: $20.0$ °C, диапазон: $-30.0 \dots +80.0$ °C);
  • initialMaterialTemp (°C) — температура материала на входе в камеру (номинал: $15.0 \dots 25.0$ °C);
  • recirculateTemp (°C) — температура газов рециркуляции (диапазон: $100.0 \dots 450.0$ °C).
• Метрология: термопара типа К (ТХА), класс допуска 1 по ГОСТ 6616-94, предельная погрешность $\pm 1.5$ °C.

{
  "airTemperature": 22.5,
  "initialMaterialTemp": 18.0,
  "recirculateTemp": 235.4
}

---

[ID 1] Датчик давления природного газа и воздуха дутья

• Назначение в расчёте: определение фактической плотности газовых сред и расчёт аэродинамического напора горелочных коллекторов.
• Физический принцип: тензорезистивный кремниевый мост Уитстона на мембране. Деформация мембраны под действием давления $P$ приводит к изменению сопротивления тензорезисторов:
  $$\Delta U_{out} = U_{in} \cdot K_P \cdot \Delta P$$
• Спецификация полей JSON:
  • gasPressureKPa (кПа) — избыточное давление природного газа в рампе горелок (диапазон: $5.0 \dots 300.0$ кПа);
  • airPressureKPa (кПа) — статическое давление воздуха в напорном коробе (диапазон: $2.0 \dots 50.0$ кПа).
• Метрология: класс точности $0.25$ по ГОСТ 22520-85, предел приведенной погрешности $\pm 0.25\%$.

{
  "gasPressureKPa": 102.4,
  "airPressureKPa": 104.1
}

---

[ID 2] Высокочастотный влагомер сырья и готовой продукции

• Назначение в расчёте: определение массы испаряемой технологической влаги ($W$, кг/ч) и расчет полезной теплоты сушки:
  $$W = G_M \cdot \frac{w_1 - w_2}{100 - w_2}, \quad Q_{исп} = W \cdot (r_0 + c_v t_{вых} - c_w t_{вх})$$
• Физический принцип: СВЧ-резонансный диэлькометрический метод. Измерение сдвига фазы и затухания электромагнитной волны СВЧ-диапазона (2.45 ГГц) при прохождении через слой диэлектрика (материала): комплексная диэлектрическая проницаемость $\varepsilon = \varepsilon' - j\varepsilon''$ пропорциональна объемной концентрации свободной воды.
• Спецификация полей JSON:
  • initialMoisture (%) — относительная влажность сырого материала $w_1$ (диапазон: $5.0 \dots 35.0\%$);
  • finalMoisture (%) — остаточная влажность сухого изделия $w_2$ (диапазон: $0.1 \dots 5.0\%$).
• Метрология: диапазон $0 \dots 40\%$, абсолютная погрешность $\pm 0.2\%$.

{
  "initialMoisture": 14.8,
  "finalMoisture": 1.2
}

---

[ID 3] Расходомер природного газа и лямбда-зонд

• Назначение в расчёте: непрерывный контроль коэффициента расхода воздуха $\alpha$ и коэффициента подсоса/рециркуляции $\Delta\alpha$ для баланса горения:
  $$V_\alpha = \alpha \cdot V^0, \quad V_{rec} = \Delta\alpha \cdot V^0$$
• Физический принцип: твердоэлектролитный датчик парциального давления кислорода на основе диоксида циркония $\text{ZrO}_2$, легированного $\text{Y}_2\text{O}_3$. При температуре выше 600 °C возникает разность потенциалов по уравнению Нернста:
  $$E = \frac{R \cdot T}{4 \cdot F} \cdot \ln\left(\frac{P_{O_2}^{ref}}{P_{O_2}^{gas}}\right)$$
• Спецификация полей JSON:
  • airFlowCoefficient (б/р) — действительный коэффициент расхода воздуха $\alpha$ (диапазон: $1.02 \dots 2.50$);
  • deltaAlpha (б/р) — приращение расхода воздуха в контуре рециркуляции $\Delta\alpha$ (диапазон: $0.05 \dots 0.80$).
• Метрология: диапазон $\alpha \in [0.8, 3.0]$, приведенная погрешность $\pm 1.0\%$.

{
  "airFlowCoefficient": 1.18,
  "deltaAlpha": 0.28
}

---

[ID 4] Тензометрический весовой модуль

• Назначение в расчёте: измерение производительности печи по сухому материалу ($G_M$, кг/ч) и расхода энергии на нагрев фурнитуры вагонеток ($Q_{ваг}$):
  $$Q_{ваг} = G_{ваг} \cdot c_{мет} \cdot (t_{ваг}^{кон} - t_{ваг}^{нач})$$
• Физический принцип: мостовая тензометрическая схема сдвиговой балки. Упругая деформация балки преобразуется в изменение сопротивления тензорезисторов, усиливается инструментальным усилителем и оцифровывается сигма-дельта АЦП (24 бита).
• Спецификация полей JSON:
  • dryMaterialMass (кг или кг/ч) — масса сухой садки (диапазон: $100 \dots 50\,000$ кг);
  • cartAndFurnaceMass (кг) — суммарная масса металлической и огнеупорной оснастки вагонеток (диапазон: $50 \dots 10\,000$ кг).
• Метрология: класс точности С3 по ГОСТ OIML R 60-2011, максимальное число поверочных делений $n_{max} = 3000$.

{
  "dryMaterialMass": 12450.0,
  "cartAndFurnaceMass": 2800.0
}

---

[ID 5] Датчик активной электрической мощности

• Назначение в расчёте: измерение приходной статьи тепла в электропечах сопротивления ($Q_{el} = P_{el} \cdot \eta_{ten} \cdot \tau$).
• Физический принцип: микропроцессорный замер мгновенных значений фазных напряжений $u_k(t)$ и токов $i_k(t)$ с интегрированием активной мощности:
  $$P = \frac{1}{T} \sum_{k=1}^3 \int_0^T u_k(t) \cdot i_k(t) \, dt$$
• Спецификация полей JSON:
  • heatingElementPower (кВт) — суммарная активная мощность нагревательных элементов ТЭН (диапазон: $5.0 \dots 2\,000.0$ кВт).
• Метрология: класс точности $0.5\text{S}$ по ГОСТ 31819.22-2012.

{
  "heatingElementPower": 145.8
}

---

[ID 6] Анализатор параметров трехфазной сети

• Назначение в расчёте: верификация состояния электронагревателей, контроль перекоса фаз и обнаружение обрыва нихромовых/карбидокремниевых нагревателей.
• Физический принцип: трансформаторы тока нулевого потока и резистивные прецизионные делители напряжения.
• Спецификация полей JSON:
  • voltageV (В) — действующее линейное напряжение сети (номинал: $380.0$ В, диапазон: $320.0 \dots 440.0$ В);
  • currentA (А) — суммарная действующая сила тока нагревательных контуров (диапазон: $10.0 \dots 2\,500.0$ А).
• Метрология: предел погрешности измерения напряжения $\pm 0.2\%$, силы тока $\pm 0.5\%$.

{
  "voltageV": 382.4,
  "currentA": 221.6
}

---

[ID 7] Прецизионный таймер технологических фаз

• Назначение в расчёте: фиксация длительности цикла периодических камерных печей для расчета удельного часового расхода теплоты ($B_h = Q_{cycle} / \tau_{cycle}$).
• Физический принцип: аппаратный счетчик тактовых импульсов промышленного контроллера ПЛК с синхронизацией по NTP/PTP (IEEE 1588).
• Спецификация полей JSON:
  • dryingTime (с) — длительность изотермической сушки (диапазон: $1\,800 \dots 86\,400$ с);
  • tempRiseTime (с) — длительность подъема температуры (диапазон: $1\,800 \dots 43\,200$ с);
  • holdingTime (с) — длительность высокотемпературной выдержки (диапазон: $1\,800 \dots 43\,200$ с);
  • coolingTime (с) — длительность регламентного охлаждения (диапазон: $3\,600 \dots 86\,400$ с).

{
  "dryingTime": 28800,
  "tempRiseTime": 14400,
  "holdingTime": 14400,
  "coolingTime": 25200
}

---

[ID 8] Датчик частоты вращения барабана

• Назначение в расчёте: определение времени пребывания ($\tau_{res}$, мин) дисперсного материала в сушильном барабане и расчет коэффициента заполнения барабана $\beta$:
  $$\tau_{res} = \frac{k_d \cdot L}{n \cdot D \cdot \tan\psi}$$
• Физический принцип: индуктивный датчик приближения NAMUR, фиксирующий прохождение зубьев венцовой шестерни сушильного барабана.
• Спецификация полей JSON:
  • drumRotationSpeed (об/мин) — частота вращения барабана (диапазон: $0.5 \dots 15.0$ об/мин).
• Метрология: диапазон $0.1 \dots 50.0$ об/мин, погрешность $\pm 0.02$ об/мин.

{
  "drumRotationSpeed": 3.8
}

---

[ID 9] Промышленный газоанализатор дымовых газов

• Назначение в расчёте: расчет потерь от химического недожога топлива ($q_3$) и верификация коэффициента избытка воздуха по методу Бунте:
  $$q_3 = \frac{126.4 \cdot \text{CO}}{\left(Q_H^p / 100\right) \cdot (\text{CO}_2 + \text{CO})} \cdot 100\%$$
• Физический принцип:
  • $\text{CO}_2$ и $\text{CO}$: недисперсионная инфракрасная спектроскопия (NDIR) с оптической фильтрацией поглощения на длинах волн 4.26 мкм ($\text{CO}_2$) и 4.67 мкм ($\text{CO}$);
  • $\text{O}_2$: парамагнитный или электрохимический датчик.
• Спецификация полей JSON:
  • co2Percentage (%) — объемная концентрация диоксида углерода (диапазон: $0.0 \dots 20.0\%$);
  • o2Percentage (%) — объемная концентрация остаточного свободного кислорода (диапазон: $0.0 \dots 21.0\%$);
  • coPercentage (%) — объемная концентрация оксида углерода (диапазон: $0.0 \dots 2.0\%$).
• Метрология: предел допускаемой основной приведенной погрешности $\pm 1.0\%$.

{
  "co2Percentage": 11.8,
  "o2Percentage": 4.6,
  "coPercentage": 0.02
}

---

[ID 10] Датчик теплового потока через ограждения

• Назначение в расчёте: прямое экспериментальное измерение потерь теплоты в окружающую среду через футеровку стен и свода ($q_5$).
• Физический принцип: датчик вспомогательной стенки (термоэлектрический пояс). Возникновение поперечного перепада температур на тонкой калиброванной пластине тепломера, измеряемого многоспайной дифференциальной термобатареей:
  $$q = K_{sens} \cdot \Delta U_{batt} = \alpha_{sum} \cdot \Delta t$$
• Спецификация полей JSON:
  • wallsHtc (Вт/(м$^2$·°C)) — приведенный коэффициент теплоотдачи вертикальных стен;
  • wallsTempDiff (°C) — перепад температур между наружной стенкой и цеховым воздухом;
  • vaultHtc (Вт/(м$^2$·°C)) — приведенный коэффициент теплоотдачи арочного/подвесного свода;
  • vaultTempDiff (°C) — перепад температур на своде печи.

{
  "wallsHtc": 8.7,
  "wallsTempDiff": 42.0,
  "vaultHtc": 9.4,
  "vaultTempDiff": 38.5
}

---

[ID 11] Датчик расхода и температуры охлаждающей воды

• Назначение в расчёте: измерение тепловых потерь с охлаждающей водой ($Q_{water}$), используемой для защиты металлических балок, подшипниковых узлов и направляющих:
  $$Q_{water} = V_w \cdot \rho_w \cdot c_w \cdot (t_{out} - t_{in})$$
• Физический принцип: электромагнитный расходомер (закон электромагнитной индукции Фарадея $E = B \cdot d \cdot v$) плюс пара согласованных платиновых термометров сопротивления Pt100.
• Спецификация полей JSON:
  • coolingWaterFlow (м$^3$/ч) — объемный расход технической воды (диапазон: $0.2 \dots 50.0$ м$^3$/ч);
  • waterInletTemp (°C) — температура воды на входе в контур (диапазон: $5.0 \dots 25.0$ °C);
  • waterOutletTemp (°C) — температура нагретой воды на выходе (диапазон: $20.0 \dots 85.0$ °C).

{
  "coolingWaterFlow": 3.4,
  "waterInletTemp": 14.5,
  "waterOutletTemp": 41.2
}

---

[ID 12] Ультразвуковой толщиномер слоев футеровки

• Назначение в расчёте: расчет термического сопротивления кладки ($R = \sum \delta_i / \lambda_i$) и предиктивный мониторинг абразивного износа огнеупоров.
• Физический принцип: ультразвуковая эхо-импульсная локация. Фиксация времени прохождения продольной ультразвуковой волны (2.5–5.0 МГц) через твердый огнеупорный слой:
  $$\delta = \frac{v_{sound} \cdot \Delta \tau}{2}$$
• Спецификация полей JSON:
  • brickThickness (м) — фактическая толщина шамотного/динасового кирпича (номинал: $0.115 \dots 0.230$ м);
  • backfillThickness (м) — толщина теплоизоляционной засыпки или керамоволокна (номинал: $0.05 \dots 0.15$ м);
  • doorThickness (м) — толщина теплоизоляции торцевых дверей/створок (номинал: $0.04 \dots 0.10$ м).

{
  "brickThickness": 0.118,
  "backfillThickness": 0.082,
  "doorThickness": 0.045
}

---

[ID 13] Бесконтактный инфракрасный пирометр

• Назначение в расчёте: дистанционное измерение поля температур кожуха печи для локализации прогаров и расчета радиационной составляющей потерь $Q_5$:
  $$q_{рад} = \varepsilon_{кожуха} \cdot \sigma_0 \cdot \left[\left(\frac{T_{пов}}{100}\right)^4 - \left(\frac{T_{окр}}{100}\right)^4\right]$$
• Физический принцип: термоэлектрический детектор излучения (термостолбик), улавливающий интегральный лучистый поток инфракрасного диапазона (8–14 мкм) с оптическим визированием 50:1.
• Спецификация полей JSON:
  • outerWallTemp (°C) — средняя температура кожуха вертикальных стен (номинал: $45.0 \dots 85.0$ °C);
  • outerVaultTemp (°C) — температура верхней плоскости свода (номинал: $50.0 \dots 95.0$ °C);
  • outerDoorTemp (°C) — температура наружной поверхности загрузочных створок (номинал: $50.0 \dots 110.0$ °C).

{
  "outerWallTemp": 62.4,
  "outerVaultTemp": 54.8,
  "outerDoorTemp": 68.1
}

---

[ID 14] Датчик расхода вентиляционного воздуха

• Назначение в расчёте: измерение эвакуации влажного воздуха в электропечах и сушилах для расчета вентиляционных потерь ($Q_{vent}$):
  $$Q_{vent} = V_{air} \cdot c_{air} \cdot (t_{out} - t_{in})$$
• Физический принцип: калориметрический термоанемометр с платиновым нагреваемым элементом и измерителем температуры потока. Энергия, необходимая для поддержания постоянной разности температур, пропорциональна массовой скорости потока $\rho v$.
• Спецификация полей JSON:
  • airFlowRate (м$^3$/ч) — объемный расход вытяжного воздуха (диапазон: $50.0 \dots 5\,000.0$ м$^3$/ч);
  • inletAirTemp (°C) — температура свежего приточного воздуха (диапазон: $10.0 \dots 35.0$ °C);
  • outletAirTemp (°C) — температура паровоздушной смеси на выходе (диапазон: $80.0 \dots 250.0$ °C);
  • airHeatCapacity (кДж/(м$^3$·°C)) — средняя изобарная объемная теплоемкость смеси (номинал: $1.30 \dots 1.36$).

{
  "airFlowRate": 620.0,
  "inletAirTemp": 21.0,
  "outletAirTemp": 128.5,
  "airHeatCapacity": 1.325
}

---

3. Матрица применимости датчиков по типам тепловых агрегатов

В зависимости от физического принципа работы агрегата (сжигание газового топлива или электронагрев, периодический или непрерывный режим) состав используемых датчиков различается:

ID	Наименование датчика	Камерная печь (ChamberKiln)	Конвейерная печь (ConveyorKiln)	Электрическая печь (ElectricKiln)	Сушильный барабан (DrumDryer)
0	Термопара камеры и воздуха	Обязательно	Обязательно	Обязательно	Обязательно
1	Датчик давления газа/дутья	Обязательно	Обязательно	Не применимо	Обязательно
2	Влагомер сырья и изделий	Обязательно	Обязательно	Обязательно	Обязательно
3	Расходомер газа и $\alpha$	Обязательно	Обязательно	Не применимо	Обязательно
4	Весовой тензодатчик	Обязательно	Обязательно	Обязательно	Обязательно
5	Датчик мощности ТЭНов	Не применимо	Не применимо	Обязательно	Не применимо
6	Вольтметр / амперметр	Не применимо	Не применимо	Обязательно	Не применимо
7	Таймер фаз процесса	Обязательно	Опционально	Обязательно	Опционально
8	Датчик вращения барабана	Не применимо	Не применимо	Не применимо	Обязательно
9	Газоанализатор CO2/O2/CO	Обязательно	Обязательно	Не применимо	Обязательно
10	Датчик теплового потока	Опционально	Опционально	Опционально	Опционально
11	Расходомер воды охлаждения	Опционально	Обязательно	Опционально	Не применимо
12	Толщиномер футеровки	Опционально	Опционально	Опционально	Опционально
13	Пирометр наружный	Обязательно	Обязательно	Обязательно	Обязательно
14	Расходомер вентотсоса	Не применимо	Не применимо	Обязательно	Не применимо