УСТРОЙСТВО УЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПАРА/ГАЗА

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к технологии измерения параметров пара или газа в трубопроводе и может использоваться в энергетике, нефтегазовой отрасли и в коммунальном хозяйстве.
Известно электронное контрольное устройство для мониторинга паросепаратора, описанное в п. РФ №2384873 по кл. G05B 23/02, з. 19.09.06, оп. 10.11.09 (стр.8 описания, фиг. 4).
Известное электронное устройство содержит размещенные в кожухе датчик первого технологического параметра (температуры), соединенную с ним схему измерения, функционально связанную со схемой обработки сигналов, выполненной с возможностью сохранения эталонной информации и со схемой сравнения полученной информации с эталонной, а также локальный источник питания этого устройства, при этом, имеется также датчик давления, кожух может быть соединен с возможностью передачи тепла с паросепаратором, а датчик первого технологического параметра теплоизолирован от кожуха, второй датчик температуры, функционально соединенный со схемой измерений и соединенный с возможностью передачи тепла с кожухом.
Локальный источник питания соединен с трансформатором и содержит накопитель энергии, представляющий собой батарею, и электрический генератор, соединенный с накопителем энергии и представляющий собой солнечный генератор или термоэлектрический генератор, соединенный с паропроводом (термогенератор Пельтье). Выход термогенератора соединен через схему преобразования энергии с регулятором напряжения, подключенным ко всем рабочим узлам устройства.
Известное устройство является удобным в эксплуатации устройством с автономным источником питания, обеспечивающим мониторинг параметров пара и беспроводную, передачу его технологических параметров, однако его эксплуатационные возможности ограничены, т.к. с его помощью, в частности, нельзя измерить расход и вычислить количество тепловой энергии пара.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является автономное устройство учета параметров пара/газа и расчета количества энергии, описанное в одноименном патенте РФ №115004 по кл. E21B 47/00, з. 27.12.2011, оп. 20.04.2012 г. и выбранное в качестве прототипа.
Известное устройство содержит датчики температуры и давления, соединенные со входами измерительного модуля, включающего в себя схему измерения, функционально связанную со схемой обработки измеренных сигналов, соединенной с модулем беспроводной связи, локальный источник питания, выполненный в виде соединенного с паропроводом и работающего на основе эффекта Пельтье термоэлектрического генератора, к выходу которого через схему преобразования энергии подключены все перечисленные элементы и отличается тем, что в него дополнительно введен датчик расхода, схема обработки сигналов представляет собой вычислитель количества передаваемой энергии, а в качестве схемы преобразования энергии используется преобразователь напряжения DC/DC постоянного тока, подключенный к выходу термоэлектрического генератора.
Более конкретно известное устройство конструктивно выполнено следующим образом.
Автономное устройство учета параметров пара/газа и расчета количества энергии содержит датчик 1 температуры, датчик 2 давления и датчик 3 расхода, соединенные со схемой 4 измерения. Схема 4 измерения функционально связана со схемой 5 обработки сигналов, которая соединена с модулем 6 беспроводной связи. Имеется локальный источник 7 питания в виде соединенного с паропроводом и работающего на основе эффекта Пельтье термоэлектрического генератора, к выходу которого через схему 8 преобразования энергии подключены все перечисленные рабочие элементы.
При этом схема 5 обработки сигналов представляет собой вычислитель количества тепловой энергии пара, а схема 8 преобразования энергии - преобразователь напряжения DC/DC постоянного тока, подключенный к выходу термоэлектрического генератора 7.
В качестве датчика 3 расхода может использоваться, в частности, расходомер ЭМИС-ВИХРЬ 200. Схема 4 измерения и схема 5 обработки сигналов могут быть выполнены на контроллере серии ТЭКОН (вычислитель). В качестве модуля беспроводной связи для передачи данных может использоваться контроллер GPRS/CSD модели К-105. В качестве верхнего уровня может использоваться программный комплекс «ИСКРА» обеспечивающий сбор данных с контроллеров серии ТЭКОН.
Недостатком известного устройства является то, что оно имеет ограниченные эксплуатационные возможности по следующим причинам.
Источником питания в устройстве служит термоэлектрический генератор.
Термоэлектрический генератор выполняется на полупроводниковые термогенераторных модулях, работающих по известному принципу термопары (вырабатываемая электрическая мощность зависит от разности температур на контактах/спаях - эффект Зеебека). Они, также, могут работать в качестве охладителя или нагревателя, если через устройство направить постоянный ток (элемент Пельтье). Для термоэлементов, применяемых, как в режиме генерации электроэнергии, так и для охлаждения, характерен относительно низкий КПД (коэффициент полезного действия), который не превышает 10%.
В состав термоэлектрических генераторов входят термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов, соединенных последовательно или параллельно и теплообменники горячих и холодных спаев термобатарей. Принципиальная схема электрической цепи термоэлектрического генератора включает в себя полупроводниковый термоэлемент, состоящий из элементов разного типа проводимости, то есть обладающими разными знаками коэффициента термоэлектродвижущей силы, коммутационные пластины горячего и холодного спаев и активную нагрузку. В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку в цепи течет постоянный ток, обусловленный эффектом Зеебека.
Полупроводниковые материалы, применяемые в таких генераторах, имеют больший коэффициент термоЭДС (способность вырабатывать электрический ток при нагреве - охлаждении), хорошую электропроводность и малую теплопроводность, что обеспечивает требуемый перепад температур между холодными и горячими спаями кристаллов. Для нагрева горячего спая используется побочное тепло (солнечный свет, стенки разогревающейся при работе установки или поверхность паропровода). Для охлаждения холодного спая обычно используется окружающая среда - воздух. Недостатком термоэлектрических генераторов является низкий кпд (<10%) и необходимость обеспечить достаточный перепад температур между холодным и горячим спаями (>80°C) для получения номинальной выходной мощности. Несмотря на это термоэлектрические генераторы нашли широкое применение для питания автономных устройств электроники.
Термоэлектрический генератор в устройстве соединен с паропроводом и при уменьшении разности температур между наружной средой и паропровода меньше 80°C его работоспособность не гарантирована. Для газа, температура которого в трубопроводе обычно ниже температуры окружающей среды и гораздо ниже температуры пара, работоспособность термоэлектрического генератора вообще не обеспечивается.
По этой причине эксплуатационные возможности известного устройства ограничены.
Кроме того, использование аналоговых датчиков для измерения параметров среды и схемы измерения для преобразования сигналов, снижает точность.
Задачей является расширение эксплуатационных возможностей и повышения надежности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве учета параметров пара/газа, содержащем датчики температуры, давления и расхода, соединенные с измерительным модулем, включающим в себя схему обработки измеренных сигналов, соединенную с модулем передачи данных, и локальный источник питания, соединенный с преобразователем напряжения, к выходу которого подключены все перечисленные элементы, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, локальный источник питания представляет собой солнечную батарею, подключенную ко входу преобразователя напряжения, к выходу которого дополнительно подключен резервный источник питания, содержащий устройство заряда, соединенное с буферной батареей и входами остальных элементов устройства.
При этом локальный источник питания может дополнительно содержать термоэлектрогенератор.
При этом в качестве датчиков могут использоваться цифровые датчики температуры, давления и расхода, объединенные цифровым интерфейсом и соединенные через схему сопряжения со входами схемы обработки сигнала измерительного модуля или аналоговые датчики температуры, давления и расхода, соединенные через схему измерения со входами схемы обработки.
Кроме того, в устройстве в качестве датчиков расхода и температуры может использоваться датчик расхода со встроенным датчиком температуры.
Использование в устройстве солнечной батареи и введение дополнительного резервного источника питания, включающего в себя устройство заряда и соединенную с ним буферную батарею, обеспечивают работоспособность устройства при любых условиях эксплуатации, расширяя тем самым эксплуатационные возможности устройства по измерению параметров низкотемпературных сред, повышая надежность измерения и сохранения измеренных параметров.
Возможное использования цифровых датчиков и схемы сопряжения упрощает конструкцию устройства, повышает его надежность и точность измерений.
Использование датчика расхода со встроенным датчиком температуры удешевляет устройство и повышает его надежность.
Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей устройства при одновременном повышении его надежности.
Заявляемое устройство обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение источника питания в виде солнечной батареи и наличие подключенного к выходу преобразователя напряжения резервного источника питания, содержащего устройство заряда, соединенное с буферной батареей, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в энергетике, нефтегазовой промышленности и в коммунальном хозяйстве, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на:
фиг. 1 - функциональная схема устройства с аналоговыми датчиками;
фиг. 2 - функциональная схема устройства с цифровыми датчиками;
фиг. 3 - функциональная схема устройства с цифровым датчиком давления и датчиком расхода со встроенным датчиком температуры.
Заявляемое устройство учета параметров пара/газа содержит датчик 1 расхода, датчик 2 температуры и датчик 3 давления, соединенные со схемой 4 измерения (преобразования) или сопряжения для цифровых датчиков. Схема 4 измерения применяется при использовании в устройстве аналоговых датчиков, а схема 4 сопряжения - при использовании цифровых датчиков. Схема 4 функционально связана со схемой 5 обработки сигналов, которая соединена с модулем 6 передачи данных. При этом схема 4 и схема 5 образуют измерительный модуль, представляющий собой вычислитель 7 количества энергии или приведенного расхода газа. Имеется локальный источник 8 питания в виде солнечной батареи 9, к выходу которой через преобразователь 10 напряжения подключен резервный источник питания 11, состоящий из устройства 12 заряда и буферной батареи 13. Одновременно с солнечной батареей 9, в локальном источнике 8 питания может быть использована термоэлектрическая батарея 14.
Преобразователь 10 напряжения выполнен двухвходовым и представляет собой преобразователь напряжения DC/DC постоянного тока, подключенный к выходу источника 8 питания. Схема 4 измерения (преобразования) или сопряжения производит преобразование сигналов аналоговых датчиков 1, 2, 3 или сопряжение цифровых датчиков 1, 2, 3 со схемой 5 обработки сигналов. Модуль 6 передачи данных осуществляет передачу измеренной информации по беспроводному интерфейсу, по цифровому высокоскоростному интерфейсу или сети сотовой связи на персональный компьютер или в систему верхнего уровня, где программное обеспечение 15 верхнего уровня осуществляет дополнительную обработку данных.
Устройство работает следующим образом.
Датчики 1, 2, 3, установленные на паро- или газопроводе, осуществляют измерение и преобразование в электрические сигналы параметров измеряемой среды - расхода, давления, температуры. С выхода датчиков 1-3 сигналы поступают на схему 4 измерения или сопряжения, где преобразуются в цифровой сигнал и поступают на схему 5 обработки сигналов, где осуществляется расчет количества энергии пара или приведенного расхода газа. Рассчитанные данные поступают на модуль 6 передачи данных, который осуществляет передачу данных на верхний уровень посредством беспроводных или проводных протоколов связи.
Схема 4 измерения или сопряжения и схема 5 обработки сигналов представляют собой вычислитель 7 количества тепловой энергии и/или приведенного расхода газа. При этом электропитание всех элементов устройства осуществляется с помощью источника 8 питания, выполненного в виде солнечной батареи 9. На выходе источника 8 питания установлен преобразователь 10 напряжения DC/DC постоянного тока, к выходу которого подключен резервный источник 11 питания в виде устройства 12 заряда, к входу которого подключена буферная батарея 13. Устройство 12 заряда и преобразователь 10 напряжения обеспечивают требуемое постоянное напряжение питания датчика 1 расхода, датчика 2 температуры и датчика 3 давления, схемы 4 измерения или сопряжения, схемы 5 обработки сигналов и модуля 6 передачи данных независимо от параметров температуры измеряемой среды и окружающего воздуха. Это гарантирует измерение, расчет и архивирование параметров рабочей среды при всех рабочих условиях. В случае несрабатывания солнечной батареи 9 или термоэлектрической батареи 14 питание элементов устройства производится от резервного источника 11. Модуль 6 передачи данных осуществляет передачу данных посредством беспроводных или проводных протоколов связи для обработки программным обеспечением 15 верхнего уровня.
В качестве датчика 1 расхода могут использоваться вихревые расходомеры Rosemount 8600D или 8800D, в качестве датчика 3 давления могут использоваться датчики Метран-150 или Метран-75, в качестве датчика 2 температуры - датчики Метран-2000 или Мет-ран-2700. В качестве вычислителя 7 могут использоваться контроллеры Тэкон или FloBoss, в качестве модуля 6 передачи данных могут использоваться контроллер Ethernet К-104 или контроллер GSM/GPRS К-105, Network Radio Module Wi-Fi модуль, IEC 62591 модуль. В качестве термоэлектрической батареи 14 может использоваться термогенератор ТЭГ-5, в качестве солнечной батареи 9 может быть использована батарея NP125GK.
Программное обеспечение 15 верхнего уровня может быть выполнено в виде ОРС-сервера (OLE for Process Control) или специализированного программного обеспечения, установленного на персональном компьютере. ОРС-сервер или специализированное ПО обеспечивают сбор данных с контроллера и их документирование и архивирование. Программное обеспечение работает под управлением операционной системы Windows.
В сравнении с прототипом заявляемое устройство учета параметров пара/газа и расчета количества энергии имеет более широкие эксплуатационные возможности и является более надежным.