ТЕПЛОСЧЕТЧИК ДЛЯ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, может быть использована в контрольно-измерительных приборах для открытых систем отопления и горячего водоснабжения и позволяет вести учет потребляемой с водой тепловой энергии без использования сетевого или батарейного электропитания.
Схематические решения при построении теплосчетчиков предопределены известной зависимостью величины тепловой энергии от первичных параметров
где G - объемный расход теплоносителя;
Cp - теплоемкость теплоносителя;
Δt° - перепад температур теплоносителя до и после объекта теплопотребления;
τ - время.
Для обработки сигналов первичных преобразователей (датчиков) используют вычислительное устройство.
Так, в теплосчетчике-расходомере (патент RU 2124188, опубл. 27.12.1988) датчики температуры размещены на входе и выходе объекта теплопотребления, а расходомерная часть представлена кольцевым каналом с радиаторами и датчиками теплового потока и датчиком разности температур. Сигналы датчиков обрабатываются вычислительным устройством. Здесь не раскрыто содержание датчиков теплового потока, то есть их устройство и связь выходного сигнала с первичными параметрами. Следует ожидать ограниченной точности измерения, так как температура поверхности радиатора не может быть одинаковой во всех точках. Теплосчетчик-расходомер требует внешнего электропитания.
В теплосчетчике-расходомере (патент RU 2152599, опубл. 10.07.2000) расходомерная часть содержит два одинаковых ответвления, на наружных поверхностях которых размещены датчики теплового потока с радиаторами, причем один из радиаторов ответвлений теплоизолирован. Между ответвлениями помещен датчик разности температур. Имеются датчики температур теплоносителя. Все датчики связаны с измерительно-вычислительным блоком. Здесь также присутствует проблема точности измерения расхода, обусловленная стабильностью температуры теплоизолированного радиатора. Рассматриваемый теплосчетчик-расходомер предполагает внешнее электропитание.
Подобный предыдущему принцип работы расходомерной части применен в теплосчетчике-расходомере (патент RU 2182319, опубл. 20.06.1999). Имеются корпус и радиаторы с датчиками теплового потока. Внутри канала расположены стаканы, внутрь которых входят патрубки, а между дном одного и дном другого стаканов помещен датчик разности температур. Также имеются датчики температур теплоносителя до и после объекта теплопотребления. Обработка сигналов всех датчиков осуществляется измерительно-вычислительным устройством. Теплосчтчик-расходомер ориентирован на внешнее электропитание.
С позиций автономности электропитания представляет интерес устройство теплосчетчика (патент RU 2148803, опубл. 10.05.2000). В этом теплосчетчике имеется источник напряжения, расходомер, питающий мостовую схему с термометрами сопротивления прямого и обратного потоков теплоносителя, выходы которой по одному каналу через усилитель, а по другому через нуль - орган управляют электронным ключом. Импульсы с электронного ключа через схему ИЛИ поступают на вход электромеханического счетчика. Предусмотрен канал измерения тепловой энергии при нулевом потенциале на источнике напряжения. Работа канала заключается в преобразовании части тепловой энергии источника тепла с помощью термоэлектрического генератора в электрическую, накоплении ее в накопителе и периодическом разряде накопителя для управления электромеханическим счетчиком за счет накопленной энергии и измерения всего количества тепла, передаваемого источником окружающей среде. Полагают, что при этом нет необходимости определять расход теплоносителя, а также измерять температуру прямого и обратного потоков теплоносителя. При этом исходят из того, что достаточной информацией для определения теплового потока и суммарного расхода тепла за время измерений является информация о средней температуре поверхности теплообменника (радиатора водяного или парового отопления и температуре нагреваемой среды (воздуха в помещении). Канал содержит термоэлектрический генератор, составленный из теплопроводной платы с горячими концами термоэлементов и радиатора, помещенного в проницаемый для воздуха в помещении корпус, с холодными концами термоэлементов. Накопление энергии термоэлектрического генератора на накопителе осуществляется через корректирующее и термокомпенсирующее устройство, а разряд, накопителя на электромеханический счетчик - через пороговое устройство и ряд логических элементов. Анализируя рассмотренное техническое решение, можно отметить, что точность измерения количества тепловой энергии ограничена, поскольку в расчет берется средняя температура теплопроводной платы с горячими концами термоэлементов и средняя температура радиатора с холодными концами термоэлементов. Из приведенного описания изобретения к патенту не ясно как получают электропитание при нулевом потенциале источника напряжения логические элементы НЕ, 2И и ИЛИ.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является устройство для измерения количества тепловой энергии, передаваемой водой горячего водоснабжения по патенту RU 2 189572, опубликованному 20.09.2002.
Устройство содержит счетное устройство (электромеханический счетчик), источник напряжения, расходомер, выходы которого подключены к питающей диагонали мостовой схемы с термометрами сопротивления в смежных плечах, выходная диагональ которой через усилитель соединена с ключом, и нуль - орган, выходом соединенный с управляющим входом ключа, а входом соединенный через два резистора с питающей диагональю мостовой схемы. Имеется катушка с магнитным сердечником, диод, конденсатор, корректирующее устройство, нормализатор, множительное устройство (вычислительное устройство), накопитель электрической энергии, два пороговых устройства, первый блок И, термоэлектрический генератор, блок связи и свободно вращающаяся крыльчатка (турбинка), при этом блок связи содержит последовательно соединенные блок НЕ, второй блок И и блок ИЛИ, а на концах лопастей турбинки установлены наконечники из магнитопроводящего материала, причем в корпусе расходомера в плоскости вращения наконечников проделано отверстие, в котором герметично установлена полая пробка, в полости которой размещены катушка с магнитным сердечником, конденсатор и диод, при этом конец обмотки катушки подсоединен к одному из выводов конденсатора, к другому выводу которого подсоединены анод диода и "масса" (общая электрическая шина), катод диода подсоединен к началу обмотки катушки и через корректирующее устройство, нормализатор, множительное устройство, накопитель электрической энергии, первое пороговое устройство и первый блок И подсоединен ко второму входу второго блока И, второй вход множительного устройства соединен с выходом термоэлектрического генератора через второе пороговое устройство, выход накопителя соединен со вторым входом первого блока И, вход блока НЕ подсоединен к выходу источника напряжения, второй вход блока ИЛИ соединен с выходом ключа, а выход блока ИЛИ соединен с входом электромеханического счетчика, при этом горячие концы термоэлементов термоэлектрического генератора размещены в потоке горячей воды, а холодные концы размещены в потоке холодной воды.
Этому устройству свойственны те же недостатки, что и аналогам, а именно: ограниченная точность измерения тепловой энергии. Это ограничение обусловлено аналоговой формой преобразования. На точность измерения оказывает существенное влияние стабильность порога срабатывания пороговых устройств. В частности, как отмечено в описании к патенту, применен полупроводниковый диод, напряжение "диодной пятки" (0,5 В) которого значительно зависит от температуры. Для турбинных расходомеров характерно наличие скольжения (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989, - 701 с), то есть вращение турбинки отстает от потока теплоносителя. Этот факт не учитывает рассматриваемое устройство. С энергетической точки зрения следует заметить низкий коэффициент полезного действия преобразователя частоты вращения турбинки в электрический сигнал. Низкий КПД обусловлен тем, что магнитная цепь преобразователя разомкнута. Катушка с магнитным сердечником установлена радиально по отношению к турбинке. В момент нахождения наконечника лопасти турбинки напротив торца магнитного сердечника, магнитный поток замыкается через указанные элементы, зазор между ними и окружающее пространство. При повороте турбинки наконечник смещается относительно торца магнитного сердечника, магнитное сопротивление цепи растет. Таким образом, разность магнитных сопротивлений цепи определяется только магнитным сопротивлением наконечника на фоне большого магнитного сопротивления воздуха.
В отмеченных выше устройствах предусматривается источник напряжения.
Техническим результатом предлагаемого решения является устранение указанных недостатков, а именно: повышение точности измерения и исключение сторонних источников электропитания.
Указанный технический результат достигается тем, что теплосчетчик для систем горячего водоснабжения, содержащий вычислительное устройство, электромеханический счетчик, термоэлектрический генератор, горячие концы термоэлементов которого размещены в потоке горячей воды, а холодные концы в потоке холодной воды, турбинный расходомер с преобразователем в составе катушки с магнитным сердечником и накопитель электрической энергии, снабжен блоком управления, аналогоцифровым преобразователем, формирователем импульсов и электронным ключом, входы вычислительного устройства подключены к выходам блока управления, аналогоцифрового преобразователя и формирователя импульсов, выход вычислительного устройства соединен с электромеханическим счетчиком через электронный ключ, выход преобразователя турбинного расходомера связан с входами накопителя электрической энергии и формирователя импульсов, выход термоэлектрического генератора соединен с входами аналогоцифрового преобразователя, при этом накопитель электрической энергии связан шиной питания с вычислительным устройством, аналогоцифровым преобразователем, блоком управления, формирователем импульсов и электронным ключом.
В предлагаемом теплосчетчике блок управления выполнен в составе генератора опорной частоты, двух делителей частоты и счетного триггера, при этом выходы генератора опорной частоты, счетного триггера и первого делителя частоты образуют выходы блока управления, а вход счетного триггера соединен с выходом генератора опорной частоты через второй делитель частоты.
В предлагаемом теплосчетчике турбинный расходомер с преобразователем выполнен на основе осевой поворотной турбинки из магнитомягкого материала, помещенной в немагнитопроводный корпус в виде трубы, преобразователь содержит магнитопроводные наконечники по числу лопастей турбинки, закрепленные радиально на корпусе в плоскости вращения турбинки с равным ей угловым шагом, их внутренние торцовые части выполнены по цилиндрической поверхности, совпадающей с внутренней поверхностью корпуса, а катушки с магнитными сердечниками установлены по хордам эквидистантной корпусу окружности между полюсными наконечниками, при этом концы обмоток катушек подключены к накопителю электрической энергии.
В предлагаемом теплосчетчике накопитель электрической энергии выполнен на основе элемента удерживающего электрический заряд, преимущественно ионистора, один вывод которого образует общую электрическую шину, к которой присоединены первые выводы катушек преобразователя турбинного расходомера, а к другому через выпрямительные диоды подключены вторые выводы катушек преобразователя турбинного расходомера, первый вывод резистора и коллектор транзистора, второй вывод резистора связан с базой транзистора и через стабилитрон с общей электрической шиной, при этом эммитер соединен с общей шиной конденсатором с образованием первой линии шины питания, а вторую линию шины питания образует вывод коллектора транзистора.
В предлагаемом теплосчетчике термоэлектрический генератор выполнен в виде двух последовательно-встречно включенных термоэлементов, преимущественно термопар, свободные концы которых связаны конденсатором и образуют выход термоэлектрического генератора.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена функциональная схема теплосчетчика систем горячего водоснабжения; на фиг. 2 - конструктивная схема расходомера с преобразователем; на фиг. 3 - электрическая принципиальная схема накопителя электрической энергии с элементами преобразователя расходомера; на фиг. 4 - электрическая схема термоэлектрического генератора; на фиг. 5 - циклограмма работы теплосчетчика систем горячего водоснабжения.
Функциональную схему теплосчетчика составляют:
1 - расходомер;
2 - накопитель электрической энергии;
3 - термоэлектрический генератор;
4 - аналогоцифровой преобразователь;
5 - блок управления;
6 - формирователь импульсов;
7 - электронный ключ;
8 - электромеханический счетчик;
9 - вычислительное устройство;
В свою очередь блок управления 5 представлен функциональными устройствами:
10 - высокочастотный генератор опорной частоты (диапазон частот - 10 МГц);
11 - первый делитель частоты. Выходная частота определяется временем срабатывания электромеханического счетчика 8 (диапазоны частот - малые десятки Гц);
12 - второй делитель частоты. Выходная частота определяется, в основном, временем считывания результата вычислений, то есть временем работы электромеханического счетчика, поскольку минимальное время измерения лимитируется периодом частоты преобразователя расходомера, а время вычислений мало.
13 - счетный триггер.
Блоки 4, 6, 7, 10, 11, 12, 13 это типовые узлы импульсной техники. Формирователь 6 чаще всего представлен в виде триггера Шмидта. Для этих устройств существуют микромощные интегральные схемы на комплементарных структурах. Связи между функциональными блоками отражены в предыдущем разделе и на фиг. 1.
Обратимся к устройству других функциональных блоков в предложенном теплосчетчике.
Расходомер (фиг.2) устанавливают в поток воды. Он имеет немагнитный корпус 14 в виде трубы. Внутри корпуса в осевом направлении в подшипниках (на чертеже не показаны) установлена турбинка 15 из магнитомягкого материала. Количество лопастей турбинки зависит от их формы и сечения трубы (обычно от 4-х до 24-х). На корпусе в сквозных отверстиях закреплены полюсные наконечники 16, которые, как и турбинка, выполнены из магнитомягкого материала. Внутренняя торцовая часть полюсных наконечников имеет цилиндрическую форму, совпадающую с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. Снаружи корпуса по хордам эквидистантной корпусу окружности между соседними полюсными наконечниками закреплены магнитные сердечники (постоянные магниты) 17 с катушками 18. Постоянные магниты имеют последовательное расположение полюсов
Поскольку вся конструкция симметрична, то рассмотрим прохождение турбинкой одного шага. Пусть в исходном положении лопасти турбинки находятся между полюсными наконечниками. Когда лопасти подходят к полюсным наконечникам, зазор между ними начинает уменьшаться, пропорционально уменьшается магнитное сопротивление зазора и растет магнитный поток в контуре "магнитный сердечник - полюсные наконечники - турбинка". Когда лопасти будут проходить симметричное положение, магнитный зазор будет возрастать, следовательно, будет уменьшаться магнитный поток контура. По закону электромагнитной индукции Фарадея, пропорционально скорости изменения магнитного потока в катушке будет наводиться ЭДС. Таким образом, в обмотках катушки при вращении турбинки возникает ЭДС двойной полярности, частота импульсов которой пропорциональна частоте вращения турбинки. С учетом потерь энергии на сопротивление вращению, частота вращения турбинки отстает от потока воды (эффект скольжения), поэтому расход С равен
c
где k - конструктивный коэффициент, учитывающий скольжение;
f - частота импульсов ЭДС.
Заметим, что полярность импульсов зависит от направления витков катушки. Для обеспечения однотипности формы импульсов следует соблюдать однотипность подключения катушек, то есть их начала (Н) и конца (К). По причине симметрии устройства можно одновременно поменять местами концы обмотки, а также порядок чередования магнитных полюсов сердечников катушки.
В электрическом смысле такой расходомер является электрическим генератором. Очевидно, информационный сигнал можно снимать с одной катушки. Казалось бы для отбора энергии достаточно одной катушки. Но при этом возникает неуравновешенная радиальная сила, действующая на турбинку и увеличивающая трение в подшипниках.
Энергия импульсов на катушках расходомера используется для питания других функциональных блоков теплосчетчика. Для этого служит накопитель электрической энергии 2. С позиций удобства рассмотрения на схеме фиг. 3 изображены катушки с индуктивностью L расходомера, начала обмоток отмечены точками. Здесь же показан выход частотного сигнала расходомера - f.
1
n
c
CT
CT
CT
CT
Ф
CT
Функцию накопления электрической энергии выполняет ионистор С (конденсатор). Импульсы ЭДС катушек L расходомера переводятся в однополярную форму выпрямительными диодами VD-VD (n - количество катушек) и их энергия накапливается на ионисторе. Получаемое напряжение V зависит от частоты вращения турбинки расходомера. Предусмотрен стабилизатор напряжения на транзисторе VT. Опорное напряжение задает стабилитрон VD, ток которого определен резистором R. Стабилизатор напряжения представляет собой эмиттерный повторитель, поэтому выходное напряжение U практически равно напряжению стабилизации стабилизатора VD. Для снижения пульсаций напряжения U предусмотрен конденсатор C. Таким образом, накопитель электрической энергии имеет две линии шины питания: первая линия U для питания функциональных блоков теплосчетчика стабилизированным напряжением, вторая линия для питания электронного ключа 7. Такое разделение обеспечивает повышенную помехоустойчивость, так как импульс тока на электромеханическом счетчике 8 требует сравнительно большой энергии.
1
2
1
2
Термоэлектрический генератор 3 (фиг. 4) представляет собой два последовательно-встречно включенных термоэлемента ТЭ и ТЭ. Их концы "Г" помещены в поток горячей воды, а концы "X" - в поток холодной воды. В качестве термоэлементов можно использовать термопары (хромель-копель и другие), тогда концы "Г" и "X" это спаи термопар, концы "О" размещены на плате электронного блока и имеют температуру окружающего воздуха. ТермоЭДС Е каждого термоэлемента будет определяться разностью температур спая и концов "О". Достоинством такого включения термоэлементов является то, что разностная ЭДС ΔЕ=Е-Е не зависит от температуры воздуха (точки "О") и линейности характеристик термоэлементов. Для исключения пульсаций термоЭДС ΔЕ в течении короткого цикла измерений предусмотрен электрический фильтр. Если собственные (внутренние) сопротивления термоэлементов малы, то фильтр выполняют в виде интегрирующей RC - цепи. Применительно к случаю термопар с длинными проводниками, собственное сопротивление термоэлементов сравнительно велико, тогда функция R заменит это сопротивление и фильтр может быть представлен только конденсатором C. На фигуре 4 сопротивление R следует рассматривать как внутреннее сопротивление термоэлементов, если они высокоомны, как в случае термопар.
Вычислительное устройство 9 реализует функцию
где W - тепловая энергия за один цикл измерения;
G - объемный расход теплоносителя;
P
C - теплоемкость теплоносителя;
Δt° - разность температур горячего и холодного потока теплоносителя;
Δτ - цикл измерения;
c
k - коэффициент учитывающий конструктивные параметры теплосчетчика и коэффициент скольжения расходомера k.
Под циклом измерения Δτ следует понимать период работы счетного триггера 13 блока управления 5.
Вычислительное устройство может быть реализовано на микроконтроллере, например фирм Intel, Microchip и других. При выборе микроконтроллера необходимо иметь в виду то, что он должен содержать ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).
Входными сигналами вычислительного устройства являются:
- тактовая частота с выхода высокочастотного генератора опорной частоты 10 блока управления 5;
- частота I преобразователя расходомера 1, поступающая через формирователь 6;
- выходной сигнал счетного триггера 13 блока управления 5;
- код аналогоцифрового преобразователя 4, отражающий разность температур Δt°;
- частота считывания результата вычислений с выходного счетчика вычислительного устройства.
Выходным сигналом вычислительного устройства является последовательность импульсов (если ΔW≠0), поступающая на электромеханический счетчик 8 через электронный ключ 7.
Работа теплосчетчика для систем горячего водоснабжения заключается в следующем.
c
CT
Предварительно, вычислительное устройство 9 программируется в соответствии с формулой (3). Пусть в исходном положении электромеханический счетчик 8 обнулен. Вне зависимости от расхода теплоносителя, на выходе термоэлектрического генератора 3 присутствует ЭДС ДЕ. Когда появляется расход теплоносителя, турбинка 15 расходомера 1 начинает вращаться, при этом на катушках 18 индуцируется ЭДС , энергия которой накапливается на ионисторе С (фиг.3). В результате на выходах U и U появляется электрическое напряжение питания, а фронтом этого напряжения осуществляется обнуление электронных функциональных блоков. Заметим, что от момента начала вращения турбинки до полного заряда ионистора проходят доли секунды, так как в реальном расходомере частота импульсов преобразователя составляет многие сотни Гц (до 1 кГц).
10
12
13
1
2
2
3
4
4
5
5
i
Далее работу теплосчетчика удобно проследить по циклограмме фиг. 5. Эпюра U=f(τ) отражает работу генератора опорной частоты 10 блока управления 5. Эпюра U отражает импульсы на выходе делителя 12 блока управления. Эпюра U соответствует выходному напряжению счетного триггера 13 блока управления. Пусть в момент времени τ очередной импульс U делителя 12 переводит счетный триггер 13 в единичное состояние. С этого момента вычислительное устройство 9 переносит и усредняет на свои входные регистры частоту f преобразователя расходомера (с выхода формирователя 6) и код аналогоцифрового преобразователя 4. В момент τ счетный триггер 13 устройства управления опрокидывается, при этом вычислительное устройство начинает производить вычисление и заканчивает в момент τ. Результат вычислений записывается в счетчик (регистр) результата вычислительного устройства 9. Далее, в соответствии с программой, открывается вход считывания вычислительного устройства, в результате поступает низкая частота с выхода первого делителя 11 и вычислительное устройство передает записанное количество импульсов регистра результата через ключ 7 на электромеханический счетчик 8. Время окончания считывания τ зависит от результата (количества импульсов в счетчике результата вычислительного устройства 9), но параметры выбраны так, что τ при любом результате (в пределах диапазона измерения теплосчетчика) меньше момента времени τ очередного опрокидывания счетного триггера 13 блока управления 5. Начиная с момента времени τ, цикл работы повторяется. В итоге за каждый цикл работы электромеханический счетчик будет дополняться количеством срабатываний, соответствующим величине ΔW. Электромеханический счетчик как интегратор, пополняясь будет сохранять суммарное значение потребляемой тепловой энергии за весь интервал измерениям τ→см. формулу (1) - вне зависимости от того, были ли перерывы в потреблении тепловой энергии.
Таким образом, предлагаемый теплосчетчик при высокой точности измерения не требует стороннего электропитания и полностью автономен.