ТЕПЛОСЧЕТЧИК

Предлагаемое изобретение относится к технике учета тепловой энергии и может быть использовано в системах учета тепловой энергии, предназначенных для коммерческого учета потребляемой тепловой энергии различными объектами народнохозяйственного назначения и имеющих большое количество каналов и протяженные линии связи между вычислительным устройством и датчиками температуры и расхода теплоносителя.
Известен теплосчетчик, описанный в патенте на изобретение России №2041450, опубликованном 09.08.1995 г.. Известный теплосчетчик работает, в том числе, и в условиях неравенства расходов жидкого теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах, т.е. в условиях, когда возвратный поток меньше прямого.
Теплосчетчик содержит первый и второй датчики температуры с электрическим выходом, установленные в прямом и обратном трубопроводах, первый и второй расходомеры с частотным выходом, подключенные к первому и второму формирователям импульсов, первый преобразователь напряжение частота импульсов и реверсивный и суммирующий счетчики. Также теплосчетчик содержит второй преобразователь напряжение частота импульсов, первый и второй элементы И и преобразователь код-частота импульсов, при этом выходы первого и второго датчиков температуры соединены с входами первого и второго преобразователей напряжение частота импульсов, подключенных к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к выходам первого и второго формирователей импульсов, выход первого элемента И соединен с частотным входом преобразователя код частота импульсов, первый выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, суммирующий вход которого подключен к выходу второго элемента И, многоразрядный выход реверсивного счетчика соединен с входом задания частоты преобразователя код - частота импульсов, второй выход которого подключен к входу суммирующего счетчика.
Недостатком данного теплосчетчика являются небольшие функциональные возможности. Теплосчетчик не работает в «спящем» режиме от автономного источника питания. Теплосчетчик работает только по месту установки, у него нет связи с компьютером верхнего уровня.
Известна система учета тепловой энергии, описанная в патенте России №2215999, опубликованном 10.11.2003 г.
Предлагаемое изобретение относится к технике учета тепловой энергии и может быть использовано в системах учета тепловой энергии, предназначенных для коммерческого учета потребляемой тепловой энергии различными объектами народнохозяйственного назначения и имеющих большое количество каналов и протяженные линии связи между вычислительным устройством и датчиками температуры, давления и расхода теплоносителя. Задачей изобретения является повышение точности результатов измерения при одновременном сокращении коммуникаций системы учета тепловой энергии. Система обрабатывает измеренные теплотехнические параметры теплоносителя непосредственно в каждом канале и формирует объединенный сигнал для передачи в вычислительное устройство по линии связи.
Система учета тепловой энергии содержит вычислительное устройство, двунаправленную линию связи, а в каждом из “n” каналов датчики температуры, давления и расхода теплоносителя, генератор тока, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления, введены устройство кодирования и устройство декодирования, соединенные с вычислительным устройством, а в каждый из “n” каналов введены первый и второй коммутаторы, первый и второй сумматоры, первое и второе устройства усреднения, счетчик, устройство преобразования текущих данных расхода теплоносителя, устройство фиксирования адреса, формирователь сигнала ответа, устройство кодирования и устройство декодирования.
Кроме того, в системе учета тепловой энергии формирователь сигнала ответа состоит из устройства управления, устройства хранения служебной информации, четырех коммутаторов, устройств хранения текущих данных соответственно температуры, давления, расхода теплоносителя.
Кроме того, в системе учета тепловой энергии устройство преобразования состоит из счетчика, умножителя, устройства ввода.
Недостатком данной системы учета тепловой энергии являются небольшие функциональные возможности. Теплосчетчик не работает в «спящем» режиме от автономного источника питания. Теплосчетчик работает только по месту установки, у него нет связи с компьютером верхнего уровня.
Известен теплосчетчик, описанный в патенте России на полезную модель №43969, опубликованном 10.02.2005 г.
Теплосчетчик относится к области техники учета тепловой энергии и предназначена для применения в узлах учета и контроля тепловой энергии и теплоносителя с целью сбора и представления данных по коммерческому учету теплопотребления. Теплосчетчик обладает унифицированной конструкцией, в которой при замене одного типа датчика на другой, нужно провести минимальные изменения прибора. Предлагаемый теплосчетчик содержит датчики расхода, давления, температуры теплоносителя, блок обработки, клавиатуру и устройство индикации. Блок обработки выполнен в виде двух модулей, один из которых измерительный, а второй вычислительный, а датчики расхода, давления и температуры теплоносителя подключены ко входам измерительного модуля, выход которого соединен со входом вычислительного модуля, соединенного с клавиатурой и блоком индикации. Такая конструкция позволяет достаточно просто выполнить требуемую конфигурацию теплосчетчика по заявке заказчика при выпуске из производства, либо непосредственно на объекте эксплуатации в соответствии с заданным режимом функционирования, типом используемых преобразователей расхода, температуры и давления. Для изменения конфигурации достаточно заменить только измерительный модуль, оставив остальную часть прибора без изменений. Таким образом, получена достаточно унифицированная конструкция.
Недостатком данной системы учета тепловой энергии являются ее небольшие функциональные возможности, а также необходимость замены измерительного модуля для изменения конфигурации. Теплосчетчик не работает в «спящем» режиме от автономного источника питания. Теплосчетчик работает только по месту установки, у него нет связи с компьютером верхнего уровня.
Также известны из сайтов INTERNETa следующие тепловычислители.
Тепловычислитель НПЦ ТВ-М, который входит в состав счетчика тепловой энергии “Водолей-М”. “Водолей-М” широко устанавливался на предприятиях энергетики, промышленности и коммунального хозяйства Челябинской области и не только. Сайт: (http://1_2000/1_00_11.htm).
Тепловычислитель ТСРВ-030, входит в состав Теплосчетчика-регистратора «ВЗЛЕТ ТСР» выпускаемый ЗАО «ВЗЛЕТ», город Санкт-Петербург. (http://www.vzljot.ru)
Вычислитель «ЭЛЬФ», входит в состав счетчика количества теплоты, воды и электрической энергии «Эльф» выпускаемый НПП «УралТехнология», город Екатеринбург. (http://)
Вычислитель «Multidata», входит в состав счетчика СТК “MULTIDATA” выпускаемый предприятием «Ценнер-Водоприбор Лтд.», город Москва. ()
Тепловычислитель «Теплокон», входит в состав теплосчетчика «Теплокон» выпускаемый ООО НПП «Технэс - прибор», город Челябинск, (http://)
Недостатком вышеуказанных вычислителей являются недостаточные функциональные возможности по связи с компьютером верхнего уровня.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является теплосчетчик, описанный в патенте России №40473, опубликованном 10.09.2004 г.
Известный теплосчетчик содержит два установленных на прямом и обратном трубопроводе датчика, выполненных в виде двух многопараметрических датчиков-преобразователей с вторичными преобразователями, каждый из которых содержит термопреобразователь сопротивления, а также тензорезисторный преобразователь давления и вихревой преобразователь расхода, состоящий из двух пьезоэлектрических преобразователей пульсаций давления и расположенного поперек потока проточной части тела обтекания, внутри которого расположен термопреобразователь сопротивления. На выносном корпусе расположен вторичный преобразователь, датчика, связанный с проточной частью стойкой, служащей одновременно радиатором для предотвращения перегрева системы вторичного преобразователя. Выходные сигналы датчиков передаются по кабелю связи в микровычислительное устройство (тепловычислитель), оснащенное компьютером верхнего уровня и связанное с ним посредством последовательного порта с разъемом RS232 (типа RS232). Теплосчетчик позволяет одновременно измерять избыточное давление и температуру воды в трубопроводах, за счет компактной установки в трубопроводах двух многопараметрических датчиков-преобразователей, при этом выполнение устройства микровычислительного с вторичными преобразователями дает возможность просмотреть события за весь период работы теплосчетчика, а оснащение микровычислительного и печатающего устройство компьютером верхнего уровня связанного с ними посредством последовательного порта с разъемом RS232 обеспечивает возможность получить на экране (индикаторе) текущую информацию, а также информацию о техническом состоянии счетчика в любой момент запроса, индексируя текущее время и дату и сохраняя накопленную информацию при перерывах в электроснабжении.
Недостатком выше указанного теплосчетчика являются недостаточные функциональные возможности. Его тепловычислитель не работает в «спящем» режиме от автономного источника питания и не обеспечивает в «рабочем» режиме контрастного изображения данных на индикаторе при изменении напряжения питания.
Техническим результатом при использовании заявляемого теплосчетчика является устранение указанных недостатков, а именно расширение функциональных возможностей, путем обеспечения «спящего» режима работы тепловычислителя от автономного источника питания и передачи в «спящем» режиме накопленных данных однокристальной электронно-вычислительной машиной в компьютер верхнего уровня с его клавиатуры по сигналу с его «мышки», путем обеспечения в «рабочем» режиме контрастного изображения данных на индикаторе при изменении напряжения питания.
Указанный технический результат достигается тем, что теплосчетчик содержащий установленные на прямом и обратном трубопроводе датчики, тепловычислитель с индикатором, с аналого-цифровым преобразователем и однокристальной электронно-вычислительной машиной, компьютер верхнего уровня связанный с тепловычислителем последовательным портом типа RS232, согласно полезной модели, теплосчетчик содержит четыре датчика - два датчика температуры и два датчика расхода, тепловычислитель содержит электрически перепрограммируемое запоминающее устройство и выполнен с таймером и с кварцевым резонатором, выход которого связан с одним из входов аналого-цифрового преобразователя для обеспечения «спящего» режима работы теплосчетчика, а в «рабочем» режиме для обеспечения тактовой частотой аналого-цифровой преобразователь, индикатор выполнен жидкокристаллическим и содержит нелинейный элемент, обеспечивающий в «рабочем» режиме контрастное изображение данных при изменении напряжения питания, последовательный порт типа RS232 выполнен с дополнительными выходами, один из них связан через резистор с одним из входов однокристальной электронно-вычислительной машины, активирующей в «спящем» режиме функцию передачи накопленных данных в компьютер верхнего уровня с его клавиатуры по сигналу с его «мышки», другой с отрицательным напряжением связан с входом жидкокристаллического индикатора.
За счет того, что теплосчетчик содержит четыре датчика - два датчика температуры и два датчика расхода, тепловычислитель содержит электрически перепрограммируемое запоминающее устройство и выполнен с таймером и с кварцевым резонатором, выход которого связан с одним из входов аналого-цифрового преобразователя для обеспечения «спящего» режима работы теплосчетчика, а в «рабочем» режиме для обеспечения тактовой частотой аналого-цифровой преобразователь, индикатор выполнен жидкокристаллическим и содержит нелинейный элемент, обеспечивающий в «рабочем» режиме контрастное изображение данных при изменении напряжения питания, последовательный порт типа RS232 выполнен с дополнительными выходами, один из них связан через резистор с одним из входов однокристальной электронно-вычислительной машины, активирующей в «спящем» режиме функцию передачи накопленных данных в компьютер верхнего уровня с его клавиатуры по сигналу с его «мышки», другой с отрицательным напряжением связан с входом жидкокристаллического индикатора, расширяются эксплутационные возможности теплосчетчика.
Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет значительно расширить функциональные возможности заявляемого теплосчетчика.
Заявляемый теплосчетчик обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, и обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Полезная модель может найти широкое применение в технике учета тепловой энергии и может быть использована в системах учета тепловой энергии, следовательно обладает «промышленной применимостью».
Сущность предлагаемого теплосчетчика поясняется чертежами, где представлены:
на фиг.1 - структурная схема теплосчетчика;
на фиг.2 - структурная схема тепловычислителя;
на фиг.3 - принципиальная схема тепловычислителя;
на фиг.4 - принципиальная схема тепловычислителя (связь однокристальной электронно-вычислительной машины с аналого-цифровым преобразователем);
на фиг.5 - принципиальная схема тепловычислителя (связь последовательного порта типа RS232 с однокристальной электронно-вычислительной машиной);
на фиг.6 - принципиальная схема тепловычислителя (нелинейный элемент жидкокристаллического индикатора).
Теплосчетчик содержит четыре датчика, установленные на прямом и обратном трубопроводе два датчика 1, 2 в виде датчиков-преобразователей (термопреобразователей), два датчика 3, 4 расхода с вторичными преобразователями, тепловычислитель 5 в корпусе 6 с жидкокристаллическим индикатором 7 с кнопочной клавиатурой 8 с аналого-цифровым преобразователем 9, однокристальной электронно-вычислительной машиной 10. Теплосчетчик оснащен компьютером 11 верхнего уровня. Тепловычислитель 5 связан с ним посредством последовательного порта 12 типа RS232. Кроме того, однокристальная электронно-вычислительная машина 10 тепловычислителя 5 выполнена с таймером 13 и с кварцевым резонатором 14, обеспечивающими «спящий» режим работы теплосчетчика, а в рабочем режиме обеспечивающими тактовой частотой аналого-цифровой преобразователь 9. Жидкокристаллический индикатор 7 выполнен с нелинейным элементом 15, обеспечивающим в рабочем режиме контрастное изображение данных при изменении напряжения питания. Последовательный порт 12 типа RS232 выполнен с дополнительным выходом 16, активирующим функцию передачи накопленных данных однокристальной электронно-вычислительной машиной 10 в компьютер 11 верхнего уровня с его клавиатуры по сигналу с его «мышки» (на фиг.1, 2 не показаны). Последовательный порт 12 типа RS232 выполнен с дополнительным выходом 17, с отрицательным напряжением, необходимым для работы жидкокристаллического индикатора 7. Тепловычислитель 5 выполнен с электрически перепрограммируемым запоминающим устройством 18, генератором 19 стабильного тока, с буферный усилителем 20. Тепловычислитель 5 содержит литиевый источник питания 21 обеспечивающий его автономную работу.
Теплосчетчик с тепловычислителем 5 работает следующим образом.
Однокристальная электронно-вычислительная машина 10, на короткое время, подключает генератор 19 стабильного тока к датчикам 1, 2. Аналого-цифровой преобразователь 9 преобразует входную аналоговую информацию с датчиков 1, 2 в выходную цифровую информацию в виде двоичного кода. Полученный код по последовательному каналу поступает в однокристальную электронно-вычислительную машину 10.
Импульсный сигнал с датчиков 3, 4 расхода поступает через буферный усилитель20 на вход прерываний однокристальной электронно-вычислительной машины 10, которая по определенному алгоритму на основании полученных данных о температуре и расходе теплоносителя осуществляет вычисление тепловой энергии. Все вычисленные и преобразованные значения входных параметров в кодовой форме подаются на жидкокристаллический индикатор 7. Ввод информации и управление тепловычислителем 5 осуществляется с помощью кнопочной клавиатуры 8, подключенной к однокристальной электронно-вычислительной машине 10.
Рабочие программы и промежуточные значения вычислений хранятся соответственно в постоянном запоминающем устройстве и в оперативном запоминающем устройстве (на фиг. не показаны), которые находятся на одном кристалле в однокристальной электронно-вычислительной машине 10. Накопленные архивные данные хранятся в электрически программируемом постоянном запоминающем устройстве 18. По последовательному порту 12 типа RS232 однокристальная электронно-вычислительная машина 10 может передать полученную и накопленную информацию другому устройству.
Тепловычислитель 5 принимает от первичных средств измерения датчиков 1, 2, 3, 4 информацию о параметрах теплоносителя и на ее основании преобразовывает входную информацию о параметрах теплоносителя в действительные значения параметров теплоносителя, которые выводятся на жидкокристаллический индикатор 7 тепловычислителя 5 (G1, G2, T1, T2) и вычисляет количество тепловой энергии и массу теплоносителя, осуществляя автоматический ввод значений энтальпии и плотности по формулам:
где i1 и i2 - энтальпия воды в прямом и обратном трубопроводах соответственно (ГСССД.98-2000);
ix - энтальпия холодной воды в подпиточном трубопроводе систем теплоснабжения на источнике тепловой энергии;
G - массовый расход в прямом или в обратном трубопроводе потребителя тепловой энергии;
G1, G2 - массовые расходы в трубопроводах, соответствующих каналам 1, 2;
V1, V2 - масса теплоносителя, прошедшая по трубопроводам, соответствующим каналам 1, 2;
T1, T2 - температура теплоносителя в трубопроводах, соответствующих каналам 1, 2;
Q - количество тепловой энергии;
Е - тепловая мощность.
Формула 1 используется для закрытых систем теплоснабжения при установке прибора, измеряющего расход в прямом трубопроводе, а также для закрытых систем теплоснабжения при установке прибора, измеряющего расход в прямом и обратном трубопроводах (где G - массовый расход в прямом трубопроводе), с измерением массы теплоносителя, возвращенного по обратному трубопроводу.
Формула 2 используется для открытых систем теплоснабжения и для закрытых систем теплоснабжения по требованию теплоснабжающей организации. Используемая формула выбирается автоматически при программировании тепловычислителя 5.
При установке литиевого источника 21 питания, программа тепловычислителя 5 производит настройку всех переменных, отвечающих за точность измерения параметров теплоносителя. Затем, тепловычислитель 5 переходит в циклическую программу. В этой программе, по прерыванию «спящего» режима, производится проверка шести минутного интервала для измерения температур. Если интервал кончился, то производится замер температуры теплоносителя T1, T2 и расчет доли приращения интегральных счетчиков расходов и тепловой энергии, а также суммирование интегральных счетчиков. По окончанию расчетов однокристальная электронно-вычислительной машина 10 переходит в «спящий» режим до следующего прерывания от таймера 13.
В то время как, однокристальная электронно-вычислительная машина 10 находится в «спящем» режиме, производится замер числа импульсов от датчиков расхода 3, 4, по внешним прерываниям.
В процессе работы циклической программы осуществляется вывод на жидкокристаллический индикатор 7 информации и производится контроль работоспособности датчиков 1, 2 (термопреобразователей) и датчиков расхода 3, 4. Тепловычислитель 5 переходит в аварийный режим работы, если преобразуемые и вычисляемые параметры вышли за допустимые пределы по следующим причинам: поврежден один из датчиков 1. 2, 3, 4; повреждена линия связи между датчиками 1, 2, 3, 4 и тепловычислителем 5; значения измеряемых параметров датчиками 1, 2, 3, 4 вышли за допустимый диапазон изменения, то тепловычислитель 5 переходит в аварийный режим работы.
Допустимые пределы преобразуемых и вычисляемых параметров устанавливаются для каждого из параметров:
- по каналу 1: T1; G1;
- по каналу 2: T2; G2.
Аварийный режим работы тепловычислителя 5 характеризуется тем, что: Если вышли значения за допустимые пределы одного из параметров T1; T2; G1; G2, то тепловычислитель 5 прекращает вычисление массы теплоносителя по каналам 1 и 2, количества тепловой энергии и тепловой мощности, сигнализируя об этом сообщением “НЕШТАТНАЯ РАБОТА”, при этом тепловычислитель 5 включает счетчик времени простоя “Тпр.”. В это время тепловычислитель 5 продолжает преобразовывать и вычислять значения параметров, которые не вышли за допустимые пределы. Во всех аварийных ситуациях тепловычислитель 5 высвечивает знак “?” напротив проблемного параметра. Аварийная ситуация по каждому из параметров заносится в архив аварий.
Экономия работы литиевого источника 21 питания (JSC 316 3.6 B ER14505C) достигается «спящим» режимом работы, в котором потребляется малая энергия от источника 21 питания.
Тепловычислитель 5 выполнен с таймером 13 и с кварцевым резонатором 14 (24576 кГц 20 ppm 20 pP HC-49/U), обеспечивающими «спящий» режим работы тепловычислителя 5, а в рабочем режиме обеспечивающим тактовой частотой аналого-цифровой преобразователь 9 (микросхема ADS1241E SSOP28). На момент измерения температуры тепловычислитель 5 выходит при помощи таймера 13 из «спящего» режима, с кварцевого резонатора 14 однокристальной электронно-вычислительной машины 10 (ATMEGA128L-8AI) частота достаточной амплитуды подается на вход 22 аналогово-цифрового преобразователя 9, который преобразует измеренные величины температуры в код который в свою очередь считывает однокристальная электронно-вычислительная машина 10 и обрабатывает его для отображения на жидкокристаллическом индикаторе 7 (ЖКИ WH1602C-NGJ-CP) (фиг.4).
Тепловычислитель 5 выполнен с последовательным портом 12 типа RS232 (ADM3222ARW S018) с дополнительным выходом 23 (R10), через резистор 24 (чип 0805 4,7 К5% RC05K4472JT) активирующим функцию передачи накопленных данных в компьютер 11 верхнего уровня с его клавиатуры по сигналу с его «мышки» (на фиг. не показаны). В «спящем» режиме тепловычислителя 5 последовательный порт 12 типа RS232 работает на прием сигналов от компьютера 11 верхнего уровня. Поступающие сигналы от компьютера 11 верхнего уровня на вход контакта 25 (РЕ4) однокристальной электронно-вычислительной машины 10 побуждают к просыпанию и началу приема последовательности команд, затем запрошенные данные передаются компьютеру 11 верхнего уровня (фиг.5).
По окончании передачи данных тепловычислитель 5 переходит в «спящий» режим. И в этом режиме, диспетчеру у компьютера 11 верхнего уровня, для активизации функции передачи накопленных тепловычислителем 5 данных, достаточно с клавиатуры вышеназванного компьютера 5 по сигналу с «мышки» запросить их у тепловычислителя 5. В противном случае диспетчер должен был бы подойти к месту установки тепловычислителя 5 и, манипулируя кнопочной клавиатурой 8 на тепловычислителе 5, активизировать функцию передачи данных компьютеру 11 верхнего уровня.
Побуждать к просыпанию можно и кнопочной клавиатурой 8 тепловычислителя 5. Нажатием кнопочной клавиатуры 8 пробуждают однокристальную электронно-вычислительную машину 10 и включают жидкокристаллический индикатор 7. На вход 26 жидкокристаллического индикатора 7 требуется подать напряжение смещения для установки контрастности изображения, для того, чтобы контрастность была независима от напряжения питания в его схему требуется установить нелинейный элемент 15 (в примере исполнения - диод VD12 марки LL4148), в этом случае при изменении напряжения питания от 3,6÷3 V стабилизируется контрастность жидкокристаллического индикатора 7, диспетчер хорошо считывает все показания. На вход 27 жидкокристаллического индикатора 7, для его работы, требуется подать отрицательное напряжение смещения, его необходимо снять с последовательного порта 12 типа RS232 с дополнительного выхода 28 (U-). (фиг.6)
Заявляемый теплосчетчик имеет большие эксплутационные возможности за счет того, что теплосчетчик содержит четыре датчика - два датчика температуры и два датчика расхода, тепловычислитель содержит электрически перепрограммируемое запоминающее устройство и выполнен с таймером и с кварцевым резонатором, выход которого связан с одним из входов аналого-цифрового преобразователя для обеспечения «спящего» режима работы теплосчетчика, а в «рабочем» режиме для обеспечения тактовой частотой аналого-цифровой преобразователь, индикатор выполнен жидкокристаллическим и содержит нелинейный элемент, обеспечивающий в «рабочем» режиме контрастное изображение данных при изменении напряжения питания, последовательный порт типа RS232 выполнен с дополнительными выходами, один из них связан через резистор с одним из входов однокристальной электронно-вычислительной машины, активирующей в «спящем» режиме функцию передачи накопленных данных в компьютер верхнего уровня с его клавиатуры по сигналу с его «мышки», другой с отрицательным напряжением связан с входом жидкокристаллического индикатора.