УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ЭЛЕКТРОКОТЛЕ

Полезная модель относится к устройствам для регулирования температурного режима теплоносителя и может быть использовано в электрических нагревателях воды, в частности, в электрокотлах, при использовании последних в системах теплоснабжения с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя.
Известно техническое решение: водогрейный котел, в котором используется автоматическое регулирование температуры водогрейного котла, однако автоматическая система не учитывает запросы потребителя, в частности, отсутствует возможность поддержания микроклимата в помещении с необходимой точностью, (патент RU, 2296920, F24H 1/08, опуб.10.04. 2007 г.).
Наиболее близким аналогом является техническое решение под названием «нагреватель воды», в котором блок 62 управления и температурный регулятор 63 осуществляют функцию автоматического регулирования температуры теплоносителя в электрокотле.
Указанные блоки будучи электрически связаны с датчиком 49 температуры, датчиком 57 тока, датчиком 73 потребления воды, цифровым индикатором 75 и регулятором 67 мощности и имея схемотехническое решение на уровне принципиальных электрических схем, позволяют производить автоматическое регулирование температуры теплоносителя в электрокотле. Поставленная задача решается, однако указанные блоки, имеющие функции регулирования температуры теплоносителя, характеризуются недостаточной надежностью.
Решаемая техническая задача-создание простого и надежного устройства для автоматического регулирования температуры теплоносителя, обеспечивающего длительность эксплуатации и экономию электроэнергии, при этом достигаемый технический результат заключается, в повышении эксплуатационных характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство регулирования температуры теплоносителя в электрокотле содержит первый и второй термодатчики, энкодер, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одинадцатый, двенадцатый, тринадцатый, четырнадцатый, пятнадцатый, шестнадцатый, семнадцатый, восемнадцатый, девятнадцатый, двадцатый, двадцать первый резистор, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый конденсатор, микропроцессор, первый и второй индикатор, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой диод, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой транзистор, первый, второй, третий коммутирующий элемент, первый, второй, третий, четвертый, пятый светодиод, стабилитрон, нагревательные элементы в электрокотле, первый, второй стабилизатор напряжения, трансформатор, импульсный высокочастотный преобразователь, первый, второй дополнительный элемент дистанционного управления, диодный мостик, предохранитель, источник питания, при этом одни выводы микропроцессора соединены с одними выводами первого и второго термодатчика и через четвертый и пятый резистор и четвертый конденсатор соединены с шиной нулевого потенциала, к которой подсоединены один из выводов первого стабилизатора напряжения, пятого и шестого конденсатора, один вывод вторичной обмотки трансформатора, другие выводы термодатчиков также соединены с шиной нулевого потенциала, другой вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с выводом шестого конденсатора и четвертого диода, другой вывод которого соединен с выводом пятого конденсатора, первого и второго стабилизатора напряжения, причем другой вывод первого стабилизатора напряжения соединен с одним из выводов четвертого конденсатора, который соединен с выводом первого конденсатора и одним из выводов микропроцессора, один из выводов которого и другой вывод первого конденсатора соединен с шиной нулевого потенциала, один из выводов микропроцессора через десятый резистор также соединен с четвертым конденсатором, одна группа выводов микропроцессора соединена с группой выводов энкодера, другая группа выводов которого соединена с шиной нулевого потенциала, один из выводов микропроцессора через шестой резистор соединен с одними выводами четвертого и пятого светодиодов, причем другой вывод четвертого светодиода соединен параллельно с выводами первого индикатора, далее с одним выводом семнадцатого и восемнадцатого резистора и коллектором пятого транзистора, причем другой вывод восемнадцатого резистора соединен с базой седьмого транзистора, коллектор которого соединен с параллельно содиненными выводами второго индикатора и другим выводом пятого светодиода, эммитеры четвертого, пятого, шестого, седьмого транзисторов соединены с шиной нулевого потенциала, с которой также соединены один вывод третьего, второго и пятого конденсатора и одни выводы первого и второго дополнительного элемента дистанционного управления, а также один из выводов второго стабилизатора напряжения другой вывод которого соединен с другим выводом второго конденсатора и другими выводами первого и второго дополнительного элемента дистанционного управления, одни из выводов которых соединены с выводами девятнадцатого и двадцатого резисторов, причем другой вывод девятнадцатого резистора соединен с выводом третьего конденсатора и базой шестого транзистора, коллектор которого соединен с базой четвертого транзистора, одним выводом пятнадцатого резистора, другой вывод которого соединен с другим выводом семнадцатого резистора и выводом первого конденсатора, группа выводов микропроцессора через, седьмой, восьмой, девятый, одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый и четырнадцатый резисторы соединена с группой выводов параллельно соединенных первого и второго индикатора, одни из выводов первого и второго стабилизатора напряжения соединены между собой и одними выводами первого, второго и третьего светодиодов, вторые выводы которых через параллельно соединенные первый диод и обмотку первого коммутирующего элемента, второй диод и обмотку второго коммутирующего элемента, третий диод и обмотку третьего коммутирующего элемента соединены соответственно с коллекторами первого, второго и третьего транзисторов соответственно, базы которых соответственно через первый, второй и третий резистор соединены с группой выводов микропроцессора, при этом эммитеры упомянутых транзисторов соединены между собой и соединены с коллектором четвертого транзистора, причем одни выводы якорей первого, второго и третьего коммутирующего элемента соединены вместе и соединены через предохранитель с источником питания, а другие - с нагревательными элементами в электрокотле, при этом диодный мост соединен одной диоганалью через предохранитель с источником питания, другой диоганалью мост парллельно соединен с выводами десятого и одиннадцатого конденсатора, причем одни из них соединены с одним выводом первичной обмотки трансформатора и двадцать первого резистора, другой вывод которого через пятый диод соединен с одним выводом стабилитрона, седьмого конденсатора, шестого диода, второй вывод которого соединен с одним выводом девятого конденсатора и одним из выводов высокочастотного преобразователя, причем другой вывод первичной обмотки трансформатора соединен с другим выводом седьмого, восьмого и девятого конденсатора, а также с одним из выводов высокочастотного преобразователя, другой вывод которого соединен с другой диоганалью диодного моста, причем один из выводов высокочастотного преобразователя соединен с другим выводом стабилитрона и восьмого конденсатора.
Анализ заявляемого технического решения с выявленным уровнем техники в данной области по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию охраноспособности «новизна».
Заявляемая полезная модель иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства и его основные блоки. На фиг.2 изображен пример применения устройства регулирования температуры теплоносителя в электрокотле (УР) с тремя нагревательными элементами. На фиг.3 изображена принципиальная схема устройства регулирования температуры теплоносителя в электрокотле.
На фиг.1 структурная схема устройства регулирования (УР) содержит 22 - задатчик. (Кнопки, энкодер или другие элементы, используемые для ввода параметров в микропроцессор;)
20-21 - термодатчики;
56, 60 - индикаторы, могут быть цифровыми, символьными или графическими;
30 микропроцессор;
6-10 коммутирующие блоки;
7-блок питания;
В качестве коммутирующих блоков 6-10 могут применяться:
электромагнитные реле, твердотельные реле, контакторы, тиристоры, транзисторы и другие элементы с аналогичными функциями, причем количество термодатчиков 20, 21 и коммутирующих блоков 6-10 может быть различным в зависимости от решаемой задачи.
На фиг.2 приведен пример использования УР.
На чертеже изображены следующие блоки:
34 - нагревательные элементы, расположенные в электрокотле;
20 - термодатчик выходного патрубка;
21 - термодатчик входного патрубка;
16, 18, 19 - батареи отопления;
17 - устройство автоматического регулирования температуры теплоносителя в электрокотле.
Для иллюстрации примера к котлу подключены три нагревательных элемента 34. Количество и конструкция нагревательных элементов определяется постановкой задачи.
Три выхода устройства 17 подключены к электрокотлу непосредственно, а при больших токах нагрузки через дополнительные коммутирующие устройства, эти выходы управляют подачей питающего напряжения на нагревательные элементы 34 электрокотла. В качестве нагревательных элементов могут использоваться электрические тены. Термодатчик 20 закреплен на выходном патрубке, а термодатчик 21 на входном патрубке. Показания датчиков используются для контроля температуры теплоносителя на выходе и входе электрокотла.
Для решения данной задачи разработана принципиальная схема устройства автоматического регулирования температуры теплоносителя в электрокотле. Устройство, представленное на Фиг.3 содержит следующие элементы.
Первый 20 и второй 21 термодатчки, энкодер 22, первый 23, второй 28. третий 35, четвертый 38, пятый 39, шестой 40, седьмой 41, восьмой 42, девятый 43, десятый 47, одинадцатый 48, двенадцатый 49, тринадцатый 50, четырнадцатый 51, пятнадцатый 53, шестнадцатый 54, семнадцатый 55, восемнадцатый 61, девятнадцатый 67, двадцатый 68, двадцать первый 79 резистор, первый 37, второй 66, третий 63, четвертый 65, пятый 71, шестой 73, седьмой 81, восьмой 83, девятый 89, десятый 74, одиннадцатый 80 конденсатор, микропроцессор 30, первый 56 и второй 60 индикатор, первый 24, второй 29, третий 36, четвертый 72, пятый 78, шестой 86 диод, первый 27, второй 33, третий 46, четвертый 52, пятый 57, шестой 58, седьмой 62 транзистор, первый 26, второй 32, третий 45 коммутирующий элемент, первый 25, второй 31, третий 44, четвертый 59, пятый 64 светодиод, стабилитрон 82, нагревательные элементы 34 в электрокотле, первый 69, второй 70 стабилизатор напряжения, трансформатор 75, импульсный высокочастотный преобразователь 90, первый 76, второй 77 дополнительный элемент дистанционного управления, диодный мост 84, 85, 87, 88, предохранитель 91, источник питания 92, при этом имеют следующие электрические соединения.
Микропроцессор 30, соединенный одними выводами с первыми выводами термодатчиков 20, 21 и через резисторы 38, 39, 47 - с одним выводом конденсатора 65, с выводами энкодера 22, через резисторы 41, 42, 43, 48, 49, 50 и 51 с одними выводами индикаторов 56 и 60, соединенными между собой параллельно, через резистор 40 с одними выводами светодиодов 59 и 64, другие выводы которых соединены параллельньно с другими выводами индикаторов 56, 60 и далее с коллекторами транзисторов 57, 62 соответственно, а другими выводами микропроцессор через резистор 23, 28, 35 и 54 соединен с базами транзисторов 27, 33, 46 и 57 соответственно, эммитеры транзисторов 27, 33 и 46 объединены и соединены с коллектором транзистора 52, база которого через резисторы 53 и 55 соединена с коллектором транзистора 57, а через резистор 61 с базой транзистора 62, эммитеры которых объединены с эммитерами транзисторов 52 и 58, а также соединены с шиной нулевого потенциала, с которой соединены также выводы конденсатора 63, резистора 68, конденсатора 66, стабилизатора напряжения 70 и датчиков температуры 76, 77, другие выводы которых соединены с выводами резисторов 68, 67, другой вывод которого соединен с выводом конденсатор 63 и базой транзистора 58, коллектор которого соединен с базой транзистора 52, одни из выводов датчиков 76 и 77 соединены с другим выводом стабилизатора напряжения 70 и другим выводом конденсатора 66, один из выводов стабилизатора напряжения 70 соединен с выводами стабилизатора напряжения 69, конденсатора 71 и диода 72, а также с одними выводами светодиодов 25, 31 и 44, другие выводы которых через параллельно соединенные обмотку реле 26 и диода 24, обмотку реле 32 и диода 29, обмотку реле 45 и диода 36 соединены соответственно с коллектором транзистора 27, 33 и 46, при этом выводы контактов реле 26, 32 и 45 объединены и через предохранительный элемент 91 соединены с источником питания 92, а другие выводы контактов упомянутых реле соединены с нагревательными элементами 34 в электрокотле, вторые выводы термодатчиков 20 и 21 с выводами декодера 22 и шиной нулевого потенциала, которая соединена с одним из выводов микропроцессора, конденсатора 37, 65, 74, 73, стабилизатора 69 напряжения, вторичной обмотки трансформатора 75, другой вывод вторичной обмотки трансформатора 75 соединен с другими выводами диода 72 и конденсатора 73, один из выводов стабилизатора 69 напряжения соединен с одним выводрм конденсатора 65, конденсатора 37 резистора 55 и микропроцессора 30, диодный мост, состоящий из диодов 84, 85, 87, 88, одной диогональю соединен с источником питания, к другой подсоединены параллельно соединенные конденсаторы 74, 80, один вывод которых соединен с одним выводом первичной обмотки трансформатора 75, другой вывод которых соединен с одним из выводов импульсного высокочастотного преобразователя 90, второй вывод которого через стабилитрон 82, диод 78 и резистор 79 также соединен с одним выводом первичной обмотки трансформатора 75, второй вывод которого соединен с одним выводом конденсатора 81, 83, 89 и третьим выводом импульсного высокочастотного преобразователя 90, четвертый вывод которого через диод 86 соединен с другим выводом конденсатора 81, который соединен с одним выводом стабилитрона 82, другой вывод которого соединен с другим выводом конденсатора 83.
Программа заложенная в микропроцессоре работает следующим образом:
1. При нажатии на энкодер 22, программа входит в режим ввода температуры входного патрубка с термодатчиком 21. Диапазон регулирования температуры от +10 до +70 гр. С. Светодиод 59 сигнализирует о готовности. Вводим температуру, поворачивая энкодер 22 по часовой стрелке в случае увеличения задаваемой температуры и против часовой стрелки в случае уменьшения.
2. При нажатии на энкодер 22 повторно, программа входит в режим ввода температуры выходного патрубка с термодатчиком 20. Диапазон регулирования температуры от +10 до +80 гр. С. Светодиод 64 сигнализирует о готовности. Аналогично вводим температуру, поворачивая энкодер 22 по часовой стрелке в случае увеличения задаваемой температуры и против часовой в случае уменьшения.
3. Через 10 секунд либо после третьего нажатия на энкодер 22, программа выходит из режима ввода температуры. На индикаторе отображается текущая температура входного или выходного патрубка в зависимости от того, какой режим программирования был последним. Если горит светодиод 59, то на индикаторе отображается температура входного патрубка, если 64 - температура выходного патрубка.
4. Температура выходного патрубка автоматически регулируется
устройством. Если текущая температура выходного патрубка меньше заданной более чем на 3 гр. С, то включены все 3 нагревательных элемента 34, если меньше заданной на 2 гр. С, то включены 2 нагревательных элемента 34, если меньше заданной на 1 гр. С, то включен 1 нагревательный элемент 34, если равна заданной или выше то все нагревательные элементы 34 выключены.
5. Температура входного патрубка используется для аварийного отключения всех нагревательных элементов 34 при превышении заданной температуры. Включение всех нагревательных элементов 34 произойдет только после уменьшения температуры входного патрубка относительно заданной более чем на 5 гр. С.
Описание работы устройства автоматического регулирования температуры теплоносителя в электрокотле. (Фиг.3).
От источника переменного тока 92 на устройство подается переменное напряжение 220 вольт, которое через предохранитель 91 поступает на диодный мост, состоящий из диодов 84, 85, 87, 88, который выпрямляет переменное напряжение, а конденсаторы 74 и 80 сглаживают пульсации и накапливают выпрямленное напряжение. Напряжение, накопленное упомянутыми конденсаторами питает импульсный высокочастотный преобразователь 90, собранный на специализированной интегральной микросхеме (VIPER22A) и сопутствующих элементах, необходимых для работы интегральной микросхемы и поддержания заданной амплитуды выходного напряжения. Схема преобразователя рекомендована производителем микросхемы VIPER22A и рассчитана по предложенной производителем методике. Для поддержания заданной амплитуды выходного напряжения импульсного высокочастотного преобразователя 90 в схему устройства введены трансформатор 75, конденсаторы 65, 71, 73, 74, 80, 81, 83, 37, резистор 79, диоды 72, 78 86, стабилитрон 82. Выходное напряжение преобразователя определяется стабилитроном 82, который включен в цепь обратной связи преобразователя 90, в данном случае выбран стабилитрон на 15 вольт. Частота работы преобразователя около 60 кГц. Нагрузкой микросхемы 90 является обмотка трансформатора 75 на ферритовом магнитопроводе. Импульсы напряжения со вторичной обмотки трансформатора 75 выпрямляются диодом 72 и сглаживаются конденсатором 71, на котором накапливается напряжение, равное 15 вольтам +/- 10%. Далее напряжение с конденсатора 71 поступает на стабилизаторы напряжения 69 и 70. Стабилизатор 69 формирует на конденсаторе 65 напряжение 5 вольт для питания микропроцессора 30 и светодиодных индикаторов 56 и 60. Стабилизатор 70 формирует на конденсаторе 66 напряжение 9 вольт для питания внешних управляющих устройств (например, датчиков температуры комнатных помещений.)
В устройстве применена динамическая индикация на двух семисегментных светодиодных индикаторах 56, 60 и двух светодиодах 59, 64. Резисторы 40, 41, 42, 43, 48, 49, 50, 51 ограничивают ток в цепи индикаторов и светодиодов, резистор 47 ограничивает величину тока на один из выводов микропроцессора 30, который формирует на соответствующем выводе последовательность равнодлительных импульсов и пауз с частотой около 50 Гц. Эта последовательность поступает через резистор 54 в базу транзистора 57, высокий логический потенциал открывает транзистор 54, а низкий закрывает. Транзистор 62 инвертирует сигнал с коллектора транзистора 57, то есть если транзистор 57 закрыт, то транзистор 62 открыт за счет подачи управляющего напряжения в базу транзистора 62 через резисторы 55 и 61, если транзистор 57 открыт, то транзистор 62 закрыт, так как транзистор 57 замыкает входную цепь 62 на шину нулевого потенциала. Таким образом, при высоком логическом потенциале на соответствующем выводе микропроцессора 30, разрешено вывести информацию на индикатор 56 и светодиод 59, а при низком потенциале на индикатор 60 и светодиод 64. Информация, которая выводится на индикаторы и светодиоды, формируется на соответствующих выводах микропроцессора 30, высокие логические потенциалы на этих выводах зажигают разряды индикатора и светодиода соединенного с открытым транзистором 57 или 62. Информация на 56, 59 и на 60, 64 выводится поочередно с частой 50 Гц, но зрительно это воспринимается как единовременное отображение всех индикаторов и светодиодов в любых сочетаниях.
Два цифровых термодатчика температуры 20 и 21 подключаются по двухпроводным линиям связи к входу устройства. Один из датчиков 21 физически установлен на входном патрубке котла, а другой 20 на выходном. Через резисторы 38 и 39 на датчики 20, 21 подается напряжение питания. Команды на датчики 20, 21, а также получение ответной информации (код температуры) формируется на соответствующих выводах микропроцессора 30, Команды на датчики передаются синхронно, также синхронно считывается температура, но записывается в разные ячейки памяти микропроцессора 30.
Для ввода параметров в микропроцессор 30 используется единый элемент контактного типа 22 (энкодер), представляющий собой механическую кнопку, при нажатии на которую замыкается одна группа контактов, а при повороте рукоятки замыкаются поочередно другие группы контактов. В зависимости от направления вращения рукоятки различные группы замыкаются по разному, что дает возможность однозначно определить направление и количество замыканий, то есть простым поворотом рукоятки, увеличивать или уменьшать вводимый параметр, а нажатием на рукоятку, перемещаться по пунктам меню. Обработка нажатия рукоятки энкодера и поворотов рукоятки происходит на соответствующих выводах микропроцессора 30
Для управления тремя нагревательными элементами 34 в электрокотле используется три одинаковых схемы коммутации (три ступени).
Первая ступень - 23, 27, 24, 26, 25
Вторая ступень - 28, 33, 29, 32, 31
Третья ступень - 35, 46, 36, 45, 44
Управление ступенями происходит через соответствующие выводы микропроцессора 30, высокий логический потенциал на этих выводах вызывает открытие соответствующего транзистора и приводит к срабатыванию, подключенного к транзистору соответствующего реле. Реле замыкают контакты и подают на нагревательные элементы 34 в электрокотле управляющее напряжение 220 вольт. Управляющее напряжение включает контакторы нагревательных элементов 34 (на схеме не показаны). Диоды 24, 29, 36 гасят ЭДС самоиндукции реле 26, 32, 45. Светодиоды 25, 31, 44 индицируют включение соответствующих ступеней. На транзисторах 52, 58, резисторах 53, 67, 68 и конденсаторе 63 собран узел блокировки включения нагревательных элементов 34 в электрокотле от внешних управляющих устройств. Таким устройством могут быть, например, дополнительные датчики 76, 77 температуры, установленные внутри помещения, которые при превышении заданной температуры выдают сигнал высокого логического уровня, при этом транзистор 58 открывается и блокирует транзистор 52, который разрывает общую цепь трех ступеней управления, все ступени отключены, независимо от сигналов микропроцессора 30. При понижении температуры в помещении ниже заданной, сигнал блокировки снимется, а ступени автоматически включатся. Датчики 76, 77 соединены параллельно, на них подано питание для внешних управляющих устройств.
Для более точного понимания объема притязаний, изложенных в формуле, приняты выводы, расположенные с левой стороны микропрцессора 1-10, а справа 11-20.
Таким образом, предложенное устройство регулирования температуры теплоносителя в электрокотле позволяет повысить эксплуатационные характеристики, такие как длительность работы устройства и экономию потребляемой электроэнергии.