CC BY
31
Зроблено аналіз методів і засобів індивідуального обліку спожитої енергії та їх метрологічного забезпечення. Вдосконалені структури засобів вимірювання температури метричних систем індивідуального обліку тепла. Показано можливість підвищення точності розробленого термометра у всьому необхідному температурному діапазоні. Запропоновано методику автоматизованого калібрування та метрологічної перевірки термометрів з використанням зразкового переносного прецизійного термометра
Ключові слова: прецизійний цифровий термометр, автоматизація, калібрування, метрологічна перевірка на місці експлуатації
□---------------------------------□
Сделан анализ методов и средств индивидуального учета потребленной энергии и их метрологического обеспечения. Усовершенствованы структуры средств измерения температуры метрических систем индивидуального учета тепла. Показана возможность повышения точности разработанного термометра во всем необходимом температурном диапазоне. Предложена методика автоматизированной калибровки и метрологической проверки термометров с использованием образцового переносного прецизионного термометра
Ключевые слова: прецизионный цифровой термометр, автоматизация, калибровка, метрологическая проверка на месте эксплуатации______________^ ^__________________
УДК 536.6; 006.91:004
МОЖЛИВОСТІ ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТРОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМ ІНДИВІДУАЛЬНОГО ОБЛІКУ ТЕПЛА
Ю . В . Я ц у к
Кандидат технічних наук, доцент* E-mail: jurgen.jazuk@gmail.com П. В. Бугайцова Аспірант* E-mail: bugajtsova@ukr.net
В . О . Я ц у к Доктор технічних наук, професор* E-mail: vyatsuk@polynet.lviv.ua *Кафедра «Метрологія, стандартизація,
сертифікація»
Національний університет «Львівська політехніка» вул. Степана Бандери, 12, Львів, Україна, 790713
1. Вступ
Обмеженість ресурсів та постійне зростання вартості енергоносіїв у світі призводить до нагальної необхідності підвищення точності їх обліку [1 - 3]. Серед усіх видів енергоносіїв індивідуальний облік теплової енергії через її фізичну властивість ( розтікання по всьому простору) є найскладнішим у практичній реалізації [4 - 6].
Завдання індивідуального обліку спожитого тепла суттєво ускладнюється через багатоувідний принцип його підведення в багатоквартирних будівлях. Під час індивідуального обліку спожитої теплової енергії необхідно визначити не тільки її кількість, але й під час підрахунку вартості послуги з теплопостачання обов’язково враховувати її якість [3]. Тому актуальним є питанням пошуку можливостей вдосконалення систем індивідуального обліку спожитого тепла та їх метрологічного забезпечення.
2. Сучасний стан проблеми
Метрологічне забезпечення завдяки встановленню та застосуванню науково-організаційних умов, технічних засобів, правил і норм сприяє досягненню єдності та необхідної точності вимірювань [7].
Основною тенденцією розвитку метрологічного забезпечення є процесний підхід, який полягає в постійному контролюванні протікання вимірювальних процесів, виявленні та оперативному коригуванні невідповідностей [8].
Бурхливий розвиток мікроелектронних та інформаційних технологій призвів до появи роззо-середжених «віртуальних» вимірювальних систем, метрологічна перевірка (МП) яких практично не може здійснюватись за класичною методикою з демонтажем, транспортуванням, повіркою та поновним монтажем на місці експлуатації [7].
Відомо, що в багатоквартирних будівлях з багато увідним теплопостанням для індивідуального обліку спожитого тепла без врізування в існуючу тепломережу доцільно використовувати радіальні системи на основі інтелектуальних сенсорів температури [9] або ж матричні системи [10]. Недоліки традиційних провідникових підходів до побудови вимірювально-комунікаціних систем на сьогодні практично можуть бути усунені завдяки бурхливому використанню бездротових локальних систем, наприклад, за стандартом ІЕЕЕ802 [11]. Застосування таких відносно недорогих засобів комунікації в пристроях обліку спожитого тепла з урахуванням його кількості та якості створить базис для побудови вимрювально-обчислювальних систем, які на сьогодні бурхливо
Aax = kADHkHrl3H
розвиваються та отримали назву кібер-фізичних систем [12 - 15].
3. Постановка завдання
Важливим завданням сучасних розпорошених вимірювально-обчислювальних систем індивідуального обліку спожитої теплової енергії є автоматизація процесів як вимірювального експерименту, так і метрологічного забезпечення.
4. Перспективи вдосконалення метрологічного забезпечення систем індивідуального обліку спожитої теплової енергії
Доцільність використання систем індивідуального обліку спожитої теплової енергії (СІОТ) визначається не тільки можливістю їх практичної реалізації, а й зручністю та вартістю їх періодичного обслуговування. Економічна привабливість широкого впровадження матричних СІОТ в багатоквартирних будівлях з колективним багато увідним теплопостачанням полягає в принципіальній можливості оцінювання спожитої теплової енергії в окремих помешканнях без врізування в існуючу тепломережу.
При цьому можна й розподілити вартість спожитої теплової енергії в місцях спільного використання (тамбурах, коридорах, вестибюлях тощо) за окремими помешканнями за умови наявності колективного тепло лічильника, за показами якого здійснюються комерційні розрахунки з теплопостачальною організацією. В кінцевому результаті впровадження таких СІОТ об’єктивно сприятиме всебічній економії спожитої теплової енергії кожним із індивідуальних споживачів через наявність кількісних економічних стимулів [10]. Однак, провідна реалізація матричних СІОТ на основі традиційних провідникових комунікацій призводить до значних капітальних затратах на їх прокладання як у межах помешкання, так і між помешканнями на одному поверсі, а також між поверхами та місцями спільного використання. Сучасні мікроелек-тронна елементна база та інформаційні технології дають можливість відносно недорогої практичної реалізації безпровідних СІОТ у межах як окремих будівель, так і локальних систем обліку спожитого тепла [16, 17]. Слід зазначити, що для реалізації безпровідної матричної СІОТ із врахуванням якості послуги з теплопостачання необхідно використовувати прецизійні засоби вимірювання температури, оскільки, при цьому, вони використовуватимуться як комерційні вимірювальні засоби, за показами яких змінюватимуться й тарифи під час підрахунку вартості за отримувану споживачем послугу з теплопостачання [2]. Такі прецизійні засоби вимірювання температури з межею допустимих значень похибки не більшим від ±0,08оС можуть бути реалізовані на основі високоомних плівкових платинових термоперетворювачів опору (ТО) та сучасних АЦП [17]. Найпростішим шляхом
досягнення такої високої точності вимірювання температури є врахування поправок в будь-якій ланці вимірювального кола термометра. Зручним у практичному використанні є спосіб з використанням прецизійного цифрового термостата (вітчизняного типу ТСР-0105 НО [18], або аналогічних закордонних типу 9100S/9102S фірми Fluke [19], 3600 фірми Indiamart [20]), за показами якого підстроюватимуться покази налагоджуваного термометра. Особливо зручним при цьому є уведення поправок в цифровій частині термометра з допомогою двох кнопок, натисканням яких може збільшуватись або зменшуватись вміст лічильника результату.
Під час калібрування важливим є питання виду підстроювання адитивного, адитивно-мультипліка-тивного чи ще складнішого. Зважаючи на вузький діапазон термометра для вимірювання температури в приміщенні від +(20...10)°С можна сподіватись на необхідність калібрування термометра лише за температури 00 =+20оС. Детальніший аналіз метрологічних властивостей відомих засобів для моніторингу та реєстрації послуг з теплопостачання із врахуванням їх якості [17] показує, що домінуючою складовою в них є адитивна складова похибка (АСП) Aax , граничне значення якої подамо виразом
R0
RN
_§ + Rn2H я +
°0 ^ R N2 ^
RN21H
RN1H R3H (я і я і б ) і ex R^1 R------(bNl + яз .Olj1 U- ■ R-----
N21H 1H G N21H
,(1)
де нижній індекс н позначено номінальні значення відповідних величин,
кА0,к- коефіцієнт перетворення АЦП та машта-бувального підсилювача АЦП відповідно;
г -V ;
г13 - /(Я1 + Я3);
Я1 Я3 - опори подільника для формування початкової вхідної напруги для АЦП; - ЯК21 + - опору
струмозадавальних резисторів; Я0 - початковий опір ТО; - Я0 + + Яш; ис,ех - еа + ІаЯ0 - відповідно
напруга живлення та еквівалентна вхідна напруга зміщення АЦП; 50, 0- напруга зміщення та вхідний струм АЦП; ЯШ1 - опір резистора для формування опорної для АЦП напруги; 80,8ш,5К4,13,11- відносні похибки відповідно опорів Я0ТО,ЯК2,ЯК4,Я3,Я1.
Результати розрахунків показують, що зміна значення похибки Аах після калібрування термометра може становити прийнятні для практики декілька десятих кельвіна під час зміни температури від +20оС до +10оС лише з використанням дуже стабільної (температурні коефіцієнти опору не більші від ±5 10-51/К) та відповідно дорогої елементної бази. Причиною цього є формування початкового опору в АЦП на основі високоомних подільників. З метою послаблення вимог до стабільності резистивної елементної бази можна рекомендувати збільшувати кількість чутливих елементів ТО, але це призводити-ме до суттєвого зростання вартості СІОТ.
Суттєво зменшити вимоги до стабільності та вартості елементної бази СІОТ можна з використанням гальванічно розділеного від живлення АЦП блоку формування вимірювального струму [21]. Однак це призведе до певного ускладнення структури СІОТ та необхідності застосування прецизійних опера-
Е
ційних підсилювачів. Детальний аналіз шляхів побудови точних стабільних недорогих СІОТ показав можливість їх реалізації з використанням інтегральних АЦП, в яких є два генератори вимірювальних струмів, температурний коефіцієнт відношення яких може не перевищувати лише декілька десятих часток на мільйон [22].
В структурі такого засобу для вимірювання температури в приміщенні рис. 1.
відношення ROH - R,
2Н/ ONH /I
/ -H
= 0 знайдемо як (нижнім
індексом “н” подано номінальні значення величин)
AN, = N,
Sad +Sk +SN +S0 +Sv +■
"^"kADkH
R0HS0 + Ronh^^ (SON +S2 + S1) + RL + vf
2H 1H
(3)
Rn
АЦП
Ron
-En
loutl
Ux Л К Чгтг КНТР
lout2
ББК
ІТФ
Nx,Nk
Рис. 1. Структурна схема автоматичного прецизійного засобу для вимірювання температури в опалювальному приміщенні
До виходу першого генератора вимірювального струму І1 (І оцй ) відносно аналогової шини підключено послідовно сполучені ТОЯ0І0 опорний резистор Як, на якому формується опорна для АЦП напруга Ек - І1ЯК . Я0 до виходу другою генератора вимірювального струму І2(ІоцІ;2) під’єднано зразковий резистор , на якому формується початкова напруга иш - ^^.
Спадки напруг на ТО и0 - І1Я0 та иш подаються до диференціальних входів АЦП та перетворюються в код N . Режимами роботи АЦП, блоку бездротових комунікацій (ББК) та інтерфейса (ІТФ) керує контролер КНТР. Код результату вимірювання N можна подати як
ДЄ 8AD, 8k, 82, 81, 8N, 8ON, 8v - відносні похибки, відповідно коефіцієнтів перетворення АЦП та вбудованого маш-табувального підсилювача, значень струмів І2 та I1, зразкових резисторів Rn та Ron та відносної температурної зміни V0 = A0 + B02 опору ТО.
Розрахунки показують, що для АЦП типу AD7709, значень параметрів структури:
kH = 128;Roh = 103 Ом;
Ronh = 103 Ом; Rnh = 5 103 Ом; Rl<1 Ом;
ex = eN <±4мкВ; I1H = I2H = 0,2 мА; 82 =81 <±10-3;
8on “8n <±10-3 значень АСП та МСП термометра не перевищуватимуть відповідно ±0,1K та ±0,5 K.
Зміни значень цих похибок під час зміни температури в опалюваному приміщенні від +20оС до +10оС та відносно великих значеннях температурних
коефіцієнтів опорів Ron та RN
£r <±10-
1/К, відно-
шень струмів I1 та I2 £j <±2 10-5 1/К, та для мікрос-хемтипуAD7709відповіднонеперевищуватимуть ±0,05 K та ±0,04 K.
5. Автоматизація калібрування засобів для індивідуального обліку теплової енергії
N = k kIl(Rg + Rl) - I2R0N + e, = I1RN + eN
= kADkR°Vg (1 -^) +
AD u v TD
RN I1RN
(2)
+к к К°- К°МІ2 /І1 + +е*А
АБ т-, >
де І1,І2 - значення вимірювальних струмів першого та другого генератора струмів;
Я0 ,Я0^0 - W0 -1 - відповідно опір, початковий опір та відносна температурна зміна опору ТО;
ЯШ,ЯК - опори зразкових резисторів; кАС,к - коефіцієнти перетворення АЦП та машта-бувального підсилювача АЦП;
ex = eax + IINxRg IINxR0N '
eN = eaN + IINNRN - еквіва-
лентні напруги зміщення АЦП входів відповідно вимірювальної та опорної напруг;
Єах,Єа№ І+Кх , ^х , ^ - напруги зміщення та вхідні струми обох входів АЦП;
- опір з’єднувальних провідників.
Вираз для граничної похибки коду вимірювання температури А^ із врахуванням очевидного спів-
Розпоширеність та масовість засобів для індивідуального обліку теплової енергії узагалі ставить під сумнів доцільність традиційних підходів до калібрування та метрологічної перевірки засобів вимірювань.
Окрім великих трудомісткості, організаційних та фінансових затрат, пов’язаних з демонтажем та транспортуванням таких засобів до перевірюваль-них лабораторій, принципіальним моментом під час цієї процедури є неможливість коректної перевірки усього передавально-комунікаційного тракту системи для індивідуального обліку спожитої теплової енергії.
З огляду на скзане, завдання автоматизації калібрування та метрологічної перевірки СІОТ розподіляється на два окремих завдання - автоматизації метрологічних процедур під час калібрування та МП засобів СІОТ і перевірки засобів комунікаційних каналів для передавання вимірювальної інформації.
Для автоматизації процесів калібрування та МП засобів СІОТ можна використовувати переносні прецизійні цифрові термостати, наприклад, типу Т150 [23], для здійснення необхідних метрологічних про-
N
+
I1
4
З
цедур безпосередньо на місці експлуатації засобів СІОТ.
Однак окрім значної вартості переносних термостатів суттєвим недоліком при цьому є достатньо великий час здійснення процедур калібрування та МП засобів СІОТ, пов’язаний з тривалим часом виходу на режим прецизійних цифрових термостатів. Зменшення часу проведення метрологічних процедур можна досягнути шляхом використання зразкового цифрового термометра з межею допустимих значень похибки не більшим від декількох сотих часток кельвіна. Такий прецизійний термометр може бути побудований на основі запропонованої структури з адитивним та мультиплікативним підстроюванням його індивідуальної статичної функції перетворення за методикою поданою в [21].
Аналогове адитивне підстроювання може здійснюватися шляхом зміни опору змінного резистора, увімкненого послідовно з резистором Ron , а муль-типлікативне - шляхом зміни опору змінного резистора, увімкненого послідовно з резистором Rn . Для врахування індивідуальної статичної характеристики зразкового термометра доцільно використовувати прецизійні цифрові термотати, при цьому під час адитивного підстроювання досягають рівності показів обох засобів при температурі в околі +20оС та під час мультиплікативного підстроювання -в околі +10оС.
З метою автоматизації процедури калібрування та МП засобів СІОТ доцільно проводити в період часу, коли температура в опалювальному приміщенні є в діапазоні 20± 2 оС, використовуючи малогабаритний пасивний термостат, в якому розміщають сенсори перевірю вального та зразкового термометрів для уникнення можливих градієнтів температури в приміщенні. Вихідний інтерфейсний роз’єм зразкового термометра при цьому слід під’єднати до відповідного роз’єму перевірю вального термометра, через відому функцію “plug and play” перевірю вальний пристрій перейде в режим калібрування. При цьому в контролері перевірю вального термометра розраховуватиметься різниця кодів ANX = Nx - NK , де NX,NK- відповідно, покази перевірювального та зразкового термометрів.
Ця різниця кодів у вигляді поправки КП= -A КхП зберігатиметься в енергонезалежній памяті переві-рювального термометра та з її допомогою автоматично формуватиметься скоригований код Кхк= Nx+ КП результату вимірювання.
Після автоматизованого коригування код результату вимірювання, автоматично передаватиметься на системний контролер вищої ієрархії з ознакою повідомлення про метрологічну перевірку термометра з даним системним номером встановленого у певному місці.
Системний контролер після зчитування та запам’ятовування калібрувального коду передає його назад до термометра з даним активним номером. Після прийняття коду системного контролера пер-вірюваним термометром здійснюється їх порівняння А^к - ^к - ^кк ^±1.
Якщо ця умова задовольняється, то використовувані засоби та лінії зв’язку визнаються метрологічно придатними до подальшого використання. В іншому разі необхідно проводити ремонтні роботи.
Очевидно, що з метою збільшення метрологічної надійності усі операції з передаванням та сприйняттям кодів доцільно проводити багатократно.
6. Висновки
На підставі зробленого аналізу існуючих методів
і засобів доведена ефективність використання матричної системи з бездротовими комунікаціями для індивідуального обліку спожитої теплової енергії в будівлях з багатоувідним теплопостачанням та наявністю колективного тепло лічильника.
Із врахуванням сучасного рівня розвитку мікрое-лектронних та інформаційних технологій вдосконалено структуру прецизійних термометрів для реалізації матричних бездротових систем індивідуального обліку спожитої теплової енергії.
Теоретично показано, що за результатами калібрування лише в одній точці прецизійні термометри можна використовувати в усьому вимірювальному температурному діапазоні.
Запропоновано технологію розроблення відносно недорогого прецизійного термометра для автоматизації процедур калібрування та метрологічної перевірки засобів систем індивідуального обліку спожитої теплової енергії.
Розроблено методики автоматизованої метрологічної перевірки як засобів вимірювання температури на місці експлуатації, так і засобів та ліній зв’язку передавання даних в розпорошених системах індивідуального обліку спожитої теплової енергії.
Література
1. Бакалін, Ю. І. Енергозбереження та енергетичний менеджмент [Текст]: навч. посіб. для студ. ВНЗ / Ю. І. Бакалін. - 3-тє вид., доп. та перероб. - Х.: Бурун і К, 2006. - 319 с.
2. Постанова Кабінету Міністрів України “Про затвердження Правил надання послуг з централізованого опалення, постачання холодної та гарячої води і водовідведення та типового договору про надання послуг з централізованого опалення, постачання холодної та гарячої води і водовідведення” від 21 липня 2005 р. - №630.
3. Житлово-комунальне господарство України проблеми моніторингу стану реформування і розвитку [Електронний ресурс]. - Режим доступу: \www7 URL:http://aгcЫve.nbuv.gov.ua/poгtal/soc_gum/Dums/2012_3/12kmmsгг.pdf.
4. Лозбін, В. І. Теплотехнічні аспекти обліку витрат теплової енергії індивідуальними споживачами [Текст] / В. І. Лозбін, П. Г. Столярчук, В. М. Засименко, В. О. Яцук, Т. О. Плавинська // Вісник ДУ «Львівська політехніка» . - Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. - № 365. - 1999. - С. 88-91.
F
5. Lukasiewicz, P. Ogrzewanie, nawilzanie, jonizacja powietrza i rozliczanie kosztow ciepla (Опалювання, зволоження, іонізація повітря і визначення вартості опалення) [Text] / P. Lukasiewicz // Materialy konferencyjne „Problemy jacosciowe, energety-czne i eksploatacyjne w maszynach cieplnych”, 19-20 wrzesnia 2002, Bydgoszcz, Polska. - S. 179-189.
6. Directive 2004/22/EC of the European Parliament and of the Council of 31 March 2004 on measuring instruments (Директива 2004/22/ЕС Європейського парламенту і комісії від 31 березня 2004 р. про вимірювальні прилади). - Official Journal of the European Union, L 135/1. 31.04.2004.
7. Каталог фірми Analog Device [Електронний ресурс]. - Режим доступу: \www/ URL: www.analog.com.
8. ДСТУ ISO 10012:2005. Вимоги до процесів вимірювання та вимірювального обладнання [Текст]. - Введ. 2006-01-01. - К.: Держстандарт, 2006. - 39 с.
9. Дубовой, В. М. ІВС теплопостачання житлових будинків [Текст] / В. М. Дубовой, В. В. Кабачій // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - №2. - 1998. - С. 160-163.
10. Столярчук, П. Проблеми обліку теплової енергії індивідуальними споживачами [Текст] / П. Столярчук, В. Яцук, В. Лоз-бін, Б. Голюка // Стандартизація, сертифікація, якість. - №1. - 2006. - С. 43-50.
11. Tanenbaum, A. S. Computer Networks [Electronic resource] / A. S. Tanenbaum. - 5th edition. - Prentice Hall, 2010. - 960 p. - ISBN-10:0132126958. - Available at: www.amazon.com/Computer-Network-5th-Anolrew-Tomenbaum/dp/0132126958.
12. White, J. R&D challenger and solution for mobile cyber-physical application and supporting internet services [Text] / J. White and others // Journal of internet services and applications. - Vol. 1. - May 2010. - P. 45-56.
13. Jiafu Wan. Advances in Cyber-Physical Systems Reseach [Text] / Jiafu Wan, Hehua Yan, Hui Suo, Fang Li // KS11 Trans internet and Information Systems. - Vol.5. - №.11. - November 2011. - P. 1891-1908.
14. Мельник, В. А. Персональні суперкомпютери: архітектура, проектування, застосування [Текст]: монографія / В. А. Мельник, А. О. Мельник. - Львів: Вид-во Національного університету “Львівська політехніка”. - 2013. - 516 с.
15. Fradkov, A. L. Cybernetical Physics From Control of Chaos to Quantum Control [Text] / A. L. Fradkov. - Springer-Verlay, 2007. -241 p.
16. Каталог ELFA [Електронний ресурс]. - Режим доступу: \www/ URL: http://www.elfaelektronika.com.
17. Яцук, В. Засоби підвищення якості надання послуг із теплопостачання [Текст] : зб. тез доповідей / В. Яцук, П. Бугайцова, Ю. Яцук. / Міжнар. Науково-практична конф. «Управління якістю в освіті та промисловості: досвід, проблеми та перспективи», 22-24 травня 2013 р. - Львів, Вид-во Львівської політехніки, 2013. - С. 262-263.
18. Дяк, Р. П. Повірка термоперетворювачів опору з використанням прецизійного термометра ТСР-0105НО [Текст]: матеріали VI МНТК / Р. П. Дяк, М. В. Телех // Тепловодооблік-2008. - Київ: “Укрметртестстандарт”. - 2008. - С. 216-220.
19. Fluke-Hart Scientific Model 9100S/9102S Dry-Well Temperature Calibrators (Калібратори температури моделей 9100S/9102S) [Електронний ресурс]. - Режим доступу: \www/ URL: www.instrumat.com/products/21210/fluke-hart-scientific-mod-el9100s9102s-dry-well-temperature-calibrators.
20. 3600 Digital Temperature Calibrator (Цифровий калібратор температури типу 3600) [Електронний ресурс]. - Режим доступу: \www/ URL: www.indiamart.com/askib-engineers/calibrators.html.
21. Яцук, В. Методи підвищення точності вимірювання [Текст] / В. Яцук, П. Малачівський. - Львів: «Бескид Біт», 2008. -358 с.
22. Delfa sigma ADC AD7709 [Electronic resource]. - Available at: \www/ URL: http://www.analog.com/static/imported-files/da-ta_sheets/AD7709.pdf
23. T150 High Precision Temperature Field Calibrator (Високоточний переносний калібратор температури) [Електронний ресурс]. - Режим доступу: \www/ URL:www.palmerwahl.com/product_home.php?itm=5961.
З
