CC BY
17
лее удобные графики движений. Благодаря системам мониторинга повышается эколого-экономическая эффективность функционирования предприятия.
Список литературы:
1. Маковецкая-Абрамова О.В., Маковецкий В.А., Силла С.А. Автоматизированный мониторинг транспортного потока в сервисе автомобильных экосистем // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2009. - № 4.
2. Ожерельев М.Ю. Повышение качества информационного обеспечения транспортно-телематических систем в городах и регионах: на примере диспетчерского управления пассажирским транспортом: автореф. // Научная библиотека диссертаций и авторефератов. - 2008.
3. Постановление Правительства Российской Федерации от 25 августа 2008 г^ 641 «Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАССЮРЗ» // Собрание законодательства Российской Федерации. - 2008. - N 35. - Ст. 4037.
АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
© Макаренко Л.В.*
Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых,
г. Владимир
Предложено устройство учета тепловой энергии, теплосчетичик для систем горячего водоснабжения. Теплосчетчик позволяет вести учет потребляемой с водой тепловой энергии без использования сетевого или батарейного электропитания.
Схематические и конструкционные решения по устройству теплосчетчика отражены на рис. 1-5, при этом исходим из известной зависимости величины тепловой энергии от первичных параметров [1].
Ш = О ■ СР ■ А/° • т (1)
где в - объемный расход теплоносителя;
СР - теплоемкость теплоносителя;
А/° - перепад температур теплоносителя до и после объекта тепло-потребления;
т- время.
* Студент кафедры Технико-технологических дисциплин. Научный руководитель: Шарыгин Л.Н., доцент, кандидат технических наук.
Рис. 1. Функциональная схема устройства
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;12 - второй делитель частоты; 1 3 - 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 на рис. 1 [2].
Обратимся к устройству других функциональных блоков в предложенном теплосчетчике.
Расходомер (рис. 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 магнито-мягкого 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.
Рис. 2. Конструктивная схема расходомера
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 - тур-бинка». 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 в равен:
О = кс • / (2)
где кс - конструктивный коэффициент, учитывающий скольжение; /- 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. 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 рис. 3 изображены катушки с индуктивностью Ь расходомера, начала обмоток отмечены точками. Здесь же показан выход частотного сигнала расходомера -/
Рис. 3. Электрическая принципиальная схема накопителя электрической энергии
Функцию накопления электрической энергии выполняет ионистор С (конденсатор). Импульсы ЭДС катушек Ь расходомера переводятся в одно-полярную форму выпрямительными диодами УВ1-УБп (п - количество катушек) и их энергия накапливается на ионисторе. Получаемое напряжение ис зависит от частоты вращения турбинки расходомера. Предусмотрен стабилизатор напряжения на транзисторе УТ. Опорное напряжение задает стабилитрон УБСТ, ток которого определен резистором Я. Стабилизатор напряжения представляет собой эмиттерный повторитель, поэтому выходное напряжение иСТ практически равно напряжению стабилизации стабилизатора УБСТ. Для снижения пульсаций напряжения иСТ предусмотрен конденсатор С. Таким образом, накопитель электрической энергии имеет две линии шины питания: первая линия иСТ 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.
Рис. 4. Электрическая схема термоэлектрического генератора
Термоэлектрический генератор 3 (рис. 4) представляет собой два последовательно-встречно включенных термоэлемента ТЭ1 и ТЭ2. Их концы «Г» помещены в поток горячей воды, а концы «Х» - в поток холодной воды. В качестве термоэлементов можно использовать термопары (хромель и другие), тогда концы «Г» и «Х» это спаи термопар, концы «О» размещены на плате электронного блока и имеют температуру окружающего воздуха. Тер-моЭДС Е каждого термоэлемента будет определяться разностью температур спая и концов «О». Достоинством такого включения термоэлементов является то, что разностная ЭДС ДЕ = Е1 - Е2 не зависит от температуры воздуха (точки «О») и линейности характеристик термоэлементов. Для исключения пульсаций термоЭДС ДЕ в течении короткого цикла измерений предусмотрен электрический фильтр. Если собственные (внутренние) сопротивления термоэлементов малы, то фильтр выполняют в виде интегрирующей ЛС-цепи. Применительно к случаю термопар с длинными проводниками, собственное сопротивление термоэлементов сравнительно велико, тогда функция Л заменит это сопротивление и фильтр может быть представлен только конденсатором С. На фигуре 4 сопротивление Л следует рассматривать как внутреннее сопротивление термоэлементов, если они высокоомны, как в случае термопар.
Вычислительное устройство 9 реализует функцию:
ДЖ = к ■ О ■ СР ■ Д0 • Дг
(3)
где Ж - тепловая энергия за один цикл измерения; О - объемный расход теплоносителя; СР - теплоемкость теплоносителя;
Д° - разность температур горячего и холодного потока теплоносителя; Дг- цикл измерения;
К - коэффициент учитывающий конструктивные параметры теплосчетчика и коэффициент скольжения расходомера кс.
Под циклом измерения Дг 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
Входными сигналами вычислительного устройства являются:
- тактовая частота с выхода высокочастотного генератора опорной частоты 10 блока управления 5;
- частота f преобразователя расходомера 1, поступающая через формирователь 6;
- выходной сигнал счетного триггера 13 блока управления 5;
- код аналогоцифрового преобразователя 4, отражающий разность температур Д/°;
- частота считывания результата вычислений с выходного счетчика вычислительного устройства.
Выходным сигналом вычислительного устройства является последовательность импульсов (если ДW Ф 0), поступающая на электромеханический счетчик 8 через электронный ключ 7.
Работа теплосчетчика для систем горячего водоснабжения заключается в следующем.
.............IIIIIIIIIIIIIIII1.....Nile
Те
^сиит, 4 -
_11_^
Г*
Рис. 5. Циклограмма работы устройства
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 (рис. 3). В результате на выходах ис и иСТ появляется электрическое напряжение питания, а фронтом этого напряжения осущест-
вляется 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).
Далее работу теплосчетчика удобно проследить по циклограмме рис. 5. Эпюра и10 = _Дг) отражает работу генератора опорной частоты 10 блока управления 5. Эпюра и12 отражает импульсы на выходе делителя 12 блока управления. Эпюра и13 соответствует выходному напряжению счетного триггера 13 блока управления. Пусть в момент времени г1 очередной импульс и2 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 г счетный триггер 13 устройства управления опрокидывается, при этом вычислительное устройство начинает производить вычисление и заканчивает в момент г3. 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 г4 зависит от результата (количества импульсов в счетчике результата вычислительного устройства 9), но параметры выбраны так, что г4 при любом результате (в пределах диапазона измерения теплосчетчика) меньше момента времени г5 очередного опрокидывания счетного триггера 13 блока управления 5. Начиная с момента времени г5, цикл работы повторяется. В итоге за каждый цикл работы электромеханический счетчик будет дополняться количеством срабатываний, соответствующим величине ДЖ. Электромеханический счетчик как интегратор, пополняясь будет сохранять суммарное значение потребляемой тепловой энергии за весь интервал измерения г- 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.
Список литературы:
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: справочник. -4-е изд., перераб. и доп. - Л.; Машиностроение, 1989. - 701 с.
2.Устройство для измерения количества тепловой энергии, передаваемой водой горячего водоснабжения. Патент ЯИ 2189572, МПК в01К 17/08 / В.А. Гончаров, В.Ю. Каралюн. Опубл. 20.09.2002.
