УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДНОЙ СРЕДЫ Российский патент 1994 года по МПК A01K61/00 G05D23/13 

Изобретение относится к рыбоводству, а именно к обеспечению температурного режима выдерживания производителей рыб на основе регулируемого смешивания холодной и горячей воды.

При выдерживании производителей рыб хороший выход половых продуктов высокого качества обеспечивается соблюдением вполне определенного закона изменения темпеpатуры водной среды.

Известна установка для выдерживания производителей (инкубации икры), содержащая нагревательный элемент, ряд бассейнов, разделенных затворами, а также запорно-регулирующую и контрольно-измерительную аппаратуру.

Недостатком этого устройства является его неспособность автоматически поддерживать требуемый оптимальный закон изменения температуры водной среды.

Известна установка подобного назначения, содержащая несколько аккумулирующих объемов, снабженных электрически управляемыми трехвходовыми запорными элементами (вентилями), обеспечивающими необходимую температуру воды в измерительной емкости, связанной с рабочими бассейнами.

Недостаток этой установки также связан с отсутствием плавной регулировки температуры, т.е. в ее недостаточной точности при обеспечении требуемого режима изменения температуры воды.

В наибольшей степени предлагаемой установке для регулирования температуры водной среды по своему составу и техническим показателям соответствует установка, принятая за прототип, в которой имеется смеситель, расходный резервуар, датчики уровня жидкости, рабочий бассейн, датчики температуры, трубопроводы с горячей и холодной водой, система управления. В зависимости от значения заданной температуры воды, и с учетом измеренных значений температур в трубопроводах горячей и холодной воды, производится дозирование необходимых объемов горячей и холодной воды и их последующее смешивание в смесителе.

Недостатки устройства-прототипа заключаются в следующем:
отсутствует контроль температуры воды, поступающей из расходного резервуара в рабочий бассейн, что приводит к появлению систематической ошибки;
из-за дискретного дозирования объемов холодной и горячей воды требуется буферный расходный резервуар, что усложняет и удорожает установку;
в случае пропадания напряжения в питающей сети поступление свежей воды прекращается, что может привести к гибели производителей рыб. Кроме того, температура воды в рабочем бассейне за это время отклоняется от требуемой. При последующем запуске установки возможно резкое изменение температуры, компенсирующее это отклонение, что вызывает стрессовое состояние у рыб.

Целью изобретения является повышение надежности работы установки и точности поддержания температуры воды в условиях возможного отключения электропитания.

Цель достигается тем, что установка для регулирования температуры водной среды содержит смеситель, трубопроводы холодной и горячей воды, два регулируемых запорных элемента, трубопровод смешанной воды, рабочие бассейны, кнопку первоначального пуска, два RS-триггера, коммутатор аналоговых сигналов, два датчика температуры, счетчик импульсов, таймер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), четыре логических элемента И-НЕ, логическую схему сравнения на "больше-меньше", постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), генератор тактовых импульсов (ГТИ), четыре логических элемента И, логический элемент ИЛИ, два исполнительных элемента, причем трубопроводы холодной и горячей воды связаны со входами смесителя посредством первого и второго запорных элементов, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих исполнительных элементов, задатчик температуры, выполненный на ПЗУ, выходом связан со вторыми входами схемы сравнения, первые входы которой соединены с выходом АЦП, аналоговый вход которого связан с первым и вторым датчиками температуры, установленными соответственно в рабочем бассейне и на выходе смесителя, посредством коммутатора аналоговых сигналов, выходы схемы сравнения связаны со входами исполнительных элементов посредством третьего и четвертого логических элементов И. Работа установки тактируется ГТИ, выход которого соединен со входом таймера, формирующего на своем первом выходе импульсы, управляющие работой АЦП, триггеров и исполнительных элементов. Автоматическое изменение температуры задатчика обеспечивается преобразо- ванием временного интервала в требуемую температуру задания, осуществляемую счетчиком импульсов, выходы разрядов которого соединены с адресными входами ПЗУ, в котором записывается программа изменения температуры задания.

В случае исчезновения напряжения в питающей сети установка обесточивается. При этом поступление свежей воды в рабочие бассейны осуществляется по-прежнему через смеситель и запорные элементы. При соблюдении постоянных значений температуры и давлений в трубопроводах холодной и горячей воды температура в рабочих бассейнах будет поддерживаться неизменной, хотя флуктуации температур и давлений могут привести к некоторому отклонению температуры.

После появления напряжения сети в установке производится измерение температуры воды в рабочем бассейне. По величине этой измеренной температуры осуществляется привязка к графику изменения температуры. Последующее изменение темпера- туры происходит без скачков, начиная от измеренной температуры воды в рабочем бассейне.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: RS-триггеров, логических элементов И, И-НЕ, схемы сравнения, коммутатора аналоговых сигналов, таймера, счетчика, а также новыми связями между ними и остальными элементами установки, что позволяет установить соответствие критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что установки для выдерживания заданного температурного режима у производителей рыб известны. Однако поддержание температуры в них производится вручную, с меньшей, чем это требуется по технологии, точностью. Известные установки для стабилизации температуры водной среды не реализуют изменение температуры во времени как это требуется. При одновременном удовлетворении обоих требований, т. е. при автоматическом изменении температуры воды с необходимой точностью, возникают специфические проблемы, связанные с возможным отключением питающей сети. Предлагаемая совокупность элементов и связей между ними обеспечивает работоспособность установки и в этих условиях, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 представлена функциональная схема установки для регулирования температуры водной среды; на фиг.2 - временные диаграммы в различных точках схемы устройства;
а) напряжение на кнопке 10;
б) -"- на прямом выходе первого RS-триггера 11;
в) -"- на прямом выходе второго RS-триг-гера 12;
г) -"- на первом выходе таймера 16;
д) -"- на втором выходе таймера 16;
е) -"- на выходе ГТИ 23;
ж) -"- на выходе первого элемента И-НЕ 18;
з) -"- на выходе второго элемента И-НЕ 19;
и) -"- на выходе третьего элемента И-НЕ 20;
к) -"-содержимое счетчика 15;
л) напряжение на выходе А < В элемента 21;
м) -"- на выходе А > В элемента 21;
н) -"- на выходе третьего элемента И 26;
п) -"- на выходе четвертого элемента И 27;
р) -"- на выходах исполнительного элемента 30;
с) -"- на выходах исполнительного элемента 31.

Фиг. 3 иллюстрирует один из вариантов программы изменения (или графика) температуры задания для выдерживания производителей рыб.

Установка для регулирования температуры водной среды содержит (фиг.1) трубопроводы холодной 1 и горячей воды 2, первый и второй запорные элементы 3 и 4, смеситель 5, трубопровод смешанной воды 6, рабочие бассейны 7-9, кнопку первона- чального пуска 10, первый и второй RS-триггеры 11 и 12, коммутатор аналоговых сигналов 13, первый и второй датчики температуры 14 и 29, счетчик импульсов 15, таймер 16, аналого-цифровой преобразователь 17, первый-третий логические элементы И-НЕ 18-20, логическую схему сравнения на "больше-меньше" 21, постоянное запоминающее устройство 22, генератор тактовых импульсов 23, первый-четвертый логические элементы И 24-27, логический элемент ИЛИ 28, первый и второй исполнительные элементы 30 и 31.

Смеситель 5 соединен с трубопроводами 1 и 2 соответственно посредством запорных элементов 3 и 4, а также с рабочими бассейнами 7-9 посредством трубопровода 6. Кнопка 10 одним выводом соединена с входами установки в нулевое состояние RS-триггеров 11 и 12, счетчика 15 и таймера 16, а другим с шиной, потенциал которой приводит к установке в нулевое состояние элементов 11, 12, 15, 16 (в данном случае с общей шиной). Выход генератора тактовых импульсов 23 соединен со входом таймера 16 и третьим входом логического элемента И 24, первый вход которого соединен с первым входом логического элемента И 25, первым входом логического элемента И-НЕ 18 и выходом RS-триггера 11. Второй вход логического элемента И 24 соединен со вторым входом логического элемента И-НЕ 18 и с инверсным выходом RS-триггера 12, прямой выход которого соединен с третьим входом логического элемента И 25, адресным входом коммутатора 13 и первыми входами логических элементов И 26, 27. Второй выход таймера 15 соединен со вторым входом логического элемента И 25, а первый с S-входом RS-триггера 11 и вторым входом логического элемента И-НЕ 19, первый вход которого соединен с выходом логического элемента И-НЕ 18, а выход - со вторыми входами логических элементов И 26 и 27, входом управления АЦП 17 и первым входом логического элемента И-НЕ 20, выход которого соединен с S-входом RS-триггера 12. Выходы логических элементов И 24 и 25, а также выход переноса счетчика 15 соединены со входами логического элемента ИЛИ 28, выходом соединенного со счетным входом счетчика 15, выходы разрядов которого соединены с входами задатчика температуры 22, выходы которого соединены со вторыми входами логической схемы сравнения 21. Датчики температуры 14 и 29 посредством коммутатора 13 связаны со входом АЦП 17, а выходы разрядов последнего соединены с первыми входами схемы сравнения 21, первый выход которой соединен с третьим входом логического элемента И 27 и вторым входом логического элемента И-НЕ 20, а второй - с третьим входом логического элемента И 26, выход которого соединен с открывающим и закрывающим входами, соответственно, исполнительных элементов 30 и 31. Выход логического элемента И 27 соединен с открывающим и закрывающим входами соответственно исполнительных элементов 31 и 30, которые управляют запорными элементами 3 и 4.

Установка для регулирования температуры водной среды работает следующим образом.

Холодная и горячая вода поступают по трубопроводам 1 и 2 через заслонки запорных элементов 3 и 4 в смеситель 5, с выхода которого по трубопроводу 6 смешанная вода поступает в рабочие бассейны 7-9 (фиг.1).

В режиме начального запуска установки для регулирования температуры воды нажатием кнопки 10 в момент времени t_о (фиг.2) сбрасывают в нулевое состояние первый 11 и второй 12 RS-триггеры, счетчик 15 и таймер 16 подачей сигнала низкого уровня на соответствующие входы этих элементов. Сигнал низкого уровня поступает с прямого выхода второго RS-триггера 12 на адресный вход коммутатора 13 аналоговых сигналов, обеспечивая подключение выхода датчика температуры 14 воды в рабочих бассейнах 7-9 к аналоговому входу интегрирующего АЦП 17. При отпускании кнопки 10 в момент времени t₁ на первом выходе таймера 16 появляется сигнал высокого уровня (фиг.2,г), в результате чего на выходе второго элемента И-НЕ 19 устанавливается сигнал низкого уровня, приложенный к управляющему входу АЦП 17 и переводящий его в режим измерения температуры воды в рабочем бассейне. Через время τ₁ (20-120 с) в момент времени t₂ на первом выходе таймера 16 устанавливается сигнал низкого уровня. Первый RS-триггер 11 переключается в единичное состояние (фиг. 2,б), на выходе второго логического элемента И-НЕ 19 появляется сигнал высокого логического уровня (фиг. 2,з), переводящий АЦП 17 в режим хранения информации. Цифровой сигнал, соответствующий температуре в рабочем бассейне, с выхода АЦП 17 поступает на первую группу входов логической схемы сравнения 21 на "больше-меньше", вторая группа входов которой соединена с выходами постоянного запоминающего устройства 22, содержащего информацию о требуемом законе изменения температуры воды.

Для пояснения принципа организации заданного закона изменения температуры обратимся к фиг.3, где изображен график изменения температуры воды. В зависимости от времени работы t_час температура задания t^о_зад изменяется. В ПЗУ 22 обе переменные (t_час и t^о_зад) представляются в виде двоичных чисел, т. е. комбинация логических нулей и единиц, причем комбинация на адресных входах ПЗУ 22, соединенных с выходами счетчика импульсов 15, соответствует переменной t_час, а код, записанный заранее в ПЗУ 22 - соответствует переменной t^о_зад. Количество разрядов счетчика 15 и ПЗУ 22 определяется требованием к необходимой точности поддержания температуры. Допустим, максимальная температура задания t^о_зад = 20^оС. Если считать достаточной точность 0,1 град, то потребуется порядка 200 уровней - "ступенек". Для чисел, заданных в двоичной системе счисления, ближайшим полным является число 256 = 2⁸, т. е. для представления входной информации вполне достаточно восьми разрядов. Число разрядов счетчика определяется также требуемым темпом изменения температуры и временем одного цикла работы установки. Например, если темп равен 1 град/ч (0,1 град в 6 мин), имеем десять ступеней по 0,1 град, т.е. один такт через каждые 6 мин. Полный цикл в 100 ч займет 1000 тактов работы счетчика 15, что соответствует десяти двоичным разрядам счетчика (2¹⁰= = 1024) или адресов ПЗУ 22.

Так как счетчик импульсов 15 в момент времени t₂ находится в нулевом состоянии, то число В, записанное в ПЗУ 22, оказывается меньше (см. фиг.3) числа А на выходе АЦП 17, при этом на выходе А > В логической схемы сравнения 21 на "больше-меньше" оказывается сигнал высокого уровня, а на выходе А < В - низкого. Сигнал высокого уровня на выходе первого RS-триггера 11 разрешает подачу импульсов с генератора тактовых импульсов (фиг.2,е) через первый логический элемент И 24 и логический элемент ИЛИ 23 на счетный вход счетчика 15. В соответствии с выходными сигналами c разрядов cчетчика 15, cоглаcно запиcанной в ПЗУ 22 программе изменения температуры задания (фиг. 3) происходит рост числа на второй группе входов логического элемента сравнения 21 "больше-меньше".

В некоторый момент времени t₃ число на второй группе входов В схемы 21 становится больше числа на первой группе входов А, что сопровождается появлением сигнала высокого уровня на выходе А < В логической схемы сравнения 21 на "больше-меньше" (фиг.2,л). Сигналы высокого уровня на обоих входах третьего логического элемента И-НЕ 20 приводят к установлению сигнала низкого уровня на его выходе (фиг.2,и) и к последующему установлению второго RS-триггера 12 в единичное состояние (фиг.2,в). Сигнал высокого уровня на его прямом выходе, поступая на адресный вход коммутатора 13, вызывает переключение входа АЦП 17 к выходу датчика 29 температуры воды на выходе смесителя 5. В то же время разрешается прохождение импульсов со второго выхода таймера 16 на счетный вход счетчика 15 через второй логический элемент И 25 и логический элемент ИЛИ 28, а сигналом низкого уровня с инверсного выхода второго RS-триггера 12 блокирует прохождение тактовых импульсов большой частоты через первый логический элемент И 24. Относительно малая частота импульсов (0,0001 - 0,001 Гц), поступающих на вход счетчика 15 в этом режиме обусловливает его небольшую разрядность, облегчая задачу построения схемы. Если требуемая программа, записанная в ПЗУ 22 выполнена, т.е. t_час > tчас. макс (см. фиг.3), то на выходе переноса счетчика 15 появляется сигнал высокого уровня, который поступая на вход логического элемента ИЛИ 28 блокирует дальнейший счет счетчиком 15. Установка при этом стабилизирует температуру, равную t^о_{зад.макс}.

После переключения в момент времени t₃ датчиков температуры коммутатором 13, работа АЦП 17 определяется сигналом с первого выхода таймера 16, т. е. циклически чередуются интервалы измерения τ₁ и хранения τ₂ информации (фиг.2,г). В зависимости от измеренных значений температуры воды в смесителе и от программы, хранящейся в ПЗУ 22, система управления вырабатывает соответствующие сигналы управления запорными элементами 3, 4.

Например, в случае, когда температура воды на выходе смесителя 5, измеренная датчиком 29, равна требуемой температуре, определяемой записанной в ПЗУ 22 программой, на обоих выходах "А>" и "А<" логической схемы сравнения 21 на "больше- меньше" сохраняются сигналы низкого уровня (см. фиг.2, интервал t₃ - t₅). Исполнительные элементы 30, 31 не включаются. Если температура на выходе смесителя оказывается больше требуемой, на выходе "А" логической схемы 21 (фиг.2,м) появляется сигнал высокого уровня (интервал t₅ - t₄). В течение интервала t₆ - t₇ времени длительностью τ₂ (0,1 - 10 с) сигнал высокого уровня с выхода второго логического элемента И-НЕ 19 поступает на вторые входы третьего и четвертого логических элементов И 26, 27, на третьи входы которых также подается сигнал высокого уровня с прямого выхода второго RS-триггера 12. Появление сигнала высокого уровня на первом входе третьего логического элемента И 26 вызывает сигнал высокого уровня на его выходе (фиг. 2,н), приводя к срабатыванию первого исполнительного элемента 30 в направлении открывания, а второго 31 - закрывания (фиг.2,р, с), соответственно, увеличивая подачу холодной воды и уменьшая - горячей регулируемыми запорными элементами 3 и 4. Если температура на выходе смесителя меньше требуемой (см. фиг.2, интервал t₇ - t₉), сигнал высокого уровня появляется уже на выходах "А<" схемы 21 и четвертого логи- ческого элемента И 27 (фиг.2,л,п), вызывая срабатывание первого исполнительного элемента 30 в направлении закрывания, а второго 31 - открывания (фиг.2,р,с), т.е. уменьшая подачу горячей и увеличивая подачу холодной воды.

Примером технической реализации установки является устройство, смонтированное в инкубационном цехе рыбхоза "Сускан" (Самарская обл.). Трубопроводы 1, 2 диаметром порядка 200 мм передают воду при давлениях от 1,2 до 2,5 атм, температура горячей воды составляет около 25-30^о, холодной - от 6 до 18^о (в зависимости от температуры водоема, откуда происходит ее забор). Запорные элементы 3, 4 конструктивно объединены с исполнительными элементами 30, 31 и являются типовыми узлами (электроприводы задвижек типа МПК-13И-5), смеситель 5 представляет собой некоторый объем, в котором производится активное смещение двух потоков воды, рабочие бассейны 7-9 имеют объем порядка 2-8 м³, кнопка 10 - с нормально разомкнутым контактом, триггеры 11, 12 и другие элементы 13-25, кроме элемента 14, выполнены на базе интегральных микросхем серий К155, 555, 561, 572, 580 (К155 ЛАЗ, ТМ2 и т.п.), коммутатор аналоговых сигналов 13 (К561 КП1), датчики температуры 14, 29 типа ТСП-5071, ТСП-0879, счетчик импульсов 15 (К155 ИК 5...), таймер 16 (К 580 ВИ 53), интегрирующий АЦП 17, логические элементы 18-20 И-НЕ (К155 ЛАЗ), логическая схема сравнения 21 на "больше-меньше" (К561, ИП2, К555 СП1), ПЗУ22 (ШК573 РФ5), генератор тактовых импульсов 23 (К1006 ВИ1), логические элементы 24-27 И (К 155 ЛИ4), логический элемент 28 ИЛИ (К 155 ЛЕЗ), исполнительные элементы 30, 31, кроме электродвигателей также содержат ключевые усилительные элементы на транзисторах типа КТ814, КТ819. Большинство узлов устройства управления могут быть реализованы на управляющей микроЭВМ, например, типа "КУРСОР".

Проведенные испытания показали, что применение предлагаемой установки обеспечивает свободное от случайности точное соблюдение технологии выдерживания производителей, что исключает тромбоз яичников, увеличивает производительность и выход эмбрионов в среднем на 10-15%.

Использование: в области рыбоводства, а именно для обеспечения температурного режима выдерживания производителей рыб на основе регулируемого смешивания холодной и горячей воды. Сущность: установка для регулирования температуры водной среды содержит трубопроводы 1 и 2 холодной и горячей воды соответственно, запорные элементы 3, 4, смеситель 5, рабочие бассейны 7-9. Датчики температуры 14 и 29 позволяют контролировать температуру воды в бассейне, либо на выходе смесителя в зависимости от режима работы коммутатора 13. RS - триггеры 11, 12 обеспечивают включение одного из трех возможных режимов работы установки, изменяя частоту импульсов на входе счетчика 15, управляя работой таймера 16, коммутатора 13, аналого-цифровым преобразователем 17. 3 ил.

УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДНОЙ СРЕДЫ, содержащая смеситель, выходной трубопровод которого связан с рабочим бассейном, два датчика температуры, выходами связанные с входом аналого-цифрового преобразователя, выход последнего соединен с первыми входами логической схемы сравнения, трубопроводы для холодной и горячей воды, связанные с входами смесителя посредством первого и второго запорных элементов, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих исполнительных элементов, и задатчик температуры, подключенный к вторым входам логической схемы сравнения, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и надежности, в нее дополнительно введены два RS-триггера, объединенные R-входами с кнопкой пуска и входами сброса таймера и счетчика, выходы разрядов которого соединены с входами задатчика температуры, а выход переноса соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, выходом соединенного со счетным входом счетчика, а вторым и третьим входами - с выходами первого и второго логических элементов И, первые входы которых объединены и соединены с прямым выходом первого RS-триггера и первым входом первого логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго RS-триггера и вторым входом первого логического элемента И, а выход - с первым входом второго логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с S-входом первого RS-триггера и первым выходом таймера, к второму выходу которого подключен второй вход второго элемента И, а к входу присоединен выход генератора тактовых импульсов и третий вход первого логического элемента И, прямой выход второго RS-триггера соединен с третьим входом второго и первыми входами третьего и четвертого логических элементов И и с адресным входом коммутатора, аналоговые входы которого соединены с выходами двух датчиков температуры, устанавливаемых в рабочем бассейне и на выходе смесителя, а выход соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, вход управления которого соединен с выходом второго логического элемента И-НЕ, вторыми входами третьего и четвертого логических элементов И и первым входом третьего логического элемента И-НЕ, второй вход которого связан с первым выходом схемы сравнения и третьим входом четвертого логического элемента И, а выход - с S-входом второго RS-триггера, второй выход схемы сравнения соединен с третьим входом третьего логического элемента И, выход которого подключен к открывающему входу первого и закрывающему входу второго исполнительных элементов, а закрывающий вход первого и открывающий второго объединены и подключены к выходу четвертого логического элемента И.