ТЕПЛОСЧЕТЧИК БУШЛАНОВА Российский патент 1998 года по МПК G01K17/06 G01K17/08 

Изобретение относится к области измерений, в частности к области измерений параметров потоков жидких и сыпучих веществ /расход тепла и массы/.

Известны тепловые расходомеры Кремлевский П.П. "Расходомеры и счетчики количества", Л. , Машиностроение", 1975 г., с.451, рис.242, содержащие проволочный нагреватель и термопреобразователи, расположенные снаружи трубы.

Разность температур, измеряемая с помощью мостовой схемы или другим путем, является мерой расхода при постоянной мощности нагрева.

Недостатком известных устройств для измерения тепла является необходимость усложнения схемы для определения величины теплового потока, равного расходу теплоносителя, умноженному на теплоемкость среды и на разницу температур до и после потребителя тепла.

Известно устройство для определения хладопроизводительности компрессорного холодильного агрегата /а.с. СССР N 377593, кл. G 01 K 17/04, 1973 г. /, содержащее счетчик электроэнергии, источник нагрева, датчик температуры, расположенный в камере агрегата, фазочувствительный компенсатор и задатчик температуры.

Мощность, потребляемая нагревателем и измеряемая ваттметром, численно равна холодопроизводительности агрегата.

Недостатком известного устройства является сложность, обусловленная наличием фазочувствительного компенсатора и невозможность применения для измерения расхода тепла, отдаваемого проточным теплоносителем.

Известно устройство для измерения количества тепла, отдаваемого теплоносителем /а.с. СССР N 36695, кл. G 01 K 17/06, 1932 г./.

Устройство содержит счетчик электроэнергии, водомер, и термометры, помещенные в прямом и в обратном трубопроводах. При изменении температуры воды в прямом и в обратном трубопроводах движки перемещаясь включают или выключают часть сопротивления из цепи тонкой обмотки счетчика. При изменении расхода воды водомер реагирует изменением положения стержня. Связанное с ним коромысло изменяет положение электропроводного стержня, вследствие чего изменяется сила тока в толстой обмотке счетчика. Таким образом, показания счетчика зависят как от количества протекающей массы теплоносителя, так и от разности температур, и, следовательно, счетчик дает показания количества тепла, отданного теплоносителем.

Недостатком известного устройства является его сложность и низкая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерения от неучитываемых изменений физических параметров теплоносителя /давление, плотность, теплоемкость/, а также наличием громоздких, инерционных и неточных кинематических звеньев в измерительной цепи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является теплосчетчик /PCT WO 96/14560, 17.05.96, кл. G 01 К 17/08/ содержащий прямой трубопровод, подключенный ко входу прибора отопления, обратный трубопровод, подключенный к выходу прибора отопления, электротепловой преобразователь температуры теплоносителя в одном из трубопроводов, измерители температуры теплоносителя на входе и выходе прибора отопления, а также до и непосредственно после электротеплового преобразователя температуры теплоносителя, управляемый источник электрической энергии с управляющими входами, подключенными к выходам измерителей температуры теплоносителя соответственно, а выход источника электрической энергии подключен к питающему входу электротеплового преобразователя температуры теплоносителя.

Задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении устройства. Для достижения технического результата устройство для измерения количества тепла, отдаваемого теплоносителем прибору отопления дополнительно содержит счетчик электрической энергии, подключенный к источнику электрической энергии, который совместно с электротепловым преобразователем температуры теплоносителя выполнен как стабилизатор отношения разности температур теплоносителя на входе и выходе прибора отопления к разности температур теплоносителя до и после электротеплового преобразователя.

Устройство может быть дополнено шунтирующим трубопроводом, который параллельно подключен к участку трубопровода, ограниченному по крайней мере электротепловым преобразователем температуры теплоносителя и измерителем температуры теплоносителя, расположенным после электротеплового преобразователя температуры теплоносителя, включительно.

Электротепловой преобразователь температуры теплоносителя может быть выполнен как нагреватель, а управляемый источник электрической энергии выполнен как преобразователь сигналов измерителей температуры теплоносителя, решающий логическую функцию вида:
если {(T1-T2)≤k(T3-T2)}, то {W=0};
если {(T1-T2)>k(T3-T2)}, то {W=W_т},
где
W - электрическая энергия на выходе управляемого источника электрической энергии;
T1, T2, T3 - электрические сигналы измерителей температуры теплоносителя;
k - постоянный коэффициент, который задает желаемое соотношение перепадов температуры теплоносителя.

Шунтирующий трубопровод и участок трубопровода, к которому параллельно подключен последний могут быть выполнены с отношением их гидравлических сопротивлений инвариантным к скорости теплоносителя.

Шунтирующий трубопровод может быть выполнен в виде системы из N-1, одинаковых, непараллельно соединенных трубок, где N - количество гидравлических параллельно соединенных трубок, N-я из которых является участком трубопровода ограниченным по крайней мере электротепловым преобразователем температуры теплоносителя и измерителем температуры теплоносителя, расположенным после электротеплового преобразователя температуры теплоносителя.

На фиг. 1 изображена предложенная принципиальная схема устройства для измерения теплового потока.

На фиг. 2 изображена структурная схема варианта выполнения управляемого источника электрической энергии.

На фиг. 3 и фиг. 4 изображены варианты конструкции измерительного блока с системой шунтирующих параллельных трубок.

Устройство для измерения теплового потока /фиг.1/ содержит управляемый источник электрической энергии 1 со счетчиком электрической энергии 2, измеритель температуры теплоносителя 3, установленный на прямом трубопроводе 4, измерительный блок, соединенный последовательно с обратным трубопроводом 5.

В дальнейшем участок обратного трубопровода, ограниченный измерителями температуры теплоносителя, расположенными до и после электротеплового преобразователя температуры теплоносителя будет именоваться "измерительная труба".

Измерительный блок включает в себя измерительную трубу 6 с электротепловым преобразователем 8, два измерителя температуры теплоносителя 7, 9, установленные на измерительной трубе 6 до и после преобразователя 8 соответственно, а также, при необходимости, может включать в себя дополнительный трубопровод 19, шунтирующий по крайней мере тот участок измерительной трубы 6, на котором установлены электротепловой преобразователь 8 и последний, третий, измеритель температуры 9. Выход 16 управляемого источника 1 подключен к питающему входу 17 нагревателя 8. Выходы 13, 14, 15 всех трех измерителей 3, 7, 9 подключены к управляющим входам 10, 11, 12 источника 1. Счетчик 2 электрической энергии подключен к питающему выходу 18 и или к выходу 16 управляемого источника 1 электрической энергии.

Шунтирующий трубопровод /шунт/ 19 может иметь различные варианты выполнения. В простейшем случае он может представлять отрезок трубы 23, соединенный параллельно с участком обратного трубопровода, включающим по крайней мере нагреватель 8 и третий измеритель температуры 9.

С целью минимизации влияния на точность измерения изменений скорости теплоносителя, а также минимизации влияния отложений, шунт 19 и измерительная трубка 6 выполнены со стабильным отношением их гидравлических сопротивлений.

Для этого шунт 19 выполнен в виде системы из N-1 параллельно соединенных трубок 22 /как на фиг. 3/. При этом все трубки выполнены конструктивно и размещены в потоке теплоносителя одинаково, N-я трубка использована как измерительная трубка 6. Это обеспечивает равенство гидравлических сопротивлений всех N трубок при всех изменениях режима потока теплоносителя.

Отличия вариантов выполнения измерительного блока на фиг. 3 и на фиг. 4 заключаются в следующем.

На фиг. 3 все N трубки распложены снаружи и поэтому испытывают значительное избыточное рабочее давление со стороны теплоносителя. Это обуславливает повышенные требования к прочности /толщине/ трубок 6, 19, 22 и к необходимости герметизировать многочисленные их концы с помощью дорогостоящей сварки. Утолщение трубки 6 ведет к нежелательному увеличению тепловой инерции прибора.

На фиг. 4 все N трубки расположены внутри корпусной трубы 23 и связаны с ней, например, с помощью изолирующей стенки 27. Трубки 6, 22 омываются теплоносителем со всех сторон, испытывают всесторонне давление и поэтому все вышеупомянутые недостатки предыдущих вариантов здесь полностью исключены.

Рекомендуется измерительную трубу 6 с преобразователем 8 и двумя измерителями 7, 9, а также шунтирующий трубопровод 19, поместить в теплоизолирующие экраны 20, 21. Это минимизирует влияния колебаний климатических условий окружающей среды и неконтролируемый подогрев теплоносителя в шунтирующих трубах 22 на точность измерения прибора, а также уменьшает энергопотребление прибором.

На фиг. 4 теплоизоляция осуществляется предельно просто - путем заполнения промежутков между трубками каким-либо /волокнистым или вспененным/ теплоизолятором. Наружное надежное корпусирование теплоизоляции обеспечивается трубкой 23.

Теплоизоляция на фиг. 3 не показана. Для варианта фиг. 4 наружная теплоизоляция практически не требуется.

Электротепловой преобразователь 3 может быть выполнен как в виде электрохолодильника так и в виде электронагревателя. Далее рассматривается второй, наиболее простой и экономичный вариант выполнения и поэтому преобразователь 8 будет называться нагревателем.

Управляемый источник электрической энергии 1 может иметь различные алгоритмы управления выходной электрической энергией W и, соответственно, различные конструктивные варианты реализации.

Основной функцией управляемого источника является поддержание с помощью нагревателя такой температуры теплоносителя в измерительной трубе, при которой стабилизируется заданное отношение перепадов температур, теплоносителя в теплопотребляющем устройстве 30 и в измерительной трубе 6.

В качестве простого рабочего варианта рекомендуется управляемый источник электрической энергии релейного типа, структурная схема которого изображена на фиг. 2.

Управляемый источник 1 включает в себя три аналоговых вычитающих устройства 31, 32, 33, масштабирующий преобразователь 34, полярное реле 35 с контактной группой 36. В случае выполнения преобразователя 8 в виде нагревателя полярное реле построено на срабатывание при /T3-T2/</T1-T2/.

Устройство для измерения теплового потока работает следующим образом.

Нагретый теплоноситель подается по прямому трубопроводу 4 потребителю тепла 30 /т.е. к теплообменнику/. Исходная температура T1 теплоносителя при этом измеряется первым преобразователем температуры 3. Далее в результате естественных процессов теплообмена в приборе отопления 30 температура теплоносителя понижается до значения T2. Охлажденный теплоноситель из теплообменника 30 вытесняется в обратный трубопровод 5 и, соответственно, в измерительную трубку 6. Поскольку в исходный момент включения прибора перепад температур в измерительной трубке 6 равен нулю, а значит отношение перепадов температур k заведомо больше заданного значения по абсолютной величине и по знаку /это вычисляет простейшая электронная схема сравнения на элементах 31, 32, 33/, то управляемый источник 1 подключает нагреватель 8 к входной энергии питания W_П. Это вызывает разогрев нагревателя 8. Теплоноситель, проходя по трубе 6, подогревается нагревателем 8 до температуры T3, которая контролируется третьим измерителем 9. Как только установится заданное значение отношения перепадов температур k= /T1-T2/ / /T3-T2/ выходной сигнал W управляемого источника 1 уменьшается до нуля. Температура теплоносителя в трубе 6 вновь начинает охлаждаться и источник 1 вновь включается. Далее происходит непрерывная автоматическая стабилизация заданного отношения перепадов температур управляемым источником 1. При этом энергия, потребляемая нагревателем 8 пропорциональна, /по желанию может быть численно равна/ измеряемому количеству тепла, отданного теплоносителем в приборе отопления 30.

На фиг. 2 изображена схема простейшего управляемого источника 1 релейного типа, который включает и выключает нагреватель 8 в соответствии с алгоритмом :
если {(T1-T2)>k(T3-T2)}, то {W=W_П}
если {(T1-T2)≤k(T3-T2)},то {W=0}
В предложенном приборе имеется возможность с помощью масштабирующего звена 34 задать k больше 1 и тем самым уменьшить перепад температур в измерительной трубе в k раз. Это особенно актуально при измерениях больших расходов тепла и при больших массах теплоносителя, т.к. при этом экономится ресурс работы и энергопотребление нагревателя.

Радикальным средством уменьшения энергопотребления прибором является уменьшение массы протекающего теплоносителя в измерительной трубе 6.

Для уменьшения массы теплоносителя в измерительной трубе 6 соответственно мощности нагревателя 8 и источника 1 предусмотрено шунтирование измерительной трубы 6 дополнительным шунтирующим трубопроводом 19 с одновременным уменьшением проходного сечения измерительной трубы 6. Это обеспечивает сохранение заданного расхода теплоносителя в отопительном приборе 30. При этом уменьшается расход теплоносителя непосредственно в измерительной трубе 6.

Шунт 19 может быть однотрубным (как на фиг.1) или выполненным в виде системы из N-1 параллельно соединенных трубок 22 /как на фиг. 3/. При этом одна из параллельных N трубок использована как измерительная труба 6.

Применение N трубок /шунта вообще/ обеспечивает уменьшение расхода теплоносителя в измерительной трубе 6 в N раз. Соответственно, уменьшается количество энергии W, необходимое для стабилизации отношения перепадов температур.

В устройстве сохранено важнейшее свойство присущее устройствам данного типа, а именно в нем радикально устранены влияния вариаций физических свойств теплоносителя /плотность, теплоемкость, однородность, давление/ на результат измерения.

Кроме того, обнаружен целый ряд других ценных положительных свойств у предложенного прибора, а именно:
а/ исключительная конструктивная и технологическая простота прибора за счет того, что его электрические блоки и узлы немногочисленны, конструктивно просты и могут быть заимствованы из других устройств.

б/ повышенная точность измерения за счет того, что накипь равномерно распределяется в трубках измерительного блока.

в/ обеспечены условия для более точных взаиморасчетов с теплоснабжающей организацией за счет того, что может быть коммерчески учтено энергопотребление самого измерительного прибора, идущее, в конечном счете, на обогрев отапливаемого объекта и обратного трубопровода;
г/ исключается необходимость в индивидуальной калибровке прибора из партии, т. к. все измерительные преобразования осуществляются стандартными или откалиброванными заранее /до "проливки"/ узлами и блоками. Это многократно уменьшает себестоимость прибора, расходы на его поверку и эксплуатацию;
д/ использование шунтирующего трубопровода именно в данном техническом решении позволяет в десятки и в сотни раз уменьшить энергопотребление измерительного прибора по сравнению с прибором без шунта.

е/ размещение N трубок внутри обратного трубопровода позволяет практически устранить проблемы, связанные с их герметизацией и с закреплением, с выбором их материалов /т.е. они могут быть даже стеклянными или керамическими/, а также выполнить измерительную трубку тонкостенной, что является отличной предпосылкой для существенного уменьшения динамической погрешности, обусловленной теплопередачей от нагревателя к теплоносителю и к третьему измерителю температуры.

Устройство для измерения количества тепла, отдаваемого теплоносителем прибору отопления относится к области измерений, в частности к области измерений параметров потоков жидких и сыпучих веществ. Устройство содержит прямой трубопровод, подключенный к входу прибора отопления, обратный трубопровод, подключенный к выходу прибора отопления. А также электротепловой преобразователь температуры теплоносителя в одном из трубопроводов. Измерители температуры теплоносителя установлены на входе и выходе прибора отопления и до и после электротеплового преобразователя. Управляющие входы управляемого источника электрической энергии подключены к выходам измерителей температуры соответственно. Выход источника электрической энергии подключен к питающему входу электротеплового преобразования. Счетчик электрической энергии подключен к источнику электрической энергии. А источник электрической энергии совместно с электротепловым преобразователем температуры теплоносителя и измерителями температуры теплоносителя является стабилизатором отношения разности температур теплоносителя на входе и выходе прибора отопления к разности температур теплоносителя до и после электротеплового преобразователя. За счет стабилизации указанного отношения исключается влияние вариаций физических свойств теплоносителя на результат измерения. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения количества тепла, отдаваемого теплоносителем прибору отопления, содержащее прямой трубопровод, подключенный к входу прибора отопления, обратный трубопровод, подключенный к выходу прибора отопления, электротепловой преобразователь температуры теплоносителя в одном из трубопроводов, измерители температуры теплоносителя на входе и выходе прибора отопления, а также до и непосредственно после электротеплового преобразователя температуры теплоносителя, управляемый источник электрической энергии с управляющими входами, подключенными к выходам измерителей температуры теплоносителя соответственно, а выход управляемого источника электрической энергии подключен к питающему входу электротеплового преобразователя температуры теплоносителя, отличающееся тем, что дополнительно содержит счетчик электрической энергии, подключенный к управляемому источнику электрической энергии, который совместно с электротепловым преобразователем температуры теплоносителя и измерителями температуры теплоносителя выполнен как стабилизатор отношения разности температур теплоносителя на входе и выходе прибора отопления к разности температур теплоносителя до и после электротеплового преобразователя температуры теплоносителя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что к участку трубопровода, ограниченному по крайней мере электротепловым преобразователем температуры теплоносителя и измерителем температуры теплоносителя, расположенным после электротеплового преобразователя температуры теплоносителя, параллельно подключен шунтирующий трубопровод. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что электротепловой преобразователь температуры теплоносителя выполнен как нагреватель, а управляемый источник электрической энергии выполнен как преобразователь сигналов измерителей температуры теплоносителя, решающий логическую функцию вида:
если {(T1-T2)≤k(T3-T2)}, то {W=0};
если {(T1-T2)>k(T3-T2)}, то {W=W_п},
где W - электрическая энергия на выходе управляемого источника электрической энергии;
T1, T2, T3 - электрические сигналы измерителей температуры теплоносителя;
k - постоянный коэффициент, который характеризует выбранное соотношение между перепадами температур теплоносителя. 4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что участок трубопровода, ограниченный по крайней мере электротепловым преобразователем температуры теплоносителя и измерителем температуры теплоносителя, расположенным после электротеплового преобразователя температуры теплоносителя, и шунтирующий трубопровод выполнены с отношением их гидравлических сопротивлений инвариантным к скорости теплоносителя. 5. Устройство по пп.2, 3 или 4, отличающееся тем, что шунтирующий трубопровод выполнен в виде системы из N-1 одинаковых, параллельно соединенных трубок, где N - количество гидравлических параллельно соединенных трубок, N-я из которых является участком трубопровода, ограниченным по крайней мере электротепловым преобразователем температуры теплоносителя, расположенным после электротеплового преобразователя температуры теплоносителя.