УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ РАБОТЫ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Российский патент 1999 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на предприятиях, осуществляющих эксплуатацию автономных энергетических установок, таких как судовой двигатель, насосная установка в трубопроводах, котельная установка, компрессорное устройство и т.д.

В основу настоящего изобретения положена задача определения экономии топлива Δ P=/P_N-P_ф/, где P_N - заданное (нормированное) количество топлива, отпускаемое для выполнения определенной работы (например, рейс судна), P_ф - фактические затраты топлива, что позволяет обоснованно стимулировать работу обслуживающего персонала.

Известно устройство для определения экономичности работы автономных энергетических установок, например двигателя внутреннего сгорания (ДВС), по а. с. СССР N 1578484 (МКИ G 01 F 9/00), содержащее пробку, герметизирующий топливный бак, соединительные трубопроводы, дозатор газа и регистратор давления.

Недостатком данного устройства являются длительность контроля и ограниченная точность.

Известно устройство для определения экономичности работы автономных энергетических установок по пат. РФ N 2014569 (МКИ G 01 F 9/00) опубл. 15.06.94 г. БИ N 11, содержащее задатчик мощности, датчик момента, блок умножения, две схемы сравнения, задатчик оборотов, пять схем И, датчик оборотов, электроклапан, блок управления электроклапаном, блок автоматики, аналого-цифровой преобразователь, весовое устройство, два делителя, частотный датчик веса, три счетчика, блок индикации, датчик объема, датчик пройденного пути.

Устройство позволяет определить расход топлива на единицу пройденного пути транспортного средства с требуемой точностью.

Известно устройство для определения экономичности работы автономной энергетической установки, в частности карбюраторного двигателя транспортного средства, по пат. США N 3977238, кл. 73-114, опубл. 1977 г., содержащее корпус с размещенным на нем вакуумметрическим преобразователем, внутренняя полость которого сообщена с пространством за дроссельной заслонкой, карбюратора, указательную стрелку, закрепленную на оси, шарнирно установленной в корпусе и кинематически соединенной с вакуумметрическим преобразователем, неподвижный диск со шкалой, нанесенной на ней в зоне перемещения указательной стрелкой, и систему сигнализации.

Недостатком известного устройства является невозможность его использования для других автономных энергетических объектов, например дизель-генераторных установок судов, что делает его неуниверсальным. Кроме того, устройство не обеспечивает автоматический контроль за выходом режима работы за пределы зоны экономической работы, что требует от обслуживающего персонала непрерывного участия в контроле и ухудшает условия труда (см., например, устройство по а.с. СССР N 1017947, МКИ).

Наиболее близким по технической сущности к предложенному и выбранным авторами за прототип является устройство для определения экономичности работы автономных энергетических установок, в частности дизелей, по пат. ПНР N 143347 (МКИ G 01 15/00, опубл. в 1989 г. Реферативный журнал "Водный транспорт" 1989 г. N 7. Реф. 7B39), содержащее задатчик перемещения топливной рейки l, датчик частоты вращения n, преобразователь перемещение-напряжение, преобразователь частота вращения-напряжение, индикатор (осциллограф), на экране которого нанесен замкнутый контур, изображающий область работоспособности (область допустимых значений) в координатах n-l.

Сущность данного устройства заключается в том, что на экране осциллографа появляется светящаяся точка, соответствующая определенным рабочим (текущим) значениям n, l. Оператор оценивает положение данной точки относительно границ области работоспособности и по результатам наблюдения принимает управленческое решение, например изменить положение рейки топливного насоса или изменить частоту вращения дизеля.

Недостатками данного устройства являются:
ограниченная точность, обусловленная визуальным съемом информации с экрана осциллографа человеком-оператором, и ограниченная точность нанесения на экран осциллографа области работоспособности;
ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием учета характеристик окружающей среды и характеристик энергетической установки, в которую входит дизель, а также отсутствием интегрированных знаний работы дизеля за определенный период (час, сутки и т.п.).

В предложенном изобретении решается задача повышения точности измерения экономии топлива за определенный промежуток времени.

Указанная задача решается тем, что устройство, содержащее первый датчик расхода топлива, второй датчик информации и индикатор, дополнительно содержит блок формирования линейно-зависимых допусков, сумматор и блок памяти, при этом выход датчика информации соединен со входом блока формирования линейно-зависимых допусков, выход которого соединен с первым суммирующим входом сумматора, ко второму вычитающему входу которого подключен выход первого датчика расхода топлива, выход сумматора соединен со входом блока памяти, выход которого соединен со входом индикатора.

Сущность предложенного изобретения заключается в следующем (на примере эксплуатации автономной энергетической установки судна). Судну в зависимости от его нагрузки и ожидаемых условий плавания выделяется определенное количество топлива. Фактический расход топлива P_ф будет отличаться от запланированного P_N из-за квалификации судоводителей и судомехаников, текущего технического состояния энергетической установки и пропульсивного комплекса судна (движитель-винт), изменения глубин судового пути в реальных условиях плавания (осадка, погодные условия, глубина форватера и т.д.) Предложенное изобретения позволяет за определенный промежуток времени определить разность Δ P=(P_N-P_ф).

Отличительными признаками предложенного изобретения являются:
- введение блока памяти;
- введение сумматора;
- введение блока формирования линейно-зависимых допусков;
- связь между известными и вновь введенными блоками.

Признак - введение блока памяти - известен (см., например, Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. М.: Радио и связь. 1990.) и используется по прямому назначению
Признак - введение сумматора - известен (см., например, Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М.: Радио и связь, 1985, С. 91) и используется по прямому назначению.

Авторы не обнаружили технических решений устройств для определения экономичности работы автономных энергетических установок, в которых использовались бы такие признаки, как блок формирования линейно-зависимых допусков и его связи с известными и вновь введенными узлами и блоками. Указанные признаки по мнению авторов, являются "существенными" признаками, использование которых позволяет расширить сферу применения, повысить точность оценки экономии топлива.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предложенного устройства, фиг. 2-5 предназначены для пояснения принципа работы устройства при различном выполнении датчика информации, на фиг. 6 приведена модифицированная схема устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит датчик расхода топлива 1, датчик информации 2, блок формирования линейно-зависимых допусков 3, сумматор 4, блок памяти 5, блок индикации 6, при этом выход датчика информации 2 соединен со входом блока формирования линейно-зависимых допусков 3, выход которого соединен с первым (суммирующим) входом сумматора 4, ко второму (вычитающему) входу которого подключен выход датчика расхода топлива 1, выход сумматора 4 подключен ко входу памяти 5, выход которого соединен со входом блока индикации 6.

Блок формирования линейно-зависимых допусков 3 (фиг. 1) содержит регулируемый усилитель 7, источник регулируемого постоянного напряжения 8, второй сумматор 9, при этом выход источника 8 подключен к первому (суммирующему) входу сумматора 9, ко второму (суммирующему) входу которого подключен выход усилителя 7, выходом блока формирования линейно-зависимых допусков 3 является выход сумматора 9, а выход - вход усилителя 7.

Технические решения сумматоров 4, 9, усилителя 7 известны (см., например, А. Г.Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М.: Радио и связь, 1985).

Технические решения датчиков расхода топлива известны. См., например:
1. Хомич А.З., Тупицын О.И. Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов. М.: Транспорт, 1975.

2. А.С. СССР N 1732163, 1093899, 215538, пат. США N 4355907, А.С. СССР N 1518696.

3. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. М.: Машиностроение, 1989.

Технические решения блоков памяти известны. См., например, О.Н.Лебедев. Микросхемы памяти и их применение. М.: Радио и связь, 1990.

Устройство (фиг. 6) отличается от устройства (фиг. 1) тем, что дополнительно содержит нуль-орган 10 и сигнализатор 11, при этом вход нуль-органа 10 соединен с выходом сумматора 4, а выход - со входом сигнализатора 11.

Техническая реализация нуль-органов известна (см., например, М.З. Юдич. Аналоговые сравнивающие устройства. М.Машиностроение, 1984).

Сущность работы данного устройства заключается в следующем. Блок формирования линейно-зависимых допусков 3 формирует сигнал вида G_N=ax+b, где x - выходной сигнал датчика информации 2, G_N - нормированное значение расхода топлива. Затем определяется величина разности Δ G=G_N-G_ф, где G_ф - фактический расхода топлива при заданном значении x. Величина Δ G принимается за экономию топлива. Оценка Δ G проводится с определенной цикличностью или непрерывно. Затем оценка Δ G за определенный промежуток времени (рейс, навигация и т.д.) интегрируется и величина принимается за меру экономичности работы автономной энергетической установки.

Рассмотрим работу устройства (фиг. 1) при использовании его в качестве устройства для определения экономичности работы судовой энергетической установки. При этом в качестве датчика информации 2 используется датчик частоты вращения судового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего на винтовой движитель судна.

Выходной сигнал датчика частоты вращения 2, пропорциональный частоте вращения n, подается на вход блока формирования линейно-независимых допусков 3, в котором данный сигнал подается на вход усилителя 7 с коэффициентом усиления K₇=a, где a=(G₂-G₁)/(n₂-n₁) (см. фиг. 2.) Выходной сигнал усилителя 7 ϕ₇ = a•n подается на первый суммирующий вход сумматора 9, на второй суммирующий вход которого подается выходной сигнал источника регулируемого напряжения 8 ϕ₈ = b=(G₁•n₂-G₂•n₁)/(n₂-n₁). Выходной сигнал сумматора 9 ϕ₉ = a•n+b будет соответствовать нормированному расходу топлива G_N (см. точку 2 на фиг. 2).

Выходной сигнал сумматора 9, являющийся выходным сигналом блока 3 подается на первый суммирующий вход сумматора 4, на второй вычитающий вход которого подается сигнал с выхода датчика расхода топлива, пропорциональный фактическому расходу топлива G_ф при текущем значении n. Выходной сигнал сумматора 4 ϕ₄= G_N-G_ф пропорционален экономии расхода топлива ΔG в данный момент времени при частоте вращения вала n. Выходной сигнал сумматора 4 ϕ₄, пропорциональный ΔG, подается на вход блока памяти 5, в котором он запоминается.

Если выходные сигналы датчиков 1, 2 являются непрерывными величинами, то в блоке памяти 5 за определенный промежуток времени Δt=(t₂-t₁), где t₂; t₁ - соответственно конец и начало промежутка времени, запомнится величина

Величина ϕ₅ отображается в блоке индикации 6.

Если устройство используется для определения экономичности работы судового дизель-генератора, то в качестве датчика информации 2 будет применяться датчик активной мощности - ваттметр. Работу устройства в данном случае иллюстрирует график, приведенный на фиг. 3.

Если устройство используется для определения экономичности работы котельной установки, то в качестве датчика 2 используется датчик количества теплоты Q. Работу устройства в данном случае иллюстрирует фиг. 4. Технические решения теплосчетчиков известны (см., например, Локшин В.З. и др. Ультразвуковой теплосчетчик UTC-1//. Приборы и системы управления. 1994, N 1).

Если устройство используется для определения экономичности работы компрессора, используемого на трубопроводах для перекачки газа и/или нефтепродуктов, то в качестве датчика 2 используется датчик мощности P (фиг. 5). При этом мощность компрессора P=/a₁-a₂/•γ , где a₁, a₂ - конечное и начальное давление, γ - расход носителя. В качестве датчика 2 может использоваться счетчик-расходомер типа СГ (см. Приборы и системы управления. 1994. N 3. С. 26-27). Измерение расхода осуществляется также приборами типа "Сапфир-22-Ех-М" московского АО "Манометр" /см. журнал Приборы и системы управления. 1994. N 10. Вкладыш/.

Работа устройства (фиг. 6) отличается от работы устройства (фиг. 1) тем, что выходной сигнал сумматора 4 ϕ₄ подается дополнительно на вход нуль-органа 10. Выходной сигнал нуль-органа 10 ϕ₁₀ будет отличен от нуля, если ϕ₄ ≤ ΔG₉ , где ΔG₉ - допустимое значение разности между нормированным и фактическим расходами топлива при текущем значении выходного сигнала датчика 2. В пределе Δ G₉. Выходной сигнал нуль-органа 10, отличный от нуля (сигнал логической единицы), подается на вход сигнализатора 11 (лампочки или звонка). Срабатывание сигнализатора 11 предупреждает оператора о необходимости изменения режима работы энергетической установки.

В результате применения предложенного устройства:
- повышается точность определения экономичности расхода топлива за счет автоматического определения и фиксации в реальном масштабе времени разности между нормированным значением расхода топлива и фактическим расходом топлива;
- расширяется сфера применения за счет использования данного устройства для определения экономичности работы энергетических установок различного типа, например судовых дизель-генераторных установок, компрессоров и т.д.;
- устройство позволяет определять экономию топлива за любой наперед заданный интервал времени /сутки, месяц и т.д./;
- при использовании в качестве блоков памяти и индикации механического счетчика обеспечивается сохранение информации при внезапном аварийном отключении питания;
- обеспечивается режим предупредительной /аварийной/ сигнализации, когда разность между фактическим и нормированным расходами топлива становится больше допустимого значения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на предприятиях, эксплуатирующих автономные энергетические установки, и позволяет повысить точность определения экономии топлива (дизельного масла) за определенный промежуток времени. Устройство для определения экономичности работы автономных энергетических установок содержит первый датчик расхода топлива, второй датчик информации, блок индикации, сумматор, блок памяти и блок формирования линейно зависимых допусков, при этом выход второго датчика информации подключен ко входу блока формирования линейно зависимых допусков, выход которого соединен с первым суммирующим входом сумматора, со вторым вычитающим входом которого соединен выход датчика расхода топлива, выход сумматора соединен со входом блока памяти, выход которого подключен ко входу блока индикации. 6 ил.

Устройство для определения экономичности работы автономных энергетических установок, содержащее первый датчик расхода топлива, второй датчик информации и блок индикации, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит сумматор, блок памяти и блок формирования линейно зависимых допусков, при этом выход второго датчика информации подключен ко входу блока формирования линейно зависимых допусков, выход которого соединен с первым суммирующим входом сумматора, со вторым вычитающим входом которого соединен выход датчика расхода топлива, выход сумматора соединен со входом блока памяти, выход которого подключен ко входу блока индикации.