ТЕРМОРЕГУЛЯТОР Российский патент 2000 года по МПК F24D19/10 

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим температурный режим различных отопительных систем, преимущественно с резистивным нагревом текущей среды.

Наиболее простым решением обеспечения температурного режима отопительной системы является размещение датчика температуры на выходе узла нагрева текущей среды (Патент РФ N 2018061, МПК F 24 H 1/20, 9/20, H 05 В 6/06, публ. 15.08.94). Датчик температуры соединен со схемой отключения узла нагрева текущей среды при достижении значения температуры, превышающей допустимую (так называемая "тепловая защита"). Недостаток данного решения можно усмотреть в том, что не предусмотрен контроль температуры в обогреваемом помещении, а самое главное, не контролируются параметры электрической сети.

Для решения проблемы контроля температуры в обогреваемом помещении в последнем размещают датчик температуры, соединенный с задатчиком температуры (блоком постоянных заданий). Сравнивая в блоке обработке показания датчика температуры с заданным значением, корректируют работу отопительной системы (А.с. СССР N 1441137 МПК F 24 D 19/10, публ. 30.11.88) Однако данная система терморегулирования применяется в системах отопления с внешней подачей теплоносителя и не может быть использована в системах отопления с замкнутой системой.

В последнее время получили широкое распространение отопительные системы с нагревателями текущей среды, использующими резистивный нагрев (см. свидетельство РФ на полезную модель N 3074 МПК H 05 В 3/60, публ. 16.10.96).

Для таких систем особенно важным становится контроль работы нагревателей с точки зрения электробезопасности. В настоящее время контроль работы этих систем осуществляется с помощью терморегулятора (см. Инструкцию по эксплуатации Электрического проточного электродного котла-водоподогревателя "ЭВП-ОЗ").

Данный терморегулятор, выбираемый в качестве прототипа, включает в себя датчик температуры, блок управления сетевым выключателем, сетевой выключатель и блок контроля параметров электрической сети питания. Работа данного терморегулятора основана на контроле предельно допустимого значения температуры текучей среды, не учитывая при этом температуру в обогреваемом помещении. Кроме того, блок защиты от короткого замыкания, используемый в данном терморегуляторе, обеспечивает только однократное отключение нагревателя без возможности его повторного автоматического включения (самозапуска).

К другим недостаткам прототипа можно отнести недостаточно экономичный режим его работы, так как не контролируется температура на входе узла нагрева текущей среды (что приводит к перерасходу энергии), а также неустойчивый режим работы нагревателя при его запуске, обусловленный тем, что вероятна ситуация кратковременного увеличения потребляемого тока до значений, превышающих максимально допустимые.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание терморегулятора, обеспечивающего снижение потребления энергии, повышение надежности и удобства эксплуатации.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном терморегуляторе, содержащем первый датчик температуры текущей среды, сетевой выключатель, выполненный с возможностью соединения с узлом нагрева текущей среды, блок управления, подключенный к сетевому выключателю, согласно изобретению терморегулятор снабжен вторым датчиком температуры, сумматором, выход которого соединен с первым входом блока управления, последовательно соединенными трансформатором тока, масштабным усилителем и схемой аварийной сигнализации, последовательно соединенными формирователем синхроимпульсов и схемой стабилизации тока, второй вход которой соединен с выходом масштабного усилителя, а выход соединен со вторым входом блока управления, при этом первый и второй датчики температуры выполнены с возможностью измерения температуры, соответственно, на входе и выходе узла нагрева текущей среды, а входы сумматора соединены, соответственно, с выходами первого и второго датчиков температуры и схемы аварийной сигнализации.

В частных случаях реализации изобретения терморегулятор может быть снабжен схемой формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска, выполненной в виде последовательно соединенных ждущего генератора импульсов, счетчика импульсов и схемы сравнения, а также счетчика интервалов, вход которой соединен с выходом счетчика импульсов, а выход - со вторым входом схемы сравнения, выход которой является выходом схемы формирования не менее одного автоматического послеаварнйного запуска и подсоединен к соответствующему входу сумматора, при этом вход ждущего генератора импульсов является входом схемы формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска и подсоединен к выходу схемы аварийной сигнализации.

Кроме того, терморегулятор может быть снабжен комнатным задатчиком температуры, выполненным в виде компаратора напряжений и подсоединенных к его соответствующим входам третьего датчика температуры и схемы формирования опорного напряжения, при этом выход компаратора напряжений является выходом комнатного задатчика температуры и подсоединен к соответствующему входу сумматора.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена общая блок-схема терморегулятора, на фиг. 2 - схема формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска, а на фиг. 3 - блок-схема комнатного задатчика температуры.

Цифрами на чертежах обозначены:
1 - первый датчик температуры;
2 - второй датчик температуры;
3 - первая схема сравнения
4 - вторая схема сравнения
5 - сумматор;
6 - блок управления;
7 - сетевой выключатель;
8 - трансформатор тока;
9 - узел нагрева текущей среды;
10 - масштабный усилитель;
11 - схема стабилизации тока;
12 - формирователь синхроимпульсов;
13 - схема аварийной сигнализации;
14 - схема формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска;
15 - комнатный задатчик температуры;
16 - обогреваемое помещение;
17, 18 -трубопроводы прямого и обратного теплоснабжения;
19 - ждущий генератор импульсов;
20 - счетчик импульсов;
21 - счетчик интервалов;
22 - третья схема сравнения;
23 - третий датчик температуры;
24 - схема формирования опорного напряжения;
25 - компаратор.

Терморегулятор содержит первый и второй датчики температуры 1 и 2, подключенные соответственно, через первую и вторую схемы сравнения, 3, 4, к соответствующим входам сумматора 5, выход которого соединен с блоком управления 6, обеспечивающим работу сетевого выключателя 7. Сетевой выключатель 7 через трансформатор тока 8 соединен с узлом нагрева текущей среды 9. Трансформатор тока последовательно соединен с масштабным усилителем 10 и схемой стабилизации тока 11, выполненной с формирователем синхроимпульсов 12 и подсоединенной ко второму входу блока управления 6. Масштабный усилитель 10 также соединен со схемой аварийной сигнализации 13, которая в свою очередь подсоединена к соответствующему входу сумматора 5.

Терморегулятор функционирует следующим образом.

Датчик температуры 1 контролирует температуру текущей среды на выходе узла нагрева текущей среды 9. В качестве датчика температуры может быть использована интегральная микросхема - термочувствительный элемент с линейной зависимостью выходного напряжения от температуры (м/с К1019ЕМ 1).

Сигнал с датчика температуры 1 подается на вход схемы сравнения 3, которая настроена таким образом, что при достижении заданной температуры, например 90^oC, вырабатывается сигнал, поступающий на соответствующий вход сумматора 5 и указывающий на необходимость отключения узла нагрева текущей среды 9. Схема сравнения 3 может быть выполнена с блоком задания гистерезиса по температуре (не показан), обеспечивающим повторное включение узла нагрева текущей среды 9 при снижении температуры на выходе на величину порядка 10^oC.

На входе прибора установлен датчик температуры 2 аналогичного типа, который подключен к схеме сравнения 4. Данная цепь управления по температуре может быть снабжена потенциометром с оцифровкой (не показан). С его помощью осуществляется установка порога срабатывания по температуре на входе узла нагрева текущей среды 9. Контролируя температуру на входе узла нагрева текущей среды 9, можно существенно повысить КПД всей системы отопления и, следовательно, обеспечить наиболее экономичный режим. Как правило, температура на входе не должна превышать 70^oC. Устойчивая работа узла нагрева текущей среды 9 достигается введением гистерезиса по температуре. В этом случае включение узла нагрева текущей среды 9 осуществляется при снижении температуры на его входе на 10^oC от заданной величины.

Величины гистерезиса по температуре для обоих датчиков температуры могут устанавливаться в зависимости от технических условий.

Включение или отключение узла нагрева текущей среды 9 осуществляется с помощью сетевого выключателя 7 по команде блока управления 6. Сетевой выключатель 7 может быть выполнен с использованием полупроводниковых ключей. Команда на включение или отключение сетевого выключателя 7 формируется после поступления на вход блока управления 6 сигнала с выхода сумматора 5, который в свою очередь получает сигналы от схем сравнения 3 и 4, характеризующие достижение заданных значений температуры текущей среды.

Системы отопления с резистивным нагревом текучей среды (типа "Галан" и др. ) рассчитаны на использование существующих систем "жидкостного" отопления, где в качестве носителя может использоваться как обыкновенная вода, так и специальные незамерзающие жидкости с рабочей температурой от -40^oC. В результате чего имеет место широкий диапазон проводимости используемых жидкостей. Достаточно велика вероятность попадания в рабочую зону узла нагрева текущей среды продуктов коррозии, частиц металла и т.д., что может нежелательно изменить режим его работы.

Поэтому критерием оценки правильного функционирования системы является контроль потребления тока.

Измерение тока в нагрузке осуществляется с использованием трансформатора тока 8, с помощью которого реализуется гальваническая развязка по высоковольтной силовой цепи.

Трансформатор тока 8 должен оценивать ток в нагрузке с точностью не менее 5% во всем диапазоне измеряемых токов.

Переменное напряжение с трансформатора тока 8 поступает в масштабный усилитель 10 (блок измерения тока в нагрузке), где формируются сигналы, соответствующие значениям тока. Для удобства эксплуатации может быть использован индикатор, содержащий линейку из светодиодов. Включение соответствующих светодиодов осуществляется при достижении в нагрузке заданных значений (например 1, 5, 10, 15, 20 А). Максимально допустимой величиной тока в нагрузке для систем отопления с резистивным нагревом текучей среды обычно устанавливается значение в 25 А.

В момент запуска отопительной системы вполне вероятна ситуация кратковременного увеличения потребляемого тока до значений, превышающих максимально допустимые (особенно в случае высокой температуры теплоносителя на входе узла нагрева или при задаваемых высоких значениях температуры на входе узла нагрева).

Учитывая такой характер работы, введена схема стабилизации тока 11, которая включается при значениях I_max -(1-1,5) А, что позволяет избежать на этапе пускового режима превышения максимально допустимого значения тока. Сигнал о включении режима стабилизации тока поступает с масштабного усилителя 10, который запускает схему стабилизации тока 11 на время "предаварийного состояния". Для реализации фазового управления выходным силовым ключом сетевого выключателя 7 введен формирователь синхроимпульсов 12, формирующий импульсы, синхронизируемые с частотой сети. Включение силового ключа осуществляется в моменты, близкие к переходу сетевого напряжения через нуль, что существенно снижает уровень электрических помех.

При достижении значения потребляемого тока больше максимально допустимого включается многоуровневая защита по току. Первый уровень этой защиты состоит из схемы стабилизации тока в нагрузке и описан выше. Второй уровень защиты по току состоит из схемы аварийной сигнализации 13 (схемы формирования сигнала "Авария"), соединенной с соответствующим входом сумматора 5.

Третий уровень может быть реализован применением в качестве выключателя сети так называемого автоматического выключателя сети, отключающего сеть при превышении тока, а также имеющего тепловой выключатель (не показаны).

Информация о превышении максимально допустимого значения тока поступает из масштабного усилителя 10 в схему аварийной сигнализации 13, при этом через сумматор 5 формируется сигнал, дающий команду блоку управления 6 выключить сетевой выключатель 7, т.е. отключить подачу электрической энергии к узлу нагрева текущей среды 9.

Для повышения надежности и удобства эксплуатации терморегулятор может быть снабжен схемой формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска 14, выполненной в виде последовательно соединенных ждущего генератора импульсов 19, счетчика импульсов 20 и третьей схемы сравнения 22, а также счетчика интервалов 21, вход которой соединен с выходом счетчика импульсов 20, а выход - со вторым входом третьей схемы сравнения 22, выход которой является выходом схемы формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска и подсоединен к соответствующему входу сумматора 5. Вход ждущего генератора импульсов является входом схемы формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска и подсоединен к выходу схемы аварийной сигнализации 13. Оптимальное число послеаварийных запусков может быть равно трем с 30-минутными интервалами между запусками.

Данная схема реализует автоматический режим работы в случае возникновения отклонений по сети питания или краткосрочных замыканий в нагревателе, вызванных образованием мостов проводимости (локальным увеличением проводимости) в теплоносителе.

Схема работает следующим образом. При формировании сигнала аварии схемой аварийной сигнализации 13 первый раз происходит отключение электроэнергии от нагревателя, включается индикация сигнала "Авария", запускается ждущий генератор импульсов 19. Импульсы подаются на счетчик импульсов 20. Параметры генератора 19 и счетчика 20 выбраны таким образом, что на выходе счетчика формируются 30-минутные интервалы времени. Количество интервалов подсчитывается счетчиком интервалов 21. По истечении заданного времени происходит повторное автоматическое подключение узла нагрева к сети (путем подачи сигнала с выхода третьей схемы сравнения 22 на вход сумматора 5 и далее на блок управления 6, включающего сетевой выключатель 7). В случае повторного превышения допустимого значения тока, схема вновь отключает нагрузку от сети. Это происходит трижды. Если и в четвертый раз причина аварии не самоустраняется, попытки самозапуска прекращаются и включается соответствующая световая (и/или звуковая) сигнализация. Команда на прекращение самозапуска формируется при возникновении четвертого импульса на выходе счетчиком интервалов 21, который поступает на схему сравнения 22 и блокирует подачу разрешающего запуск сигнала на сумматор 5.

Существует вероятность невозможности отключения электроэнергии при полном или частичном пробое силового полупроводникового ключа сетевого выключателя 7. Для избежания этой ситуации должен быть введен третий уровень защиты по току на автоматическом выключателе.

Учитывая требования техники безопасности, а также удобство работы с многофункциональным терморегулятором, должны быть введены индикатор подключения сети и индикатор включения многофункционального терморегулятора.

Для задания и поддержания оптимального температурного режима в помещении, удаленном от нагревателя, может быть использован комнатный задатчик температуры 15.

Комнатный задатчик температуры 15 состоит из датчика температуры 23, схемы формирования опорного напряжения 24, компаратора 25.

В качестве датчика температуры может быть использован тот же термочувствительный элемент (м/с К1019ЕМ1), что и в датчиках температуры 1 и 2. Напряжение, пропорциональное температуре, формируемое схемой сопряжения (не показана), поступает на первый вход компаратора напряжений 25. На второй вход которого подается напряжение со схемы формирования опорного напряжения 24, которая в своем составе может иметь переменный резистор, позволяющий устанавливать значения, пропорциональные температуре. На выходе компаратора 25 в зависимости от поступающих на его входы напряжений формируется логический сигнал, устанавливающий однозначную взаимосвязь между заданной температурой и измеряемой. При передаче этого сигнала на соответствующий вход сумматора 5 происходит управление работой узла нагрева текущей среды 9 посредством включения или отключения сетевого выключателя 7.

Комнатный задатчик температуры 15 может быть снабжен выходным узлом (не показан), позволяющим осуществлять работу комнатного задатчика температуры на длинную линию, а также индицировать посредством включения светоизлучателей разного цвета состояния компаратора напряжений 25.

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим температурный режим различных отопительных систем, преимущественно с резистивным нагревом текущей среды. Терморегулятор содержит первый и второй датчики температуры 1 и 2, подключенные соответственно через первую и вторую схемы сравнения 3,4 к соответствующим входам сумматора 5, выход которого соединен с блоком управления 6, обеспечивающим работу сетевого выключателя 7. Сетевой выключатель 7 через трансформатор тока 8 соединен с узлом нагрева текущей среды 9. Трансформатор тока последовательно соединен с масштабным усилителем 10 и схемой стабилизации тока 11, выполненной с формирователем синхроимпульсов 12 и подсоединенной ко второму входу блока управления 6. Масштабный усилитель 10 также соединен со схемой аварийной сигнализации 13, которая в свою очередь подсоединена к соответствующему входу сумматора 5. Терморегулятор может быть также снабжен схемой формирования не менее одного автоматического после аварийного запуска 14 и комнатным задатчиком температуры 15. Предложенная схема позволяет обеспечить многоуровневую защиту по току и снизить потребление электроэнергии с одновременным обеспечением заданной температуры в обогреваемом помещении. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Терморегулятор, содержащий первый датчик температуры текущей среды, сетевой выключатель, выполненный с возможностью соединения с узлом нагрева текущей среды, блок управления, подключенный к сетевому выключателю, отличающийся тем, что он снабжен вторым датчиком температуры, первой и второй схемами сравнения, сумматором, выход которого соединен с первым входом блока управления, последовательно соединенными трансформатором тока, масштабным усилителем и схемой аварийной сигнализации, последовательно соединенными формирователем синхроимпульсов и схемой стабилизации тока, второй вход которой соединен с выходом масштабного усилителя, а выход соединен со вторым входом блока управления, при этом первый и второй датчики температуры, выполненные с возможностью измерения температуры, соответственно, на входе и выходе узла нагрева текущей среды, а входы сумматора соединены, соответственно, с выходом схемы аварийной сигнализации и, через первую и вторую схемы сравнения, соответственно, с выходами первого и второго датчиков температуры. 2. Терморегулятор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен схемой формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска, выполненной в виде последовательно соединенных ждущего генератора импульсов, счетчика импульсов и третьей схемы сравнения, а также счетчика интервалов, вход которой соединен с выходом счетчика импульсов, а выход - со вторым входом схемы сравнения, выход которой является выходом схемы формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска и подсоединен к соответствующему входу сумматора, при этом вход ждущего генератора импульсов является входом схемы формирования не менее одного автоматического послеаварийного запуска и подсоединен к выходу схемы аварийной сигнализации. 3. Терморегулятор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен комнатным задатчиком температуры, выполненным в виде компаратора напряжений и подсоединенных к его соответствующим входам третьего датчика температуры и схемы формирования опорного напряжения, при этом выход компаратора напряжений является выходом комнатного задатчика температуры и подсоединен к соответствующему входу сумматора.