ТЕПЛОСЧЕТЧИК Российский патент 2000 года по МПК G01K17/08 

Изобретение относится к измерительной технике, может в использоваться в контрольно-измерительных приборах в теплофикационных системах и позволяет вести учет расхода тепловой энергии без изменения конструкции тепловых сетей и без сетевого электропитания, обеспечивающего функционирование теплосчетчика и индикацию его показаний.

Известны теплосчетчики, содержащие приборы, измеряющие расход прямой сетевой воды и разность температур прямой и обратной воды, корректирующего и множительного устройств и интегратора [см. Преображенский В.П.: Теплотехнические измерения и приборы.: "Энергия", М., 1978, стр. 526 - 529].

Достоинством таких теплосчетчиков является автоматическое измерение расхода отпускаемого или потребляемого тепла с точностью порядка ±2,5% нормирующего значения измеряемой величины.

Однако решения-аналоги имеют ряд недостатков, не позволяющих применять их в качестве бытовых теплосчетчиков для учета тепла, передаваемого батареями водяного или парового отопления воздуху обогреваемых жилых помещений (например, комнат в квартире).

Использование в теплосчетчике расходомера требует изменение конструкции бытового радиатора водяного отопления, обеспечивающее возможность измерения расхода теплоносителя через радиатор при регулировании расхода перепускным краном, который расположен, как правило, на входном патрубке радиатора непосредственно перед радиатором. Кроме того, наличие источника напряжения, обеспечивающего функционирование расходомера, мостовой схемы и усилителя, обусловливает необходимость разрешения противоречий, возникающих при установке данных теплосчетчиков в жилых помещениях. По правилам установки электрооборудования для обеспечения его электробезопасности при напряжении питающей электросети 220 В такой теплосчетчик должен быть отключаем от сети выключателем или предохранителем. Но в таком случае весьма трудно обеспечить его несанкционированное отключение от электросети для приостановки отсчета тепловой энергии. При отключении питания на домовом электрощите теплосчетчик не функционирует. Кроме того, для обеспечения электробезопасности такой теплосчетчик должен быть выполнен с учетом особых мер предосторожности: место его установки доступно для детей и лиц, не имеющих представления о технике безопасности при работе с приборами, находящимися под напряжением 220 В. Недостатком решений-аналогов является и недостаточно высокая точность измерений, особенно при малых расходах теплоносителя и при невысокой температуре последнего, что имеет место в неотопительный сезон. В частности, количество тепла, передаваемого теплообменником отапливаемому помещению, в решениях-аналогах определяется, в том числе, объемным расходом теплоносителя без учета изменения его теплофизических характеристик (плотности, теплоемкости и теплопроводности) при изменении температуры и концентрации примесей, появляющихся в теплоносителе в процессе эксплуатации теплосетей.

Отмеченные недостатки частично устранены в теплосчетчике, содержащем источник напряжения, соединенный с входом расходомера, выходы которого подключены к питающей диагонали мостовой схемы с термометрами сопротивления прямого и обратного потока в смежных плечах, выходная диагональ которой через усилитель и ключ соединена со счетчиком, и нуль-орган, выходом соединенный с управляющим входом ключа, а входом соединенный через два резистора с питающей диагональю мостовой схемы [а.с. СССР N 1582031 A1, кл. G 01 K 17/08, 1990] - прототип.

В решении-прототипе сигнал с выхода расходомера поступает в счетное устройство через усилитель и ключ только в том случае, если разность температур прямого и обратного потока теплоносителя превышает определенное значение. Этим исключается счет расхода тепла при отключении радиатора отопления, а также в неотопительный сезон при заполненной холодным теплоносителем системе отопления.

Однако недостатки, связанные с необходимостью подключения теплосчетчика к электрической сети для обеспечения его функционирования, в указанном техническом решении не устраняются. Не устраняются также недостатки, связанные с изменением теплофизических характеристик теплоносителя.

Задачей заявленного изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно обеспечение абсолютной электробезопасности теплосчетчиков, повышение его надежности, в том числе, обеспечение независимости его работы от наличия напряжения в электросети, а также увеличение точности в части независимости работы от характеристик теплоносителя.

Технический результат достигается включением новых блоков и иной связью между блоками в теплосчетчике, содержащем счетное устройство, источник напряжения, расходомер, выходы которого подключены к питающей диагонали мостовой схемы с термометрами сопротивления прямого и обратного потока в смежных плечах, выходная диагональ которой через усилитель соединена с ключом, и нуль-орган, выходом соединенный с управляющим входом ключа, а входом соединенный через два резистора с питающей диагональю мостовой схемы, заключающихся в том, что в него дополнительно введены первый блок И, блок связи и последовательно соединенные термоэлектрический генератор, корректирующее и термокомпенсирующее устройство, накопитель электрической энергии, преимущественно ионистор, и пороговое устройство, при этом блок связи содержит последовательно соединенные блок НЕ, второй блок И и блок ИЛИ, причем первый вход первого блока И соединен с выходом порогового устройства, второй вход первого блока И соединен с выходом накопителя, выход первого блока И подсоединен ко второму входу второго блока И, вход блока НЕ подсоединен к источнику напряжения, второй вход блока ИЛИ подсоединен к выходу ключа, а выход блока ИЛИ соединен с входом счетного устройства, горячие концы батареи термоэлементов, преимущественно полупроводниковых, термоэлектрического генератора размещены в теплопроводной плате, контактирующей с поверхностью источника тепла, а холодные концы размещены в радиаторе, помещенном в защищенном проницаемом для нагреваемой среды корпусе.

Идея предложенного технического решения заключается в преобразовании части тепловой энергии источника тепла с помощью термоэлектрического генератора в электрическую, накоплении ее в накопителе и периодическом разряде накопителя для управления теплосчетчиком за счет накопленной энергии и измерении всего количества тепла, передаваемого источником окружающей среды. При этом нет необходимости определять расход теплоносителя, а также измерять температуру прямого и обратного потоков теплоносителя, сопровождаемые соответствующими погрешностями, вносимыми изменением физических свойств теплоносителя. Достаточной информацией для определения теплового потока и суммарного расхода тепла за время измерений является информация о средней температуре поверхности теплообменника (радиатора водяного или парового отопления) и температуре нагреваемой среды (воздуха в помещении). Действительно, в условиях естественной конвекции количество тепла, подлежащее учету, можно определить из соотношения

где Q - количество тепла за время измерения, Дж;
q - тепловой поток, Дж/с;
τ₁ - время начала измерений, с;
τ₂ - время окончания измерений, с;
a - коэффициент теплоотдачи поверхности теплообменника, Вт/(с•м²);
F - площадь поверхности теплообменника, м²;
t_с - средняя температура поверхности теплообменника, ^oC;
t_ж - температура нагреваемой среды (воздух), ^oC.

Покажем существенность отличительных признаков.

Введение термоэлектрического генератора в схему теплосчетчика и размещение горячих концов его термоэлементов в теплопроводной плате, контактирующей с поверхностью источника тепла, являются новым для теплосчетчиков решением [см. В. П. Преображенский: Теплотехнические измерения и приборы, "Энергия", М., 1978, стр. 526 - 529]. Оно обеспечивает преобразование части теплового потока, пропорциональной отношению площадей платы с горячими концами термоэлемента к поверхности теплообменника, в мощность электрического тока. При этом величину термоЭДС, вырабатываемой термоэлектрическим генератором, можно оценить из соотношения [см. Политехнический словарь, под ред. академика И.И.Артоболевского, "Советская энциклопедия", М., 1976, стр. 436]
ε = nα(t_c-t_ж), (2)
где ε - термоЭДС термоэлектрического генератора, В;
n - число последовательно соединенных элементов термобатареи;
α - удельная термоЭДС, которая определяется материалом ветвей термоэлементов, В/град.

Размещение холодных концов термоэлементов в радиаторе, помещенном в проницаемом для нагреваемой среды защищенном корпусе, является новым решением. Оно обеспечивает поддержание постоянной температуры холодных концов термоэлементов, не допуская их нагревания посторонним источником тепла с целью искажения показаний теплосчетчика в сторону уменьшения.

Выполнение термоэлементов преимущественно полупроводниковыми обеспечивает высокое значение КПД термоэлектрического генератора (до 20%) по сравнению с биметаллическими термоэлементами [см. вышеприведенный источник, стр. 436].

Введение накопителя электрической энергии и связь его входа с выходом термоэлектрического генератора через корректирующее и термокомпенсирующее устройство является новым решением. Оно обеспечивает накопление преобразованной в электрическую тепловой энергии в количестве, достаточном для срабатывания электромеханического счетчика, иначе счетчика-нумератора. При этом различия в конфигурации и величине площади различных источников тепла (радиаторов отопления) учитываются регулировкой корректирующего и термокомпенсирующего устройства. Это устройство обеспечивает также компенсацию изменения тока заряда накопителя за счет изменения значения коэффициентов соответственно в соотношениях (1) и (2) с изменением температуры.

Введение порогового устройства и первого блока И является новым решением для теплосчетчиков. Оно обеспечивает разряд накопителя через счетчик-нумератор при определенном количестве накопленной энергии (при достижении напряжения на накопителе порогового значения), превышающем энергию срабатывания счетчика-нумератора.

Введение блока связи и выполнение его в виде последовательно соединенных блоков НЕ, второго блока И и блока ИЛИ и соединение блока связи с другими блоками теплосчетчика является новым решением. Оно обеспечивает автоматическое переключение теплосчетчика в режим питания его от термоэлектрического генератора при отключении сетевого питания и делает тем самым теплосчетчик независимым от источника питания.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема предлагаемого теплосчетчика.

Теплосчетчик содержит:
блок 1 - источник напряжения,
блок 2 - расходомер,
блок 3 - термометр сопротивления прямого потока,
блок 4 - термометр сопротивления обратного потока,
блок 5 - резистор для устранения технологического разброса сопротивлений термометров,
блоки 6 и 7 - основные резисторы мостовой схемы,
блоки 8 и 9 - резисторы связи нуль-органа с мостовой схемой,
блок 10 - нуль-орган,
блок 11 - усилитель,
блок 12 - ключ,
блок 13 - счетное устройство.

Блоки 1. . . 13 характеризуют прототип. Дополнительно к блокам 1...13 в предлагаемом теплосчетчике введены новые блоки.

Блок 14 - термоэлектрический генератор, в качестве него может использоваться один из термоэлектрических генераторов, описанных, например, в Даниэль-Бек В. С. , Рогинская Н.С. Термоэлектрогенераторы. М., 1961. С точки зрения повышения КПД термоэлектрического генератора используются преимущественно полупроводниковые термоэлектрогенераторы.

Блок 15 - теплопроводная плата с горячими концами термоэлементов.

Блок 16 - радиатор с холодными концами термоэлементов. Для улучшения теплопроводности обычно такие радиаторы заливаются маслом.

Блок 17 - проницаемый для нагреваемой среды (например, воздуха помещения), защищенный от несанкционированного проникновения корпус.

Блок 18 - корректирующее и термокомпенсирующее устройство. Известны такие устройства в теплосчетчиках [см. Преображенский В.П.: Теплотехнические измерения и приборы. "Энергия", М., 1978, стр. 529]. В частности, в качестве такого устройства может служить цепь последовательно соединенных диода, резистора переменного сопротивления и терморезистора. При этом диод обеспечивает исключение разряда накопителя через термоэлектрический генератор, а резистор обеспечивает регулировку величины зарядного тока накопителя. Терморезистор служит в качестве компенсатора изменения коэффициентов и при изменении температуры.

Блок 19 - накопитель электрической энергии. Известны различные типы накопителей (конденсаторы, аккумуляторы). В последнее время в качестве накопителей электрической энергии все чаще используются ионисторы, иначе молекулярные накопители энергии. Благодаря большой электрической емкости (при объеме 0,2 дм³ и напряженности 30 В отечественные ионисторы имеют емкость 1 Ф), применение ионистора в предлагаемом техническом решении позволяет уменьшить габариты теплосчетчика, а также обеспечивает повышение точности срабатывания порогового устройства за счет использования протяженности участка квазилинейной характеристики зависимости напряжения на ионисторе от тока его заряда.

Блок 20 - пороговое устройство. В качестве такого устройства может использоваться маломощный однооперационный тиристор типа КУ-201 [см. И.Л.Каганов: Промышленная электроника. "Высшая школа", М., 1968, стр. 338, 335 - 361]. Время восстановления тиристора при режиме редкого срабатывания счетчика-нумератора оказывается значительно меньше, чем время восстановления напряжения на накопителе, поэтому нет необходимости запирать тиристор током управления.

Блок 21 - первый блок И с двумя входами.

Блок 22 - блок связи, содержащий последовательно соединенные блок НЕ 23, второй блок И 24 с двумя входами и блок ИЛИ 25 с двумя входами.

Теплосчетчик работает следующим образом. Источник напряжения 1 питает постоянным током расходомер 2. Унифицированный сигнал с выхода расходомера 2, пропорциональный расходу теплоносителя, через теплообменник поступает в диагональ b-d мостовой схемы. Когда выполняется условие U_b-a > U_a-d, а оно выполняется, если сопротивление термометра 3 сопротивления прямого потока больше сопротивления термометра 4 сопротивления обратного потока, потенциал в точке b (отрицательный) относительно "земли" (точка a) больше потенциала в точке d (положительного) относительно "земли" (точка a). При этом эти потенциалы сравниваются на инвертирующем входе нуль-органа 10, который при выполнении вышеуказанного условия открывает ключ 12, пропускающий сигнал с выхода усилителя 11 на счетное устройство 13, в качестве которого может использоваться шестиразрядный электромеханический счетчик [см. Преображенский В.П. : Теплотехнические измерения и приборы: "Энергия", М., 1978, стр. 529]. Если же указанное условие не выполняется, что имеет место, когда температура прямого и обратного потоков равны, положительный потенциал в точке d относительно точки a больше или равен отрицательному потенциалу в точке b относительно точки a, и нуль-орган 10 закрывает ключ 12, который отключает выход усилителя 11 от входа счетного устройства 13.

Так работает прототип. Теплосчетчик в предложенном техническом решении работает следующим образом. В случае отсутствия сигнала на выходе источника напряжения 1 расходомер 2 не функционирует и сигнал на вход счетного устройства 13 через второй вход блока ИЛИ 25 не поступает. В случае наличия разности температур горячих и холодных концов термоэлементов (соответственно блоки 15 и 16) на выходе термоэлектрического генератора 14 формируется сигнал, амплитуда которого пропорциональна указанной разности в соответствии с соотношением (2). Обусловленный термоЭДС ток через корректирующее и термокомпенсирующее устройство 18 заряжает накопитель 19. При достижении на накопителе 19 установленного значения напряжения срабатывает пороговое устройство 20 и на первом входе первого блока И 21 появляется сигнал, который пропускает ток разряда накопителя 19 через второй вход первого блока И 21 на второй вход второго блока И 24.

Так как при отсутствии сигнала на выходе источника напряжения 1 на выходе блока НЕ 23 присутствует сигнал, то и на первом входе второго блока И 24 также присутствует сигнал, который пропускает ток разряда накопителя 19 со второго входа второго блока И 24 через первый вход блока ИЛИ 25 на вход счетного устройства 13. Как известно [см., например, А.А.Санин: Электронные приборы ядерной физики, "Наука", М., 1964, стр. 377], для срабатывания электромеханических счетчиков достаточен импульс тока в несколько мА в течение нескольких мс. Такой импульс тока разряда накопителя 19 вызывает срабатывание счетного устройства 13, и его разрядный диск поворачивается на "одно деление". Накопитель 13 разряжается и сигнал на выходе порогового устройства 20 исчезает. Следующее срабатывание счетного устройства 13 произойдет после того, как накопитель 19 зарядится до напряжения, соответствующего пороговому значению, на которое настроено пороговое устройство 20.

Расчеты, проведенные для температуры воздуха t_Ж = 20^oC и температуры поверхности плоского радиатора водяного отопления размером 0,75х0,60 м, равной t_с = 30^oC [см. методику, приведенную в М.А.Михеев, И.М.Михеева: Основы теплопередачи, "Энергия". М., 1973, стр. 90], показали, что при площади поверхности платы горячих концов термоэлементов 15 1,75•10^-3 м² (площадь грани спичечного коробка) мощности термоэлектрического генератора 14 достаточно (с учетом его КПД) для обеспечения срабатывания счетного устройства 13 при времени накопления энергии в накопителе 19 в течение времени всего 0,1 с. Это указывает на возможность регулирования тока заряда накопителя 19 в широких пределах, что, в свою очередь, обеспечивает возможность использования широкого диапазона единиц измеряемого расхода тепла. При таком же перепаде температур в 10^oC, но при температурах воздуха 10 и 30^oC изменение теплового потока за счет изменения теплофизических свойств воздуха не превышает 1% относительно его значения при температуре воздуха 20^oC, что свидетельствует о пренебрежимо малой зависимости показаний теплосчетчика от температуры, а только от перепада температур, что обеспечивает высокую точность теплосчетчика.

Интегрирование расхода тепла в предлагаемом теплосчетчике осуществляется дважды: накопителем и счетным устройством. Это обеспечивает возможность практически неограниченное время вести измерения без "переполнения" счетного устройства.

Таким образом, на основе анализа структуры и функционирования схемы предложенного технического решения можно заключить, что теплосчетчик, в котором реализовано данное решение, обладает преимуществами, отвечающими поставленной цели, - обеспечивает электробезопасность, повышает надежность и точность результатов измерений. Придание теплосчетчику свойства независимости по питанию обеспечивает возможность эксплуатации теплосчетчика в помещениях, которые по ряду причин должны быть периодически обесточены.

Предложение реализовано в виде действующего макета, подтвердившего при его испытаниях надежное функционирование.

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в контрольно-измерительных приборах в теплофикационных системах. Теплосчетчик содержит счетное устройство, источник напряжения, расходомер, мостовую схему с термометрами сопротивления прямого и обратного потока в смежных плечах, усилитель, ключ, нуль-орган, первый блок И, блок связи, термоэлектрический генератор, корректирующее и термокомпенсирующее устройства, накопитель электрической энергии и пороговое устройство. Выходы расходомера подключены к питающей диагонали мостовой схемы. Выходная диагональ мостовой схемы через усилитель соединена с ключом. Выход нуль-органа соединен с управляющим входом ключа, а вход - с питающей диагональю мостовой схемы. Термоэлектрический генератор, корректирующее и термокомпенсирующее устройства, накопитель электрической энергии и пороговое устройство соединены последовательно. Первый вход первого блока И соединен с выходом порогового устройства, второй вход - с выходом накопителя, а выход - с блоком связи. Блок связи также соединен с источником напряжения и выходом ключа, а выход блока связи - с входом счетного устройства. Изобретение позволяет вести учет расхода тепловой энергии без изменения конструкции тепловых сетей и без сетевого электропитания. 1 ил.

Теплосчетчик, содержащий счетное устройство, источник напряжения, расходомер, выходы которого подключены к питающей диагонали мостовой схемы с термометрами сопротивления прямого и обратного потока в смежных плечах, выходная диагональ которой через усилитель соединена с ключом, и нуль-орган, выходом соединенный с управляющим входом ключа, а входом через два резистора - с питающей диагональю мостовой схемы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый блок И, блок связи и последовательно соединенные термоэлектрический генератор, корректирующее и термокомпенсирующее устройства, накопитель электрической энергии, преимущественно ионистор, и пороговое устройство, при этом блок связи содержит последовательно соединенные блок НЕ, второй блок И и блок ИЛИ, причем первый вход первого блока И соединен с выходом порогового устройства, второй вход - с выходом накопителя, а выход - с вторым входом второго блока И, вход блока НЕ подсоединен к источнику напряжения, второй вход блока ИЛИ - к выходу ключа, а выход блока ИЛИ соединен с входом счетного устройства, горячие концы термоэлементов, преимущественно полупроводниковых, термоэлектрического генератора размещены в теплопроводной плате, контактирующей с
поверхностью источника тепла, а холодные концы размещены в радиаторе, помещенном в защищенном проницаемом для нагреваемой среды корпусе.