АВТОМАТИЧЕСКИЙ ТЕРМОРЕГУЛЯТОР Российский патент 2002 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования и может быть использовано для программного регулирования температуры, в частности в качестве регулятора температуры для управления газовыми и электрическими водяными нагревательными котлами.

Проблемой современных температурных регуляторов является их высокие габаритно-массовые характеристики (ГМХ) при заданной точности (погрешности) поддержания температуры или же, наоборот, при приемлемых ГМХ высокая погрешность поддержания температуры, а иногда и то, и другое.

Отдельной проблемой стоит универсальность температурных регуляторов, т. е. создание регулятора, способного поддерживать заданный температурный режим, например, воздуха в помещении и/или воды в нагревательном котле.

Известен "Бытовой терморегулятор" (см. патент РФ 2109320) - устройство для автоматического поддержания заданной температуры в помещениях или хранилищах - терморегулятор, содержащий цепь управления из последовательно соединенных резистора, диода, датчика температуры - термоконтактора, цепь исполнения из включенных последовательно с нагрузкой электронного ключа-тиристора, причем отрицательный полюс диода одновременно соединен с управляющим выводом тиристора, и сигнальную лампочку, включенную последовательно в цепь исполнения, а в цепь управления последовательно введены нормально замкнутые контакты тумблера контроля. Недостатком данного устройства является невысокая точность поддержания заданной температуры, обусловленная неудачно выбранным датчиком температуры и схемной реализацией электронной части.

Известен также "Автоматический регулятор" (см. патент РФ 1786467), содержащий датчик и задатчик регулируемого параметра, соединенные выходами с соответствующими входами блока сравнения, формирователь управляющего сигнала и исполнительный орган, выход которого является выходом автоматического регулятора (АР), причем формирователь сигнала содержит два аналого-частотных преобразователя (АЧП) и частотно-фазовый дискриминатор (ЧФД), входы АЧП соединены с выходами блока сравнения, а выходы АЧП соединены с соответствующими входами ФЧД, выход которого соединен с входом исполнительного устройства.

Недостатком данного устройства является его сложность, отсюда и высокие ГМХ.

Наиболее совершенными приборами для измерения и регулирования температуры являются автоматические мосты и потенциометры следящего уравновешивающего преобразования (см. Температурные измерения / Cправочник. - Киев: Наукова думка, 1989, стр. 512).

Недостатками подобных устройств являются: высокие ГМХ, сложность схемного решения, пространственная рассредоточенность термосопротивлений и измерительной части приводит к возникновению термоЭДС в цепи преобразования, что отрицательно влияет на точность.

Также известно устройство для программного регулирования температуры инерционных объектов, содержащее быстродействующий контур регулирования, состоящего из блока питания, программного задатчика с релейным выходом, который является выходом устройства (см. патент РФ 1817070).

Недостатками этого устройства являются: высокие ГМХ и невозможность использования при длинных линиях связи, т.е. на отдалении от источника регулирования, например, 100 м.

Известен программный терморегуляор, содержащий блок питания, микропроцессор и силовой блок, релейные выходы микропроцессора соединены с силовым блоком, выходы которого являются выходами терморегулятора, отличающийся тем, что в него введены первый и второй цифровые термометры, энергонезависимое запоминающее устройство, блок звуковой сигнализации, блок задания режима, блок индикации режимов и блок цифровой индикации, причем выходы первого и второго цифровых термометров соединены с первым и вторым информационными входами соответственно, а информационный выход блока задания режимов - с третьим информационным входом микропроцессора и с информационным входом блока индикации режимов, стробирующий выход блока задания режимов соединен с разрешающим входом блока цифровой индикации, индикаторный выход микропроцессора соединен с управляющими входами блока индикации режимов и блока цифровой индикации, а микропроцессор соединен двухнаправленной шиной адреса и данных с энергонезависимым запоминающим устройством, синхровыход микропроцессора соединен с синхровходом энергонезависимого запоминающего устройства, управляющий выход блока питания соединен с входом обнуления микропроцессора, звуковой выход микропроцессора соединен с блоком звуковой сигнализации - прототипом, см. патент РФ 2148855.

Недостатком прототипа является недостаточные функциональные возможности.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и эксплуатационных качеств за счет:
возможности работы на длинные линии; возможности выбора регулирования теплового режима по температуре воды или по температуре наружного воздуха; снижение ГМХ за счет предлагаемого схемного решения; автоматического перехода на ручной режим регулирования при отказе температурного датчика; введение температурного режима теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха; введение режима тест-контроля.

С этой целью предлагается автоматический терморегулятор, включающий в себя электронный датчик температуры воды (ЭДТВ), электронный датчик температуры наружного воздуха (ЭДТН), клавиатуру управления (КУ), датчик давления (ДД), датчик температуры воды котла (ДТВ), микропроцессор с жидкокристаллическим дисплеем (МП), силовой блок, индикатор режимов состояния (ИРС), датчик-реле максимальной температуры воды (ДМТ), коммутатор режима работы (КРР), первый и второй датчики-реле температуры (ДРТ 1 и ДРТ 2 соответственно), первую и вторую трехвходовые схемы ИЛИ, тест-имитатор сигналов управления (ТИС) и индикатор сигналов управления (ИСУ), соединенные следующим образом: выходные сигналы ЭДТВ, ЭДТН и клавиатуры (первый, второй и третий информационные сигналы соответственно) соединены с первым, вторым и третьим входами МП соответственно, выход КРР (седьмой информационный сигнал) соединен с четвертым входом МП и одновременно с первым и вторым управляющими входами обоих ДРТ, а первый выход МП (первый управляющий сигнал) соединен с входом КРР, второй, третий и четвертый выходы МП (второй, третий и четвертый управляющие сигналы) через силовой блок соединены с первыми входами обеих схем ИЛИ и с насосом отопительного контура соответственно, выходы обоих ДРТ (пятый и шестой управляющие сигналы соответственно) соединены со вторыми входами этих же схем ИЛИ, с третьими входами которых соединен выход ТИС (тест-сигналом), выходы схем ИЛИ соединены сигналами I и II соответственно с ИСУ и являются выходами терморегулятора, ДД и ДТВ четвертым и пятым информационными сигналами соответственно соединены с ИРС, с которым также шестым информационным сигналом соединен выход ДМТ воды.

На фиг.1 показана блок-схема устройства, на фиг.2 - схема включения устройства в отопительный контур, на которых изображено: 1 - ЭДТВ, 2 -ЭДТН, 3 - клавиатура задания режимов, 4 - ДД, 5 - ДТВ, 6 - МП+ЖК-дисплей, 7 - силовой блок, 8 - ИРС, 9 - ДМТ, 10 - КРР, 11 и 12 - первый и второй ДРТ соответственно, 13 и 14 - первая и вторая трехвходовые схемы ИЛИ соответственно, 15 - ТИС, 16 - ИСУ, 17 - ЭРТ, 18 - РРТ, 19 - котел, 20 -горелки, 21 - автоматический терморегулятор (без чувствительных элементов), 22 - отопительный контур, 23 - подающая линия котла, 24 - возвратная линия котла, 25 - насос отопительного контура, 26...32 - чувствительные элементы датчиков терморегулятора: 26 - электронного датчика 2 температуры наружного воздуха, 27 - электронного датчика 1 температуры воды, 28 - датчика 4 давления, 29 - датчика 5 температуры воды котла, 30 - датчика-реле 9 максимальной температуры, 31- первого датчика-реле 11 температуры, 32 - второго датчика-реле 12 температуры. Блок питания и цепи питания, а также цепь обнуления на чертежах условно не показаны.

Указанные узлы и блоки представляют собой:
ЭДТВ 1 и ЭДТН 2 - цифровые термометры, например типа DS1820 (см. каталог TECHNISCHER KATALOG 96/47, Germany, стр.121); КУ 3 - в общем случае любая клавиатура от электронных калькуляторов; датчик 4 давления, датчик 5 температуры воды котла и индикатор 8 режимов состояний конструктивно объединены в один прибор типа Термоманометр 30646 модель 941; МП+ЖК-дисплей 6: МП- фирмы Intel 80с 188ЕС - 16, см. Каталог "Сектор электронных компонентов. Россия-99", М, ДОДЭКА, 1999, стр.487 (с соответствущей периферией); ЖК-дисплей - фирмы POWER TYP PG-12864A 128х64 точки с подсветкой, см. Aktiv-Matrix-LCD's LDE052T -12 320х240 5.1 N 46029, TECHNISCER KATALOG 96/97 фирмы Setron, стр.466 38032, Brauschweig, Germany; силовой блок 7 - в общем виде силовые (умощняющие) транзисторы в ключевом режиме; ДМТ 6 - типа 031-02-УХЛ4-1,0 ТУ 311-00227459.108-94 см. "Номенклатурный каталог продукции на 1999 г." ЗАО "ОРЛЭКС", г. Орел, стр.52; KPP 10 - коммутатор, состоящий из тумблера, транзистора и реле, включающийся в нужном режиме либо от тумблера, либо от упр. сигнала 1 МП 6; ДРТ 11 и 12 - типа 31-02-УХЛ4-1,0 ТУ311-0227450.095-93 см. "Номенклатурный каталог продукции на 1999 г." ЗАО "Орлэкс", г. Орел, стр. 53; схемы ИЛИ 13 и 14 - обычное ИЛИ, например на мощных транзисторах; ТСУ 15 - транзистор в ключевом режиме, переключаемый кнопкой (без фиксации); ИСУ 16 - например, типа LTS546AP. см. каталог TECHNISCHER KATALOG 96/47. Germany, стр.450.

Выходные сигналы ЭДТВ 1, ЭДТН 2 и КУ 3 (первый, второй и третий информационные сигналы соответственно) соединены с первым, вторым и третьим входами МП 6 соответственно, выход КРР 10 (седьмой информационный сигнал) соединен с четвертым входом МП 6 и первым и вторым управляющими входами обоих ДРТ 11 и 12, а первый выход МП 6 (первый управляющий сигнал) соединен с входом КРР 10, второй, третий и четвертый выходы МП 6 (второй, третий и четвертый управляющие сигналы) через силовой блок 7 соединены с первыми входами схем ИЛИ 14 и 13 соответственно и с насосом отопительного контура (на фиг.1 не показан), выходы ДРТ 11 и 12 (пятый и шестой управляющие сигналы) соединены со вторыми входами этих же схем ИЛИ, с третьими входами которых соединен выход ТИС 15 (тест-сигналом), выходы обеих схем ИЛИ 13 и 14 соединены сигналами I и II с ИСУ 16 и являются выходами терморегулятора, ДД 4 и ДТВ 5 четвертым и пятым информационными сигналами соответственно соединены с ИРС 8, с которым шестым информационным сигналом также соединен выход ДМТ 9.

Автоматический терморегулятор работает в нескольких режимах, но при всех режимах он подключается к нагревательному котлу 19 согласно фиг.2.

Автоматический режим
КРР 10 устанавливается в положение "авт", включается питание, с КРР 10 на МП 6 поступает постоянный седьмой информационный сигнал, свидетельствующий о включении этого режима и разрешающий работу МП 6 в этом режиме, т.е. работает электронный регулятор 17 температуры, а ручной регулятор 18 температуры выключен этим же сигналом (так построена схема). На ЖК-дисплее МП 6 при этом высвечивается текущее значение температуры воды в котле по показаниям ЭДТВ 1 (первый информационный сигнал). Выбирается и с КУ 3 (третий информационный сигнал) устанавливается требуемая температура воды в котле (подрежим стабилизации требуемой температуры воды в котле), которая также высвечивается на ЖК-дисплее МП 6 (параллельно текущему значению температуры воды). На КУ 3 нажимается кнопка "ПУСК" (на фиг.1 условно не показана) и по команде (командам) с МП 6 (второй управляющий сигнал и/или третий управляющий сигнал) через схемы ИЛИ 13 и 14 включается первая (I) или обе (I и II) горелки 20, одновременно зажигается соответствующая индикация по горелкам на ИСУ 16. Включение одной или обеих горелок зависит от разницы требуемого значения температуры воды в котле и текущего значения. При большой разнице включаются обе горелки, при малой - первая (I). При достижении определенной температуры от заданной (при включении обеих горелок), вторая горелка выключается, чтобы подход к заданному значению температуры был плавным (например, по экспоненте) для исключения перерегулирования. Этот процесс зависит и от типа котла, т.е. его мощности, инерционности и пр. особенностей. Все данные регулирования заносятся в память МП 6 заранее и могут корректироваться по желанию потребителя.

В автоматическом режиме также существует адаптивный подрежим, при котором описанный выше процесс происходит в зависимости от показаний датчика температуры наружного воздуха 2. В этом подрежиме (включение и задание также с КУ 3) автоматически устанавливается значение температуры воды в котле в зависимости от показаний ЭДТН 2. ЭДТН 2 устанавливается в месте, защищенном от атмосферных осадков и прямого солнечного излучения.

Ручной режим
В этом режиме КРР 10 ставится в положение "ручн", устанавливаются ручками ДРТ 1 и ДРТ 2 температуры, при которых должны отключаться горелки I и II и включается питание. При этом седьмой информационный сигнал поступает на МП 6, который запрещает работу электронного регулятора 17, одновременно седьмой информационный сигнал разрешает работу ручному регулятору 18 температуры. После чего на ИРС 8 светятся индикаторы, показывающие температуру внутри котла (с ДТВ 5 инф. сигнал 5), горелки I и II включаются пятым управляющим сигналом и шестым управляющим сигналом через схемы ИЛИ 13 и 14 соответственно, а ИСУ 16 сигнализирует об этом. При достижении заданного теплового режима выдаются сигналы на отключение горелок. Повторное включение горелок происходит при снижении температуры внутри котла ниже заданной на определенное значение.

Тестовый режим
В процессе работы котла (в обоих вышеуказанных режимах) при отсутствии свечения индикаторов ИСУ 16 проверка работоспособности горелок осуществляется нажатием кнопки на ТИС 15. На время нажатия кнопки должны светиться индикаторы наличия включения горелок.

Аварийный режим
В случае превышения текущей температуры воды в котле максимально допустимого значения размыкаются контакты датчика-реле максимальной температуры ДМТ 9, (шестой информационный сигнал) при этом перестают светиться индикаторы t_воды<t_max на ИРС 8 и "горелки включены" на ИСУ 16.

Следует отметить, что при включении питания терморегулятора сразу же включается сигнал управления насосом СМП 6 (четвертый информационный сигнал) через силовой блок 7.

Применение данного автоматического терморегулятора позволяет получить высокие эксплуатационные качества, а именно: обеспечение пользователю возможности выбора режима работы (автоматический или ручной); возможность как ручного, так и автоматического перехода на ручной режим работы при отказе электронного датчика температуры с целью обеспечения надежной и безопасной работы устройства; возможность поддержания температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха с целью экономичного расхода тепловой энергии; обеспечение пользователю возможности адаптировать графики зависимостей под конкретные условия эксплуатации, включая типоразмеры котлов; высокая точность поддержания заданной температуры в силу принятого схемного решения.

Автоматический переход на ручной режим работы
При отсутствии информационного сигнала 1 от электронного датчика 1 температуры воды МП 6 выдает управляющий сигнал 1 на коммутатор режима работы КРР 10, который снимает информационный сигнал 7 на МП 6 и управляющие входы 1,2 ручного регулятора 18 температуры, тем самым МП 6 отключает электронный регулятор 17 температуры и подключается ручной регулятор 18 температуры, причем, чтобы избежать тепловой удар при переходе на ручной режим, на ручном регуляторе 18 температуры должны быть заранее выставлены те же значения задаваемой температуры, что и на электронном регуляторе 17 температуры.

Таким образом, предложенный автоматический терморегулятор может найти широкое применение в различных климатических зонах как для промышленного, так и индивидуального обогревания, как для газовых, так и жидкотопливных и электрических котлов, оборудованных одной или двумя горелками (электронагревателями). При необходимости термонагреватель может быть легко наращен по числу входов и соответственно выходов, для чего нужно только перепрограммировать ПЗУ.

Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования и может быть использовано для программного регулирования температуры, в частности, в качестве регулятора температуры для управления газовыми и электрическими водяными нагревательными котлами. Технический результат - расширение функциональных возможностей и эксплуатационных качеств. Предлагаемый терморегулятор обеспечивает возможность работы в автоматическом, ручном, аварийном и тестовом режимах и может найти широкое применение в различных климатических зонах как для промышленного, так и индивидуального обогревания, как для газовых, так и для жидкотопливных и электрических котлов, оборудованных одной или двумя горелками (электронагревателями). При необходимости термонагреватель может быть легко наращен по числу входов и соответственно выходов, для чего нужно только перепрограммировать ПЗУ. 2 ил.

Автоматический терморегулятор, включающий в себя электронный датчик температуры воды, электронный датчик температуры наружного воздуха, клавиатуру управления, датчик давления воды, датчик температуры воды котла, микропроцессор с жидкокристаллическим дисплеем, силовой блок, индикатор режимов состояния, датчик-реле максимальной температуры воды, коммутатор режима работы, первый и второй датчики-реле температуры, первую и вторую трехвходовые схемы ИЛИ, тест-имитатор сигналов управления и индикатор сигналов управления, соединенные следующим образом: выходные сигналы электронного датчика температуры воды, электронного датчика температуры наружного воздуха и клавиатуры управления первым, вторым и третьим информационными сигналами соответственно соединены с первым, вторым и третьим входами микропроцессора соответственно, выход коммутатора режима работы седьмым информационным сигналом соединен с четвертым входом микропроцессора и одновременно с первым и вторым управляющими входами датчиков-реле температуры, а первый выход микропроцессора первым управляющим сигналом соединен с входом коммутатора режима работы, второй, третий и четвертый выходы микропроцессора вторым, третьим и четвертым управляющими сигналами через силовой блок соединены с первыми входами обеих схем ИЛИ и с насосом отопительного контура соответственно, выходы датчиков-реле температуры пятым и шестым управляющими сигналами соответственно соединены со вторыми входами этих же схем ИЛИ, с третьими входами которых тест-сигналом соединен выход тест-имитатора, выходы схем ИЛИ соединены сигналами соответственно с индикатором сигналов управления и являются выходами терморегулятора, датчик давления воды и датчик температуры воды котла четвертым и пятым информационными сигналами соответственно соединены с индикатором режимов состояния, с которым также шестым информационным сигналом соединен выход датчика-реле максимальной температуры воды.