СИСТЕМА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2003 года по МПК G01K17/16 

Предлагаемое изобретение относится к технике учета тепловой энергии и может быть использовано в системах учета тепловой энергии, предназначенных для коммерческого учета потребляемой тепловой энергии различными объектами народнохозяйственного назначения и имеющих большое количество каналов и протяженные линии связи между вычислительным устройством и датчиками температуры, давления и расхода теплоносителя.

Известны устройства учета тепловой энергии, описанные в различных источниках информации, например в [2, 3, 4, 5], содержащие, в общем виде, датчики температуры теплоносителя, датчики давления, расходомеры и тепловычислитель. Недостатком этих устройств является достаточно низкая помехозащищенность каналов измерения, т.к., с увеличением протяженности линий связи между датчиками и вычислительным устройством ухудшается точность результатов измерения из-за увеличения количества наводок на линию связи. Принятие мер по повышению помехозащищенности приводит к увеличению коммуникаций (например, введение 4-х проводных линий измерения, экранировка и т.д.) и, соответственно, к увеличению сложности и стоимости устройства.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является теплосчетчик учета тепловой энергии с использованием датчиков температуры теплоносителя, датчиков давления, расходомеров и тепловычислителя, реализованный в устройстве [1].

Недостатком известного устройства является нерациональная линия связи датчиков температуры, датчиков давления, расходомеров с вычислительным устройством. В известном устройстве каждый датчик температуры, давления и расходомер связаны с вычислительным устройством отдельной линией связи. При увеличении числа каналов (трубопроводов), обслуживаемых теплосчетчиком (а в настоящее время используются теплосчетчики с числом каналов 8 и более, при этом удаление вычислительного устройства от датчиков может достигать 50-100 метров и более), указанная линия связи становится очень громоздкой и дорогостоящей. Кроме того, при удалении вычислительного устройства от датчиков значительно возрастает влияние помех на линию связи, что, в конечном счете, приводит к снижению точности результатов измерения.

Задачей изобретения является повышение точности результатов измерения при одновременном сокращении коммуникаций системы учета тепловой энергии.

Поставленная задача решается путем обработки измеренных теплотехнических параметров теплоносителя непосредственно в каждом канале и формирования объединенного сигнала для передачи в вычислительное устройство по линии связи.

Сущность изобретения состоит в том, что в систему учета тепловой энергии, содержащую вычислительное устройство, двунаправленную линию связи, а в каждом из "n" каналов датчики температуры, давления и расхода теплоносителя, генератор тока, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления, введены устройство кодирования и устройство декодирования, соединенные с вычислительным устройством, а в каждый из "n" каналов введены первый и второй коммутаторы, первый и второй сумматоры, первое и второе устройства усреднения, счетчик, устройство преобразования текущих данных расхода теплоносителя, устройство фиксирования адреса, формирователь сигнала ответа, устройство кодирования и устройство декодирования.

Кроме того, в системе учета тепловой энергии формирователь сигнала ответа состоит из устройства управления, устройства хранения служебной информации, четырех коммутаторов, устройств хранения текущих данных соответственно температуры, давления, расхода теплоносителя.

Кроме того, в системе учета тепловой энергии устройство преобразования состоит из счетчика, умножителя, устройства ввода.

Наличие отличительных признаков предлагаемого решения относительно прототипа подтверждает соответствие решения критерию "новизна".

Изобретательский уровень предлагаемого решения состоит в разрешении технического противоречия между требованиями повышения точности результатов измерения системы учета тепловой энергии и сокращения коммуникаций системы учета тепловой энергии, т.е. снижения сложности системы. Указанное противоречие оставалось неразрешенным ввиду отсутствия очевидных путей решения этой задачи.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведена "n" канальная система учета тепловой энергии с раскрытием структуры построения каждого канала (на примере первого канала), на фиг.2 приведен вариант построения формирователя сигнала ответа, на фиг. 3 приведен вариант построения устройства преобразования.

На Фиг.1 показаны
вычислительное устройство 1, выход которого соединен со входом устройства 2 кодирования, а вход соединен с выходом устройства 3 декодирования, выход устройства 2 кодирования и вход устройства 3 декодирования соединены с двунаправленной линией 4 связи, которая соединена со входом устройства 5 декодирования и выходом устройства 6 кодирования, выход устройства 5 декодирования соединен со входом устройства 7 фиксирования адреса, вход устройства 6 кодирования соединен с выходом формирователя 8 сигнала ответа, выход устройства 7 фиксирования адреса соединен с со вторым входом 9 счетчика, со вторым входом устройства 17 преобразования и с четвертым входом 8 формирователя сигнала ответа, первый, второй и третий входы формирователя 8 сигнала ответа соединены соответственно с выходом первого устройства 10 усреднения, с выходом второго устройства 11 усреднения и с выходом устройства 17 преобразования, выход счетчика 9 соединен со вторым входом первого устройства 10 усреднения и со вторым входом второго устройства 11 усреднения, первый вход первого устройства 10 усреднения соединен с выходом первого сумматора 13, первый вход второго устройства 11 усреднения соединен с выходом второго сумматора 14, управляющий выход устройства 12 управления соединен с управляемым (третьим) входом счетчика 9, с управляемым (вторым) входом первого сумматора 13, с управляемым (вторым) входом второго сумматора 14, с управляемым (вторым) входом первого коммутатора 18, с управляемым (вторым) входом второго коммутатора 19, выход аналого-цифрового преобразователя 16 соединен с первым входом счетчика 9 и со входами сумматоров 13 и 14, генератор тока 15 подключен к первому входу первого коммутатора 18, выход второго коммутатора 19 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 16, первый вход устройства 17 преобразования соединен с выходом датчика 22 расхода теплоносителя, первый выход первого коммутатора 18 соединен со входом датчика 20 температуры, второй выход первого коммутатора 18 соединен со входом датчика 21 давления, выход датчика 20 температуры соединен с первым входом второго коммутатора 19, выход датчика 21 давления соединен с третьим входом второго коммутатора 19, вход и выход канала 24 "n" соединены с двунаправленной линией 4 связи.

На Фиг.2 показаны
устройство 25 управления, выход которого соединен с управляемыми (вторыми) входами коммутаторов 27, 29, 32, 34, выход устройства 26 хранения служебной информации соединен с первым входом первого коммутатора 27, выход устройства 28 хранения текущих данных температуры соединен с первым входом второго коммутатора 29, выход устройства 31 хранения текущих данных давления соединен с первым входом третьего коммутатора 32, выход устройства 33 хранения текущих данных расхода теплоносителя соединен с первым входом четвертого коммутатора 34, выходы всех коммутаторов 27, 29, 32, 34 соединены со входами схемы 30 ИЛИ.

На Фиг.3 показаны
счетчик 35, выход которого соединен с первым входом умножителя 36, а второй вход умножителя 36 соединен с устройством 37 ввода.

Работает данная система учета тепловой энергии следующим образом.

Рассмотрим работу системы учета тепловой энергии на примере одного канала, например первого (см. фиг.1 - канал 23 первый).

Устройство 12 управления переключает первый коммутатор 18 и второй коммутатор 19 таким образом, что в определенный момент времени калиброванный ток с выхода генератора 15 тока проходит через первый коммутатор 18 и датчик 20 температуры. Датчик 20 температуры, представляющий собой термосопротивление и находящийся внутри трубопровода, под воздействием температуры теплоносителя изменяет свою температуру и, следовательно, изменяется его сопротивление. Калиброванный ток, проходя через данное сопротивление, создает падение напряжения, которое по цепи "первый вход-выход" второго коммутатора 19 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 16. С изменением температуры будет меняться падение напряжения на термосопротивлении. Следовательно, измеряя это напряжение, происходит отслеживание изменения температуры теплоносителя в трубопроводе. Напряжение, поступающее в аналого-цифровой преобразователь 16, преобразуется в нем в код, соответствующий температуре теплоносителя в трубопроводе, и поступает в первый сумматор 13, установленный на прием информации устройством 12 управления.

В другой момент времени устройство 12 управления переключает первый коммутатор 18 и второй коммутатор 19 таким образом, что калиброванный ток с выхода генератора 15 тока проходит через первый коммутатор 18 и датчик 21 давления. Датчик 21 давления представляет собой тензосопротивление, величина сопротивления которого изменяется в зависимости от давления в трубопроводе. Калиброванный ток, проходя через данное сопротивление, создает падение напряжения, которое по цепи "второй вход-выход" второго коммутатора 19 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 16. На выходе аналого-цифрового преобразователя 16 появляется код, соответствующий давлению теплоносителя в трубопроводе, и поступает во второй сумматор 14, установленный на прием информации устройством 12 управления.

С выхода первого сумматора 13 информация поступает в первое устройство 10 усреднения. С выхода второго сумматора 14 информация поступает во второе устройство 11 усреднения.

При наличии запроса (например, в виде посылки адреса опрашиваемого устройства) от вычислительного устройства 1 сигнал запроса, пройдя через устройство кодирования, по двунаправленной линии 4 связи поступает на устройства декодирования и затем на устройства фиксации адреса каждого канала (для первого канала - это устройство 5 декодирования и устройство 7 фиксации адреса). При совпадении адреса запрашиваемого канала устройство 7 фиксации адреса выдает управляющий сигнал в счетчик 9 и устройство 17 преобразования. Счетчик 9 останавливает счет и фиксирует раздельно количество измерений температуры и давления за прошедший интервал с момента последнего запроса. Устройство 17 преобразования (например, в случае использования датчика расхода теплоносителя с числоимпульсным выходом) останавливает подсчет количества пришедших импульсов за прошедший интервал с момента последнего запроса. На вход устройства 10 усреднения поступает сумма значений всех измеренных температур за прошедший интервал с момента последнего запроса, на другой вход устройства 10 усреднения поступает количество произведенных измерений температуры за прошедший интервал с момента последнего запроса. На вход устройства 11 усреднения поступает сумма значений всех измеренных давлений за прошедший интервал с момента последнего запроса, на другой вход устройства 11 усреднения поступает количество произведенных измерений давления за прошедший интервал с момента последнего запроса. В устройстве 10 усреднения и устройстве 11 усреднения осуществляется вычисление средних значений соответственно температуры и давления за прошедший интервал с момента последнего запроса. Далее полученная информация с выхода каждого устройства усреднения поступает на соответствующие входы формирователя 8 сигнала ответа, на третий вход формирователя 8 сигнала ответа поступает информация с выхода устройства 17 преобразования. Формирователь 8 сигнала ответа создает сигнал ответа, состоящий из служебной информации, информации о средних значениях температуры и давления за прошедший интервал с момента последнего запроса и данных о расходе теплоносителя. Далее сигнал ответа проходит кодирование в устройстве 6 кодирования и через двунаправленную линию 4 связи и устройство 3 декодирования поступает в вычислительное устройство 1.

Аналогичную информацию выдают формирователи сигнала ответа других "n-1" каналов. По полученной информации в вычислительном устройстве 1 происходит процесс вычисления теплотехнических параметров и их архивирование.

Формирователь 8 (см. фиг.1) сигнала ответа может быть выполнен в виде устройства, схема которого приведена на фиг.2.

Получаемая текущая информация о теплотехнических параметрах хранится в устройствах 28, 31, 33 хранения (соответственно данные о температуре, давлении и расходе теплоносителя). В устройстве 26 хранения служебной информации хранится информация о принадлежности к каналу, например адрес канала, и другая информация, необходимая для обеспечения нормальной работы устройства.

При поступлении управляющих сигналов от устройства 12 (см. фиг.1) управления на выходе схемы 30 ИЛИ начнет формироваться сигнал ответа.

Под воздействием управляющих сигналов от устройства 12 (см. фиг.1) управления через коммутаторы 27, 29, 32, 34 в определенной последовательности (в соответствии с определенной очередностью) будет поступать информация от трех устройств 28, 31, 33 хранения текущих данных соответственно температуры, давления и расхода теплоносителя на входы схемы 30 ИЛИ, на выходе которой будет формироваться сигнал ответа, состоящий из служебной и теплотехнической информации и передаваемой, например, в такой последовательности:
- служебная информация (например, стартовый импульс и адрес канала),
- среднее значение температуры за прошедший интервал с момента последнего запроса,
- среднее значение давления за прошедший интервал с момента последнего запроса,
- значение расхода за прошедший интервал с момента последнего запроса,
- служебная информация (например, стоповый импульс).

Устройство преобразования может быть выполнено в виде, изображенном на фиг.3.

При поступлении от датчика расхода теплоносителя информации о расходе в числоимпульсном виде счетчик 35 осуществляет подсчет количества поступивших импульсов. При наличии сигнала от устройства 7 (см. фиг.1) фиксирования адреса счетчик 35 прекращает подсчет импульсов о расходе теплоносителя. Зафиксированное количество импульсов поступает на вход умножителя 36, на второй вход которого из устройства 37 ввода вводится величина, соответствующая "весу" поступающих импульсов. "Вес" импульса устанавливается при изготовлении и должен соответствовать "весу" импульсов, поступающих с датчика расхода теплоносителя.

Двунаправленная линия 4 (см. фиг.1) связи может быть выполнена, например, в виде стандартного интерфейса RS485, который позволяет подключать до 32-х устройств, удаленных на расстояние до 1600 метров. Двунаправленная линия 4 связи в этом случае состоит из "n+1" приемопередатчиков стандарта RS485 ("n" каналов + вычислительное устройство). Все приемопередатчики идентичны и выполнены в микросхемном исполнении, например на микросхеме AMD 1485. Конструктивно указанные приемопередатчики входят в состав соответствующих каналов и вычислительного устройства. Двунаправленная линия 4 связи предусматривает параллельное подключение устройств. Двунаправленная линия 4 связи, организованная на основе интерфейса RS485, позволяет подключать до 32 устройств, при этом собственно линия связи остается одна и количественно не изменяется с увеличением числа подключаемых устройств.

Использование стандартного интерфейса обеспечивает повышение помехозащищенности протяженной линии связи (в случае использования интерфейса RS485 длина линии связи достигает 1600 м), т.к. в данном случае осуществляется передача цифровых данных, а не аналоговых величин. Цифровая линия передачи является потенциально более помехозащищенной, чем аналоговая линия передачи.

Введение устройств кодирования и декодирования в каждый канал обусловлено решением задачи уменьшения вероятности несанкционированного доступа к линии связи.

Таким образом, введение в систему учета тепловой энергии устройства кодирования и устройства декодирования, соединенных с вычислительным устройством, а в каждый из "п" каналов введение первого и второго коммутаторов, первого и второго сумматоров, первого и второго устройств усреднения, счетчика, устройства преобразования текущих данных расхода теплоносителя, устройства фиксирования адреса, формирователя сигнала ответа, устройства кодирования и устройства декодирования приводит к повышению точности результатов измерения при одновременном сокращении коммуникаций системы учета тепловой энергии.

Литература
1. ТЕПЛОСЧЕТЧИК СПТ960К. Руководство по эксплуатации РАЖГ 421431.001 РЭ, АОЗТ НПФ "ЛОГИКА", Санкт-Петербург, 1997, стр. 4,5.

2. ГОСТ Р 51649 2000. Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические требования, Москва, Госстандарт России, стр. 2.

3. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя. П 683, Главгосэнергонадзор. - М., Изд-во МЭИ, 1995, стр. 8, стр. 16.

4. Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерения тепловой энергии и количества теплоносителя. МИ 2412 97, Москва, 1997, стр. 1, пункт 1.2.

5. Проблемы коммерческого учета энергоносителей. Материалы 1-й международной научно-практической конференции "ТЕПЛОСИБ - 2002", 19-20 марта 2002 г. , Новосибирск. Под редакцией профессора Б.М. Рогачевского, Новосибирск, агенство "Сибпринт", 2002, стр. 133, рис. 2.

Изобретение относится к области техники учета тепловой энергии и может быть использовано в теплосчетчиках, предназначенных для коммерческого учета потребляемой тепловой энергии различными объектами народнохозяйственного назначения. Система учета тепловой энергии содержит вычислительное устройство, двунаправленную линию связи, а в каждом из n каналов - датчики температуры, давления и расхода теплоносителя, генератор тока, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления. Введено также устройство кодирования и устройство декодирования, соединенные с вычислительным устройством. В каждый из n каналов введены первый и второй коммутаторы, первый и второй сумматоры, первое и второе устройства усреднения, счетчик, устройство преобразования текущих данных расхода теплоносителя, устройство фиксирования адреса, формирователь сигнала ответа, устройство кодирования и устройство декодирования. Технический результат: повышение точности результатов измерений при одновременной коммуникации системы учета тепловой энергии. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система учета тепловой энергии, имеющая в своем составе вычислительное устройство, двунаправленную линию связи, а в каждом из n каналов датчики температуры, давления и расхода теплоносителя, генератор тока, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления, отличающаяся тем, что в нее введены устройство кодирования и устройство декодирования, соединенные с вычислительным устройством, а в каждый из n каналов введены первый и второй коммутаторы, первое и второе устройства накопления, первое и второе устройства усреднения, счетчик, устройство преобразования текущих данных расхода теплоносителя, устройство фиксирования адреса, формирователь сигнала ответа, устройство кодирования и устройство декодирования, при этом генератор тока подключен к первому входу первого коммутатора, первый выход первого коммутатора соединен со входом датчика температуры, второй выход первого коммутатора соединен со входом датчика давления, выход датчика температуры соединен с первым входом второго коммутатора, выход датчика давления соединен с третьим входом второго коммутатора, выход второго коммутатора соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом счетчика и с первыми входами сумматоров, выход первого сумматора подключен к первому входу первого устройства усреднения, выход второго сумматора подключен к первому входу второго устройства усреднения, вторые входы первого и второго устройств усреднения соединены с выходом счетчика, выход устройства фиксирования адреса соединен со вторым входом счетчика, со вторым входом устройства преобразования и с четвертым входом формирователя сигнала ответа, вход устройства фиксирования адреса соединен с устройством декодирования, выход датчика расхода теплоносителя соединен с первым входом устройства преобразования, управляемые (вторые) входы обоих коммутаторов, управляемые (вторые) входы первого и второго сумматоров, управляемый (третий) вход счетчика соединены с управляющим выходом устройства управления, первый, второй и третий входы формирователя сигнала ответа соединены соответственно с выходом первого устройства усреднения, с выходом второго устройства усреднения и с выходом устройства преобразования, выход формирователя сигнала ответа соединен с устройством кодирования, а выходы всех (n+1) устройств кодирования и декодирования соединены с двунаправленной линией связи. 2. Система учета тепловой энергии по п. 1, отличающаяся тем, что формирователь сигнала ответа состоит из трех устройств хранения текущих данных, четырех коммутаторов, схемы ИЛИ, устройства управления и устройства хранения служебной информации, при этом первый вход первого коммутатора соединен с устройством хранения служебной информации, первый вход второго коммутатора соединен с устройством хранения текущих данных температуры, первый вход третьего коммутатора соединен с устройством хранения текущих данных давления, первый вход четвертого коммутатора соединен с устройством хранения текущих данных расхода теплоносителя, выходы всех коммутаторов соединены со входами схемы ИЛИ, а управляемые (вторые) входы коммутаторов соединены с управляющим выходом устройства управления. 3. Система учета тепловой энергии по п. 1, отличающаяся тем, что устройство преобразования состоит из счетчика, умножителя и устройства ввода, при этом выход счетчика соединен с первым входом умножителя, а второй вход умножителя соединен с устройством ввода.