ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ Российский патент 2008 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к устройствам для регулирования и контроля безопасности электрических водогрейных котлов. Электрические водогрейные котлы имеют два устройства, которые контролируют температуру воды, содержащуюся в резервуаре.

Одно из этих устройств представляет собой регулирующий термостат (далее называемый также терморегулятором). Его задача заключается в том, чтобы регулировать температуру воды путем поддержания температуры водогрейного котла на уровне величины t.r., устанавливаемой или производителем и/или пользователем; конечно, любой диапазон регулирования, который считается приемлемым для пользователя, предотвращает от возможного достижения опасных температур.

Другое устройство представляет собой термостат для тепловой защиты (далее называемый устройством тепловой защиты). Его задача заключается в том, чтобы обеспечить тепловую защиту путем отключения электроснабжения, предназначенного для электрических сопротивлений, если контролируемая температура достигает промежуточного значения отключения t.i., изменяющегося между значениями температуры, которых можно достигнуть в процессе нормальной работы, и максимальным значением t.s., предусмотренным Правилами безопасности. В основном, это может произойти только тогда, когда вышел из строя регулирующий термостат; например, если оказалась неправильной настройка или если расплавились его электрические контакты, и они не могут больше размыкаться. Однако возможно также, что аномальная ситуация, как, например, отсутствие воды в резервуаре, может привести к неожиданному увеличению температуры, что приводит в действие устройство тепловой защиты, даже если регулирующий термостат находится в полном порядке.

Точность регулирующего термостата является чрезвычайно важной, не столько в отношении удобства, а с целью ограничения потребления энергии; в условиях одной и той же средней температуры в водогрейном котле в течение заданного периода, чем более резкими являются изменения фактической температуры из-за неправильного контроля, тем больше потери тепла, как доказано экспериментально. С этой точки зрения является несомненным, что наиболее точными электромеханическими термостатами являются те из них, которые используют шарообразный датчик, за которыми следуют те, которые используют стержневой датчик и затем те, датчик которых изготавливают из бистабильной биметаллической фольги. Электронные термостаты являются наилучшими, когда в них обычно используют NTC (резистор с отрицательным температурным коэффициентом) в качестве датчика, которые не только обеспечивают точное регулирование, которого иначе невозможно достигнуть с помощью электромеханических термостатов, но они также предлагают множество других преимуществ, таких как легкость их контролирования микропроцессором, с помощью которого можно программировать время работы и рабочие температуры, а также другие функции. В то время, как электромеханические термостаты отключают энергоснабжение, предназначенное для электрических сопротивлений путем физического размыкания электрического контакта, электронные термостаты функционируют путем прекращения прохождения электрического тока с помощью полупроводникового устройства TRIAC (симметричного триодного тиристора), которое, в свою очередь, можно устанавливать непосредственно последовательно вдоль цепи электрических сопротивлений, если требуемая сила тока является достаточно низкой, или путем приведения в действие команды на прерывание контактов реле, что, в свою очередь, разъединяет цепь сопротивлений. Тем не менее, правила безопасности не требуют, чтобы регулирующий термостат физически разъединял фазы электрической цепи.

Биполярное физическое разъединение обоих концов электрической цепи сопротивлений направляется термостатом для тепловой защиты; с другой стороны, никакой особой степени точности не требуется для температуры активирования, так как величины допуска менее чувствительных датчиков аналогичны величинам допуска датчиков с бистабильной биметаллической фольгой, которые способны активироваться при температурах отключения t.i., намного более высоких, чем температура согласно предписанию t.r., но вместе с тем значительно более низких, чем максимальные допустимые температуры t.s. До настоящего времени термостат для тепловой защиты в водогрейных котлах всегда был электромеханического типа с предельно простым механизмом; в основном он представляет собой тип устройства, содержащего хорошо известные бистабильные биметаллические диски в качестве устройства датчик/активатор. Когда достигают установленной температуры, термостат для тепловой защиты необратимо размыкает две (или три) фазы энергоснабжения; возврат контактов в исходное положение возможен в большинстве моделей для возобновления работы водогрейного котла, когда температура перегрева не является результатом нарушений нормальной работы, оказывающих влияние на регулирующий термостат, но устройство для возврата в исходное положение должно быть доступно лишь для техника по обслуживанию, тем самым создавая неудобство в том, что возврат в исходное положение водогрейного котла требует всегда вмешательства отдела по техническому обслуживанию, даже если факт блокирования был абсолютно случайным.

Ради компактности и простоты сборки термостат для электромеханического регулирования и термостат для тепловой защиты помещают часто в один и тот же корпус; но это не означает, что они не являются двумя независимыми устройствами, каждое из которых имеет свой собственный датчик, свой собственный механизм для размыкания электрических контактов и, наконец, свои собственные электрические контакты. В заключение, безопасность требует, чтобы каждый из двух термостатов имел свою собственную «электромеханическую логику».

Что касается электронных регулирующих термостатов, их использование было ограничено вплоть до настоящего времени до уровня продуктов более высокой категории, в связи с невозможностью исключения затрат на электромеханическое устройство тепловой защиты, которое, среди прочего, обычно крайне трудно поместить в один и тот же корпус с электронным термостатом. В то время, как наиболее широко распространенный тип устройства тепловой защиты является устройством с биметаллической фольгой, его следует помещать как можно ближе к зоне, где температура должна регулироваться, т.е. к зоне, в которой рабочая температура может быть достаточно высокой, чтобы повредить электронное устройство даже в нормальных рабочих условиях.

В документе NL 8501754 А представлено электронное устройство для регулирования тепла и тепловой защиты водонагревателя с тепловым аккумулятором, который находится в блокированном положении не только когда заданную температуру превышают, но даже в случае, когда замечена аномальная работа температурных датчиков. Такое устройство, хотя и представляет собой определенное достижение, все же является устройством, возвращение которого в условия нормальной работы доступно лишь для обслуживающих технических работников.

Основная цель этого изобретения состоит в том, чтобы определить средство, с помощью которого получают единое контрольное устройство, способное функционировать, как минимум, в качестве регулирующего термостата, и устройства тепловой защиты в электрическом водогрейном котле.

Другая цель этого изобретения состоит в том, чтобы определить средство, с помощью которого делается возможным, чтобы указанное единое контрольное устройство использовало единую операционную логическую схему, т.е. единое устройство аппаратного обеспечения и единое устройство программного обеспечения, по крайней мере, для контроля функций регулятора тепла и устройства тепловой защиты.

Другая цель этого изобретения состоит в том, чтобы дать возможность пользователю восстанавливать регулярную работу водогрейного котла, когда ее блокирует устройство тепловой защиты вследствие случайных причин, не связанных с выявленными неисправностями.

Другая цель этого изобретения состоит в том, чтобы снабжать указанное единое контрольное устройство дополнительными информационными, программирующими и контрольными функциями, которые не относятся ни к регулированию тепла, ни к тепловой защите.

Согласно изобретению эти и другие цели достигаются с помощью контрольного устройства, включающего комбинацию подходящих электронных и электромеханических средств, которые функционируют согласно соответствующим способам.

Изобретение будет теперь иллюстрировано согласно ряду предпочтительных, однако неисключительных вариантов осуществления изобретения в последующем описании, а также чертежу и прилагаемой формуле изобретения, которые представляют неотъемлемую часть описания изобретения.

Ниже иллюстрируется ряд предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

На чертеже единственной иллюстрации, прилагаемой к этому описанию, схематически иллюстрируют электронное и электромеханическое контрольное устройство R согласно изобретению.

Согласно чертежу R обозначает контрольное устройство, которое, рассматриваемое в целом, обладает функциями регулятора тепла и устройства тепловой защиты; цифрой 1 обозначена электроэнергетическая цепь, снабжающая энергией, через клеммы 2.1, электрические сопротивления 2, которые нагревают воду; цифрой 3 обозначено регулирующее реле, размыкание/замыкание контактов которого контролирует подачу энергии на сопротивления 2 для того, чтобы поддерживать температуру воды на уровне температуры, установленной во время операции регулирования; цифрой 4 обозначены два реле блокировки (или, альтернативно, единое реле с двойным микропереключателем), контакты которых контрольное устройство R размыкает при условии, что оно детектирует любое функциональное нарушение нормальной работы, не совместимое с правилами безопасности; цифрой 5 показаны два возможных плавких предохранителя, которые устанавливают последовательно с указанными реле 4 и которые защищают контакты реле 4 от максимальных токов, которые могут привести к их спеканию.

Контрольное устройство R включает один или два температурных датчика 6, предпочтительно типа NTC или в любом случае типа, который пригоден для передачи температурных сигналов, которые можно интерпретировать с помощью электронных устройств; из двух датчиков 6 один предназначается для контролирования установки температуры согласно предписанию t.r., а другой - для контролирования температуры отключения t.i.; однако согласующийся с требованиями соответствующих предписаний и с местами, в которых указанную температуру согласно предписанию t.r. и температуру отключения t.i. следует или можно детектировать, можно использовать единый датчик 6 как для информации, относящейся к регулированию тепла, так и для тепловой защиты; по крайней мере, второй датчик 6 может оказаться полезным для дополнительных функций, не относящихся к регулированию тепла и тепловой защите, такой как, например, и согласно известным способам, оценка средней температуры и запаса энергии в водогрейном котле, которую можно легко сделать, если известна температура воды в двух различных правильно выбранных зонах.

Контрольное устройство R включает также микропроцессор 7, оборудованный специальной программой для выполнения, как минимум, следующих задач:

- получение и интерпретация сигналов от датчиков 6;

- если не имеется никаких операционных нарушений нормальной работы, отдать команду реле 3 через командный кабель 3.1 регулировать тепловую мощность, которая будет подаваться на воду посредством сопротивлений 2 для поддержания температуры, близкой к значению установленной температуры согласно предписанию t.r.;

- если имеются операционные нарушения нормальной работы, заставить разомкнуться контакты реле 4 через командный кабель 4.1, чтобы отключить обе фазы энергоснабжения сопротивлений 2.

Среди прочего, операционные нарушения, которые можно идентифицировать с помощью микропроцессора 7, включают не только детектирование температур перегрева, о которых сигнализирует датчик 6, но также неисправность указанных датчиков, являющаяся следствием перерыва в энергоснабжении или короткого замыкания, о которой сигнализируется неопределенным, нулевым или абсурдным показанием их электрического резистора, т.е. вне диапазона возможных значений для неповрежденных датчиков 6.

Контрольное устройство R включает также схему 8 аппаратного обеспечения, функционирующую как супервизор, (которую обычно называют и которая хорошо известна как "схема безопасности" системы (system "watch-dog")); эта схема контролирует правильное функционирование микропроцессора 7 и она размыкает контакты реле 4 с помощью управляющих схем 4.2, если детектируется ненормальная работа микропроцессора 7 или других основных или вспомогательных устройств, включая контрольное устройство R. Что касается указанной схемы безопасности 8, которая функционирует согласно известным техническим приемам и способам, ее не следует упоминать далее как схему, которая может полностью осуществлять контроль за любой функцией в пределах границ, предусмотренных современным состоянием данной области техники.

Следует помнить, что современные технологии для производства электронного оборудования, предусматривающие возможную избыточность логических схем и способов управления с помощью схем аппаратного обеспечения, которые функционируют как схемы безопасности, по крайней мере, в отношении правильного выполнения основных функций, позволяют получать предельно надежные устройства, которым можно доверять функции безопасности, как это признается и допускается соответствующими регулятивными органами.

Если одно из реле 4 размыкает контакты в результате выявленных нарушений нормальной работы, автоматическое замыкание с помощью контрольного устройства не может произойти немедленно после того, как нарушение устранили: лишь управляемое вручную устройство 9 для возврата в исходное положение может отдать команду для их замыкания. Однако указанную команду возврата в исходное положение система безопасности принимает лишь тогда, когда микропроцессор 7 установит, что нарушения нормальной работы, вызвавшего размыкание контактов реле 4, больше не существует. Другими словами, если, например, возникло случайное повышение температуры, команда возврата в исходное положение и последующее замыкание контактов реле 4 принимается, но лишь тогда, когда температура возвращается к нормальному уровню; напротив, если, например, нарушение заключается в необратимом повреждении датчика, возможность восстановить нормальные условия отсутствует и, следовательно, микропроцессор 7 будет продолжать отклонять команду возврата в исходное положение. Как известно, электромеханические устройства тепловой защиты также предусматривают с приспособлением для выполнения команды возврата в исходное положение для того, чтобы вернуть термостат в исходное положение, как только будет устранено нарушение нормальной работы; это приспособление включает пусковую кнопку, которая, при ее нажатии, оказывает воздействие непосредственно на электрические контакты путем их замыкания; нажатие на пусковую кнопку, однако может привести к замыканию указанных контактов, даже если нарушение все еще имеет место. По этой причине указанную пусковую кнопку помещают в месте, которое не может быть доступным для пользователя и которое защищено крышкой, которую можно открыть специальным инструментом, с тем, чтобы лишь квалифицированный техник по ремонту мог привести ее в действие. Напротив, как сказано выше, согласно этому изобретению, так как отвергается команда возврата в исходное положение и она не оказывает никакого действия, если нарушение нормальной работы все еще имеет место, пользователь может, тем не менее, получить доступ к приспособлению для выполнения команды, получая при этом преимущество, что нет нужды обращаться в отдел по техническому обслуживанию для приведения в исходное состояние водогрейного котла, когда нет какой-либо неисправности, но имеется лишь временное и устранимое нарушение нормальной работы.

Однако контрольное устройство R можно также конструировать таким образом, чтобы оно было способно учитывать и запоминать количество команд возврата в исходное положение, которые оно приняло, и ограничивать максимально возможное количество возвратов в исходное положение до установленной величины, после которых оно отвергает любые другие команды. Следовательно, даже временное и устранимое нарушение нормальной работы может потребовать вмешательства отдела по техническому обслуживанию, если оно возникает слишком часто, показывая этим, что существует повторяющаяся проблема, которая требует идентификации и решения.

По этой причине также в контрольном устройстве R может присутствовать энергонезависимое запоминающее устройство 10, такое как EEPROM, т.е. запоминающее устройство, которое не удаляется, если отсутствует питание, и которое сохраняет с соответствующим кодом все детектированные аномалии и/или определенное количество принятых возвратов в исходное положение; указанное запоминающее устройство 10 может также сохранять данные, которые не относятся к регулированию тепла и тепловой защите, но которые, тем не менее, являются полезными при выполнении вышеупомянутых вспомогательных функций.

В заключение, можно также оборудовать дисплей 11, который предоставляет пользователю информацию, касающуюся состояния водогрейного котла как в отношении функций регулирования тепла и тепловой защиты, так и в отношении дополнительных функций.

Другое отличие, касающееся не только средства, но также и способа или, скорее, операционной логической схемы, по сравнению с существующими в настоящее время устройствами электромеханического регулирования тепла и тепловой защиты, состоит, как установлено выше, в том, что последние имеют всегда два независимых устройства, даже когда они помещены в один и тот же корпус; иными словами, каждое из них следует своей собственной механической логической схеме. Вместо этого контрольное устройство R имеет единую «электронную логическую схему», даже если она является избыточной по соображениям безопасности, и она включает как компонент программного обеспечения, так и компонент аппаратного обеспечения, включая схему безопасности 8. Указанная «электронная логическая схема» не состоит из специфических деталей, предназначенных для регулирования тепла, тепловой защиты и дополнительных функций. Независимо от того, имеется ли большее количество, чем один, датчиков 6 температуры, с целью соответствия предписанию или для измерения температуры в нескольких точках, их сигналы принимаются единым устройством, которое выполняет различные функции в зависимости от обстоятельств: пока уровни температуры являются нормальными, «электронная логическая схема» контрольного устройства R контролирует работу регулирующего реле 3, или, другими словами, она выполняет процедуру регулирования тепла; как только температура отключения t.i. окажется превышенной или если имеются другие нарушения нормальной работы, то же самое контрольное устройство R размыкает контакты обоих реле 4 блокировки, а именно оно начинает процедуру тепловой защиты путем блокирования водогрейного котла; тем временем, «электронная логическая схема» контрольного устройства R может также выполнять другие второстепенные информационные или программирующие функции и т.д.

Преимущество заключается очевидно в том, что контрольное устройство R предусматривает расширение второстепенных функций, которые полезны для программирования и других целей лишь при незначительных дополнительных затратах.

Для контрольного устройства R возможны другие варианты, и ниже приводятся несколько ограниченных примеров.

Реле блокировки 4 могут быть или нормально замыкаемого типа или нормально размыкаемого типа, так как оба эти типа можно нормально размыкать или держать разомкнутыми с помощью контрольного устройства R в случае аномальных условий.

Устройство 3 отключения, как в случае существующих в настоящее время электронных регулирующих термостатов, может иметь TRIAC вместо реле.

Когда устройство предусматривают с реле, которые могут выполнять количество циклов большее, чем количество, предусмотренное в течение срока службы водогрейного котла (например, 300000 циклов при существующем в настоящее время положении в данной области), регулирующее реле 3 можно исключить, а для выполнения его функции можно установить одно или оба реле 4 блокировки. В указанном случае, безопасность, обеспечиваемую контрольным устройством R, можно дополнительно повышать путем добавления одной или большего количества следующих функций или устройств;

- можно включить вышеупомянутые плавкие предохранители 5;

- в способе регулирования тепла можно и достаточно давать команду периодически на размыкание контактов лишь одного из двух реле 4 с тем, чтобы износ их контактов происходил равномерно и чтобы возможность 2×300000 циклов размыкания-замыкания электрических сопротивлений 2 была гарантирована для целей регулирования тепла;

- как только количество циклов достигнет предусмотренного максимального значения, контрольное устройство R можно блокировать окончательно путем размыкания контактов реле 4;

- неисправность при размыкании контакта одного из реле 4 можно детектировать контрольным устройством R различными способами с помощью электрических или термических сигналов (например, путем детектирования того, что было падение напряжения на концах электрических сопротивлений 2, или что, несмотря на команду разомкнуть, температура продолжает возрастать) с последующим немедленным и необратимым в первоначальное положение размыканием другого реле 4.

Что касается реле 4, при условии, что соответствующие предписания этому не противоречат, их можно заменить на TRIAC.

В заключение, следует указать на то, что в результате модификаций, все вышеизложенное относится к двухфазному току и что все вышеизложенное можно, следовательно, применять также к трехфазным системам с электрическими сопротивлениями, соединенными по схеме треугольника или звезды.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для регулирования тепла и тепловой защиты в электрических водогрейных котлах. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата осуществляют регулирование тепла и энергоснабжение электрических сопротивлений. В случае аномальных условий работы осуществляют тепловую защиту. При этом электронное устройство получает информацию от одного или большего количества температурных датчиков, осуществляет указанные процедуры регулирования тепла и тепловой защиты и решает, продолжать процесс регулирования тепла или же привести в действие процедуру тепловой защиты. Логическая схема аппаратного обеспечения выполняет функцию схемы безопасности, которая контролирует правильность операций. Устройство предоставляет пользователю возможность возвращения вручную в исходное положение процедуры регулирования тепла, если аномалии больше не существует, в пределах максимального количества попыток возвращения в исходное положение. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Контрольное устройство для выполнения функций регулирования тепла и тепловой защиты в электрических водогрейных котлах, включающее, по крайней мере, один датчик для измерения температуры воды в резервуаре;

электроэнергетическую цепь, снабжающую энергией через клеммы электрические сопротивления для нагревания воды в резервуаре;

средства для контролирования регулирующего реле, размыкание/замыкание контактов которого контролирует подачу энергии на сопротивления для того, чтобы поддерживать температуру воды на уровне температуры согласно предписанию (t.r.), устанавливаемой во время операции регулирования;

средства для остановки, в случае операционных аномалий, процесса регулирования тепла путем размыкания микропереключателей реле блокировки для отключения электропитания к обеим указанным клеммам указанных электрических сопротивлений; при этом указанные реле блокировки состоят или из двух реле с единым микропереключателем, или из единого реле с двойным микропереключателем, а указанные операционные аномалии состоят в

достижении водой в резервуаре температуры отключения (t.i.) большей, чем температура согласно предписанию (t.r.), но вместе с тем более низкой, чем безопасная температура (t.s.),

и/или аномальном функционировании одного или большего количества указанных датчиков;

управляемое вручную устройство для возврата в исходное положение, которое возвращает в исходное положение процедуру регулирования тепла, если она остановлена по причине указанных операционных аномалий;

электронную логическую схему для контролирования, по крайней мере, указанных средств регулирования тепла и тепловой защиты,

отличающееся тем, что

указанное управляемое вручную устройство для возврата в исходное положение может быть доступно для пользователя,

при этом оно способно возвращать в исходное положение процедуру регулирования тепла лишь в том случае, если указанные операционные аномалии закончились.

указанное регулирующее реле соответствует одному из двух указанных реле блокировки,

указанное реле блокировки, которое также предназначается для регулирования тепла, относится к типу, способному выполнять количество циклов, равное, по крайней мере, количеству циклов, предусмотренных для срока службы водогрейных котлов.

указанные реле блокировки состоят из двух реле блокировки с единым микропереключателем,

указанные регулирующие реле соответствуют поочередно одному из двух указанных реле блокировки,

указанные реле блокировки относятся к типу, способному выполнять количество циклов, равное, по крайней мере, половине количества циклов, предусмотренных для срока службы водогрейных котлов.

она способна детектировать, в соответствии с уровнем техники, одну или большее количество аномалий функционирования указанного микропроцессора и других компонентов системы, и

оборудована средствами для остановки, в случае операционных аномалий, процедуры регулирования тепла путем размыкания микропереключателей реле блокировки.

регулирование тепла воды в указанном резервуаре для поддержания ее температуры, близкой к температуре, устанавливаемой согласно предписанию (t.r.),

тепловую защиту от нагревания воды указанного резервуара до температуры, большей, чем температура отключения (t.i), которая, в свою очередь, является более низкой, чем максимальная безопасная температура (t.s.),

и, если детектируют операционную аномалию температурного датчика, возврат в исходное положение вручную процедуры регулирования тепла, отличающийся тем, что указанный возврат в исходное положение вручную процедуры регулирования тепла возможен также для пользователя, но только когда аномалии исключены.