Литература
1. http://uroki-v-licee.blogspot.ru/2012/12/blog-post_11.html
2. http://watta.ru/stati/snezhinki-kakimi-vyi-ih-esche-ni-razu-ne-videli.html
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/
Л.В.Макаренко Студент группы ТЭг-110 Научный руководитель: к.т.н., профессор Л.Н. Шарыгин Владимирский государственный университет
Автономный теплосчетчик
Схематические решения при построении теплосчетчиков предопределены известной зависимостью величины тепловой энергии от первичных параметров
W
= G
.
C
.
t
.
Известны механические теплосчетчики [1], в которых вращение турбинки расходомера передается на счетное устройство, при этом поток теплоносителя регулируется биметаллической пластинкой. Однако точность измерения низка.
Высокую точность реализуют теплосчетчики с применением вычислительных устройств [2 – 4]. Все известные теплосчетчики основаны на работе с внешним (от сети) электропитанием, что небезопасно в помещениях с высокой влажностью.
Нами разработан автономный теплосчетчик с применением генераторного расходомера [5]. Такой расходомер отбирает часть кинетической энергии теплоносителя и преобразует ее в электрическую энергию на накопителе. Такое преобразование несколько увеличивает эффект скольжения турбинки расходомера, но это учитывает вычислительное устройство.
Расходомер (рис. 1) устанавливают в поток воды.
Поскольку вся конструкция симметрична, то рассмотрим прохождение турбинкой одного шага. Пусть в меходном положении лопасти турбинки находятся между полюсными наконечниками. Когда лопасти подходят к полюсным наконечникам, зазор между ними начинает уменьшаться, пропорционально уменьшается магнитное сопротивление зазора и растет магнитный поток в контуре «магнитный сердечник – полюсные наконечники - турбинка». Когда лопасти будут переходить симметричное положение магнитный зазор будет возрастать, следовательно будет уменьшаться магнитный поток контура. По закону электромагнитной индукции Фарадея, пропорционально скорости изменения магнитного потока в катушке будет наводиться ЭДС. Таким образом, в обмотках катушки при вращении турбинки возникает ЭДС двойной полярности, частота импульсов которой пропорциональна частоте вращения турбинки. С учетом потерь энергии на сопротивление вращению, частота вращения турбинки отстает от потока воды (эффект скольжения), поэтому расход G равен
G
= k
.
f,
Рис 1.
В электрическом смысле такой расходомер является электрическим генератором. Очевидно, информационный сигнал можно снимать с одной катушки. Казалось бы для отбора энергии достаточно одной катушки. Но при этом возникает неуравновешенная радиальная сила, действующая на турбинку и увеличивающая трение в подшипниках
Энергия импульсов на катушках расходомера может использоваться для питания других функциональных блоков автономного прибора. Для этого служит накопитель электрической энергии (рис.2).
Рис.2
Функцию
накопления электрической энергии
выполняет ионистор С (конденсатор).
Импульсы ЭДС катушек L
расходомера переводятся в однополярную
форму выпрямительными диодами VD
-VD
(n-
количество катушек) и их энергия
накапливается на ионисторе. Получаемое
напряжение U
зависит от частоты вращения турбинки
расходомера. Поэтому предусмотрен
стабилизатор напряжения на транзисторе
VT.
Опорное напряжение задает стабилитрон
VD
,ток
которого определен резистором R.
Стабилизатор напряжения представляет
собой эммитерный повторитель, поэтому
выходное напряжение U
практически равно напряжению стабилизации
стабилизатора VD
.
Для снижения пульсаций напряжения U
предусмотрен конденсатор С
.
Таким образом накопитель электрической
энергии имеет две линии шины питания:
первая линия U
для питания стабилизированным напряжением
функциональных блоков автономного
прибора, вторая U
-
линия нестабилизированного питания
повышенного напряжения.
На рисунке изображена функциональная схема теплосчетчика
Рис.3
Выходная частота определяется временем срабатывания электромеханического счетчика 8. (диапазоны частот – малые десятки Гц);
Выходная частота определяется, в основном, временем считывания результата вычислений, то есть временем работы электромеханического счетчика, поскольку минимальное время измерения лимитируется периодом частоты преобразователя расходомера, а время вычислений мало.
Рис. 4
Термоэлектрический
генератор 3 (рис. 4) представляет собой
два последовательно-встречно включенных
термоэлемента ТЭ
и ТЭ
.
Их концы “Г” помещены в поток горячей
воды, а концы “Х” – в поток холодной
воды. В качестве термоэлементов можно
использовать термопары (хромель и
другие), тогда концы “Г” и “Х” это
спаи термопар, концы “О” размещены на
плате электронного блока и имеют
температуру окружающего воздуха.
ТермоЭДС
Е
каждого термоэлемента будет определяться
разностью температур спая и концов
“О”. Достоинством такого включения
термоэлементов является то, что
разностная ЭДС
Е
= Е
- Е
не зависит от температуры воздуха
(точки “О”) и линейности характеристик
термоэлементов, для исключения пульсаций
термоЭДС
Е
в течении
расходомере частота импульсов преобразователя составляет многие сотни Гц (до 1 кГц). Для исключения пульсаций термоЭДС Е в течении короткого цикла измерений предусмотрен электрический фильтр. Если собственные (внутренние) сопротивления термоэлементов малы, то фильтр выполняют в виде интегрирующей RС – цепи
Вычислительное устройство может быть реализовано на микроконтроллере.
Входными сигналами вычислительного устройства являются:
- тактовая частота с выхода высокочастотного генератора опорной частоты 10 блока управления 5;
- частота f преобразователя расходомера 1, поступающая через формирователь 6;
- выходной сигнал счетного триггера 13 блока управления 5;
- код аналогоцифрового преобразователя 4,
отражающий разность температур t ;
- частота считывания результата вычислений с выходного счетчика вычислительного устройства.
Выходным сигналом вычислительного устройства является последовательность импульсов (если W
0),
поступающая на электромеханический
счетчик 8 через электронный ключ 7.
Предварительно, вычислительное устройство 9 программируется в соответствии с формулой (2). Пусть в исходном положении электромеханический счетчик 8 обнулен. Вне зависимости от расхода теплоносителя, на выходе термоэлектрического генератора 3 присутствует ЭДС E. Когда появляется расход теплоносителя, турбинка расходомера 1 начинает вращаться, при этом преобразователь расходомера индуцирует ЭДС, энергия которой накапливается на накопителе 2. в результате на выходе накопителя появляется электрическое напряжение питания, а фронтом этого напряжения осуществляется обнуление электронных функциональных блоков. Заметим, что от момента начала вращения турбинки до полного заряда ионистора проходят доли секунды.
Рис. 5
Далее
работу теплосчетчика удобно проследить
по циклограмме (рис. 5) Эпюра U
=
f(
)
отражает работу генератора опорной
частоты 10 блока управления 5. Эпюра U
отражает импульсы на
выходе
делителя 12 блока управления. Эпюра U
соответствует выходному напряжению
счетного триггера 13 блока управления.
Пусть в момент времени
очередной импульс U
делителя 12 переводит счетный триггер
13 в единичное состояние. С этого момента
вычислительное устройство 9 счетчик
8. Время окончания считывания
зависит от результата (количества
импульсов в счетчике результата
вычислительного устройства 9), но
параметры выбраны так, что
при любом результате (в пределах
диапазона измерения теплосчетчика)
меньше момента времени
очередного опрокидывания счетного
триггера 13 блока управления 5. Начиная
с момента времени, цикл работы
повторяется. В итоге за каждый цикл
работы электромеханический счетчик
будет дополняться количеством
срабатываний, соответствующим величине
W
.
Э Электромеханический счетчик как
интегратор, пополняясь будет сохранять
суммарное значение потребляемой
тепловой энергии за весь интервал
измерения
см.
формулу (1) – вне зависимости от того,
были ли перерывы в потреблении тепловой
энергии.
Таким образом предлагаемый теплосчетчик при высокой точности измерения не требует стороннего электропитания и полностью автономен.