Моделирование интеллектуальных сенсорных систем измерения расхода горячей воды для определения, распределения теплоэнергии между потре

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ 

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ  ФАКУЛЬТЕТ 

  Кафедра  “Интеллектуальные системы” 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовой проект 

по дисциплине “Силовые полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы” на тему 

" Моделирование интеллектуальных сенсорных систем измерения расхода горячей воды для определения, распределения теплоэнергии между потребителями" 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:       

студент группы 103717                                                        А. А. Рапейко 
 

Руководитель:                                        В. Я. Сунка  
 
 
 
 
 

Минск-2010 г.

 Содержание

 Введение………………………………………………………………………….6

1. Выбор и обоснование проекта……………………………………...7
2. Изучение приборов учета тепла для теплосетей и систем горячего водоснабжения…………………………………………………………….10
1. Моделирование теплосчетчиков……………………………10
1. Основные технические характеристики прибора учета тепла на примере теплосчетчика Арвас ТЭМ-104……………11
2. Основные метрологические характеристики прибора учета тепла на примере теплосчетчика Арвас ТЭМ-104…….12
3. Примеры схем конфигурирования прибора учета на примере теплосчетчика Арвас ТЭМ-104……………………...13
4. Типы монтажных схем приборов учета тепла на примере теплосчетчика Арвас ТЭМ-104………………………….13
5. Алгоритмы вычислений теплосчетчиков…………...21
6. Классификация теплосчетчиков……………………..24
7. Комплектация проборов учета тепла………………..26
1. Расходомеры приборов учета тепла…………..28
2. Температурные преобразователи приборов учета тепла………………………………………………………32
3. Преобразователи давления приборов учета тепла……………………………………………………………..37
3. Конструктивные схемы приборов учета ………………………....38
1. Электрические схемы приборов учета для соответствующих конфигураций и монтажных схем………………………………38

 3.1.1. Электрическая схема «Подача»  и «Обратка»……………….38

 3.1.2. Электрическая схема «Открытая»..………….……………….39

 3.1.3.Электрическая  схема «Тупиковая система горячего  водоснабжения»…………………………………………………………….40

 3.1.4. Электрическая схема «Подача.  Пофасадное отопление»…..41

 3.1.5. Электрическая схема «Циркуляционная ГВС. Система отопления»…………………………………………………………………42

 3.1.6. Электрическая схема «Закрытая система отопления»……...43

 3.1.7.Элетрическая  схема «Открытая. ГВС циркуляция»…………44

 3.1.8. Электрическая схема «Открытая.  Расходомер V»…………..45

 3.1.9. Электрическая схема «Две закрытые  системы отопления»...46

 3.1.10. Электрическая схема «Закрытая  система отопления с преобразователями  расхода»………………………………………………..47

2. Конструкционные схемы расходомеров…………………...48
1. Ультразвуковые расходомеры……………………….48
2. Тахометрические расходомеры……………………...50
3. Электромагнитные расходомеры……………………50
4. Вихревые расходомеры………………………………51
3. Конструкционные  схемы температурных преобразователей………………………………………………………………………51
4. Конструкционные  схемы преобразователей давления…..52
4. Снятие полученных показаний с приборов учета тепла. Занесение полученных показаний в базу данных…………………………………..53
1. Существующая технология снятия показаний с приборов учета тепла……………………………………………………………..53
2. Существующая технология снятия и занесения показаний прибора учета в базу…………………………………………………..54

 4.2.1.Характеристика  существующей технологии снятия  показаний, снятых с  приборов  учета тепла………………………………………54

 4.2.2. Занесение показаний, снятых с  прибора учета тепла, в базу  данных. Программа «Тепловая инспекция»…………………………54

3. Новые решения проблемы снятия и хранения показаний с приборов учета тепла………………………………………………….57
1. Программа FileReader для снятия, занесения и хранения показаний, снятых с прибора учета тепла………………..57
5. Выводы, сделанные в ходе выполнения курсовой работы……...66

 Заключение………………………………………………………………….67

 Литература…………………………………………………………………..68 
 
 
 
 
 
 
 

  2. Изучение приборов учета тепла для теплосетей и систем горячего водоснабжения

  Моделирование теплосчетчиков очень важный и ответственный момент в системах учета тепла и горячей воды в системах горячего водоснабжения, так как правильная конструкция, соответствующее качество микросхем, правильное расположение сенсоров есть залог точных измерений. 

  2.1. Моделирование теплосчетчиков

  Приборы учета тепла изменялись на протяжении всего времени их существования. На данный момент наиболее распространенной моделью приборов учета тепла, используемой в Беларуси, является теплосчетчик ТЭМ-104. Поэтому теплосчетчики будут рассмотрены на его примере.

  Теплосчетчик ТЭМ-104 предназначен для измерения и регистрации с целью коммерческого и технологического учета значений потребленного (отпущенного) количества теплоты (тепловой энергии), теплоносителя и других параметров систем теплоснабжения и горячего водоснабжения, а также для организации информационных сетей сбора данных. [1]

  Так как теплосчетчик используют не только в системах теплоснабжения, но и в системах горячего водоснабжения, а также в циркуляционных системах горячего водоснабжения, то  его схемы конфигурирования, монтажные схемы, а также схемы электрических подключений изменяются в соответствии с использованием. Соответственно с конфигурацией выбирается монтажная схема. После выбора монтажной схемы выбирается соответствующая ей электрическая схема, которая для некоторых монтажных схем может быть одной. Математическая модель расчетов прибора учета тепла тоже меняется, она зависит от электрических схем. Стоит отметить, что схема конфигурирования, монтажная схема и схема электрического подключения теплосчетчика может изменяться и в соответствии с местом подключения в системе теплоснабжения либо горячего водоснабжения.

  2.1.1. Основные технические характеристики  прибора учета тепла  Арвас ТЭМ-104

 Таблица 2.1.1.1. Диапазон измерений расходов. [2]

  Таблица 2.1.1.2. Диапазон других измерений. [2]

  2.1.2. Основные  метрологические характеристики

  Теплосчетчик ТЭМ-104-К соответствует классу В по СТБ ГОСТ Р 51649 (класс 2 СТБ ЕН 1434-1).

  Пределы допускаемой относительной погрешности  измерительного канала количества теплоты  по СТБ ГОСТ Р 51649 не превышают значений, вычисленных по формуле:

  Q max = ±(3 + 4dtн /dt + 0,02Gв/G) , - где:

  dtн – минимальное измеряемое значение разности температур в подающем и обратном трубопроводах, °С;

  dt – измеренное значение разности температур в подающем и обратном трубопроводах, °С;

  G – измеренное значение объемного расхода теплоносителя, м³/ч.

  Таблица 2.1.2.1. Пределы допускаемой относительной погрешности при измерении объемного расхода и объема теплоносителя. [2]

  Пределы допускаемой абсолютной погрешности  при измерении температуры, °C:

• при комплектации ТС класса А ±(0,35+0,003t);
• при комплектации ТС класса В ±(0,6+0,004t).

  где t – измеряемая температура в градусах Цельсия.

  Пределы допускаемой относительной погрешности  при измерении времени: ± 0,01 %. [2]

  2.1.3. Примеры  схем конфигурирования  теплосчетчика ТЭМ-104

  В соответствии с конфигурацией приборы  учета бывают одноканальными и двуканальными. Примерами таких конфигураций являются следующие схемы:

  Схема 1 представляет собой закрытую систему  отопления здания. Датчик расхода  Ду50 установлен на подающем трубопроводе. Давление в таких системах не измеряется, а устанавливается программно (Р_п=0.6МПа, Р_о=0.4МПа). Минимальная разность температур, измеряемая комплектом датчиков, Δt_min=3ºC. Тип датчиков температуры, используемых в приборе учета тепла - W₁₀₀=1,3850. [3]

  Схема 2 представляет собой тупиковую систему  горячего водоснабжения (ГВС). В таких  системах температура холодной воды не измеряется, а устанавливается программно (t_ХВ=10 ºC). Для измерения расхода в таком случае используют Ду25. Как и в схеме 1 давление не измеряется, а устанавливается программно (Р_п=0.4МПа, Р_о=0.4МПа). Тип датчиков температуры - W₁₀₀=1,3850. [3]

  2.1.4. Типы монтажных схем приборов учета тепла на примере теплосчетчика ТЭМ-104

  Монтажные схемы теплосчетчика зависят от конфигурации прибора. Примеры таких конфигураций были приведены выше.

  После выбора конфигурации выбирается схема  монтажа в зависимости от того, в какой точке системы теплосети  или системы горячего водоснабжения, подключается прибор. Таких монтажных  схем есть 11 видов:

1. Схема «Подача». Закрытая система теплопотребления с преобразователем расхода на подающем трубопроводе. В данном случае, давление не измеряется, а устанавливается программно.[3]         Рисунок 2.1.4.1. Монтажная схема «Подача». [3]
2. Схема «Обратка».  Закрытая система теплопотребления с преобразователем расхода на обратном трубопроводе. Давление не измеряется, а устанавливается программно. Данная схема имеет одинаковое электрическое исполнение со схемой «Подача». [3] Рисунок 2.1.4.2. Монтажная схема «Обратка». [3]
3. Схема «Открытая». Циркуляционная система горячего водоснабжения или система отопления, в которой по нормативным требованиям должны быть установлены датчики расхода на подающем и обратном трубопроводах. Давление не измеряется, а устанавливается программно. В обратном трубопроводе допускается изменение направления потока – реверс. [3]                                      Рисунок 2.1.4.3. Монтажная схема «Открытая». [3]
4. Схема «Тупиковая система горячего водоснабжения». Закрытая система горячего водоснабжения и система отопления с преобразователем расхода на подающем трубопроводе. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно.[3]

  Рисунок 2.1.4.4. Монтажная схема «Тупиковая система горячего водоснабжения».[3]

5. Схема «Подача. Пофасадное отопление». Две закрытые системы отопления с преобразователями расхода на подающих трубопроводах. Давление устанавливается программно.[3]

  Рисунок 2.1.4.5. Монтажная схема «Подача. Пофасадное отопление».[3]

6. Схема «Циркуляционная ГВС. Система отопления». Схема, в которой по нормативным требованиям должны быть установлены датчики расхода на подающем и обратном трубопроводах и закрытая система отопления с преобразователем расхода на подающем трубопроводе. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно. [3]                Рисунок 2.1.4.6. Монтажная схема «Циркуляционная ГВС. Система отопления». [3]
7. Схема «Закрытая система отопления». Закрытая система отопления с преобразователем расхода на подающем трубопроводе и циркуляционная система ГВС. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно.[3]         Рисунок 2.1.4.7. Монтажная схема «Закрытая система отопления».[3]
8. Схема «Открытая. ГВС циркуляция». Циркуляционная система ГВС или система отопления, в которой по нормативным требованиям должны быть установлены датчики расхода на подающем и обратном трубопроводах и циркуляционная система ГВС. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно.[3]     Рисунок 2.1.4.8. Монтажная схема «Открытая. ГВС циркуляция».[3]
9. Схема «Открытая. Расходомер V». Циркуляционная система ГВС или система отопления, в которой по нормативным требованиям должны быть установлены датчики расхода на подающем и обратном трубопроводах и расходомер. Давление не измеряется, а устанавливается программно.[3]                                  Рисунок 2.1.4.9. Монтажная схема «Открытая. Расходомер V».[3]
10. Схема «Две закрытые системы отопления». Две закрытые системы отопления с преобразователями расхода на подающих трубопроводах и две тупиковые системы горячего водоснабжения. Давление и температура холодной воды не измеряются. [3]            Рисунок 2.1.4.10. Монтажная схема «Две закрытые системы отопления».[3]
11. Схема «Закрытая система отопления с преобразователями расхода». Закрытая система отопления с преобразователями расхода на подающем трубопроводе, циркуляционная система горячего водоснабжения и расходомер. Давление и температура холодной воды не измеряются, а устанавливаются программно. [3]     Рисунок 2.1.4.11. Монтажная схема «Закрытая система отопления с преобразователями расхода».[3]

  2.1.5. Алгоритмы вычислений теплосчетчиков

  Теплосчетчик – это средство измерений, состоящее, как правило, из преобразователей расхода, температуры, давления, а также тепловычислителя. Преобразователи монтируются на трубопроводах и поставляют информацию, соответственно, о расходе, температуре и давлении теплоносителя в данных трубопроводах, а вычислитель по определенным алгоритмам рассчитывает на основе этих данных величину потребленной тепловой энергии. Также вычислитель архивирует результаты измерений (показания преобразователей), чтобы в дальнейшем можно было анализировать режимы работы системы теплоснабжения, фиксировать внештатные и аварийные ситуации и т. п. То есть, теплосчетчик выполняет сразу две задачи: обеспечивает коммерческий учет, результаты которого используются при расчетах между поставщиком и потребителем тепла, и является средством технологического контроля в системах теплоснабжения.

  Алгоритм  работы счетчика не сложный. Необходимо измерить расход теплоносителя на входе, то есть в подающем трубопроводе, а также температуру и давление на входе и выходе. Далее определяются плотности и энтальпии, являющиеся табличными функциями температур и давлений, а затем по формуле вычисляется величина потребленной тепловой энергии:

  Q = G1 (h1 - h2)       - формула (2.1.5.1),

  где G1 – масса теплоносителя, поступившего потребителю по подающему трубопроводу;

   h1 и h2 – энтальпии теплоносителя,  соответственно, в подающем и  обратном трубопроводах. Но формула (2.1.5.1) справедлива лишь для так называемых закрытых систем теплоснабжения.

  Закрытые  системы получили широкое распространение  в странах Европы. В такой системе  теплоноситель (горячая вода) проходит через теплообменный аппарат  потребителя и возвращается на источник тепла (котельная, ТЭЦ) в том же количестве, но с уже меньшей температурой.

  Но  есть один специфичный для Беларуси фактор: даже в системах, спроектированных как закрытые, теплоноситель порой несанкционированно разбирают на хозяйственные нужды. Самый часто встречающийся пример – врезанные в радиаторы отопления краны, через которые технический персонал получает горячую воду для мытья полов. Также нередки случаи, когда в сложной системе теплоснабжения здания обнаруживается незадокументированный отвод, байпас и т. п., который пускает значительную долю тепла «мимо счетчика». Стоит отметить и физическое состоянии труб, которое не самое хорошее, хотя сейчас и идет постепенная замен труб. Следовательно, становится понятным возникающее у поставщика тепла желание даже в закрытой системе организовать учет как в условно открытой. То есть не приравнивать априори расход теплоносителя в подающем трубопроводе к расходу в обратном, как это предполагает формула (2.1.5.1), а измерять его и там, и там. При этом учитывать еще и разбор теплоносителя на нужды горячего водоснабжения (ГВС) и, возможно, фиксировать температуру воды в трубопроводе горячего водоснабжения. И вот мы получаем типичный прибор: обязательно (точнее, как минимум) два расходомера, водосчетчик(и) ГВС, термопреобразователи и вычислитель, реализующий с десяток алгоритмов учета. С десяток – это потому, что с алгоритмами существует некоторая неопределенность. Так, в действующих с 1995 года «Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя» приводится, по сути, всего одна формула:

  Q = Qи + Qп + (Gи + Gгв + Gу) (h2 - hхв), - формула (2.1.5.2)

  где Qи – Q по формуле (2.1.5.1);

    Qп – тепловые потери на участке от границы балансовой принадлежности системы теплоснабжения потребителя до его узла учета;

    Gи – масса сетевой воды, израсходованной потребителем на подпитку систем отопления;

    Gгв – масса сетевой воды, израсходованной потребителем на водоразбор;

  Gу – масса утечек сетевой воды;

  hхв – энтальпия холодной воды, израсходованной на источнике теплоты на подпитку систем теплоснабжения.

  Но  в правилах не конкретизируется, каким образом должны быть измерены (определены, оценены) и введены в теплосчетчик значения Qп, Gи, Gу, Gгв и hхв, и должны ли они вообще быть в него введены. Так как в принципе, счетчик может лишь измерить Qи (по формуле (1)), а расчет Q по формуле (2.1.5.2) производить «внешними средствами», например, на компьютере предприятия теплосети.

  Однако  естественное желание снизить себестоимость и минимальными средствами максимально автоматизировать подготовку отчетности по энергопотреблению, подкрепленное вычислительными возможностями современных теплосчетчиков, ведет к тому, что алгоритм расчета по формуле (2.1.5.2) закладывается непосредственно в прибор. При этом параметры, которые невозможно измерить при помощи самого теплосчетчика, вводятся в него как согласованные между потребителем и поставщиком тепла константы.

  Математически преобразуя формулу (2.1.5.2), можно получить достаточно много форм ее, наиболее привычной из которых является следующая:

  Q = G1 (h1 - hхв) - G2 (h2 - hхв), - формула (2.1.5.3)

  Все эти формы записи как раз и  обусловливают тот самый «десяток алгоритмов», из которых лишь один –  тот, что основан на формуле (2.1.5.1) – является «законным», а остальные существуют «факультативно», по усмотрению сторон. Выбор того или иного алгоритма осуществляется при конфигурировании вычислителя теплосчетчика, что может производиться либо при помощи его собственной клавиатуры, либо при подключении его к компьютеру. Обычно алгоритм согласовывается потребителем и поставщиком тепла при разработке проекта и не может быть изменен после ввода теплосчетчика в эксплуатацию. Но существуют и счетчики, алгоритм работы которых определен производителем и не может быть изменен без вмешательства в рабочую программу прибора. [4]

  2.1.6. Классификация теплосчетчиков.

  Рассмотрим классификацию теплосчетчиков. Как уже говорилось выше, аппаратно счетчик представляет собой комплект средств измерений: вычислителя и преобразователей расхода, температуры и давления ( последние используются лишь на объектах с тепловой нагрузкой свыше 0,5 Гкал/ч). И если преобразователи температуры и давления для теплосчетчиков в общем  сходны по конструкции и принципу действия, то типов преобразователей расхода существует достаточно много. Кроме того, преобразователь расхода в большой степени определяет метрологические и эксплуатационные характеристики теплосчетчика. Именно поэтому основным критерием классификации счетчиков является тип входящих в их состав расходомеров. В зависимости от него различают тахометрические, вихревые, ультразвуковые, электромагнитные (индукционные) и другие теплосчетчики.

  В целом, сложилась устойчивая практика применения приборов того или иного  типа в конкретных условиях эксплуатации. Например, на малых объектах (диаметр  труб 15–20 мм) чаще всего используются тахометрические теплосчетчики. Когда диаметр труб средний, но бюджет ограничен, и/или нет возможности подвести сетевое электропитание, монтируют вихревые приборы. Если проблем с электропитанием нет, и важно не повышать гидравлическое сопротивление в точках измерений – используются электромагнитные счетчики. Трубопроводы больших диаметров (крупные потребители, магистрали) – это сфера применения ультразвуковых счетчиков.

  Данное распределение не абсолютно: есть и тахометрические счетчики для магистралей, и ультразвуковые – для квартир. Важную роль при выборе приборов того или иного типа играет и качество теплоносителя, и диапазон расходов, которые необходимо измерять, и т. п.

  Следующий критерий классификации – это  конструктивное исполнение теплосчетчика. Здесь можно выделить компактные счетчики, «единые» и составные (комбинированные).

  Компакты  предназначены в основном для  квартирного учета или для  учета в закрытой системе с  малой тепловой нагрузкой. У них  вычислитель конструктивно совмещен с корпусом единственного преобразователя  расхода; в некоторых моделях  может использоваться и второй преобразователь, подключаемый кабелем.

  Единый  теплосчетчик – это прибор, у которого электронные блоки расходомеров находятся в корпусе вычислителя, а выходной сигнал преобразователей расхода не нормирован. Таким образом, вычислитель данного счетчика может работать только с данными конкретными преобразователями.

  Но  наибольшую популярность приобрели комбинированные теплосчетчики: их основой является универсальный вычислитель, способный работать с любым датчиком, имеющим стандартный выходной сигнал. Таким образом, комбинированный счетчик на базе одного и того же вычислителя может быть и тахометрическим, и ультразвуковым, и вихревым – другими словами, комбинированный счетчик существует во множестве модификаций различных типов.

  Главное достоинство комбинированных приборов состоит в том, что, адаптируя  их к различным условиям измерений  путем выбора тех или иных преобразователей, мы сохраняем единый пользовательский интерфейс, обеспечиваемый вычислителем, а также заранее знаем метрологические  характеристики той или иной модификации, приведенные в описании теплосчетчика и заверенные при его сертификации. Таким образом, можно оснастить приборами целый город, применяя на одних объектах, скажем, недорогие тахометрические расходомеры, а на других – высокоточные электромагнитные преобразователи, но т. к. все вычислители будут одинаковыми, то у сервисного персонала не возникнет проблем с техническим обслуживанием и со сбором и обработкой данных. Кроме того, значительно упростится процесс интеграции отдельных теплосчетчиков в единую систему учета. [4]

  2.1.7. Комплектация приборов учета  тепла

  Основными в комплектации прибора учета  тепла являются расходомеры, температурные  преобразователи и преобразователи  давления. От типа расходомера зависит  и тип прибора учета тепла. Так они бывают: ультразвуковыми, тахометрическими, электромагнитными, вихревыми.  Расходомеры и их количество в системе выбирается в зависимости от диаметра трубы и системы (система горячего водоснабжения, закрытая либо открытая система отопления и др.).

  В зависимости от выбранной монтажной  схемы выбираются преобразователи  температуры и давления.

  Неизменным  в приборе соответствующей модели и фирмы изготовителя остается вычислитель. Его настройки можно изменять в соответствии с конфигурацией  и монтажной схемой.

  Теплосчетчики выпускаются в четырех типовых исполнениях:

1. ТЭМ-104 (1) - соответствует ТЭМ-104/1. [5]Данная модификация прибора позволяет использовать его для учета тепловой энергии в тупиковой системе горячего водоснабжения, в системе отопления без контроля утечек, а также в других системах теплоснабжения, где возможно использование только одного расходомера.[6] Максимальная комплектность теплосчетчика ТЭМ-104/1: