Разработка и исследование теплосчетчика с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем теплоснабжения
![Диссертация: Разработка и исследование теплосчетчика с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем теплоснабжения](https://gugn.ru/work/2505126/cover.png)
Предложен и экспериментально опробован алгоритм уменьшения погрешности АЦП, встроенного в микроконтроллер МШЧЗО, основанный на использовании аппаратно-программной коррекции и позволивший уменьшить систематическую погрешность измерения температуры с использованием М8Р430 более чем на порядок, получить относительную погрешность измерения разности температур в 20 °C и выше — менее ± 0,15%, разности… Читать ещё >
Содержание
- 1. ТЕПЛОСЧЕТЧИКИ С ИМПУЛЬСНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ РАСХОДА ДЛЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ. ТРЕБОВАНИЯ К ТОЧНОСТИ И АЛГОРИТМАМ РАБОТЫ
- 1. 1. Учет тепла в открытых системах теплоснабжения
- 1. 2. Погрешность измерения тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения
- 1. 3. Анализ алгоритмов работы существующих теплосчетчиков с импульсными преобразователями расхода и микропотреблением
- 1. 4. Выводы по 1-й главе
- 2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ТЕПЛОВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ С МИКРОПОТРЕБЛЕНИЕМ И ИМПУЛЬСНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ РАСХОДА ДЛЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
- 2. 1. Предлагаемый алгоритм работы
- 2. 2. Микроконтроллеры семейства М8Р430. Повышение точности встроенного АЦП
- 2. 2. 1. Особенности микроконтроллеров семейства М8Р
- 2. 2. 2. Повышение точности АЦП, встроенного в микроконтроллеры М8Р
- 2. 3. Анализ энергопотребления
- 2. 4. Выводы по 2-й главе
- 3. ТЕПЛОСЧЕТЧИК «ТЕПЛО-3»
- 3. 1. Особенности аппаратно-программного решения
- 3. 1. 1. Структурная схема тепловычислителя
- 3. 1. 2. Конфигурирование
- 3. 1. 3. '. Способы повышения надежности
- 3. 2. Функциональные возможности
- 3. 3. Результаты испытаний и эксплуатации
- 3. 3. 1. Испытания на проливной установке
- 3. 3. 2. Результаты длительной эксплуатации
- 3. 3. 3. Сравнительные испытания «Тепло-3» и СПТ
- 3. 4. Выводы по 3-й главе
- 3. 1. Особенности аппаратно-программного решения
Разработка и исследование теплосчетчика с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем теплоснабжения (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
В связи с особенностями теплоснабжения зданий и плохим состоянием тепловых сетей в России актуальной является задача измерения тепловой энергии, потребляемой открытой системой водяного теплоснабжения. По сравнению с закрытой системой водяного теплоснабжения в открытой системе необходимо иметь не один, а два канала измерения расхода (один для измерения расхода в подающем трубопроводе, другой — в обратном трубопроводе) с малой разницей их характеристик в широком диапазоне изменения расходов [1ч-6 и др.].
Наиболее распространен на практике случай, когда разность расходов в подающем и обратном трубопроводах невелика. Но именно для такой ситуации очень важны количест венные требования к погрешности измерения разности расходов теплоносителя с учетом допустимой погрешности измерения тепловой энергии в открытой системе.
Для измерения расходов широко используются преобразователи расхода различных типов с импульсным выходом [7, 8 и др.]. Как правило, число импульсов в час при номинальном расходе у них менее 500^-600, а при переходных расходах — в пределах первых единиц-десятков импульсов. При этом импульсы с выходов преобразователей расхода в подающем и обратном трубопроводах не синхронизированы. В применяемых алгоритмах обрабо тки импульсов указанные обстоятельства, как правило, не учитываются, что не только приводит к дополнительным погрешностям, но и не позволяет осуществлять на проливной установке за приемлемый промежуток времени калибровку и выравнивание пары каналов расхода с высокой точностью в требуемом диапазоне расходов.
Весьма перспективным является построение теплосчетчиков с микропотреблением [9-И1]. Здесь важное значение наряду с использованием соответствующей элементной базы имеют оценка их потенциальных возможностей при измерении малых разностей температур, поиск алгоритмов устойчивой работы и малого времени пребывания в активном режиме.
Перечисленные вопросы детально не исследовались, но их решение необходимо для обоснованного проектирования теплосчетчиков с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем водяного теплоснабжения.
Целью работы являлась разработка алгоритмов и средств повышения точностных характеристик теплосчетчиков с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем водяного теплоснабжения. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
— получить и проанализировать выражение для оценки максимальной погрешности определения тепловой энергии при малых разностях расходов в подающем и обратном трубопроводах;
— проанализировать алгоритмы работы наиболее распространенных на рынке тепловычислителей с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода. определяющие их основные метрологические характеристики;
— разработать алгоритмы работы, направленные на повышение точности измерения расхода и разности расходов при использовании импульсных преобразователей;
— разработать методы уменьшения систематической погрешности АЦП, встроенного в микроконтроллер М8Р430, и определить потенциальные возможности созданного на его основе теплосчетчика по точности измерения температуры и разности температур;
— разработать высокоточный теплосчетчик с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем водяного теплоснабжения, оценить его возможности по микропотреблению.
Научную новизну проведенных в работе исследований составляют:
1. Результаты анализа полученного выражения для оценки максимальной погрешности определения тепловой энергии в открытых системах водяного теплоснабжения, показавшие, что при малых разностях расхода и температур в подающем и обратном трубопроводах и допустимых по действующим правилам учета тепловой энергии погрешностям измерения масс теплоносителя, погрешность измерения тепловой энергии может существенно превышать требуемые 4-^5%.
2. Результаты анализа алгоритмов наиболее распространенных на рынке тепловычислителей с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода, показавшие, что при небольшом числе импульсов за час и неодновременности их появления в двух каналах расхода возникают значительные (до 10%) методические погрешности измерения массы.
3. Алгоритм, существенно уменьшающий методические погрешности определения масс и тепловой энергии тепловычислителями с импульсными преобразователями расхода в открытых системах водяного теплоснабжения, основанный на временной «привязке» импульсов «ведомого» капала к импульсам «ведущего» канала, учете неодновременности прихода этих импульсов, вычислении текущих масс и тепловой энергии и последующем их суммировании либо с приходом очередного импульса в «ведущий» канал, либо через заданный период дискретизации.
4. Алгоритм уменьшения погрешности аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер MSP 430, основанный на введении специальной аппаратно-программной коррекции и позволивший существенно уменьшить систематическую погрешность измерения температуры и разности температур.
Предложенные в работе алгоритмы и аппаратно-программные решения являются основой для проектирования теплосчетчиков с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем теплоснабжения.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Получено выражение для оценки погрешности определения тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения при малой разности расходов в подающем и обратном трубопроводах. Анализ его показал, что при погрешности измерения массы в подающем трубопроводе +2,0%, в обратном трубопроводе -2,0%, что допускается действующими правилами учета тепловой энергии, и разности температур 10 °C, погрешность определения тепловой энергии может достигать 18%, а при разности температур 2 °C — 82%. Сделан вывод о необходимости комплектной поверки теплосчетчика проливным методом с указанием для различных расходов значений систематических погрешностей каналов измерения расходов с их знаками и введения коррекции по каналам измерения расходов.
2. Проведен анализ алгоритмов работы наиболее распространенных на рынке тепловычислителей с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода, показавший, что в них заложены значительные методические погрешности (до 10%), обусловленные неучетом интервалов времени между началом часа и первым (последним) импульсом с преобразователя расхода и неучетом неравенства Чебышева. Эти обстоятельства существенно затрудняют выравнивание каналов расхода при калибровке на проливной установке и последующую поверку и могут приводить к значительным погрешностям определения разности масс в подающем и обратном трубопроводах.
3. Предложен алгоритм, уменьшающий методические погрешности определения масс и тепловой энергии тепловычислителями с импульсными преобразователями расхода в открытых системах водяного теплоснабжения, основанный на временной «привязке» импульсов «ведомого» канала к импульсам «ведущего» канала, учете неодновременности прихода этих импульсов, вычислении текущих масс и тепловой энергии и последующем их суммировании либо с приходом очередного импульса в «ведущий» канал, либо один раз, например, за минуту. Данный алгоритм позволяет также уменьшить расход емкости литиевых батарей, удобно проводить выравнивание каналов измерения расходов на проливном стенде.
4. Предложен и экспериментально опробован алгоритм уменьшения погрешности АЦП, встроенного в микроконтроллер МШЧЗО, основанный на использовании аппаратно-программной коррекции и позволивший уменьшить систематическую погрешность измерения температуры с использованием М8Р430 более чем на порядок, получить относительную погрешность измерения разности температур в 20 °C и выше — менее ± 0,15%, разности температур 10 °C — менее ± 0,3% при дополнительной температурной погрешности не более 0,04%/20°С и 0,06%/25°С соответственно при изменении температуры окружающей среды от + 5 до + 25 °C и от 25 °C до 50 °C.
5. На основании проведенных исследований создан высокоточный теплосчетчик «Тепло-3» для открытых систем теплоснабжения и обеспечивающий: возможность получения систематической погрешности разности индивидуальных характеристик каналов расхода в каждой паре в диапазоне расходов 4-^100% от максимального — не более ± 0,5%- снижение систематической погрешности определения тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения в несколько раз при малых разностях температур в подающем и обратном трубопроводахмалую дополнительную погрешность от изменения температуры окружающей среды. Теплосчетчик «Тепло-3» включен в Госреестр средств измерений и имеет свидетельство Главгосэнергонадзора .
Таким образом, в работе содержится решение задачи, имеющей существенное значение для создания средств коммерческого учета тепловой энергии: предложены и экспериментально апробированы алгоритмы работы и способы построения теплосчетчиков с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем теплопоснабжения, позволяющие существенно повысить точность измерения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Список литературы
- МИ 2412−97. Рекомендация ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя.
- Правила учета тепловой энергии и теплоносителя. -М.: Изд-во МЭИ, 1995.
- МИ 2537−2000. «ГСИ. Тепловая энергия открытых водяных систем теплоснабжения, полученная потребителем. Методика выполнения измерений».
- Иванова Г. М., Ячина С. П., Голиков Э. В. Погрешности учета количества отпущенного источниками тепла// Теплоэнергетика. -1994г. -№ 10. -с.71−76.
- Извеков A.B. О погрешности определения количества тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения // Бюллетень «Теплоснабжение».- М., -1998г. -№ 3(10). -с.4−5.
- Каханков А.Е., Чигинев A.B. Практические схемы учета тепловой энергии и теплоносителя в открытых системах теплоснабжения. // Коммерческий учет энергоносителей (материалы 9-й Международной научно-практической конференции) СПб.: Политехника, 1999 г.
- Счетчики холодной и горячей воды ВСХ, ВСХд, ВСГ, ВСХд, ВСТ. Руководство по эксплуатации. РЭ 4213−200−3 215 076−98, 1998 г.
- Преобразователи расхода электромагнитные ПРЭМ. Руководство по эксплуатации. РБЯК 407 111.014 РЭ.
- Тепловычислитель СПТ941. Руководство по эксплуатации. 1998 г.
- Вычислитель количества теплоты ВКТ-4. Руководство по эксплуатации. РБЯК.4 000 880.015 РЭ, 1999 г.
- Тепловычислитель ТВМ. Паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации. KPАУЗ.038.013 ПС. Саратов, 1998 г.
- Приборы учета для жилищно-коммунального хозяйства. Справочно-методическое пособие. -М., «Издательство ГНОМ и Д», 2001. 288 с.
- А.И. Лисенков, A.A. Дудыкин. Погрешности измерения тепловой энергии в открытых водяных системах теплоснабжения // Коммерческий учет энергоносителей (Материалы VIII Международной научно-практической конференции), Санкт-Петербург, Политехника, 1998.
- А.Е. Каханков, A.B. Чигинев. Сравнительная оценка погрешностей вычисления тепловой энергии // Законодательная и прикладная метрология. -М., 1999. № 5, — с. 17−18.
- Тржил Я., Мельник В. А. Оценка погрешностей измерения тепловой энергии в открытых системах тепловодоснабжения // Коммерческий учет энергоносителей (материалы 13-й Международной научно-практической конференции) СПб.: Политехника, 2001 г.
- Лисенков А.И., Разиков В. В. Методические погрешности измерения тепловой энергии // Коммерческий учет энергоносителей (материалы 8-й Международной научно-практической конференции) СПб.: Политехника, 1998 г.
- Кузник И.В., Тиунов М. Ю., Брюханов В. А. Приборно-методические аспекты энергометрии в открытых водяных системах теплоснабжения // Контрольно-измерительные приборы и системы- М., -2001г. -№ 3. -с.27−29.
- Кузник И.В., Тиунов М. Ю., Брюханов В. А. Метрологические проблемы измерений тепловой энергии в открытых системах водяного теплоснабжения // Законодательная и прикладная метрология М., -2000г. -№ 6.-с. 19−24.
- Медведев В.А., Вербицкий A.C., Степанов A.C. Теплосчетчики в открытых системах теплоснабжения // Законодательная и прикладная метрология.- М., -2000г. -№ 1.
- С.П. Зубов, Б. М. Рогачевский. О погрешности измерения тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения // Сборник научных трудов НГТУ. 2000. — № 3(16). -с. 10−17.
- Комплект термометров платиновых технических разностный КТПТР. Паспорт ЕМТК 07.0000.00 ПС. Госреестр № 14 638−95 АО «Термико».
- Аш Ж. Андре П. Бофрон Ж. Дегут П. Датчики измерительных систем: В 2-х кн. / Под ред. А. С. Обухова. М.: Мир. — Кн. 1. — 480 е.: ил. — Библиогр. в конце разд. — ISBN 5−03−1 249−4. Перевод изд.: Tes capteurs en instrumentation industrielle.
- П.В. Новицкий, В. И. Мишустин. Методические указания ВНИИМ по метрологическому обслуживанию коммерческих узлов учета тепловой энергии и теплоносителя, С. 29−39, Санкт-Петербург, Политехника, 1998.
- Система теплоизмерительная «Тепло-2″. Руководство по эксплуатации 4218−003−2 068 953−99 РЭ. Госреестр № 18 567−99, НГТУ.
- Б.М. Рогачевский. К оценке погрешностей тепло- и водосчетчиков при поверке // Законодательная и прикладная метрология. М., 1998. — № 2.
- Зубов С.П., Рогачевский Б. М. Алгоритмы работы тепловычислителей с малым потреблением и турбинными преобразователями расхода для открытых систем теплоснабжения // Законодательная и прикладная метрология.-М., -2001г. -№ 2. -с.21−28.
- МИ 2452−97. Малогабаритный проливной стенд поверочный (МПСП). Методика поверки теплосчетчиков и водосчетчиков методом непосредственного сличения. Казань, 1997 г.
- Береснев В.К., Береснев C.B., Воронов В. В., Завалишин И. Н., Карнаухов И. Н., Рогачевский Б. М. Малогабаритный проливной стенд для калибровки и поверки тепло- и водосчетчиков // Законодательная и прикладная метрология. 1998. -№ 3. — с.26−28.
- Установка малогабаритная проливная поверочная типа МГТСП: Руководство по эксплуатации. Новосибирск, 2000 г. — 13 с.
- Береснев В.К., Кунов В. М., Карнаухов И. Н., Подъяков А. Е., Рогачевский Б. М. Эталонные водосчетчики // Законодательная и прикладная метрология. 1996. -№ 4. — с.44−46.
- Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. М., Машиностроение, -1989г. -654 с.
- Бернт-Эрик Ниберг, Кейо Нордстрем. TA-руководство по модернизации отопительных систем. Тур и Андерссон, 1994 г.
- Материалы корпоративного сайта фирмы Texas Instruments Inc. http://www.ti.com
- П. Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. В 3-х кн., -М.:Мир., 1993 г.
- MSP430 Family Architecture User’s Guide and Module Library, Texas Instruments, 1996-
- XX-E88LC01/03/05 Ultra Low-Power Mixed-Signal Microcontroller Data Book http://www.xemics.ch/xe8000databook.pdf
- MSP430 Family Metering Application Report, Texas Instruments, 1996-
- Architecture and function of the MSP430 14bit ADC. Application report.-Texas Instruments, 1999. http: // www .ti.com/msp430/pdf/slaa045.pdf
- Материалы корпоративного сайта фирмы Maxim 1С Inc. http://www.maxim-ic.com
- MSP430 Family Application Report, Texas Instruments, 1998-
- Зубов С.П., Рогачевский Б. М. Повышение точности АЦП, встроенного в микроконтроллеры семейства MSP430 // Сборник научных трудов НГТУ. -2001г.-№ 2(24).-с.133−140.
- ГОСТ Р 51 649−2000 „Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия“.
- MSP430 Family Software Users Guide, Texas Instruments, 1996.
- MSP430 Family Assembler’s Users Guide, Texas Instruments, 1996.
- MSP430 Family Assembly Language Tools Users Guide, Texas Instruments, 1994.
- MSP430 Family Floating Point Package Manual, Texas Instruments, 1996.
- ГОСТ 6651–94. Термопреобразователи сопротивления. Общие технические условия.
- Tom Williamson АР-125 Designing Microcontroller Systems for Electrically Noisy Environments // Embedded Applications 1995/1996, vol.2 Intel Corp., 1995 — pp.7−1-7−23
- Джонсон H., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы обработки данных: Пер. с англ. М.: Мир, 1980.
- Linear improvement of the MSP430 14bit ADC characteristic. Application report-Texas Instruments, 1999. http://www.ti.com/msp430/pdf/slaa048.pdf
- Application basics for the MSP430 Mbit ADC. Texas Instruments, 1999. http://www.ti.com/msp430/pdf/slaa046.pdf
- Интерфейсы систем обработки данных. Под редакцией А. А. Мячева и др. М: Радио и связь. 1989.-416 с. ил.
- Штрик А.А., Осовецкий Л. Г., Мессих И. Г. Структурное проектирование надежных программ встроенных ЭВМ. Л.: Машиностроение, 1989.
- PI-MBUS-300 Rev.J. Modicon Protocol Modbus Reference Guide- 1996.
- Материалы корпоративного сайта фирмы Atmel Inc. http://www.atmel.com
- Герасименко В.А. Защита информации в автоматизированных системах обработки данных. Книга 1 и 2. -М.: Энергоатомиздат, 1994.
- Боэм Б., Браун Дж., Каспар X. и др. Характеристики качества программного обеспечения. Пер. с англ. Е. К. Масловского. -М.: Мир, 1981.
- Musa J.D., Iannino A., Okumoto К. Software Reliability: Measurement, Prediction, Application. N.Y. McGray-Hill, 1987
- Липаев B.B. Проектирование программных средств. -M.: Высшая школа, 1990.
- ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ И МЕТРОЛОГИИ (ГОССТАНДАРТ РОССИИ)1. СЕРТИФИКАТоб утверждении типа средств измерений
- PATTERN APPROVAL CERTIFICATE OF MEASURING INSTRUMENTS RU. C.29.007.A №.Z&.Z.1. Действителен до51.».в.Т1.2.005г.
- Настоящий сертификат удостоверяет, что на основании положительных результатов испытаний утвержден тип.
- Описаниетипа средства измерений-П'риведёно, в приложении к настоящему сертификату.
- Заместитель Председателя Госстандарта России1. V- -' ¦ я и ¦1. X ' vo1. Ч ч<£"
- Заместитель Председателя^ Госстандарта России
- В. Н. Крутиков «.09.03.2001. Продлен до200 г. 200 г.70Я52инистерство топлива и энергетики1. Российской Федерации
- Департамент эсударственного энергетического надзора и энергосбережения1. ГОСЭНЕРГОНАДЗОР"103 074, Москва, Китайгородский пр., 7 Тел. 220−44−17 факс. 220−56−74№ 630 092, г. Новосибирск-92, пр. К. Маркса, 20
- ЭКСПЕРТНОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ № Н-2
- Действительно до 09. й2. Я^г^
- Наименование прибора учета: Система теплоизмерительная «Тепло-3»
- Технические условия ТУ-4218−004−2 068 953−99)
- Организация-изготовитель: ООО «Фирма СЭМ», г. Новосибирск1. НГТУ, г. Новосибирск
- Система теплоизмерительная «Тепло-3» соответствует требованиям нормативных документов Госэнергонадзора Минтопэнерго России и может быть допущена для применения на узлах коммерческого учета тепловой энергии и теплоносителя.