автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Интеллектуальная система контроля индивидуального потребления тепловой энергии

На правах рукописи

КОЖЕВНИКОВ ЯКОВ СЕРАФИМОВИЧ

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542000

Москва 2013

005542000

Работа выполнена на кафедре «Материалы функциональной электроники» федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Штерн Юрий Исаакович

Официальные оппоненты:

Вигдорович Евгений Наумович

доктор технических наук, профессор МГУПИ

Вишняков Николай Владимирович

кандидат технических наук, доцент РГРТУ

Ведущая организация:

ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы» (ФГУП «ВНИИМС»)

Защита диссертации состоится «19» декабря 2013 г. в 16 часов 00 мин на заседании ученого совета Д.212.134.04 в Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан « \ О » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор

Погалов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Контроль расхода энергоносителей в настоящее время является одной из важнейших задач науки и техники. Внедрение энергосберегающих технологий не возможно без объективного учета потребления энергоносителей. Особенно это актуально для индивидуального учета, что позволяет стимулировать население к экономии энергоносителей.

Анализируя методы и средства измерения расхода энергоносителей, необходимо отметить, что наиболее сложной и не однозначно решенной задачей является учет индивидуального потребления тепловой энергии. Особенно актуально решение этой проблемы в жилищно-коммунальном хозяйстве.

В Федеральном законе Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ отмечено, что собственники жилых домов, собственники помещений в многоквартирных домах обязаны обеспечить оснащение домов приборами индивидуального учета тепловой энергии.

Для индивидуального учета тепла, при двухтрубной горизонтальной схеме построения системы отопления, могут быть использованы, так называемые, квартирные теплосчетчики. Популярны за рубежом и начинают применяться в нашей стране электронные приборы, с помощью которых по измерению и интегрированию температурного напора между поверхностью отопительного прибора (теплообменника) и воздухом в помещении, с учетом конструкции этого теплообменника и профиля распределения температуры на его поверхности, определяют долю тепловой энергии, выделяемой данным отопительным прибором. С помощью этих электронных приборов тепловая энергия, затраченная на отопление жилого дома, распределяется между индивидуальными потребителями пропорционально их показаниям. Назовем эти приборы пропорционаторами, часто их также называют распределителями тепла.

Рассмотренные технические решения для индивидуального учета тепловой энергии имеют ряд недостатков. Квартирные теплосчетчики возможно использовать только в тех домах, где установлена двухтрубная горизонтальная система отопления, при разности температур на подающем и обратном трубопроводах системы отопления не менее 3+5 °С. Такое значение ДТ имеет место в 3-х комнатных квартирах и более. Необходимо также отметить, что удельная доля квартир с двухтрубной горизонтальной разводкой в России ничтожно мала.

При реализации метода определения тепла, основанного на использовании пропорционаторов, их необходимо устанавливать на каж-

дом теплообменнике, размещенном в квартире. Методика расчета тепла корректируется для каждого типа теплообменников. Этот метод не осуществляет прямого измерения тепловой энергии, поэтому имеет место высокая погрешность распределения индивидуального потребления тепла, которая определяется рядом методических и технологических факторов. В этом методе не измеряется тепло, выделенное трубами стояков, размещенных в квартирах, и исключается возможность измерения общедомовых затрат тепловой энергии. В настоящее время это пока доминирующий способ оценки индивидуального потребления тепла в многоквартирных домах, который активно готовится для внедрения в нашей стране.

Рассмотрим основные проблемы создания эффективных методов и средств для прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии. Основная погрешность при измерении тепла определяется погрешностью измерения температуры. В связи с этим, методам и средствам измерения температуры в диссертации уделяется особое внимание. Целесообразна разработка оптимальных математических моделей, описывающих с необходимой и достаточной точностью зависимость физических параметров датчиков для конкретных конструкторских решений электронных термометров. Обязательна разработка соответствующих аппаратно-программных средств, реализующих созданные математические модели в электронных термометрах. Кроме того, при разработках высокоточных электронных средств измерения температуры для систем контроля потребления тепловой энергии, требуется комплексное решение следующих задач: разработка современных, в том числе интеллектуальных, обладающих высокой стабильностью датчиков температуры; разработка оригинальных схемотехнических и конструкторских решений, включая средства с беспроводным интерфейсом.

Успехи в области микропроцессорной техники и информационных технологий привели к созданию нового типа систем измерений, обработки информации и управления - интеллектуальных систем, объединяющих технические и программные средства, способных синтезировать цель, принимать решение к действию, обеспечивать действие для достижения цели, прогнозировать значения параметров результата действия и сопоставлять их с реальными, а также, образуя обратную связь, корректировать цель или управление. Принцип построения интеллектуальной системы для контроля энергоносителей, который базируется на интеграции в единый информационно-измерительный комплекс измерительных, исполнительных, включая приемо-передающие устройства,

и аппаратно-программных средств, использован нами при реализации концепции измерения индивидуального потребления тепловой энергии.

Непременным условием создания высокоэффективных электронных приборов и тем более средств измерения является комплексное исследование физических параметров датчиков, функциональных и эксплуатационных характеристик приборов. Поэтому диссертационные исследования затрагивают широкий спектр измерений и испытаний. Для этих целей необходимо создание соответствующего метрологического обеспечения, позволяющего проводить исследования и контролировать параметры электронных компонентов, входящих в структуру интеллектуальных систем контроля энергоносителей, на всех стадиях их разработки и серийного производства.

Работы в направлении поиска методов определения индивидуального потребления тепловой энергии ведутся многими исследовательскими лабораториями и фирмами, разрабатывающими и производящими контрольно-измерительные приборы для определения расхода энергоносителей. Однако, в настоящее время, не существует эффективного метода и средств для прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, которые возможно использовать для любых известных способов построения систем отопления.

В связи с этим, создание интеллектуальной системы контроля индивидуального потребления тепла, в которой реализован инновационный метод прямого измерения тепловой энергии, включая общедомовые затраты, является актуальной научно-технической задачей, решение которой имеет существенное значение для объективного контроля расхода энергоносителей и реализации энергосберегающих технологий, в первую очередь, в ЖКХ, так как будет стимулировать потребителей к экономии. Таким образом, в том числе, возможно решение важной социально-экономической проблемы.

Целью диссертационной работы является: разработка методов, электронных приборов и аппаратно-программных средств для контроля индивидуального потребления тепловой энергии с использованием виртуальных измерительных каналов, реализованных на базе интеллектуальной системы контроля энергоносителей.

Для достижения указанной цели требуется комплексный подход к процессу исследований, в результате которого необходимо решить следующие задачи:

- разработать математические модели, описывающие с необходимой и достаточной точностью зависимость термометрических парамет-

ров датчиков температуры, разработать аппаратно-программные средства, реализующие полученные математические модели в электронных средствах измерения температуры, изготовить их и провести исследования;

- определить принцип построения интеллектуальной системы контроля индивидуального потребления энергоносителей (ИСКЭ);

- определить концепцию измерения индивидуального потребления тепловой энергии;

- разработать структуру, изготовить и провести исследования и испытания ИСКЭ, в том числе, с целью подготовки к сертификации;

- разработать, изготовить и провести исследования на соответствие техническим характеристикам электронные компоненты ИСКЭ;

- разработать алгоритмы и комплекс аппаратно-программных средств для функционирования электронных компонентов, расчета термодинамических параметров, осуществления приемо-передачи данных по радиоканалу в структуре ИСКЭ;

- разработать высокоточный интеллектуальный датчик температуры с беспроводным интерфейсом и метод автоматизированной калибровки датчика в процессе серийного производства;

- разработать метод и математические модели для термокомпенсации электронных компонентов средств измерения физических параметров;

- разработать метод и математические модели для определения индивидуального потребления тепловой энергии;

- разработать методики и измерительные комплексы для исследования физических параметров датчиков температуры, функциональных и эксплуатационных характеристик электронных компонентов ИСКЭ, провести их испытания с целью оптимизации параметров и подготовки к сертификации, как электронных компонентов, так и ИСКЭ в целом.

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании комплексного, научно-обоснованного подхода к разработке методов моделирования и исследования физических параметров датчиков, электронных приборов, аппаратно-программных средств, и создание на их основе интеллектуальной системы контроля индивидуального потребления тепловой энергии, и состоит в следующем:

1. В результате исследования и моделирования температурных зависимостей термометрических параметров датчиков температуры, разработаны и обоснованы математические модели, описывающие с высокой точностью изменения физических параметров датчиков, и позво-

ляющие рассчитывать температуру с погрешностью, не превышающей 5 ■ 10"3 К.

Предложены математические модели для средств измерения температуры с аналоговой и цифровой схемами обработки сигнала, а также для многоканальных электронных термометров.

Разработаны оригинальные конструкционно-технологические, схемотехнические и аппаратно-программные решения для высокоточных электронных средств измерения температуры.

2. Разработан метод прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, основанный на использовании виртуальных измерительных каналов, определяемых топологией интеллектуальных датчиков температуры и расходомеров теплоносителя в системах отопления. Конфигурация измерительных каналов определяется с помощью программных средств и может оперативно изменяться в процессе эксплуатации.

3. Разработаны и обоснованы метод и математические модели для аппаратно-программной калибровки высокоточных беспроводных интеллектуальных датчиков температуры, позволяющие проводить их аттестацию в автоматическом режиме, что значительно сокращает время и снижает себестоимость датчиков.

4. Разработаны метод и математические модели для термокомпенсации электронных компонентов средств измерения физических параметров, что существенно снизило погрешности измерений, возникающие при изменениях температуры их эксплуатации. В интеллектуальных датчиках температуры, например, это позволило добиться абсолютной погрешности измерений ± 0,02 К.

5. Определены и обоснованы методы и математические модели для расчета индивидуального потребления тепловой энергии, включающие расчет и распределение общедомовых расходов тепловой энергии.

Новизна научно-технических решений проблем, поставленных в диссертационной работе, защищена 8 патентами на изобретения.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке и внедрении следующих результатов:

1. Создано метрологическое обеспечение, позволяющее проводить исследования и контролировать физические параметры датчиков, функциональные и эксплуатационные характеристики электронных компонентов, входящих в структуру интеллектуальных систем контроля энергоносителей, на всех стадиях их разработки и серийного производ-

ства. Разработаны и изготовлены следующие методики и измерительные аппаратно-программные комплексы:

- методика и аппаратно программный комплекс для автоматизированной калибровки интеллектуальных датчиков температуры с беспроводным интерфейсом;

- реконфигурируемый измерительный комплекс и методика для исследования электронных термометров и датчиков температуры;

- методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования приемо-передающих устройств;

- методика и аппаратно-программный комплекс для испытания химических источников тока;

- методика и измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования и аттестации электронных компонентов и интеллектуальной системы контроля энергоносителей.

2. Математические модели расчета температуры и аппаратно-программные решения использованы при создании ряда высокоточных электронных средств измерения температуры для интервала от минус 100 °С до 1200 °С, в том числе, выпускаемых серийно.

3. Разработанные в процессе диссертационных исследований электронные компоненты: беспроводные средства измерения температуры, счетчики импульсов, локальные ретрансляторы, квартирные мониторы, выпускаются серийно и используются в интеллектуальных системах контроля потребления энергоносителей.

4. Предложенные в диссертационной работе методы расчета и аппаратно-программные средства для их реализации в ИСКЭ используются для контроля и учета индивидуального потребления тепловой энергии в ЖКХ.

5. Разработанные в процессе выполнения диссертации концепция измерения тепловой энергии и принцип построения автоматизированной интеллектуальной системы контроля энергоносителей, реализованы в ИСКЭ, установленной в многоквартирных домах.

6. Математические модели и аппаратно-программные средства регулирования температуры, использованы при создании интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием.

7. Результаты диссертационных исследований использованы в учебном процессе при подготовке Учебно-методических комплексов в МИЭТ для образовательных программ по профилям «Интеллектуальные энергосберегающие системы», «Полупроводниковые преобразователи энергии».

Электронные компоненты, приборы, аппаратно-программные средства и измерительные автоматизированные комплексы, разработанные с использованием результатов диссертационной работы, внедрены в серийное производство и выпущены к настоящему времени на общую сумму порядка 300 млн. руб. предприятиями: ООО «Химлабо», ОАО «Центр МНТП», ООО «ЭПС», ЗАО «ИнтЭКС», ОАО «ЗИТЦ», ООО «АПС». Акты внедрения прилагаются.

Новизна и практическая значимость технических, технологических и аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной работе, подтверждена 8 патентами и 25 свидетельствами о государственной регистрации программного продукта в РОСПАТЕНТЕ, а также актами о внедрении в реальный сектор экономики.

На защиту выносятся

1. Комплексный, научно обоснованный подход к созданию инновационной интеллектуальной системы прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, основанный на концепции построения виртуальных измерительных каналов в системах отопления и использовании высокоточных средств измерения температуры.

2. Математические модели, конструкционно-технологические решения и аппаратно-программные средства для высокоточных средств измерения температуры, в том числе с беспроводным интерфейсом.

3. Принцип построения интеллектуальной системы контроля и учета индивидуального потребления энергоносителей, основанный на интеграции в единый информационно-измерительный комплекс измерительных, исполнительных, включая приемо-передающие устройства и аппаратно-программных средств.

4. Метрологическое обеспечение для создания электронных компонентов ИСКЭ, включающее ряд разработанных методик и измерительных аппаратно-программных комплексов, предназначенных для исследования и калибровки датчиков, функциональных и эксплуатационных характеристик электронных приборов и устройств, входящих в структуру ИСКЭ.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на 12 международных и 8 всероссийских научно-технических конференциях и совещаниях, основные из них: 5-ая меж-дун. НТ конф. «Электроника и информатика» - 2005; 6-ая междун. НТ кон. «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» - 2007; Всерос. НТ кон.

«Новые материалы и технологии» - 2008; междун. НТ кон. «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» - 2008; междун. НТ кон. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» - Воронеж - 2009, 2010, 2011, 2012, 2013; Энергосбережение в системе теплоснабжения. Повышение энергетической эффективности: междун. НТ кон. - СПб - 2010, 2012, 2013; X междун. НТ кон. «Инженерные, научные и образовательные, приложения на базе технологий National Instruments - 2011» - 2011; 18-я Всерос. межвуз. НТ кон. «Микроэлектроника и информатика - 2011» - 2011; XII междун. НТ кон. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» - СПб -2011; Всерос. Молод. НТ кон. «Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии» - МЭИ - 2012.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 76 научных работах, в том числе: в 10 статьях в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук и в 33 патентах и свидетельствах о регистрации программного обеспечения в РОСПАТЕНТЕ.

Личный вклад

Личный вклад автора являлся основополагающим на всех стадиях проведения исследований и состоял в определении целей и постановке задач исследований, обосновании способов их осуществления, непосредственном выполнении значительной части экспериментов, систематизации и анализе полученных результатов, обосновании решений и научных рекомендаций при разработке технологий и конструировании электронных компонентов системы, разработке методов и аппаратно-программных средств для контроля индивидуального потребления тепловой энергии, внедрении разработанной системы в серийное производство.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 200 страниц машинописного текста, включая 17 таблицы, 50 рисунок, список использованных источников составляет 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена степень её разработанности, сформулированы цель и основные

задачи, определена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, степень достоверности результатов и апробация работы.

В первой главе рассмотрены современные проблемы контроля индивидуального потребления тепловой энергии. Отмечено, что контроль расхода энергоносителей в настоящее время является одной из важнейших задач науки и техники. Внедрение энергосберегающих технологий не возможно без объективного учета потребления энергоносителей. Особенно это актуально для индивидуального учета, что позволяет стимулировать население к экономии энергоносителей.

Анализируя методы и средства измерения расхода энергоносителей, необходимо отметить, что наиболее сложной и не однозначно решенной задачей является учет индивидуального потребления тепловой энергии. Особенно актуально решение этой проблемы в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Рассмотрены существующие в настоящее время технические решения для индивидуального учета потребления тепловой энергии: квартирные теплосчетчики и электронные приборы, с помощью которых по измерению и интегрированию температурного напора между поверхностью отопительного прибора (теплообменника) и воздухом в помещении, с учетом конструкции этого теплообменника и профиля распределения температуры на его поверхности, определяют долю тепловой энергии, выделяемой данным отопительным прибором. Отмечено, что в настоящее время это пока доминирующий способ оценки индивидуального потребления тепла в многоквартирных домах, который активно готовится для внедрения в нашей стране. Установлены недостатки существующих методов учета расхода тепла.

Установлено, что в настоящее время в мировой практике не существует эффективного метода и средств для прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, которые возможно использовать для любых известных способов построения систем отопления.

Определены основные проблемы, создания эффективных методов и средств для прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии. Обосновано использование для контроля потребления тепловой энергии - интеллектуальных систем, построенных на интеграции средств измерений, исполнительных устройств и аппаратно-программных средств. Установлено, что диссертационные исследования затрагивают широкий спектр измерений и испытаний. Для этих целей необходимо создание соответствующего метрологического обеспече-

ния, позволяющего проводить исследования и контролировать параметры электронных компонентов, входящих в структуру интеллектуальных систем контроля энергоносителей на всех стадиях их разработки и серийного производства.

Таким образом, на основании проведенного системно-структурного анализа источников информации по теме диссертации, проведенного в 1 главе, были сформулированы цель задачи диссертационного исследования, представленные во введении.

Во второй главе последовательно решен комплекс задач, связанных с созданием высокоточных электронных средств измерения температуры. Основная погрешность при измерении тепловой энергии определяется погрешностью измерения температуры. В связи с этим в диссертационных исследованиях методам и средствам измерения температуры уделялось особое внимание.

В процессе математического моделирования температурных зависимостей термометрических параметров платиновых датчиков температуры, определены математические модели, описывающие с необходимой и достаточной точностью зависимость этих параметров датчиков в определенном, для каждого типа термометров, диапазоне рабочих температур. При разработке математических моделей были определены следующие граничные условия: диапазон рабочих температур; максимально допустимая погрешность при расчете температуры в заданном рабочем диапазоне температур; минимальное количество вычислительных операций в математических моделях, что особенно актуально для расчета температуры в многоканальных термометрах с целью снижения времени определения температуры.

Для измерения температуры с абсолютной погрешностью не более ±0,2 °С в интервале (минус 60+200) °С нами предложена математическая модель в виде рациональной дроби:

ние терморезистора, К0 - сопротивление терморезистора при температуре 0 °С; а , Ъ, с - некоторые постоянные коэффициенты.

Коэффициенты уравнения (1) определяются по значениям Л = /(?) для платины, приведенным в ГОСТ Р 8.625-2006.

(1)

где Ж - относительное сопротивление IV = —-, Я, - сопротивление

я

Данная модель обеспечивает погрешность расчета температуры ±0,06 °С в интервале (минус 60+200) °С. Математическая модель (1) реализована в электронных термометрах ТЭН-5 (патент №2296962), обеспечивающих абсолютную погрешность измерений ±0,2 °С, а также в беспроводных измерителях температуры ИТБ-01(патент №2373502), в которых информация об измеренных температурах передается по радиоканалу. Абсолютная погрешность измерения температуры ±0,1 °С в интервале 5+95 °С. Несущая частота передачи сигнала: 433 / 868 МГц.

Для высокоточных средств измерения температуры предложена математическая модель с расчетной погрешностью не более 10"3 °С.

где а0, «1, а2' ^о- . Ь2 - некоторые постоянные коэффициенты для данного датчика, которые вычисляются при помощи программного обеспечения SigmaPlot.

Предложенная матмодель реализована в термометрах ТЭН-4, для измерения температуры с погрешностью ±0,05 °С, в диапазоне температур от минус 100 до 600 °С , и имеющих четыре канала измерений.

В цифровых многоканальных электронных термометрах, кроме точности измерений, важное значение имеет время определения температуры, которое включает время измерения и время расчета температуры. В связи с этим разработаны математические модели и аппаратно-программные средства, позволяющие значительно повысить быстродействие вычислений и обеспечивающие заданную погрешность измерений:

где - значение сопротивления терморезистора; а , Ь, с - некоторые постоянные коэффициенты.

Коэффициенты уравнения (3) рассчитываются с помощью программного обеспечения SigmaPlot, и их значения загружаются в микроконтроллер. Предложенная математическая модель реализована в электронном термометре АС-МТ, имеющем 64 канала измерений.

При температурах выше 600 °С целесообразно применять термоэлектрические датчики, которые использованы нами в ТЭН-6. Диапазон измерений от минус 100 до 1200 °С, погрешность ± 1°С до 200 °С;

(2)

(3)

± 1°С + 0,5 % до 1200 °С. Для вычисления температуры при помощи однокристальной микро - ЭВМ М551, предложена математическая модель в виде рациональной дроби второго порядка:

где Е - термоЭДС термопары; а0, а^, а2, Ь0, Ъ^ - некоторые постоянные коэффициенты.

Таким образом, в данной работе последовательно решен комплекс задач, связанных с созданием высокоточных электронных средств измерения температуры. Оригинальные схемотехнические и конструкторские решения электронных средств измерения температуры защищены патентами РФ. Программное обеспечение получило государственную регистрацию в реестре программ для ЭВМ РФ. На серийно выпускаемые электронные термометры получены сертификаты об утверждении типа средств измерений в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии.

В третьей главе предложен принцип построения ИСКЭ на различных объектах энергопотребления. Особое внимание уделено прямому измерению расхода тепловой энергии. Принцип построения системы базируется на интеграции в единый информационно-измерительный комплекс измерительных, исполнительных, включая приемопередающие устройства и аппаратно-программных средств. В системе реализован метод измерения индивидуального потребления тепловой энергии, основанный на новой, предложенной нами концепции использования виртуальных измерительных каналов, оснащенных высокоточными средствами измерения температуры с беспроводным интерфейсом (ИТБ). Таким образом, возможно контролировать потребляемую тепловую энергию на любых участках системы отопления. Топология измерительных каналов определяется схемой расположения ИТБ и расходомеров теплоносителя в процессе проектирования системы отопления. Необходимо отметить, что построение измерительных каналов может быть изменено (оптимизировано) в процессе эксплуатации системы с помощью аппаратно-программных средств. В связи с этим можно считать, что измерительные каналы определения потребленной тепловой энергии являются виртуальными. Этот метод, кроме индивидуального (поквартирного) определения тепла, позволяет проводит!, измерения расхода тепла на обогрев общедомовых и коммерческих помещений.

.2

1+ Ь0-Е + ЬГЕ2

1 + Ьп-Е + Ь,-Е

(4)

Схема реализации измерительных каналов для поквартирного определения потребленного тепла в однотрубных системах отопления представлена на рисунке 1. Для построения ИСКЭ разработан ряд оконечных устройств с беспроводным каналом связи. Базовый элемент -ИТБ, имеет несколько модификаций. Счетчики импульсов с беспроводным интерфейсом (СИБ) предназначены для измерения числа импульсов, поступающих от различных измерительных устройств с импульсным выходом. СИБ совместно с расходомерами жидкости, имеющими импульсный выход, используются для измерений расхода теплоносителя. Ретранслятор локальный (РЛ) предназначен для управления и приема данных от оконечных устройств ИСКЭ. К каждому РЛ может быть подключено по радиоканалу до 127 беспроводных оконечных устройств системы.

г;'.*;,.

¡ЖЕ > шт 1' зжж тр

ВИГ г « іІІЙІПс Ля і «1 -"ТІ II рШ лш

г Ей ПК, И и ................ и ПИ шшшг дш

ОіЬчірт-.'іь ЯгсершшшИ ЇШИ

Ш Рс'.щіярмгіїртшімчУЬ І*.!

ДР.

ІКС - Цет-|ШМ«аВ '.чіїадр аштші

И-ІЛЇ.1ЖИМИЧ

ПО - Программное обшита«*?

Рисунок 1 - Структурная схема ИСКЭ Для отображения данных о потреблении всех энергоносителей для индивидуальных пользователей разработан квартирный монитор (КМ). Домовой ретранслятор (ДР) выполненный на базе промышленного компьютера и предназначен для сбора данных от локальных ретранс-

ляторов. В ДР эти данные обрабатываются, архивируются и передаются в центральный сервер системы (ЦСС), где при помощи разработанного специального ПО производится расчет и отображение значений потребленных энергоносителей. При установке ПО непосредственно в ДР, последний выполняет функции ЦСС.

ИТБ размещаются в каждой квартире на стояках отопления возле потолка или на выходе отопительного прибора (Рис.1). Кроме того, для определения тепловой энергии, используются данные расхода теплоносителя, измеренные расходомером, оснащенным счетчиком импульсов и установленным на данном стояке, на инженерном этаже. Определение тепловой энергии на любых контролируемых участках системы отопления производится следующим образом. На входе и выходе теплоносителя на трубопроводе данного контролируемого участка ИТБ измеряется температура, и определяется разность температур, затем зная расход теплоносителя, рассчитывается потребленная тепловая энергия (глава 5). Таким же образом определяются затраты на отопление общедомовых помещений. Локальное расположение ИТБ, расходомера и, при необходимости, датчика давления, на входе в дом подающего и выходе обратного трубопроводов позволяет реализовать общедомовой теплосчетчик.

В данной главе предложен разработанный алгоритм функционирования ИСКЭ, представленный на рисунке 2.

Комплекс средств автоматизации состоит, на нижнем уровне, из интеллектуальных оконечных устройств измерения и передачи информации. На верхнем уровне, из универсальных вычислительных средств, объединенных в сеть и оснащенных специальным программным обеспечением. Информационная связь, т.е. передача данных между уровнями интеллектуальной системы, нижним и верхним, реализуется посредством применения телеметрических средств связи. В качестве таких элементов связи используются ретрансляторы локальные, которые принимают данные с интеллектуальных беспроводных оконечных устройств по радиоканалу и передают их в вычислительную систему через интерфейс Л5-485.

Программное обеспечение универсальной вычислительной системы реализует функции накопления, обработки, отображения, архивирования и документирования информации, поступающей с нижнего уровня. Данное программное обеспечение строится с применением специализированных программных средств позволяющих структурировать и обрабатывать большие объемы информации - баз данных. Таким образом, строится масштабируемая сеть практически неограниченного

размера. Количество устройств в сети ограничено только адресным пространством протокола обмена, который применяется интеллектуальными устройствами.

Рисунок 2 - Схема алгоритма функционирования ИСКЭ

Предложены протоколы обмена информацией оконечных устройств в ИСКЭ и обмена информацией между клиентом и сервером. Обоснован выбор беспроводного протокола БітрІісіТІ для передачи информации и частотного диапазона 434 МГц.

Электронные компоненты, в том числе средства измерения, а также представленная в данной работе ИСКЭ, прошли комплексные

испытания и аттестованы ФГУП «ВНИИМС», как средства измерения. Свидетельства об утверждении типа средств измерений: ШС.32.004.А№50482; ЛС/С.32.010.А№50898; ШС.32.010.А №43483; Яи.С.32.004.А №48615. Разработаны типовые проекты многоквартирных домов с использованием ИСКЭ и с 2012 года идет активное внедрение данной системы в Москве и регионах РФ. На способ измерения индивидуального потребления тепловой энергии получены патенты РФ №2374566, №2380620.

В четвертой главе представлены результаты разработки базового элемента для измерения тепловой энергии - высокоточного интеллектуального измерителя температуры беспроводного (ИТБ), в котором, в качестве термодатчика, применяется стабильный, обладающий хорошей воспроизводимостью, малоинерционный платиновый тонкопленочный терморезистор Р1-ЯТО 1000. Разработаны оригинальные схемотехнические и различные конструкционно-технологические решения для ИТБ, позволившие достичь абсолютную погрешность измерений ±0,05 °С в интервале температур 5 + 95 °С (патенты №2450250, №2466365).

Структурная схема ИТБ представлена на рисунке 3. Интеллектуальный датчик реализован на одной плате и состоит из следующих функциональных модулей: платинового терморезистора включенного в мостовую схему; микроконтроллера с АЦП; микроконтроллера; приемо-передатчика, антенны, элемента питания; блока защиты от несанкционированного вскрытия; и блока инициализации. В структурную схему ИТБ был включен кварцевый резонатор с температурной стабильностью 10 ррт. ИТБ представляет собой одноканальный беспроводный программно-управляемый микропроцессорный термометр, работающий под управлением удаленного компьютера (ПК) через ретранслятор локальный (РЛ). Связь ИТБ с РЛ осуществляется по каналу радиосвязи малого радиуса действия. ПК, используя разработанное программное обеспечение (Свид. №2012660439, №2012660296, №2012660298, №2012660742), обеспечивает: реализацию алгоритма работы ИТБ; конфигурацию измерительных каналов и режимов измерений; отображение результатов измерений в цифровом виде на мониторе ПК; сбор, хранение и обработку результатов измерений.

Рисунок 3 - Структурная схема ИТБ

Калибровка осуществляется с помощью разработанных аппаратно-программных средств по радиоканалу (Свидетельства №2010610839, №2010611349, №2011610219). Процесс калибровки включает две стадии, и выполняется по двум разработанным методам: 1) корректировка математической модели путем сличения данных с эталоном и 2) термокомпенсация, устраняющая погрешность измерения, возникающую за счет изменения температуры элементов электрической схемы ИТБ.

Процесс калибровки ИТБ производится согласно диаграмме рисунка 4.

1, °с

После выхода на режим производится инициализация МТБ. Калибровка осуществляется автоматически. Определяются расхождения данных по температуре между каждым ИТБ и образцовым термометром (рис.5), установленным в центре оснастки. Затем с помощью программного обеспечения производится автоматическая корректировка коэффициентов в математической модели каждого ИТБ.

Измерения, используемые для расчёта коэффициентов калибровки

Выход термостата на температурную полку

Ввод калибровочных коэффициентов

Область допустимой

у погрешности ' ±0,05°С

О 5

20 25 30 т>МШ!

Рисунок 5 - Диаграмма процесса калибровки ИТБ

В процессе эксплуатации ИТБ допускается изменение температуры окружающей среды от 5 °С до 50 °С и теплоносителя от 5 °С до 95 °С. При таких условиях эксплуатации изменяется температура компонентов электронной схемы ИТБ, что вносит погрешность в процесс измерений. Поэтому на второй стадии калибровки, для термокомпенсации измерительной схемы ИТБ, разработан следующий метод. Определение температуры, соответствующей коду АЦП (ТУ) на выходе микроконтроллера, производится по трем измерительным каналам (Рис. 6). По каналу 1 измеряется сопротивление терморезистора ИТБ (прямая 1), по каналу 2 температура микроконтроллера (прямая 2) и по каналу 3 температура эталонного термометра (прямая 3).

Рисунок 6 - Зависимость значений кода АЦП от температуры

N

N.

25

50

Метод термокомпенсации заключается в экспериментальном определении и автоматической программной корректировке коэффициентов в уравнении (5), выполняемой при индивидуальной калибровке

где , код АЦП, соответствующий температуре, измеряемой МТБ, с учетом погрешности вносимой изменением температуры элементов схемы; Ытк - код АЦП, температура микроконтроллера (элементов схемы) а и Ъ - коэффициенты термокомпенсации, которые определяются по формулам 6 и 7.

где Ыц25) " значение сопротивления в коде АЦП при температуре 25 °С, определяемое ИТБ при воздействии температуры на элементы схемы; N^25) - значение сопротивления в коде АЦП при температуре 25 °С; Итк(25) - значение температуры схемы ИТБ в коде АЦП

при температуре 25 °С; Л^гА(50) - значение температуры схемы ИТБ в коде АЦП при температуре 50 °С.

ИТБ:

(5)

^тк{25) '(^Д(25) ~ ^Д(25)) ^тк(25) 50)

(7)

Диаграмма процесса термокомпенсации пяти ИТБ представлена на рисунке 7. Отклонения в показаниях 5 ИТБ, относительно эталонного термометра сопротивления, после проведения термокомпенсации, определяются индивидуальными характеристиками платиновых терморезисторов, включая Яд. Эти отклонения устраняются на первой стадии калибровки.

и,°С 50

45

40

35

30

25

' 25,4 25,3 25,2 25,1 25,0 24,9 24,8 24,7 24,6

А В С О

• /

Канал 2

-»*

10 20 30 40 Канал 1

50 60

70

80 1 :

2

Т, лшп

Эталон

10 20 30 40 50 60 70

80

Т, мин

Рисунок 7 - Диаграмма процесса термокомпенсации

По результатам анализа процесса калибровки ИТБ, определены источники погрешности и проведен расчет расширенной неопределенности измерения температуры ИТБ, которая составила 0,033 °С, что коррелирует с абсолютной погрешностью измерения температуры определенной экспериментально методом сличения с эталоном (0,05 °С).

В главе 5 предложены методы, математические модели и алгоритмы расчета индивидуального потребления тепловой энергии, проведен также расчет расширенной неопределенности измерения тепловой энергии с помощью ИСКЭ. Количество тепловой энергии, оплачивае-

мой каждым абонентом, складывается из тепла, измеренного и потребленного его квартирой и тепла, приходящегося на каждого абонента (квартиру) из измеренных общедомовых расходов.

Измерение потребленной тепловой энергии Q за отчетный период, равный Ь, на контролируемом участке системы отопления для всех модификаций схем ведется в соответствии с алгоритмом теплосчетчика, в котором численное интегрирование выполняется суммированием по периодам измерений к:

I

е = (8)

к=1

где Ук = 1к*уу - объем теплоносителя за период измерений длительностью Л т (все периоды одинаковой длительности); Ак!к = ^¡к- к2к, где И1к и ¡г2к - удельные энтальпии теплоносителя соответственно в начале и конце контролируемого участка; к - номер периода измерения за отчетный промежуток времени (отчетный период); Ь - количество периодов измерений за отчетный период; Аг= Г; — г2 -период измерений, где Г;, х2 - время его начала и окончания; 1к - количество импульсов, в том числе дробное, соответствующее расходу теплоносителя, измеренное СИБ-1К, подключенным к расходомеру теплоносителя, за период измерений длительностью Дт/ н> - «вес» импульса расходомера теплоносителя.

Так как плотность теплоносителя р (воды) в рассматриваемом диапазоне температур изменяется, то при определении массы теплоносителя Мк = Ук- рк учитываются эти изменение рк, с использованием математической модели (9), полученную путем аппроксимации изменения р в диапазоне температур 5 до 100 °С.

рк =1003-0.1009 • ^ - 0.0033 ■ 12рк, (9)

где ^ - температура теплоносителя, измеренная ИТБ, установленным вблизи расходомера.

Результаты расчета, имеют среднеквадратичное отклонение не превышающее 0,03%. При определении тепловой энергии принимаем давление в системе отопления, равным 1,6 МПа.

Энтальпия (в кДж/кг) определяется с помощью предложенной математической модели (10), полученной путем аппроксимации табличных данных представленных в справочнике ГСССД 187-99:

!гк =1.6371 + 4.1836-^, (10)

где 4 - температура теплоносителя, измеренная ИТБ в начале или конце контролируемого участка.

Зависимость погрешности расчета удельной энтальпии с использованием математические модели (10), при температурах до 100 °С не превышает 0,3%.

Схема алгоритма определения индивидуального потребления тепловой энергии, представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Схема алгоритма определения потребленного тепла

Преимущества данного метода определения индивидуального потребления тепловой энергии следующие:

- для определения индивидуального потребления тепловой энергии используется метод прямого измерения термодинамических параметров на контролируемых участках;

- возможно определение потребление тепловой энергии на любом контролируемом участке системы отопления;

- метод представляет исключительную возможность определения общедомовых затрат тепловой энергии на контролируемых участках;

- возможно определение индивидуального потребления тепловой энергии без наличия данных общедомового теплосчетчика;

- предложенный метод может быть реализован для любых схем построения систем отопления;

- распределение общедомовых затрат тепловой энергии осуществляется с учетом индивидуального потребления тепла каждой квартирой, это является дополнительным стимулом к экономии тепловой энергии.

В предложенном алгоритме возможны два варианта измерения и расчета потребления тепла. В первом случае тепло, потребленное общедомовыми помещениями, измеряют при помощи ИСКЭ. Во втором случае тепло, потребленное общедомовыми помещениями, находят, как разность между тепловой энергией, затраченной на отопление дома в целом, и теплом, потребленным всеми жилыми помещениями.

Проведена оценка доверительных границ систематической погрешности измерения разности температур теплоносителя в системах отопления, которые основываются на основных положениях, используемых в Руководстве, разработанном под эгидой Международного комитета мер и весов и Международной организацией по стандартизации. Оценку суммарной стандартной неопределенности рассчитываем с использованием исходных данных по калибровке ИТБ.

где ис1 [, иса - суммарные стандартные неопределенности для температур и ?2, соответственно.

Результаты расчета представлены на рисунке 10, где показан график зависимости относительной стандартной неопределенности измерения Д/ от значения разности температур теплоносителя.

10

5

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2.4 2,8 Л1,»С о 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 Д|,°С

Расчет относительной доверительной погрешности определения тепловой энергии с доверительной вероятностью р и коэффициентом охвата к(р) производился по формуле:

При равномерном законе распределения к(р) = 1,65 при р = 0,95.

Относительная стандартная неопределенность измерения массы теплоносителя Ъист = 2 % (соответствует погрешности расходомера).

Результаты расчета относительной доверительной погрешности определения тепловой энергии по (13) в зависимости от разности температур теплоносителя, приходящейся на одну квартиру представлены на рисунке 11. Используя полученные результаты и данные о разности температур в стояках отопления, приходящейся на одну квартиру, с учетом климата в Москве за последние сто лет, была рассчитана относительная доверительная погрешность определения тепловой энергии с помощью ИСКЭ, потребленной квартирой (50кв) за отопительный сезон, которая составила 6,5%. Во ВНИИМС проведена аттестация предложенной нами ИСКЭ, в которой реализованы рассмотренные выше методы определения индивидуального потребления тепловой энергии.

В главе 6 рассмотрено метрологическое обеспечение, позволяющее проводить исследования и контролировать физические параметры датчиков, функциональные и эксплуатационные характеристики электронных компонентов, входящих в состав интеллектуальных систем

Рисунок 10 - Относительная стан- Рисунок 11 - Относительная дартная неопределенность изме- доверительная погрешность

рения разности температур определения тепловой энергии

(13)

контроля энергоносителей, на всех стадиях их разработки и серийного производства. Разработаны и изготовлены следующие методики и измерительные аппаратно-программные комплексы:

- реконфигурируемый измерительный комплекс и методика для исследования электронных термометров и датчиков температуры;

- методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования приемо-передающих устройств;

- методика и аппаратно-программный комплекс для испытания химических источников тока;

- методика и измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования и аттестации электронных компонентов и интеллектуальной системы контроля энергоносителей.

Для проведения исследований и метрологической аттестации в реальных условиях эксплуатации электронных компонентов (оконечных устройств), используемых в ИСКЭ, а также интеллектуальной системы в целом, разработана методика и изготовлен измерительный аппаратно-программный комплекс (далее Комплекс), который позволяет проводить исследования теплофизических процессов в системах отопления при регулируемом изменении внешних и внутренних параметров системы. Кроме того, на измерительном комплексе предусмотрена возможность аттестации методик и аппаратно-программных средств, используемых для контроля и учета индивидуального потребления тепловой энергии. Комплекс аттестован Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии № 1663/442-0004138.

С помощью Комплекса, для обоснования достоверности измерений по разработанной методике учета индивидуального потребления тепла и аттестации ИСКЭ, совместно с ВНИИМС проводился сравнительный анализ результатов измерений тепловой энергии, потребленной системой отопления, полученных с помощью эталонных теплосчетчиков, и тепловой энергии, определенной с помощью ИСКЭ. Результаты исследований представлены на рисунках 12... 14.

На рисунке 12 представлена диаграмма тепловой энергии, измеренной ИСКЭ на каждом стояке Комплекса и суммарная тепловая энергия системы отопления, измеренная эталонным теплосчетчиком.

На рисунке 13 представлена диаграмма изменения разности температур эталонного термометра и ИТБ, установленных в трубопроводах системы отопления. Максимальная разность показаний не превышает 0,05 °С.

-Істояк -2СТ0ЯК

- суммарный по 2 стоякам -----Дом. Теплосчетчик

Рисунок 12 - Диаграмма потребления тепловой энергии

гИ м ІЛІ у

-А

щ,........щщ

V......................і.................................Г,

І0 и

«»мм« И!» <1»

Рисунок 13 - Диаграмма изменения разности значений температур, измеренных эталонным термометром и ИТБ

Рисунок 14 - Диаграмма изменения разности значений потребленной тепловой энергии, измеренной с помощью ИСКЭ и эталонным теплосчетчиком.

На рисунке 14 представлена диаграмма изменения разности значений потребленной тепловой энергии, измеренной с помощью ИСКЭ и эталонным теплосчетчиком. По результатам, представленным на рисунках 12 и 14 очевидно, что максимальное отклонение потребленной тепловой энергии, измеренной с помощью ИСКЭ и эталонным теплосчетчиком не превышает 0,5%.

Испытания проводились в течении четырех месяцев непрерывной эксплуатации Комплекса. Данные, в режиме реального времени, передавались по сети Интернет во ФГУП ВНИИМС. В результате успешных испытаний ИСКЭ получено Свидетельство об утверждении типа средств измерений № /?[/.С.32.004.А №50482 Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.

Основные результаты и выводы

1. В результате исследования и моделирования температурных зависимостей термометрических параметров датчиков температуры, разработаны и обоснованы оптимальные математические модели, описывающие с высокой точностью (5-10'3 К) зависимость этих параметров датчиков в диапазоне рабочих температур.

2. Разработаны алгоритмы и аппаратно-программные средства, реализующие полученные математические модели в электронных термометрах, и обеспечивающие высокое быстродействие операций преобразования измеряемого сигнала в температуру, а также алгоритмы и программное обеспечение, реализующие сервисные возможности средств измерения температуры.

3. Разработаны оригинальные схемотехнические и конструкторские решения для различных электронных средств измерения температуры: термометров с аналоговой схемой обработки данных, высокоточных термометров, многоканальных термометров, высокотемпературных термометров, беспроводных измерителей температуры.

4. Предложен принцип построения ИСКЭ, который базируется на интеграции в единый информационно-измерительный комплекс измерительных, исполнительных, включая приемо-передающие устройства, и аппаратно-программных средств.

5. Разработан инновационный метод прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, основанный на использовании виртуальных измерительных каналов. Конфигурация измерительных каналов определяется с помощью программных средств и может оперативно изменяться в процессе эксплуатации.

6. Определены и обоснованы методы и математические модели для расчета индивидуального потребления тепловой энергии, включающие расчет и распределение общедомовых расходов тепловой энергии. Погрешность определения тепловой энергии, потребленной одной квартирой за отопительный сезон составляет не более 6,5 %.

7. Разработаны оригинальные конструкционно-технологические, схемотехнические и аппаратно-программные решения для высокоточного интеллектуального датчика температуры, с беспроводным интерфейсом и абсолютной погрешностью измерения температуры 0,05 °С.

8. Разработаны и обоснованы метод и математические модели для аппаратно-программной калибровки высокоточных беспроводных интеллектуальных датчиков температуры, позволяющие проводить их аттестацию в автоматическом режиме.

9. Разработаны метод и математические модели для термокомпенсации электронных компонентов средств измерения физических параметров, что существенно снизило погрешности измерений (до 0,02 К), возникающие при изменениях температуры их эксплуатации.

10. Создано метрологическое обеспечение, позволяющее проводить исследования и контролировать физические параметры электронных компонентов на всех стадиях их разработки и серийного производства. Разработаны и изготовлены следующие методики и измерительные аппаратно-программные комплексы:

- методика и аппаратно программный комплекс для автоматизированной калибровки интеллектуальных датчиков температуры с беспроводным интерфейсом;

- реконфигурируемый измерительный комплекс и методика для исследования электронных термометров и датчиков температуры;

- методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования приемо-передающих устройств;

- методика и аппаратно-программный комплекс для испытания химических источников тока;

- методика и измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования и аттестации электронных компонентов и интеллектуальной системы контроля энергоносителей.

11. В результате успешных испытаний ИСКЭ получено Свидетельство об утверждении типа средств измерений № Яи.С.32.004.А №50482 Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.

12. Средства измерения, используемые в структуре ИСКЭ аттестованы Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии. Разработанное программное обеспечение получило регистрацию в РОСПАТЕНТЕ (25 Свидетельств о регистрации программного продукта).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М. Интеллектуальная система контроля индивидуального потребления энергоресурсов// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2012. - №12,- С. 52-58.

2. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Барабанов Д.Ю., Разработка и исследование источников питания для термоэлектрических систем// Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. - 2005.- №3-. 38-40.

3. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Миронов P.E., Штерн М.Ю. Разработка математических моделей для интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием// Изв. вузов. Электроника. 2010. - №2 (82) - С. 52-59.

4. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Миронов P.E. Разработка математических моделей и аппаратно-программных средств для высокоточных электронных измерителей температуры // Изв. вузов. Электроника. - 2013. - №1 (99). - С. 10-17.

5. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Медведев В.А., Миронов P.E., Караваев И.С.. Методика и измерительный комплекс для аттестации электронных компонентов и интеллектуальных систем контроля и учета потребления энергоресурсов// Метрология.-2013. -№4. - С. 25-33.

6. Дарбинян A.B., Погалов А.И., Таран А.И., Кожевников Я.С., Разработка UCU-корпусов для упаковки кристаллов ИС// Оборонный комплекс - научно-техническому прогрерсу России. - 2002. - № 2,- С. 36.

7. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Барабанов Д.Ю., Тарасов Р. Ю., Перспективы развития низкотемпературного термоэлектрического приборостроения// Изв. Вузов. Электроника. - 2005. - №4-5. - С. 179-184.

8. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Миронов P.E., Штерн М.Ю., Караваев И.С. Методика и аппаратно-программный комплекс для автоматической калибровки средств измерения температуры с беспроводным интерфейсом//Измерительная техника. - 2013. - № 5. - С. 23-26.

9. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Медведев В.А., Штерн М.Ю., Миронов P.E. Оценка неопределенности измерения индивидуального потребления тепловой энергии// Метрология. - 2013. - № 5. - С. 19-25.

10. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Медведев В.А., Миронов P.E., Караваев И.С. Методы определения индивидуального потребления тепло-

вой энергии, реализованные на базе интеллектуальной системы контроля энергоресурсов// Измерительная техника. - 2013. - № 2. - С. 46-50.

11. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Шерченков A.A., Рыгалин Д.Б., Миронов P.E. Беспроводные измерители температуры для дистанционного мониторинга и энергосберегающих технологий// X межд. конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века»/Сб. докладов. -2009. -Т.1 .-С. 39-45.

12. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Миронов P.E., Штерн М.Ю. Средства измерения для беспроводного мониторинга температуры теплоносителя в системах теплоснабжения// Энергосбережение в системе теплоснабжения. Повышение энергетической эффективности: 1-я Межд. научно-практическая конф.. Сборник докладов - СПб, 2010, С.78-83.

13. Кожевников Я.С., Караваев И.С. Разработка аппаратно-программного метода термокомпенсации для высокоточных средств измерения термодинамических параметров// 18-я Всерос. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика - 2011». - М.: МИЭТ, 2011. - С. 107.

14. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Рыгалин Д.Б., Доронин С.Ю., Миронов P.E. Интеллектуальная система учета индивидуального потребления тепла// 12-я межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века». - Воронеж, 2011. - Т.21. - С. 738-744.

15. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Доронин С.Ю., Караваев И.С., Миронов P.E., Кожевников К.С. Разработка математической модели и аппаратно-программного метода термокомпенсации для беспроводных измерителей температуры// 12-я межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века». - Воронеж, 2011.- Т.21. - С. 745-754.

16. Кожевников Я.С., Медведев В.А., Штерн М.Ю. Беспроводный термометр для виртуального квартирного теплосчетчика// Энергосбережение в системах тепло- и газоснабжения. Повышение энергетической эффективности: III межд. НТ. конф. Сборник докладов - СПб, 2012, С.51 -60.

17. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Миронов P.E., Караваев И.С. Инновационный метод учета индивидуального потребления тепловой энергии// Материалы XIV межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века». - 2013. - Т.2 . - С. 448-457.

18. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Медведев В.А., Штерн М.Ю., Миронов P.E. Оценка погрешности измерения тепловой энергии в интеллектуальной системе контроля и учета потребления энергоресурсов// Материалы 4-й научно-практической конференции "Энергосбережение в системах тепло- и газоснабжения. Повышение энергетической эффективности". СПб, 2013 г.-С.202-209.

19. Патент № 2296962. РФ, МПК G 01 К 7/18. Устройство для локального измерения температуры / B.C. Пичугин, Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, C.B. Сурин, опубл. 10.04.07. Бюл. №10.

20. Свидетельство № 2007614861. РФ. Универсальная программа для многоканального термометра ТЭН-4 / Е.В. Барсуков, Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, A.C. Жомов, зарегистр. 26.11.07.

21. Патент № 2373502. РФ, МПК G01K 1/14, G01K 7/16. Устройство для измерения температуры теплоносителя/ В.А. Беспалов, Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, Д.Б. Рыгалин, опубл. :20.11.2009, Бюл. №32.

22. Патент №2374566. РФ, МПК F24 D 19/00. Система измерения и учета поквартирного потребляемого тепла в системах теплоснабжения /В.А. Беспалов, Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, Д.Б. Рыгалин, опубл. :27.11.2009, Бюл. №33.

23. Патент № 2380620. РФ, МПК F24 D 19/00. Система измерения и учета поквартирного потребляемого тепла в системах теплоснабжения для двухтрубной системы/ Беспалов В.А., Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыгалин Д.Б, опубл. :27.01.2010, Бюл. №3.

24. Патент № 2450250, РФ, МПК G01K 1/14, G01K 7/16. Устройство для измерения температуры теплоносителя и беспроводный измеритель температуры/ Я.С. Кожевников, Ю.И. Штерн, В.А. Беспалов, Д.Б. Рыгалин, опубл.: 10.05.2012, бюл. №13.

25. Патент № 2466365. РФ, МПК G01K 1/14, G01K 7/00. Накладной беспроводной измеритель температуры поверхности объекта/ Я.С. Кожевников, Ю.И. Штерн, В.А. Беспалов, Д.Б. Рыгалин, опубл.: 10.11.2012, бюл. №31.

26. Свидетельство № 201061084. РФ. Универсальная программа для испытания автономных элементов питания/ Штерн Ю. И., Беспалов В. А., Рыков В М., Кожевников Я. С., Рыгалин Д. Б., Миронов Р. Е., зарегистр. 27.01.2010.

27. Свидетельство №2010610839. РФ. Программа для аналого-цифрового преобразования и передачи данных в беспроводных измерителях температуры/ Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Штерн М.Ю, Миронов P.E., зарегистр. 27.01.2010.

28. Свидетельство №2010611349. РФ. Универсальная программа мониторинга беспроводных средств измерения температуры/ Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Доронин С.Ю., Барсуков Е.В., Рыков В.М., Миронов P.E., зарегистр. 16.02.2010.

29. Свидетельство №2011610219. РФ. Программа для дистанционного мониторинга высокоточных средств измерения температуры/

Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Лисичкин Д. П., Штерн М. Ю., Миронов Р. Е., зарегистр. 11.01.2011.

30. Свидетельство № 2011610220. РФ. Программа для тестирования беспроводных измерителей температуры/ Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Доронин С. Ю., Рыков В. М., Миронов Р. Е., Штерн М. Ю., зарегистр. 11.01.2011.

31. Свидетельство №2011610850. РФ. Универсальная программа для высокоточных средств измерения температуры / Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Миронов Р. Е., Штерн М. Ю. зарегистр. 19.01.2011.

32. Свидетельство № 2011618256. РФ. Программа для тестирования беспроводных устройств индивидуального учета тепловой энергии/ Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Доронин С. Ю., Рыков В. М., Миронов Р. Е., Штерн М. Ю., зарегистр. 19.10.2011.

33. Свидетельство № 2011618255. РФ. Программа для контроля достоверности приемо-передающих характеристик маломощных радио-трансиверов/ Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Доронин С. Ю., Караваев И. С., Миронов Р. Е., зарегистр. 19.10.2011.

34. Свидетельство № 2012618647. РФ. Программный комплекс для интеллектуального датчика температуры накладного типа с беспроводным интерфейсом/ Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Караваев И. С., Штерн М. Ю., Миронов Р. Е., зарегистр. 21.09.2012.

35. Свидетельство № 2012618646. РФ. Программный комплекс для дифференциального измерителя температуры с беспроводным интерфейсом/ Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Штерн М. Ю., Караваев И. С., Миронов Р. Е., зарегистр. 21.09.2012.

36. Свидетельство № 2012660742. РФ. Программа идентификации пользователей интеллектуальной системы контроля и учета энергоресурсов/ Беспалов В.А., Рыгалин Д.Б., Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., зарегистр. 21.09.2012.

37. Свидетельство № 2012660439. РФ. Программа создания графической матрицы для конфигурации интеллектуальной системы контроля и учета энергоресурсов/ Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Доронин С. Ю., Штерн М.Ю., Караваев И. С., Миронов Р. Е., зарегистр. 20.11.2012.

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1,7. Тираж 100 экз. Заказ № 80.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МИЭТ

На правах рукописи Экз. №

04201451016

КОЖЕВНИКОВ ЯКОВ СЕРАФИМОВИЧ

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

Оглавление

Введение 5

Глава 1. Современные проблемы контроля индивидуального потребления тепловой энергии 15

1.1. Учет тепловой энергии в зданиях и сооружениях 15

1.2. Методы контроля индивидуального потребления тепловой энергии 17

1.3. Перспективы и проблемы создания интеллектуальной системы контроля расхода энергоносителей 21

1.3.1. Интеллектуальные системы контроля и аппаратно-программные средства для их реализации 23

1.3.2. Беспроводные технологии передачи информации 24

1.3.3. Высокоточные электронные средства измерения температуры 40

1.3.4. Метрологическое обеспечение диссертационных исследований 42

1.4.Выводы по главе 1 44 Глава 2. Разработка математических моделей и аппаратно-программных средств для высокоточных измерителей температуры 47

2.1. Математическая модель расчета температуры и аппаратные средства

для термометров с аналоговой схемой обработки данных 48

2.2. Математическая модель и аппаратно-программные средства для высокоточных электронных измерителей температуры 52

2.3. Математическая модель расчета температуры и аппаратно-программные средства для многоканальных электронных термометров 58

2.4. Математическая модель для высокотемпературных электронных термометров 62

2.5. Выводы по главе 2 66 Глава 3. Принцип построения интеллектуальной системы контроля индивидуального потребления энергоносителей 68 3.1. Структура интеллектуальной системы контроля параметров энергоносителей 69

3.2. Концепция построения виртуальных измерительных каналов для контроля расхода тепловой энергии 73

3.3. Разработка и исследование электронных компонентов для интеллектуальной системы контроля энергоносителей 75

3.4. Алгоритм функционирования интеллектуальной системы контроля энергоносителей. 84

3.4.1. Разработка программного обеспечения 87

3.4.2. Разработка протокола обмена информацией оконечных устройств в системе 97

3.4.3. Разработка протокола обмена информацией между клиентом

и сервером 99

3.5. Выводы по главе 3 104 Глава 4. Разработка и исследование интеллектуальных датчиков температуры с беспроводным интерфейсом 105

4.1. Структурная схема измерителя температуры 105

4.2. Разработка математической модели и алгоритма расчета температуры 112

4.3. Разработка конструкционно-технологических решений для измерителя температуры 116

4.4. Разработка методик и аппаратно-программных комплексов для автоматизированной калибровки средств измерения температуры с беспроводным интерфейсом 119

4.4.1. Разработка методики и измерительных комплексов для аппаратно - программной термокомпенсации измерительной схемы интеллектуального датчика температуры 120

4.4.2. Методика и аппаратно-программный комплекс для индивидуальной калибровки измерителя температуры 129

4.5. Расчет погрешности интеллектуального датчика температуры 135

4.6. Выводы по главе 4 139 Глава 5. Разработка метода определения индивидуального потребления тепловой энергии 140 5.1. Разработка метода и математических моделей для определения индивидуального потребления тепловой энергии 140

5.2. Оценка неопределенности измерения индивидуального потребления тепловой энергии 148

5.3. Выводы по главе 5 155 Глава 6. Разработка метрологического обеспечения диссертационных исследований 156

6.1. Реконфигурируемый измерительный комплекс и методика для исследования электронных термометров и датчиков температуры 156

6.2. Методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования приемо-передающих устройств 160

6.3. Методика и аппаратно-программный комплекс для испытания источников тока 168

6.4. Методика и измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования и аттестации электронных компонентов и интеллектуальной системы контроля энергоносителей 175

6.5. Выводы по главе 6 186 Заключение 188 Список литературы 191 Приложение: Акты внедрения 200

Введение

Контроль расхода энергоносителей в настоящее время является одной из важнейших задач науки и техники. Внедрение энергосберегающих технологий не возможно без объективного учета потребления энергоносителей. Особенно это актуально для индивидуального учета, что позволяет стимулировать население к экономии энергоносителей.

Анализируя методы и средства измерения расхода энергоносителей, необходимо отметить, что наиболее сложной и не однозначно решенной задачей является учет индивидуального потребления тепловой энергии. Особенно актуально решение этой проблемы в жилищно-коммунальном хозяйстве. Необходимо отметить, что по данным Международного энергетического агентства, 47% потребляемой в мире энергии используется на создание комфортной температуры в зданиях. >

В Федеральном законе Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ отмечено, что собственники жилых домов, собственники помещений в многоквартирных домах обязаны обеспечить оснащение домов приборами, в том числе индивидуальными, учета тепловой энергии.

Для индивидуального учета тепла, при двухтрубной горизонтальной схеме построения системы отопления, могут быть использованы, так называемые, квартирные теплосчетчики.

Популярны за рубежом и начинают применяться в нашей стране электронные приборы, с помощью которых по измерению и интегрированию температурного напора между поверхностью отопительного прибора (теплообменника) и воздухом в помещении, с учетом конструкции этого теплообменника и профиля распределения температуры на его поверхности, определяют долю тепловой энергии, выделяемой данным отопительным прибором. С помощью этих электронных приборов тепловая энергия, затраченная на отопление жилого дома, распределяется между индивидуальными потребителями пропорционально их показаниям. Назовем эти приборы «пропорционаторами», часто их также называют распределителями тепла.

Рассмотренные технические решения для индивидуального учета потребления тепловой энергии имеют ряд недостатков. Квартирные теплосчетчики возможно использовать только в тех домах, где установлена двухтрубная горизонтальная система отопления. Квартирные теплосчетчики должны использоваться при разности температур на подающем и обратном трубопроводах системы отопления не менее (3-^5) °С. Такое значение АТ имеет место, в лучшем случае, в 3-х комнатных квартирах и более. Необходимо также отметить, что удельная доля квартир с двухтрубной горизонтальной разводкой в России ничтожно мала.

При реализации метода определения тепла, основанного на использовании пропорционаторов, их необходимо устанавливать на каждом отопительном приборе (теплообменнике), размещенном в квартире. Причем технология установки пропорционаторов строго регламентирована для каждого типа теплообменников, в том числе их мощности. Методика расчета тепла также корректируется для каждого типа теплообменников. В настоящее время это пока доминирующий способ оценки индивидуального потребления тепла в многоквартирных домах, который активно готовится для внедрения в нашей стране. К недостаткам рассмотренного метода необходимо отнести следующее. Этот метод не позволяет осуществлять прямое измерение тепловой энергии, поэтому имеет место достаточно высокая погрешность распределения индивидуального потребления тепла, которая определяется рядом методических и технологических факторов. Для реализации данной системы необходимо, чтобы пропорционаторы были установлены не менее, чем в 75% помещений дома. Исходной величиной для расчета тепла при использовании пропорционаторов являются показания домового теплосчетчика. Таким образом, без этих показаний невозможна реализация данного метода учета индивидуального потребления тепла. Важно отметить, что этот метод не позволяет измерять тепло, выделенное трубами стояков, размещенных в квартирах, и исключает возможность измерения общедомовых затрат тепловой энергии.

Рассмотрим основные проблемы, создания эффективных методов и средств для прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии. Основная погрешность при измерении тепла определяется погрешностью измерения

температуры. В связи с этим, методам и средствам измерения температуры в диссертации уделяется особое внимание. Проведенный анализ результатов, полученных разработчиками электронных средств измерения температуры, позволил сделать . вывод о необходимости проведения математического моделирования температурных зависимостей физических параметров датчиков температуры, с целью разработки оптимальных математических моделей, описывающих с необходимой и достаточной точностью зависимость физических параметров датчиков для конкретных конструкторских решений электронных термометров. Необходима также разработка соответствующих аппаратно -программных средств, реализующих созданные математические модели в электронных термометрах. Кроме того, при разработках высокоточных электронных средств измерения температуры для систем контроля индивидуального потребления тепловой энергии требуется комплексное решение следующих задач: разработка современных, в том числе интеллектуальных, обладающих высокой стабильностью датчиков температуры; разработка оригинальных схемотехнических и конструкторских решений для высокоточных средств измерения температуры, включая средства с беспроводным интерфейсом; разработка аппаратно-программных средств, обеспечивающих высокое быстродействие операций преобразования измеряемого сигнала в температуру и реализующих сервисные возможности электронных термометров.

Успехи в области микропроцессорной техники и информационных технологий привели к созданию нового типа систем измерений, обработки информации и управления - интеллектуальных систем[1-4], объединяющих технические и программные средства, способных синтезировать цель, принимать решение к действию, обеспечивать действие для достижения цели, прогнозировать значения параметров результата действия и сопоставлять их с реальными, а также, образуя обратную связь, корректировать цель или управление [5]. Принцип построения интеллектуальной системы для контроля энергоносителей, который базируется на интеграции в единый информационно-измерительный комплекс измерительных, исполнительных, включая приемо-передающие устройства и аппаратно-программных средств, использован нами при реализации концепции измерения индивидуального потребления тепловой энергии.

Целесообразно разработка такой интеллектуальной системы, которая представляет собой распределенную сеть из необслуживаемых и не требующих специальной установки автономных интеллектуальных беспроводных оконечных устройств и ретрансляторов. Каждый узел сети должен представлять собой беспроводный измеритель определенного параметра системы, или же устройство управления исполнительными механизмами с микроконтроллером и радио-трансивером. Это позволит узлу сети выполнять измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой. В этой связи, в данной диссертационной работе большое внимание уделено выбору оптимальных технологии и протоколу беспроводной передачи информации, а также разработке аппаратно - программных средств для их реализации.

Непременным условием создания высокоэффективных электронных приборов и тем более средств измерения является комплексное исследование физических параметров чувствительных элементов датчиков, функциональных и эксплуатационных характеристик приборов. Так как принцип построения системы заключается в интеграции в единый информационно-измерительный комплекс различных измерительных, исполнительных, включая приемо-передающие устройства, и аппаратно-программных средств, поэтому диссертационные исследования затрагивают широкий спектр измерений и испытаний. Для этих целей необходимо создание соответствующего метрологического обеспечения, позволяющего проводить исследования и контролировать физические параметры датчиков, функциональные и эксплуатационные характеристики электронных компонентов, входящих в структуру интеллектуальных систем контроля энергоносителей на всех стадиях их разработки и серийного производства.

Работы в направлении поиска методов определения индивидуального потребления тепловой энергии ведутся многими исследовательскими лабораториями и фирмами, разрабатывающими и производящими контрольно-измерительные приборы для определения расхода энергоносителей. Однако в настоящее время не существует эффективного метода и средств для прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, которые возможно использовать для любых известных способов построения систем отопления.

Объект исследований диссертационной работы - методы и средства контроля параметров и расхода энергоносителей.

Предмет исследований - методы и аппаратно-программные решения для контроля индивидуального потребления тепловой энергии.

Целью диссертационной работы является: разработка методов, электронных приборов и аппаратно-программных средств для контроля индивидуального потребления тепловой энергии с использованием виртуальных измерительных каналов, реализованных на базе интеллектуальной системы контроля энергоносителей.

Для достижения указанной цели требуется комплексный подход к процессу исследований, в результате которого необходимо решить следующие задачи:

- разработать математические модели, описывающие с необходимой и достаточной точностью зависимость термометрических параметров датчиков температуры, разработать аппаратно-программные средства, реализующие полученные математические модели в электронных средствах измерения температуры, изготовить их и провести исследования;

- определить принцип построения интеллектуальной системы контроля индивидуального потребления энергоносителей (ИСКЭ);

- определить концепцию измерения индивидуального потребления тепловой энергии;

- разработать структуру, изготовить и провести исследования и испытания ИСКЭ, в том числе, с целью подготовки к сертификации;

- разработать, изготовить и провести исследования на соответствие техническим характеристикам электронные компоненты ИСКЭ;

- разработать алгоритмы и комплекс аппаратно-программных средств для функционирования электронных компонентов, расчета термодинамических параметров, осуществления приемо - передачи данных по радиоканалу в структуре ИСКЭ;

- разработать высокоточный интеллектуальный датчик температуры с беспроводным интерфейсом и метод автоматизированной калибровки датчика в процессе серийного производства;

- разработать метод и математические модели для термокомпенсации электронных компонентов средств измерения физических параметров;

- разработать метод и математические модели для определения индивидуального потребления тепловой энергии;

- разработать методики и измерительные комплексы для исследования физических параметров датчиков температуры, функциональных и эксплуатационных характеристик электронных компонентов ИСКЭ, провести их испытания с целью оптимизации параметров и подготовки к сертификации, как электронных компонентов, так и ИСКЭ в целом.

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании комплексного, научно-обоснованного подхода к разработке методов моделирования и исследования физических параметров датчиков, электронных приборов, аппаратно-программных средств, и создание на их основе интеллектуальной системы контроля индивидуального потребления тепловой энергии, и состоит в следующем:

1. В результате исследования и моделирования температурных зависимостей термометрических параметров датчиков температуры, разработаны и обоснованы математические модели, описывающие с высокой точностью изменения физических параметров датчиков, и позволяющие рассчитывать температуру с погрешностью, не превышающей 5 • 10"3 К.

Предложены математические модели для средств измерения температуры с аналоговой и цифровой схемами обработки сигнала, а также для многоканальных электронных термометров.

Разработаны оригинальные конструкционно-технологические,

схемотехнические и аппаратно-программные решения для высокоточных электронных средств измерения температуры.

2. Разработан метод прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, основанный на испол�