автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Многофункциональный тепловычислитель-теплосчетчик с повышенными метрологическими характеристиками и диагностическими возможностями

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. УВЕЛИЧЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АЦП ВСТРОЕННЫХ В МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ MCS

1.1 Особенности MCS 196. Встроенный АЦП

1.2 Расширение функциональных возможностей встроенных АЦП 12 микроконтроллеров применительно к многоканальным теплосчетчикам

1.3 Повышение разрешающей способности АЦП при использовании 29 метода накопления

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ТЕПЛОСЧЕТЧИКА НА БАЗЕ MCS

2.1 Уменьшение температурной погрешности при многоканальном 46 измерении температуры

2.2 Структурная схема многофункционального теплосчетчика

2.3 Особенности программного обеспечения многофункционального 67 теплосчетчика

ГЛАВА 3. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ТЕПЛОСЧЕТЧИКА

3.1 Диагностика обрывов и коротких замыканий

3.2 Диагностика нештатных ситуаций при определении тепловой 86 энергии

3.3 Результаты испытаний многофункционального теплосчетчика 103 "Тепло-2"

При учете тепловой энергии на центральных тепловых пунктах, ТЭЦ, котельных, индивидуальных тепловых пунктах с несколькими финансово независимыми субабонентами возникает необходимость измерения и вычисления значительного числа параметров: расхода, температуры и давления теплоносителя (одновременно по нескольким каналам), количества тепловой энергии (одновременно по нескольким контурам теплопотребления), их средних или накопленных значений за определенный промежуток времени (час, сутки, тепловой сезон) и т.д. Наряду с такой многофункциональностью средства учета тепловой энергии должны иметь высокую точность (цена за тепловую энергию непрерывно растет) в широком диапазоне измерения, развитую самодиагностику и диагностику теплового пункта, высокую надежность функционирования и т.д. Эти средства учета, по своей сути, являются специализированными информационно-измерительными системами (теплоизмерительными системами). Для их обозначения среди специалистов и потребителей широко распространен термин "теплосчетчик", который и используется в дальнейшем в настоящей работе. Часть теплосчетчика без преобразователя расхода часто называют тепловычислителем.

Решение перечисленных выше задач возможно в том случае, если теплосчетчик имеет, с одной стороны, мощный процессор, с другой стороны, высокоточную многоканальную систему преобразования аналоговых сигналов в код (АЦП). При этом также важно (с точки зрения надежности, компактности, малого потребления, в конечном счете, стоимости) использование современных микросхем высокой степени интеграции. Таким требованиям в определенной степени удовлетворяют ряд микроконтроллеров со встроенными АЦП ведущих зарубежных фирм, в частности, микроконтроллеры семейства MCS 196 фирмы Intel. Располагая потенциально необходимыми вычислительными возможностями такие микроконтроллеры, в то же время, не удовлетворяют по требуемой точности в широком диапазоне измерения: их встроенный АЦП - 10 разрядный, однополярный с верхним пределом измерения +5В. В рассматриваемой области нередко требуется измерять двухполярные сигналы, амплитуда которых изменяется от существенно меньшего значения, чем квант АЦП (5В/1024), до большего значения, чем 5В. Вопросы расширения потенциальных возможностей микроконтроллеров со встроенным АЦП, в частности MCS 196, с такой точки зрения ранее не рассматривались.

При разработке теплосчетчиков не уделяется достаточного внимания тому обстоятельству, что тепловычислителю теплосчетчика приходится часто работать в широком диапазоне температур окружающей среды. Как следствие это приводит к значительной температурной погрешности каналов измерения, что недопустимо. Отсутствуют в литературе и ответы на существенные для практики вопросы о том, какой должна быть структура программного обеспечения для надежной работы теплосчетчика, какие нештатные ситуации должен обнаруживать теплосчетчик, используя информацию, получаемую им в процессе выполнения основных функций, и как он должен на них реагировать.

Все эти вопросы являются актуальными и составляют предмет исследования в данной работе.

Целью диссертационной работы является разработка принципа построения, создание и исследование многофункциональных теплосчетчиков на базе микроконтроллера MCS 196 с повышенными метрологическими и диагностическими возможностями. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка принципа кондиционирования аналоговых сигналов для микроконтроллеров со встроенным АЦП, позволяющего увеличить диапазон и точность преобразуемых ими двухполярных напряжений.

2. Исследование возможностей повышения разрешающей способности встроенных АЦП при использовании метода накопления и дозированного подмешивания случайных помех.

3. Анализ возможностей уменьшения дополнительной погрешности от изменения температуры окружающей среды при многоканальном измерении температуры и разности температур теплоносителя в трубопроводах системы теплоснабжения.

4. Анализ нештатных ситуаций, которые может обнаруживать теплосчетчик, используя информацию, получаемую им в процессе выполнения основных функций.

5. Разработка принципа построения программного обеспечения теплосчетчика, позволяющего повысить надежность его работы.

6. Создание многофункционального теплосчетчика на базе микроконтроллера MCS 196, его программного обеспечения, проведение испытаний для целей утверждения типа.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложен принцип кондиционирования аналоговых сигналов для микроконтроллеров со встроенными АЦП, основанный на использовании программно-управляемого усилителя, цифроаналогового преобразователя и алгоритма, обеспечивающего определение кода ЦАП и коэффициентов усиления так, чтобы на входе АЦП медиана сигнала соответствовала середине диапазона АЦП, а отношение диапазона АЦП к размаху сигнала было меньше дискретности коэффициента усиления. Теоретически и экспериментально проанализированы потенциальные возможности предложенного принципа по повышению точности, разрешающей способности и расширению диапазона измерения, в том числе, двухполярных сигналов, АЦП, встроенных в микроконтроллер.

2. Экспериментально показана целесообразность дозированного подмешивания случайных помех в теплосчетчиках, работающих в режиме многократного накопления, для уменьшения погрешности квантования АЦП, встроенных в микроконтроллер теплосчетчика. Такое подмешивание автоматически реализуется в той или иной степени за счет собственных шумов предварительных усилителей, что необходимо учитывать при оценке метрологических характеристик теплосчетчика для различных значений его входных параметров.

3. Получено выражение для оценки дополнительной погрешности измерения температуры в многоканальных системах, обусловленной изменением температуры окружающей среды, учитывающее температурные коэффициенты сопротивления эталонных резисторов, включаемых на входе двух вспомогательных каналов. На этой основе реализован алгоритм, экспериментальные исследования которого показали, что указанная дополнительная погрешность уменьшается до 10 раз при измерении температуры, до 5 раз при измерении разности температур и что имеет место удовлетворительное совпадение результатов эксперимента со значениями, рассчитанными по полученном}' выражению.

4. Показано, что обрыв в некоторых цепях аналоговых сигналов теплосчетчика может быть обнаружен только по мгновенным отсчетам АЦП (превышению их кода над уставкой, соответствующей перегрузке одного из узлов измерительного канала), а некоторых цепей - только по предварительно обработанным (текущим) значениям АЦП (появлению текущих значений, меньших некоторого допустимого).

5. Предложено нештатные ситуации типа "отрицательная разность температур" и "отрицательные утечки" обнаруживать по отрицательному знаку накопленных в течение часа текущих значений (со своими знаками) соответственно составляющей тепловой энергии, рассчитываемой для закрытой системы теплоснабжения, и составляющей тепловой энергии, рассчитываемой по формуле, учитывающей потери энергии с утечкой теплоносителя.

- 7

Практическая ценность:

1. Разработаны и реализованы программное обеспечение и схема кондиционирования аналоговых сигналов для микроконтроллеров со встроенным АЦП, позволяющие существенно увеличить диапазон и точность преобразуемых АЦП двухполярных напряжений.

2. Разработаны алгоритм и структурная схема многоканального измерения температур и разности температур теплоносителя, обеспечивающие уменьшение соответственно до 10 и 5 раз дополнительной погрешности от изменения температуры окружающей среды от + 5 до + 50°С.

3. Разработаны алгоритмы обнаружения различных нештатных ситуаций, возникающих при работе теплосчетчика, основанные на использовании информации, получаемой теплосчетчиком в процессе выполнения им основных функций.

4. Создан теплосчетчик на базе микроконтроллера MCS 196 "Тепло-2", который прошел испытания для целей утверждения типа и включен в Государственный реестр средств измерений под № 18567-99.

Реализация результатов работы: в НГТУ и ООО "Фирма СЭМ" с участием АОЗТ "БСКБ" организовано производство теплосчетчиков "Тепло-2". Изготовлено и поставлено на объекты свыше 100 "Тепло-2".

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложен принцип кондиционирования аналоговых сигналов для микроконтроллеров со встроенными АЦП, основанный на использовании программно-управляемых усилителей с цифроаналоговым преобразователем и алгоритма, обеспечивающего определение кода ЦАП и коэффициентов усиления так, чтобы на входе АЦП медиана сигнала соответствовала середине диапазона АЦП, а отношение диапазона АЦП к размаху сигнала было меньше дискретности коэффициента усиления. Теоретически и экспериментально проанализированы потенциальные возможности предложенного принципа по повышению разрешающей способности, расширению диапазона измерения АЦП встроенных в микроконтроллер и показано, что диапазон измеряемого напряжения с 0.+5В увеличивается до -7.5В. 12.5В, а разрешение - с 10 до 13 двоичных разрядов.

2. Экспериментально показана целесообразность дозированного подмешивания случайных помех в теплосчетчиках, работающих в режиме многократного накопления, для уменьшения погрешности квантования АЦП, встроенных в микроконтроллер теплосчетчика. Наибольший достигнутый в этих экспериментах эффект - уменьшение погрешности квантования почти на порядок.

3. Получено выражение для оценки дополнительной погрешности измерения температуры в многоканальных системах, обусловленной изменением температуры окружающей среды, учитывающее температурные коэффициенты сопротивления эталонных резисторов, включаемых на входе двух вспомогательных каналов. На этой основе реализован алгоритм, экспериментальные исследования которого показали, что указанная дополнительная погрешность уменьшается до 10 раз при измерении

- 113температуры, до 5 раз при измерении разности температур. Также было показано, что при использовании предложенного алгоритма потенциально достижима дополнительная погрешность измерения температуры в ±0.016°С при изменении температуры окружающей среды в диапазоне ±5.±50°С.

4. Разработан и реализован принцип построения программного обеспечения, позволяющий повысить надежность работы многофункционального теплосчетчика.

5. Предложены алгоритмы автоматического выявления нештатных ситуаций, основанные на результатах измерения, получаемых теплосчетчиком в процессе выполнения своих основных функций, позволяющие проводить более тонкую диагностику (определять обрывы и короткие замыкания цепей, появление отрицательной разности температур и утечек).

6. Создан теплосчетчик на базе микроконтроллера MCS 196 «Тепло-2», который прошел испытания для целей утверждения типа и включен в Государственный реестр средств измерений.

Таким образом, в работе изложены научно обоснованные технические разработки, обеспечивающие решение важной прикладной задачи: создание тепловычислителей-теплосчетчиков с повышенными метрологическими характеристиками и диагностическими возможностями, обеспечивающих работу с первичными преобразователями расхода электромагнитного типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. David P. Ryan AP-406 MCS-96 Analog Acquisition Primer // Embedded Applications 1995/1996, vol.2-Intel Corp., 1995 pp.5-183-5-283.

2. MC68HC11 Reference Manual Prentice Hall, 1989.

3. TMS370 Family Data Manual Texas Instruments Inc., 1993.

4. MSP430 Application Report Texas Instruments Inc., 1998.

5. ADuC812 MicroConverter™, Multichannel 12-Bit ADC with Embedded FLASH MCU // http://www.analog.com/ADuC812

6. XX-E88LC01/03/05 Ultra Low-Power Mixed-Signal Microcontroller Data Book // http://www.xemics.ch/xe8000databook.pdf

7. Квеглис C.B. О расширении возможностей встроенных АЦП современных микроконтроллеров // Материалы конференции ИНПРИМ-2000 Новосибирск, 2000, с.23.

8. Mixed-Signal and DSP Design Techniques Analog Devices Inc, 2000.

9. Грушвицкий Р.И., Мурсаев A.X., Смолов В.Б. Аналого-цифровые периферийные устройства микропроцессорных систем JL: Энергоатомиздат, 1989.

10. Шлыков Т.П. Аппаратурное определение погрешностей цифровых приборов. М.: Энергоатомиздат, 1984.-11515. Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. М.:Изд-во стандартов, 1972.

11. Алексеев А.И., Шереметьев А.Г. и др. Теория и применение псевдослучайных сигналов. М.: Наука, 1969.

12. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы обработки данных : Пер. с англ. М.: Мир, 1980.

13. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы : Пер. с англ. М.: Мир, 1982.

14. Малиновский В.Н., Панфилов В.А. Классификационные признаки схем автоматической компенсации систематических погрешностей // Измерительная техника М., 1982 - №12. - с.51-53.

15. Алиев Т.М. и др. Итерационные методы повышения точности измерений. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

16. Коломиец О.М., Прошин Е.М. Автоматический выбор диапазона измерений в цифровых приборах. М.: Энергия, 1980.

17. Бахтиаров Г.Д. и др. Аналого-цифровые преобразователи М.: Советское радио, 1980.

18. Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания и поверка. М.: Энергоатомиздат, 1990.

19. Баран Е.Д., Квеглис С.В., Кожекин В.В., Рогачевский Б.М.

20. Компенсация погрешности от изменения температуры окружающей среды в многоканальной системе измерения температуры // Сборник научных трудов НГТУ, №2(19), 2000, с.5-11.

21. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование М.: Энергоатомиздат, 1985.

22. Материалы корпоративного сайта фирмы Analog Devices Inc. // http ://www. analog, com

23. Материалы корпоративного сайта фирмы Burr Brown Corp. // http://www.bbrown.com-11628. Материалы корпоративного сайта фирмы Texas Instruments Inc. // http: //w w w. t i. com

24. Материалы корпоративного сайта фирмы Maxim 1С Inc. /У http://www.maxim-ic.com

25. Материалы корпоративного сайта фирмы Linear Technology Corp. // http ://www. linear-tech .com

26. Материалы корпоративного сайта фирмы Cirrus Logic Corp. // http ://w ww. cirrus. com

27. Чернов В.Г. Устройства ввода-вывода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных М.: Машиностроение, 1988.

28. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М: Энергоатомиздат, 1990.

29. AD7233 LC2MOS 12-Bit Serial Mini-DIP DACPORT // Data Converter Reference Manual, vol. 1 - Analog Devices, Inc., 1992 - pp.2-339-2-346.

30. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров : Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1984.

31. Metal Film Fixed Resistors // http://vvww.taiohm.com.tw/english/p 1 .htm

32. Metal Film Resistors // http://www.ohmite.com/catalog/metal devi 1 .htm 1

33. Ultra Precision Metal Film Resistors // http://www.rgaco.com/catalog/er/UltPreMtlFlmRes.pdf

34. KP Series Polypropylene Film Capacitor // http://www.arcotronics.com/pdf/ec/pl2.pdf

35. MKP Series Metallized Polypropylene Film Capacitor // http: //www. ar cotr on i с s. с om/p df/ec/p 14. pd f

36. AD7740 3V/5V Low Power, Synchronous Voltage-to-Frequency Converter // http ://www.analog.com/pdf/AD7740 a.pdf

37. Tom Williamson AP-125 Designing Microcontroller Systems for Electrically Noisy Environments // Embedded Applications 1995/1996, vol.2 Intel Corp., 1995 - pp.7-1-7-23.

38. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. М.: Наука, 1981 800с.

39. Липаев В.В. Надежность программных средств. М.:СИНТЕГ, 1998.

40. Штрик А.А., Осовецкий Л.Г., Мессих И.Г. Структурное проектирование надежных программ встроенных ЭВМ. Л.: Машиностроение, 1989.

41. AD654 Low Cost Monolithic Voltage-to-Frequency Converter // Data Converter Reference Manual, vol. 2 Analog Devices, Inc., 1992 - pp.3-43-3-50.

42. AD650 Voltage-to-Frequency and Frequency-to-Voltage Converter // Data Converter Reference Manual, vol. 2 Analog Devices, Inc., 1992 - pp.3-15-3-26.

43. СИСТЕМА ТЕПЛОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ "ТЕПЛО-2" Руководство по эксплуатации 4218-003-02068953-99 РЭ НГТУ, 1999.

44. ТЕПЛОСЧЕТЧИК-РЕГИСТРАТОР "ВЗЛЕТ TCP". Руководство по эксплуатации В20.00-00.00РЭ ЗАО "Взлет", 1999.

45. ТЕПЛОВЫЧИСЛИТЕЛЬ СПТ961. Руководство по эксплуатации РАЖГ.421412.012 РЭ НПО "Логика", 2000.

46. ТЕПЛОЭНЕРГОКОНТРОЛЛЕР ТЭКОН 10. Руководство по эксплуатации Т10.00.13 РЭ ЗАО "Крейт", 2000.

47. РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МР400. Техническое описание и руководство по эксплуатации В25.00-00.00 ТО ЗАО "Взлет". 1999.

48. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя / П-683. Главгосэнергонадзор, М.: Изд-во МЭИ, 1995.t- ieo

49. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ И МЕТРОЛОГИИ (ГОССТАНДАРТ РОССИИ)1. СЕРТИФИКАТоб утверждении типа средств измерений

50. PATTERN APPROVAL CERTIFICATE OF MEASURING INSTRUMENTS1. RU. C. 32. 007. A^ 65001. Действителен до01".ажус.т.а.2.0М г.

51. Настоящий сертификат удостоверяет, что на основании положительных результатов испытаний утвержден тип.системы теплоизмерительной "ТЕПЛО-2"а.наименование средства измерений

52. Новосибирскии государственный технический университетнаименование предприятия-изготовителяjкоторый зарегистрирован в Государственном реестре.среяств измерений под № 18567-99 и допущен к применению в Российской Федерации.

53. Описаниетипа средства измеренийпривйценов пршт^кении киастоящему сертификату.

54. Заместитель Председат^^^^^Х^ Sf- В.Н.Крутиков Госстандарта России Ц /s/г/*/ I ^ .^3.-» 0.7.199 9г.1. Продлен до

55. Заместитель Председат Госстандарта России1. U 11200 г.. 200 г.

56. Муниципальное унитарное предприятие1. ЦРРГМя1. ЧУ 1 I и i t- XJL -fx.630005, Новосибирск-5, ул. Некрасова,53 тел. .24-09-07, факс 24-99-84

57. ИНН 5406153744, ОКНО 49082179, OKOIIX 90215,' БЙЙ045017711

58. Р/с 4060281 (Й040000000 в АКБ Новосибирский Муниципальный Банк, К/с 30101810100000000711tSMQU^ t/fна № от1. ОТЗЫВ

59. На 01.12.2000 г. на балансе МУП «Энергия» находятся 415 ЦТП, 555 ИТП, 27 котельных.

60. ЦТП уже оборудованы приборами учета тепла, на 8 ЦТП установлены регуляторы температуры ГВС.

61. Кроме этого, теплосчетчики «Тепло-2» имеют возможность учета потребляемой холодной воды.

62. В 2001 году и далее МУП «Энергия» планирует использовать теплосчетчики «Тепло-2» для оснащения ими узлов учета тепловой энергии и теплоносителя на ЦТП. Ориентировочная потребность 50 шт. в год.

63. Зам. директора МУП «Энергия» ■ ~ :1. В.В. Островский- Ill отзыв

64. Ориентировочно потребность г. Новосибирска и области в приборах учета тепла составляет 10 тыс. штук. При этом ежегодно устанавливается около 300 штук. Средний уровень оснащения : : , •: Потребителей приборами учета тепловой энергии составляет около 7 %.

65. Теплосчетчики «Тепло-2» и «Тепло-3» могут поставляться как теплоизмерительные системы, так и как отдельные тепловычислители, способные работать с любыми типами датчиков расхода.

66. В г. Новосибирске также выпускаются ультразвуковые теплосчетчики «Тритон» и устанавливаются приборы учета тепла производителей других городов России и Зарубежья.

67. Считаем целесообразным организацию производства теплосчетчиков «Тепло-2» и «Тепло-3» в г. Новосибирске.1. Исполнительный директор

68. Фонда энергосбережения и развития ТЭК . . : . . ■ , ' ■

69. Новосибирской области О ' с АЛ.Шибанов- lib 1. МЭРИЯ1. КОМИТЕТ ПО ЭНЕРГЕТИКЕ630099, г.Новосибирск 99 Красный проспект, 34 Тел./факс 22-54-32от /^W На № от'1. РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ ОТЗЫВ

70. Совместно с Новосибирским Государственным техническим университетом ООО «Фирма СЭМ» осуществляет разработку и производство теплосчетчиков «Тешго-2».

71. Теплосчетчики ООО «Фирма СЭМ» установлены и эксплуатируются на таких объектах г.Новосибирска как: ■ мэрия, В НГАТО и Б, в театр Музкомедии, Ш институты СО РАН, в ряд других объектов бюджетной сферы.

72. В 2000 году ООО «Фирма СЭМ» продолжает работы по участию в программе «Энергосбережение», устанавливая системы учета, на ряде ЦТП Заельцовского вывода с Новосибирской ТЭЦ-4, объектах здравоохранения и ведомственных котельных.

73. Следует отметить обязательность, деловую активность и оперативность при выполнении подрядных работ ООО «Фирма СЭМ».

74. Опыт эксплуатации «Тепло-2», нацеленность разработчиков и производителей на совершенствованиетайяв&цетчика дают основания для продления срока действия экспертного зак*^чера^^ой«ергонадзора № Н-1 -ТС.1. Председатель В.В.Калинин- Ilk

75. Отзыв о работе теплоизмерительных систем «Тепло-2», установленных в котельной ОАО «Новосибирского завода конденсаторов».

76. ТГ.,„'.„.- —fC\t\C\ „Т.ГЗТ/\Л

77. Посредством дистанционного наблюдения с дисплея компьютера возможно осуществление контроля технического состояния системы теплоснабжения в целом.

78. Применение ТИС «Тепло-2» в ОАО «НЗК» позволило осуществить коммерческий учет отпускаемой тепловой энергии на жилую зону и технологический учет тепловой энергии, используемой на нужды предприятия.