автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и исследование теплосчетчика с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем теплоснабжения

ВВЕДЕНИЕ

1.ТЕПЛОСЧЕТЧИКИ С ИМПУЛЬСНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ РАСХОДА ДЛЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ. ТРЕБОВАНИЯ К ТОЧНОСТИ И АЛГОРИТМАМ РАБОТЫ

1.1. Учет тепла в открытых системах теплоснабжения

1.2. Погрешность измерения тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения

1.3. Анализ алгоритмов работы существующих теплосчетчиков с импульсными преобразователями расхода и микропотреблением

1.4. Выводы по 1-й главе

2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ТЕПЛОВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ С МИКРОПОТРЕБЛЕНИЕМ И ИМПУЛЬСНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ РАСХОДА ДЛЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

2.1. Предлагаемый алгоритм работы

2.2. Микроконтроллеры семейства М8Р430. Повышение точности встроенного АЦП

2.2.1. Особенности микроконтроллеров семейства М8Р

2.2.2. Повышение точности АЦП, встроенного в микроконтроллеры М8Р

2.3. Анализ энергопотребления

2.4. Выводы по 2-й главе

3. ТЕПЛОСЧЕТЧИК «ТЕПЛО-3»

3.1. Особенности аппаратно-программного решения

3.1.1. Структурная схема тепловычислителя

3.1.2. Конфигурирование

3.1.3'. Способы повышения надежности

3.2. Функциональные возможности

3.3. Результаты испытаний и эксплуатации

3.3.1. Испытания на проливной установке

3.3.2. Результаты длительной эксплуатации

3.3.3. Сравнительные испытания «Тепло-3» и СПТ

3.4. Выводы по 3-й главе

В связи с особенностями теплоснабжения зданий и плохим состоянием тепловых сетей в России актуальной является задача измерения тепловой энергии, потребляемой открытой системой водяного теплоснабжения. По сравнению с закрытой системой водяного теплоснабжения в открытой системе необходимо иметь не один, а два канала измерения расхода (один для измерения расхода в подающем трубопроводе, другой - в обратном трубопроводе) с малой разницей их характеристик в широком диапазоне изменения расходов [1ч-6 и др.].

Наиболее распространен на практике случай, когда разность расходов в подающем и обратном трубопроводах невелика. Но именно для такой ситуации очень важны количест венные требования к погрешности измерения разности расходов теплоносителя с учетом допустимой погрешности измерения тепловой энергии в открытой системе.

Для измерения расходов широко используются преобразователи расхода различных типов с импульсным выходом [7, 8 и др.]. Как правило, число импульсов в час при номинальном расходе у них менее 500^-600, а при переходных расходах - в пределах первых единиц-десятков импульсов. При этом импульсы с выходов преобразователей расхода в подающем и обратном трубопроводах не синхронизированы. В применяемых алгоритмах обрабо тки импульсов указанные обстоятельства, как правило, не учитываются, что не только приводит к дополнительным погрешностям, но и не позволяет осуществлять на проливной установке за приемлемый промежуток времени калибровку и выравнивание пары каналов расхода с высокой точностью в требуемом диапазоне расходов.

Весьма перспективным является построение теплосчетчиков с микропотреблением [9-И1]. Здесь важное значение наряду с использованием соответствующей элементной базы имеют оценка их потенциальных возможностей при измерении малых разностей температур, поиск алгоритмов устойчивой работы и малого времени пребывания в активном режиме.

Перечисленные вопросы детально не исследовались, но их решение необходимо для обоснованного проектирования теплосчетчиков с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем водяного теплоснабжения.

Целью работы являлась разработка алгоритмов и средств повышения точностных характеристик теплосчетчиков с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем водяного теплоснабжения. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- получить и проанализировать выражение для оценки максимальной погрешности определения тепловой энергии при малых разностях расходов в подающем и обратном трубопроводах;

- проанализировать алгоритмы работы наиболее распространенных на рынке тепловычислителей с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода. определяющие их основные метрологические характеристики;

- разработать алгоритмы работы, направленные на повышение точности измерения расхода и разности расходов при использовании импульсных преобразователей;

- разработать методы уменьшения систематической погрешности АЦП, встроенного в микроконтроллер М8Р430, и определить потенциальные возможности созданного на его основе теплосчетчика по точности измерения температуры и разности температур;

- разработать высокоточный теплосчетчик с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем водяного теплоснабжения, оценить его возможности по микропотреблению.

Научную новизну проведенных в работе исследований составляют:

1. Результаты анализа полученного выражения для оценки максимальной погрешности определения тепловой энергии в открытых системах водяного теплоснабжения, показавшие, что при малых разностях расхода и температур в подающем и обратном трубопроводах и допустимых по действующим правилам учета тепловой энергии погрешностям измерения масс теплоносителя, погрешность измерения тепловой энергии может существенно превышать требуемые 4-^5%.

2. Результаты анализа алгоритмов наиболее распространенных на рынке тепловычислителей с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода, показавшие, что при небольшом числе импульсов за час и неодновременности их появления в двух каналах расхода возникают значительные (до 10%) методические погрешности измерения массы.

3. Алгоритм, существенно уменьшающий методические погрешности определения масс и тепловой энергии тепловычислителями с импульсными преобразователями расхода в открытых системах водяного теплоснабжения, основанный на временной "привязке" импульсов "ведомого" капала к импульсам "ведущего" канала, учете неодновременности прихода этих импульсов, вычислении текущих масс и тепловой энергии и последующем их суммировании либо с приходом очередного импульса в "ведущий" канал, либо через заданный период дискретизации.

4. Алгоритм уменьшения погрешности аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер MSP 430, основанный на введении специальной аппаратно-программной коррекции и позволивший существенно уменьшить систематическую погрешность измерения температуры и разности температур.

Предложенные в работе алгоритмы и аппаратно-программные решения являются основой для проектирования теплосчетчиков с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем теплоснабжения.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Получено выражение для оценки погрешности определения тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения при малой разности расходов в подающем и обратном трубопроводах. Анализ его показал, что при погрешности измерения массы в подающем трубопроводе +2,0 %, в обратном трубопроводе -2,0 %, что допускается действующими правилами учета тепловой энергии, и разности температур 10°С, погрешность определения тепловой энергии может достигать 18 %, а при разности температур 2°С - 82 %. Сделан вывод о необходимости комплектной поверки теплосчетчика проливным методом с указанием для различных расходов значений систематических погрешностей каналов измерения расходов с их знаками и введения коррекции по каналам измерения расходов.

2. Проведен анализ алгоритмов работы наиболее распространенных на рынке тепловычислителей с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода, показавший, что в них заложены значительные методические погрешности (до 10%), обусловленные неучетом интервалов времени между началом часа и первым (последним) импульсом с преобразователя расхода и неучетом неравенства Чебышева. Эти обстоятельства существенно затрудняют выравнивание каналов расхода при калибровке на проливной установке и последующую поверку и могут приводить к значительным погрешностям определения разности масс в подающем и обратном трубопроводах.

3. Предложен алгоритм, уменьшающий методические погрешности определения масс и тепловой энергии тепловычислителями с импульсными преобразователями расхода в открытых системах водяного теплоснабжения, основанный на временной "привязке" импульсов "ведомого" канала к импульсам "ведущего" канала, учете неодновременности прихода этих импульсов, вычислении текущих масс и тепловой энергии и последующем их суммировании либо с приходом очередного импульса в "ведущий" канал, либо один раз, например, за минуту. Данный алгоритм позволяет также уменьшить расход емкости литиевых батарей, удобно проводить выравнивание каналов измерения расходов на проливном стенде.

4. Предложен и экспериментально опробован алгоритм уменьшения погрешности АЦП, встроенного в микроконтроллер МШЧЗО, основанный на использовании аппаратно-программной коррекции и позволивший уменьшить систематическую погрешность измерения температуры с использованием М8Р430 более чем на порядок, получить относительную погрешность измерения разности температур в 20°С и выше - менее ± 0,15%, разности температур 10°С - менее ± 0,3 % при дополнительной температурной погрешности не более 0,04%/20°С и 0,06%/25°С соответственно при изменении температуры окружающей среды от + 5 до + 25°С и от 25°С до 50°С.

5. На основании проведенных исследований создан высокоточный теплосчетчик «Тепло-3» для открытых систем теплоснабжения и обеспечивающий: возможность получения систематической погрешности разности индивидуальных характеристик каналов расхода в каждой паре в диапазоне расходов 4-^100% от максимального - не более ± 0,5 %; снижение систематической погрешности определения тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения в несколько раз при малых разностях температур в подающем и обратном трубопроводах; малую дополнительную погрешность от изменения температуры окружающей среды. Теплосчетчик «Тепло-3» включен в Госреестр средств измерений и имеет свидетельство Главгосэнергонадзора .

Таким образом, в работе содержится решение задачи, имеющей существенное значение для создания средств коммерческого учета тепловой энергии: предложены и экспериментально апробированы алгоритмы работы и способы построения теплосчетчиков с микропотреблением и импульсными преобразователями расхода для открытых систем теплопоснабжения, позволяющие существенно повысить точность измерения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. МИ 2412-97. Рекомендация ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя.

2. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя. -М.: Изд-во МЭИ, 1995.

3. МИ 2537-2000. «ГСИ. Тепловая энергия открытых водяных систем теплоснабжения, полученная потребителем. Методика выполнения измерений».

4. Иванова Г.М., Ячина С.П., Голиков Э.В. Погрешности учета количества отпущенного источниками тепла// Теплоэнергетика. -1994г. -№ 10. -с.71-76.

5. Извеков A.B. О погрешности определения количества тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения // Бюллетень «Теплоснабжение».- М., -1998г. -№3(10). -с.4-5.

6. Каханков А.Е., Чигинев A.B. Практические схемы учета тепловой энергии и теплоносителя в открытых системах теплоснабжения. // Коммерческий учет энергоносителей (материалы 9-й Международной научно-практической конференции) СПб.: Политехника, 1999г.

7. Счетчики холодной и горячей воды ВСХ, ВСХд, ВСГ, ВСХд, ВСТ. Руководство по эксплуатации. РЭ 4213-200-03215076-98, 1998 г.

8. Преобразователи расхода электромагнитные ПРЭМ. Руководство по эксплуатации. РБЯК 407111.014 РЭ.

9. Тепловычислитель СПТ941. Руководство по эксплуатации. 1998 г.

10. Вычислитель количества теплоты ВКТ-4. Руководство по эксплуатации. РБЯК.4000880.015 РЭ, 1999 г.

11. Тепловычислитель ТВМ. Паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации. KPАУЗ.038.013 ПС. Саратов, 1998 г.

12. Приборы учета для жилищно-коммунального хозяйства. Справочно-методическое пособие. -М., «Издательство ГНОМ и Д», 2001. 288 с.

13. А.И. Лисенков, A.A. Дудыкин. Погрешности измерения тепловой энергии в открытых водяных системах теплоснабжения // Коммерческий учет энергоносителей (Материалы VIII Международной научно-практической конференции), Санкт-Петербург, Политехника, 1998.

14. А.Е. Каханков, A.B. Чигинев. Сравнительная оценка погрешностей вычисления тепловой энергии // Законодательная и прикладная метрология. -М., 1999. № 5, - с. 17-18.

15. Тржил Я., Мельник В.А. Оценка погрешностей измерения тепловой энергии в открытых системах тепловодоснабжения // Коммерческий учет энергоносителей (материалы 13-й Международной научно-практической конференции) СПб.: Политехника, 2001г.

16. Лисенков А.И., Разиков В.В. Методические погрешности измерения тепловой энергии // Коммерческий учет энергоносителей (материалы 8-й Международной научно-практической конференции) СПб.: Политехника, 1998г.

17. Кузник И.В., Тиунов М.Ю., Брюханов В.А. Приборно-методические аспекты энергометрии в открытых водяных системах теплоснабжения // Контрольно-измерительные приборы и системы- М., -2001г. -№ 3. -с.27-29.

18. Кузник И.В., Тиунов М.Ю., Брюханов В.А. Метрологические проблемы измерений тепловой энергии в открытых системах водяного теплоснабжения // Законодательная и прикладная метрология М., -2000г. -№ 6.-с. 19-24.

19. Медведев В.А., Вербицкий A.C., Степанов A.C. Теплосчетчики в открытых системах теплоснабжения // Законодательная и прикладная метрология.- М., -2000г. -№ 1.

20. С.П. Зубов, Б.М. Рогачевский. О погрешности измерения тепловой энергии в открытых системах теплоснабжения // Сборник научных трудов НГТУ. 2000. - № 3(16). -с. 10-17.

21. Комплект термометров платиновых технических разностный КТПТР. Паспорт ЕМТК 07.0000.00 ПС. Госреестр № 14638-95 АО «Термико».

22. Аш Ж. Андре П. Бофрон Ж. Дегут П. Датчики измерительных систем: В 2-х кн. / Под ред. А.С. Обухова. М.: Мир. - Кн. 1. - 480 е.: ил. - Библиогр. в конце разд. - ISBN 5-03-001249-4. Перевод изд.: Tes capteurs en instrumentation industrielle.

23. П.В. Новицкий, В.И. Мишустин. Методические указания ВНИИМ по метрологическому обслуживанию коммерческих узлов учета тепловой энергии и теплоносителя, С. 29-39, Санкт-Петербург, Политехника, 1998.

24. Система теплоизмерительная «Тепло-2». Руководство по эксплуатации 4218-003-02068953-99 РЭ. Госреестр № 18567-99, НГТУ.

25. Б.М. Рогачевский. К оценке погрешностей тепло- и водосчетчиков при поверке // Законодательная и прикладная метрология. М., 1998. - № 2.

26. Зубов С.П., Рогачевский Б.М. Алгоритмы работы тепловычислителей с малым потреблением и турбинными преобразователями расхода для открытых систем теплоснабжения // Законодательная и прикладная метрология.-М., -2001г. -№ 2. -с.21-28.

27. МИ 2452-97. Малогабаритный проливной стенд поверочный (МПСП). Методика поверки теплосчетчиков и водосчетчиков методом непосредственного сличения. Казань, 1997 г.

28. Береснев В.К., Береснев C.B., Воронов В.В., Завалишин И.Н., Карнаухов И.Н., Рогачевский Б.М. Малогабаритный проливной стенд для калибровки и поверки тепло- и водосчетчиков // Законодательная и прикладная метрология. 1998. -№ 3. - с.26-28.

29. Установка малогабаритная проливная поверочная типа МГТСП : Руководство по эксплуатации. Новосибирск, 2000 г. - 13 с.

30. Береснев В.К., Кунов В.М., Карнаухов И.Н., Подъяков А.Е., Рогачевский Б.М. Эталонные водосчетчики // Законодательная и прикладная метрология. 1996. -№ 4. - с.44-46.

31. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. М., Машиностроение, -1989г. -654 с.

32. Бернт-Эрик Ниберг, Кейо Нордстрем. TA-руководство по модернизации отопительных систем. Тур и Андерссон, 1994г.

33. Материалы корпоративного сайта фирмы Texas Instruments Inc. http://www.ti.com

34. П. Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. В 3-х кн., -М.:Мир., 1993г.

35. MSP430 Family Architecture User's Guide and Module Library, Texas Instruments, 1996;

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

37. MSP430 Family Metering Application Report, Texas Instruments, 1996;

38. Architecture and function of the MSP430 14bit ADC. Application report.-Texas Instruments, 1999. http : // www .ti.com/msp430/pdf/slaa045.pdf

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

40. MSP430 Family Application Report, Texas Instruments, 1998;

41. Зубов С.П., Рогачевский Б.М. Повышение точности АЦП, встроенного в микроконтроллеры семейства MSP430 // Сборник научных трудов НГТУ. -2001г.-№ 2(24).-с.133-140.

42. ГОСТ Р 51649-2000 «Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия».

43. MSP430 Family Software Users Guide, Texas Instruments, 1996.

44. MSP430 Family Assembler's Users Guide, Texas Instruments, 1996.

45. MSP430 Family Assembly Language Tools Users Guide, Texas Instruments, 1994.

46. MSP430 Family Floating Point Package Manual, Texas Instruments, 1996.

47. ГОСТ 6651-94. Термопреобразователи сопротивления. Общие технические условия.

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

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

50. Linear improvement of the MSP430 14bit ADC characteristic. Application report-Texas Instruments, 1999. http://www.ti.com/msp430/pdf/slaa048.pdf

51. Application basics for the MSP430 Mbit ADC. Texas Instruments, 1999. http://www.ti.com/msp430/pdf/slaa046.pdf

52. Интерфейсы систем обработки данных. Под редакцией А.А. Мячева и др. М: Радио и связь. 1989.-416 с. ил.

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

54. PI-MBUS-300 Rev.J. Modicon Protocol Modbus Reference Guide- 1996.

55. Материалы корпоративного сайта фирмы Atmel Inc. http://www.atmel.com

56. Герасименко В.А. Защита информации в автоматизированных системах обработки данных. Книга 1 и 2. -М.: Энергоатомиздат,1994.

57. Боэм Б., Браун Дж., Каспар X. и др. Характеристики качества программного обеспечения. Пер. с англ. Е.К. Масловского. -М.: Мир, 1981.

58. Musa J.D., Iannino A., Okumoto К. Software Reliability : Measurement, Prediction, Application. N.Y. McGray-Hill, 1987

59. Липаев B.B. Проектирование программных средств. -M.: Высшая школа, 1990.

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

61. PATTERN APPROVAL CERTIFICATE OF MEASURING INSTRUMENTS RU. C.29.007.A №.Z&.Z.1. Действителен до51.".в.Т1.2.005г.

62. Настоящий сертификат удостоверяет, что на основании положительных результатов испытаний утвержден тип.

63. Описаниетипа средства измерений;П'риведёно,в приложении к настоящему сертификату.

64. Заместитель Председателя Госстандарта России1. V- -' ■ я и ■1. X ' vo1. Ч ч<£"

65. Заместитель Председателя^ Госстандарта России

66. В. Н. Крутиков ".09.03.2001. Продлен до200 г.200 г.70Я52инистерство топлива и энергетики1. Российской Федерации

67. Департамент эсударственного энергетического надзора и энергосбережения1. ГОСЭНЕРГОНАДЗОР"103074, Москва, Китайгородский пр., 7 Тел. 220-44-17 факс. 220-56-74№630092, г. Новосибирск-92, пр. К. Маркса, 20

68. ЭКСПЕРТНОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ № Н-2

69. Действительно до 09.й2. Я^г^

70. Наименование прибора учета: Система теплоизмерительная «Тепло-3»

71. Технические условия ТУ-4218-004-02068953-99)

72. Организация-изготовитель: ООО «Фирма СЭМ», г. Новосибирск1. НГТУ, г. Новосибирск

73. Система теплоизмерительная «Тепло-3» соответствует требованиям нормативных документов Госэнергонадзора Минтопэнерго России и может быть допущена для применения на узлах коммерческого учета тепловой энергии и теплоносителя.