Спосіб вимірювання теплової енергії і пристрій для його здійснення

1 Спосіб вимірювання теплової енергії, що передається споживачу рідким чи газоподібним теплоносієм, який полягає у вимірюванні витрати теплоносія і різниці його температур на вході і виході споживача, перетворенні сигналу, який відповідає витраті теплоносія, у ПОСЛІДОВНІСТЬ коротких, однакових за тривалістю інтервалів часу сигналів, протягом яких вимірюють різницю температур теплоносія, який відрізняється тим, що виміряні сигнали, які відповідають різниці температур теплоносія, інтегрують за їх амплітудами 2 Пристрій для вимірювання теплової енергії, який містить принаймні дві встановлені на вході і виході споживача тепла термопари, що з'єднані одна з одною за диференціальною схемою, тахометричний витратомір з перетворювачем, навантажувальний резистор, диференціювальне RC - коло та інтегрувальний пристрій, який відрізняється тим, що перетворювач витратоміра виконаний у вигляді перемикального геркона, нерухомі контактні пластини якого з'єднані послідовно з резистором RC - кола, термопарами і навантажувальним резистором, а рухома - з конденсатором RC кола, який увімкнений паралельно з навантажувальним резистором, при цьому інтегрувальний пристрій з'єднаний або послідовно з навантажувальним резистором, або паралельно з ним О Винахід відноситься до техніки теплових вимірювань і може бути використаним для вимірювання КІЛЬКОСТІ тепла, що споживається теплообмінниками Відомий спосіб вимірювання КІЛЬКОСТІ тепла, який полягає у вимірюванні температури теплоносія, перетворенні її в інтервали часу і зчитуванні цих інтервалів [заявка ФРН №3309315 G 01 К 17/06, 1984] Спільна ознака способу вимірювання теплової енергії, що заявляється, і цього способу вимірювання температури теплоносія Проте відомий спосіб прийнятний лише у разі постійної витрати теплоносія Відомий також спосіб вимірювання витрати тепла, який полягає у визначенні квадрату витрати тепла за допомогою мостової схеми з термометрами опору, що живиться напругою, яка пропорційна перепаду тиску на звужуваному пристрої у потоці теплоносія, і добуванні квадратного кореня з одержаного значення [а с СРСР №185094, G 01 К 17/06, 1984] СПІЛЬНІ ознаки способу, що заявляється і відомого вимірювання витрати і температури теп лоносія Проте витратоміри зі звужуваним пристроєм мають великий гідродинамічний опір і незначний діапазон вимірювань витрати, що звужує діапазон вимірювань тепла За технічною суттю і КІЛЬКІСТЮ СПІЛЬНИХ сут'євих ознак найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб вимірювання теплової енергії, закладений у тепломірі, що інтегрує по патенту США №4048852 G 01 К 17/06, 1977 Цей спосіб вимірювання теплової енергії, що передається споживачу рідким чи газоподібним теплоносієм, який полягає у вимірюванні витрати теплоносія і різниці його температур на вході і виході споживача, перетворюванні сигналу, який відповідає витраті теплоносія у ПОСЛІДОВНІСТЬ коротких, однакових за тривалістю інтервалів часу, протягом яких вимірюють різницю температур теплоносія, перетворюють сигнал, який відповідає цій різниці у напругу, посилюють цей сигнал, перетворюють його в частоту імпульсів й інтегрують КІЛЬКІСТЬ імпульсів, які відповідають різниці температур за допомогою лічильника імпульсів й інтегрувального індикатора 00 48992 СПІЛЬНІ ознаки способу вимірювання теплової енергії, що заявляється, і відомого вимірювання витрати теплоносія і різниці його температур на вході і виході споживача, перетворювання сигналу, який відповідає витраті теплоносія у ПОСЛІДОВНІСТЬ коротких, однакових за тривалістю інтервалів чалу, протягом яких вимірюють різницю температур теплоносія Недоліком відомого способу є низька точність вимірювань через необхідність здійснення багатократних перетворень вже виміряних параметрів потоку теплоносія, складність реалізації, так як необхідно використовувати спеціальні прилади і схеми для цих перетворень, відсутність у процесі вимірювань різних параметрів функціонального зв'язку між первинними перетворювачами, що зменшує надійність вимірювань і ускладнює тарування вимірювального комплексу, оскільки тарування вимірювачів параметрів потоку необхідно проводити спочатку окремо, а потім спільно, Здійснення способу передбачає неодмінне використання джерела струму Перетворення сигналу, який відповідає витраті теплоносія у ПОСЛІДОВНІСТЬ коротких, однакових за тривалістю інтервалів часу, протягом яких вимірюють різницю температур теплоносія, здійснюють лише для зменшення КІЛЬКОСТІ розрядів електромеханічного лічильника імпульсів, а не спрощення тарування вихідного пристрою Перетворення напруги, яка відповідає виміряній величині різниці температур, у частоту імпульсів приводить до зниження точності вимірювань, оскільки на межах кожного інтервалу часу, протягом якого вимірюють різницю, температур(тобто у моменти включення та виключення ВІДПОВІДНОГО перемикача) у пакет, що підраховуються лічильником імпульсів, потрапляють два зрізаних(неповних) імпульси Зважаючи на те, що ці інтервали часу дуже короткі, кількість(два) неповних імпульсів порівнянна із загальною КІЛЬКІСТЮ імпульсів у пакеті Тому, незалежно від того, враховує лічильник неповні імпульси як повні, або зовсім не враховує, їх належність знижує точність вимірювань Відомий пристрій для електричного визначення витрати тепла, який містить у собі дві з'єднані одна з одною за диференціальною схемою термопари, що підімкнені до кулометра Одна з термопар встановлена на вході споживача тепла, а шша(порівняльна) віддалена від споживача [патент ЕПВ (ЕР) №0036108, G 01 К 17/06, 1980] СПІЛЬНІ ознаки пристрою, що заявляється, і відомого дві з'єднані одна з одною за диференціальною схемою термопари та інтегрувальний пристрій Проте розташування порівняльної термопари у віддаленні від споживача тепла знижує точність вимірювань за допомогою відомого пристрою, оскільки цього показники залежать від температури навколишнього повітря Відомий також лічильник тепла, який містить у собі дві встановлені на вході і виході споживача тепла термопари, що з'єднані одна з одною за дифереціальною схемою і включені послідовно з інтегрувальним пристроєм, за що використовується кулонометр(хроністор) - електролітичний діод з розчинними електродами [журнал "Наука и жизнь" №5, 1987, с 70] СПІЛЬНІ ознаки пристрою, що заявляється, і відомого дві встановлені на вході і виході споживача тепла термопари, які з'єднані одна з одною за диференціальною схемою, і інтегрувальний пристрій Недоліком відомого лічильника тепла є низька точність вимірювання, що обумовлено відсутністю облику витрати теплоносія Найбільш близьким до винаходу за технічною суттю є пристрій для вимірювання КІЛЬКОСТІ теплоти, що віддається, в якому реалізований описаний вище спосіб за пат Великобританії №2090980 Пристрій містить у собі два встановлені на вході та виході споживача тепла датчика температури, які з'єднані з двома диференціювальними RC - колами, виходи яких підімкнені до віднімальноі диференціювальної схеми, що під'єднана через навантажувальний резистор до першого входу множинної схеми, інший вхід якого з'єднаний з перетворювачем витратоміра, а вихід - з інтегрувальним перетворювачем напруги в частоту, який через двійковий дільник з'єднаний з електромеханічним ЛІЧИЛЬНИКОМ СПІЛЬНІ ознаки пристрою, що заявляється і відомого дві встановлені на вході і виході споживача тепла термопари, які з'єднані одна з одною за диференціальною схемою, тахометричний витратомір з перетворювачем, навантажувальний резистор, диференціювальне RC - коло і інтегрувальний пристрій Недолік відомого пристрою обумовлений недоліком закладеного у ньому способу, низька точність і надійність вимірювань через велику КІЛЬКІСТЬ використовуваних перетворювачів В основу винаходу покладене завдання вдосконалити процес вимірювання теплової енергії шляхом періодичних короткочасних вимірювань одного з цих параметрів потоку з частотою, яка пропорційна іншому параметру, що дозволить підвищити точність вимірювань Для цього у способі вимірювання теплової енергії, що передається споживачу рідким чи газоподібним теплоносієм, який полягає у вимірюванні витрати теплоносія і різниці його температур на вході і виході споживача, перетворенні сигналу, який відповідає витраті теплоносія у ПОСЛІДОВНІСТЬ коротких, однакових за тривалістю інтервалів часу, протягом яких вимірюють різницю температур теплоносія, згідно з винаходом, виміряні сигнали, які відповідають різниці температур теплоносія, інтегрують за їх апмлітудами Це може бути реалізованим у пристрої, який містить у собі принаймі дві встановлені на вході та виході споживача тепла термопари, що з'єднані одна з одною за диференціальною схемою, тахометричний витратомір з перетворювачем, навантажувальний резистор, диференціальне RC - коло й інтегрувальний пристрій, де згідно з винаходом, перетворювач витратоміра виконаний у вигляді перемикного геркона, нерухомі контактні пластини якого з'єднані послідовно з резистором RC - кола, термопарами і навантажувальним резистором, а рухома - з конденсатором RC - кола, який увімкне 48992 ний паралельно з навантажувальним резистором, при цьому інтегрувальний пристрій з'єднаний або послідовно з навантажувальним резистором, або паралельно з ним Завдяки тому, що в запропонованому способі виміряні сигнали, які відповідають різниці температур теплоносія, інтегрують за їх амплітудами, величина проінтегрованого вихідного сигналу дорівнює добутку витрати теплоносія і різниці його температур, тобто шуканому споживанню теплової енергії Перетворення сигналів виміряних параметрів потоку в їх добуток відбувається автоматично, без використання спеціальних перетворювачів, які знижують точність і надійність вимірювань У запропонованому пристрої для здійснення способу достатньо відтарувати інтегрувальний пристрій, без роздільного тарування первинних перетворювачів, що підвищує точність і надійність вимірювань Відсутність спеціальної множинної схеми значно спрощує конструкцію пристрою На фіг 1 зображено схему розташування первинних перетворювачів, на фіг 2 - принципову електричну схему пристрою для здійснення запропонованого способу вимірювання теплової енергії, на фіг 3 - варіант принципової електричної схеми Пристрій складається принаймі з двох встановлених на вході 1(фіг 1) і виході 2 споживача тепла З термопар 4, які з'єднані одна з одною за диференціальною схемою, тахометричного витратоміра 5 з перетворювачем 6, навантажувального резистора 7(фіг2,3), інтегрувального пристрою 8 і диференціювального RC - кола, яке складається з резистора 9 і конденсатора 10 Витратомір 5 являє собою поміщену в циліндричний немагнітний корпус турбінку 11 (фіг 1), на валі 12 якої встановлено постійний магніт 13 з противагою 14 Перетворювач 6 витратоміра 5 являє собою перемикний геркон, який встановлений поза корпусом витратоміра 5 в зоні дії постійного магніту 13(замість турбінного може бути використаний кульковий витратомір з таким же перетворювачем) Нерухомі контактні пластини 15 геркона 6 з'єднані послідовно з резистором 9(фіг 2) RC - кола, термопарами 4 і навантажувальним резистором 7, а рухома пластина 1 6 - з конденсатором 10 RC - кола, що увімкнене паралельно з навантажувальним резистором 7 Інтегрувальний пристрій 8 з'єднаний або послідовно з навантажувальним резистором 7(фіг2) або паралельно з ним(фігЗ) У першому випадку інтегрувальний пристрій являє собою ртутний чи водневий кулонометр - електролітичний діод зі шкалою, що проградуйована в одиницях теплоти При цьому навантажувальний резистор 7 грає роль обмежувача струму, що проходить через кулонометр Резистор 7 може бути виконаний перемінним для регулювання ціни поділки шкали кулонометра У другому випадку для більш зручного і точного зчитування споживаної теплової енергії як інтегрувальний пристрій 8 може бути використаний електронний блок, що здійснює перетворення вихідного сигналу в зручний для індикування вигляд Стрілковий прилад 17 і електромеханічний лічильник 18 призначені для зчитування ВІДПОВІДНО миттєвого і сумарного за певний проміжок часу споживання теплової енергії За пропонований спосіб здійснюють за допомогою описаного пристрою таким чином Потік теплоносія неперервно обертає турбінку 11 витратоміра 5 Магніт 13 при кожному наближенні до геркону 6 перекидує його рухому контактну пластину 16 від одної нерухомої пластини 15 до іншої, а при віддаленні - повертав її у вихідне положення Одночасно термопари 4, які з'єднані одна з одною за диференціальною схемою, неперервно виробляють вихідний сигнал у вигляді різницевої термо-ЕРС, величина якої пропорційна різниці температур теплоносія на вході 1 і виході 2 споживача тепла 3 Вихідний сигнал з перетворювача 6 витратоміра 5 у вигляді ПОСЛІДОВНОСТІ інтервалів часу, які мають частоту і тривалість ВІДПОВІДНО прямо- і оберненопропорційно до витрати, поступає на диференціювальне коло При цьому, коли пластина 18 замкнута на ліву(за фіг 2) пластину 15, конденсатор 10 заряджається до величини різницевої термо-ЕРС термопар 4, а коли на праву - розряджається через навантажувальний резистор 7 Величина ємності конденсатора 10 і опору резисторів 7, 9 вибрана достатньо малою з тим, щоб постійна часу заряду і розряду ємності 10 диференціювального RC - кола була набагато меншою ніж тривалість інтервалів часу, які виробляє перетворювач витратоміра За цієї умови конденсатор при кожному перемиканні геркону 6 встигає повністю зарядитися від термопар 4 чи розрядитися через резистор 7 Таким чином RC - коло здійснює перетворення сигналів, які відповідають витраті теплоносія, у ПОСЛІДОВНІСТЬ коротких, однакових за тривалістю інтервалів часу з частотою, що пропорційна витраті теплоносія Протягом цих інтервалів часу проходить вимірювання різниці температур теплоносія, Враховуючи, що ємність 10 кожний раз заряджається і розряджається повністю, КІЛЬКІСТЬ електрики в одному імпульсі струму, що проходить через навантажувальний резистор, дорівнює Qo = с и, а середній за період струм дорівнює Іср - С U f, де с - ємність конденсатора, u - різницева термо-ЕРС термопар, f - частота обертання турбінки, тобто середній струм, що проходить через навантажувальний резистор, пропорційний величині споживаної теплової енергії Інтегрувальний пристрій 8 за схемою фіг 2 накопичує імпульси струму й індукує за шкалою загальне споживання теплової енергії за певний проміжок часу При цьому весь процес вимірювання теплоти проходить без застосування сторонніх джерел струму За схемою фіг 3 проводять більш точну індикацію виміряної величини за допомогою стрілкового приладу 17 і електромеханічного лічильника 18 Використання цієї схеми вимагає, застосування стороннього джерела струму для перетворення вихідного сигналу і приведення у дію електромеханічного лічильника Запропонований пристрій має дуже широкий діапазон вимірювань теплоти Кулонометричний інтегратор забезпечує інтегрування струмів від 10 3 до 102А(д похибкою 0,5 - 1,0%), що дозволяє за 48992 допомогою двох термопар виміряти різницю температур від часток до сотень градусів Діапазон 8 вимірювань частоти обертання турбінки за допомогою геркону - від часток до ЗООГц ІГ.З ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71