Введение к работе
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 AT 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 превьппающеи 5-Ю"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 по
требления тепловой энергии, основанный на использовании виртуаль
ных измерительных каналов, определяемых топологией интеллектуаль
ных датчиков температуры и расходомеров теплоносителя в системах
отопления. Конфигурация измерительных каналов определяется с по
мощью программных средств и может оперативно изменяться в процес
се эксплуатации.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Разработанные в процессе выполнения диссертации концепция измерения тепловой энергии и принцип построения автоматизированной интеллектуальной системы контроля энергоносителей, реализованы в ИСКЭ, установленной в многоквартирных домах.
-
Математические модели и аппаратно-программные средства регулирования температуры, использованы при создании интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием.
-
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», 000 «ЭПС», ЗАО «ИнтЭКС», ОАО «ЗИТЦ», 000 «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 инно
вационной интеллектуальной системы прямого измерения индивиду
ального потребления тепловой энергии, основанный на концепции по
строения 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.
-
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.
-
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.
