Расчет принципиальной схемы тепловычислителя

Задание

Вариант 2.4. Тепловычислитель

1.  Блок преобразования энтальпии – на одном ИУПТ с включением терморезисторов в обратную связь усилителя.

2.  Перемножитель на основе генератора треугольного напряжения

3.  Интегрирующее устройство на основе АЦП К1108ПП1

4.  Средство отображения информации о тепловой мощности на шестиразрядном индикаторе на основе ЖКИ

5.  Преобразователь напряжения в ток 0…20 mA на основе ИУПТ в неинвертирующем включении.

6.  Время переполнения показаний счётчика – 180 сут

7.   Напряжение, пропорциональное расходу теплоносителя – 0…10 В

8.  Температура на входе теплосети – 110 °С

9.  Температура на выходе теплосети – 25 °С

Введение

Тепловычислитель служит для определения количества теплоты, переданного горячеводной системой потребителю за время измерения.

Принцип действия тепловычислителя заключается в определении разности тепловой мощности на входе и выходе потребителя и интегрировании этой разности с последующим хранением и индикацией соответствующей информации. Мгновенная тепловая мощность Q_Т определяется как произведение массового мгновенного расхода Gm(t) (кг/с) и удельного количества теплоты, содержащегося в одном килограмме теплоносителя h (Дж/кг) или (ккал/кг) и называется энтальпией:

Q_Т (t) = Gm(t)·h

Величина энтальпии в основном определяется температурой теплоносителя и, в определённой степени, давлением  в трубопроводе. В первом приближении зависимостью от давления можно пренебречь и тогда математическое описание энтальпии представляется в виде:

h(t°) = k_o + k·t°, где k_o = 1,5 (Дж/кг) – значение энтальпии при нулевой температуре теплоносителя; t° - температура теплоносителя в градусах; k ≈ 4,2  - коэффициент пропорциональности.

Общее количество теплоты, отданное теплоносителем потребителю за время t определяется как разность тепловой энергии на входе W₁ и выходе W₂:

, где  и - мгновенные тепловые мощности  на входе и выходе, Gm₁(t) и h₁(t) – мгновенный массовый расход и энтальпия на входе; Gm₂(t) и h₂(t) – мгновенный  массовый расход и энтальпия на выходе.

Для закрытой системы теплоснабжения, где весь теплоноситель возвращается потребителям Gm₁(t) = Gm₂(t) = Gm(t):

 , где ΔQ(t) = Q_T1(t) – Q_T2(t) = Gm(t)·k(t₁-t₂).

Схема теплолвычислителя реализует приведённую выше формулу. Блок преобразования энтальпии содержит схему питания термометров сопротивления и схему вычитания напряжений, пропорциональных температурам на входе и выходе. Полученное напряжение, пропорциональное энтальпии, поступает на первый вход перемножителя, на второй вход которого поступает напряжение, пропорциональное расходу теплоносителя. Выходное напряжение перемножителя, пропорциональное мгновенной тепловой мощности, передаётся на преобразователь напряжение-ток для дистанционной передачи и на интегрирующее устройство.  В интегрирующем устройстве накопление нарастающим  итогом, поступающим от перемножителя напряжения, выполняется путём его преобразования в частоту м последующим подсчётом количества импульсов и отображением полученной информации.

1.  Блок – схема тепловычислителя.

Рис. 1. Блок-схема тепловычислителя.

Описанный выше алгоритм работы тепловычислителя реализует блок-схема устройства, представленная на рис. 1. Блок преобразования энтальпии (БПЭ) служит для преобразования разницы между температурами t₁ и t₂ в напряжение, которое перемножается  с напряжением, пропорциональным расходу теплоносителя в блоке П. Преобразователь напряжение-ток преобразует информацию о мгновенной тепловой мощности в ток стандартной величины. На интегрирующем устройстве (И) происходит преобразование величины мгновенной тепловой мощности в частоту с последующим подсчётом и отображением количества импульсов на СОИ.

2.  Функциональная схема тепловычислителя.

Источник опорного напряжения (ИОН) на рис.2 служит для задания амплитуды сигнала треугольной формы с генератора треугольного напряжения (ГТН) и определяет ток источника тока (ИТ), от тока которого питаются датчики температуры ДТ1 и ДТ2. Датчики температуры – медные термопары сопротивления ТСМ-100. Сигналы с датчиков усиливаются на усилителях (Ус) и подаются на вычитающее устройство, максимальный выходной сигнал с которого равен амплитуде треугольного напряжения. Сигналы с ГТН и вычитающего устройства сравниваются на компараторе К; выходной сигнал которого tи(tп)

Рис. 2. Функциональная схема тепловычислителя.

пропорционален  величине этих напряжений. На нормирующих устройствах (НУ1 и НУ2) и сумматоре собран перемножитель, входной сигнал которого пропорционален произведению Uинф и сигнала разности температур. Фильтр сглаживает пульсации на выходе сумматора. Далее сигнал пропорциональный мгновенной тепловой мощности преобразуется в ток Iнорм на ПНТ и в частоту с помощью ПНЧ. Максимальную частоту на выходе ПНЧ при максимальном входном сигнале определяем из следующих соображений. Устройство отображения состоит из шести индикаторов, информация на которых изменяется от 0 до 9. За 180 суток индикаторы должны быть заполнены. Отсюда:

Примем максимальную частоту на выходе ПНЧ равной 379 Гц, тогда коэффициент деления будет равен:

Импульсы частотой f1 поступают на счётчик СТ10₁ – это двоично-десятичный счётчик, который считает от 0 до 9. После переполнения счётчика, формируется сигнал переполнения, который поступает даже на вход счётчика СТ10₂ и так далее до счётчика СТ10₆

3.  Расчёт принципиальной схемы

3.1.  Расчёт источника опорного напряжения

Рис. 3.1. ИОН

Для формирования стабильного опорного напряжения Uоп, будем использовать прецизионный операционный усилитель К140УД17А, его параметры:

Uсм = 25 мкВ

Iвх = ±2 нА

ΔIвх = ±2 нА

Кu = 300000

Uвых = ±12 В

Iпот = 4 мА

и прецизионный стабилизатор 2С191Ф

Uсм = 9,1 В

Iсм = 10 мА

Iст мин = 3 мА

Icт мах = 20 мА

r_СТ = 40 Ом