Регистрация / Вход
Прислать материал

Термодинамическое моделирование теплофизических параметров термочувствительных элементов и создание высокоточных электронных средств измерения температуры для автоматизированных энергосберегающих систем транспортировки, распределения и учета потребления энергоносителей.

Докладчик: Штерн Юрий Исаакович

Должность: профессор, доцент, д.т.н.

Цель проекта:
Создание экспериментальных образцов высокоточных интеллектуальных датчиков с беспроводным интерфейсом для контактного измерения температуры, что позволит реализовать инновационный способ высокоточного индивидуального измерения тепловой энергии в энергосберегающих системах транспортировки, распределения и учета потребления энергоносителей. Высокоточные интеллектуальные датчики предназначены для контактного измерения температуры теплоносителя в системах тепло- водоснабжения для учета расхода тепловой энергии и качества горячей воды.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате проведения ПНИ, будут получены следующие результаты:
- Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы.
- Выбор и обоснование направлений исследований и возможных вариантов реализации научно- технических решений.
- Экспериментальные исследования температурных зависимостей термометрических параметров термочувствительных элементов в интервале температур от 0 до 100 ºС.
- Математические модели для расчета температуры с погрешностью не превышающей 0,005 ºС в диапазоне от 0 до 100 ºС.
- Обоснование выбора технологии и протокола передачи данных по радиоканалу в автоматизированных энергосберегающих системах транспортировки, распределения и учета потребления энергоносителей.
- Результаты расчета встроенных антенн для датчиков с беспроводным интерфейсом в соответствии с выбранной технологией передачи данных.
- Схемотехнические решения для экспериментальных образцов интеллектуальных датчиков температуры.
- Технико-экономическое обоснование разработки продукции.
- Отчет о патентных исследованиях в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
- Эскизная программная документация на программное обеспечение для расчета теплофизических параметров по отобранным математическим моделям.
- Эскизная программная документация на программное обеспечение функционирования интеллектуального датчика температуры.
- Эскизная программная документация на программное обеспечение для обработки и передачи измеренных данных в беспроводных энергосберегающих системах тепло-водоснабжения.
- Методика термодинамического моделирования температурных зависимостей термометрических параметров термочувствительных элементов в интервале температур от 0 до 100 ºС.
- Методика калибровки высокоточных средств измерения температуры.
- Методика расчета погрешности измерений температуры интеллектуальными датчиками для контактного измерения температуры теплоносителя в системах учета тепла.
- Эскизная конструкторская документация на макеты узлов креплений экспериментальных образцов интеллектуальных датчиков температуры.
- Эскизная конструкторская документация на приемо-передающее устройство для интеллектуальных датчиков температуры с беспроводным интерфейсом.
- Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец интеллектуального датчика температуры врезного типа установки.
- Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец интеллектуального датчика температуры накладного типа установки.
- Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец аппаратно-программного измерительного стенда для автоматизированной калибровки интеллектуальных датчиков температуры в интервале от 0 до 100 ºС.
- Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец стенда имитирующего энергосберегающие системы тепло-водоснабжения для испытания интеллектуальных датчиков температуры.
- Экспериментальный образец интеллектуального датчика температуры врезного типа установки.
- Экспериментальный образец интеллектуального датчика температуры накладного типа установки.
- Экспериментальный образец аппаратно-программного измерительного стенда для автоматизированной калибровки интеллектуальных датчиков температуры в интервале от 0 до 100 ºС.
- Экспериментальный образец стенда имитирующего энергосберегающие системы тепло-водоснабжения для испытания интеллектуальных датчиков температуры.
- Программа и методика испытаний экспериментальных образцов интеллектуальных датчиков температуры.
- Программа и методика испытаний экспериментальных образцов интеллектуальных датчиков температуры в энергосберегающих системах тепло-водоснабжения.
- Лабораторный технологический регламент создания экспериментальных образцов интеллектуальных датчиков температуры.
- Рекомендации по внедрению разработанных интеллектуальных датчиков температуры в реальных секторах экономики.
- Проект технического задания на ОКР по теме: «Разработка и изготовление опытных образцов высокоточных интеллектуальных датчиков температуры».

2. Технические характеристики экспериментального образца интеллектуального датчика температуры врезного типа установки:
- передача данных по беспроводному интерфейсу в диапазоне нелицензируемых частот радиосетей малого радиуса действия (соответствующих требованиям «Решения ГКРЧ от 7 мая 2007 года N 07-20-03-001»);
- диапазон измерения температуры: от 5 до 95 °С;
- погрешность измерения температуры: не хуже ±0,05 °С;
- показатель тепловой инерции (время установления показаний термометра): не более 30 с;
- потребляемый ток: не выше 30 мА;
- напряжение питания: не выше 4 В.
- скорость передачи данных: не менее 9600 бит/сек;
- межповерочный интервал: не менее 5 лет;
- длительность хранения накопленной измеренной информации: не менее 24 часов;
- датчик имеет прямой тепловой контакт с теплоносителем.

Технические характеристики экспериментального образца интеллектуального датчика температуры накладного типа установки:
- передача данных по беспроводному интерфейсу в диапазоне нелицензируемых частот радиосетей малого радиуса действия (соответствующих требованиям «Решения ГКРЧ от 7 мая 2007 года N 07-20-03-001»);
- диапазон измерения температуры: от 5 до 95 °С;
- погрешность измерения температуры: не хуже ±0,1 °С;
- показатель тепловой инерции (время установления показаний термометра): не более 60 с;
- потребляемый ток: не выше 30 мА;
- напряжение питания: не выше 4 В.
- скорость передачи данных: не менее 9600 бит/сек;
- межповерочный интервал: не менее 5 лет;
- длительность хранения накопленной измеренной информации: не менее 24 часов;
- датчик может иметь как прямой тепловой контакт с поверхностью теплообменника, так и через переходной теплопроводящий слой.

Технические характеристики экспериментального образца аппаратно-программного измерительного стенда для автоматизированной калибровки интеллектуальных датчиков температуры в интервале от 0 до 100 ºС:
- диапазон регулируемых и стабилизируемых температур: от 0 до 100 °С;
- погрешность стабилизации температуры: не хуже ±0,01°С;
- количество одновременно калибруемых интеллектуальных датчиков температуры: не менее 30;
- профиль температуры в рабочей зоне: не более ± 0,05 °С;
- время выходы на температурный режим, не более 60 мин.

Технические характеристики экспериментального образца стенда имитирующего энергосберегающие системы тепло-водоснабжения для испытания интеллектуальных датчиков температуры:
- диапазон регулируемых и стабилизируемых температур: от 5 до 95 °С;
- погрешность измерения температуры теплоносителя: не хуже ±0,02 °С;
- время выхода на температурный режим, не более 60 мин.
- диапазон регулирования и стабилизации расхода теплоносителя: от 0 до 400 л/час;
- погрешность измерения объемного расхода теплоносителя: не хуже 2 %;
- погрешность измерения массового расхода теплоносителя: не хуже 4 %;
- погрешность измерения тепловой энергии выделяемой теплоносителем: не хуже 5%;
- диапазон регулирования и стабилизации избыточного давления теплоносителя: от 1 до 3 атм.

3. Научная новизна работы заключается в использовании комплексного, научно-обоснованного подхода к разработке методов моделирования и исследования физических параметров датчиков, электронных приборов и аппаратно-программных средств.
- В результате исследования и моделирования температурных зависимостей термометрических параметров датчиков температуры будут разработаны и обоснованы математические модели, описывающие с высокой точностью изменения физических параметров датчиков, и позволяющие рассчитывать температуру с погрешностью, не превышающей 5•10-3 К.
- Будут разработаны оригинальные конструкционно-технологические, схемотехнические и аппаратно-программные решения для высокоточных электронных средств измерения температуры.
- Будет разработан метод прямого измерения индивидуального потребления тепловой энергии, основанный на использовании виртуальных измерительных каналов, определяемых топологией интеллектуальных датчиков температуры и расходомеров теплоносителя в системах отопления. Конфигурация измерительных каналов определяется с помощью программных средств и может оперативно изменяться в процессе эксплуатации.
- Будут 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.

4. Существует ряд технических решений теплосчетчиков, предназначенных для индивидуального учета расхода тепловой энергии в зданиях и сооружениях. За рубежом применяют электронные приборы, позволяющие по результатам измерения и интегрирования температурного напора между поверхностью отопительного прибора (теплообменника) и воздухом в помещении, учитывая конструкцию теплообменника и профиль распределения температуры на его поверхности, определять долю тепловой энергии, рассеиваемой данным отопительным прибором. Тепловая энергия, затраченная на отопление жилого дома, распределяется между индивидуальными потребителями пропорционально показаниям этих электронных приборов, называемых пропорционаторами или распределителями тепла.
При двухтрубной горизонтальной схеме построения системы отопления можно использовать так называемые квартирные теплосчетчики. Погрешность определения потребленной тепловой энергии значительно возрастает при малой разности температур ΔT теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, которая должна быть не менее 3–5 °С. Такое значение ΔT достигается, в лучшем случае, в многокомнатных квартирах (3 и более комнат). Необходимо отметить, что количество квартир с двухтрубной горизонтальной разводкой в России ничтожно мало.
Для определения потребляемой энергии при помощи пропорционаторов необходимо, чтобы они были установлены на каждом теплообменнике в квартире. Технология установки строго регламентирована для каждых типа и конструкции теплообменников в зависимости от их мощности. Программное обеспечение методик расчета теплоты корректируется для каждого типа этих приборов. При использовании пропорционаторов на основании интегрированного по времени температурного напора проводится расчет не абсолютного, а относительного значения тепловой энергии, потребленной индивидуальным пользователем. В настоящее время это пока доминирующий способ оценки индивидуального потребления тепла в многоквартирных домах, который активно готовится для внедрения в нашей стране.
К недостаткам этого метода необходимо отнести достаточно высокую погрешность распределения тепловой энергии между индивидуальными потребителями, которая определяется рядом конструктивных, технологических и методических факторов. Для реализации указанной системы необходимо, чтобы пропорционаторы были установлены более чем в 75 % помещений. Важно отметить, что системы учета тепловой энергии, построенные на основе пропорционаторов, исключают возможность определения ее общедомовых затрат.
В данной работе будет предложена новая концепция определения индивидуального потребления тепловой энергии, реализованная в интеллектуальных системах контроля и учета индивидуального потребления энергоресурсов и основанная на применении, разрабатываемых в данном проекте, высокоточных беспроводных интеллектуальных измерителей температуры.


5. В процессе термодинамического моделирования, для описания температурных зависимостей
термометрических параметров термочувствительных элементов, будет использован системный подход,
заключающийся в интерпретации известных зависимостей физических свойств термометрических
материалов.
По результатам термодинамического моделирования и исследования температурных зависимостей
термометрических параметров термочувствительных элементов разработать математические модели, описывающие с необходимой и достаточной точностью зависимость термометрических параметров
датчиков температуры. Обосновать граничные условия для математических моделей. В ходе проведения
математического моделирования будет использован метод наименьших квадратов для статистической
обработки данных, с применением алгоритма Левенберга – Марквардта для оптимизации и повышения
точности получаемых решений.
В зависимости от схемотехнического решения модуля обработки сигналов измерений (аналоговый или
цифровой), провести адаптацию математических моделей в средствах измерения температуры. Провести
исследование средств измерений и определить достоверность полученных результатов методом сличения с
эталонными средствами измерений.
По заданным техническим параметрам, учитывая технологию контактного измерения температуры,
математические модели преобразования термометрических параметров в температуру и интерфейс
передачи измеренных данных, разработать конструкционно-технологические и схемотехнические решения
для высокоточных электронных средств измерения температуры.
Учитывая граничные условия и соответствующие оригинальные математические модели преобразования
термометрических параметров в температуру, а также интерфейс передачи измеренных данных,
разработать аппаратно-программные средства, реализующие полученные математические модели в
электронных средствах измерения температуры. В связи с тем, что в средствах измерения используются
оригинальные схемотехнические и математические решения, а также технологические решения (передача
информации), поэтому разработанное оригинальное программное обеспечение будет регистрироваться в
Роспатенте.
Для оценки погрешностей разработанных средств измерений, учитывающих инструментальные и
методические погрешности, разработать методы и провести расчет неопределенности измерения
температуры.
Используя методы компьютерного моделирования, макетирования и прототипирования, изготовить
экспериментальные образцы высокоточных интеллектуальных датчиков для контактного измерения
температуры теплоносителя в системах учета тепловой энергии.
Для испытаний разработанных и изготовленных экспериментальных образцов разработать методику и
аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования высокоточных средств измерения
температуры и провести испытания на соответствие заявленным техническим параметрам.
Разработать методику для испытания разработанных высокоточных датчиков температуры с учетом
заданных граничных условий их эксплуатации в энергосберегающих интеллектуальных системах учета
тепловой энергии.
В процессе выполнения исследований потребуется глубокое изучение проблем, связанных с созданием
высокоточных средств измерения температуры, основанных на решении междисциплинарных задач в
областях термодинамического и математического моделирования, схемотехнического и конструкционно-
технологического проектирования, аппаратно-программного, а также метрологического обеспечения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Область применения – жилищно-коммунальное хозяйство, здания и сооружения промышленного и другого
назначения.
Результаты, полученные в ходе выполнения проекта будут использованы в интеллектуальных системах
контроля и учета расхода энергоносителей, устанавливаемых на объектах ЖКХ.

2. Интеллектуальные датчики для контактного измерения температуры теплоносителя планируются для
масштабного внедрения в системах контроля и учета энергоносителей и, в первую очередь, тепла.

3. Использование систем контроля энергоносителей стимулирует население к экономии. Таким образом решается важная социально-экономическая задача. Ресурс для экономии тепловой энергии при
использовании систем учета составляет в России до 30% от всего затрачиваемого объема тепла,
расходуемого на обогрев зданий и сооружений.
Интеллектуальные датчики предназначены для использования в системах прямого измерения
индивидуального потребления тепловой энергии, в любых системах отопления, аналогам которым не
существует в настоящее время.

Текущие результаты проекта:
- Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, по научно-технической проблеме создания высокоточных интеллектуальных датчиков температуры за период 2009 – 2013 гг.
- Проведен выбор и обоснованы направления исследований и возможных вариантов реализации научно- технических решений.
- Проведены патентные исследования и подготовлен патентный отчет в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
- Разработана методика термодинамического моделирования температурных зависимостей термометрических параметров термочувствительных элементов в интервале температур от 0 до 100 ºС.
- Проведены экспериментальные исследования температурных зависимостей термометрических параметров термочувствительных элементов в интервале температур от 0 до 100 ºС.
- Разработаны математические модели для расчета температуры с погрешностью не превышающей 0,005 ºС в диапазоне от 0 до 100 ºС.
- Разработано программное обеспечение для расчета теплофизических параметров по отобранным математическим моделям.
- Проведены расчеты встроенных антенн для датчиков с беспроводным интерфейсом в соответствии с выбранной технологией передачи данных.
- Разработана эскизная программная документация на программное обеспечение для расчета теплофизических параметров по отобранным математическим моделям.
- Проведено обоснование выбора технологии и протокола передачи данных по радиоканалу в автоматизированных энергосберегающих системах транспортировки, распределения и учета потребления энергоносителей.