Інформаційно-вимірювальні системи теплопостачання житлових будинків

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.3.087.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ ЖИТЛОВИХ БУДИНКІВ

Спеціальність 05.11.16 - Інформаційно-вимірювальні системи

КАБАЧІЙ Владислав Володимирович

Вінниця - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор, Дубовой Володимир Михайлович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри “Комп'ютерні системи управління”

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор, Засименко Віктор Михайлович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Метрологія, стандартизація, сертифікація”

кандидат технічних наук, доцент, Дементьєв Юрій Вікторович, Вінницький державний технічний університет, доцент кафедри “Проектування комп'ютерної біомедичної та телекомунікаційної апаратури”

Провідна установа:Державний науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем, відділ розроблення наукових, методичних та технічних основ метрологічного забезпечення ВІС та АСКТП, Держстандарт України, м. Львів

Захист відбудеться “ 19 ” __квітня____ 2002 р. о _9³⁰_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького державного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “15” березня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Павлов С. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Споживання енергії в Україні, як і в усьому світі, постійно зростає. На теплопостачання цивільних і виробничих будівель витрачається більше третини від усього органічного палива, що видобувається. Між тим добування палива обходиться все дорожче у зв'язку з освоєнням глибоких родовищ. Основними серед тепловитрат на комунально-побутові потреби у будинках (опалення, вентиляція, кондиціювання повітря, гаряче водопостачання) є витрати на опалення.

Істотне зниження енергоспоживання на опалення будівель може бути досягнуто за допомогою оптимального регулювання теплопостачання, яке здійснюється на основі інформаційно-вимірювальних систем теплопостачання житлових будинків (ІВС ТЖБ). Особливе значення має використання ІВС ТЖБ при експлуатації її у багатоквартирних житлових спорудах, де вона дозволить не тільки контролювати загальні витрати тепла будинком, а й розподіляти їх між мешканцями, тобто визначати кількість спожитого окремим приміщенням або мешканцем будинку тепла як його частку у кількості спожитого будинком. Це дозволить ліквідувати існуючу зрівнялівку при сплаті за тепло, покладе відповідальність за економію тепла на кожного споживача окремо, буде стимулювати бережливе відношення до нього.

У нашій країні поки що відсутні розробки ІВС ТЖБ на сучасному технічному рівні. Запропоновані імпортні аналоги мають два суттєвих недоліки, які перешкоджають їх масовому впровадженню. Перший - це велика вартість системи, другий - недостатня достовірність даних, під якою у даному випадку розуміється захищеність системи від сторонніх втручань і спотворення значень даних, що отримуються. Тому створення сучасної ІВС ТЖБ є важливою задачею. Актуальність теми дисертаційної роботи підтверджується її відповідністю програмі Державного Комітету України зі справ градобудівництва і архітектури, у якій відповідна робота була доручена підприємству “Утерм” (м. Вінниця), та постановами Кабінету Міністрів і програмою енергозбереження України.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які проводились протягом 1998-2001 років. Протягом 1998 дослідження та наукові розробки проводились з метою написання магістерської дисертації здобувача, котра була захищена восени того ж року. Протягом 1999-2000 науково-дослідна робота проводилася відповідно до наукового напрямку кафедри та в рамках договору між ВДТУ та підприємством “Утерм” (м. Вінниця), за яким автор був відповідальним виконавцем: договір № 41/27 (№ держ. реєстрації 0199U000013) на тему “Дослідження методів контролю теплових потоків приладів центрального опалення”. Протягом 2001 року - за напрямком держбюджетної теми №46_Д_215 (№ держ. реєстрації 0100U002931) “Розробка теорії та алгоритмічних засобів моделювання та дослідження розподілених інформаційних систем”. Мета та задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення точності визначення за допомогою інформаційно-вимірювальної системи кількості тепла, спожитого мешканцями багатоквартирного житлового будинку, та достовірності отриманої інформації при зменшенні вартості даної ІВС. Об'єкт дослідження - процес визначення за допомогою ІВС ТЖБ кількості тепла, що спожите окремим приладом (користувачем) у будинку. Предмет досліджень - інформаційно-вимірювальна система теплопостачання багатоповерхових житлових будинків.

Для досягнення поставленої мети досліджень необхідно розв'язати такі задачі:

Проаналізувати існуючі системи обліку теплопостачання багатоквартирних житлових будинків, в тому числі теплолічильники-розподілювачі (засоби визначення тепла, що споживається окремими опалювальними приладами), та способи розподілення витрат тепла між мешканцями і визначити найперспективніші з них для створення ІВС ТЖБ.

Розробити математичну модель опалювальних приладів як об'єктів вимірювання та загальну математичну модель системи теплопостачання багатоквартирного житлового будинку.

Розробити модель вимірювального каналу ІВС ТЖБ.

Розробити алгоритми контролю тепловіддачі опалювальних приладів та обробки і збереження даних в ІВС ТЖБ.

Проаналізувати впливні чинники на результат вимірювання та дослідити метрологічні характеристики вимірювального каналу ІВС ТЖБ.

Розробити загальну структурну схему ІВС теплопостачання багатоквартирного житлового будинку та синтезувати функціональну.

На основі розроблених моделей, алгоритмів і методик розробити програмне забезпечення для розподілення спожитої багатоквартирним житловим будинком тепла між його мешканцями та контролю за даними у ІВС ТЖБ. Методи досліджень - теоретичні, що базуються на елементах теорії теплообміну, яка дозволяє побудувати математичну модель опалювальних приладів; теорій теплопостачання та опалення, які дозволяють побудувати математичну модель об'єкта вимірювання і алгоритм контролю коректності даних, що надходять від теплолічильників-розподілювачів; на елементах теорій інформації, алгоритмів та оптимізації, які дозволяють побудувати оптимальну структуру системи, модель вимірювального каналу системи, а також експериментальні дослідження об'єкта вимірювання.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі отримала подальший розвиток методологія створення ІВС теплопостачання житлових будинків у напрямку розробки теоретичних та метрологічних засад побудови її вимірювальних каналів для підвищення точності визначення кількості тепла, спожитого мешканцями багатоквартирних житлових будинків, та достовірності отриманої інформації при зменшенні вартості ІВС. Нові результати, на яких ґрунтується розвинута методологія, такі:

Одержано нову математичну модель сенсора теплового потоку, який дозволяє визначити кількість тепла, що його віддає у приміщення опалювальний прилад. На відміну від відомих моделей, запропонована модель враховує передачу тепла за рахунок теплопередачі. Аналіз моделі дозволив визначити оптимальні характеристики сенсора для кожного типу опалювального приладу.

Розроблено нову математичну модель об'єкта вимірювання ІВС теплопостачання будинку. На відміну від існуючих моделей, розроблена модель дозволяє пов'язати параметри теплоносія, статичні параметри системи опалення, температуру в приміщеннях, що опалюються, та стан регулювальних пристроїв. На основі розробленої моделі запропонований новий підхід до контролю коректності даних у системі, що надходять з сенсорів теплового потоку.

Вперше розроблено модель вимірювального каналу ІВС ТЖБ. Розроблена модель відображає взаємозв'язок вимірювальних каналів окремих опалювальних приладів на одному стояку та будинкового вимірювального каналу. Модель дозволяє визначити частку тепла, спожиту окремим користувачем, від загальної кількості тепла, що його витрачено у будинку, та прогнозувати метрологічні характеристики ІВС ТЖБ.

Досліджено метрологічні характеристики вимірювального каналу ІВС ТЖБ. Отримані оцінки методичних, інструментальних, основних та додаткових похибок є основою для розробки алгоритмічних засобів підвищення точності та достовірності ІВС ТЖБ.

Практичне значення одержаних результатів. Використання одержаних в роботі результатів дозволило: за допомогою сучасних сенсорів температури розробити сенсор теплового потоку, застосування якого за розробленою методикою дозволяє проводити його монтаж без втручання у гідравлічну систему, що є значно економніше, простіше і надійніше під час експлуатації; розробити новий спосіб визначення спожитого тепла користувачами водяної системи опалення, що дозволяє покращити метрологічні характеристики ІВС ТЖБ; розробити алгоритм контролю коректності даних, інженерну методику розподілу витрат тепла та програмне забезпечення для обслуговування ІВС ТЖБ, на яке отримано авторське свідоцтво. Висунуті рекомендації щодо реалізації ІВС теплопостачання житлових будинків, які є важливою складовою під час проектування і будування нових енергозберігаючих конструкцій, можуть застосовуватися у вітчизняних багатоповерхових будівлях.

Одержані практичні результати впроваджено на підприємстві “Утерм” (м. Вінниця). Результати, які стосуються побудови комп'ютерних вимірювальних каналів на основі мережі MicroLAN, впроваджено у навчальний процес на базі лабораторії вимірювальної техніки на кафедрі “Автоматика та інформаційно-вимірювальна техніка” Вінницького державного технічного університету для інженерної і магістерської підготовки за спеціальностями 7.0914.01 “Системи управління і автоматики” та 8.0914.02 “Комп'ютерні системи автоматики та управління” відповідно. Підтвердженням впровадження результатів дисертаційної роботи є наявність відповідних документів.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. В роботах, що опубліковані у співавторстві, здобувачеві належить: розробка моделі сенсора теплового потоку та висунення вимог до програмного забезпечення ІВС ТЖБ [1]; розробка алгоритму оптимізації топологічної структури ІВС ТЖБ [4]; аналіз метрологічних характеристик електронних теплолічильників-розподілювачів та оцінка методичної похибки для методів одного, двох та трьох сенсорів [2, 5]; розробка способу визначення спожитого тепла споживачами водяної системи опалення [8]; розробка методичного та алгоритмічного забезпечення для побудови ІВС теплопостачання житлових будинків [6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних в дисертаційній роботі досліджень доповідались та обговорювались на міжнародних та регіональних конференціях, а саме: Міжнародна науково-технічна конференція “Приладобудування - 98” (м. Євпаторія, 1998); V міжнародна науково-технічна конференція “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-99, м. Вінниця, 1999); VI міжнародна науково-технічна конференція “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2001, м. Вінниця, 2001); Всеросійська молодіжна наукова конференція “XXIV Гагаринские чтения” (м. Москва, 1998); Другий міжнародний молодіжний форум “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке” (м. Харків, 1998); “XXVII, XXVIII, XXIX та XXX науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області” (ВДТУ, м. Вінниця, 1998-2001).

Результати роботи також доповідались на семінарах кафедр “Автоматика та інформаційно-вимірювальна техніка” і “Комп'ютерні системи управління” Вінницького державного технічного університету.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 9 друкованих працях, в тому числі 3 статті у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, 2 статті у збірниках праць науково-технічних конференцій, 3 тези доповідей на науково-технічних конференціях, 1 авторське свідоцтво.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (145 бібліографічних посилань, 11 сторінок) та 7 додатків (47 сторінок). Загальний обсяг дисертації, в якому викладено основний зміст, складається з 137 сторінок і містить 37 рисунків, 7 таблиць. Повний обсяг дисертації - 223 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Сформульовано мету та задачі досліджень, приведено наукову новизну одержаних результатів та їх практичну цінність, а також описано їх апробацію, публікації та впровадження. У першому розділі проаналізовано сучасний стан питання обліку та розподілення спожитого багатоквартирними будинками тепла між його мешканцями в Україні та за кордоном, а також засоби, які при цьому використовуються. Доведена необхідність створення ІВС теплозабезпечення житлових будинків як головної частини автоматизованої системи теплопостачання, яка дозволяє значно підвищити якість теплопостачання та заощаджувати енергоресурси. Розглянуті особливості застосування відомих квартирних теплолічильників-розподілювачів в складі ІВС ТЖБ та запропонована їх класифікація.

Зроблено висновок про доцільність використання в ІВС ТЖБ електронних теплолічильників-розподілювачів, які дозволяють створювати систему збору інформації та можуть бути зроблені достатньо дешевими для їх масового застосування.

На основі аналізу існуючих способів побудови інформаційно-вимірювальних систем теплопостачання житлових будинків зроблено висновок, що в наш час, в нашій країні поки що відсутні розробки таких систем на сучасному технічному рівні. Імпортні аналоги мають два суттєвих недоліки, які перешкоджають їх масовому впровадженню. Перший - це велика вартість системи, другий - недостатня достовірність даних, під якою, у даному випадку, розуміється захищеність системи від сторонніх втручань і спотворення значень отримуваних даних.

На підставі проведеного аналізу, висунуто перелік задач, які необхідно розв'язати для побудови ІВС КЖБ.

У другому розділі створено теоретичне підґрунтя для побудови ІВС ТЖБ. Для цього розроблено математичні моделі системи опалення багатоквартирного будинку і опалювального приладу як об'єктів вимірювання та модель вимірювального каналу ІВС ТЖБ.

На основі відомого способу розподілення тепла між мешканцями будинку за використанням електронних теплолічильників-розподілювачів, який запропоновано називати способом розподілення тепла з контролем тепловіддачі опалювальних приладів, запропоновано новий спосіб розподілення тепла з контролем витрати тепла ділянкою системи опалення, який дозволяє проводити визначення спожитого мешканцями тепла з більшою точністю, що досягається абстрагуванням від характеристик опалювальних приладів. Доведено, що розроблений спосіб є найбільш доцільним при застосуванні ІВС ТЖБ у багатоповерхових будинках зі стояковою організацією системи опалення.

В основу розрахунків за електронними теплолічильниками-розподілювачами (сенсорами теплового потоку) покладена залежність тепловіддачі опалювального приладу від різниці температури поверхні опалювального приладу і оточуючого середовища (повітря) : на заміну точної формули визначення кількості тепла, яке віддає опалювальний прилад в приміщення

,(1)

використовується формула, в якій не вимірюється витрата теплоносія

,(2)

теплопостачання розподілення математичний програмний

де - витрата теплоносія (води) у приладі, кг/c; - питома масова теплоємність води, що дорівнює 4187 Дж/(кг·єС);

, - температура води при вході і виході з опалювального приладу, відповідно, єС;

, - коефіцієнти (різні для кожного типу приладу і способу його включення у систему опалення); , - температури поверхні приладу та оточуючого середовища (повітря), відповідно, єС. Спожите окремим споживачем тепло, як його частка в загальній кількості спожитого будинком тепла, визначається за формулою

,(3)

де - кількість споживачів у будинку.

Використовуючи формули (1), (2) та теорію теплотехніки, розроблено нову узагальнену теплогідравлічну модель об'єкта вимірювання ІВС теплопостачання будинку - системи опалення багатоквартирного будинку - у вигляді:

(4)

де , , - кількості тепла, що споживається будинком, _им стояком та приладом (приміщенням) на_му поверсі _го стояка, відповідно; , - витрати теплоносія (води) будинком і _им стояком, відповідно, кг/с; , - різниця температур теплоносія на вході та виході будинку і _го стояка, відповідно, єС; , - різниця тиску на вході та виході будинку і _го стояка, відповідно, Па; , , - температури теплоносія на вході в будинок, виході з нього та на виході з _го приміщення на _му стояку, відповідно, єС; , - температури поверхні приладу на _му поверсі _го стояка та повітря біля нього, відповідно, єС; , , - питомі характеристики опору будинку, _го стояка та ділянки у приміщенні на_му поверсі _го стояка, відповідно, Па/(кг/год)²; - стан регулювального крану у приміщенні на_му поверсі _го стояка (передбачається, що крани можуть знаходитись у двох станах: 1 - відкритому, 0 - закритому); - функція, що пов'язує зміну з ; - функція, що пов'язує зміну з ; - функція, що пов'язує зміну зі змінними , ; - функція, що пов'язує зміну зі змінними , та ; - питома масова теплоємність води, що дорівнює 4187 Дж/(кг·єС); - кількість стояків у будинку; - кількість поверхів у будинку.

Аналіз розробленої моделі дозволить будувати алгоритми контролю коректності даних, що надходять від квартирних теплолічильників-розподілювачів.

На основі отриманої математичної моделі нагрівального приладу як об'єкта вимірювання для методів одного, двох і трьох сенсорів, розроблено нову математичну модель сенсора теплового потоку, який дозволяє отримати значення кількості тепла, що віддає у приміщення опалювальний прилад:

(5)

де та - коефіцієнти, що визначаються експериментально для кожного опалювального приладу; - коефіцієнт, який для методу двох сенсорів дорівнює одиниці; - величина, яка для методу двох сенсорів дорівнює різниці температур в точках T₁ і T₂ (див. рис. 2), а для методу трьох сенсорів - різниці середньої температури теплоносія в приладі і в точці T₂; - теплопровідність повітря, яка залежить від його температури; - площа поверхні приладу.

Як видно з (5), отримані залежності між температурами, що вимірюються в різних точках на поверхні опалювального приладу та повітря, і тепловим потоком від опалювального приладу в повітря. Виходячи з математичної моделі зроблено висновок, що процес передачі тепла теплопровідністю необхідно враховувати при вимірюваннях температури повітря, що проводяться на відстанях менших 30 см від опалювального приладу.

Умова, за якої передачею тепла теплопровідністю можна знехтувати, вибрана за аналогією до критерію Біо Bi

. (6)

Основуючись на структурі ІВС ТЖБ, аналізі теплогідравлічної моделі об'єкта вимірювання, алгоритмі контролю коректності даних та методиці обліку споживання тепла приміщеннями будинку розроблено структурну модель вимірювального каналу ІВС ТЖБ, яка складається з графа перетворень та рівнянь перетворення сенсорів 1-4, концентратора 7, блоків перевірки коректності 8-9 і попередньої обробки даних 10, та безпосередньо блока розподілення по квартирах спожитого ними тепла 12.

Блок перевірки коректності даних, що надходять з сенсорів теплового потоку (теплолічильників-розподілювачів), використовує інформацію з додаткового групового (стоякового) вимірювального каналу, на основі якої ідентифікується модель стояка і отримують допустимі межі знаходження значень даних сенсорів теплового потоку.

У блоці визначення тепла розраховується кількість тепла за перевіреними даними з сенсора теплового потоку (2). Блок розподілення тепла по споживачах використовує інформацію, що надходить з додаткового будинкового вимірювального каналу, і розраховує кількість тепла, що споживається окремим опалювальним приладом (приміщенням), як його частку в загальній кількості тепла, яке споживається будинком (3). На основі запропонованої структури будується загальна модель вимірювального каналу ІВС ТЖБ.

Розроблено модель вимірювального каналу визначення кількості тепла, спожитого окремим приладом (користувачем) ІВС ТЖБ з контролем тепловіддачі опалювальних приладів та з контролем витрати теплоти ділянкою системи опалення. Аналіз розроблених вимірювальних каналів дозволить прогнозувати метрологічні характеристики ІВС ТЖБ, в тому числі й оцінювати похибки при розподіленні кількості тепла, що споживається кожним приміщенням.

У третьому розділі запропоновано загальну структурну схему інформаційно-вимірювальної системи контролю теплопостачання житлових будинків, яка складається з основних вимірювальної і розподільчої підсистем та додаткової підсистеми контролю стану ІВС ТЖБ. Такий підхід дозволяє використовувати різні способи оцінювання характеристик та математичні моделі для підсистем різного призначення.

Використовуючи модель (4) розроблено алгоритм контролю коректності даних, що надходять з сенсорів теплового потоку, який ґрунтується на аналізі співвідношення вихідних даних сенсорів, які встановлені на одній гідравлічній системі. Якщо результати їх контролю не відповідають теплогідравлічній моделі системи опалення, то це свідчить про можливий вихід з ладу (випадковий або навмисний) сенсора. Розроблений алгоритм дозволить проводити діагностування ІВС, що покращить метрологічні характеристики системи та підвищить достовірність даних у ній.

У зв'язку з різноманітністю можливих структур ІВС ТЖБ, її параметрів і характеристик, аналіз й синтез структури проводяться на моделях, які відбивають достовірно лише найважливіші залежності системи. Однією з найважливіших задач є оптимізація топологічної структури ІВС ТЖБ і, зокрема, мінімізація загальної довжини ліній зв'язку, що з'єднують елементи ІВС ТЖБ, вартість яких складає левову частку вартості системи в цілому.

На основі теорії графів розв'язано задачу оптимізації топологічної структури ІВС ТЖБ за критерієм мінімізації загальної довжини ліній зв'язку, з'єднуючих елементи системи. Формальний вираз критерію оптимізації такий:

, (7)

де - вартість обладнання; - вартість ліній зв'язку.

Обґрунтовано неможливість застосування точних алгоритмів оптимізації для системи в цілому через її розмірність (більше 1000 елементів). Тому запропоновано спосіб оптимізації топологічної структури ІВС ТЖБ, який дозволяє спростити задачу, враховуючи особливості просторового розташування елементів ІВС. В результаті оптимізації отримано магістрально-радіальну топологію.

Прийнято рішення про доцільність побудови функціональної схеми ІВС ТЖБ на основі інтерфейсу MicroLAN. Проведено синтез функціональної схеми ІВС ТЖБ, яка будуються на основі сенсорів теплового потоку, та окремо проведено аналіз її складових. Найпридатнішим для використання визнаний функціональний базис фірм Analog Devices і Dallas, який на основі інтерфейсу CAN та MicroLAN дозволяє організувати локальну мережу, яка може працювати з великими масивами сенсорів.

Розроблено алгоритм обробки даних в ІВС ТЖБ, який дозволяє визначати кількість спожитого мешканцями (приладами) будинку тепла, використовуючи дані, які надходять від будинкового теплолічильника та сенсорів теплового потоку.

У четвертому розділі розроблено методику експериментального дослідження інформаційних характеристик опалювального приладу для перевірки адекватності математичної моделі і уточнення параметрів конкретного опалювального приладу та дослідження метрологічних характеристик розробленої ІВС, зокрема, методичної похибки, яка виникає при застосування сенсора теплового потоку.

На практиці кількісно оцінити методичну похибку кожного методу можна, порівнюючи результати вимірювань теплолічильника (1) і електронного теплолічильника-розподілювача (2). Таким чином, коефіцієнти та для кожного типу опалювального приладу за вказаних умов експлуатації можуть бути визначені при одночасному вимірюванні спожитого даним приладом тепла методом теплового потоку і теплолічильником, що можна реалізувати за допомогою запропонованого стенда-регулятора.

За такої умови, коли невідомі величини, що підлягають вимірюванню, визначають за результатами вимірювання інших величин, які функціонально пов'язані з ними

,(8)

де - порядковий номер прямих вимірювань величини , маємо спільне вимірювання.

Для знаходження параметрів рівняння (8) необхідно принаймні провести два вимірювання. Тоді їх значення отримаємо як розв'язок системи нелінійних рівнянь

(9)

В такому разі похибки величин та будуть, як і для прямих одноразових вимірювань, значними і числові значення цих похибок залишаться невідомими. Тому необхідно проводити багаторазові вимірювання, але при систему (9) неможливо розв'язати алгебраїчно, тому що рівняння системи несумісні, оскільки праві частини рівнянь замість точних значень містять результати вимірювань з випадковими похибками . Проте для нормального закону розподілення похибок вимірювання величини можна знайти таку сукупність значень та , яка з найбільшою імовірністю задовольняла б початкові умови (8). Згідно з принципом Лежандра найбільш імовірними значеннями невідомих величин та для цього випадку будуть такі, для яких сума квадратів залишкових похибок мінімальна. Необхідною умовою такого мінімуму повинна бути рівність нулю похідних

та . (10)

Підставивши в формулу (10) значення та відповідні частинні похідні отримаємо таку систему нелінійних рівнянь:

(13)

яка може бути розв'язана лише за допомогою наближених чисельних методів. Розв'язок системи (13) для набору значень та було отримано в прикладному програмному середовищі MathCad 7.0.

Дослідження залежності загальної похибки від градієнта температур біля поверхні опалювального приладу показали, що найкращу точність сенсори теплового потоку досягають при температурах опалювальних приладів від 27-28С до 50С, що відповідає температурному напору в опалювальних приладах водяної системи опалювання при її проектуванні і експлуатації.

Також оцінено впливні чинники на результат вимірювання тепловіддачі опалювальних приладів у вимірювальному каналі ІВС. За результатами аналізу встановлено, що головним джерелом основної похибки є методична похибка, тобто похибка, яка виникає при знаходженні параметрів моделі сенсора теплового потоку для певного приладу. Найбільше значення додаткової похибки, що може виникати при експлуатації опалювальних приладів, не перевищує третини основної.

Встановлено, що для зменшення методичної похибки необхідно знаходити середню точку на поверхні опалювального приладу і в цій точці встановлювати сенсор теплового потоку.

Розроблено систему для дослідження теплолічильників-розподілювачів, зокрема, сенсорів теплового потоку, яка дозволяє на сучасному рівні досліджувати теплолічильники-розподілювачі за різних умов експлуатації опалювальних приладів. Така автоматизована система дозволяє отримувати необхідні дані для подальших досліджень та атестації теплолічильників-розподілювачів в Україні. За результатами експерименту на стенді-регуляторі, використовуючи формули (1, 2), можна перевірити адекватність розробленої моделі, визначити методичну похибку сенсора теплового потоку за формулою

. (9)

Розглянуто коло питань, яке має вирішувати програмне забезпечення ІВС ТЖБ. Так, програмне забезпечення повинно враховувати структуру системи, умови її функціонування, дозволяти отримувати дані, контролювати їх та розподіляти тепловитрати між мешканцями, забезпечуючи “дружній” інтерфейс роботи з користувачем.

На підставі висунутих вимог, алгоритму обробки даних та алгоритму контролю їх коректності розроблено програмне забезпечення ІВС ТЖБ, для написання якого було обране сучасне програмне середовище Microsoft Visual C++. Розроблена програма працює під керуванням операційної системи Windows 95-98, дозволяє контролювати стан ІВС ТЖБ та визначати кількість тепла, спожитого мешканцями (приладами) будинку, використовуючи дані, які надходять від будинкового теплолічильника та сенсорів теплового потоку.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі підвищення якості визначення і розподілення витрат тепла між мешканцями багатоквартирних будинків, що є результатом створення ІВС теплопостачання житлових будинків на основі сенсорів теплового потоку.

У дисертаційній роботі отримала подальший розвиток методологія створення ІВС теплопостачання житлових будинків в напрямку розробки теоретичних та метрологічних засад побудови її вимірювальних каналів для підвищення точності визначення кількості тепла, спожитого мешканцями багатоквартирних житлових будинків, та достовірності отриманої інформації при зменшенні вартості ІВС. Зокрема, у дисертаційній роботі отримано такі основні наукові та практичні результати:

Отримано математичну модель нагрівального приладу як об'єкта вимірювання для методів одного, двох і трьох сенсорів. Для цього розглянуто три основних способи передачі теплової енергії від тепловіддаючого елемента в навколишнє середовище: теплообмін теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Зроблено висновок, що для отримання рівняння перетворення процес передачі тепла теплопровідністю необхідно враховувати при вимірюваннях температури повітря, що проводяться на відстанях менших 30 см від опалювального приладу.

Розроблено нову математичну модель сенсора теплового потоку, який дозволяє отримати значення кількості тепла, що віддає у приміщення опалювальний прилад, та загальну теплогідравлічну модель системи опалення багатоквартирного будинку.

Запропоновано новий спосіб розподілення тепла з визначенням витрати тепла ділянкою системи опалення та вперше розроблено модель вимірювального каналу визначення кількості тепла окремим приладом ІВС ТЖБ. Аналіз моделі вимірювального каналу дозволить прогнозувати його метрологічні характеристики, в тому числі й оцінювати похибки при розподіленні кількості тепла, що споживається кожним приміщенням.

Розроблено методику та алгоритм контролю коректності даних, що надходять з сенсорів теплового потоку, які ґрунтуються на аналізі співвідношення вихідних даних сенсорів, встановлених на одній гідравлічній системі. Враховуючи алгоритм контролю коректності даних розроблено методику і алгоритм обробки даних в ІВС ТЖБ, які дозволяють визначати кількість спожитого мешканцями (приладами) будинку тепла, використовуючи дані, що надходять від будинкового теплолічильника та сенсорів теплового потоку.

Досліджено метрологічні характеристики ІВС ТЖБ. Запропоновано методику дослідження похибок визначення складових математичної моделі сенсора теплового потоку та загальної похибки вимірювання кількості тепла, що споживається опалювальним приладом. Встановлено, що найсуттєвішою (3/4) складовою загальної похибки є методична похибка, яка виникає при застосуванні сенсора теплового потоку.

Розроблено загальну структурну схему інформаційно-вимірювальної системи теплопостачання житлових будинків та синтезовано її функціональну структуру. На основі теорії графів вирішено задачу оптимізації топологічної структури ІВС ТЖБ за критерієм мінімізації загальної довжини ліній зв'язку, що з'єднують елементи системи.

Розроблено методику експериментального дослідження інформативних параметрів опалювального приладу для перевірки адекватності математичної моделі і визначення її параметрів для конкретного типу опалювальних приладів, а також методику дослідження метрологічних характеристик розробленої ІВС. Розроблено систему для дослідження теплолічильників-розподілювачів, яка дозволяє на сучасному рівні досліджувати їх за різних умов експлуатації опалювальних приладів.

На підставі висунутих вимог, запропонованої методики обробки даних і алгоритму контролю їх коректності розроблено програмне забезпечення, що дозволяє визначати кількість спожитого окремими мешканцями (приладами) будинку тепла та контролювати достовірність отриманих даних, використовуючи інформацію, яка надходять від будинкового теплолічильника та сенсорів теплового потоку. Програму написано за використанням сучасного програмного середовища Microsoft Visual C++.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Дубовой В. М., Кабачій В. В. Інформаційно-вимірювальні системи теплопостачання житлових будинків // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1998. - № 2. - С. 160-163.

Дубовой В. М., Кабачій В. В., Албул О. В. Проблеми створення систем контролю теплопостачання будинків в Україні // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2000. - № 2. - С. 9-12.

Кабачій В. В. Алгоритм контролю коректності даних інформаційно-вимірювальної системи теплопостачання житлових будинків // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2001. - № 1. - С. 133-138.

Дубовой В. М., Кабачий В. В. Оптимизация систем контроля теплоснабжения зданий // Ученые записки Симферопольского университета. Приборостроение. - 1998. - С. 220-223.

Дубовой В. М., Кабачій В. В., Албул О. В. Метрологічні проблеми створення систем контролю теплопостачання будинків // Книга за матеріалами п'ятої міжнародної науково-технічної конференції КУСС_99. - м. Вінниця: “УНІВЕРСУМ-Вінниця”, 1999. - Т. 3. - С. 148-152.

Комп'ютерна програма “Контроль теплопостачання житлових багатоквартирних будинків”: А. с. № 4871 ПА. Україна / В. В. Кабачій, С. А. Войцех. (Україна) - Заявлено 19.10.2001; Видано 21.11.2001.

Кабачий В. В. Оценка эффективности систем сбора информации с датчиковых полей // Сборник тезисов докладов Всероссийской молодежной научной конференции “XXIV Гагаринские чтения”. - Москва. - 1998. - Часть 4. - С. 75_76.

Золотавкін Є. А., Кабачій В. В., Погонець Л. П. Структурні методи підвищення ефективності інформаційно-вимірювальної системи теплопостачання житлових будинків // Контроль і управління в складних системах (КУСС_2001). Тези доповідей шостої міжнародної науково-технічної конференції: м. Вінниця, 8_12 жовтня 2001 р. - Вінниця: “УНІВЕРСУМ-Вінниця”, 2001. - 286 с. - С. 121.

Кабачій В. В. Математична модель вимірювального каналу інформаційно-вимірювальної системи теплопостачання житлових будинків // Контроль і управління в складних системах (КУСС_2001). Тези доповідей шостої міжнародної науково-технічної конференції: м. Вінниця, 8_12 жовтня 2001 р. - Вінниця: “УНІВЕРСУМ-Вінниця”, 2001. - 286 с. - С. 120.

АНОТАЦІЇ

Кабачій В. В. Інформаційно-вимірювальні системи теплопостачання житлових будинків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи. - Вінницький державний технічний університет, Вінниця, 2001.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню інформаційно-вимірювальних систем теплопостачання житлових будинків. Проведено аналіз існуючих методів побудови ІВС обліку тепловитрат будинку між його мешканцями. Запропоновано класифікацію квартирних теплолічильників-розподілювачів. Одержано нові математичні моделі системи опалення будинку як об'єкта вимірювання, сенсора теплового потоку як квартирного теплолічильника-розподілювача, що дозволяє вимірювати тепловіддачу опалювальних приладів, та вимірювального каналу ІВС теплопостачання багатоквартирних житлових будинків. Досліджено метрологічні характеристики вимірювального каналу ІВС теплопостачання житлових будинків та запропоновано методику дослідження його похибок. Розроблено алгоритм контролю коректності даних, що надходять від сенсорів теплового потоку. Розроблено структуру ІВС ТЖБ та програмне забезпечення для неї. Також розроблені методика експериментального дослідження інформативних параметрів опалювальних приладів та система для дослідження теплолічильників-розподілювачів.

Ключові слова: інформаційно-вимірювальна система, теплолічильник-розподілювач, облік тепловитрат, алгоритм контролю коректності даних, вимірювальний канал, сенсор теплового потоку.

Кабачий В. В. Информационно-измерительные системы теплоснабжения жилых зданий. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - информационно-измерительные системы. - Винницкий государственный технический университет, Винница, 2001. Диссертация посвящена разработке и исследованию информационно-измерительных систем теплоснабжения жилых зданий. В работе получила дальнейшее развитие методология создания ИИС теплоснабжения жилых зданий (ТЖЗ) в направлении разработки теоретических и метрологических основ построения её измерительных каналов для повышения точности определения количества тепла, потребленного жильцами многоквартирных домов, и достоверности полученной информации при уменьшении стоимости системы.

Предложена математическая модель отопительного прибора как объекта измерения для методов одного, двух и трех сенсоров. Для этого рассмотрены три основных вида передачи тепловой энергии от теплоотдающего элемента в окружающую среду: теплообмен теплопроводностью, конвекцией и излучением. Сделан вывод, что процесс передачи тепла теплопроводностью необходимо учитывать при измерениях температуры воздуха, проводящихся на расстояниях меньших 30 см от отопительного прибора.

Разработана новая математическая модель сенсора теплового потока, который позволяет получать значения количества тепла, отдаваемого в помещение отопительным прибором, и общую теплогидравлическую модель системы отопления многоквартирного дома.

Впервые разработана модель измерительного канала определения количества тепла отдельным прибором ИИС ТЖЗ, анализ которой позволит прогнозировать её метрологические характеристики, в том числе и оценивать погрешности при распределении количества тепла, потребляемого каждым помещением.

Разработана методика и алгоритм контроля корректности данных, приходящих от сенсоров теплового потока, которые основываются на анализе соотношений выходных данных сенсоров, установленных на одной гидравлической системе. Учитывая алгоритм контроля корректности данных, разработано методику и алгоритм обработки данных в ИИС ТЖЗ, которые позволяют определять количество тепла, потребляемого жильцами (приборами) дома используя данные, поступающие от домового теплосчетчика и сенсоров теплового потока.

Исследованы метрологические характеристики ИИС ТЖЗ, в том числе, инструментальная, методическая и погрешность вычисления определения теплоотдачи отопительных приборов в измерительном канале ИИС ТЖЗ. Предложена методика исследования погрешностей определения составляющих математической модели сенсора теплового потока и общей погрешности измерения тепла, потребляемого отопительным прибором. Оценены факторы, влияющие на результат измерения теплоотдачи отопительных приборов в измерительном канале ИИС, и определены наиболее влиятельные составляющие общей погрешности.

Разработана общая структурная схема информационно-измерительной системы теплоснабжения жилых домов. Синтезирована ее функциональная схема и проведен анализ ее составляющих: наилучшими для использования признаны функциональные базисы фирм Analog Devices и Dallas Semiconductor, которые на основе интерфейсов CAN и MicroLAN, соответственно, позволяют организовать локальную сеть, работающую с большим количеством сенсоров. На основе теории графов решена задача оптимизации топологической структуры ИИС ТЖЗ по критерию минимальной общей длины линий связи соединяющих элементы системы: в результате оптимизации получена магистрально-радиальная топология.

Разработана методика экспериментального исследования информационных характеристик отопительного прибора для проверки адекватности математической модели и определения ее параметров для конкретного типа отопительных приборов и исследования метрологических характеристик разработанной ИИС. Разработана система для исследования теплосчетчиков-распределителей, которая позволяет на современном уровне исследовать их при разных условиях эксплуатации отопительных приборов.

На основе выдвинутых требований, предложенной методики обработки данных и алгоритма контроля их корректности, разработано программное обеспечение, позволяющее контролировать состояние ИИС ТЖЗ и определять количество тепла потребленного жильцами (приборами) дома, используя данные поступающие от домового теплосчетчика и сенсоров теплового потока. Программа написана при использовании современной программной среды Microsoft Visual C++.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, теплосчетчик-распределитель, учет теплозатрат, алгоритм контроля корректности данных, измерительный канал, сенсор теплового потока.

Vladislav V. Kabachiy. Information Measuring Systems of Heat Supplying for Dwelling-Houses. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree on speciality 05.11.16 - information measuring system. - Vinnytsia State Technical University, Vinnytsia, 2001.

Thesis considers the elaboration and research of the heat supplying information measuring system (IMS) for dwelling-houses. The existing methods of IMS design for the accounts of heat consumption among its residents had been analysed. There had been suggested the classification of flat heatmeter-distributors. The new mathematical models of house heating system as measuring object, sensor of the heat flow as the flat heatmeter-distributor which allows to measure heat consumption of heat distributor devices and IMS measuring channel of heat supply of apartment building had also been obtained. The metrological characteristics of dwelling-houses IMS measuring channel had been researched and the method for inaccuracy research had been suggested. The algorithm for correctness checking of data received from the heat flow sensors had been elaborated. The structure of heat supplying IMS of the dwelling-houses together with its software had been elaborated. The experimental researching methods of the heat distributor devices informational characteristics and the system for researching heatmeter-distributors had been also elaborated. Key words: information measuring system, heatmeter-distributor, accounts of heat consumption, monitoring algorithm for correctness of data, measuring channel, heat flow sensor.

Размещено на Allbest.ru

...