close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000100217

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ВОРКУНОВ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ
ОДНОПРОВОДНАЯ ЦИФРОВАЯ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
КОНТРОЛЯ МИКРОКЛИМАТА
Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля
природной среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Казань - 2006
Работа выполнена в
ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Тахавутдинов Рустам Гумерович
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук,
доцент Наумов Анатолий Алексеевич
кандидат технических наук,
Тюрин Александр Николаевич
Ведущая организация:
Казанский государственный технологический
университет
Защита состоится 24 ноября 2006 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.082.01 при Казанском государственном энергетическом университете, по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51,
зал заседаний Ученого совета (ауд. Д-223).
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета и на сайте http://info.kgeu.ru/
Автореферат разослан 21 октября 2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Батанова Н. Л.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Вопросы энергосбережения и рационального использования топливно-энергетических ресурсов приобретают сегодня все большую значимость. Исследования, проводившиеся в последние годы, показывают, что общие тепловые потери могут достигать 40–50%[1], причем их
большая часть возникает, когда выдается тепловая нагрузка, не соответствующая текущему времени года, погоде или времени суток.
Мировая практика эксплуатации технических конструкций и сооружений сейчас идет по пути создания технологии управления эксплуатацией зданий, когда в любой момент времени можно будет знать их состояние и прогнозировать поведение. Попытки учета факторов, влияющих на микроклимат
внутри помещений, уже предпринимаются. Однако на сегодняшний день не
существует единой недорогой системы, позволяющей учесть все параметры,
влияющие на микроклимат внутри помещения. Подобные системы можно будет с успехом применять для контроля микроклимата в музеях, инкубаторах,
библиотеках, хранилищах различных материалов, жилых и производственных помещениях. Для последних необходимость в создании таких систем
обусловливается еще и проводимой реформой жилищно-коммунального хозяйства, предполагающей оплату потребителем всех коммунальных расходов.
Причем предусматривается снижение оплаты за неполное или некачественное предоставление коммунальных услуг, например если температура в помещении ниже требуемой[2]. Автоматизированные измерительные системы
мониторинга микроклимата также необходимы для обеспечения комфортных
условий пребывания людей, а часто и для протекания многих технологических процессов.
Целью комфортного кондиционирования является не столько стремление сохранить определенный уровень теплосодержания в помещении, сколько подготовка приточного воздуха, соответствующего определенным нормативам. Наиболее точно уровень теплосодержания можно определить по температуре и относительной влажности воздуха[3]. Поскольку приходится контролировать большое количество распределенных параметров во множестве
помещений, то успешная реализация контроля микроклимата возможна только путем внедрения автоматизированных измерительных систем с соответствующим программным обеспечением. В настоящее время аналоговый интерфейс постепенно вытесняется коммуникационной технологией, объединяющий датчики, исполнительные механизмы и контроллеры в единую однопроводную цифровую сеть. Эти системы имеют целый ряд достоинств, в числе
которых минимальное количество соединительных кабелей, дешевизна, простота монтажа и обслуживания, модульность построения и масштабируемость, быстрая локализация отклонений от нормы. Однако недостатком таких
систем является невозможность отслеживать показания со всех датчиков одновременно, а также то, что при обрыве линии все датчики работать не будут.
На сегодняшний день существует ряд цифровых промышленных сетей, применяемых в системах автоматизации. Технические и стоимостные различия
этих систем настолько велики, что выбор решения, оптимально подходящего
для нужд конкретного производства, является непростой задачей. А поскольку информационно-измерительная система контроля микроклимата - это комплекс не только аппаратных, но и программных средств, то необходимо разработать и новое программное обеспечение, поскольку подобная система,
учитывающая влияние всех основных факторов на микроклиматические условия внутри помещения, проектируется впервые. Поэтому тематика диссертации, связанная с разработкой информационно-измерительной системы контроля микроклимата на основе использования технологии однопроводных сетей, является актуальной.
Цель работы: повышение эффективности мониторинга микроклимата
жилых и производственных помещений на основе использования современных технологий путем создания более совершенной и в тоже время дешевой
информационно-измерительной системы, ведущей контроль ряда основных
параметров, влияющих на микроклиматические условия внутри помещения,
в едином измерительном комплексе.
В рамках данной работы решается основная задача разработки автоматизированной системы измерения ряда основных параметров, влияющих на
микроклиматические условия внутри помещения, имеющая существенное
значение для теории и практики приборов и методов контроля окружающей
среды. Эта задача распадается на следующие подзадачи:
1. Разработать однопроводную информационно-измерительную систему мониторинга микроклимата, позволяющую контролировать распределенные
температуру, влажность, а также другие характеристики, оказывающие влияние на микроклиматические условия, такие как температура окружающей
среды, тепловые потери через стену, открытие/закрытие окон и дверей, скорость и направление ветра, атмосферное давление.
2. Разработать программный комплекс, позволяющий отображать на мониторе компьютера текущие значения указанных выше характеристик в режиме
реального времени и вести их автоматическую запись в файл и передавать на
управляющее устройство.
3. Апробировать работоспособность системы на лабораторной модели, в которой легко создаются требуемые экспериментальные условия.
4. Провести испытания разработанной информационно-измерительной системы в реальных условиях эксплуатации помещений.
5. Развить методы повышения метрологических показателей средств контроля, примененных в разработанной информационно-измерительной системе,
путем выбора рационального способа крепления, оптимальной геометрии
корпуса датчика и программной коррекции систематических ошибок измерения температуры.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана и создана однопроводная цифровая информационноизмерительная система для контроля микроклимата в помещениях, отличающаяся наличием модуля оценки тепловых потерь через стену здания и реализацией совместного использования компонентов сети MicroLAN и микрокон-
троллеров семейства Atmel.
2. Разработан расчетно-экспериментальный метод оценки тепловых потерь
через стену здания, заключающийся в непрерывном измерении температуры
поверхностей с разных сторон стены и расчете теплового потока с учетом
развития нестационарного процесса теплопроводности.
3. Установлены закономерности влияния геометрии, размера, расположения
датчика температуры и сечения соединительных проводов на его метрологические характеристики при измерении температуры поверхности, через которую проходит тепловой поток. Эти закономерности обобщены в виде формул, позволяющих количественно оценить дополнительные погрешности измерения в зависимости от расположения датчика.
4. Разработано программно-техническое обеспечение процессов обработки
информативных сигналов средств контроля, использованных в данной информационно-измерительной системе, отличающееся:
а) реализацией алгоритма, обеспечивающего совместимость микроконтроллеров семейства Atmel с компонентами MicroLAN;
б) реализацией алгоритма коррекции систематической погрешности измерения, вызванной деформацией поля температуры датчиком;
в) реализацией алгоритма оценки тепловых потерь через стены здания при
непрерывном измерении температур поверхностей с разных сторон стены и
расчете теплового потока с учетом развития нестационарного процесса теплопроводности.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Разработанная информационно-измерительная система позволяет контролировать температуру и влажность в помещении и вести непрерывный мониторинг основных факторов, влияющих на температуру и влажность в помещении: температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, тепловые потери через стену, атмосферное давление, открытие/закрытие окон и
дверей.
2. Анализ автоматически зафиксированных данных за длительный промежуток времени дает возможность оценить влияние различных факторов на микроклиматические условия и тепловые потери и выработать мероприятия с
целью улучшения микроклиматических условий и правильного регулирования тепловой нагрузки зданий.
3. Благодаря свойствам модульности построения и масштабируемости распределенной системы измерения, структура аппаратных средств и программного обеспечения позволяет легко модернизировать и наращивать систему
путем добавления, удаления и замены компонентов.
4. Структура программно-аппаратного комплекса позволяет объединить систему мониторинга микроклимата и систему оповещения в единую однопроводную сеть, что позволяет сократить общую протяженность коммуникационных линий и задействованного диспетчерского оборудования.
5. По полученным в диссертации формулам можно оценить величину дополнительной методической погрешности при измерении температуры поверхностей.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается:
1. Согласованием расчета с помощью программного комплекса PHOENICS с
измерениями с помощью созданной системы и экспериментальными данными других авторов.
2. Численным решением фундаментальных уравнений конвективного тепломассообмена для описания теплопереноса около датчика температуры и
обогревательного элемента.
3. Апробацией работоспособности созданной измерительной системы как в
реальном помещении, так и на созданной лабораторной модели здания в режиме непрерывного мониторинга и согласованием с показаниями других
средств измерения.
Личный творческий вклад автора. Автор данной работы принимал
непосредственное участие в создании информационно-измерительной системы, написании программного обеспечения к ней, проведении расчета с помощью программного комплекса PHOENICS, а также самостоятельно проводил опыты на лабораторной модели и в реальном помещении.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и опубликованы в сборниках следующих конференций: XVII Международная научная конференция «Математические методы в
технике и технологиях» (Кострома, 2004); XII Международная молодежная
научная конференция «Туполевские чтения» (Казань, 2004); XVI Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Электромеханические
и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной
среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2004); XVII Всероссийская
межвузовская научно-техническая конференция «Электромеханические и
внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика,
диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной
среды, веществ, материалов и изделий» (Казань ,2005); XVIII Международная
научная конференция «Математические методы в технике и технологиях»
(Казань, 2005); Межвузовская научно-практическая конференция «Вузовская
наука - России» (Набережные Челны , 2005).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 печатных
работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, заключения и содержит 161 страницу машинописного текста, 1
приложение, 4 таблицы и 50 рисунков. Библиография включает 80 наименований.
На защиту выносится:
1. Информационно-измерительная система, позволяющая контролировать
температуру и влажность в помещении и вести непрерывный мониторинг основных факторов влияющих на температуру и влажность в помещении: температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, тепловые потери
через стену, атмосферное давление, открытие/закрытие окон и дверей.
2. Программное обеспечение для мониторинга микроклимата и анализа зависимости температуры и влажности в помещении от различных факторов,
включая температуру окружающей среды, скорость и направление ветра, состояние окон и дверей, атмосферное давление.
3. Закономерности влияния геометрии и расположения датчиков температуры
на точность измерения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность задачи создания информационноизмерительной системы мониторинга микроклимата, показана ее практическая значимость, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Обоснованы научная новизна, структура работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен сравнительный анализ современных автоматизированных измерительных систем, служащих для контроля и управления различными техническими процессами. Рассмотрены основные принципы построения этих систем, включающих в себя структуру, тип используемого интерфейса, количество каналов связи. Нами для решения поставленной задачи
был выбран протокол MicroLAN, преимуществом которого является возможность подключения гораздо большего количества устройств, чем у других
протоколов. А его недостаток - невысокая скорость передачи данных (16
кбит/с) было решено устранить путем добавления в данную сеть современных микроконтроллеров. В качестве такого микроконтроллера был выбран
микроконтроллер модели ATtiny15L фирмы «Atmel». Применение современных микроконтроллеров в сети MicroLAN позволяет сделать ее более гибкой
и перестраиваемой, а также повысить скорость передачи информации до 142
кбит/с. Также это позволяет снизить общую стоимость системы, поскольку
данный микроконтроллер может использоваться для преобразования сигналов аналоговых датчиков в цифровой код MicroLAN (выпускаемый фирмой
Maxim-Dallas Semiconductor аналого-цифровой преобразователь стоит в 7 раз
дороже). Также это позволяет существенно повысить точность передаваемых
данных, т.к. каждый микроконтроллер будет контролировать свой единственный датчик. В изначальной сети MicroLAN при выходе из строя единственного ведущего устройства не работает вся линия. С использованием микроконтроллеров, система будет продолжать свою работу, а данные измерений будут
сохраняться в оперативной памяти микроконтроллера. Поскольку информационно-измерительная система это комплекс не только аппаратных, но и программных средств, то необходимо разработать и новое программное обеспечение, поскольку сопряжение компонентов MicroLAN и микроконтроллеров
семейства «Atmel» до этого никем не было рассмотрено. Разработанный алгоритм может применяться не только для микроконтроллера ATtiny15L, но и
для других, разработанных фирмой «Atmel».
Во второй главе подробно рассмотрена структура информационноизмерительной системы. Основное назначение созданной системы монито-
ринга микроклимата в помещениях – измерение температуры и влажности во
множестве помещений. Но кроме того она предоставляет нам и дополнительные возможности, такие как измерение атмосферного давления, температуры
Рис. 1. Блок-схема измерительной системы
наружного воздуха, температуры нагревательных элементов (для оценки
мощности), теплового потока через ограждающие конструкции, скорости и
направления ветра на улице, открытие и закрытие окон и дверей в едином измерительном комплексе. Данная система позволяет оценивать: зависимость
температуры в помещении от температуры окружающей среды; зависимость
влажности внутри помещения от температуры окружающей среды; зависимость влажности воздуха от атмосферного давления; зависимость температуры в помещении от скорости и направления ветра на улице; величину теплового потока через ограждающие стены зданий в зависимости от температуры
окружающей среды, температуры в помещении, скорости и направления ветра на улице; зависимость температуры и влажности в помещении от количества и продолжительности открытия/закрытия окон и дверей; измерить температуры поверхности нагревательных элементов и распределение температур по высоте; устанавливать зависимость температуры поверхности нагревательного элемента от мощности обогрева и температуры на улице. Эти дополнительные функции позволяют наряду с контролем микроклимата оценивать влияние различных факторов на искомый микроклимат, а также формировать упреждающие управляющие воздействия при изменении параметров
наружного воздуха, т.к. тепловая система обладает значительной инерционностью. Структурная схема измерительной системы представлена на рис. 1.
Все датчики по однопроводной схеме подключаются в последовательный
порт любого персонального компьютера по интерфейсу RS232. Данные считываются созданным нами программным комплексом и отображаются на экране монитора в графическом и цифровом представлении.
Для измерения скорости ветра был разработан датчик типа “вертушка”,
скорость вращения которой определяется путем подсчета замыканий контактов геркона (герметичный переключатель) и окончательно определяется счетчиком импульсов со встроенным АЦП марки DS1423P.
Для измерения направления ветра было разработано устройство типа
флюгер, у основания которого закреплены датчики типа “электронная метка”
марки DS2401P. Электронная метка является простейшим прибором, который
срабатывает при замыкании контакта между ней и стрелкой флюгера.
Для измерения температуры и тепловых потерь через стены зданий были использованы 4 цифровых датчика температуры марки DS18S20. Один
датчик находится на улице для контроля температуры окружающей среды,
второй закреплен в стене с наружной стороны, а напротив него с внутренней
стороны закреплен третий датчик для контроля тепловых потерь через стену.
Четвертый датчик располагается внутри помещения для измерения внутренней температуры комнаты. Датчик для измерения температуры наружного
воздуха еще необходим и для вычисления коэффициента теплопередачи ограждающих конструкций. В литературе по контролю и мониторингу помещений часто встречается понятие эффективной температуры. Эффективная температура определяется как показатель, который представляет в виде одного
значения эффект действия температуры, влажности и движения воздуха, а
также влияние температуры окружающих стен на ощущение человеком холода или тепла[4]. Измерение тепловых потоков через стены зданий необходимо для оценки доли потерь тепловой энергии через стены с целью выработки
мероприятий по снижению тепловых потерь. Также это позволяет оценить
коэффициент теплопередачи и степень теплофизической неоднородности ограждающей конструкции, что является важной характеристикой. Стандартно
используемый метод измерения тепловых потоков через ограждающие конструкции с использованием дополнительной стенки изложен в ГОСТ 2538082[5], где также регламентируются условия проведения измерений. Однако
данный метод имеет целый ряд недостатков. Мы предлагаем усовершенствованный метод измерения плотности теплового потока через ограждающие
конструкции применительно к нашей системе мониторинга основных параметров микроклимата, который является модернизацией этого метода. Наш
метод состоит в непрерывном измерении температур поверхностей с разных
сторон ограждающей конструкции, непрерывном расчете распределения температуры по ее толщине с учетом истории развития нестационарного процесса теплопроводности и непрерывном вычислении плотности теплового потока, проходящего через внутреннюю (или внешнюю) поверхность ограждающей конструкции. Решение этой задачи потребовало численной реализации
решения уравнения нестационарной теплопроводности с переменными граничными условиями и интеграции этого численного решения с автоматизированной системой измерения температуры, так как эти переменные граничные условия в каждый момент времени представляют собой измеренные температуры с обеих сторон стены. Отличия этого метода от изложенного в
ГОСТ 25380-82 состоят в следующем: 1.Вместо использования дополнительной стенки, температуры измеряются с разных сторон самой ограждающей
конструкции. Это дает следующие преимущества: а) в нашем методе «поймать» разность температур с разных сторон стены гораздо легче, чем в методе дополнительной стенки, так как сама ограждающая конструкция по крайней мере в 10 раз толще дополнительной стенки; б) отсутствующая дополнительная стенка не оказывает дополнительного теплоизолирующего воздействия, деформирующего поле температуры и вносящего искажения в измеряемый процесс. 2.Вместо установившихся условий, измерения проводятся в нестационарных условиях, что дает следующие преимущества: а) отсутствуют
погрешности, характерные для оценки теплового потока через стены зданий,
которые вызваны нестационарностью процесса теплопроводности в реальных условиях измерения; б) наш метод хорошо подходит для постоянного автоматизированного мониторинга, так как нет необходимости выжидания установившихся условий, и, кроме того, не притязателен к требованиям дизайна.
Для измерения абсолютного атмосферного давления был выбран аналоговый датчик давления фирмы Motorolla MPX5100AP.
Для измерения относительной влажности воздуха был использован
датчик фирмы Honeywell HIH3610-004. Данные датчики включаются в однопроводную сеть через микроконроллер ATtiny15L фирмы «Atmel» который
благодаря встроенному АЦП преобразовывает аналоговый сигнал в цифровой код.
В системе оповещения открытия/закрытия окон и дверей были использованы цифровые метки марки DS2401P, такие же как и во флюгере.
Также в этой главе рассматривается пользовательский интерфейс созданного программного обеспечения нашей измерительной системы. Структура однопроводной линии MicroLAN и созданное нами программное обеспечение позволяет легко добавлять, удалять и заменять компоненты, а также
изменять топологию линии для более полного мониторинга. В программе
предусмотрено установление частоты обновления снимаемых данных, задание времени работы программы, по истечении которого программа перестает
проводить измерения, сохранение данных и графиков в файл. На рис. 2 приведен внешний вид окна созданного программного обеспечения для отображения скорости и направления ветра. Причем можно наблюдать как отдельно
за каждым процессом, так и за всеми одновременно (рис. 3).
Из всех регистрируемых параметров наибольшую роль в обеспечении
качества микроклимата и энергосбережения играет температура. Поэтому в
третьей главе нами была проведена оценка дополнительных погрешностей
возникающих в процессе измерения температуры датчиком марки DS18S20.
Рис. 2. Окно программы для отображения скорости и направления ветра
Рис. 3. Внешний вид окна отображения всех результатов
В соответствии с реформой жилищно-коммунального хозяйства, при снижении температуры на 1 оС ниже установленного норматива, оплата за отопление снижается на 20 %. Следовательно, погрешность измерения температуры
должна быть не более 1 оС. Температурные датчики для постоянного контроля могут крепиться только на поверхностях стен. Если они крепятся на стены,
не являющиеся источниками теплового потока, то проблем с возникновением
дополнительных методических погрешностей за счет наличия градиента
температуры около поверхностей не возникает. Кроме оценки мощности отопительной системы, измерение температур обогревательных поверхностей
необходимо еще и потому, что ощущение комфорта человеком зависит не
только от средней температуры помещения, но и от температуры обогревателей и степени близости к ним [6]. Для реализации этих дополнительных возможностей необходимо с достаточной точностью уметь измерять температуры поверхностей контактным методом и уметь оценивать дополнительные
методические погрешности, которые возникают за счет деформации датчиком
полей температуры и скорости свободно-конвективного течения около поверхностей, являющихся источниками тепла. В литературе подчеркивается,
что данную погрешность можно оценить только путем математического моделированиях[7]. Использование термопары для постоянного мониторинга
все равно потребует ее герметизации путем помещения в капсулу или защитный корпус, а также вызовет эффект “холодного спая”, что опять приведет к
возникновению дополнительных погрешностей. Для оценки величины возникающей дополнительной погрешности был сконструирован измерительный стенд, состоящий из трех плоских пластин. Средняя пластина является
источником однородного теплового потока. Расположенный на ней датчик
температуры марки DS18S20 подключен к персональному компьютеру. Две
другие боковые панели, покрытые алюминиевой фольгой, отражают тепловое
излучение нагревательной поверхности. Данные по температуре считываются
написанной нами программой. Эксперимент проводился в стационарном режиме в диапазоне изменения мощности обогрева от 50 Вт/м 2 до 500 Вт/м 2
для разных форм корпуса датчика и способов его крепления. В ходе исследований сравнивались показания датчика DS18S20 с показаниями тонкой чувствительной термопары (ХК), которая была установлена в тоже место. Для
более достоверного установления причин возникновения дополнительных
погрешностей, нами были теоретически рассчитаны температурные поля с
помощью программного комплекса PHOENICS. Согласование расчетных и
экспериментальных данных, а также сравнения с экспериментальными данными других авторов, позволило сделать следующие выводы: 1. Деформация
полей скорости и температуры датчиком существенным образом влияет на
возникновение дополнительной погрешности. 2. Так как корпус датчика изготовлен из пластика, плохо проводящего тепло, а его контакты металлические, то температура чувствительного элемента близка к температуре контактов датчика. 3. Большое количество тепловой энергии может уходить по соединительным проводам. 4. Теоретическим путем можно рассчитывать дополнительную погрешность, возникающую за счет деформации полей скорости и температуры. Путем обработки полученных результатов, были выведены формулы для вычисления величины дополнительной погрешности в зависимости от расположения датчика температуры и сечения соединительных
проводов при измерении температуры поверхности. Данные формулы и рисунки, показывающие расположение датчика представлены на рис. 4.
1. Стандартный
вариант
расположения
датчика
2. Торцевой
способ
расположения датчика
3. Вариант
расположения со
сточенным
основанием
4. Влияние
соединительных
проводов на
распределение
температуры
⎞
⎟
⎟
⎠
0 . 19
⎛ L3 g ⎞
⎟
∆ Т П = − 0,066 ∆ T ⎜
⎜ a2 ⎟
⎠
⎝
0 .20
⎛ L3 g
∆ Т П = − 0 ,048 ∆ T ⎜
⎜ a2
⎝
0 .41
⎛ L3 g
∆ Т П = − 0,0071 ∆ T ⎜
⎜ a2
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
⎛ L3 g
∆ Т П = − 1,66 ∆ T ⎜
⎜ a2
⎝
0 .40
⎞
⎟
⎟
⎠
Рис. 4. Формулы для вычисления величины дополнительной погрешности
измерения датчиком марки DS18S20, где ∆TП - величина дополнительной погрешности измерения, К; ∆T-разность между измеренной температурой поверхности и на удалении, К; L – линейный размер датчика(в случае 4 - диаметр соединительного провода), м; g – ускорение свободного падения, м/с2; а
– коэффициент температуропроводности воздуха (в 4 случае – соединительного провода), м2/с;
В четвертой главе рассмотрен экспериментальный стенд для испытания
и отладки автоматизированной системы мониторинга микроклимата. Проведение испытаний на точность и надежность измерительной системы, а также
построение математической модели в условиях эксплуатации зданий реального масштаба затруднено, т.к. часто приходится иметь дело с явлениями,
для которых создание точного описания происходящих процессов не представляется возможным. Например, описание инфракрасного излучения могло
столкнуться с трудностями, связанными с влиянием степени черноты тел.
Поэтому для исследований процессов распределения тепловой энергии внутри помещения и отладки измерительной системы была создана лабораторная
модель и были проведены многоточечные измерения температуры по высоте
модели. Они выявили зависимость температуры от высоты, от расстояния до
стены и обогревательного элемента. Наибольшие изменения температуры
происходят в непосредственной близости от нагревательного элемента, в так
называемом пограничном слое. Под пограничном слоем в данном случае (с
точки зрения требуемой точности определения температуры в помещении)
понимается область, в которой температура отличается от температуры на
удалении более, чем на 1 0С. Результаты исследований,
полученные с помощью нашей измерительной системы
и расчетов с использованием программного комплекса
PHOENICS, приведены на рис. 5.
Рис. 5. Зависимость толщины L области, в которой
температура отличается от температуры на удалении
более чем на 1 0С, от высоты Н.
Также в этой главе приведены результаты испытания разработанной системы
контроля микроклимата в условиях эксплуатации конкретного служебного
помещения. В качестве примера полученных при этом результатов на рис. 6
приведен график изменения температуры в помещении в зависимости от
температуры наружного воздуха с учетом изменения скорости и направления
ветра.
Рис. 6. Зависимость
температуры в
помещении от
температуры наружного
воздуха с учетом
изменения скорости и направления ветра
1– Температура в
помещении
2– Температура
наружного воздуха
В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации.
В приложении приведены фрагменты текста разработанного программного
обеспечения.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Разработана однопроводная информационно-измерительная система мониторинга микроклимата, позволяющая контролировать распределенные температуру, влажность, а также другие характеристики, оказывающие влияние на
микроклиматические условия, такие как температура окружающей среды, тепловые потери через стену, открытие/закрытие окон и дверей, скорость и направление ветра, атмосферное давление.
2. Разработан и реализован расчетно-экспериментальный метод оценки тепловых потерь через стену здания, заключающийся в непрерывном измерении
температуры поверхностей с разных сторон стены и расчете теплового потока
с учетом развития нестационарного процесса теплопроводности.
3. Установлены закономерности влияния геометрии, размера и расположения
датчика температуры и сечения соединительных проводов на его метрологические характеристики при измерении температуры поверхности, через которую проходит тепловой поток. Эти закономерности обобщены в виде формул, позволяющих количественно оценить дополнительные погрешности измерения в зависимости от расположения датчика.
4. Разработано программно-техническое обеспечение процессов обработки
информативных сигналов средств контроля, использованных в данной информационно-измерительной системе:
а) разработан алгоритм, обеспечивающий совместимость микроконтроллера
семейства Atmel с компонентами MicroLAN;
б) реализован алгоритм коррекции систематической погрешности измерения,
вызванной деформацией поля температуры датчиком;
в) реализован алгоритм расчетно-экспериментального метода оценки тепловых потерь через стены здания при непрерывном измерении температур поверхностей с разных сторон стены и расчете пристенного теплового потока с
учетом распределения температуры по толщине стены, зависящий от истории
развития нестационарного процесса теплопроводности.
5. Работоспособность созданной информационно-измерительной системы
мониторинга микроклимата апробирована как на лабораторной модели, так и
в реальных условиях эксплуатации здания.
6. Установлена перспективность внедрения подобных информационноизмерительных систем распределенного контроля температуры, которая обусловливается изменением порядка оплаты реально предоставляемых коммунальных услуг. Анализ данных, получаемых с их использованием, будет способствовать выработке мероприятий с целью снижения тепловых потерь,
уменьшения необоснованных тепловых нагрузок, создания благоприятных
условий обитания людей и поддержания нормальных режимов ведения технологических процессов.
Список использованной литературы:
1. Казачков В.С. Комплексная система учета энергоресурсов в квартирах жилых домов /В.С.Казачков // Энергосбережение.- 2003.- №1.- С.23-29.
2. Постановление Правительства Российской Федерации от 26 августа 2004
года №441 «О федеральных стандартах оплаты жилья и коммунальных услуг
и порядке возмещения расходов на капитальный ремонт жилья в 2005 году».
3. Вычужанин А.Е. Авторское свидетельство СССР №1189482. Способ автоматического регулирования параметров воздуха в помещении.
4. Костырко К.Н. Измерение и регулирование влажности в помещении
/К.Н.Костыр-ко, Б.Г.Околович-Грабовска.- М.: Стройиздат, 1982.-212 с.
5. ГОСТ 25380-82. Здания и сооружения. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции.
6. Белошенко В.А. Мониторинг объектов теплоснабжения и способ контроля
системы отопления зданий /В.А.Белошенко //Датчики и Системы.- 2003.№7.- С.10-16.
7. Гордов А.Н. Основы температурных измерений /А.Н.Гордов, О.М.Жагулло,
А.Г. Иванова.- М.: Энергоатомиздат, 1992.- 304с.
Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:
1. Воркунов О.В. Информационно-измерительная система оценки потерь тепловой энергии /О.В.Воркунов, Р.Г.Тахавутдинов //Известия вузов. Проблемы
энергетики.- 2004.- №11-12.- С.86-91.
2. Воркунов О.В. Диагностическая оценка потерь тепла в помещениях
/О.В.Воркунов, Р.Г.Тахавутдинов //Электромеханические и внутрикамерные
процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий: Сб. материалов 16-ой Всероссийской межвузовской конференции.- Казань: Отечество, 2004.- Ч.1.- С.205-207.
3. Воркунов О.В. Оценка потерь тепла на основе математического моделирования и экспериментальных исследований /О.В.Воркунов, Р.Г.Тахавутдинов
//Математи-ческие методы в технике и технологиях: Сб. трудов 17-ой Международной научной конференции.- Кострома: КГТУ, 2004.- Т.3.- С.49-52.
4. Воркунов О.В. Оценка потерь тепловой энергии /О.В.Воркунов, Р.Г.Тахавутдинов //Туполевские чтения: Сб. материалов 7- ой Международной научной конференции.- Казань: КГТУ, 2004.- Т.1.- С. 167-168.
5. Тахавутдинов Р.Г. Компьютерная измерительная система распределенного
контроля тепловых потерь /Р.Г.Тахавутдинов, О.В.Воркунов //Современные
наукоёмкие технологии.- 2005.- №3.- С. 66 -67.
6. Тахавутдинов Р.Г. Моделирование распределения температуры и тепловых
потоков в помещении /Р.Г.Тахавутдинов,О.В. Воркунов //Современные наукоёмкие технологии.- 2005.- №3.- С. 67-68.
7. Воркунов О.В. Снижение дополнительной погрешности датчика в автоматизированной
системе
измерения
температуры
/О.В.Воркунов,
Р.Г.Тахувутдинов //Автоматизация в промышленности.- 2005.- №7.- С. 34-37.
8. Тахавутдинов Р.Г. Автоматизированная система мониторинга микроклимата /Р.Г. Тахавутдинов, О.В.Воркунов //Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика
технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ,
материалов и изделий: Сб. материалов 17-ой Всероссийской межвузовской
конференции.- Казань: Отечество, 2005.- Ч.1.- С. 210-211.
9. Воркунов О.В. Информационно-измерительная система для контроля потерь тепловой энергии /О.В. Воркунов, Р.Г.Тахавутдинов //Вузовская наука –
России: Сб. материалов межвузовской научно-практической конференции.Набережные Челны: КамПИ, 2005.- Ч.1.- С. 197-200.
10. Воркунов О.В. Влияние формы температурного датчика на дополнительную погрешность измерения /О.В.Воркунов, Р.Г.Тахавутдинов, А.Е.Баканов
//Вузовская наука - России: Сб. материалов межвузовской научнопрактической конференции.- Набережные Челны: КамПИ, 2005.- Ч.1.- С. 200203.
11. Марданов М.Р. Автоматизированная система контроля и регулирования
тепловой нагрузки зданий /М.Р.Марданов, О.В.Воркунов, Р.Г.Тахавутдинов
//Вузовская наука – России: Сб. материалов межвузовской научнопрактической конференции.- Набережные Челны: КамПИ, 2005.- Ч.1.- С. 297299.
12. Воркунов О.В. Моделирование информационно-измерительной системы
оценки потерь тепловой энергии /О.В.Воркунов, Р.Г.Тахавутдинов
//Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов 18-ой Международной научной конференции.- Казань: КГТУ, 2005.- Т.4.- С. 101-103.
13. Воркунов О.В. Компьютерное проектирование формы датчика, обеспечивающей
наименьшую
погрешность
измерения
/О.В.Воркунов,
Р.Г.Тахавутдинов, А.Е.Бака-нов //Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов 18-ой Международной научной конференции.- Казань:
КГТУ, 2005.-Т.4.- С. 121-124.
14. Воркунов О.В. Автоматизированная система контроля и регулирования
тепловой нагрузки зданий /О.В.Воркунов, М.Р.Марданов, Р.Г.Тахавутдинов
//Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов 18-ой Международной научной конференции.- Казань: КГТУ, 2005.- Т.6.- С. 97-98.
15. Иксанов С.М. Моделирование интегрированной системы оповещения и
мониторинга микроклимата /С.М.Иксанов, И.И.Сахабутдинов, О.В.Воркунов
//Электромеха-нические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий: Сб. материалов 17-ой Всероссийской межвузовской конференции.- Казань: Отечество,
2005.- Ч.2.- С. 75.
16. Тахавутдинов Р.Г. Моделирование процесса теплопереноса и распределенная система измерения температуры /Р.Г.Тахавутдинов, О.В.Воркунов
//Тепломассобменные процессы и аппараты химической технологии: Межвуз.
сб. науч. тр.- Казань: КГТУ, 2005.- С. 84-86.
17. Тахавутдинов Р.Г. Влияние процесса теплопереноса на точность измерения температуры /Р.Г.Тахавутдинов, О.В.Воркунов //Тепломассобменные
процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. сб. науч. тр.- Казань:
КГТУ, 2005.- С. 87-91.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
471 Кб
Теги
bd000100217
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа