Счетчики тепла и расходомеры


Проблема учета расхода энергоносителей становится актуальнее с каждым новым повышением цен на них. Ситуация прямо идет к тому, что энергосбережение и учет потребления энергоносителей станет одним из фокусных направлений в деятельности как государства, так и частных и коммунальных домохозяйств.
На сегодняшний день наиболее сбалансированным предложением по учету воды и тепла по сочетанию относительно низкой цены, функциональному набору и возможностям дальнейшей модернизации и "увязыванию" их в перспективные автоматизированные системы коммерческого учета вляются ультразвуковые счетчики и расходомеры.
Базовый "комплект" ультразвукового расходомера уже сложился и на сегодняшний день имеет набор, показанный на иллюстрации ниже (элементы иллюстрации активны):
piezo_150x52.jpg
LCD4meters.jpg

wireless.jpg

DN20&DN25_150x152.jpgGP22_240x157.jpgMCU_200x178.jpg


Ультразвуковые пьезодатчики

Для ультразвукового расходомера одним из важнейших элементов является пьезоизлучатель (он же приёмник). Поскольку для корректной работы с жидкими средами частота возбуждения должна быть порядка 1 МГц, обычные низкочастотные излучатели не могут быть использованы.
ООО "Элтис Техно" предлагает как отдельные пьезоизлучатели, так и их же в составе измерительных трактов, что, несомненно, намного более удобно и практично для производителей расходомеров.
Стандартный пьезоизлучатель для ультразвукового расходомера имеет маркировку T/R975-US0014L353-01, хотя доступны и другие типы датчиков. Однако, в измерительные тракты встраиваются именно эти.

Измерительные участки (датчики потока)


Измерительный участок со встроенными пьезодатчиками является наиболее важным элементом расходомера или теплосчетчика, поскольку от качества его исполнения зависят как точность, так и долговременная стабильность показаний расходомера.
Существует более или менее устоявшееся разделение стандартных типоразмеров измерительных участков в зависимости от сферы применения (по факту - номинального измеряемого потока):
  • DN15: для расходомеров и теплосчетчиков для установки в квартирах, а также в небольших частных домах (поток менее 4 м³/ч)
  • DN20: для расходомеров и теплосчетчиков для установки в коттеджах, а также в средних и больших частных домах (поток до 5 м³/ч включительно)
  • DN25: для расходомеров и теплосчетчиков для установки в подъезды многоквартирных домов или объединения частных домов (поток до 7 м³/ч включительно)
  • Измерительные участки бóльших размеров используются в магистральных трубопроводах и для специальных назначений
Измерительный участок должен обеспечивать широкий динамический диапазон измерений скорости потока (например, для участка HS0002-002 (DN20) максимальный динамический диапазон составляет не менее 100, номинальный - 50) и иметь приемлемые минимальное и максимальное значение измеряемого потока. В идеальном случае эти значения должны соотвествовать поставленному техническому заданию в зависимости от назначения расходомера, и измерительные участки производства AudioWell, поставляемые ООО "Элтис Техно", способны обеспечить это соответствие. 
Для создания счетчика расхода тепловой энергии в измерительных участках предусмотрен отдельный ввод для датчика температуры. Если же измерительный участок используется в расходомере, то этот ввод заглушается заглушкой. 
В настоящее время наша компания предлагает измерительные участки стандарта DN20 (HS0002-002) и DN25 (HS0003-001). Образцы измерительных участков имеются на нашем складе и их можно получить для временного тестирования бесплатно. 
Участки стандарта DN15 планируются к массовому производству в начале 2015г. и как только они будут доступны, мы немедленно опубликуем информацию об этом событии на нашем сайте, а также проинформируем вас в еженедельной рассылке новостей.


На чертеже цифрами обозначены следующие элементы:
1плоская металлическая крышка
2ультразвуковой датчик
3металлическая прокладка
4уплотнительное кольцо для датчика
56 винтов М3
6латунный измерительный участок
7отражающее зеркало
8фиксирующий элемент зеркала
9резиновый уплотнитель фиксатора зеркала
10ввод датчика температуры

Все размеры даны в миллиметрах

DN25_400x226.jpg
Внешний вид измерительного участка HS0003-001 


HS0003-001-A2-dwg.gif
Габаритный чертеж измерительного участка HS0003-001


Датчики температуры (опционально)

В случае, если измерительный участок используется в счетчике расхода тепловой энергии, в качестве датчика температуры мы рекомендуем использовать любые подходящие по габаритным и установочным размерам датчики стандарта Pt1000.


Жидкокристаллические индикаторы (опционально)

Жидкокристаллические индикаторы являются важным, но не обязательным элементом ультразвукового расходомера, поскольку в зависимости от назначения, расходомер может как выводить визуальную информацию на ЖК дисплей, так и накапливать ее и транслировать далее посредством модуля беспроводной связи
Как правило, ЖК дисплеи для расходомеров и теплосчетчиков являются заказными сегментными индикаторами, выполненными по технологии TN или STN. Они могут иметь встроенный драйвер/контроллер, но могут и не иметь его.
Основными требованиями для ЖК индикаторов, предназначенных для использования в составе расходомеров или теплосчетчиков, являются:
  • минимально возможное энергопотребление
  • достаточное количество сегментов для вывода результата измерений и служебной информации
  • напряжение питания +2.7..+3.6В
  • жесткие металлические выводы для монтажа (мягкие "резиновые" контактные панели при высокой температуре, влажности и/или вибрации иногда не дают надежного контакта)
  • минимальная цена
Поскольку ООО "Элтис Техно" является дистрибьютором сразу нескольких компаний, производящих заказные ЖК индикаторы (Bolymin, Raystar и т.п.), то мы всегда можем предложить наиболее подходящее решение для заказного ЖК дисплея. При объемах производства порядка нескольких тысяч изделий в год уже есть смысл заказывать собственный дизайн индикатора, а не использовать один из стандартных и не мириться с ограничениями, накладываемыми не самым удобным дизайном и т.д.
Заказной ЖК индикатор уже давно превратился из предмета роскоши в необходимый элемент достижения успеха на рынке. Поэтому даже на стадии бюджетного просчета будущего проекта мы настоятельно рекомендуем обратиться к нам для расчета стоимости и условий поставок ЖК индикатора для вашего расходомера или теплосчетчика. Сам по себе расчет стоимости заказного ЖК индикатора не накладывает на наших клиентов абсолютно никаких обязательств, но позволяет сэкономить для них много времени и получить ценную информацию для тщательного планирования.


Измерительно-счетный узел



Технология ультразвукового измерения скорости потока основана на измерении времени прохождения ультразвукового сигнала от излучателя к приёмнику. Для этого требуется очень высокая скорость счетного механизма и очень высокая разрешающая способность, которая обеспечивает требуемую точность измерений.
Все эти параметры обеспечивает технология TDC (Time-to-Digital Converter), разработанная компанией ACAM Messelectronic и воплощенная в серии микросхем TDC-GP2x
Данная серия микросхем с запасом обеспечивает любые требования, предъявляемые к современным расходомерам и теплосчетчикам, имеют чрезвычайно простую схему включения и могут работать как самостоятельно, так и в паре с внешним управляющим микроконтроллером. На данный момент наиболее современной является микросхема TDC-GP22, ставшая базовой для миллионов счетчиков во всем мире.
Для измерительно-счетного узла ультразвукового счетчика всегда предъявляются достаточно высокие требования:
  • минимальное энергопотребление как в режиме проведения измерений, так и в режиме ожидания (особенно в режиме ожидания)
  • разрешающая способность порядка 20..40пс
  • возможность обработки нескольких отражений сигнала
  • встроенные драйверы ультразвуковых излучателей/приемников
  • встроенная схема отсечки ложных сигналов
  • стандартные последовательные интерфейсы
  • возможность программироваания режимов работы
  • наличие встроенной многоканальной схемы измерения температуры
  • простота применения
  • широкий рабочий температурный диапазон
Всем этим требованиям соответствуют микросхемы серии TDC-GP2x, в частности - TDC-GP22. Точность TDC-GP22 настолько высока, что позволяет детектировать даже крупные капли из неплотно закрытого крана!
Однако в ближайшем будущем (ориентировочно во 2-м квартале 2015г.) поступит в продажу новая разработка ACAM - TDC-GP30, которая имеет встроенный 32-разрядный микроконтроллер с проприетарной архитектурой и чрезвычайно низким энергопотреблением. Главная задача, которую должна решить данная микросхема - доведение времени работы от одного стандартного элемента питания до 20 (!!!) лет за счет выполнения функций внешнего микроконтроллера встроенным с уникально низким потреблением энергии.
Однако это не означает автоматического снятия с производства микросхем серии TDC-GP2x, наоборот - они будут производиться до тех пор, пока в мире производятся счетчики на их базе.
ООО "Элтис Техно" является официальным дистрибьютором ACAM и обеспечивает своих клиентов как поставками микросхем, так и отладочными и демонстрационными средствами. Также на нашем сайте и по запросу мы можем предоставить большое количество технической информации. Кроме того, достаточно много информации доступно с сайта ACAM Messelectronic в разделе Downloads, включая примеры применения, документацию на отладочные средства, в том числе и примеры реализации расходомеров и теплосчетчиков.
usi_01.gif
Принцип измерения скорости потока при помощи ультразвука
GP22_meter_sch.gif
Типовая схема включения микросхемы TDC-GP22


Внешний управляющий микроконтроллер (опционально)

Несмотря на то, что ультразвуковой счетчик/расходомер, построенный на базе измерительного участка, ультразвуковых датчиков и измерительно-счетного блока на микросхемах серии TDC-GP2x уже является самодостаточным при использовании импульсного выхода, для расширения функциональных и эксплуатационных параметров обычно используют внешний микроконтроллер.
Основные функции типового внешнего микроконтроллера:

  • предварительный учет, накопленеи, обработка и хранение данных измерений
  • управление ЖК индикатором
  • обеспечение связи с удаленным хостом при помощи проводной или беспроводной связи.
Исходя из вышеперечисленных функций, можно приблизительно описать и требования, предъявляемые к микроконтроллерам, предназначенным для работы в ультразвуковых счетчиках и расходомерах:
  • минимальное энергопотребление
  • достаточно высокая производительность
  • наличие встроенного драйвера ЖК дисплея (опционально)
  • наличие встроенных контроллеров последовательных интерфейсов
  • наличие встроенного модуля беспроводной связи (опционально)
  • наличие достаточного объёма ОЗУ и флеш-памяти для реализации алгоритмов обработки и передачи данных
  • приемлемая стоимость
По указанным выше критериям из доступных на рынке Украины микроконтроллеров оптимально подходят микроконтроллеры серий Tiny Gecko и Gecko от SiLabs и STM32L0 и STM32L1 от ST Micro. Особенно стоит обратить внимание на продукцию SiLabs, отличающуюся сверхнизким энергопотреблением.
Наиболее перспективным является семейство EZR32 от SiLabs, имеющее встроенный модуль беспроводной связи в суб-гигагерцовом диапазоне частот (142..1050 МГц) при отличных параметрах приемно-передающего тракта, аналогичных широко распространенной серии трансиверов Si446x. На данный момент доступны образцы микроконтроллеров серии EZR32 и отладочные средства. Поступление в массовую продажу ожидается во 2-м квартале 2015г.


Блоки беспроводных интерфейсов (опционально)


Использование модуля беспроводной связи в счетчике тепла или расходомере решает сразу несколько задач:

  • удаленное снятие показаний счетчика и/или расходомера
  • получение точных данных в требуемое время для оценки режимов потребления (почасовой, посуточный и т.д.)
  • возможность оценки состояния счетчика и/или расходомера
  • возможность включения данного счетчика или расходомера в автоматизированные системы учета расхода ресурсов
Для работы в составе счетчика тепла или расходомера могут быть использованы как стандартные решения и протоколы, так и так называемые "проприетарные". Среди стандартных решений могут быть выделены такие протоколы как:

  • 802.11 (WiFi)
    • преимущества: 
      • стандартный протокол
      • простота интеграции в стандартные сети
      • высокая скорость передачи данных
    • недостатки
      • сильное поглощение сигнала стенами и несущими конструкциями зданий
      • высокая цена модулей
      • единственно возможная топология сети - "звезда" или "точка-точка"
      • необходимость в дорогостоящей точке доступа на каждую группу модулей
      • относительно высокое энергопотребление модулей
  • 802.15.4 (ZigBee)
    • преимущества:
      • стандартный протокол
      • достаточная скорость передачи данных
      • возможность построения mesh-сетей и ретранслирования данных по цепочке
    • недостатки:
      • сильное поглощение сигнала стенами и несущими конструкциями зданий
      • относительно высокая цена модулей
      • сложность интеграции в существующие сети передачи данных
  • суб-гигагерцовые (в полосе 142 .. 1050 МГц) стандартные (например, Wireless M-Bus) протоколы
    • преимущества:
      • стандартный специализированный протокол
      • достаточная скорость передачи данных
      • слабое поглощение сигнала стенами и несущими конструкциями зданий
      • очень малое потребление энергии
      • низкая цена компонентов модулей
    • недостатки:
      • недостаточное предложение готовых модулей на рынке
      • сложность интеграции в существующие сети передачи данных
  • суб-гигагерцовые (в полосе 142 .. 1050 МГц) проприетарные нестандартные протоколы
    • преимущества:
      • достаточная скорость передачи данных
      • слабое поглощение сигнала стенами и несущими конструкциями зданий
      • очень малое потребление энергии
      • низкая цена компонентов модулей
    • недостатки:
      • нестандартный протокол
      • сложность интеграции в существующие сети передачи данных
      • недостаточное предложение готовых модулей на рынке
Важно понимать, что сильное поглощение высокочастотных сигналов (2.4 ГГц WiFi или ZigBee) стенами зданий может сделать невозможной установку счетчика или расходомера в некоторых случаях или сделать ее очень дорогой из-за необходимости принимать соответствующие меры. Поэтому более целесообразным выглядит применение низкочастотных модулей беспроводной связи и применение стандартного протокола Wireless M-Bus для более простой интеграции в уже существующие системы учета расхода ресурсов.
Поскольку количество предложений готовых модулей, использующих протокол Wireless M-Bus, на сегодня, к сожалению, совершенно недостаточное, то для самостоятельной разработки и производства модулей можно порекомендовать компоненты и программное обеспечение производства Silicon Laboratories.


Источник питания



Корпус счетчика (расходомера)





Назад в раздел