Устройство для контроля энергоэффективности искусственных биоэнергетических систем

Устройство для контроля энергоэффективности искусственных биоэнергетических систем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электроэнергетике и к информационно-измерительной технике и может быть использовано для автоматического контроля энергоэффективности искусственных биоэнергетических систем в сельском хозяйстве.

Понятие искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС) охватывает совокупность энергетических систем, технических средств и соответствующих им процессов взаимного преобразования энергии различных видов и переноса субстанций (энерготехнологических процессов (ЭТП)), направленных на сельскохозяйственные биологические объекты, назначением которой является создание условий для проведения этих процессов в целях получения промежуточных и конечных продуктов [Ракутько С.А. Энергетическая оценка и оптимизация биотехнических сельскохозяйственных систем.// Вестник РАСХН. - 2009. - №4. - С.89-92].

Под энергоэффективностью понимают характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта. В качестве численной характеристики энергоэффективности системы принимают показатель энергоемкости, вычисляемый как отношение энергии, потребляемой системой, к величине, характеризующей результат функционирования данной системы [ГОСТ Р51387-1999. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения.].

Известно устройство для контроля энергоэффективности в энергетических системах, содержащее комплект датчиков напряжения и тока, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, постоянное запоминающее устройство, телеметрический приемопередатчик, электронный индикатор, орган ручного управления, блок электропитания, энергонезависимые оперативное запоминающее устройство, таймер, цифровую вычислительную систему, распределитель тактовых импульсов [Пат. РФ №2121697. Электронный узловой счетчик многоканального получения и распределяемого потребления электроэнергии.].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности измерять величины различных видов энергии (кроме электрической).

Наиболее близким техническим решением является устройство для контроля эффективности энергоиспользования в потребительских энергетических системах, содержащее комплект измерительных преобразователей, коммутатор, постоянное запоминающее устройство, блок памяти, вычислитель, индикатор, устройство управления, блока принятия решений, интерфейсное устройство, сенсорный экран, таймер [Пат. РФ №2458445. Устройство для контроля эффективности энергоиспользования в потребительских энергетических системах.].

Недостатками известного технического решения являются следующие:

1. Применение последовательного коммутатора, который при проведении измерений поочередно подсоединяет выходы измерительных преобразователей к входу блока памяти, снижает быстродействие устройства, поскольку требуется время на переключение с учетом происходящих при этом переходных процессов.

2. Применение микропроцессорной техники (блока памяти, устройства управления, блока принятия решений, вычислителя, устройства управления) требует предварительного программирования устройства, что усложняет работу с ним.

3. Значительное количество элементов схемы устройства приводит к сложности его технической реализации и снижению надежности.

Задачей предлагаемого изобретения является создание быстродействующего, простого, надежного и удобного в работе устройства для оперативного измерения величины энергоемкости ИБЭС, по которой судят об ее энергоэффективности.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для контроля энергоэффективности искусственных биоэнергетических систем содержит комплект измерительных преобразователей, коммутатор, индикатор, пять сумматоров, три двухпозиционных переключателя, делитель, блок сложения с единицей, причем выходы измерительных преобразователей соединены с соответствующими входами коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами первого, второго и третьего сумматоров, выходы которых соединены с соответствующими подвижными контактами двухпозиционных переключателей, первые и вторые неподвижные контакты которых соответственно соединены с входами четвертого и пятого сумматоров, выходы которых соединены с входами делителя, выход которого соединен с входом блока сложения с единицей, выход которого соединен с входом индикатора.

Новые существенные признаки: наличие пяти сумматоров, трех двухпозиционных переключателей, делителя, блока сложения с единицей, причем выходы измерительных преобразователей соединены с соответствующими входами коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами первого, второго и третьего сумматоров, выходы которых соединены с соответствующими подвижными контактами двухпозиционных переключателей, первые и вторые неподвижные контакты которых соответственно соединены с входами четвертого и пятого сумматоров, выходы которых соединены входами делителя, выход которого соединен с входом блока сложения с единицей, выход которого соединен с входом индикатора.

Технический результат обеспечивается тем, что:

1. Применен коммутатор, при проведении измерений постоянно соединяющий выходы измерительных преобразователей, расположенных в контрольных точках ИБЭС, с предварительно заданными входами первого, второго и третьего сумматоров. При этом повышается быстродействие устройства, поскольку не тратится время на коммутацию измерительных каналов.

2. Схемотехнически реализованная совокупность блоков и соответствующих функциональных связей для определения величины энергоемкости не требует предварительного программирования устройства, что упрощает работу с ним.

3. Небольшое количество элементов схемы устройства определяет простоту его технической реализации и высокую надежность.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Предлагаемое устройство отличается от известных наличием дополнительно введенных блоков и соответствующих функциональных связей, обеспечивающих повышение быстродействия, надежности и удобства в работе при контроле энергоэффективности ИБЭС.

Возможность использования предлагаемого устройства в сельском хозяйстве, известность средств и методов, с помощью которых возможно осуществление изобретения в описанном виде, позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость».

Анализ уровня техники не выявил средство, которому присущи все признаки изобретения, выраженного формулой, что свидетельствует о соответствии предлагаемого устройства критерию «новизна».

Сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Анализ уровня техники не выявил известность влияния признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, на основной технический результат (возможность измерения величины энергоемкости ИБЭС, характеризующей ее энергоэффективность, предварительно заданной группировкой сигналов, снимаемых с измерительных преобразователей, размещенных в контрольных точках ИБЭС, реализованную совокупностью дополнительно введенных блоков и соответствующих функциональных связей), что свидетельствует об изобретательском уровне предлагаемого технического решения.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для контроля энергоэффективности ИБЭС: 1…12 - измерительные преобразователи, 13 - коммутатор, 14 - первый сумматор (сумматор энергии, выделяющейся на интегральных энергетических операторах ИБЭС), 15 - второй сумматор (сумматор энергии, выделяющейся на дифференциальных энергетических операторах ИБЭС), 16 - третий сумматор (сумматор энергии, выделяющейся на пропорциональных энергетических операторах ИБЭС), 17…19 - двухпозиционные переключатели, 20 - четвертый сумматор (сумматор диссипативной энергии), 21 - пятый сумматор (сумматор консервативной энергии), 22 - делитель, 23 - блок сложения с единицей, 24 - индикатор.

На фиг.2 приведен пример структуры ИБЭС: 1…12 - измерительные преобразователи, 25…28 - энергетические операторы, входящие в состав предварительного ЭТП производства продукции для реализации (ЭТП_П), 29…33 - энергетические операторы, входящие в состав основного ЭТП производства продукции для реализации (ЭТП_О), 34…36 - энергетические операторы, входящие в состав ЭТП обеспечения условий микроклимата (ЭТП_М), 37 - блок ЭТП_П, 38 - блок ЭТП_О, 39 - блок ЭТП_М, 40 - ИБЭС.

Условными границами ИБЭС на входе является место установки приборов коммерческого учета потребления всех видов энергии ∑Q, на выходе - место учета количества продукции ∑P. При проведении ЭТП в системе, помимо полезного использования энергии, происходят энергетические потери ΔQ.

Процессы, протекающие в сложных сельскохозяйственных ИБЭС, могут быть сведены к определенному набору типовых процессов преобразования энергии и переноса вещества, происходящих в отдельных объектах, составляющих систему.

ИБЭС может быть представлена совокупностью из следующих объектов и соответствующих им ЭТП (фиг.2):

1. Самого сельскохозяйственного биологического объекта, являющегося предметом энергетического воздействия (растение, животное, др. биологические объекты). Назначением потребляемой энергии является непосредственное проведение основного энерготехнологического процесса производства продукции для реализации (ЭТП_О).

2. Технических средств обеспечения микроклимата. Потребляемая энергия идет на ЭТП обеспечения условий жизнедеятельности - обогрев, освещение, вентиляция, кондиционирование и т.п. (ЭТП_М).

3. Биологических и технических средств подготовки основного ЭТП обработки сельскохозяйственного биологического объекта. Затраты энергии здесь обусловлены необходимостью предварительной подготовки условий для осуществления основного энерготехнологического процесса (предварительный ЭТП_П).

Каждый реальный объект ИБЭС (установка или процесс) может быть представлен либо одним, либо совокупностью энергетических операторов (ЭО).

Например, электродвигатель, представляющий собой устройство для преобразования электрической энергии во вращательное движение, при контроле его энергоэффективности как объекта, составляющего ИБЭС, может быть представлен совокупностью контактов, обмоток, электрических и магнитных полей и т.д. Облучательная установка, представляющая собой устройство для преобразования электрической энергии в энергию поля оптического излучения, при контроле энергоэффективности может быть представлена совокупностью из источника электрического питания, источника излучения, отражателя и т.д.

Каждый ЭО при контроле энергоэффективности вычленяется таким образом, чтобы отразить определенные свойства соответствующего реального объекта:

1) Операторы - источники, создающие потенциальную или кинетическую энергию различных видов. Примерами являются источники напряжения и тока, двигатели, компрессоры, насосы.

2) Операторы, рассеивающие энергию (участки трения, капилляры, сопла, демпферы).

3) Операторы, обладающие способностью накапливать энергию (конденсаторы, маховики, массивные подвижные элементы, теплонакопители).

4) Операторы, характеризующие инерционный эффект (индуктивные катушки, пружины).

Совокупность активных и пассивных ЭО, составляющих структуру ИБЭС и условно связанных между собой линиями взаимного влияния физических величин, характеризующими энергетическое состояние операторов, образуют энергетические цепи (ЭЦ). Математически состав и структура ЭЦ может быть описана полюсными уравнениями, отражающими свойства каждого ЭО в виде функциональной зависимости между двумя физическими величинами, характеризующими его состояние.

Первый тип рассматриваемых физических величин может быть зафиксирован измерительными преобразователями, включаемыми параллельно полюсам ЭО, без разрывания схемы соединений ЭЦ (вольтметрами, манометрами, термометрами, спидометрами). Данные величины характеризуют состояние ЭО относительно его полюсов (напряжение, давление, разность температур, скорость) и называются продольными переменными (или координатами) ξ(τ).

Другой тип величин может быть зафиксирован измерительными преобразователями, включаемыми последовательно с ЭО в точку разрыва схемы соединений ЭЦ (амперметрами, динамометрами, расходометрами). Данные величины характеризуют состояние ЭО относительно поперечного сечения направления протекания через них энергии (ток, сила, расход носителя энергии) и называются поперечными переменными (или координатами) ζ(τ).

Активными энергетическими операторами (АЭО) являются элементы ЭЦ, представляющие собой источники энергии (давления, электрического напряжения, теплоты и т.д.).

Пассивными энергетическими операторами (ПЭО) являются элементы ЭЦ, не имеющие независимых источников продольных ξ(τ) и поперечных ζ(τ) координат (либо имеющие такие источники, но суммы одноименных координат которых равны нулю).

Приложение одного типа координаты (ξ(τ) или ζ(τ)) к ПЭО вызывает в последнем реакцию в виде возникновения координаты другого типа (соответственно, ζ(τ) или ξ(τ)). Реакция зависит от свойств ПЭО и связей между ними. Численной характеристикой реакции для ПЭО_i является показатель реакции (ПР) R_i. В соответствии с типом реакции координаты-следствия на координату-причину можно выделить три типа ПЭО (принятые ниже названия «пропорциональный», «дифференциальный» и «интегральный» условны и взяты по виду математических выражений в правой части формулы, описывающей зависимости ζ=f(ξ)).

Пропорциональный пассивный энергетический оператор (ПЭОⁿ) - компонент, отражающий необратимый процесс превращения энергии в тепло. ПР для ПЭОⁿ является величина, характеризующая интенсивность данного эффекта R_n (электрическая проводимость, коэффициент трения, крутильное сопротивление, пневматическая проводимость). При приложении продольной координаты ξ(τ) к ПЭОⁿ возникает поперечная координата ζ(τ), пропорциональная величине прилагаемого воздействия

ζ ( τ ) = R n ξ ( τ ) .                                                    ( 1 )

Дифференциальный пассивный энергетический оператор (ПЭО^∂) - компонент, препятствующий изменению продольной координаты ξ(τ). Данный оператор накапливает кинетическую энергию. ПР для ПЭО^∂ является величина, характеризующая инерционный эффект носителя R_∂ (емкость конденсатора, масса тела, момент инерции, пневматическая упругость). При изменении продольной координаты ξ(τ), действующей на ПЭО^∂, возникает поперечная координата ζ(τ), пропорциональная изменению прилагаемого воздействия

ζ ( τ ) = R ∂ d ξ ( τ ) d τ .                                                      ( 2 )

Интегральный пассивный энергетический оператор (ПЭО^u) - компонент, препятствующий изменению поперечной координаты ζ(τ). Данный оператор накапливает потенциальную энергию. ПР для ПЭО^u, характеризующим данный эффект, является величина R_u (индуктивность катушки, жесткость пружины, крутильная жесткость, пневматическая инертность). При изменении продольной координаты ξ(τ), действующей на ПЭО^u, возникает поперечная координата ζ(τ), пропорциональная интегралу от прилагаемого воздействия

ζ ( τ ) = R u ∫ d ξ ( τ ) .                                                     ( 3 )

Энергия является количественной характеристикой перемещаемой субстанции и определяется по формуле

Q ( τ ) = ζ ( τ ) ξ ( τ ) .                                                      ( 4 )

Выделяют три вида энергии: кинетическую, потенциальную и тепловую. Кинетическая энергия обусловливается продольной координатой. В ЭЦ кинетическую энергию относят к ПЭО^∂.

Ее значение определяется по формуле

Q ∂ ( τ ) = 1 R ∂ ζ ( τ ) ∫ ζ ( τ ) d τ .                                                ( 5 )

Потенциальная энергия обусловливается поперечной координатой. В ЭЦ кинетическую энергию относят к ПЭО^u. Ее значение определяется по формуле

Q u ( τ ) = 1 R u ζ ( τ ) d ζ ( τ ) d τ .                                                ( 6 )

Тепловую энергию в ЭЦ относят к ПЭОⁿ. Ее значение определяется по формуле

Q n ( τ ) = 1 R n ζ 2 ( τ ) .                                                           ( 7 )

Будем считать консервативными i-e операторы ЭЦ, энергия на которых Q i к о н является полезно используемой в данном ЭТП. Диссипативными будем считать i-e операторы, энергия на которых Q i д и с не оказывает полезного влияния на результаты ЭТП и должна быть отнесена к потерям.

Например, в нагревательных установках полезной является тепловая энергия, выделяемая на пропорциональном ПЭОⁿ (его следует отнести к консервативным операторам), остальные же виды энергии следует отнести к потерям, т.е. диссипативными операторами следует считать дифференциальные ПЭО^∂ и интегральные ПЭО^u. В других же случаях к потерям относится энергия, выделяемая на пропорциональном ПЭОⁿ, т.е. полезно используемой является энергия на дифференциальных ПЭО^∂ и интегральных ПЭО^u (консервативные операторы), а ПЭОⁿ - это диссипативные операторы.

В общем случае подводимая к ИБЭС энергия

Σ Q i п о д в . ( τ ) = Σ Q i д и с ( τ ) + Σ Q i к о н . ( τ ) .                                                     ( 8 )

Полезно используемая энергия

Σ Q i и с п . ( τ ) = Σ Q i к о н ( τ ) .                                                                    ( 9 )

Значение энергоемкости ИБЭС определяется по выражению

ε ( τ ) = Σ Q i п о д в . ( τ ) Σ Q i и с п . ( τ ) = Σ Q i д и с ( τ ) + Σ Q i к о н ( τ ) Σ Q i к о н ( τ ) = 1 + Σ Q i д и с ( τ ) Σ Q i к о н ( τ ) .                           ( 10 )

Таким образом, для контроля энергоэффективности ИБЭС необходимо проанализировать процессы, происходящие в системе, подключить первичные преобразователи к контрольным точкам системы (выбранным ПЭО_i), определить значения энергии в контрольных точках, с помощью коммутатора обеспечить раздельное суммирование энергии с выходов преобразователей, подключенных к ПЭОⁿ, ПЭО^∂ и ПЭО^u, отнести полученные значения суммарных энергий к диссипативным и консервативным видам, сформировать величину энергоемкости и отобразить ее на индикаторе.

Устройство для контроля энергоэффективности ИБЭС состоит из комплекта измерительных преобразователей 1…12 (для примера на фиг.1 и фиг.2 они показаны в количестве 12 шт.), размещенных в контрольных точках ИБЭС, например, напряжения и тока, силы и скорости, давления и потока.

Выходы измерительных преобразователей соединены с соответствующими входами коммутатора 13, выходы которого соединены с соответствующими входами первого 14, второго 15 и третьего 16 сумматоров, выходы которых соединены с соответствующими подвижными контактами двухпозиционных переключателей 17…19, первые и вторые неподвижные контакты которых соответственно соединены с входами четвертого 20 и пятого 21 сумматоров, выходы которых соединены с входами делителя 22, выход которого соединен с входом блока сложения с единицей 23, выход которого соединен с входом индикатора 24. При контроле энергоэффективности ИБЭС во время ее функционирования i-е первичные преобразователи определяют величину энергии Q_i(τ) для моментов времени τ в контрольных точках системы как произведения измеренных продольных ξ(τ) (напряжение, линейная или угловая скорость, давление и т.д.) и поперечных ζ(τ) (ток, сила или вращающий момент, поток и т.д.) координат. Исходя из сущности происходящих в ИБЭС процессов предварительно производится классификация соответствующих данным контрольным точкам ПЭО_i на пропорциональные ПЭОⁿ, дифференциальные ПЭО^∂ и интегральные ПЭО^u.

Коммутатор 13 подает сигналы от всех ПЭО^u системы Q i u ( τ ) на вход сумматора 14, на выходе которого формируется значение суммы энергии на всех интегральных операторах системы Σ Q i u ( τ ) . Сигналы от всех ПЭО^∂ системы Q i ∂ ( τ ) подаются на вход сумматора 15, на выходе которого формируется значение суммы энергии на всех дифференциальных операторах системы Σ Q i ∂ ( τ ) . Сигналы со всех ПЭОⁿ системы Q i n ( τ ) подаются на вход сумматора 16, на выходе которого формируется значение суммы энергии на всех пропорциональных операторах системы Σ Q i n ( τ ) .

Коммутацией двухпозиционных переключателей 17…19 задают, к диссипативным или консервативным операторам относятся выделенные для анализа ПЭОⁿ, ПЭО^∂ и ПЭО^u.

Численное значение величины суммарной диссипативной энергии Σ Q i д и с ( τ ) формируется на выходе сумматора 20, консервативной Σ Q i к о н ( τ ) - на выходе сумматора 21. Делитель 22 и блок сложения с единицей 23 формирует численное значение величины энергоемкости ε(τ), которая отображается на индикаторе 24.

Пример. В структуре ИБЭС (фиг.2) выделены контрольные точки, к которым подключены измерительные преобразователи 1…12. Реальные объекты ИБЭС представлены как ПЭО_i. В таблице для каждого ПЭО_i как составного элемента ИБЭС указан его вид и показания Q_i(τ) измерительного преобразователя, связанного с этим оператором

№ ПЭО, i	Вид ПЭОi	Qi(τ), усл. ед.	№ ПЭО, i	Вид ПЭОi	Qi(τ), усл. ед.	№ ПЭО, i	Вид ПЭОi	Qi(τ), усл. ед.
1	ПЭОu	12,3	5	ПЭОu	11,7	9	ПЭОn	5,9
2	ПЭОu	1,5	6	ПЭО∂	6,8	10	ПЭОu	9,2
3	ПЭОn	7,8	7	ПЭОn	4,6	11	ПЭО∂	10,4
4	ПЭОu	3,9	8	ПЭО∂	2,1	12	ПЭОn	8,5

Суммарная энергия на ПЭО^u

Σ Q i u ( τ ) = 12,3 + 1.5 + 3,9 + 11,7 + 9,2 = 38,6   у с л .     е д .

Суммарная энергия на ПЭО^∂

Σ Q i ∂ ( τ ) = 6,8 + 2,1 + 10,4 = 19,3   у с л .     е д .

Суммарная энергия на ПЭОⁿ

Σ Q i n ( τ ) = 7,8 + 4,6 + 5,9 + 8,5 = 26,8   у с л .     е д .

Исходя из сущности протекающих в ИБЭС процессов и их влияния на конечный результат к консервативным отнесены дифференциальные и интегральные операторы, а к диссипативным - пропорциональные. В этом случае подвижные контакты двухпозиционных переключателей 17 и 18 переводят в нижнее, а двухпозиционного переключателя 19 в верхнее по схеме положения.

Суммарная энергия на консервативных ПЭО

Σ Q i к о н ( τ ) = Σ Q i ∂ ( τ ) + Σ Q i u ( τ ) = 38,6 + 19,3 = 57,9   у с л .     е д .

Суммарная энергия на диссипативных ПЭО

Σ Q i д и с ( τ ) = Σ Q i n ( τ ) = 26,8   у с л .     е д .

Численное значение величины энергоемкости

ε ( τ ) = 1 + 26,8 57,9 = 1,46   о т н .     е д .

Из физического смысла величины энергоемкости (который следует из ее определения) полученное численное значение следует трактовать так: при величине энергозатрат 1,46 усл.ед. полезно используется 1,0 усл.ед. и 0,46 усл.ед. относятся к потерям, т.е. 46% от полезно используемой энергии в ИБЭС составляют потери.

Таким образом, применение данного устройства позволяет осуществить контроль энергоэффективности ИБЭС по величине энергоемкости.

Устройство для контроля энергоэффективности искусственных биоэнергетических систем, содержащее комплект измерительных преобразователей, коммутатор, индикатор, отличающееся тем, что дополнительно содержит пять сумматоров, три двухпозиционных переключателя, делитель, блок сложения с единицей, причем выходы измерительных преобразователей соединены с соответствующими входами коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами первого, второго и третьего сумматоров, выходы которых соединены с соответствующими подвижными контактами двухпозиционных переключателей, первые и вторые неподвижные контакты которых соответственно соединены с входами четвертого и пятого сумматоров, выходы которых соединены с входами делителя, выход которого соединен с входом блока сложения с единицей, выход которого соединен с входом индикатора.