Расходомер теплоносителя в автономной системе отопления

В данной статье я буду рассматривать все процессы применительно к автономной системе отопления частного дома с автоматическим газовым котлом и приведу пример конструкции расходомера на базе бытового недорогого счетчика воды.

Расход теплоносителя (в моем случае воды) в системе отопления является одним из главных параметров, который влияет на поддержание заданного микроклимата в помещении при любых погодных условиях и наряду с другими параметрами определяет качество функционирования системы отопления в целом.  Расход теплоносителя показывает какой его объем  прошел через систему отопления за определенное время.  Так как система отопления может быть разветвленной — например на первом и втором этажах дома может быть два независимых контура отопления — то расход теплоносителя мы будем рассматривать применительно к отопительному котлу.  Необходимый номинальный расход теплоносителя рассчитывается  на этапе проектирования системы отопления и в процессе ее эксплуатации должен оставаться неизменным. О методах расчета необходимого расхода теплоносителя я расскажу в отдельной статье, в которой будет приведен пример расчета простой системы отопления небольшого частного дома.

Возможно некоторым читателям более понятным будет термин скорость циркуляции теплоносителя или скорость потока теплоносителя в трубах, но скорость циркуляции в отличии от расхода зависит от сечения трубы и на разных участках системы отопления будет разной. Поэтому удобнее пользоваться таким понятием как расход.

Причины по которым расход теплоносителя может уменьшаться:

  • отложение накипи внутри теплообменника котла или засорение труб системы отопления, в результате чего увеличивается сопротивление потоку теплоносителя, а значит уменьшается его скорость и, как следствие, объем, прошедший через котел за определенное время, то есть расход;
  • засорение фильтров в системе отопления;
  • уменьшение производительности циркуляционного насоса из-за всевозможных неисправностей.

Признаки уменьшения расхода теплоносителя в действующей системе отопления:

  • котел начал часто включаться и выключаться;
  • теплоотдача в системе отопления уменьшилась, батареи прогреваются не полностью даже при установке максимальной температуры отопления на котле, как следствие  температура в помещении может быть занижена;

Но указанные признаки могут иметь и другие причины, поэтому было бы неплохо контролировать уровень расхода теплоносителя в своей системе отопления. В таком случае необходим расходомер.

Расходомер на базе бытового счетчика воды.

В моей системе отопления в качестве теплоносителя используется вода. Для контроля расхода теплоносителя я использовал обычный бытовой счетчик воды, который установил на входе теплоносителя в котел (на обратке).  При этом счетчик выступал в качестве индикатора, по которому было видно есть ли циркуляция в системе и примерно оценить ее скорость по вращению счетного механизма счетчика. Чтобы узнать расход необходимо было отсчитать по секундомеру определенное время и зафиксировать показания счетчика в начале и конце отрезка этого времени. Конечно это не удобно. Тогда я и задался целью встроить в счетчик дисплей и микроконтроллер, который бы сам считал расход. Таким образом и родилось описываемое ниже устройство.

Счетчик воды со снятым счетным механизмом

Принцип работы счетчика воды очень прост. В нижней герметичной части счетчика расположена крыльчатка, которая вращается за счет потока воды, протекающей через счетчик. На крыльчатке установлены магниты. Счетный механизм крепится сверху на герметичную часть и тоже имеет на одной из шестеренок магнит. Таким образом с помощью магнитного сцепления осуществляется передача вращения крыльчатки на счетный механизм.

Если расположить датчик Холла в месте  расположения вращающихся магнитов (в основании счетного механизма) мы получим электрические импульсы, которые уже можно  подсчитать микроконтроллером  и вывести на дисплей.  Вот и вся идея. Дальше, как говорится, дело техники.

Датчик Холла, закрепленный в основании счетного механизма счетчика

В качестве дисплея был выбран светодиодный семисегментный двухразрядный индикатор.  Расход теплоносителя было решено измерять в литрах в минуту. Объясню почему именно такая размерность. Я не буду вдаваться в теорию, но ориентировочно расход в литрах в минуту должен быть примерно равен мощности в кВт, отдаваемой котлом на нагрев воды. Например, если ваш котел отдает мощность 10 кВт, то расход теплоносителя должен составлять 10 литров в минуту, при этом разница температур на входе и выходе котла составит 15°С. Таким образом двух разрядов индикатора вполне хватит, что бы отображать расход воды от 1 л/мин и выше. Но, следует отметить, что если необходимо измерять расход теплоносителя больше 20 л/мин, то необходимо использовать счетчики с большим диаметром условного прохода, Ду-20 и выше. В моем опытном устройстве используется счетчик Ду-15.

В качестве устройства для вывода значений расхода теплоносителя на дисплей и подсчета импульсов с датчика Холла  была выбрана плата Arduino nano V3. Данная плата содержит микроконтроллер со всей необходимой обвязкой и возможностью быстрого программирования, что очень удобно. Производительности данного микроконтроллера и платформы Arduino  для реализации нужного нам алгоритма более чем достаточно. 

Для установки всех электронных компонентов расходомера теплоносителя была разработана печатная плата с размерами, позволяющими закрепить ее в корпусе счетного механизма счетчика. Плата была разведена в программе Sprint Layout 5.0.  Ниже на фото показана плата с установленными компонентами.  Часть компонентов схемы установлено со стороны печатных проводников с обратной стороны платы. Сама плата закреплена на основании счетного механизма. Рядом  для сравнения показан счетный механизм счетчика воды без корпуса.

На следующем фото показана обратная сторона платы и проводные соединения с датчиком Холла, который установлен на основании счетного механизма рядом с пластиковой шестеренкой. Как раз внизу данной шестеренки закреплен магнит, который и воздействует на датчик Холла.

Ну и дальше на фото сам расходомер теплоносителя в работе.

 

Ниже представлена принципиальная электрическая схема  расходомера теплоносителя. Модуль А1 это плата Arduino nano. 

Выше по тексту я упоминал датчик Холла. На схеме он обозначен как HS1. На самом деле это не «чистый» датчик Холла, а целая микросхема, которая имеет в своем составе датчик Холла, усилитель сигнала датчика, триггер  Шмидта, выходной каскад с открытым коллектором и другие вспомогательные элементы. Благодаря всей этой схеме мы имеем на выходе микросхемы сигнал с двумя устойчивыми состояниями — 0 или 1.  Микроконтроллер на плате Arduino nano запрограммирован таким образом, что считает переходы из низкого состояния сигнала в высокое (из нуля в единицу).  

Для отображения чисел на двухразрядном семисегментном индикаторе используется режим динамической индикации. Для этого все сегменты двух индикаторов соединены параллельно, а выбор разряда осуществляется путем подачи на соответствующий вывод (D1 или D2) индикатора логической единицы (индикатор с общим анодом). Разряды засвечиваются поочередно с частотой, превышающей инерционность зрения человека. В результате мы видим цифры на обеих разрядах индикатора без мерцания.

Диод VD1 защищает устройство от переполюсовки питания. Я установил диод Шоттки для уменьшения потерь напряжения, но это не принципиально.  Конденсаторы C1 и C2 улучшают устойчивость работы встроенного стабилизатора напряжения на плате Arduino nano и уменьшают наводки по питанию. Резисторы R1-R7 ограничивают статический ток сегментов индикатора на уровне примерно 5 мА. Так как у нас используется динамическая индикация, то средний ток сегмента будет меньше 5 мА. Данный индикатор очень яркий и хорошо светится даже при токах менее 5 мА.

Схема электрическая принципиальная расходомера теплоносителя автономной системы отопления

 

Для реализации нужного нам алгоритма работы расходомера был написан скетч в среде Arduino IDE.

Сам скетч подробно закомментирован,  я остановлюсь лишь на основных моментах программы.

Для подсчета импульсов с датчика Холла используется режим внешнего прерывания по входу D2 платы Arduino. Программа считает фронты нарастания импульсов, поступающих с датчика Холла. Опытным путем было установлено, что при прохождении через счетчик одного литра воды крыльчатка счетчика делает 30 оборотов. За один оборот крыльчатки с датчика Холла поступает 2 импульса напряжения (на крыльчатке расположено два магнита), то-есть на программном счетчике Arduino мы получим 2 за один оборот.  Далее изменение логического состояния на выходе датчика Холла с 0 на 1 будем называть импульсом.  Если умножить 2 на 30 мы получим количество импульсов при прохождении через счетчик одного литра воды (теплоносителя).  То есть 60 импульсов будут соответствовать 1 литру воды. Таким образом расход теплоносителя через счетчик будет определяться следующей формулой:

G=(Ni/60)*60,

где G — расход теплоносителя в литрах в минуту;   Ni — количество импульсов за одну секунду.

Можно сказать, что нам крупно повезло — расход теплоносителя численно равен количеству импульсов датчика Холла за одну секунду. Это очень упрощает программный код. Переменная pulses, в которой хранится количество импульсов датчика Холла за одну секунду, выводится на дисплей без всяких пересчетов и всегда имеет целочисленное значение.

Для вывода значений расхода на семисегментный индикатор используется готовая библиотека Led4Digits, которую я взял здесь. В этом же источнике можно узнать более подробно как работать с данной библиотекой.  Для отображения числа на двух разрядах индикатора используется режим динамической индикации. Программно это реализовано через аппаратное прерывание с помощью библиотеки  MsTimer2.  Обработчик прерывания вызывается каждые 10 мс и переключает разряды дисплея. В этом же обработчике каждую секунду происходит  обновление и вывод значения расхода теплоносителя на дисплей.

Расходомер запитан от внешнего нестабилизированного источника  напряжением 9 вольт (от старого мобильного телефона). Максимальный потребляемый  расходомером ток составляет не более 50 мА.

Файлы для скачивания:

Плата, схема, скетч
Скачано: 35, размер: 13.7 KB, дата: 19 Фев. 2018

Поделиться ссылкой:

Добавить комментарий