ТЕПЛОСЧЕТЧИК С КАНАЛОМ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ
РАЗНОСТИ ОБЪЕМНЫХ РАСХОДОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ГРАДУИРОВКИ И ПОВЕРКИ

М. Н. Бурдунин, технический директор «ТБН Энергосервис»,
А. А. Варгин, главный метролог «ТБН Энергосервис», Москва

В настоящей статье рассмотрен вопрос о необходимости создания принципиально новых теплосчетчиков, позволяющих существенно уменьшить погрешность измерений массы отобранного из сети теплоносителя и, как следствие, погрешность измерений тепловой энергии в открытых водяных системах теплоснабжения (далее ОВСТ).

В статье [1] приведен подробный анализ составляющих погрешности измерений тепловой энергии, как инструментальных, так и составляющих погрешности метода измерений с помощью теплосчетчиков в водяных системах теплоснабжения. Однако, в связи с патентованием авторами ряда полученных результатов, в [1] полностью исключена из рассмотрения одна из самых существенных составляющих погрешности метода измерений тепловой энергии в ОВСТ — погрешность измерений массы отобранного из сети теплоносителя по разности показаний расходомеров, установленных на подающем и обратном трубопроводах (далее, для краткости, погрешность разности масс).

Эта составляющая погрешности метода измерений тепловой энергии может быть чрезмерно большой, если расход отбираемого из сети теплоносителя соизмерим с абсолютной погрешностью расходомеров теплосчетчика (это имеет место в подавляющем большинстве случаев, встречающихся в практике). Несмотря на то, что расход циркулирующего теплоносителя значительно превышает расход отбираемого, следует учитывать, что общий объем теплоносителя, циркулирующего в сети конечен, а его отбор идет непрерывно. Поэтому за продолжительный промежуток времени (месяц, отопительный сезон и т.д.) суммарное количество отобранного из сети теплоносителя оказывается весьма существенным и большая погрешность при измерении его количества становится не приемлемой.

Примерная схема узла учета тепловой энергии и количества теплоносителя в ОВСТ показана на Рисунке  1. Хорошо известно, что теплоноситель может использоваться не только на горячее водоснабжение, где не сложно наладить учет (с помощь расходомера 5). Как правило, присутствуют еще и различные технологические врезки для отбора теплоносителя, где его количество не учитывается. Необходимость такие врезок 6 объясняется обычно потребностью удаления воздушных пробок, препятствующих нормальному функционированию системы отопления. На самом деле отбираться здесь теплоноситель может хоть и с не очень большим расходом, но сутками. Им моют в цехах полы, автомобили, топят на близлежащей территории снег или лед (колоть, который тяжеловато) и т.д., и т.п.

Рисунок 1. Схема узла учета тепловой энергии для открытой водяной системы теплоснабжения
(пунктиром показано то, что находится вне теплопункта)

Очевидно, что общая масса отобранного на объекте из сети теплоносителя достоверно может быть оценена только на границе балансовой принадлежности этого объекта (обычно граница проходит по входной 1 и выходной 2 задвижкам). Именно здесь определяются значения масс теплоносителя поступившего по подающему трубопроводу и вышедшего по обратному с помощью расходомеров 2 и 4 с учетом значений плотности теплоносителя, вычисленных по измеренным значениям температур t1 и t2 в этих трубопроводах. Однако здесь возникает другая проблема: погрешность измерений массы отобранного из сети теплоносителя, по разности измеренных значений масс в подающем и обратном трубопроводах, с помощью расходомеров 2 и 4, оказывается для коммерческого учета неприемлемо большой. На этой почве зачастую возникают конфликтные ситуации между поставщиками и потребителями тепловой энергии и теплоносителя.

Таким образом, для выхода из создавшегося положения следует измерение массы отобранного из сети теплоносителя проводить на границе балансовой принадлежности объекта, но повысить при этом точность измерений. Проведенный анализ (представлен ниже) показывает, что для радикального повышения точности измерений необходимо отказаться от применяемого в настоящее время косвенного метода измерений массы отобранного из сети теплоносителя. Это вызывает необходимость создания принципиально новых теплосчетчиков, имеющих канал прямого измерения разности расходов теплоносителя в двух трубопроводах.

Один из вариантов реализации такого теплосчетчика, а также установки для его градуировки (поверки) приведен в настоящей статье.

Уравнения измерений тепловой энергии Q и массы теплоносителя, отобранного из тепловой сети ΔМ, по МИ 2412 [2] имеют вид

(1)

(2)

где

(3)

i = 1, 2,

где Mi — масса, mi — массовый, а qi — объемный расходы; ρi = ρ(Pi, ti) — плотность, а hi = h(Pi, ti) — энтальпия теплоносителя как функции давления Pi и температуры ti в измерительном сечении i трубопровода, вычисленные по ГСССД 188-99 [3] Нижние индексы у величин расхода, плотности, температуры, давления и энтальпии соответствуют: i = 1 подающему, а i = 2 обратному трубопроводам; hхв — энтальпия холодной воды; τ — время, изменяющееся в интервале от τ0 — начала, до τ1 — окончания отчетного периода.

Современные теплосчетчики по ГОСТ Р 51649 [4] являются измерительными системами, которые по ГОСТ Р 8.596 [5] классифицируются, как ИС-1. В простые и сложные измерительные каналы теплосчетчиков входят преобразователи объемного расхода (или объема), датчики давления и/или температуры и вычислительные устройства. Измерительные каналы объемного, или массового расхода в теплосчетчиках далее будут называться, как обычно принято, объемными (массовыми) расходомерами. Причем преобразователи объема, имеющие обычно числоимпульсный выходной сигнал, изготовляются на базе преобразователей расхода, а объем вычисляется интегрированием объемного расхода по времени, т.е. классические счетчики объема, например, камерные, в теплосчетчиках не применяются.

Из (1) – (3) видно, что алгоритмы измерений тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя были бы проще, если в теплосчетчиках применялись бы преобразователи массового расхода. Однако, поскольку теплоносителем является вода, теплофизические характеристики которой хорошо известны, преобразователи массового расхода ощутимого выигрыша в точности по сравнению с объемными не дадут. Поэтому кориолисовы преобразователи расхода ввиду их чрезмерной дороговизны не применяются, а относительно дешевые тепловые расходомеры находятся еще на начальных стадиях разработки и пока заметного распространения не получили. Кроме того, применение массовых преобразователей расхода в теплосчетчиках от погрешности разности масс все равно не избавляет.

Из (2) видно, что погрешность измерений разности масс теплоносителя прошедшего по двум трубопроводам за отчетный период будет равна погрешности измерений разности массовых расходов в этих трубопроводах, если погрешность интегрирования пренебрежимо мала. Современные методы численного интегрирования и элементная база вычислительных устройств такую возможность предоставляют.

Исходя из вышесказанного, схему измерительного канала массы отобранного из сети теплоносителя, реализующего определение разности масс теплоносителя, прошедших по подающему и обратному трубопроводам, т.е. по (2), в современных теплосчетчиках можно представить в виде, приведенном на Рисунке 2.

Рисунок 2. Схема измерительного канала массы отобранного из сети теплоносителя в существующих теплосчетчиках

Оценку допускаемых пределов погрешности измерений разности масс по уравнению (2) за рассматриваемый интервал времени можно произвести по формуле, приведенной в МИ 2553 [6]

(4)

где δ1 и δ2, взятые каждое со своим знаком значения погрешностей измерений масс теплоносителя в подающем M1 и обратном M2 трубопроводах. Оценить получаемые в этом случае пределы значений погрешности измерений наиболее наглядно можно на примере.

Пусть за час через подающий трубопровод прошло 100 т теплофикационной воды, а через обратный 99 т (т.е. массовые расходы равны m1 = 100 т/ч, m2 = 99 т/ч). Пусть допускаемые пределы погрешностей измерений масс в обоих трубопроводах одинаковы и составляют ±1% (для простоты в первом приближении можно положить их равными инструментальным составляющим погрешностей, т.е. погрешностям расходомеров). Очевидно, что наибольшие значения погрешности измерений разности масс будут при разных знаках погрешностей расходомеров, т.е. δ1 = +1% и δ2 = –1%, или наоборот. Тогда из формулы (4) следует, что пределы погрешности измерений массы в 1 т, отобранной за один час из тепловой сети для данных расходов теплоносителя в трубопроводах составят ±199%. И это при метрологически исправных расходомерах! Из (1) и (2) видно, что такая погрешность измерений разности масс может внести существенный вклад и в погрешность измерений тепловой энергии.

Из приведенного выше примера следует, что источником столь большой погрешности разности масс является косвенный метод измерений этой разности, которая определяется как разность двух близких величин, измеряемых двумя средствами измерений, каждое из которых имеет свою погрешность, соизмеримую с искомой разностью.

Существующая проблема уменьшения погрешности разности масс уже достаточно продолжительное время находится в поле зрения исследователей, которые предлагают различные варианты ее решения. Хотя метод предлагается, в общем, то один, и он непосредственно следует из формулы (4). Так если действительные значения погрешностей измерений δ1 и δ2 масс М1 и М2 будут примерно равны по знаку и абсолютной величине, по погрешность измерений разности масс оказывается близкой к нулю.

Поэтому воспроизводится ситуация, когда через оба расходомера, принадлежащих теплосчетчику проходит один и тот же расход среды и показания этих расходомеров с помощью настройки или введения поправок подгоняют друг к другу.

Существует два способа реализации метода подгонки (или согласования) показаний расходомеров. Во-первых, согласование показаний пар расходомеров предлагается проводить при их градуировке на установке, т.е. в лабораторных условиях с применением взаимной подстройки расходомеров [7]. Квинтэссенцией работ этой группы авторов из ВНИИМ является создание нормативного документа Р 50.2.026 [8].

Второй способ согласования показаний расходомеров изложен в статье [9]. Здесь автор предлагает проводить взаимную настойку расходомеров подающего и обратного трубопроводов на реальном объекте, соединив оба трубопровода определенным образом системой труб и арматуры, (объект при проведении работ остается, видимо, без теплоснабжения). Следует отметить также, что настройка рабочих расходомеров производится один по другому без применения эталона. Кроме того, при настройке регулировать можно только расход, и то в сторону уменьшения. Регулировать температуру теплоносителя и его расход в сторону увеличения в реальной тепловой сети невозможно.

Недостаток первого подхода очевиден: в формуле (4) фигурируют погрешности измерений, а производится согласование только основных погрешностей средств измерений (т.е. расходомеров). Поэтому нет никакой гарантии того, что характеристики расходомеров, полученные при совместной проливке на одной установке в одинаковых лабораторных условиях на воде с одинаковой температурой, будучи перенесенными, на реальный объект в разные трубопроводы с разной температурой среды и конфигурацией гидравлического тракта, сохранят те же самые значения погрешностей. Тем более, что проверка метрологических характеристик расходомеров на реальном объекте авторами не предусмотрена. Однако кое в чем авторы [7, 8] правы. Так в теплосчетчиках для уменьшения погрешности метода измерений следует применять расходомеры с градуировочными характеристиками близкими к линейным. Этому требованию в наибольшей степени соответствуют только электромагнитные расходомеры, что и отражено в названии [8].

Второй способ настройки расходомеров на реальном объекте, наверно, более корректен, чем первый. Однако предлагаемые автором мероприятия достаточно трудоемки и, видимо, не дешевы, не говоря о необходимости наличия свободных площадей для реконструкций узлов учета, находящихся у потребителей, как правило, в крайне стесненных условиях. Кроме того, взаимная настойка производится только при одинаковом расходе теплоносителя, протекающего через оба расходомера (причем действительное значение, которого достоверно неизвестно, т.к. наличие эталонного средства измерений здесь не предусмотрено). Поэтому воспроизвести и не нулевую разность расходов с нормированной погрешностью здесь тоже нельзя. Значит для параметров потока, отличных от настроечных поправки к результатам измерений определяются расчетным путем без экспериментального подтверждения.

Следует отметить, что первый способ лучше второго, тем это в том, что он применим для серийного производства (что важно при массовом производстве), тогда как второй предполагает штучную работу, проведение которой в массовых масштабах достаточно сложно.

Нетрудно видеть, что метод подгонки показаний расходомеров при любом способе реализации является полумерой. У расходомеров, в отличие от платиновых термопреобразователей слишком высок вклад случайных составляющих в суммарную погрешность измерений расхода и нет никаких гарантий, что погрешности измерений расхода после взаимной настройки расходомеров, даже на реальном объекте, останутся прежними хотя бы в течение некоторого более, или менее продолжительного интервала времени. Следовательно, погрешность разности масс, определенная по (4) может быть очень большой, даже если погрешности измерений расхода по каждому трубопроводу будут находиться в допускаемых пределах.

Выход из создавшейся ситуации, по мнению авторов, один: необходимо отказаться от метода измерений массы отобранного из сети теплоносителя по разности значений масс в подающем и обратном трубопроводах. И тогда исчезнет источник возникновения самой существенной составляющей погрешности метода измерений массы отобранного из сети теплоносителя и, следовательно, и тепловой энергии.

Следует подчеркнуть, что в измерительной технике одна такая проблема уже успешно решена: это измерения разности давлений. Потребность в этом виде измерений наиболее остро возникла в начале 20 века для расходометрии. Закончилось все созданием средств измерений, реагирующих непосредственно на измеряемую разность давлений, т.е. дифференциальных манометров. Здесь для наглядности целесообразно также рассмотреть пример. Так если разность давлений, измерять по разности показаний двух манометров, то погрешность измерений разности давлений δΔP будет определяться по формуле аналогичной (4), т.е.

Пусть необходимо измерить разность двух давлений (на сужающем устройстве) 100 кПа и 99 кПа. По разности показаний двух эталонных (образцовых по старой терминологии) манометров МО, имеющих пределы допускаемых значений погрешностей ±0,1%. Пределы погрешности измерения разности давления по разности показаний двух манометров получатся, если в формулу подставить предельные значения погрешностей манометров: сначала δ1 = +0,1% и δ2 = –0,1%, а затем δ1 = –0,1% и δ2 = +0,1%. Видно, что тогда допускаемые пределы измеряемой разности давлений будут составлять ±19,9%. А если для измерения этой же разности давлений применить отнюдь не самый точный рабочий дифференциальный манометр класса 1.5, но который реализует прямое измерение разности давлений, то погрешность измерений будет составлять только около ±2% (у дифманометров нормируется приведенная погрешность, которая зависит от верхнего предела измерений).

Приведенный пример еще раз подтверждает, что при измерениях разности значений двух величин следует переходить к прямому методу измерений этой разности, по возможности создав для этого средство измерений, непосредственно измеряющего эту разность.

Таким образом, для повышения точности измерений тепловой энергии в ОВСТ нужно создать теплосчетчик с каналом прямого измерения разности расходов. Следует особо подчеркнуть, что измерение разности температур теплоносителя в двух трубопроводах проблема также архиважная. Но она возникает и у теплосчетчиков, производимых во всем мире, поэтому и решается гораздо успешней. Погрешность измерений разности температур уменьшается путем подбора термопреобразователей в комплекты т.к. характеристики платиновых термопреобразователей значительно стабильнее характеристик преобразователей расхода всех существующих видов. Подбор термопреобразователей в комплекты рекомендуется и в международных стандартах [10]. Однако вопросы уменьшения погрешностей термопреобразователей и их комплектов, в силу особой важности, требуют отдельного обсуждения, и в настоящей статье не рассматриваются.

А вот измерять разность масс, или расходов в двух трубопроводах необходимо только в России т.к. в странах развитого капитализма ОВСТ не используются вообще.

Первая задача, которую необходимо решить для устранения применения операции вычитания значений масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах при использовании в теплосчетчиках объемных расходомеров это преобразование уравнений измерений (1, 2) так, чтобы разность объемных расходов присутствовала в них в явном виде.

Суть предлагаемых авторами эквивалентных преобразований заключается в добавлении и вычитании одного и того же члена ρ2q1 в выражение для (2), которое предварительно записывается с учетом (3)

отсюда после группировки членов получается

(5)

Аналогичные преобразования проводятся и в уравнении (1), предварительно записанного с учетом (3)

Или после проведения соответствующей группировки членов,

(6)

(7)

В модернизированных уравнениях измерений (5, 6) разность объемных расходов обозначена знаком Δq, что подчеркивает факт того, что уравнение измерений (7) из применения исключается.

При определении погрешностей измерений тепловой энергии и ее инструментальных составляющих целесообразно воспользоваться анализом, проведенным в статье [11], где показано, что с погрешностью пренебрежимо малой можно применять следующие допущения

(8)

Из которых следует, что

(9)

где δ(h1 - h2) и δ(t1 - t2) соответственно относительные погрешности разностей энтальпий h1 - h2 и температур t1 - t2; а δ(h1 - hхв) и δ(t1 - tхв) соответственно относительные погрешности разности энтальпий (h1 - hхв) и температур (t1 - tхв); С — среднее значение теплоемкости воды, слабо зависящей от температуры и давления и принимаемой в виде константы. Учитывая также, что разность температур (t1 - tхв) достаточно велика, то погрешностью ее измерений можно пренебречь, по сравнению с погрешностью измерений разности (t1 - t2).

Применяя подход [11] к анализу величин погрешностей плотности измеряемой среды и разности плотностей сред в подающем и обратном трубопроводах, учитывая, что плотность воды определяется весьма точно по ГСССД 188-99 [3] и пренебрежимо мало зависит от давления, можно получить аналогично (9)

(10)

Таким образом, для значимого уменьшения погрешностей измерений тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя в ОВСТ необходимо уменьшать погрешности измерений разности температур и разности расходов. И, следовательно, в теплосчетчик кроме комплектов термопреобразователей необходимо ввести средство прямого измерения разности расходов, т.е. канал прямого измерения разности объемных расходов Δq. Следует отметить, что по современным нормативным документам [5] измерительный канал может выделяться функционально и его конструктивное обособление не обязательно. Для измерительного канала разности расходов это допущение весьма актуально. Может со временем кто-нибудь и придумает средство измерений, чувствительный элемент которого будет непосредственно реагировать на разность расходов теплоносителя в двух трубопроводах, но пока это не осуществимо, да и есть ли в этом необходимость?

Схема канала измерений массы отобранного из сети теплоносителя в предлагаемом теплосчетчике имеет вид, приведенный на Рисунке 3. Причем давление среды в трубопроводах можно задавать договорными константами и погрешность от такого допущения будет пренебрежимо мала. Наличие канала прямого измерения разности расходов означает, что выходным сигналам расходомеров ставится в соответствие значение разности расходов определенное без применения операции вычитания, как в (7). Тогда для градуировки и поверки пар расходомеров для теплосчетчиков требуемые значения разности расходов в двух трубопроводах должны воспроизводиться с малой и наперед заданной погрешностью. Значения воспроизводимой разности расходов должны изменяться от нуля, когда расходы среды в обоих трубопроводах одинаковы и до наибольших значений этой разности расходов, реализуемых на практике. При этом расходы, в подающем и обратном трубопроводе должны также воспроизводиться во всем нормированном диапазоне их изменения.

Рисунок 3. Схема измерительного канала массы отобранного из сети теплоносителя в предлагаемом теплосчетчике

Очевидно, что для этих целей нужна специальная установка. Блок-схема такой установки, предлагаемой авторами настоящей статьи, приведена на Рисунке 4. На этой установке может проводиться поточная градуировка пар расходомеров теплосчетчиков, имеющих канал прямого измерения разности объемных расходов с соблюдением требуемых условий.

Рисунок 4. Установка для градуировки (поверки) пар расходомеров для теплосчетчиков с каналом прямого измерения разности объемных расходов

Установка состоит из участков 1 и 2. На 1 устанавливаются расходомеры с подающего трубопровода, на 2 с обратного. К участку 2 присоединяется блок байпасных трубопроводов 3, с помощью которого воспроизводится и измеряется требуемая разность расходов в подающем и обратном трубопроводах. Блок 3 соединяется или отделяется от участка 2 двумя управляемыми запорными вентилями 16 – 17. Эти вентили по команде могут быть либо полностью открыты, либо полностью закрыты для прохода воды. Блок 3, состоит из измерительных линий различных диаметров с установленными на них эталонными расходомерами 13, 14, 13', 14' (рабочие эталоны). Причем на одной линии последовательно устанавливается не менее двух эталонных расходомеров (эталонная система по ГОСТ Р 8.608 [12]). Диаметры измерительных линий в 3 выбираются такими, чтобы можно было с требуемой точностью измерять задаваемые значения расходов (даже совсем малые).

Участки 1 и 2 могут быть разделены группой колен 4, либо вытянуты в одну линию (что предпочтительней, но требует соответствующего помещения). На участки 1 и 2 в соответствии с эксплуатационной документацией устанавливаются пары градуируемых (поверяемых) объёмных расходомеров 8 – 9, 10 – 11 и т.д. (т.е. по одному и более на каждом участке). На выходе из участка 2 устанавливается управляемый вентиль 12, с помощью которого регулируется грубая подача воды в блок 3 от нулевого до наибольшего значений.

На выходе оборотной ёмкости 5 присоединен эталонный блок 22 с эталонными системами расходомерами (не показаны). По конструктивному исполнению блок 22 аналогичен блоку 3, только рассчитан на большие расходы. Блок 22 служит для индивидуальной поточной градуировки расходомеров 8 – 11 и, совместно с 3, для градуировки пар расходомеров 8 – 9, 10 – 11 и т.д. Для обеспечения точной регулировки подачи воды в блоках 3 и 22 последовательно с расходомерами на каждой линии установлены регулирующие управляемые вентили 15 и 15'. Блок 22 может быть установлен и на выходе из участка 2 непосредственно перед блоком исходных эталонов 31 (что даже более предпочтительно).

Число эталонных систем, их диаметры и количество эталонных расходомеров в системе (по ГОСТ Р 8.608 их должно быть не менее двух) для 3 и 22 зависит от решаемой задачи. Наибольшее количество градуируемых расходомеров 8 – 11 на каждой из ветвей 1 и 2 зависит от размеров установки и занимаемого места каждым расходомером с учетом требуемых до и после него длин прямых участков.

При полностью закрытом вентиле 12 и при открытых вентилях 16 – 17, вода, минуя участок 2, поступает в блок 3, и проходит через те линии, где частично, или полностью открыты управляемые регулирующие вентили 15, 15’ и рабочие эталоны расхода (эталонные системы) градуируются по исходным эталонам блока 31. Поскольку блоки 3 и 22 построены аналогично, градуировать их рабочие эталоны, т.е. эталонные системы можно одновременно. Такой подход повышает производительность.

В процессе градуировки рабочих эталонов блоков 3 и 22, вода через трубопровод l12 может поступать в блоке исходных эталонов 31, либо в мерник 7 или 20, либо через 17 или 120 в оборотную емкость 5. Блок исходных эталонов 31 содержит распределитель потока 18, который в зависимости от расхода направляет воду (по трубопроводам l18 или l21) к мернику (7 или 20) соответствующего объема при подаче команды на измерение соответствующим переключателем потока 19, 21. Тогда в течение заданного времени измерения вода будет поступать в мерник, а затем при подаче команды на конец измерения переключатель направит поток через трубопроводы l7 или l20 в емкость 5.

В блоке исходных эталонов 31 количество мерников 7, 20 может быть увеличено. Кроме того, вместо мерников могут применяться резервуары, в которых масса поступившей воды будет определяться с помощью весов, тогда на установке дополнительно появится возможность градуировать (поверять) массовые расходомеры. Тогда в качестве рабочих эталонов в блоках 3 и 22 лучше также применять массовые расходомеры.

Из оборотной ёмкости 5 вода в измерительный канал 6 поступает через трубопровод 24 с помощью нагнетающего блока (или насоса) 23. Все технологические процессы — подача воды, открытое и закрытое положение запорных вентилей, степень открытия регулирующих расход вентилей задается и управляется с помощью электронного устройства с программным управлением 32. Результаты измерений обрабатываются в 32, и для каждой пары расходомеров выдается протокол градуировки (поверки) установленного образца.

Пределы допускаемой относительной погрешности эталонных систем, состоящих из 13, 14 и 13', 14' при проведении однократных измерений должны быть пренебрежимо малы по сравнению с допускаемыми пределами относительной погрешности градуируемых расходомеров 8 – 11, т.е. их отношение должно быть менее 1:3. Такое же отношение погрешностей должно быть у эталонных систем блока 22 и поверяемых расходомеров.

Наличием в каждой из эталонных систем блоков 3 и 22 двух и более последовательно установленных эталонных расходомеров достигается повышение точности измерений расхода, и, следовательно, разности расходов до 0.15 – 0.2%, а также и надежности измерений. Процесс градуировки пар объемных расходомеров на предлагаемой установке приведен ниже.

Очевидно, что для повышения наглядности рассмотрения процессов градуировки каналов прямого измерения разности объемных расходов удобно применять графическую интерпретацию. Для этого необходимо ввести оси прямоугольных координат, на которых откладываются электрические сигналы измерительной информации, поступающие с расходомеров (для электромагнитных расходомеров это напряжение). Сигналы на осях координат должны изменяться от 0 до 100% от наибольшего значения.

Процесс градуировки канала прямого измерения разности заключается в воспроизведении на установке (Рисунок 4) заданных значений расхода q1 в подающем трубопроводе и разности расходов в подающем и обратном трубопроводах Δq и постановке им в соответствие измеренных значений выходных сигналов с расходомеров U1, U2.

Тогда при градуировке пары расходомеров сначала задается нулевая разность объёмных расходов т.е. Δq = 0 для расходомеров, установленных на 1, 2. Это достигается равенством объемных расходов в трубопроводах 1,2, т.е. q1 = q2 Для этого закрывают вентили 16, 17. И, если характеристики градуируемой пары расходомеров идентичны (т.е., они выпущены из одного производства, изготовлены по одной технологии и т.д.), то при одинаковом расходе выходной электрический сигнал у них должен быть одинаковым. Тогда при изменении расхода от 0 до 100% от наибольшего значения в качестве градуировочной характеристики пары расходомеров при Δq = 0 должна получиться прямая, проходящая симметрично относительно осей координат (Рисунок 5). Причем по оси абсцисс откладывается сигнал с расходомера подающего трубопровода, на оси ординат — с обратного. Кроме того, при закрытых вентилях 16, 17. т.е. при Δq = 0 все расходомеры, установленные на 1 и 2 градуируются индивидуально по обычной методике градуировки.

Рисунок 5. Градуировочная характеристика канала прямого измерения разности объемных расходов для Δq = 0 и ее предельные положения

В реальности расход с помощью расходомеров измеряется с погрешностью. Причем погрешность измерений расхода по РМГ 29-99 [13] можно разделить на инструментальные составляющие (т.е. погрешности самого расходомера) и погрешности метода измерений расхода. На практике, как правило, нет однозначных критериев для отнесения составляющих погрешности измерений к той, или иной группе. Подробно об этом говориться в [1]. Поэтому по международным стандартам такая градация составляющих погрешности измерений расхода (да и других величин тоже) и не проводится. Там все составляющие погрешности измерений расхода принято относить к расходомерам, т.е. все составляющие погрешности измерений объявляются инструментальными. Поэтому погрешность расходомера должны включаться составляющие от всех влияющих величин, оказывающих значимое воздействие на погрешность измерений расхода. По современным российским нормативным документам погрешности от влияющих величин должны рассматриваться в методиках выполнения измерений тепловой энергии, которых для подавляющего числа теплосчетчиков просто нет.

Подход, аналогичный международным стандартам, применяется и в действующем, но всеми забытом ГОСТ 8.407 [14]. Причем в нем требуется только типовое нормирование функций влияния. Это дает возможность для каждого экземпляра расходомеров данного типа отдельно определять основную погрешность на холодноводных установках в лабораторных условиях, к которой затем прибавлять установленные на основании специальных исследований составляющие погрешности, вызванные влияющими величинами [1]. Только вот из российских производителей средств измерений расхода, в том числе и для теплосчетчиков, функции влияния для своих изделий мало кто определяет вообще, и расходомерам присваиваются, как правило, погрешности, полученные на холодноводных установках. Что делать, определение функций влияния занятие сложное и дорогое, к тому же в методах испытаний теплосчетчиков по ГОСТ 51649 [4]. жесткие требования предъявляются только по безопасности и электромагнитной совместимости. Впрочем, об этом в последнее время не говорит только самый ленивый.

Тем не менее, далее при оценке пределов допускаемой погрешности измерений разности объемных расходов предлагаемым методом, говоря о погрешности расходомера, будет подразумеваться, что сюда включены составляющие от всех влияющих величин, значимо влияющих на результаты измерений, т.е. по РМГ 29-99 это будет фактически погрешность измерений расхода с помощью расходомера.

Таким образом, наличие у расходомеров погрешностей, (на Рисунке 5 их пределы показаны пунктирными линиями) в каждой точке градуировки U1 и U2 реальная погрешность по Δq, при метрологически исправных расходомерах будет находиться в квадрате, образуемом от пересечения линий ограничивающих допускаемые пределы погрешностей каждого расходомера (для обоих расходомеров они полагаются равным и показаны пунктирными линиями). Если градуировать пару расходомеров еще и в других точках при том же значении Δq (здесь не нарушая общности рассуждений, подробно рассмотрен только случай для Δq = 0), то очевидно, что реальная градуировочная характеристика будет находиться в полосе проходящей через углы квадратов, в которых погрешности по Δq будут наибольшими. Значит, наибольшее смещение реальной градуировочной характеристики относительно идеальной будет не более чем ±δq20.5 (т.е. половине диагонали этого квадрата). Видно, что выход за эти пределы возможен только при выходе погрешностей одного, или обоих расходомеров за пределы своих допускаемых значений. Укрупненная картина в одной из точек градуировки пары расходомеров с выходными сигналами U1, U2 показана на Рисунке 6.

Рисунок 6. Фрагмент градуировочной характеристики канала прямого измерения разности объемных расходов

Далее по показаниям эталонных систем блоков 3 и 22 последовательно выставляются все требуемые значения расхода q1 в подающем трубопроводе 1, и разности расходов Δqj в подающем и обратном трубопроводах 1 и 2. Причем для выставления требуемого значения Δqj с помощью регулируемого управляемого вентиля 12 в байпасный блок 3 подается расход несколько больший, чем Δqj. Затем с помощью вентилей 15, 15' по показаниям эталонных расходомеров 13, 14, 13', 14' это значение корректируют, максимально приближая его к требуемому значению Δqj.

В зависимости от решаемой задачи градуировка пар расходомеров производится при нескольких выбранных значениях разности расходов в трубопроводах участков 1 и 2 Δq не равно Δq1 не равно ... Δqn и отличных от нуля. В этом случае также строят зависимости выходных сигналов каждой пары объемных расходомеров U1, U2 при каждом из заданных значениях разности объемных расходов во всем диапазоне изменения расхода в подающем трубопроводе.

Номограмма полученного семейства градуировочных прямых показана на Рисунке 7. Количество градуировочных прямых для заданных значений разности расходов определяется требуемыми диапазоном и точностью при последующем выполнении измерений на реальном объекте. Очевидно, что чем в большем числе точек проводилась градуировка, тем с большей точностью в последствии можно будет выполнять измерения.

Рисунок 7. Примерная номограмма характеристик канала прямого измерения разности объемных расходов

При проведении измерений с помощью проградуированного канала прямого измерения разности расходов предлагаемого теплосчетчика искомое значение разности объемных расходов будет получаться определением расстояний L и l от полученной точки U1, U2 до ближайших градуировочных характеристик Δqi =const и Δqi+1 = const, (Рисунок 8). Искомое значение Δq получается интерполированием.

На Рисунке 8 графически показаны также пределы допускаемых погрешностей получаемых в процессе измерений. Эти пределы складываются из двух основных составляющих: каждая градуировочная прямая определяется с погрешностью ±δq20.5, (пределы показаны пунктирными линиями), кроме того, погрешности имеют и значения U1, U2, полученные с помощью расходомеров (их пределы ±δq показаны штрих пунктирными линиями). Следовательно, искомое расстояние L от точки с координатами U1, U2 до градуировочной прямой Δq = Δqi фактически будет находиться между L'' и L'. Из Рисунка 8 наглядно видно, что пределы погрешности определения L, т.е. пределы погрешности метода измерений разности объемных расходов будут равны δΔq = ±2 |20,5 δq|. Значит, если |δq| = 1%, то δΔq = ±2,8%, а если |δq| = 5%, то δΔq = ±14%, что тоже вполне приемлемо.

Рисунок 8. Графическая интерпретация оценки пределов допускаемой погрешности канала прямого измерения разности объемных расходов

Таким образом, введение в практику предлагаемого теплосчетчика с каналом прямого измерения разности объемных расходов и установки для градуировки и поверки пар расходомеров таких теплосчетчиков позволяет достичь следующих результатов.

Погрешности измерений расхода в подающем и обратном трубопроводах помощью расходомеров, применяемых в теплосчетчиках, находясь в пределах. допускаемых значений, могут изменяться произвольно и не зависимо друг от друга. Это особенно существенно при наличии различных условий при градуировке расходомеров на установке и их применении на реальном объекте. Для расходомеров, разумеется, должны быть определены все функции влияния, оказывающие значимое воздействие на результаты измерений.

Устраняется наибольшая по величине погрешность метода измерений массы отобранного из сети теплоносителя и, как следствие, тепловой энергии, путем отказа от косвенных измерений разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах по разности показаний расходомеров установленных на этих трубопроводах.

Градуировка и поверка пар расходомеров могут проводиться поточным методом на установке, где воспроизводится разность объемных расходов теплоносителя с минимальной нормированной погрешностью при соблюдении требуемого соотношение погрешностей для эталонных и градуируемых (поверяемых) расходомеров.

Новые теплосчетчики могут устанавливаться на действующие узлы учета, без какой либо реконструкции, т.к. их датчики расхода останутся прежними, поменяются только электронная начинка (не значительно) и программное обеспечение.

Все результаты, представленные в статье в принципе могут быть применены и к массовым расходомерам. Методика устранения погрешности метода измерений массы отобранного из сети теплоносителя по разности показаний массовых расходомеров будет еще проще, чем при наличии в теплосчетчиках объемных расходомеров. Однако и в этом случае весьма желательно, чтобы градуировочные характеристики у массовых расходомеров также были линейными, иначе, как и для объемных расходомеров, расчеты здесь существенно усложнятся, а точность измерений чувствительно уменьшится.


ЛИТЕРАТУРА

  1. Бурдунин М. Н., Варгин А. А. Анализ составляющих погрешности измерений тепловой энергии с помощью теплосчетчиков. Главный метролог, 2005, №2, с.14 - 23
  2. МИ 2412-97. ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя
  3. ГСССД 188-99 Вода. Удельный объем и энтальпия при температуре 0...1000°С и давлениях 0,001...1000 МПа - Таблицы справочных данных / ГСССД, Госстандарт. – М.: Изд-во Стандартов, 1999
  4. ГОСТ Р 51649 – 2000. Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия
  5. ГОСТ Р 8.596 – 2002 ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем
  6. МИ 2553-99 ГСИ. Энергия тепловая и теплоноситель в системах теплоснабжения. Методика оценивания погрешности измерений. Основные положения
  7. Тарбеев Ю. В., Новицкий П. В., Мишустин В. И. Методика метрологического обслуживания согласованных пар расходомеров для узлов коммерческого учета тепловой энергии. Измерительная техника, 2000 г., с.40-42
  8. Р 50.2.026 – 2002 ГСИ. Термопреобразователи сопротивления и расходомеры электромагнитные в узлах коммерческого учета теплоты. Методика подбора термопреобразователей и согласование расходомеров по метрологическим характеристикам. Общие положения
  9. Шешуков И. Ю. Как уменьшить погрешность измерений тепловой энергии и утечки теплоносителя. Законодательная и прикладная метрология. 2002, №5, с.6 – 13
  10. МОЗМ № 75 - 2002 (OIML R 75) Международная рекомендация. Теплосчетчики. Часть 1. Общие требования. Часть 2. Испытания типа и первичная поверка
  11. Кузник И. В., Тиунов М. Ю., Брюханов В. А. Метрологические проблемы измерений тепловой энергии в открытых водяных системах теплоснабжения. Часть вторая. Законодательная и прикладная метрология 2000, № 6
  12. ГОСТ Р 8.608-2004 ГСИ. Установки для поверки средств измерений расхода и объема воды сличением с преобразователями (счетчиками) расхода и (или) объема воды. Основные метрологические и технические требования
  13. РМГ 29-99 Метрология. Термины и определения
  14. ГОСТ 8.407-80 Расходомеры несжимаемых жидкостей. Нормируемые метрологические характеристики
Яндекс цитирования