НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ С АВТОНОМНЫМ ПИТАНИЕМ

И. А. Гришанова, И. С. Покрас, фирма «СЕМПАЛ», Киев

Одна из тем, которые весьма активно обсуждают специалисты теплоучета, в частности на форумах «Теплопункта» — целесообразность использования ультразвуковых расходомеров с автономным питанием на узлах учета.

За два с небольшим десятилетия существования батарейных приборов сначала только зарубежных, а затем и отечественных (считая отечеством бывший СССР), они значительно усовершенствовались: в частности, если первые датские приборы были одноканальными и работали только в «обратке» при невысоких температурах, то теперь передовыми фирмами, в том числе теми же датскими, выпускаются двухканальные приборы, температурный диапазон которых увеличен до 130°С – 150°С. Появились существенно новые функции — возможности регулирования, оснащение современными интерфейсами, и др.

Основными аргументами в пользу «батарейников», в противовес использованию сетевых приборов, обычно считают энергонезависимость, и связанные с ней относительную простоту монтажа, безопасность, бесперебойность в работе.

Именно боязнь веерных отключений, которые имели место свыше пяти – семи лет назад, а также низкое качество сети (незащищенность от молний, наличие бросков, влияющих на электронику) подводят некоторых чиновников, то есть «лиц, принимающих решения», к фетишизации энергонезависимых батарейных приборов. Поэтому часто появляются документы типа «Требований к тендеру на поставку оборудования для узлов учета», начинающиеся фразой: «Прибор учета должен быть батарейным». При этом совершенно не обращается внимание на особенности объекта, его назначение, диаметры трубопроводов, и т.п.

До сих пор встречаются курьезные случаи использования батарейных приборов: в двухканальных приборах фирмы Kamstrup при разбежке масс более чем на 10% или 20% от текущей массы, усредненной за сутки, делается вывод о порыве трассы и выдается соответствующий сигнал; однако некоторые потребители понимают этот сигнал как «Утечка» (может быть из-за неточности перевода) и делают вывод о том, что отечественные приборы всегда «показывают утечку», что нехорошо, а зарубежные показывают ее только «когда надо».

Постепенно у специалистов выработалось мнение, что батарейные приборы целесообразно устанавливать на небольших объектах типа частных коттеджей, в небольших магазинчиках и кафе, часто расположенных в полуподвальных помещениях, и т.п. — иными словами, на тех объектах, где диаметры условного прохода ограничены величинами 50 – 65 мм. Сетевые же приборы более целесообразно устанавливать на более крупных объектах — в жилых многоэтажных домах, административных и промышленных зданиях, на котельных и ТЭЦ, а также там, где предполагается решать задачи диспетчеризации с возможностью управления многими приборами и съема информации с них. Это, конечно, не догмы, из всех правил есть исключения.

Благодаря бурному развитию микропроцессорной техники на рынке имеется много типов батарейных приборов с различными техническими, эксплуатационными, эргономическими и прочими характеристиками, которые в той или иной мере «выпячиваются» производителями в рекламных целях. Однако, как отметил А. Г. Лупей относительно «плюсов автономности»: «Все они (плюсы) становятся абсолютно ничтожными, когда в полный рост встаёт единственный минус — недостаточная точность и стабильность измерений. И этот «минус» всегда настолько определяющий, что в одиночку перебьёт хоть сотню всевозможных «плюсов», поскольку главенствующим достоинством любого средства измерений является соответствие его нормированных метрологических характеристик установленным требованиям. И, если какой-либо якобы прибор выполняет измерения по принципу «семь пятниц на неделе», напрочь забывая о своих нормированных метрологических характеристиках, то это, извините, уже не средство измерений, а некое электротехническое изделие».

Для того, чтобы обеспечить некоторую «опорную» точность при разработках новых моделей приборов, облегчить потребителю выбор подходящего батарейного прибора из множества существующих, а также исключить приборы, находящиеся ниже некоторого качественного и метрологического уровня, целесообразно, на наш взгляд, ввести уже на данном этапе ряд требований, приближающих характеристики указанных приборов к характеристикам имеющихся лучших батарейных или к характеристикам сетевых приборов.

Требования по точности:

  • расчет тепловой энергии должен производиться путем суммирования произведений текущих значений объемов на текущую разность энтальпий, а не путем умножения накопленного за час объема на усредненную за час разность энтальпий;
  • не рекомендуется использование коэффициента Штюка;
  • частота отсчетов для режима учета горячей и холодной воды должна быть не ниже 1 раза в секунду, для учета отопления не ниже 1 раза за 10 секунд;
  • частота отсчетов в режиме «Поверка» должна соответствовать рабочей частоте.

Требования к составу и глубине архивов:

  • объем часового архива — не менее двух месяцев;
  • объем посуточного архива — не менее одного года;
  • объем журнала событий — не менее 50 записей;
  • желательно иметь архивы ошибок.

Эти требования, на наш взгляд, следует ввести в ГОСТы на теплосчетчики. В Украине такой ГОСТ существует c 1996 г. [1]; недавно его «гармонизировали» с евростандартом EN 1434 [2]. В России также вводится аналогичный евростандарт.

Остановимся на частоте отсчетов при измерении расходов.

Иногда считают, что период опроса в ультразвуковых батарейных приборах важно уменьшать только при большом количестве абонентов, чтобы «ловить» короткие по времени всплески расхода. Покажем на простейшем примере, что и при наличии всего лишь одного потребителя также полезно иметь повышенную частоту отсчетов при измерении расхода.

Рис. 1

На рис. 1 упрощенно показана временная диаграмма изменения расхода холодной воды в утреннее время; по горизонтальной оси отложены 10-секундные интервалы от 1 до 15 на базе примерно 2,5 минут. Потребителем является обычный «средний» студент, рабочий или служащий: после подъема и посещения туалета сливной бачок с 1-го по 8-й 10-секундные интервалы заполняется снова; далее, с 4-го по 12-й интервалы — умывание, здесь возможно смешивание холодной и горячей воды, но мы показываем только холодную; наконец, в районе 15й метки — кратковременное наполнение водой сосуда для заварки кофе или чая; мытье посуды не рассматриваем, считаем, что оно производится горячей водой. Получилось, что за трехминутный интервал расход изменился скачком 6 раз. Для простоты считаем скорости истечения воды на каждом интервале постоянными.

Из рисунка видно, что сливной бачок наполняется в течение 72 с; считая, что его емкость 9 литров, получаем скорость заполнения 0,125 л/с. Мытье производится 83 с со скоростью 0,1 л/с. Наконец, заполнение чайника длится 4 с со скоростью 0,25 л/с. Суммируя потребление воды для всех трех процессов, получаем 9 л + 8,3 л + 1 л = 18,3 л.

Теперь допустим, что отсчеты скорости ультразвуковым прибором производятся каждые 10 с в моменты времени 1, 2, 3,… В таблице 1 показаны значения расхода в л/с, измеренные на каждом 10–секундном интервале. Учитывая, что количество воды за 10 с равно измеренной скорости в л/с, умноженной на 10, получаем общую сумму израсходованной за утро воды равной 20,5 л.

Ошибка за счет перехода от 1-секундных интервалов к 10-секундным составляет (20,5 – 18,3)×100% / 18,3 = 12,02%.

Таблица 1.
Значения расхода (л/с), измеренные на каждом 10–секундном интервале времени

Номер точки 1 2 3 4 5 6 7 8
Значение 0,125 0,125 0,125 0,225 0,225 0,225 0,225 0,225
Номер точки 9 10 11 12 13 14 15 16
Значение 0,1 0,1 0,1 0 0 0 0,25 0

Здесь потребитель переплатил за свои нехитрые процедуры 12,02%. Ясно, что при меньшей частоте отсчетов ошибка увеличится. Пример лишний раз показывает, что технически достижимый темп отсчетов в 1 с целесообразно использовать не только в объектах, где из–за большого количества потребителей случайный процесс может иметь широкий частотный спектр, но и в малых объектах. Тезис о том, что «вертушки» в квартирах эффективнее ультразвуковых квартирных приборов из-за относительной дешевизны, таким образом дополняется тем, что «вертушки» ловят быстрые изменения расхода лучше, чем рекламируемые обычно квартирные ультразвуковые приборы с периодами отсчетов в десятки секунд.

Конечно лучший способ проверки характеристик расходомеров — это проливные испытания, и хорошо бы именно здесь проверить достаточность того или иного темпа опроса. Однако организация эталонов пульсирующих потоков в настоящее время весьма громоздкая и непростая задача. Поэтому мы и предлагаем ввести высокий темп опроса «силовым способом¹, только на основании примеров, приведенных здесь и в работе [3], а также на основании опыта специалистов, работающих с батарейными приборами. Например, на сайте http://teplopunkt.ru/forum описана хронология перехода прибора «Карат-РС» на секундный темп опроса; батарейные приборы фирмы «Эргомера», Днепропетровск, имеют широкий набор значений периода опроса, начинающийся от долей секунды.

Сглаживание противоречий между требованиями иметь высокую частоту отсчетов и длительным сроком службы батарейки в недалеком будущем следует ожидать от внедрения новых оригинальных алгоритмов подстройки частоты опроса к значению текущего расхода. Два из таких, разработанных на сегодняшний день, алгоритмов рассмотрены ниже.

В существующих батарейных приборах опрос производится либо через равные промежутки времени, либо по прошествии одного и того же объема измеряемой среды формируется импульс, например, 2,5 л/имп. Теплосчетчики, у которых частота опроса зависит от расхода (объема), имеют более длительный срок службы батарейки, у другой же разновидности батарейных приборов, где опрос осуществляется через равные временные интервалы, результаты измерений, как правило, точнее при малых интервалах, но ресурс батареи весьма ограничен.

В результате всего сказанного становится понятно, что разработчику часто приходится находить компромисс между длительностью использования автономного питания и приемлемой точностью показаний теплосчетчика. Поэтому появилась идея создания алгоритмов повышения точности измерения тепла с одновременным продлением срока действия батареи.

Если частота опроса зависит от расхода (определяется количеством литров на импульс), то в области малых расходов она «не успевает» за быстрыми и непродолжительными изменениями нагрузок в системах теплоснабжения. Для решения этой проблемы был предложен адаптивный алгоритм [4]. Согласно ему в области средних и больших расходов диапазона измерения опрос осуществляется не через временные промежутки, а в зависимости от прохождения определенного объема вещества, однако как только расход падает ниже установленного порога, опрос производится уже в течение определенных промежутков времени. Чем меньше будут эти промежутки, тем больше вероятность корректно учесть динамические процессы в системах теплоснабжения. Предложенный адаптированный алгоритм есть некий гибрид двух широко используемых ныне.

Другой алгоритм (Feed Forward) [5] предусматривает проведение измерений только по факту изменения потребления горячей воды или теплоносителя. Это изменение определяется отслеживанием позиции регулирующего клапана. Считается, что нет необходимости производить замеры, если клапан находится в стационарном положении. В данном методе используется сигнал от контроллера, чтобы инициировать процесс измерения в момент времени, когда фиксируется изменение положения клапана. Измерения будут проводиться, пока клапан не достигнет стационарного положения, тогда прибор автоматически переключится в режим энергосбережения, направленный на продление срока действия батарейки.

Для апробирования адаптивного и Feed Forward алгоритмов наряду с алгоритмами, заложенными в реальные теплосчетчики фирм Enernet, Kamstrup, ABB, Siemens, Actaris Шведская ассоциация централизованного теплоснабжения (Swedish District Heating Association) решила провести ряд экспериментов в условиях динамического изменения тепловой нагрузки. Адаптивный и Feed Forward алгоритмы были реализованы в пакетах MATLAB и Simulink.

Один из наиболее интересных экспериментов предусматривал только изменение расхода ГВС, не включая тепло. Динамика этого изменения представлена в табл. 2.

Таблица 2.
Динамика изменения расхода

Время, с 300 30
Расход, л/с 0 0,2

Результаты моделирования с использованием адаптивного алгоритма и алгоритма Feed Forward, а также результаты проведения реальных экспериментов на теплосчетчиках крупных мировых производителей сведены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, даже приборам весьма именитых разработчиков свойственно иметь большие погрешности измерения в динамическом режиме эксплуатации. Если не брать в расчет модель Siemens 2WR5, где слишком большая погрешность, очевидно, вызвана неким сбоем в работе, то батарейные приборы выглядят несколько хуже сетевых. Одна из причин — низкая частота опроса и несовершенство алгоритма обработки первичных данных. Это лишний раз подчеркивают графики изменения погрешности измерения тепла во времени, представленные в работе [6].

Таблица 3.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований эффективности
алгоритмов работы теплосчетчиков в условиях динамических нагрузок

Производитель Модель Тип расходомера Погрешность % Тип питания Частота опроса
постоянная, с зависящая от расхода, л/имп
Kamstrup Multical Compact УЗ -13,8 бат. 30 -
Kamstrup Multical 66C92F0312 УЗ -10,8 бат. - 1
Enernet 10EVL индукт. -3,8 220 В - 1
ABB F3 УЗ -2,59 220 В - 2,5
Siemens 2WR5 УЗ -35,35 220 В 30 -
Actaris CF Echo УЗ -8,06 бат. - 1
Адаптивный алгоритм УЗ -3,6 бат. 10 1
Feed Forward УЗ -2,8 бат. - -

Конечно, у существующих батарейных приборов сегодня есть еще ряд недостатков: они не всегда адаптированы к реальным условиям использования с кратковременными изменениями в нагрузках систем теплоснабжения, не всегда имеют достаточную глубину нужных архивов, некоторые из них работают на упрощенных алгоритмах обработки информации, и т.д. Однако следует надеяться, что усовершенствование этих «слабых мест» обеспечит батарейным приборам в будущем достойную конкуренцию с сетевыми средствами измерения расхода энергоносителей.


Литература

  1. ДСТУ 3339-96 Теплосчетчики. Общие технические требования
  2. ДСТУ EN 1434:2006. Теплосчетчики
  3. И. С. Покрас. Об одной неучтенной погрешности измерения расхода // Материалы 26й международной научно-практической конференции. – С.-Петербург, 2007. – С. 121-125
  4. Y. Jomni, J.v. Deventer, J. Delsing. Comparing heat measurement accuracy of a new adaptive algorithm with existing heat meters in accordance to the Swedish test standard // Proceedings of 10th International Symposium on District Heating and Cooling, 2008
  5. Testing a new Feed Forward method against the Swedish standard and comparison with existing heat meters. / Jomni, Yassin ; Yliniemi, Kimmo ; Delsing, Jerker ; van Deventer, Jan. In: Improving Heat Measurment Accuracy in District Heating Substations. Lulea : Lulea tekniska universitet, 2006. p. 117-125 (Doctoral thesis / Lulea University of Technology
  6. Improving heat measurement accuracy in district heating substations. / Jomni, Yassin. Lulea : Lulea tekniska universitet, 2004
Яндекс цитирования