Метрологическое обеспечение квартирных теплосчетчиков

Метрологическое обеспечение квартирных теплосчетчиков

Квартирные теплосчетчики представляют собой приборы относительно небольших диаметров каналов, не более 50-60 мм, с диапазоном измерения теплоносителя менее 40-60 м³/ч. Возможны методы измерения расхода электромагнитный, вихревой, турбинный. Ожидается массовое применение этих приборов в коммунальном хозяйстве.

При выборе метрологических характеристик расходомера для теплосчетчиков обычно стремятся применять расходомер, обладающий наиболее высокой точностью. Однако это не всегда оправдано. При измерении тепловой энергии, потребляемой на обогрев помещения необходимо знать, кроме объемного расхода теплоносителя, его плотность, разность температуры на входе и выходе теплотрассы, рабочее давление в трубопроводе. В расчетную формулу входит также теплоемкость, которая известна для данного химического состава теплоносителя с невысокой степенью достоверности. Погрешность результата вычисления тепловой энергии даже при абсолютно точном измерении объемного расхода составляет не менее (3-5)%. Очевидно, что при такой точности определения тепловой энергии, расход теплоносителя достаточно измерять с погрешностью (1-2)%. При этом точность измерения тепловой энергии практически не снизится. Применение расходомера более высокой точности приводит лишь к дополнительным финансовым затратам на сложность изготовления прибора и его метрологическое обеспечение.

Учитывая сезонность тепловой нагрузки, расходомеры должны иметь двух и более предельный диапазон измерения, или один, но очень широкий (1/1000). Последнее гораздо хуже, т.к. приводит к необходимости повышать точность измерения расхода, что нежелательно, т.к. удорожает прибор.

Первичные преобразователи расхода должны иметь линейную зависимость от расхода, т.е. быть нечувствительными к изменению числа Рейнольдса, особенно в области перехода между ламинарным и турбулентным потоками. Некоторые производители расходомеров, допуская нелинейность характеристики первичного преобразователя, исправляют ее в измерительном устройстве программными средствами. Однако этого делать нельзя, поскольку на объекте эксплуатации прибора свойства измеряемой среды могут откланяться от условий градуировки прибора. Для теплосчетчиков несложно предусмотреть программу автоматической корректировки градуировочной характеристики от температуры измеряемой среды, поскольку информация о температуре имеется в приборе. Однако вязкость измеряемой среды зависит не только от температуры, но и от ее химического состава, т.е. от компонент, вводимых в состав теплоносителя. Более того, эпюра скорости даже при одном и том же числе Рейнольдса может быть различной на различных участках трубопровода в зависимости от расстояния от местного гидродинамического сопротивления, например от источника внезапного расширения или сужения потока, причем для полного формирования эпюры скорости необходимы прямые участки порядка 30-50 Ду и более.

Измерительные системы теплосчетчиков, в большинстве случаев, многоканальные. Они расчитаны на работу с несколькими расходомерами, обеспечивают контроль расхода теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, в системах подпитки теплоносителя и в отдельных трубопроводах для расходования горячей и холодной воды на хозяйственные нужды. Применяют два способа поверки расходомеров для теплосчетчиков: проливный, с помощью образцовых расходомерных стендов и беспроливный, посредством имитационного моделирования расходомера.

Существующих проливных установок явно недостаточно для метрологического обеспечения массового количества теплосчетчиков. Поэтому их целесообразно применять в первую очередь для теплосчетчиков, которые не имеют имитационных средств градуировки и поверки.

Если же речь идет об электромагнитных теплосчетчиках, то их метрологическое обеспечение целесообразно строить преимущественно на основе имитационного моделирования. Имитационное моделирование электромагнитных расходомеров обладает явными преимуществами по сравнению с проливочными расходомерными стендами. Из этих преимуществ основные следующие.

• Возможность моделирования потока жидкости при различных числах Рейнольдса, на проливных установках это выполнить крайне сложно, т.к. для этого необходимо использовать жидкости с различной плотностью и вязкостью.
• Возможность моделирования приборов с любым динамическим диапазоном вплоть до 1/1000. Отсутствуют проливные стенды с расширенным диапазоном измерения, т.е. с динамическим диапазоном шире, чем 1/50.
• Возможность одновременного моделирования потоков с различными значениями расхода и для расходомеров с различными диаметрами каналов. Такая необходимость часто возникает для определения разностей расхода теплоносителя в подающем и обратном каналах, или сходимости расхода жидкости по всем каналам. В лучшем случае проливочные стенды обеспечивают такую возможность только при одинаковых расходах и для расходомеров с одинаковыми пределами измерения, т.е. когда одинаковые расходомеры установлены последовательно на одном мерном участке трубопровода.
• Возможность исследования приборов не только в лаборатории, но и на месте их эксплуатации.
• Возможность разновременной поверки первичного преобразователя расхода и измерительного устройства. Это дает возможность поверки приборов без демонтажа с трубопровода и обеспечить взаимозаменяемость блоков теплосчетчика.
• Высокая точность средств исследования и поверки (пределы погрешностей не превышают 0,2-0,3%).
• Высокая производительность метрологических средств, полная автоматизация обработки результатов исследований, протоколирования и ведения архива.
• Комфортность условий работы исследователя (отсутствие акустического шума, высокой влажности, вибраций).
• Низкая стоимость и высокая тиражируемость установок.
• Портативность установки. Она размещается на рабочем столе поверителя. Проливочная установка размещается в отдельном помещении.
• Затраты на электроэнергию для эксплуатации установки на два порядка ниже, чем на проливочный стенд.
• Стоимость всех расходов на поверку одного теплосчетчика имитационным методом в три-четыре раза меньше, чем проливным методом.

В НИИтеплоприборе накоплен значительный опыт по разработке имитационного метода исследования электромагнитных расходомеров и теплосчетчиков различных конструкций с Ду от 25 мм и выше. Разработаны имитационные установки типа Поток-Т для поверки электромагнитных теплосчетчиков, причем версия установки Поток-Т обладает существенно упрощенным программным обеспечением, универсальностью и повышенной надежностью. Эта версия имеет в Госреестре регистрационный N14519, сертификат об утверждении типа N3089. Теория имитационного метода, на основе которого работают имитационные поверочные установки в кратком изложении следующая, [1].

Проводящая жидкость с известными физическими параметрами течет в канале, в котором задано внешнее магнитное поле. Индуцированное электрическое поле в канале трубопровода описывается системами уравнений Максвелла и уравнений гидродинамики. Если электропроводность жидкости не очень высока (вода, электролиты), не происходит и заметного изменения магнитного поля. При этом разность потенциалов U на электродах всегда можно представить в виде:

(1),

В этом выражении интегрирование производится по всему рабочему каналу расходомера, т.е. там, где магнитное поле B не равно нулю. При однофазном составе жидкости функция W, имеющая смысл весового множителя для элемента объема dt, определяется исключительно геометрией канала, местами расположения и формой электродов.

При разработке имитационного метода исследования ставится задача аналитически представить функцию преобразования первичного преобразователя через минимальное количество характерных параметров первичного преобразователя и потока жидкости. В особенности важно уменьшить необходимый объем информации о характеристике магнитного поля в канале, поскольку реальное получение этой информации для конкретного моделируемого прибора весьма затруднительно.

Величину коэффициента преобразования К_ф можно представить как отношение выходной величины первичного преобразователя к его входной величине. В качестве выходной величины можно принять отношение сигнала между электродами U к току I возбуждения индуктора, а в качестве входной величины - скорость потока жидкости, протекающей по каналу.

Для целей имитационного моделирования удобно коэффициент К_ф представить через характеристическую взаимоиндуктивность М между индуктором и рабочей зоной прибора [2] в виде

(2),

Представление коэффициента преобразования в виде выражения (2) выполнено всего через два характеристических конструктивных параметра прибора М и D. Причем характеристический коэффициент взаимоиндуктивности М является основным 'обобщенным' параметром первичного преобразователя. Он определяется следующими факторами:

• конструкцией индуктора (формирующего магнитное поле в рабочей зоне канала);
• конструкцией электродов и формой поверхности рабочей части прибора, контактируемой с измеряемой средой;
• формой профиля потока.

Представление коэффициента преобразования через взаимоиндуктивность между индуктором и каналом подсказывает способ имитационного моделирования прибора.

Основным элементом имитационной установки может являться преобразователь магнитного поля (ПМП) в виде индукционной катушки, размещаемой на рабочей поверхности прибора, если взаимоиндуктивность между ней и индуктором прибора будет отражать взаимоиндуктивность М моделируемого прибора.

Физической основой создания такого ПМП для имитационной градуировки и поверки расходомера явилась возможность восстановить характеристику магнитного поля во всем рабочем объеме канала по характеристике распределения магнитного поля на поверхности рабочей части прибора. Это можно понять, если учесть, что магнитное поле можно описать скалярным магнитным потенциалом, который однозначно определяется своим значением на рабочей поверхности прибора. Поэтому, сигнал U можно записать в виде интеграла по поверхности:

(3),

Использование выражения (3) позволило создать ПМП в виде набора печатных индукционных катушек. Сигнал индукционной катушки, если она помещена на рабочую поверхность прибора, несет необходимую информацию о магнитном поле и заданном распределении скорости потока. Иными словами обеспечивается взаимоиндуктивная связь ПМП с индуктором прибора, которая имитирует индуктивное взаимодействие индуктора с потоком жидкости, протекающим по каналу. Вероятность соответствия характеристики, полученной в результате имитационной поверки, реальной градуировочной характеристике расходомера, зависит также от отклонений характерных параметров прибора от расчетных, заложенных в алгоритм обработки сигнала ПМП. Расход Q, имитируемый установкой, связан с некоторым коэффициентом k, сообщаемым программе, сопротивлением r_m, устанавливаемым на магазине сопротивлений, коэффициентом ослабления р согласующего блока, сопротивлением R_d следующим соотношением

(4),