Высокий уровень жизни во многих развитых странах не умаляет необходимости жесточайшей экономии дорогостоящих энергоресурсов. Именно бережливое использование сырья и ресурсов стало одним из важнейших факторов, позволивших обеспечить этот уровень. Экономическая ситуация, сложившаяся в Украине, заставляет каждого из нас осознать, что энергоресурсы стоят очень дорого. Создание и внедрение систем контроля и учета энергоресурсов на современном этапе - это реальный путь снижения затрат на энергоресурсы их потребителями, путь повышения корректности взаимоотношений между поставщиками и потребителями энергоресурсов.
          Системы контроля и учета энергоресурсов, обеспечивая непрерывный мониторинг и анализ их потребления, стимулируют, с одной стороны, сбытовые организации сокращать потери энергоресурсов при доставке их потребителям, а, с другой стороны - это стимул для потребителей, которые благодаря оптимизации режимов использования энергоресурсов достигают существенной экономии финансов.

          Простейший теплосчетчик на сегодняшний день представляет собой устройство, измеряющее расход теплоносителя и температуру на входе и выходе объекта теплоснабжения. Cигналы от первичных датчиков оцифровываются и потом обрабатываются вычислительным устройством в соответствии с заложенным алгоритмом. В общем случае текущий расход тепла Q (кДж) определяется следующим образом:

Q = qC(t1 - t2),

          где q - расход теплоносителя на объект теплоснабжения, кг; С - теплоемкость теплоносителя, кДж/кгК; t1 - температура теплоносителя в подающем трубопроводе, град. К; t2 - температура теплоносителя в обратном трубопроводе, град. К.
          Как видно из формулы погрешность измерения расхода тепла зависит как от погрешности измерения температуры, так и от погрешности измерения расхода теплоносителя, которые зависят от точности первичных измерительных преобразователей (датчиков температуры и расходомера теплоносителя). Также с точностью определения параметров теплоносителя самым непосредственным образом связаны метрологические характеристики входных масштабирующих усилителей, образцовых резисторов, параметров АЦП. Свою долю погрешности вносит и вычислительная часть. Ограничения по точности математических операций в конечном устройстве и не совсем корректные алгоритмы могут вполне загубить даже идеальную входную часть теплосчетчика.
          Метрологические характеристики теплосчетчиков определяются расчетными методами по характеристикам тех измерительных узлов, приборов и систем, на базе которых счетчики построены. Сложность в оценке погрешностей объясняется условиями эксплуатации таких приборов, необходимостью учета переменного состава и физических свойств теплоносителя (наличие примесей), и т.п. [2]. Оценку погрешности результата измерения энергоресурсов можно выполнить по следующей методике.
          Во всех теплосчетчиках в качестве датчиков для измерения температуры используются стандартные термометры сопротивления.
          Одним из широко распространенных типов теплосчетчиков являются измерительные приборы с ультразвуковыми первичными преобразователями. Метод измерения ультразвуковыми расходомерами [4] основывается на соотношении скоростей распространения акустических колебаний в неподвижной среде и самой среды. Многообразие параметров, которые зависят от скорости измеряемой среды, и предопределило большое количество способов измерения задержки прохождения сигнала от излучателя к приемнику и обратно. С дальнейшим развитием теплосчетчиков данного типа преимущество предоставляется тем приборам, метрологические характеристики которых не зависят от условий эксплуатации - температуры, давления, концентрации примесей, и т.п. (рис. 1) [3,4].

Рисунок 1 - Частотно-пакетный двухканальный расходомер

          Преимущества ультразвуковых измерительных приборов довольно существенные:

• сохранение технико-эксплуатационных характеристик во времени;
• высокая точность измерения в широком динамическом диапазоне;
• отсутствие подвижных и выступающих в поток измерительных элементов;
• отсутствие потерь давления;
• независимость показаний от изменения электропроводности среды;
• низкое энергопотребление;
• возможность бесконтактного измерения расхода жидкостей;
• возможность измерения расхода жидкостей в широком диапазоне диаметров условного прохода трубопроводов (15...1600 мм);
• возможность простой имитационной поверки без демонтажа первичного преобразователя с трубопровода.

          Имеется ряд проблем, которые требуют серьезного изучения, а именно:

• для акустических расходомеров:
  
  1. работа ультразвуковых преобразователей при наличии несимметричных профилей изменения скорости, а также работа при малых числах Рейнольдса Re;
  2. необходимость учета зависимости скорости распространения звука от физико-химических свойств различных измеряемых сред;
  3. присутствие паразитных акустических сигналов;
  4. асимметрия электронно-акустических каналов.

            Наличие этих факторов приводит к необходимости применения в ультразвуковых расходомерах специальных методов и средств компенсации, использованию дифференциальных схем измерения (для выделения "слабого" полезного сигнала).

• для термометров сопротивления:
  
  1. неравномерность распределения температуры по поперечному сечению термоприемника;
  2. нагрев термоприемника измерительным током;
  3. тепловая инерционность термоприемника.

          В настоящее время к расходомерам и счетчикам предъявляются много требований, удовлетворить которые совместно достаточно сложно и не всегда возможно.
          Имеются две группы требований. К первой группе относятся индивидуальные требования: высокая точность, надежность, независимость результатов измерения от изменения плотности вещества, быстродействие и значительный диапазон измерения. Ко второй группе относят требования, которые характеризуют всю группу расходомеров и счетчиков: необходимость измерения расхода и количества очень разнообразной номенклатуры вещества с отличительными свойствами, различных значений расхода от очень малых до черзвычайно больших и при различных давлениях и температурах.
          Таким образом, в связи с наличием большого количества нерешенных (или не до конца исследованых) вопросов, приведенных выше, научная работа будет направлена на поиск и исследование методов устранения причин, влияющих на высокую точность измерения - одного из основных требований, особо предъявляемых к счетчикам.

          Системы теплоучета становятся необходимыми сейчас, как потребителям тепла, так и его поставщикам. Их внедрение позволяет получить реальную картину теплопотребления и решить все спорные финансовые вопросы при расчетах за тепло.
           Перспективность этой работы подтверждается тем, что с ростом цен на газ, электроэнергию и воду за последние два года, произошло увеличение тарифа за тепловую энергию. Аналогично повысилась стоимость горячей и холодной воды.

          Для измерений (учета) тепловой энергии используются теплосчетчики. Теплосчетчик состоит из тепловычислителя, а также измерительных преобразователей расхода, температуры и давления теплоносителя. Преобразователи монтируются на трубопроводах системы теплоснабжения и измеряют, как это следует из их названий, расход, температуру и давление воды в каждом из трубопроводов. Тепловычислитель "собирает" показания преобразователей и на их основе по особым формулам (алгоритмам) вычисляет значения тепловой энергии, переданной потребителю горячим теплоносителем. Кроме того, вычислитель обычно ведет и так называемые архивы, в которых сохраняются значения потребленной энергии за ряд последних часов, суток, месяцев. Фиксируются в архивах также почасовые, посуточные, помесячные значения температур, расходов, давлений - это необходимо, чтобы анализировать "качество" работы системы теплоснабжения. Ну, а главная практическая роль архивов состоит в том, что именно на основании их данных производятся взаиморасчеты между потребителем и поставщиком тепла. При этом дело не ограничивается простым пересчетом на деньги цифр из графы "энергия за месяц" - имея архивы значений температур и расходов, вы можете доказывать своей энергоснабжающей организации, что вот тут она вас "недогрела", а вот тут "перегрела", а потому деньги должны не вы ей, а она вам. Впрочем, возможна и обратная ситуация: те же архивы могут показать, что вы "возвращали" в систему горячий, т.е., "неиспользованный", теплоноситель или приворовывали теплофикационную воду на какие-то свои нужды. Чтобы помогать потребителю и поставщику тепла фиксировать подобные "внештатные" ситуации, многие производители тепловычислителей закладывают в последние функции идентификации таких ситуаций, а также функции сигнализации о них, алгоритмы их обработки и т.д. и т.п.
          Погрешность измерений тепловой энергии включает в себя две составляющих: инструментальную составляющую, обусловленную метрологическими свойствами средств измерений, входящих в состав теплосчетчиков, и методическую составляющую, возникающую в тех случаях, если алгоритм измерений потребляемой тепловой энергии предусматривает использование не фактических значений температуры холодной подпитывающей воды tхв, а некоторых условных значений tк.
          Перечислим основные источники погрешностей измерительных преобразователей расхода теплоносителя: неправильный учет влияния профиля скорости; изменение скорости ультразвука в измеряемом веществе; паразитные акустические сигналы; асимметрия электронно-акустических каналов. Кроме этих источников, рассматриваемых далее, имеются еще погрешности, вносимые электронной схемой. Он зависит от характера схемы и должны оцениваться самостоятельно.
          Неправильный учет профиля скоростей. Эта погрешность возникает от неравенства средней скорости потока измеряемого вещества средней скорости по пути перемещения акустических колебаний. Это неравенство учитывают поправочным коэффициентом k, определить точное значение которого затруднительно. Кроме того, в пределах шкалы прибора число Re изменяется, а при десятикратном его увеличении в турбулентной области коэффициент k возрастает на 1,4 %. В переходной же области от ламинарного к турбулентному режиму изменение k еще более значительно. Поэтому, если при градуировке прибора принято постоянное значение k, соответствующее среднему или другому значению расхода, то при иных расходах возникает дополнительная погрешность измерения. При деформированных потоках истинное значение k особенно трудно определить. В этом случае следует применять преобразователи расхода, в которых акустические колебания направляются по четырем хордам или же устанавливать сопло или конфузор, выпрямляющие эпюру скоростей.
          Профиль скоростей оказывает существенное влияние на показания расходомеров и их погрешность.
          Изменение скорости ультразвука. Скорость ультразвука с в жидкостях и газах зависит от плотности последних, которая изменяется с изменением температуры, давления и состава или содержания (концентрации) отдельных компонентов. Для жидкостей скорость с практически зависит лишь от температуры и содержания. Для воды и водных растворов при невысоких температурах температурный коэффициент b изменения с лежит в пределах (1,0 … 2,5) 10^-3 °С^-1. При 74° он достигает максимума, а затем становится отрицательным. Для большинства органических жидкостей b = — (2 … 5) 10^-3 °С^-1. Коэффициент изменения с от состава водных растворов обычно положителен и равен (0,8 … 1,5) 10^-3 г/л.
          У частотных расходомеров изменение значения с очень мало сказывается на результатах измерения, так как в уравнение измерения множитель с не входит.
           Паразитные акустические сигналы. Паразитные акустические сигналы могут иметь различное происхождение. При расположении пьезопреобразователей снаружи трубы часть акустической энергии отражается от поверхности раздела труба-жидкость и распространяется в виде акустических колебаний в стенке трубы. При этом образуются как продольные, так и поперечные волны. Последние могут достичь приемного пьезоэлемента раньше акустических колебаний, проходящих через жидкость. Для исключения этого предлагается помещать пьезоэлементы с разных сторон фланцевого соединения, снабженного неметаллической прокладкой. Изменение формы стенки трубы путем создания утолщений, выточек или отражателей также может препятствовать прохождению паразитных сигналов.
          Другой источник паразитных сигналов — возникновение реверберационной волны в результате отражений ультразвука от границ жидкости с звукопроводами или пьезоэлементами. Основное значение имеет первый паразитный сигнал, приходящий на приемный пьезоэлемент после двукратного отражения сперва от приемного, а потом от излучающего элемента. Амплитуда Ар, и фаза φ_р реверберационной волны отличаются от амплитуды А и фазы φ основной волны. Приемный пьезоэлемент воспринимает результирующие колебания, имеющие амплитуду Ап и фазу φ_п. В результате возникает сдвиг фазы ∆φ_р = φ_п - φ, особенно неприятный для фазовых расходомеров. Чтобы этот сдвиг был незначителен (не более 0,5 % от измеряемой разности фаз), следует иметь Ар < 0,01А. В частотных расходомерах реверберационный импульс может исказить фронт основною импульса и преждевременно включить частотную схему. Для исключения этого предложено сдвигать рабочие импульсы по отношению к отраженным с помощью электронной линии задержки. Кроме того, для борьбы с боковыми отражениями в трубах малого диаметра помогает футеровка внутренней поверхности трубы звукопоглощающим материалом. Во избежание сильного снижения амплитуды приемного сигнала и для частотных расходомеров рекомендуется иметь Ар < 0,01А.
          Асимметрия электронно-акустических каналов. В двухлучевых расходомерах неизбежна некоторая асимметрия акустических каналов, что может вызвать существенную погрешность измерения разности времен перемещения по направлению потока и против него. Погрешность складывается из погрешности, вызванной различием геометрических размеров каналов, и погрешности, обусловленной различием в них плотности измеряемого вещества.
          Получим выражение для средней квадратической погрешности измерения расхода:

S_Q0 = (S²_D + 4S²_α/sin2α + S²_k + 4S²_c + S²_∆t + S²_п + S²_а)^0,5

          Из приведенного анализа следует, что основными составляющими погрешности расходомера будут S_k и S_с, особенно последняя. В частотных расходомерах S_с практически отсутствует, что и объясняет более высокую точность этих расходомеров.

1. Геращенко О.А., Гордов А.Н. и др. Температурные измерения: Справочник; Ин-т проблем энергосбережения. - Киев: Наук. думка, 1989. - 704 с.;
2. ДСТУ 3339-96. Теплосчетчики. Общие технические условия. Киев: Госстандарт Украины;
3. Киясбели А.Ш. и др. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. - Г.: Машиностроение, 1984. - 681с.;
4. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989. - 701 с.