Головіна Анастасія
        Костянтинівна

Загальна постановка проблеми

      Системи обліку тепла стають необхідними, як споживачам тепла, так і його постачальникам. Першорядним критерієм якості систем теплопостачання відсутність температурного дискомфорту в приміщенні та постійна наявність гарячої води з певною температурою в необхідному об'ємі. Це досягається за рахунок упровадження автономних котельних, що функціонують за принципом повної автоматизації технологічного процесу. Важливою перевагою децентралізованих систем теплопостачання є можливість місцевого регулювання в системах квартирного опалювання і гарячого водопостачання. Проте експлуатація джерела теплоти і всього комплексу допоміжного устаткування квартирної системи теплопостачання мешканцями не завжди дає можливість повною мірою використовувати цю перевагу. Останні дослідження показали [1], що існує необхідність контролю втрати тепла на кожному поверсі, щоб не привертати ремонтно-експлуатаційну організацію для обслуговування джерел теплопостачання, облаштувати поверхи ультразвуковими теплолічильниками, для оперативного стеження за втратами тепла в будівлі.

Постановка задач дослідження

      Нині існують різні прилади та системи контролю витрати води і тепла. Вони мають ряд недоліків переваж зокрема висока погрішність вимірювання. Цю проблему в автономних котельних можна розв'язати шляхом використовування ультразвукових, що працюють за принципом зміни часу проходження ультразвукового сигналу від джерела до приймача сигналів, який залежить від швидкості потоку рідини. Виникає задача вибору кількості та коректного розташування теплолічильників на кожному поверсі, з подальшою інтеграцією приладу, що розробляється, до загальної структури автоматизації.

Рішення поставленої задачі і результати досліджень

      Найбільш відповідним є простий теплолічильник, який на сьогоднішній день є пристроєм, що вимірює витрату теплоносія та температуру на вході і виході об'єкту теплопостачання (рис.1).

Рис. 1 – Система опалення будівлі

      Сигнали від первинних датчиків відцифровуються та потім обробляються обчислювальним пристроєм відповідно до закладеного алгоритму. У загальному випадку поточні витрати тепла Q (кДж) визначаються в такий спосіб:

Q = qC(t1 – t2),                                                          (1)

де q – витрата теплоносія на об'єкт теплопостачання, кг; С – теплоємність теплоносія, кДж/кгК; t1 – температура теплоносія в трубопроводі, що подає, град. К; t2 – температура теплоносія в зворотному трубопроводі, град. К.

      Як видно з формули похибка виміру витрати тепла залежить як від похибки виміру температури, так і від похибки виміру витрати теплоносія, що залежать від точності первинних вимірювальних перетворювачів (датчиків температури і витратоміра теплоносія). Також з точністю визначення параметрів теплоносія самим безпосереднім образом зв'язані метрологічні характеристики вхідних маштауючих підсилювачів, зразкових резисторів, параметрів АЦП. Свою частку погрішності вносить і обчислювальна частина. Обмеження по точності математичних операцій у кінцевому пристрої і не зовсім коректні алгоритми можуть цілком загубити навіть ідеальну вхідну частину теплолічильника.

      Виникає проблема вибору методу. У кожномум конкретному випадку або споживач, або грамотний установник повинні самі оцінити всі достоїнства і недоліки кожного з методів і зробити оптимальний вибір з урахуванням можливостей споживача. Два останніх типи приладів (вихровий і механічний) насамперед орієнтовані на такого споживача, що бажає придбати теплолічильник за мінімальну вартість і для яких високі метрологічні характеристики в широкому діапазоні вимірів не принципові. Якщо ж фінансові можливості замовника дозволяють, і мова йде про придбання приладу з високими метрологічними характеристиками в більш широкому діапазоні виміру, то йому часто пропонують теплолічильники, побудовані на базі електромагнітних перетворювачів витрати. Зупинимося на них більш докладно.

Оцінка погрішності результату вимірювання енергоресурсів

      Метрологічні характеристики теплолічильників визначаються розрахунковими методами по характеристиках тих вимірювальних вузлів, приладів і систем, на базі яких лічильники побудовані. Складність в оцінці погрішностей пояснюється умовами експлуатації таких приладів, необхідністю обліку змінного складу і фізичних властивостей теплоносія (наявність домішок), і тощо. Розглянемо оцінку погрішності результату вимірювання енергоресурсів, яка базується на методиці, що виконана  в [5].

      При обліку теплоти результат вимірювань спожитих (відпущених) за деякий інтервал часу енергоресурсів є накопиченою сумою n проміжних результатів вимірювань, визначається як:

S = Σ(x_iΔt_i),                                                                (2)

де x_i – миттєве значення i-го результату вимірювань миттєвої витрати (кількості енергоресурсів в одиницю часу), Δt_i – тривалість i-го інтервалу часу.

     Задача ставиться таким чином: щоб оцінити погрішність результату S обліку енергоресурсів за умови, що погрішність засобу вимірювань (ЗВ) нормована у вигляді меж відносної, що допускається відносної δ_Д або приведеної γ_Д погрішності.

      Для спрощення розрахунків без зниження спільності припустимо, що Δt_i =Δt = const. Тоді

S = Δt Σx_i.                                                                (3)

      Оцінку погрішності результату S обліку енергоресурсів проведемо в припущенні, що кожен результат вимірювань x_i містить деяку погрішність, дійсне значення ε якій може бути представлене сумою систематичної ε_сист та випадкової ε_случ складових.

      Припустимо також, що випадкова складова погрішності ε_случ має рівномірну функцію густини (гірший випадок) і математичне очікування, рівне нулю. З останнього припущення при n, прагнучому до нескінченності, витікає, що випадкова складова погрішності ЗВ не робитиме впливу на результат S обліку енергоресурсів.

      Далі припустимо, що результати вимірювань x_i рівномірно розподілені від початкового x_н до кінцевого x_к значень в діапазоні вимірювань ЗВ.

      Переходячи від суми до інтеграла і враховуючи систематичну складову погрішності ЗВ, одержимо:

                                           (4)

або

S = Δt·n·S₁,                                                               (5)

де

                                                (6)

      Враховуючи, що систематична складова погрішності по діапазону вимірювань ВЗ може бути представлена сумою трьох складових: адитивної ε_а, мультиплікативної η_м і нелінійної ε_н(х), тобто

                                                (7)

то

                                   (8)

      У результаті інтегрування одержимо:

                          (9)

      Перший додаток виразу представляє номінальне значення результату вимірювань:

                                                        (10)

а що залишилися три додатків - дійсне значення абсолютної погрішності:

                                  (11)

      Враховуючи, що адитивна і мультиплікативна складові погрішності визначають параметри прямої, що апроксимує залежність погрішності за діапазоном перетворень ВЗ, то

                                              (12)

      Отже, дійсне значення абсолютної погрішності результату вимірювань дорівнює:

                                                (13)

що у відносних одиницях складає:

                                                          (14)

      Після підстановки ε_s та S_1н в останній вираз одержимо:

                              (15)

      Таким чином, відносна погрішність результату вимірювань S₁, а, отже, і результату S обліку енергоресурсів, визначається виразом:

                                              (16)

      Подальші міркування проведемо для двох випадків: нормування погрішності ВЗ у вигляді меж приведеної, що допускається γ_д і відносної δ_д погрішності.

      1. При нормуванні погрішності ВЗ  у вигляді меж γ_д приведеної погрішності, що припускається, модуль дійсного значення абсолютної погрішності ВЗ обмежений межею Δ_д = = γ_д (x_к – х_н) абсолютної погрішності, що припускається:

                                           (17)

      Припустимо, що

                                                     (18)

де k — коефіцієнт, що визначає вагу систематичної складової в погрішності ЗВ, значення його лежать в діапазоні від нуля до одиниці.

      Тоді в межі

                                                (19)

      Далі припустимо, що

                                          (20)

де k_а и k_м — відповідно коефіцієнти, що визначають вагу аддитивної і мультиплікативної складових погрішності в систематичній погрішності ЗВ.

      У результаті

                  (21)

що після підстановок і перетворень дає остаточний вираз у вигляді:

                                   (22)

      2. При нормуванні погрішності ЗВ у вигляді меж δ_д відносної погрішності, що припускається, модуль дійсного значення абсолютної погрішності ЗВ обмежений межею Δ_д абсолютної погрішності, що припускається.

      Міркуючи аналогічно, можна показати, що межа відносної погрішності результату обліку енергоресурсів, що припускається, складає:

                                              (23)

      Одержані вирази дозволяють оцінити відносну погрішність результату S обліку енергоресурсів при заданих межах відносної, що допускається відносної δ_д або приведеної γ_дпогрішності ЗВ миттєвої витрати енергоресурсів.

      За даною методикою були проведені розрахунки, результати зазначені в таблиці 1:

Таблиця 1 - Порівняльна характеристика по класі точності різних методів

Метод	Межі припустимої погрішності	Діапазон вимірів
Електромагнітні витратоміри	±1–2%	1:500 1:1000
Ультразвукові витратоміри	±2%	1:500 1:1000
Вихровий (ВЕПС)	–5,5%	1:200

      При цьому для електромагнітних витратомірів зазначені досить істотні недоліки: "зниження точності виміру при налипанні опадів на робочі поверхні; дестабілізація показань лічильника (зсув нуля, поява систематичних погрішностей та ін.) через блукаючі струми на трубопроводах; неможливість роботи від автономного джерела живлення". Для ультразвукових витратомірів згадують усього лише один недолік: "необхідність довгих прямих ділянок до і після приладів для вирівнювання однорідності потоку теплоносія". Але на практиці ці "довгі" ділянки складають усього лише 50-100 см! Важко повірити, що в теплопунктах 99,9 % об'єктів не знайдеться зайвих 1,5 м для установки теплолічильника з прямими ділянками. При цьому в тім же звіті відзначено: "За кордоном, у найбільш розвинених європейських країнах, одержали досить широке застосування ультразвукові прилади. Це пов'язано з високою якістю теплоносія, внутрішньої поверхні труб, використовуваних у тепломережах і відмовленням від ЦТП". Навряд Україну можна віднести до "найбільш розвинених європейських країн" з дистильованим теплоносієм і полірованими трубами, однак, у даний час по цілому ряді українських енергокомпній виробляється установка переважно ультразвукових тепловодолічильників, "кращі закордонні теплолічильники, вартість яких перевершує вартість вітчизняних зразків у 2-3 рази, мають межі відносної погрішності ±2 % в діапазоні вимірювань витрат теплоносія 1:100». У той же час "переважна більшість вітчизняних виробників мають межі відносної погрішності ±2 % у діапазоні вимірів витрати 1:200, більш двох десятків теплосчетчиков, зареєстрованих у реєстрі засобів вимірів, мають зазначені межі погрішності в діапазоні вимірів витрати 1:500 і навіть 1:1000!».

      Для рішення поставленої задачі проаналізовані функціональні особливості автономної котельні висотного будинку і розроблена структура приладу з урахуванням необхідної кількості тепловодолічильників на кожнім поверсі. Структура багаторівнева, оскільки планується наступна інтеграція розроблювального приладу в загальну структуру автоматизації. При розташуванні п'єзоперетворювачів зовні труби частина акустичної енергії відбивається від поверхні розділу труба-рідина і поширюється у виді акустичних коливань у стінці труби. При цьому утворяться як подовжні, так і поперечні хвилі. Останні можуть досягти прийомного п'єзоелемента раніш акустичних коливань, що проходять через рідину. Для виключення цього пропонується поміщати п'єзоелементи з різних сторін фланцевого з'єднання, який постачається неметалічною прокладкою. Амплітуда А_Р, і фаза φ_Р ревербераційної хвилі відрізняються від амплітуди А та фази φ основної хвилі. Прийомний п'єзоелемент сприймає результуючі коливання, що мають амплітуду А_П та фазу φ_П. У результаті виникає зсув фази Δφ_Р = φ_П – φ, особливо неприємний для існуючих витратомірів. Щоб цей зсув був незначний, варто мати А_Р < 0,01А. Крім того ревербераційний імпульс може спотворити фронт основною імпульсу і передчасно включити частотну схему. Для виключення цього запропоновано зсувати робочі імпульси стосовно відбитого за допомогою електронної лінії затримки.

      В усіх теплолічильниках, як датчики для виміру температури, використовуються стандартні термометри опору.

      Таким чином буде використаний ультразвуковий метод, який у свою чергу має таки переваги:

• збереження технико-експлуатаційних характеристик в часі;
• висока точність вимірювання в широкому динамічному діапазоні;
• відсутність рухомих і виступаючих в потік вимірювальних елементів;
• відсутність втрат тиску;
• незалежність свідчень від зміни електропровідності середовища;
• низьке енергоспоживання;
• можливість безконтактного вимірювання витрати рідин;
• можливість вимірювання витрати рідин в широкому діапазоні діаметрів умовного проходу трубопроводів (15...1600 мм);
• можливість простої імітаційної перевірки без демонтажу первинного перетворювача з трубопроводу.

      Разом з переліченими перевагами, існує  ряд проблем, які вимагають додаткового дослідження, а саме:

      - для акустичних витратомірів :

• робота ультразвукових перетворювачів за наявності несиметричних профілів зміни швидкості, а також робота при малих числах Рейнольдса (Re);

• необхідність обліку залежності швидкості розповсюдження звуку від физико-хімічних властивостей різних вимірюваних середовищ;

• присутність паразитних акустичних сигналів;

• асиметрія електронно-акустичних каналів.

      Наявність цих чинників приводить до необхідності застосування в ультразвукових расходомірах спеціальних методів і засобів компенсації, використовуванню диференціальних схем вимірювання для виділення "слабкого" корисного сигналу.

      -для термометрів опору:

• нерівномірність розподілу температури по поперечному перерізі термоприймача;

• нагрівання термоприймача вимірювальним струмом;

• теплова інерційність термоприймача.

      Для поліпшення відношення сигнал/ шум час розповсюдження ультразвукового сигналу часто вимірюється в двох напрямах, при цьому обидва п'єзокристали працюють поперемінно то приймачами, то передавачами. Це можна реалізувати за допомогою пристрою перемикача, показаного на рис. 2, який працює з порівняно низькою частотою (наприклад, 400 Гц). Синусоїдальні ультразвукові хвилі (з частотою близько 3 Мгц) передаються в імпульсному режимі з тією ж самою повільною тактовою частотою (400 Гц). Прийнятий ВЧ сигнал відстає від переданого на час Т. Величина цієї затримки залежить від швидкості потоку середовища. Час Т вимірюєтьсяза допомогою часупролетного детектора, а синхронний детектор використовується для визначення різниці часів, витраченихна розповсюдження сигналу уподовж і проти перебігу потоку. Такий ультразвуковий датчик володіє достатньо високою точністю, його дрейф нуля складає 5·10^–3 м/с² протягом 4-х годинного інтервалу часу.

Рис. 2 – Схема ультразвукового витратоміра, у якому кожен кристал відіграє роль і передавача, і приймача

Рис.3 - Принцип роботи ультразвукових датчиків. Flash-анімація, 75 кадрів,
зациклене повторення, 7кб

Висновки

      1. Проведенный в работе анализ характеристик погрешностей исследуемых методов теплосчетчиков с метрологическими характеристиками и границами допустимой погрешности, взятой из госстандартов Украины позволил определить, что ультразвуковой метод является самым точным из всех остальных и отвечает ГОСТу.

      2. Разработанная структура прибора контроля расхода количества тепла с заданной степенью точности, который будет отслеживать расход воды и потери тепла на каждом этаже. Прибор реализуется путем установки на этажах высотного дома ультразвуковых тепловодосчетчиков.

Література

1. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техносфера, 2006. – 325 с.
2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд–ние, 1998. – 420 с.
3. Нейман Г.А., Фудим Я.Г., Иванова Г.М. Теплосчетчики в системе учета тепла, отпущенного абонентам Теплосети ОАО "Мосэнерго" // Энергосбережение. 1998. Выпуски 5-6. C. 24-26.
4. Цейтлин В.Г. Расходоизмерительная техника. – М.: Изд-во стандартов, 1977. – 240 с.
5. Министерство энергетики РФ. Правила учета тепловой энергии и теплоносителей. Главгосэнергонадзор. – М.: Изд-во МЭИ, 1995. – 56 с.
6. Геращенко О.А., Гордов А.Н. и др. Температурные измерения. Справочник. Ин-т проблем энергосбережения. – К.: Наук. думка, 1989. – 704 с.
7. Киясбели А.Ш. и др. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. – Г.: Машиностроение, 1984. – 681 с.
8. ДСТУ 3339-96. Теплосчетчики. Общие технические условия. – К.: Госстандарт Украины.
9. Методика оценивания погрешности результата выполнения измерений (учета) энергоресурсов.
10. Эффективное решение вопросов автономного теплоснабжения.