Головина Анастасия
        Константиновна

Общая постановка проблемы

      Системы учета тепла становятся необходимыми, как потребителям тепла, так и его поставщикам. Первостепенным критерием качества систем теплоснабжения отсутствие температурного дискомфорта в помещении и постоянное наличие горячей воды с определенной температурой в требуемом объеме. Это достигается за счет внедрения автономных котельных, функционирующих по принципу полной автоматизации технологического процесса. Важным преимуществом децентрализованных систем теплоснабжения является возможность местного регулирования в системах квартирного отопления и горячего водоснабжения. Однако эксплуатация источника теплоты и всего комплекса вспомогательного оборудования квартирной системы теплоснабжения жильцами не всегда дает возможность в полной мере использовать это преимущество. Последние исследования показали [1], что  существует необходимость контроля потери тепла на каждом этаже, т.е чтобы не привлекать ремонтно–эксплуатационную организацию для обслуживания источников теплоснабжения, обустроить этажи ультразвуковыми теплосчетчиками, для оперативного слежения за потерями тепла в здании.

Постановка задач исследования

      На сегодняшний день существуют различные приборы и системы контроля расхода воды и тепла. Они обладают рядом недостатков в частности высокая погрешность измерения. Эту проблему в автономных котельных можно решить путем использования ультразвуковых, работающие на принципе изменения времени прохождения ультразвукового сигнала от источника до приемника сигналов, которое зависит от скорости потока жидкости. Возникает задача выбора количества и корректного расположения тепловодосчетчиков на каждом этаже, с последующей интеграцией разрабатываемого прибора в общую структуру автоматизации. Ультразвуковые теплосчетчики хорошо работают только при измерении расхода чистой, однородной жидкости, проходящей по чистым трубам [2]. При протекании жидкостей, имеющих посторонние включения и при неустойчивом расходе, они дают существенные неточности показаний, так же присутствуют паразитные акустические сигналы.

Решение задач и результаты исследований

      Наиболее подходящим является простейший теплосчетчик, который на сегодняшний день представляет собой устройство, измеряющее расход теплоносителя и температуру на входе и выходе объекта теплоснабжения (рис.1).

Рис. 1 – Система отопления здания

      Сигналы 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),                                                          (1)

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.

      Возникает проблема выбора метода. В каждом конкретном случае либо потребитель, либо грамотный установщик должны сами оценить все достоинства и недостатки каждого из методов и сделать оптимальный выбор с учетом возможностей потребителя. Два последних типа приборов (вихревой и механический) прежде всего ориентированы на такого потребителя, который желает приобрести теплосчетчик по минимальной стоимости и для которого высокие метрологические характеристики в широком диапазоне измерений не принципиальны. Если же финансовые возможности заказчика позволяют, и речь идет о приобретении прибора с высокими метрологическими характеристиками в более широком диапазоне измерения, то ему часто предлагают теплосчетчики, построенные на базе электромагнитных преобразователей расхода. Остановимся на них более подробно.

Оценка погрешности результата измерения энергоресурсов

      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.Оценку погрешности результата измерения энергоресурсов можно выполнить по следующей методике [5].

      При учете результат измерений потребленных (отпущенных) за некоторый интервал времени энергоресурсов представляет собой накопленную сумму n промежуточных результатов измерений:

S = Σ(x_iΔt_i),                                                                (2)

где x_i – мгновенное значение i-го результата измерений мгновенного расхода (количества энергоресурсов в единицу времени), Δt_i – длительность i-го интервала времени.

      Задача ставится таким образом: чтобы оценить погрешность результата S учета энергоресурсов при условии, что погрешность средства измерений (СИ) нормирована в виде пределов допускаемой относительной δ_Д или приведенной γ_Д погрешности.

      Для упрощения расчетов без снижения общности предположим, что Δt_i =Δt = const. Тогда

S = Δt Σx_i.                                                                (3)

      Оценку погрешности результата S учета энергоресурсов проведем в предположении, что каждый результат измерений x_i содержит некоторую погрешность, действительное значение ε которой может быть представлено суммой систематической ε_сист и случайной ε_случ составляющих.

      Предположим также, что случайная составляющая погрешности ε_случ имеет равномерную функцию плотности (худший случай) и математическое ожидание, равное нулю. Из последнего предположения при n, стремящемся к бесконечности, следует, что случайная составляющая погрешности СИ не будет оказывать влияния на результат S учета энергоресурсов.

      Далее предположим, что результаты измерений x_i равномерно распределены от начального x_н до конечного x_к значений в диапазоне измерений СИ.

      Переходя от суммы к интегралу и учитывая систематическую составляющую погрешности СИ, получим:

                                           (4)

или

S = Δt·n·S₁,                                                               (5)

где

                                                (6)

      Учитывая, что систематическая составляющая погрешности по диапазону измерений СИ может быть представлена суммой трех составляющих: аддитивной ε_а, мультипликативной η_м и нелинейной ε_н(х), т.е.

                                                (7)

то

                                   (8)

      В результате интегрирования получим:

                          (9)

      Первое слагаемое выражения представляет номинальное значение результата измерений:

                                                        (10)

а оставшиеся три слагаемых – действительное значение абсолютной погрешности:

                                  (11)

      Учитывая, что аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности определяют параметры прямой, аппроксимирующей зависимость погрешности по диапазону преобразований СИ, то

                                              (12)

      Следовательно, действительное значение абсолютной погрешности результата измерений равно:

                                                (13)

что в относительных единицах составляет:

                                                          (14)

      После подстановки ε_s и S_1н в последнее выражение получим:

                              (15)

      Таким образом, относительная погрешность результата измерений S₁, а, следовательно, и результата S учета энергоресурсов, определяется выражением:

                                              (16)

      Дальнейшие рассуждения проведем для двух случаев: нормирования погрешности СИ в виде пределов допускаемой приведенной γ_д и относительной δ_д погрешности.

      1. При нормировании погрешности СИ в виде пределов γ_д допускаемой приведенной погрешности, модуль действительного значения абсолютной погрешности СИ ограничен пределом Δ_д = γ_д (x_к – х_н) допускаемой абсолютной погрешности:

                                              (17)

      Предположим, что

                                                     (18)

где k – коэффициент, определяющий вес систематической составляющей в погрешности СИ, значения его лежат в диапазоне от нуля до единицы.

      Тогда в пределе

                                                (19)

      Далее предположим, что

                                          (20)

где k_а и k_м – соответственно коэффициенты, определяющие вес аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности в систематической погрешности СИ.

      В итоге

                  (21)

что после подстановок и преобразований дает окончательное выражение в виде:

                                   (22)

      2. При нормировании погрешности СИ в виде пределов δ_д допускаемой относительной погрешности, модуль действительного значения абсолютной погрешности СИ ограничен пределом Δ_д допускаемой абсолютной погрешности.

      Рассуждая аналогично, можно показать, что предел допускаемой относительной погрешности результата учета энергоресурсов составляет:

                                              (23)

      Полученные выражения позволяют оценить относительную погрешность результата S учета энергоресурсов при заданных пределах допускаемой относительной δ_д или приведенной γ_д погрешности СИ мгновенного расхода энергоресурсов.

      По данной методике были проведены расчеты, результаты указаны в таблице 1:

Таблица 1 – Сравнительная характеристика по классу точности разных методов

Метод	Пределы допускаемой погрешности	Диапазон измерений
Электромагнитные расходомеры	±1–2%	1:500 1:1000
Ультразвуковые расходомеры	±2%	1:500 1:1000
Вихревой (ВЭПС)	–5,5%	1:200

      При этом для электромагнитных расходомеров указаны довольно существенные недостатки: «снижение точности измерения при налипании осадков на рабочие поверхности; дестабилизация показаний счетчика (смещение нуля, появление систематических погрешностей и др.) из-за блуждающих токов на трубопроводах; невозможность работы от автономного источника питания». Для ультразвуковых расходомеров упомянут всего лишь один недостаток: «необходимость длинных прямых участков до и после приборов для выравнивания однородности потока теплоносителя». Но ведь на практике эти «длинные» участки составляют всего лишь 50–100 см! Трудно поверить, что в теплопунктах 99,9 % объектов не найдется лишних 1,5 м для установки теплосчетчика с прямыми участками. При этом в том же отчете отмечено: «За рубежом, в наиболее развитых европейских странах, получили достаточно широкое применение ультразвуковые приборы. Это связано с высоким качеством теплоносителя, внутренней поверхности труб, используемых в теплосетях и отказом от ЦТП». Вряд ли Украину можно отнести к «наиболее развитым европейским странам» с дистиллированным теплоносителем и полированными трубами, однако, в настоящее время по целому ряду украинских энергокомпаний производится установка преимущественно ультразвуковых тепловодосчетчиков «лучшие зарубежные теплосчетчики, стоимость которых превосходит стоимость отечественных образцов в 2–3 раза, имеют пределы относительной погрешности ±2 % в диапазоне измерений расхода теплоносителя 1:100». В то же время «подавляющее большинство отечественных производителей имеют пределы относительной погрешности ±2 % в диапазоне измерений расхода 1:200, более двух десятков теплосчетчиков, зарегистрированных в Реестре средств измерений, имеют указанные пределы погрешности в диапазоне измерений расхода 1:500 и даже 1:1000!».

      Для решения поставленной задачи проанализированы функциональные особенности автономной котельной высотного дома и разработана структура прибора с учетом необходимого количества тепловодосчетчиков на каждом этаже. Структура многоуровневая, поскольку планируется последующая интеграция разрабатываемого прибора в общую структуру автоматизации. 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. Амплитуда А_Р, и фаза φ_Р реверберационной волны отличаются от амплитуды А и фазы φ основной волны. Приемный пьезоэлемент воспринимает результирующие колебания, имеющие амплитуду А_П и фазу φ_П. В результате возникает сдвиг фазы Δφ_Р = φ_П – φ, особенно неприятный для существующих расходомеров. Чтобы этот сдвиг был незначителен, следует иметь А_Р < 0,01А. Кроме того 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.

      Во всех теплосчетчиках в качестве датчиков для измерения температуры используются стандартные термометры сопротивления.

      Таким образом будет использован ультразвуковой метод, который в свою очередь имеет преимущества:

• 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.

      Так же существует и ряд проблем, которые требуют серьезного изучения, а именно:

      – для акустических расходомеров:

• работа ультразвуковых преобразователей при наличии несимметричных профилей изменения скорости, а также работа при малых числах Рейнольдса Re;

• необходимость учета зависимости скорости распространения звука от физико–химических свойств различных измеряемых сред;

• присутствие паразитных акустических сигналов;

• 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:

• неравномерность распределения температуры по поперечному сечению термоприемника;

• нагрев термоприемника измерительным током;

• тепловая инерционность термоприемника.

      Для улучшения отношения сигнал/шум время распространения ультразвукового сигнала часто измеряется в двух направлениях, при этом оба пьезокристалла работают попеременно то приемниками, то передатчиками. Это можно реализовать при помощи переключательного устройства, показанного на рис.2, который работает со сравнительно низкой частотой (например, 400 Гц). Синусоидальные ультразвуковые волны (с частотой около 3 МГц) передаются в импульсном режиме с той же самой медленной тактовой частотой (400 Гц). Принятый ВЧ сигнал отстает от переданного на время Т. Величина этой задержки зависит от скорости потока среды.  Время Тизмеряется при помощи времяпролетного детектора, а синхронный детектор используется для определения разницы времен АТ, затраченных на распространение сигнала вдоль и против течения потока. Такой ультразвуковой датчик обладает достаточно высокой точностью, его дрейф нудя составляет 5·10^–3 м/с² в течение 4-х часового интервала времени.

Рис. 2 – Схема ультразвукового расходомера, в котором каждый кристалл играет роль и передатчика, и приемника

Рис.3 – Принцип работы ультразвуковых датчиков. Flash-анимация, 75 кадров,
зацикленное повторение, 7кб

Выводы

      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.

Литература

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.