ТЕПЛОСЧЕТЧИК И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ С ПРЯМЫМ ИЗМЕРЕНИЕМ РАЗНОСТИ РАСХОДОВ ПРИ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ
HEAT METRE AND METHOD FOR DETECTION OF HEAT CARRIER THERMAL ENERGY WITH DIRECT MEASUREMENT OF FLOW RATES DIFFERENCE WITH COMPENSATION OF TEMPERATURE ERROR

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройству узла учета тепловой энергии, количества теплоносителя и проверки характеристик расходомеров для теплосчетчиков на месте в реальных условиях их эксплуатации.
Известен теплосчетчик (устройство) для определения тепловой энергии и расхода теплоносителя. Блок-схема устройства для открытой системы теплопотребления содержит объемные расходомеры (водосчетчики) подающего и обратного трубопроводов, водосчетчик горячего водоснабжения и теплообменник. Водосчетчики и теплообменник между собой последовательно соединены. Водосчетчик в канале (трубопровода воды) горячего водоснабжения через два управляемых вентиля соединен параллельно с подающими и обратными каналами (трубопроводами). Устройство открытой системы разбивается на две группы: открытую, состоящую из двух управляемых вентилей и водосчетчика горячего водоснабжения, и закрытую с утечками (расхода воды), состоящую из двух водосчетчиков и теплообменника. При этом в открытой подсистеме количество теплоносителя в водоснабжении определяется по показанию водосчетчика в этом канале, а количество тепловой энергии - по уравнению для однотрубной системы теплоснабжения.
Такое решение позволяет учитывать тепловую энергию и объемный расход теплоносителя в сетях теплоснабжения (Как уменьшить измерение тепловой энергии и утечки теплоносителя. - Законодательная и прикладная метрология. №5, 2002, стр.6-13, автор И.Ю.Шешуков).
Недостатки предлагаемого устройства состоят в том, что взаимная настройка расходомеров проводится без применения эталонного расходомера, за эталонный расходомер в устройстве принимается один из двух настраиваемых расходомеров, имеющих одинаковые метрологические характеристики, что противоречит государственной системе обеспечения единства измерений, где сличение рабочих средств измерений должно проводиться с эталонными средствами измерений. Кроме того, чтобы проводить работы на данном устройстве необходимо полностью отключать отопление на объекте, что зимой при существенных морозах не приемлемо.
Известен способ для определения тепловой энергии теплоносителя и определения погрешности измерения расхода теплоносителя.
ГВC
1(2)
x
3
1(2)
3
1(2)
1(2)
x
Определяют количество тепловой энергии по уравнению для однотрубного устройства теплоснабжения горячего водоснабжения (ГВС): Q=[h-h]Vρ, где V - объем по показанию водосчетчика ГВС; ρ - плотность воды в подающем и обратном трубопроводе; h - энтальпия в подающем и обратном трубопроводе; h - энтальпия холодной воды на источнике теплоты.
ГВC
y
ГВС
у
Суммарное количество утечки теплоносителя в устройстве определяют как: G=G+G, где С - масса теплоносителя, отобранная на ГВС; G - утечка теплоносителя в закрытой подсистеме устройства. Затем определяют суммарное количество потребленной энергии в закрытой подсистеме устройства с утечками. Тогда погрешность суммарной тепловой энергии определяют как:
ГВС
ЗУ
ГВС
ЗУ
ЗУ
где δQ и δQ - относительные погрешности в подсистеме устройств ГВС и в закрытой подсистеме устройства с утечками. Суммарное количество потребленной тепловой энергии в устройстве определяют как: Q=Q+Q, где Q - количество тепловой энергии в закрытой подсистеме устройства с утечками.
Такое решение позволяет определить тепловую энергию теплоносителя и оценить погрешности измерения объемных расходов в узлах учета (Как уменьшить погрешность измерений тепловой энергии и утечки теплоносителя. - Законодательная и прикладная метрология. №5, 2002, стр.6-13, автор. И.Ю.Шешуков).
Недостаток предлагаемого способа определения тепловой энергии заключается в недостоверном определении всех поправочных величин, т.к. действительное значение погрешностей каждого расходомера при отсутствии эталона в условиях эксплуатации не известно. Влияние изменения расхода и температуры теплоносителя учитывается путем экстраполяции результатов, полученных при температуре потока во время настройки, что может привести к еще более значительной погрешности, не учитывается изменение размеров трубопровода и т.д.
1
2
1
2
1
2
1
2
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является теплосчетчик для определения тепловой энергии теплоносителя с прямым измерением разности объемных расходов. Устройство (теплосчетчик) содержит подающий, обратный трубопроводы, которые разделены группой колен либо вытянуты в одну линию. Подающий и обратный трубопроводы содержат по одному преобразователю давления (ПД), температуры (ПТ) и электромагнитные расходомеры (ЭМР). Кроме того, устройство содержит по одному блоку вычитания плотности в подающем ρ и обратном ρ трубопроводах, блоку вычисления разности объемных расходов Δq без применения операции вычитания (т.е. Δq не вычисляется как q-q, где q и q - объемные расходы теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах), блоки вычисления массы отобранного из сети теплоносителя и тепловой энергии. В подающем и обратном трубопроводах выходы ПД и ПТ соответственно через блоки вычисления плотности ρ и ρ подключены к входу блоков вычисления массы теплоносителя и тепловой энергии. Выходы ЭМР в подающем и обратном трубопроводах через блок вычитания соединен к входу вычислителя массы теплоносителя и тепловой энергии.
Главная задача устройства заключается в том, чтобы существенно уменьшить погрешность измерений тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения (ОВСТ), за счет устранения погрешности измерений массы отобранного из сети теплоносителя по разности показания ЭМР, установленных на подающем и обратном трубопроводах, т.е. погрешности разности масс. Показано, что эта составляющая погрешности метода измерений тепловой энергии возникает, если расход отбираемого из сети теплоносителя соизмерим с абсолютной погрешностью расходомеров и может быть неприемлемо высоким, вплоть до неверного определения знака этой составляющей. И хотя расход циркулирующего теплоносителя значительно превышает расход отбираемого, следует отметить, что общий объем теплоносителя в сети конечен, а его отбор идет непрерывно. Поэтому за значительный промежуток времени суммарное количество отобранного из сети теплоносителя оказывается весьма существенным и большая погрешность при оценке этого количества не приемлема. Кроме того, возможен не санкционированный отбор теплоносителя. Поэтому общая масса отобранного на объекте из сети теплоносителя надежно может быть оценена только на границе балансовой принадлежности этого объекта по разности масс теплоносителя, поступившего по подающему трубопроводу и вышедшего по обратному.
Такое решение позволяет измерять массу отобранного из сети теплоносителя и тепловую энергию в ОВСТ (Теплосчетчик с каналом прямого измерения разности объемных расходов теплоносителя и установка для его градуировки и поверки.  А.А.Варгин, стр.385-399. Коммерческий учет энергоносителей XXIV-я международная научно-практическая конференция 21-22 ноября 2006. Санкт-Петербург).
Недостатки этого устройства для измерения массы, количества теплоты теплоносителя в ОВСТ с каналом прямого измерения разности объемных расходов следующие:
- в подающем и обратном трубопроводах градуировочные характеристики ЭМР должны быть линейными, что трудно обеспечить для расходомеров всех видов, кроме электромагнитных;
- в стадии эксплуатации не учитывается погрешность, вызываемая от температуры и старения материалов ЭМР при длительной эксплуатации;
- не учитываются погрешности, вызываемые от изменения скорости теплоносителя, когда поток теплоносителя переходит от ламинарного в турбулентный режим, что существенно для расходомеров всех видов, кроме электромагнитных.
2
1
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ определения тепловой энергии теплоносителя прямым измерением разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах. Для повышения точности измерений тепловой энергии в ОВСТ предлагают создать теплосчетчик с каналом прямого измерения разности объемных расходов. Погрешность измерений разности температур уменьшают путем подбора ПТ в комплекты. Считают первостепенной задачей, которую можно решить и реализовать методом прямого измерения разности массовых расходов (масс) с помощью объемных ПД, - это преобразовать уравнения изменений тепловой энергии Q и массы ΔM отобранного из сети теплоносителя в ОВСТ (по МИ 2412) так, чтобы разность объемных расходов присутствовала в этих уравнениях в явном виде. Суть эквивалентного преобразования уравнений измерений заключается в добавлении и вычитании одного и того же члена ρq в выражение для ΔМ, которое предварительно записывают как:
,
1
2
0
1
где ρ, ρ - плотность теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах; τ, τ - время начала и конца отчетного периода. Аналогичные преобразования проводятся и в уравнении тепловой энергии и окончательно получают ,
1
2
xb
1
2
1
2
где h, h - энтальпия теплоносителя трубопроводов, h - энтальпия холодной воды. Как видно из выражений ΔМ и Q, в этих уравнениях в явном виде входит величина разности объемных расходов подающего q и обратного q трубопроводов Δq=q-q.
1
2
1
2
1
xb
1
xb
1
2
xb
Показано, что с пренебрежимо малой погрешностью можно применять следующие допущения: h-h=C(t-t); (h-h)=C(t-t), где С - среднее значение теплоемкости воды; t, t - температура теплоносителя в трубопроводах; t - температура холодной воды. Далее анализируют погрешности измерений разностей температур, энтальпий и плотностей теплоносителя. Для значимого уменьшения погрешностей измерений тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя предлагают в теплосчетчике кроме комплекта ПТ ввести канал прямого измерения разности объемных расходов Δq.
Такой способ определения тепловой энергии теплоносителя с прямым измерением разности объемных расходов (А.А.Варгин. Теплосчетчик с каналом прямого измерения разности объемных расходов теплоносителя и установка для его градуировки и поверки. Стр.385-399. «Коммерческий учет энергоносителей». Материалы XXIV-й Международной научно-практической конференции 21-22 ноября 2006. Санкт-Петербург).
Недостатки способа определения тепловой энергии совпадают с недостатками предшествующего устройства.
Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, повышение стабильности и точности при определении расхода теплоносителя с прямым измерением путем компенсации (коррекции) влияния температуры на результаты измерения (определения) тепловой энергии.
1. Технический результат достигают тем, что в теплосчетчик для определения тепловой энергии теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения, содержащий подающий, обратный трубопроводы, каждый трубопровод содержит по одному электромагнитному расходомеру с футеровкой измерительного участка, выполненной из фторопласта, преобразователи давления и температуры, блоки вычисления плотности, блоки вычисления массы, тепловой энергии, вычислительный индикаторный блок, выходы блоков преобразователей давления и температуры соединены с входами блоков вычисления плотности, выход блока вычисления разности расходов соединен с входами блоков вычисления массы отобранного из сети теплоносителя, и выходы последних блоков соединены с входами вычислительного индикаторного блока, дополнительно введены по два блока вторичных преобразователей деления, умножения, памяти, переключатель и блок управления, причем выходы электромагнитных расходомеров через блоки вторичных преобразователей, переключатель, блоки деления и умножения соединены с входами блоков памяти, выходы блоков памяти соединены с входами блоков вычисления разности расходов, вычисления массы отобранного из сети теплоносителя, тепловой энергии и вычислительным индикаторным блоком, другой выход блока переключателя соединен с входом блока памяти, выход блоков вычисления плотности - с входом блоков деления и умножения, выход преобразователей температуры соединен с входом блока памяти, а блок управления соединен с управляющими входами блоков деления, умножения, памяти и переключателем, все управляющие и сигнальные выходы соединены с вычислительным индикаторным блоком.
1,2Ф
1,2B
1,2P
1,2Re
1,2Re
1,2Ф
1,2B
1,2Р
1,2Re
1,2U
1,2U
1,2Ф
1,2В
1,2Р
1,2Fe
1,2U
вых1,2
1,2U
ВЫХ20
2. Технический результат достигается также тем, что в способе определения тепловой энергии теплоносителя для открытых водяных систем теплоснабжения, заключающийся в том, что через подающий и обратный трубопроводы пропускают теплоноситель, объемный расход теплоносителя преобразуют в электрический сигнал, который усиливают и регистрируют, затем при нормальной температуре 20°С определяют напряжение теплового шума электромагнитных расходомеров, определяют разность объемных расходов теплоносителя с выхода блока вычисления разности расходов, подают на входы блоков вычисления массы отобранного из сети теплоносителя, до определения тепловой энергии определяют размеры футеровки из фторопласта на измерительном участке электромагнитного расходомера, коэффициенты изменения линейных размеров футеровки из фторопласта α, вязкости α, плотности α, числа Рейнольдса α в зависимости от диапазона рабочих температур теплоносителя, где индексы 1, 2 относятся к подающим и обратным трубопроводам, причем коэффициент α определяют в зависимости от изменения скорости потока теплоносителя из суммы (1-α)+(1-α)+(1-α)+(1-α)=1-α, эту зависимость запоминают, получают коэффициент выходного напряжения электромагнитного расходомера α=α+α+α+α-3, все параметры в зависимости от температуры запоминают, представляют в виде таблицы и регистрируют, измеряют температуру теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах и определяют коэффициент выходного напряжения α, затем измеряют напряжение U на выходе электромагнитного расходомера, это напряжение делят на коэффициент выходного напряжения α, получают первоначальное напряжение U и уточняют коэффициент преобразования электромагнитного расходомера, затем определяют массу отобранного из сети теплоносителя и тепловую энергию.
1
2
1
2
На фиг.1 показана блок-схема теплосчетчика для определения количества теплоты теплоносителя. На фиг.2 для примера показана температурная погрешность электромагнитного расходомера ЭМР, вызванная перестройкой профиля скорости. Блок-схема устройства, т.е. теплосчетчик для ОВСТ, содержит подающий 1, обратный 2 трубопроводы. Подающий и обратный трубопроводы между собой соединены группой колен 3 или вытянуты в одну линию. Устройство также содержит преобразователи ЭМР 4, 5, ПТ 6, 7, ПД 8, 9; два блока вычисления плотности теплоносителя ρ, ρ 10, 11, два блока вторичных преобразователей (ВП) 12, 13, два переключателя 14, 15; по два блока деления 16, 17, умножения 18, 19, памяти 20, 21, блок управления 22, блок вычисления разности объемных расходов 23, блок вычисления массы 24, блок вычисления тепловой энергии Q теплоносителя 25 и вычислительный индикаторный блок 26. ЭМР 4, 5 смонтированы в подающем 1 и обратном 2 трубопроводах. Выходы ЭМР 4, 5 через ВП 12, 13, переключатели 14, 15, блоки деления 16, 17, умножения 18, 19 соединены на входы блоков памяти 20, 21. Выходы блоков вычисления плотности ρ, ρ 10, 11 теплоносителя соединены с выходами блоков памяти 20, 21, вычисления разности объемных расходов 23, вычисления массы 24, вычисления тепловой энергии 25 и вычислительным индикаторным блоком 26. Выходы блоков памяти 20, 21 соединены с входами блоков вычисления разности объемных расходов 23, вычисления массы и тепловой энергии 24, 25 и с входом вычислительного индикаторного блока 26. Все управляющие выходы блока управления 22 соединены с управляющими входами блоков от 14 до 21. Выходы переключателей 14, 15 также соединены с входами блоков памяти 20, 21.
Блоки 12, 13 согласно ГОСТ 26.010-80 представляют собой средства измерения и автоматизации (ВП) и устанавливают основные параметры входных и выходных частотных электрических непрерывных сигналов, предназначенных для информационной связи между ЭМР и ВП, у которых частота синусоидального или несинусоидального напряжения (тока) однозначно соответствует значениям непрерывной величины, которую они представляют, а также параметры входных и выходных цепей этих ВП.
Зависимость между частотой сигнала f и текущим значением преобразуемой величины Р должно выражаться формулой ,
0
max
0
max
где f - начальное значение частоты, соответствующее нижнему предельному значению преобразуемой величины; Δf - диапазон изменения частоты; Р - нижнее предельное значение преобразуемой величины; ΔP - диапазон изменения преобразуемой величины.
max
0
max
Допускается применять частотные сигналы, у которых изменение периода линейно зависит от разности между текущим и нижним предельным значением преобразуемой величины. В этом случае начальная частота должна соответствовать предельному значению, a Δf - диапазону изменения преобразуемой величины. Для начальной частоты f=0 допускается выбрать Δf из ряда 10, 20, 40, 80, 100 кГц. Амплитуда выходных сигналов синусоидальной формы должна быть от 1,0 до 1,6 В. Уровни выходных сигналов несинусоидальной формы от 0 до 5,25 В.
Cu
Fe
Cu
В нашем случае объектом преобразования является ЭМР с различными линейными или нелинейными градуировочными характеристиками. На выходе ЭМР преобразуемой величиной может быть и индуктивность. Эквивалентная электрическая схема катушки индуктивности ЭМР 4, 5 имеет чистую индуктивность катушки L, соединенную последовательно с сопротивлением R (катушки) и параллельно с сопротивлением R (ферромагнитного сердечника). Емкость С, параллельная L и R, является собственной емкостью между витками обмотки и проявляется лишь на высоких частотах. Обозначим через w число витков равномерно намотанной катушки с магнитным сердечником длиной l и магнитной проницаемостью µ. Тогда напряженность магнитного поля Н внутри сердечника, обусловленного током I, определяется формулой . Индукция B=µH=Iwµ/l. Магнитный поток в сердечнике с площадью S будет Ф=BS=IwµS/l. Тогда преобразуемая величина индуктивности электромагнитного расходомера определяется как: .
-6
-6
ЭМР, в частности, применяемые в составе теплосчетчиков КМ-5, предназначены для работы в широком диапазоне изменения температуры от 10 до 150°С. Поэтому температурная погрешность является одной из основных характеристик ЭМР и его влияние на результаты расхода, количества теплоты теплоносителя должны быть учтены самым тщательным образом. От влияния температуры происходит изменение геометрических размеров канала проточной части ЭМР, установленных на подающем и обратном трубопроводах. Например, толщина металлической трубы ЭМР 2-2,5 мм, толщина футеровки фторопластом проточной части 3-3,5 мм. Температурный коэффициент трубки из нержавеющей стали 16,6·101/°С. Температурный коэффициент линейного расширения фторопласта в диапазоне температуры 50-110°С - 1,1·10 1/°С (согласно ГОСТ 10007-80).
Cu
Fe
Другими источниками погрешности являются сопротивление потери в меди R катушки, сопротивление потерь на вихревые токи R, потери на емкости утечки С, потери на гистерезис.
В трубопроводах происходит изменение вязкости и плотности теплоносителя от изменения температуры. Следовательно, от температуры зависит изменение числа Рейнольдса Re, практически изменение последнего зависит от изменения вязкости теплоносителя.
Поэтому в предполагаемом изобретении актуальным является компенсация вышеуказанных погрешностей при учете количества теплоты теплоносителя в ОВСТ.
-5
Блоки памяти 20÷21 предназначены для длительного хранения информации с возможностью непрерывного и не разрушающего считывания сигналов, поступающих с выходов блоков ПТ 6, 7, ВП 12, 13; со способностью быстрой записи новых изменений выходных сигналов ПТ, ВП по сигналам управления блока 22; с возможностью благополучного сопряжения с ПТ и ВП и другими блоками 16, 18, 19, 20 и т.д. Информация для запоминания принимается при одновременном воздействии на блоки памяти входной аналоговой величины блоков ПТ 6, 7 и ВП 12, 13 и импульсного управляющего воздействия. Носителем информации могут быть транзисторы, интегральные твердотельные микроэлементы и другие микроэлементы. Временное разрешение достаточно до (2÷4)·10 с, а максимальная частота регистрируемых процессов до 250-500 МГц. Многовходные блоки памяти 20, 21 обычно используют со схемой предварительного усиления и отбора поступающих от блоков ПТ 6, 7, ВП 12, 13 и т.д. импульсов (амплитудными дискриминаторами, схемами совпадений и антисовпадений, дискриминаторами формы импульсов), поскольку импульсы реальных исследуемых процессов имеют различную форму и случайно распределены по времени и по амплитудам, а измерения проводят, как правило, в присутствии фона и шумов.
Все остальные математические операции (деление, умножение, вычитание и т.д.) осуществляют в соответствующих блоках, указанных на фиг.1). Блоки 16-19, 10, 11, 23-25 выполнены на базе известных стандартных операционных усилителей, предназначенных для выполнения операции над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью. Операционные усилители обеспечивают усиление как постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности, так и переменного напряжения.
i
i
i
i
i
i
i
Вычисление плотности происходит в блоках 10, 11. Значение плотности ρтеплоносителя определено в нормативных документах теплосчетчика, например МИ 2412-97. В блоках вычисляют p=ρ(P, t), где i=1, 2 - номер подающего и обратного трубопроводов; P, t - давление и температура в трубопроводах соответственно.
Блоки 10, 11 - стандартные и входят в состав конструкции теплосчетчика. Преобразователи давления 8, 9 могут быть разного типоисполнения - пьезоэлектрические, емкостные, полупроводниковые, индуктивные и т.д., они стандартные и широко известны в отечественной и зарубежной измерительной технике. Принцип их работы основан на следующем: при изменении давления на ΔР на выходе блоков 8, 9 изменяются выходные параметры, т.е. сопротивление R, емкость С, индуктивность L и т.д., на величину ΔR, ΔC, ΔL и т.д. соответственно. Например, для емкостных ПД выходное напряжение изменяется пропорционально приращению  и напряжению поляризации ПД. Давление теплоносителя измеряется ПД 8, 9 или задается договорной константой, что за собой несет дополнительные ошибки.
Блоки памяти 20-21 в электронной промышленности выпускаются разнообразные и представлены в виде набора декадных счетчиков с собственными световыми индикаторами двоично-десятичных цифр.
-3
В теплосчетчике применяются ЭМР - прямого действия скорости потока с индукционной системой, поскольку только такие расходомеры обеспечивают градуировочную характеристику, наиболее близкую к линейной (Р 50.2.026-2002 Термопреобразователи сопротивления и расходомеры электромагнитные в узлах коммерческого учета теплоты). Теплоноситель протекает через проточную часть расходомера, расположенную в магнитном поле, индукция которого равна В. Тогда в жидкости, электропроводность которой должна находиться в пределах 10-10 См/м (что выполняется в том числе для теплофикационной воды), индуцируется электрический заряд и образуется разность потенциалов e=νBd (где d - внутренний диаметр трубопровода), которая измеряется с помощью электродов. Выражение для е можно представить как: , где Q - средний расход жидкости, мл/с. Питание расходомера осуществляют переменным или постоянным напряжением. Питание переменным напряжением устраняет электролитическую поляризацию расходомера. Выходное напряжение расходомера не зависит от характера потока (ламинарный или турбулентный) и от профиля скорости потока, если он близок к осесимметричному. Однако значимая осевая несимметрия профиля скоростей потока может влиять на показания расходомера, поэтому перед расходомерами применяют прямые участки трубопроводов, на которых профиль скоростей стабилизируется.
Дополнительная незначительная ошибка может возникать в ЭМР из-за паразитного напряжения между электродами расходомера. Эти напряжения появляются вследствие гальванических потенциалов между электродами и другими металлическими частями, а также при поляризации расходомера напряжением постоянного тока.
Преобразователи температуры ПТ1-ПТ3 представляют собой покупные серийно выпускаемые термометры с платиновыми чувствительными элементами класса 3.
Индикатор 26 представляет собой электронный блок, в который поступают сигналы измерительной информации рабочих средств измерений, в нем производится обработка полученных результатов по заранее заданным алгоритмам, изложенных в нормативных документах по обеспечению единства измерений. Управляющих команд индикатор не выдает ввиду того, что все операции проводятся вручную для удешевления стоимости узла учета.
Давление теплоносителя измеряется ПД 8, 9 или задается договорной константой.
Конструктивно теплосчетчик собран из компонентов ЭМР, ПД и ПТ, выполненных в герметично закрытых корпусах. Такое конструктивное оформление преобразователей защищает от любых внешних воздействий. В конструкции теплосчетчика предложено вводить дополнительно по два блока ВП 12, 13, переключателей 14, 15, по два блока деления 16, 17, умножения 18, 19, памяти 20, 21 и блока управления 22.
Расположение ПТ на измерительных участках трубопроводов должно соответствовать требованию межгосударственного стандарта СНГ ГОСТ 8.563.2-97 и международным стандартам EN 1434-97, МОЗМ Р 75-1-2002 (OIML R75-1).
н1
н2
н1
н2
т1
н1
1
т2
н2
2
т1
т2
Принцип работы ПТ. При прохождении теплоносителя через подающий 1 и обратный 2 трубопроводы с определенной начальной температурой t, t происходит изменение сопротивления ПТ 4, 9 от начального значения R, R. Приращение сопротивления ПТ, т.е. R-R=ΔR и R-R=ΔR, и на выходе ПТ возникает термоэлектрическое напряжение, пропорциональное изменению температуры в соответствующих трубопроводах теплоносителя, где R, R- текущие значения сопротивления ПТ.
Принцип работы ЭМР 4, 5 основан на явлении электромагнитной индукции, при прохождении электропроводящей жидкости через подающий 1 и обратный 2 трубопроводы, содержащие соответственно объемные ЭМР 4, 5, фиг.1. Жидкость, проходящая со средней скоростью через магнитное поле В, в нем наводит ЭДС. Сигнал, снимаемый с выхода ЭМР, пропорционален величине индукции В и напряжению поляризации.
1
2
1
2
1
2
вых1
вых2
1,2ф
1,2в
1,2ρ
1,2Re
1,2U
Устройство работает следующим образом. В рабочем состоянии через трубопроводы 1-3 проходит теплоноситель с температурой 10…150°С. И на выходе соответствующих преобразователей ЭМР 4, 5, ПТ 6, 7 и ПД 8, 9 возникает электрическое напряжение пропорционально объемным расходам (ЭМР 4, 5), температуре (ПТ 6, 7) и давлению (ПД 8, 9). Сигналы с выходов ЭМР 4, 5 через блоки ВП 12, 13, переключатели 14, 15 одновременно поступают на входы блоков деления 16, 17, умножения 18, 19 и памяти 20, 21. Выходы блоков 16÷19 тоже поступают на входы соответствующих блоков памяти 20, 21. Одновременно на входы блоков памяти 20, 21 электрические сигналы поступают с выходов блоков ПТ 6, 7 соответственно. С выходов БП 20, 21 соответствующие сигналы одновременно поступают на входы блоков вычитания 23 объемных расходов подающего q и обратного q трубопроводов 1, 2, вычисления массы 24, вычисления количества теплоты теплоносителя 25 и вычислитель-индикатор 26. Сигнал с выхода блока вычисления объемных расходов 23 поступает на входы блоков вычисления массы 24 и количества теплоты теплоносителя 25. Одновременно сигналы с выходов блоков 10, 11 вычисления плотности ρ, ρ поступают на входы блоков деления 16, 17, умножения 18, 19. Причем выходные сигналы с выходов ПД 8, 9 и ПТ 6, 7 поступают на входы блоков 10, 11 вычисления плотности ρ, ρ. Выходной сигнал с выходов блоков 6, 7 пропорционально температуре подается на входы блоков памяти 20, 21 и хранится. Все управляемые сигналы с выходов блоков от 4 до 25 поступают на входы блока вычислителя-индикатора 26. Блоки 14÷21 работают под контролем блока управления 22. Сигналы управления блока 22 поступают в управляющие входы блоков 14÷21 (фиг.1 пунктирные линии). В блоках памяти 20, 21 по команде блока управления 22 запоминают от температуры следующие параметры: выходные напряжения подающего U и обратного U трубопроводов 1, 2 (с выходов блоков ВП 12, 13), коэффициенты преобразования ПТ 6, 7, ПД 8, 9, коэффициенты изменения размеров фторопласта α, вязкости теплоносителя α, плотности теплоносителя α, числа Рейнольдса α и коэффициент выходного напряжения α по выходным напряжениям в подающем и обратном трубопроводах 1, 2.
вых1
вых2
U1
U2
вых1,20
вых2,20
вых1
вых2
1U
2U
В блоках деления 16, 17 выходные напряжения U, U с выходов ВП 12, 13 делятся на коэффициенты α, α, и на эти величины следует умножать базовые выходные напряжения (сигналы) U, U, полученные при начальной выбранной базовой температуре 20°С. В зависимости от выбранной системы теплоснабжения базовую температуру можно выбрать разную, например 25, 30°С и т.д. В блоках умножения 18, 19 по команде блока управления 12 происходит умножение выходных сигналов U, U на соответствующие коэффициенты α, α.
В общем случае блок управления 22 должен выполнять ввод параметров теплосчетчика, вывод информации, организовать все виды вычислений, а также, если необходимо, обеспечить преобразование аналогового сигнала в цифровой.
Способ определения тепловой энергии теплоносителя с прямым измерением разности расхода основан на следующих факторах и допущениях.
Известно, что существующие ЭМР, ПД и ПТ имеют несколько видов погрешности: температурную; нелинейность; гистерезис; дрейф нуля; от изменения физических параметров.
Корректировка (компенсация) гистерезиса и дрейфа невозможна. Если все же делается попытка такой корректировки, то требуется знать физический процесс, и затраты на вычисление при этом очень велики (Казарян А.А. Принципы термокомпенсации тонкопленочных датчиков давления. Стр.218-222. В книге "Пленочные датчики давления". М., 2006, 320 с.).
Основная причина погрешностей ЭМР (например, применяемых в КМ-5) связана с влиянием температуры на изменение геометрических размеров трубы, толщины футеровки фторопласта, вязкости и плотности теплоносителя, числа Re при разных скоростях и диаметре трубы теплоносителя.
вых1
вых2
1,2ф
-6
1. Определяют влияние температуры от 20 до 150°С на размеры и выходные напряжения U, U ЭМР 4, 5. Диапазон температур выбирают исходя из возможности эксплуатации теплосчетчика (например, КМ-5), в состав которого входит ЭМР. Колебания температуры влияют на толщину металлической трубы - 2 мм, на толщину футеровки фторопласта - 3…3,5 мм, температурный коэффициент нержавеющей стали, из которой выполнены труба и электроды, равен 16,6·10/°C, температурный коэффициент фторопласта меняется в зависимости от температуры, приводится в табл.1, где α - безразмерный коэффициент изменения размеров фторопласта. Температурный коэффициент линейного расширения фторопласта (ГОСТ 10007-80) приводится ниже в табл.1.
Таблица 1
t, °C
α/°C
ΔR(t<sub>1,2</sub>), мм ×10<sup>-2</sup>
α<sub>1,2ф</sub>
20-50
(25-11)×10<sup>-5</sup>
1,5-1,65
1,0-1,1
50-110
11×10<sup>-5</sup>
1,65-3,63
1,1-2,2
110-120
(11-15)×10<sup>-5</sup>
3,63-5,4
2,2-3,25
120-150
15×10<sup>-5</sup>
5,4-6,75
3,25-4,05
1,2ф
Изменение геометрических размеров, указанных в табл.2, вызвано расширением фторопласта. Показывают, что увеличение диаметра подающего 1 и обратного 2 трубопроводов связано с расширением нержавеющей стали. Расширение нержавеющей стали на порядок меньше на 10°С и составляет 0,0166%. Эффект расширения стали и фторопласта действует (между собой) противоположно, поэтому эффективная погрешность равна разности соответствующих величин. Их значение и значение α/°С, α в табл.1 заносят в блоки памяти 20, 21.
1
2
а) Считают, что фторопласт однороден и нагревается равномерно. При этом уравнение общей деформации по толщине l фторопласта в измерительном участке ЭМР имеет следующий вид ; где α - температурный коэффициент линейного расширения фторопласта табл.1, t - температура; Δl - приращение футеровки фторопласта, расположенное внутри трубопроводов 1, 2 из нержавейки. Эти параметры получают экспериментально и заносятся в блоки памяти. Причем температура теплоносителя в трубопроводах 1, 2 может быть разной t≠t.
1,2
1,2
1
2
б) На основании данных от блоков деления 16, 17, умножения 18, 19 и памяти 20, 21 определяют приращения Δl толщины футеровки фторопласта Δl(t)=αR·t. Например, выбирают l=3 мм, задают температуру t=t в трубопроводах 1, 2, определяют приращение Δl футеровки фторопласта. Результаты расчета сведены в табл.1 и их заносят в блоки памяти 20-21.
вых1,2 (20)
2. В состоянии покоя ЭМР 4, 5 при нулевом расходе теплоносителя определяют напряжение теплового шума. Затем через ЭМР 4, 5 на трубопроводах 1, 2 пропускают теплоноситель. Его нормируют и усиливают в блоке ВП 12, 13 и регистрируют. Повышают температуру теплоносителя, определяют электрическое напряжение теплового шума ЭМР 4, 5, регистрируют. Определяют коэффициент преобразования ЭМР 4, 5, ПД 5, 9, ПТ 6, 7 и выходного напряжения U при температуре t=20°С как ,
1,2
где q(20°C) - объемные расходы теплоносителя при температуре 20°С;
1,2 (20)
1,2
где U - напряжение на выходе ПД 8, 9, пропорциональное давлению P(20°C) теплоносителя в подающем 1 и обратном 2 трубопроводах при температуре 20°С, и заносят в блоки памяти 20, 21.
3. Определяют зависимости показаний ЭМР 4, 5 от изменения распределения скорости потока температурной погрешности преобразователя расхода.
а) Показывают, что кинетическая структура потока изменяется в диапазоне числа Re от 2000 до 10000, когда поток теплоносителя переходит от ламинарного в турбулентный режим. Это объясняют тем, что плотность и вязкость теплоносителя зависят от температуры и при одинаковом расходе теплоносителя число Re оказывается различным. Когда ЭМР 4, 5 чувствителен к изменению эпюры скорости, то градуировочная характеристика ПТ 6, 7 в диапазоне Re от 2000 до 10000 не линейна, и в зависимости от температуры теплоносителя эта нелинейность проявляется на различных участках градуировочной характеристики ЭМР 4, 5.
б) Выбирают наиболее востребованный теплосчетчик типа КМ-5, содержащий ЭМР, имеющий динамический диапазон измерения (1/1000) и охватывающий числа Re, соответствующие, в том числе, переходному гидродинамическому режиму.
1,2в
1,2ρ
В табл.2, 3 предоставлены значения динамической вязкости и плотности теплоносителя (воды) в реальных эксплуатационных условиях теплосчетчика. В табл.2, 3 также приводятся коэффициенты измерения вязкости α, плотности α в зависимости от температуры и давления соответственно.
Таблица 2
t, °C
Вязкость динамическая, Па*С
Коэффициент вязкости α<sub>1,2в</sub>
10
0,001307
1,307
20
0,00100
1
30
0,000798
0,798
40
0,000653
0,653
50
0,000547
0,547
60
0,000467
0,467
70
0,000405
0,405
80
0,000355
0,355
90
0,000315
0,315
100
0,000282
0,182
110
0,000255
0,255
120
0,000232
0,232
130
0,000213
0,213
140
0,000196
0,196
150
0,000182
0,182
Таблица 3
t, °C
Давление, кг/см<sup>2</sup>
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Коэффициент плотности, α<sub>1,2ρ</sub>
20
1
0,998
1,000
40
2
0,992
0,994
60
1
0,983
0,985
70
3
0,983
0,985
80
2
0,972
0,974
99
1
0,950
0,952
100
2
0,958
0,960
100
3
0,958
0,960
100
4
0,958
0,960
119
2
0,943
0,945
120
4
0,943
0,945
120
5
0,943
0,945
130
3
0,934
0,936
130
5
0,934
0,936
140
4
0,926
0,928
140
5
0,926
0,928
150
5
0,917
0,919
в) Определяют зависимости числа Re от температуры (от 10 до 150°С) при разных скоростях теплоносителя 10 м/с (100% диапазона), 1 м/с (10% диапазона), 0,1 м/с (1% диапазона) и 0,01 м/с (0,1% диапазона) трубопровода диаметром 50 мм и представлено в табл.4.
Таблица 5
t, °C
Коэффициент выходного напряжения, α<sub>1,2U</sub>
Скорость 10 м/с
Скорость 1,0 м/с
Скорость 0,1 м/с
Скорость 0,01 м/с
10
1,061
1,061
1,061
1,057
20
1
1
1
1
30
0,9571
0,9571
0,9577
0,9583
40
1,2284
1,2284
1,2292
1,2292
50
1,4632
1,4632
1,463
1,4550
60
1,6933
1,6934
1,6940
1,6920
70
1,9491
1,9432
1,9500
1,96
80
1,7167
1,7166
1,717
1,7150
90
2,5416
2,5416
2,541
2,547
100
2,7881
2,7882
2,788
2,7820
110
4,3216
4,3216
4,3222
4,32
120
5,7373
5,7374
5,7370
5,747
130
6,0938
6,0938
6,0938
6,0998
140
6,476
6,476
6,476
6,474
150
7,6455
7,6456
7,645
7,701
1,2ф
1,2в
1,2ρ
1,2Re
1
2
4. Из результатов в табл.4 устанавливают, что в трубопроводах 1, 2 диаметром 50 мм, где установлены ЭМР 4, 5, числа Re изменяются от 38 до 27500 и гидродинамический режим потока теплоносителя может быть как ламинарным, так и переходным или турбулентным. Причем при изменении температуры в диапазоне от 10 до 150°С число Re изменяется в 7÷7,3 раза. Экспериментальные и расчетные значения параметров ЭМР 4, 5 и параметров давления, плотности, вязкости, числа Re и безразмерные коэффициенты α, α, α, α и значение скорости и температуры теплоносителя представляют в виде табл.1-4 и заносят в блоки памяти 20, 21. Значения плотности ρ, ρ с выходов блоков 10, 11 выдают на блоки деления 16, 17 и умножения 18, 19.
1,2ф
1,2в
1,2ρ
1,2Re
5. Определяют безразмерные коэффициенты α, α, α, α как функции температуры.
1,2
1,2ф
1,2в
1,2ρ
1,2Re
1,2U
а) Принимают начальную базовую (номинальную) температуру 20°С. Затем, используя функции зависимости размера фторопласта на измерительном участке ΔR от температуры, т.е. Δl(t), вязкости от температуры B(t), плотности ρ(t), Рейнольдса Re(t), хранящиеся в блоках памяти 20, 21, определяют зависимости α, α, α, α и α- коэффициент выходного напряжения температуры.
Эти коэффициенты определяют путем деления i-го текущего параметра в зависимости от температуры i-го базового параметра при базовой температуре 20°С, например  (табл.4). Эти коэффициенты передаются в блоки памяти.
1,2ф
1,2в
1,2ρ
1,2Re
1,2U
1,2ф
1,2в
1,2ρ
1,2Re
1,2U
1,2U
1,2ф
1,2в
1,2ρ
1,2Re
1,2U
б) Показывают, что в табл.1-4 1 соответствует начальным значениям i-го параметра при базовой температуре 20°С. Безразмерные коэффициенты при температуре 20°С равны единице, т.е. изменение размеров фторопласта α=1, вязкости α=1, плотности α=1, Рейнольдса α=1, выходного напряжения α. Следовательно из выражения (1-α)+(1-α)+(1-α)+(1-α)=(1-α); по четырем коэффициентам получают пятый коэффициент выходного напряжения: α=α+α+α+α-3. Зависимость α от температуры показана в табл.5; ее хранят в блоках памяти 20, 21.
6. Градуируют датчик при известной температуре.
а) При нулевом расходе теплоносителя в трубопроводах (движения теплоносителя в трубопроводах нет) регистрируют напряжение шумов на входе ВП 12, 13 и подают его на сигнальные входы блоков памяти 20, 21, для дальнейшей обработки по известной методике «выделенные из общего сигнала» сигналы шумов.
б) Через трубопровод 12 пропускают теплоноситель, регистрируют сигнал с выхода ВП 12, 13, смещенный шумами, и запоминают в блоках памяти 20, 21: здесь же хранят температуру в процессе градуировки. Определяют, т.е. уточняют, коэффициенты преобразования ЭМР 4, 5, ПТ 6, 7, ПД 8, 9 и измерительных каналов.
7. В условиях эксплуатации (эксперимента) через подающий и обратный трубопроводы пропускают теплоноситель при известной температуре. До подачи теплоносителя при температуре больше 20°С измеряют напряжение теплового шума на выходе ВП 12, 13.
вых1,2 20
вых1,2 20
1,2U
вых1
вых20
14
вых2
вых20
24
вых1, 20
вых2, 20
вых1
вых1, 20
вых2
вых2, 20
1
2
а) Для корректировки влияния температуры на выходное напряжение ЭМР 4, 5 уточняют градуировку ЭМР в обычных условиях, т.е. при базовой температуре 20°С. Базовый сигнал U с выходов ВП 12, 13 подают на сигнальный вход блоков умножения и умножают U на коэффициент α для заданной температуры; получают ожидаемое напряжение U=U·α и U=U·α. Далее сигнал блоков умножения 18, 19 подают на блоки памяти 20, 21. Например, задают температуру в подающем трубопроводе 40°С, обратном трубопроводе 30°С при скорости потока теплоносителя 10 м/с; при 20°С имеем базовое напряжение U и U. Согласно фиг.1 и табл.5 с выходов блоков умножения 18, 19 или с выходов блоков памяти 20, 21 ожидается напряжение U=1,2284U; U=0,9571U, несущее информацию об объемном расходе теплоносителя q, q в соответствующих трубопроводах.
1
2
вых1, 20
вых2, 20
1, 20
2, 20
вых1
вых2
1
2
1U
2U
вых1, 20
вых2, 20
б) Чтобы определить объемный расход теплоносителя q, q нужно делить сигнал с выходов ВП 12, 13 U и U на коэффициенты преобразования каналов S и S соответственно, т.е. ; . При заданной температуре эксплуатации сигналы ВП 12, 13 U, U пропорционально расходу q, q подают на сигнальный вход блоков деления 16, 17 и делят на коэффициент α, α, чтобы получить ; . Затем с выходов блоков деления 16, 17 напряжения U, U поступают на сигнальный вход блоков памяти 20, 21.
Причем сигналы с выходов блоков плотности 10, 11 одновременно поступают на сигнальные входы блоков деления 16, 17, умножения 18, 19, сигналы с выходов блоков ПТ 6, 7 поступают на вход блоков памяти 20, 21.
вых1,2
1,2U
1,2U
1
2
Причем выходное напряжение U для деления, умножения на коэффициенты α и запоминания подают на сигнальные входы этих блоков. Для выполнения операций деления, умножения и запоминания сигнал блока управления 22 подают на управляющие входы блоков деления, умножения, памяти и переключатель 14, 15. Затем по полученному значению коэффициента выходного напряжения α определяют величину объемного расхода q, q. После запоминания, деления и умножения выходные сигналы (ВП 12, 13) блоков памяти, деления и умножения подают на вычислитель-индикатор 26.
8. Предлагают, для учета указанных в таблице 5 коэффициентов, при разработке и эксплуатации теплосчетчиков, с целью повышения точности учета тепловой энергии в ОВСТ, создать теплосчетчик с каналом прямого измерения.
а) Применяют прямой метод измерений разности массовых расходов (масс) с помощью ЭМР 4, 5.
2
1
б) Предлагают преобразовать уравнения измерений тепловой энергии Q и массы теплоносителя, отобранного из тепловой сети ΔM, по МИ 2412, так чтобы разность объемных расходов присутствовала в них в явном виде. Суть преобразований уравнения ΔM заключается в добавлении и вычитании одного и того же члена ρq, который в окончательном виде записывается как: ,
1
2
вых1
вых2
1
2
1
2
1
вых1
1
0
где Δq=q-q≡U-Uполучают путем подачи сигналов с выходов блоков памяти 20, 21 на входы блока вычитания разности объемных расходов, получают Δq 23. Значение плотности ρ, ρ в зависимости от температуры, хранящейся с блоках памяти 20, 21, посылают в блок вычисления тепловой массы теплоносителя ΔM 24, где производит вычитание ρ-ρ; значение Δq поступает с выхода блока 23; значение q≡U поступает также с выхода блока памяти 20. τ, τ - интервал времени в отчетном периоде.
б) Определяют тепловую энергию теплоносителя с прямым измерением разности расходов как: аналогичные преобразования производят и в уравнении тепловой энергии Q и окончательно представляют в таком виде .
1,2
1
2
1
2
хв
Вычисление тепловой энергии происходит в блоке 25, для этого к сигнальным входам посылают электрические сигналы пропорционально ρ q, q из блоков 20, 21, хранящиеся в виде табл.1-5, в зависимости от температуры; значение энтальпии h, h и h их разности в зависимости от температуры составлена программа и прошиты в блоке 25. После вычисления сигнала с вывода блока вычисления тепловой энергии подают на вычислитель-индикатор 26.
После запоминания, деления, вычитания и умножения выходные сигналы блоков от 12 до 25 подают на вычислитель-индикатор теплосчетчика.
Таким образом, предлагаемый теплосчетчик и способ определения тепловой энергии теплоносителя ОВСТ прямым измерением разности расходов с температурной компенсацией выгодно отличаются от выбранных прототипа и аналога. Это объясняется тем, что зависимость физико-механических параметров теплоносителя, размеров ЭМР от температуры позволяет с помощью известных блоков электроники (ВП, памяти, деления, умножения, управления и переключателя) определить тепловую энергию теплоносителя. Обеспечивается высокая точность без потерь времени при температуре теплоснабжения. Благодаря этому повышается технико-экономический эффект определений тепловой энергии теплоносителя.
3
В НИИТЕПЛОПРИБОР при содействии ООО «ТБН энергосервис» экспериментальные исследования проводились с помощью установки «Поток Т» №001 на преобразователе расхода КМ-5 с первичным преобразователем Ду 50 №747 и электронным блоком №001729. Количество испытуемых преобразователей КМ-5 10 шт. Все испытуемые расходомеры были пролиты на расходомерной установке НИИ теплопровода РУ-100. Определены коэффициенты преобразования чувствительности расходомеров в зависимости от расхода для холодной воды (20°С) и для горячей воды (150°С), а также температурная погрешность при 150°С, вызванная перестройкой профиля скорости в диапазоне расходов 0,03-8 м/ч. Результаты представлены на фиг.1 и табл.6 для одного преобразователя КМ-5, зав. №001889. Результаты измерения на фиг.2 и табл.6 без учета и без компенсации температурной погрешности.
Таблица 6
№ п/п
Расход
Погрешность, %
1
0,0857
1,5
2
0,1722
2,2
3
0,3525
4,0
4
0,4394
3,5
5
0,8753
2,3
6
1,7544
1,1
7
2,6336
0,26
8
4,3917
0,05
9
5,2705
0,11
10
7,9020
-0,303
11
8,6407
0,00
3
3
Результаты измерений показывают, что температурная погрешность ЭМР при температуре 150°С зависит от диапазона измерений: при расходе свыше 4 м/ч составляет не более 0,5%, в интервале расходов от 0,6 до 0,06 м/ч имеет порядок от 1% до 4%.
1,2U
При диаметре трубопровода 50 мм, температуре от 50°С до 150°С, скорости теплового потока от 1,0 м/с до 0,01 м/с приведенные к базовой температуре 20°С изменения скорости теплового потока сильно зависят от числа Re и безразмерный коэффициент выходного напряжения α измерительного канала с ЭМР изменяется от ~1,7 до ~7,7 раза.