Способ и устройство измерения расхода тепла
METHOD AND DEVICE FOR MEASUREMENT OF HEAT CONSUMPTION

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения расхода тепла, например, в тепловых сетях.
В настоящее время в основном используют способ определения расхода тепловой энергии по количеству прошедшего теплоносителя и разности его температур на входе и выходе, рассмотренный, например, в следующих публикациях.
1. Авторское свидетельство СССР №147010, кл. G01K 17/06. 1961 г. «Способ определения расхода тепла, переносимого потоком нагретой среды, и устройство для осуществления способа».
2) Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. - М: "Энергия", 1978, с. 526-528.
Недостатками такого способа являются необходимость знаний о соответствии корректирующих параметров и коэффициентов фактическому состоянию системы и использование большого числа соответствующих датчиков, ограничение точности измерения при малых значениях разности его температур прошедшего теплоносителя на входе и выходе теплоисточника.
В теплотехнических измерениях известен и второй способ определения расхода тепловой энергии по формуле Ньютона-Рихмана, т.е. по разности температур поверхности теплоисточника и окружающей среды и по коэффициенту теплоотдачи, который при каждом измерении вычисляют через критерии Гросгофа, Прандтля, Нуссельта, через среднюю температуру, разность температур, параметры воздуха - коэффициент теплопроводности, коэффициент вязкости, коэффициент объемного расширения и т.д., которые изменяют свои параметры при изменении температуры.
В качестве примера реализации этого метода с вычислением коэффициента теплоотдачи можно рассмотреть авторское свидетельство СССР №1781563, G01К 17/20, 92 г. "Способ определения локального коэффициента теплоотдачи", заключающийся в установке к теплоисточнику датчика теплового потока, который нагревают импульсным током и в момент равенства температур датчика и теплоисточника по тепловому потоку, температуре окружающей среды и температуре датчика определяют величину локального коэффициента теплоотдачи.
Недостаток этого и всех подобных способов определения расхода тепловой энергии по разности температур поверхности теплоисточника и окружающей среды и по коэффициенту теплоотдачи заключается в низкой точности и практической невозможности обеспечения защиты от искажения результатов измерений. Поэтому данный способ практически не используется для измерения расхода тепловой энергии.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения расхода тепла реализованный в авторском свидетельстве СССР №932292, кл. G01K 17/06, 1982 г. «Способ измерения расхода тепла» - прототип, сущность которого состоит в следующем.
Способ измерения расхода тепла по изменению теплосодержания в потоке жидкого или газообразного теплоносителя на участке определение расхода тепла, включающий измерение разности температур в потоке теплоносителя на входе и выходе из этого участка, дополнительный нагрев теплоносителя при прохождении им контрольного участка с измерении разности температур на входе и выходе и определение величины расхода тепла на контрольном участке, отличающийся тем, что теплоноситель охлаждают между контролируемым и контрольным участками до равенства средней по поперечному сечению потока теплоносителя температуры на входе в контрольный и контролируемый участки.
Для предложенного устройства, реализующего предложенный способ, известны аналоги, например, по авторскому свидетельству СССР №494630, кл. G01K 17/10, 1982 г. «Калориметрическое устройство».
Калориметрическое устройство для определения количества тепла, отводимого жидкостью из теплообменного аппарата преобразователя энергии, содержащее батарею термопар для измерения перепада температуры жидкости на входе в теплообменный аппарат и выходе из него и дополнительный источник тепла известной мощности, например, электронагреватель, введенный в тракт циркуляции жидкости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения электронагреватель снабжен дополнительной батареей термопар установленных в жидкости на входе в нагреватель и выходе из него, причем обе батареи термопар включены по схеме электрического сравнения, например, с применением нуль - гальванометра.
Наиболее близким по технической сущности заявленному устройству, реализующему предложенный способ, является устройство приведенное в авторском свидетельстве СССР №932292, кл. G01K 17/06, 1982 г. «Способ измерения расхода тепла» - прототип, сущность которого состоит в следующем.
Устройство измерения расхода тепла, содержащее теплообменник, подключенный трубопроводом к источнику теплоносителя, первый преобразователь температуры теплоносителя на входе теплообменника в электрический сигнал, нагреватель и второй преобразователь температуры теплоносителя на выходе нагревателя в электрический сигнал, ваттметр, соединенный с электрическим входом нагревателя, оба преобразователя температуры в электрический сигнал выходами соединены с входами схемы сравнения.
Недостаток указанных аналогов и прототипа состоит в ограниченности области применения из-за пропорционального роста затрат энергии на дополнительный нагрев теплоносителя. При измерении расхода тепла за пределами мощности сотни ватт, применение подобных способов становится практически невозможным для широкого применения.
Задачей предлагаемого изобретения является создание новых способа и устройств измерения расхода тепловой энергии более простых, как для производства, так и для эксплуатации, за счет снижения потребляемой мощности, упрощения поверки, обеспечения защищенности от искажения результатов измерений, и т.п.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа, заключается в устранении отмеченных недостатков, прежде всего в расширении диапазона измеряемых величин, снижении дополнительных энергетических затрат.
Требуемый технический результат обеспечивается следующим образом.
1. Способ измерения расхода тепла в системе с потоком теплоносителя, отдающего тепло в теплообменнике включающий, дополнительный нагрев теплоносителя, сравнение температуры теплоносителя до прохождения теплообменника и температуры теплоносителя после нагрева, измерение мощности подводимой для нагрева теплоносителя, отличающийся тем, что дополнительно выделяют из потока теплоносителя, прошедшего теплообменник, часть этого потока и осуществляют ее нагрев, измеряют расход теплоносителя через теплообменник и расход нагреваемой части потока теплоносителя, изменяют мощность дополнительного нагрева теплоносителя, так чтобы разность температур теплоносителя до прохождения теплообменника и температуры теплоносителя после нагревания была близка к нулю, при этом расход тепла в теплообменнике определяют как отношение измеренных расходов теплоносителя, умноженное на значение измеренной мощности, подводимой для нагрева теплоносителя.
2. Устройство измерения расхода тепла, содержащее теплообменник, трубопроводы истока и стока теплоносителя, нагреватель, измеритель электрической мощности, блок сравнения температур, отличающееся тем, что дополнительно введены разделитель потока теплоносителя, первый выход которого подключен к трубопроводу стока теплоносителя, блок управления, вычислительное устройство, два измерителя расхода теплоносителя, первый из которых соединен последовательно с теплообменником и входом разделителя потока теплоносителя, а второй соединен последовательно с нагревателем между вторым выходом разделителя потока теплоносителя и первым входом блока сравнения температур, у которого второй вход соединен с трубопроводом истока теплоносителя, первый выход подключен к входу цепи, состоящей из последовательно соединенных измерителя расхода теплоносителя и теплообменника, второй выход связан с трубопроводом стока теплоносителя, вычислительное устройство входами связано с выходами измерителя электрической мощности и измерителей расходов теплоносителя, блок управления подключен к вычислительному устройству, блоку сравнения температур и через измеритель электрической мощности к электрическому входу нагревателя.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что блок сравнения температур, содержит термодатчики и камеры для их размещения, являющиеся частями трубопроводов, соответственно, до входа в теплообменник и после нагревателя, схему сравнения сигналов, подключенную к блоку управления и измерительными входами к термодатчикам.
4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что блок сравнения температур содержит, два термодатчика и камеры для их размещения, второй разделитель потока, подключенный входом ко второму входу, а первым выходом к первому выходу блока сравнения температур, схему сравнения сигналов, измерительными входами подключенную к термодатчикам, два переключателя потоков с двумя входами и одним выходом каждый, первый вход первого переключателя связан со вторым входом второго переключателя и с первым входом блока сравнения температур, второй вход первого переключателя связан с первым входом второго переключателя и со вторым выходом второго разделителя потока, выходы первого и второго переключателей потоков соединены соответственно с входами первой и второй камер для размещения термодатчиков, выходы которых соединены со вторым выходом блока сравнения температур, управляющие входы переключателей потоков и схема сравнения сигналов связаны с блоком управления:
5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что блок сравнения температур содержит, термодатчик и камеру для его размещения, соединительный элемент, второй разделитель потока, подключенный входом ко второму входу, а первым выходом к первому выходу блока сравнения температур, схему сравнения сигналов, измерительными входами подключенную к термодатчику, два переключателя потоков с двумя входами и одним выходом каждый, первый вход первого переключателя связан с вторым входом второго переключателя и с первым входом блока сравнения температур, второй вход первого переключателя связан с первым входом второго переключателя и со вторым выходом второго разделителя потока, выход первого переключателя потоков соединен с входом камеры для размещения термодатчика, выход которой непосредственно, а выход второго переключателя потоков через соединительный элемент соединены со вторым выходом блока сравнения температур, управляющие входы переключателей потоков и схема сравнения сигналов связаны с блоком управления.
По отношению к прототипам и аналогам заявленный способ и реализующие его устройства применимы в более широком диапазоне измеряемого расхода тепла, так как требуют много меньших дополнительных затрат энергии и соответствующего дорогого оборудования в процессе измерения, поэтому будут более доступны для широкого применения.
Схема устройства измерения расхода тепла, реализующего способ, приведена на фигуре 1, где введены следующие обозначения: 1 - первый измеритель расхода теплоносителя; 2 - теплообменник; 3 - разделитель потока теплоносителя; 4 - нагреватель; 5 - второй измеритель расхода теплоносителя; 6 - блок сравнения температур; 7 - блок управления; 8 - измеритель электрической мощности; 9 - вычислительное устройство; 10 и 11 - трубопроводы истока и стока теплоносителя (все трубопроводные соединения выделены на фигурах толщиной линий).
На фигуре 2 приведена схема блока сравнения температур 6, поясняющая п. 3 формулы изобретения, где дополнительно обозначены: 13 - схема сравнения сигналов; 14 и 15 - термодатчики; 16 - камера для размещения термодатчика 14.
На фигуре 3 приведена схема блока сравнения температур 6, поясняющая п. 4 формулы изобретения, где дополнительно обозначены: 17 - камера для размещения термодатчика 15; 18, 19 - переключатели потока, 20 - второй разделитель потока теплоносителя.
На фигуре 4 приведена схема блока сравнения температур 6, поясняющая п. 5 формулы изобретения, где дополнительно обозначено: 21 - соединительный элемент.
вx
вых
наг
Принцип действия устройства (фиг. 1) следующий. Теплоноситель с истока 10 через блок сравнения температур 6 и первый измеритель расхода теплоносителя 1 поступает в теплообменник 2, где охлаждается и изменяет свою температуру от значения t на его входе до значения t на его выходе. Большая часть потока теплоносителя с первого выхода делителя потока теплоносителя 3 поступает на трубопровод стока теплоносителя 11, а меньшая часть потока теплоносителя, выделенная делителем потока теплоносителя 3, с его второго выхода поступает на нагреватель 4, который разогревает проходящий через него поток теплоносителя до температуры со значением t.
Блоки 4-8 образуют замкнутую уравновешивающую систему, которая изменяет электрическую мощность, поступающую от блока управления 7 через измеритель электрической мощности 8 на нагреватель 4. При равенстве температур
э0
э0
потоков теплоносителя на первых входе и выходе блока 6, сигнал с него действует на блок управления 7, так что останавливается изменение электрической мощности на достигнутом уровне Р. На Мощность Р, передаваемая нагревателем 4 проходящему через него потоку теплоносителя, будет равна тепловой мощности рассеиваемой теплообменником 2 для части потока, выделенного делителем потока теплоносителя 3. Так как значения расходов полного потока и его части определяются соответственно измерителем расхода теплоносителя 1 и измерителем расхода теплоносителя 5, то расход тепла Q теплообменником 2 будет с учетом (1) равен
э0
вх
наг
1
2
где Р - мощность передаваемая теплоносителю нагревателем 4 и измеряемая измерителем электрической мощности 8 при t°-t°=0; G и G - измеренные значения, соответственно, первым и вторым измерителями расхода теплоносителя 1 и 5; K - коэффициент, учитывающий размерности и свойства теплоносителя.
Результаты измерения получаются согласно (2) на выходе вычислительного устройства 9, на которое поступают сигналы от блоков 1, 5, 8 и команда от блока управления 7, разрешающая выполнение вычислений и выведение результата измерений после достижения равенства (1).
Режим работы блока сравнения температур 6 может изменяться командами от блока управления 7, в зависимости от диапазона температур и используемых методов уравновешивания. При этом могут быть предпочтительны разные схемы построения блока сравнения температур 6, что отражено в п. 3-5 формулы изобретения.
При достаточно больших температурах потоков теплоносителя, а также при большом диаметре, например, трубопровода 10, устройство измерения расхода тепла реализующее способ может быть выполнено согласно п. 2 и п. 3 формулы изобретения. Термодатчик 15 (см. фиг. 2) может быть размещен непосредственно в трубопроводе 10 на входе цепи из расходомера 1 и теплообменника 2, а термодатчик 14 может быть размещен, например, при малом диаметре соединительного трубопровода, в камере 16, включаемой между нагревателем 4 и стоком 11.
Схема сравнения 13, соединенная с термодатчиками 14 и 15, выдает для блока управления 7 сигнал, зависящий от разности значений температур
15
14
где K и K  - коэффициенты передачи термодатчиков 14 и 15;
э
Если Δ≠0, то блок управления 7 изменяет поступающую на нагреватель 4 электрическую мощность Р, до тех пор, пока в блоке управления 7 не будет получен сигнал от схемы сравнения 13 о том, что достигнуто равенство Δ=0. Очевидно, при Δ=0 из (3) следует (1), если в рабочем диапазоне с достаточной точностью обеспечивается соотношение
тогда результат измерений определяется соотношением (2).
1
2
Достоинством решения, согласно п. 2 и п. 3 формулы изобретения, является в G/G раз меньшая мощность нагревателя 2 и, следовательно, возможность расширения диапазона измерений, снижение затрат на оборудование и устройство в целом.
Коэффициенты передачи реальных термодатчиков существенно зависят от температуры и от времени, из-за чего имеются ограничения на их применение, как по температурному диапазону, так и по поверочному интервалу, что особенно проблемно при малых перепадах температуры теплоносителя на теплообменнике.
вх
Если устройство измерение расхода тепла, выполняется согласно п. 2 и п. 4 формулы изобретения, то ограничения определяемые соотношением (4) практически снимаются. При этом в блоке 6 (см. фиг. 3) используются переключатели потока 18 и 19 на два состояния (направления) и второй разделитель потока 20, разделяющий поток истока 10 на две части с равной t° температурой теплоносителя. Первая часть теплоносителя с первого выхода разделителя 20 поступает на последовательно соединенные расходомер 1 и теплообменник 2, а вторая часть теплоносителя со второго выхода поступает на входы переключателей 18 и 19.
наг
вх
Переключатели по командам от блока управления 7 переключают входы первой 16 и второй 17 камер для размещения термодатчиков так, что через каждую из них поочередно протекают потоки теплоносителя с температурой t° после нагревателя 4 и с температурой t° как на входе теплообменника 2.
Процесс сравнения температур потоков теплоносителя в блоке 6 происходит следующим образом. Схема сравнения 13, измеряет значения сигналов с обоих термодатчиков в каждом из двух состояний переключателей, вычисляет разности и сохраняет их в памяти. Разности измеренных сигналов первого 14 и второго 15 термодатчиков определяются соотношениями
i
где t - интервалы времени соответствующие отсчетам с первого 14 и второго 15 термодатчиков;
i - номер интервалов времени, i ∈ 0, 1, 2, …;
14
2i+1
15
2i+1
14
2i
15
2i+2
2i+1
2i+2
K(t), K(t) и K(t), K(t) - коэффициенты передачи термодатчиков 14 и 15 на нечетных и четных измерительных интервалах t и t соответственно;
14
2i+1
15
2i+2
2i+1
2i+2
Δ(t), Δ(t) - разностные сигналы создаваемые в блоке 6 на нечетных и четных измерительных интервалах  t и t соответственно.
Так как каждый из термодатчиков используется для преобразования температур обоих сравниваемых потоков, то их долговременная нестабильность не будет существенно влиять на точность измерения расхода тепла за два интервала времени, соответствующих согласно (5) или (6) соседним отсчетам. Это позволяет расширить границы измеряемого расхода тепла, за счет применения более чувствительных, но менее стабильных термодатчиков. Применение двух термодатчиков в предложенном решении практически обеспечивает непрерывность процесса измерения.
При медленно изменяющихся температурах теплоносителя устройство измерения расхода тепла, реализующее способ может быть выполнено согласно п. 2 и п. 5 формулы изобретения, при этом применяется один термодатчик 14 в камере 16 (см. фиг. 4).
наг
вх
Переключатели потока 18 и 19 блока 6 по команде от блока управления 7 переключают вход 16 камеры и соединительный элемент 21 так, что через них поочередно протекают потоки теплоносителя, либо с температурой t° после нагревателя 4, либо с температурой t°, как на входе теплообменника 2.
вх
наг
Схема сравнения 13, измеряет значение сигнала с термодатчика 14 при действии потока с температурой t° и сохраняет его в памяти. В следующем состоянии переключателей измеряется значение сигнала с термодатчика 14 при действии потока с температурой t°, вычисляется разность запомненного ранее значения и вновь полученного и сохраняется в памяти. Разность измеренных сигналов с термодатчика 14 определяется соотношением (5). Так как термодатчик используется для оценки температуры каждого потока, то его долговременная нестабильность практически не будет влиять на точность измерения расхода тепла.
Устройства могут быть  выполнены на основе типовых элементов. Схема сравнения 13 может быть выполнена, в зависимости от типа термодатчиков, либо на основе потенциометров для сравнения напряжений, например с термопар, либо на основе измерительных мостов для сравнения, например, состояния термометров сопротивления, или на основе соответствующих аналого-цифровых преобразователей. Функции блока управления 7 и вычислительного устройства 9 могут быть совмещены и реализованы, например, на основе контроллера.