Метрологическое обеспечение теплосчетчиков бытового назначения

Требования к метрологическому обеспечению

Теплосчетчики бытового назначения представляют собой приборы относительно небольших диаметров каналов, не более 50-60 мм с диапазоном измерения теплоносителя не более 40-60 м3/ч. Применимы различные методы измерения расхода: электромагнитный, вихревой, турбинный, переменного перепада давления и другие. Приборы находят массовое применение в основном в коммунальном хозяйстве. Очевидно, что для их правильной эксплуатации необходимо соответствующее метрологическое обеспечение, причем простое и недорогое.

Для определения требований к метрологическому обеспечению теплосчетчиков бытового назначения необходимо оценить их основные особенности.

При выборе метрологических характеристик расходомера для теплосчетчиков обычно стремятся применять расходомер, обладающий наиболее высокой точностью. Однако это не всегда оправдано. При измерении тепловой энергии, потребляемой на обогрев помещения необходимо знать, кроме объемного расхода теплоносителя, его плотность, разность температуры на входе и выходе теплотрассы, рабочее давление в трубопроводе. В расчетную формулу входит также теплоемкость, которая известна для данного химического состава теплоносителя с невысокой достоверностью. Погрешность результата вычисления тепловой энергии даже при абсолютно точном измерении объемного расхода составляет не менее 3-5 %. Очевидно, что при такой точности определения тепловой энергии, расход теплоносителя достаточно измерять с погрешностью 1-2 %. При этом точность измерения тепловой энергии практически не снизится. Применение расходомера более высокой точности приводит лишь к дополнительным финансовым затратам на сложность изготовления прибора и его метрологическое обеспечение.

Учитывая сезонность тепловой нагрузки, расходомеры должны иметь двух и более предельный диапазон измерения, или один, но очень широкий (1/1000). Последнее гораздо хуже, т.к. приводит к необходимости повышать точность измерения расхода, что нежелательно, т.к. удорожает прибор.

Первичные преобразователи расхода должны быть нечувствительны к изменению числа Рейнольдса, особенно при значениях, характеризующих область перехода между ламинарным и турбулентным потоками. Некоторые производители расходомеров, допуская нелинейность характеристики первичного преобразователя расхода (ППР), исправляют ее в измерительном устройстве программными средствами. Однако этого делать нельзя, поскольку на объекте эксплуатации прибора свойства измеряемой среды могут откланяться от условий градуировки прибора. Для теплосчетчиков несложно предусмотреть программу автоматической корректировки градуировочной характеристики от температуры измеряемой среды, поскольку информация о температуре имеется в приборе. Однако вязкость измеряемой среды зависит не только от температуры, но и от ее химического состава, т.е. от компонент, вводимых в состав теплоносителя.

Измерительные системы теплосчетчиков, в большинстве случаев, многоканальные. Они могут быть рассчитаны на работу с несколькими ППР, обеспечивают контроль расхода теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, в системах подпитки теплоносителя и в отдельных трубопроводах для расходования горячей и холодной воды на хозяйственные нужды.

Исходя из изложенного, можно сформулировать следующие требования к метрологическому обеспечению теплосчетчиков бытового назначения:

  • Погрешность не должна превышать 0,3-0,5 %.
  • Возможность проверки прибора на влияние числа Рейнольдса.
  • Возможность поверки теплосчетчика при одновременном функционировании в нем нескольких расходомерных измерительных каналов.
  • Для удешевления процедуры поверки метрологическое обеспечение должно быть простым, дешевым и иметься в достаточном количестве для обеспечения всего парка теплосчетчиков.

Способы поверки

Применяют два способа поверки расходомеров для теплосчетчиков: проливный, с помощью образцовых расходомерных стендов и беспроливный, посредством имитационного моделирования расходомера. Каждый из этих типов установок имеет свои преимущества и недостатки.

Основными узлами проливных стендов являются: устройство создания и стабилизации расхода, испытательная магистраль, сливная емкость, средство измерения расхода, которым может быть образцовый расходомер или мерная емкость, и пульт управления.

Достоинством проливных расходомерных стендов является возможность исследования на них расходомеров и теплосчетчиков практически любых конструкций. В большинстве случаев они позволяют исследовать приборы при «нормальных» условиях: измеряемая среда – вода, осесимметричный стационарный поток, трубопровод протяженный, отсутствие сторонних помех и т.п.

Однако проливные стенды по сравнению с имитационными установками значительно дороже при изготовлении и в эксплуатации, металлоемки, для их размещения требуется специальное помещение, какая — либо их модернизация в направлении расширения диапазона измерения, перевода на другие рабочие среды и т.п. весьма трудоемка и дорогостояща.

Имитационные установки основаны на аналоговом моделировании некоторых узлов прибора и расчетах с использованием эмпирических коэффициентов, полученных в результате статистических испытаний представительных образцов. Имитационные установки применимы только к приборам, которые хорошо изучены и имеют устоявшуюся технологию. Например, правилами РД 50-213-80 предусмотрен расчетный (имитационный) метод поверки и градуировки приборов переменного перепада давления, первичными преобразователями которых являются стандартные диафрагмы, сопла и трубы Вентури.

Существующих проливных стендов явно недостаточно для метрологического обеспечения массового количества теплосчетчиков. Поэтому их целесообразно применять в первую очередь для теплосчетчиков, которые не имеют имитационных средств градуировки и поверки.

О поверке электромагнитных теплосчетчиков имитационным методом

Если же речь идет об электромагнитных теплосчетчиках, то их метрологическое обеспечение целесообразно строить преимущественно на основе имитационного моделирования. Имитационные установки дешевы в изготовлении. Имитационные средства поверки электромагнитных расходомеров наиболее полно отвечают совокупным требованиям, предъявляемым к метрологическому обеспечению теплосчетчиков бытового назначения, и обладает явными преимуществами по сравнению с проливными расходомерными стендами. Из этих преимуществ основные следующие.

  • Возможность моделирования потока жидкости при различных числах Рейнольдса, на проливных стендах это выполнить крайне сложно, т.к. для этого необходимо использовать жидкости с различной плотностью и вязкостью.
  • Возможность моделирования приборов с любым динамическим диапазоном вплоть до 1/1000. Проливные стенды имеют динамический диапазон на мерном участке одного диаметра не шире, чем 1/50.
  • Возможность одновременного моделирования потоков с различными значениями расхода и для расходомеров с различными диаметрами каналов. Проливные стенды в лучшем случае обеспечивают такую возможность только при одинаковых расходах и для расходомеров с одинаковыми пределами измерения, т.е. когда одинаковые расходомеры установлены последовательно на одном мерном участке трубопровода.
  • Возможность исследования приборов не только в лаборатории, но и на месте их эксплуатации.
  • Возможность разновременной поверки первичного преобразователя расхода и измерительного устройства. Это дает возможность поверки приборов без демонтажа с трубопровода и обеспечить взаимозаменяемость блоков теплосчетчика.
  • Высокая точность средств исследования и поверки (пределы погрешностей не превышают 0,2-0,3 %).
  • Высокая производительность метрологических средств, полная автоматизация обработки результатов исследований, протоколирования и ведения архива.
  • Комфортность условий работы исследователя (отсутствие акустического шума, высокой влажности, вибраций).
  • Низкая стоимость и высокая тиражируемость установок.
  • Портативность установки. Она размещается на рабочем столе поверителя.
  • Финансовые затраты на электроэнергию при эксплуатации установки на два порядка ниже, чем на проливный стенд.
  • Финансовые затраты на поверку одного теплосчетчика имитационным методом в три-четыре раза меньше, чем проливным методом, что очень важно в особенности для теплосчетчиков бытового назначения.

В НИИтеплоприборе накоплен значительный опыт по разработке имитационного метода исследования электромагнитных расходомеров и теплосчетчиков различных конструкций с Ду от 25 мм и выше. Разработаны имитационные установки типа Поток-Т для поверки электромагнитных теплосчетчиков, причем версия установки Поток-Т, разработанная в 2001 году, обладает существенно упрощенным программным обеспечением, универсальностью и повышенной надежностью. Новая аппаратная и программная версия установки Поток-Т утверждена Госстандартом РФ как тип средств измерений (сертификат RU.C.29.004.A №10175, зарегистрированный в Госреестре по №14519-01).

Низкая востребованность имитационного метода объясняется только недостаточной информированностью о его возможностях. Развитие имитационных методов исследования должно опережать разработку электромагнитных расходомеров и теплосчетчиков. Расходомеры должны разрабатываться с учетом применения к ним имитационных методов и средств поверки.

В связи с быстрым ростом парка электромагнитных теплосчетчиков ожидается большая потребность в поверочных имитационных установках. Очевидно, необходима разработка специальной имитационной установки для теплосчетчиков бытового назначения, которая была бы дешевой, простой в обслуживании и позволяла бы максимально сократить расходы на поверку приборов. А такие возможности явно существуют.

д.т.н. И.Д.Вельт, заведующий лабораторией, ГНЦ «НИИтеплоприбор»
 Журнал «Новости теплоснабжения», № 10 (26), октябрь, 2002, С. 50-51, www.ntsn.ru

Литература
1. Вельт И.Д. Михайлова Ю.В. Датчики и системы, №7-8, 1999.
2. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. Приборы и системы управления, №11,1997.
3. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В., Приборы, №7, 2001.