Сразу хочу сказать, что это абсолютно внеплановая статья. Более того, мы забегаем чрезвычайно далеко вперед. Остается добавить, что я к теплоснабжению и связанным с ним вопросам отношения не имею. Тем не менее, сегодня мы рассмотрим, исключительно с точки зрения метрологии, небольшой частный вопрос учета количества тепловой энергии в теплоснабжении.
Как я уже сказал, я не являюсь экспертом в вопросах теплоснабжения. Но в вопросах автоматики и автоматизации вопрос измерений состояния среды и управляемых объектов/систем является одним из важнейших. И это уже моя область. Сегодня мы не полезем в совсем уж темные глубины методов измерения, но рассмотрим их с чисто практической стороны. И на уровне их паспортных характеристик. Но вопрос методологии сегодня будет одним из центральных.
Поводом к написанию статьи стала, довольно бурная и продолжительная, дискуссия, которая проходит как на Дзен, так и вне его. И эта дискуссия далеко не закончена.
Некоторые важнейшие замечания и уточнения
- Я никоим образом не ставлю под сомнение знания и опыт моего оппонента в той дискуссии. Статья не является "поводом для драки". Я просто пытаюсь четко и аргументированно изложить свой взгляд.
- Я никоим образом не ставлю под сомнение изложенное в официальных руководствах по эксплуатации и паспортах приборов и средств измерения, которые будут упоминаться в статье. Как компетентность их разработчиков и производителей
- Я никоим образом не ставлю под сомнения изложенное в официальных нормативных документах, которые сегодня буду упоминаться.
- Статья о метрологии и исключительно о метрологии! Я не буду делать никаких выводов о работе систем теплоснабжения. Не буду ничего оспаривать. Даже не буду пытаться давать какие-либо советы.
- Сегодняшняя статья никоим образом не касается вопросов регулирования и управления в системах теплоснабжения. Как уже было сказано, я не являюсь экспертом в этих вопросах. И я не пишу о том, что знаю недостаточно хорошо.
- Статья будет нудной, скучной, длинной. С многочисленными отсылками к нормативной документации и документации на приборы.
- Вполне возможно, что в специфических вопросах теплоснабжения я допустил ошибки, поскольку не являюсь экспертов. Надеюсь, что специалисты меня поправят, если что.
Статья о чисто практических вопросах метрологии в учете количества поставляемой/потребленной тепловой энергии. Более того, сегодня, как и следует из названия статьи, мы будем касаться большей частью именно измерения расхода теплоносителя (воды).
Ну а теперь.... Поехали!
Предыстория вопроса
Мы все, так или иначе, платим "за отопление". Кто то приобретает дрова или уголь, если живет в частном доме. Кто то использует другие источники энергии для нагрева теплоносителя в своей собственной, отапливающей лишь один частный дом, системе отопления. Кто то, в многоквартирных домах, подключен к небольшой ведомственной котельной. А кто то и к централизованной системе отопления. Все это, в равной степени, касается и промышленных предприятий.
Как абсолютно справедливо заметил мой оппонент, за тепло мы платим все. А вот в том, что мы при этом переплачиваем, я бы уже не был столь категоричен. Вопросы тарифообразования полностью оставим за рамками статьи. Но в счетах и квитанциях плата за центральное отопление рассчитывается исходя из поставленного количества тепла, в гигакалориях (Гкал). А это означает, что нам как то нужно измерять или рассчитывать эти гигакалории.
Дискуссия касается и вопросов регулирования, но их мы, как и говорилось, оставляем сегодня в стороне.
Нормативные документы
Поскольку вопросы учета подлежать государственному регулированию, совершенно естественным является и наличие нормативных документов. Основным нормативным документом, который нам сегодня требуется, является
Эти рекомендации разработаны Всероссийским НИИ метрологической службы (ВНИИМС) и Всероссийским НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева. Есть аналогичный документ и для паровых систем теплоснабжения, МИ2451-98, но нам он сегодня не потребуется, так как объектом рассмотрения будут лишь системы водяного теплоснабжения.
Существует и еще один документ
Он опирается на МИ2412-97, но детализирует некоторые моменты и вводит определения, которые важны для систем учета, но не имеют отношения к технической стороне вопроса.
Кроме того, есть еще
И стандарты на теплосчетчики
И наконец
И еще
Модель системы теплоснабжения
В упрощенном виде двухтрубная модель водяной системы теплоснабжения выглядит так
Как видно, есть три основных участка. Первый это "Производитель тепловой энергии". В простонародье это котельная. Именно здесь производится нагрев воды. Второй это "Тепловая сеть". В ее задачу входит передача тепловой энергии, нагретой воды, потребителям. И передача отработавшей воды обратно к производителю тепловой энергии. Неверно считать, что это лишь трубы. Тепловая сеть включает в себя и теплопункты, где установлены дополнительные насосы, и которые обеспечивают не только передачу, но распределение тепловой энергии между различными потребителями. Фактическая структура тепловой сети нас интересовать не будет. Третий это собственно потребитель тепловой энергии.
На иллюстрации ИТЭ - источник тепловой энергии. ПТЭ - потребитель тепловой энергии. Что именно они из себя представляют нам совершенно не важно сегодня. ТН1 и ТН2 это тепловые нагрузки, которые соответствуют потерям тепловой энергии в тепловой сети. Потери тепловой энергии неизбежны.
Тепловая энергия, в виде нагретой воды, подается от производителя потребителю по подающему трубопроводу. Тепловая нагрузка ТН1 соответствует потерям при передаче тепловой энергии потребителю. Это потери именно в подающем трубопроводе. Отработавшая вода передается от потребителя к производителю по обратному трубопроводу. Тепловая нагрузка ТН2 соответствует потерям в обратном трубопроводе.
На иллюстрации не показан источник воды, теплоносителя, в системе. Дело в том, что эта система теплоснабжения замкнутая. Вода циркулирует по кругу между производителем и потребителем. Количество воды в системе неизменно. Это идеализированная ситуация, но мы чуть позже введем поправку для реальной ситуации.
Давайте выберем четыре точки измерения количества тепловой энергии. Измеренную энергию обозначим как Qi, где i это номер точки.
На выходе ИТЭ, в подающем трубопроводе, у нас теплоноситель обладает тепловой энергией Q1. Однако, часть энергии теряется и на входе в ПТЭ, в подающем трубопроводе, теплоноситель будет обладать энергией Q2. Количество потерь (в направлении движения теплоносителя)
Q12=Q1-Q2
Проходя ПТЭ теплоноситель отдает часть тепловой энергии и остаток на выходе, уже в обратном трубопроводе, составит Q3. Количество полученной потребителем энергии
Q23=Q2-Q3
Ну а до ИТЭ по обратному трубопроводу теплоноситель доберется с энергией Q4, так как чать энергии будет потеряна в тепловой сети
Q34=Q3-Q4
Важным является то, что Q12 ≠ Q34. Попав в ИТЭ через обратный трубопровод теплоноситель получает энергию
Q14=-(Q4-Q1) = Q1-Q4
Мы можем составить уравнение баланса тепловой энергии в системе теплоснабжения
Q41-Q12-Q23-Q34=0
Все стандартно, энергия не берется из ничего и не исчезает в никуда. Количество потерянной (в ТН1 и ТН2) и использованной (в ПТЭ) тепловой энергии восполняется в ИТЭ. Важный, но вполне очевидный вывод: количество тепловой энергии, отпущенной производителем, больше количества тепловой энергии, полученной потребителем, на величину суммарных потерь в тепловой сети.
А теперь я просто обязан сделать одно чрезвычайно важно замечание! Уравнение баланса совершенно не означает, не требует, и даже не предполагает, что система обязана находиться в некотором установившемся или стационарном состоянии! И игнорирование этого факта является одной из причин бурного характера упоминавшейся дискуссии.
Можно говорить о мгновенном балансе. Когда в любой момент времени количество полученной теплоносителем тепловой энергии в точности равно количеству отданной (потери и потребитель). Однако, система теплоснабжения является довольно инерционной, поэтому система регулирования не может обеспечить требования мгновенного баланса.
Можно говорить об интегральном балансе, когда уравнение баланса выполняется на некотором временном интервале и для интегральных величин количества тепловой энергии. И вот такой, интегральный, баланс система регулирования обеспечить уже в состоянии.
Мы сегодня систему регулирования не рассматриваем. Ни с какой стороны. Но сбалансированное или не сбалансирование состояние системы никак не влияет на возможность выполнения измерений. Более того, не сбалансированное состояние системы не повлияет на точность измерения интегральных значений количества тепловой энергии.
Просто в несбалансированной, или находящейся в состоянии балансировки системой регулирования, системе теплоснабжения будет наблюдаться, например, изменение температуры теплоносителя. Грубо говоря, у потребителя станет слишком жарко, если передаваемая теплоносителю в ИТЭ энергия превышает используемую потребителем (с учетом потерь в тепловой сети). Или слишком холодно, если использованная энергия превышает передаваемую теплоносителю.
Специально отмечу, что требования какого либо установившего, стационарного, состояния нет ни в одном из приведенных ранее нормативных документов. С точки зрения учета количества тепловой энергии и ее измерения. И это очень важно. В реальной системе мгновенный баланс может не соблюдаться Интегральный баланс соблюдаться будет.
Чего в нашей модели не хватает? Потери тепла мы учли. Но мы не учли возможные потери теплоносителя, которые необходимо восполнять. Это называется подпиткой. И наша уточненная, но все равно упрощенная, модель становится такой
Qхв это тепловая энергия холодной воды, которая поступает в систему через трубопровод подпитки. Как именно происходят потери теплоносителя нам не важно. Будем просто считать, что есть утечки, причем в любом месте системы теплоснабжения. Так как система замкнутая, утечки не должны быть большими. Тем не менее, требуется дополнительная энергия на нагрев холодной воды, что может потребоваться учитывать.
Тепловая энергия и энтальпия
В дальнейшем обсуждении мы столкнемся с термином энтальпия, который может вызывать, и иногда вызывает, затруднения у обычного человека. Поэтому нам нужно разобраться с тем, что такое энтальпия. Но при этом и не забираться совсем уж в темные дебри физики. Говорить об энтальпии мы будем сегодня только с точки зрения физики.
Энтальпия это термодинамическое свойство системы. Можно сказать, что энтальпия описывает связь внутренней энергии системы и количества получаемой/отдаваемой системой тепловой энергией.
Внутренняя, полная, энергия системы в термодинамике это сумма кинетической и потенциальной энергий молекул. Мы можем изменить внутреннюю энергию системы передавая ей, или отнимая у нее, тепло. Или совершая над системой работу. Энтальпия (обозначается H) связывает внутреннюю энергию системы с другими ее параметрами
H = U + P V
где H - энтальпия, U - внутренняя энергия, P - давление, V - объем. Давление и объем учитывают и изменение объема системы или давления в системе в процессе теплообмена с внешним миром. В инженерной практике чаще используют понятие удельной энтальпии
h = H / m
где m это масса. И мы будем в дальнейшем использовать именно удельную энтальпию. Мы можем перейти к дифференциальной записи внутренней энергии системы. При этом будем рассматривать частный случай постоянного давления.
dU=δQ+pdV
где δQ это мгновенное количество тепла передаваемого в систему. После математических преобразования, которые я опущу, для случая постоянного давления мы получим совсем простое соотношение
dH=δQ
То есть, изменение энтальпии системы равно количеству передаваемого/отнимаемого тепла. Аналогичный результат можно получить и для постоянства объема.
Другими словами, количество получаемой или отдаваемой системой тепловой энергии равняется изменению ее энтальпии. И нам сегодня этого достаточно.
В МИ 2412-97, ссылку я давал ранее, в приложении есть формула для вычисления удельной энтальпии в зависимости от температуры теплоносителя (воды). Она выглядит громоздкой, но вычисления по ней достаточно просты.
Однако, для расчета количества тепловой энергии нам нужно кроме удельной энтальпии знать еще и массу теплоносителя (воды) прошедшую через точку измерения количества тепловой энергии.
При этом расходомеры обычно измеряют объем, а не массу. Перейти от объема к массе можно через удельную плотность теплоносителя. Плотность зависит от давления и температуры, а не является постоянной. И формула для вычисления плотности тоже есть в приложении в МИ 2412-97. Она тоже выглядит громоздкой, но вычисляется достаточно просто.
Теперь у нас есть все, что бы перейти к собственно измерению количества тепловой энергии.
Определение количества тепловой энергии для модели системы теплоснабжения
Мы можем провести измерение, или расчет, для любого узла нашей модели. Наибольшую практическую ценность имеет измерение количества энергии поставленной производителем и количества энергии полученной потребителем. Давайте посмотрим на сторону производителя. Причем начнем с просто случая, с отсутствия утечек.
Отсутствие утечек означает, что подпитка не требуется, а масса теплоносителя прошедшего через точку измерения Q1 равна массе теплоносителя прошедшего через точку измерения Q4. Количество тепловой энергии будет зависеть только от разности энтальпий воды на входе ИТЭ (из обратного трубопровода) и на выходе ИТЭ (в подающий трубопровод)
Так как нас интересует не мгновенное количество энергии, а суммарное, за некоторое время τ2-τ1, мы и используем интегрирование по времени.
Снова обращаю ваше внимание, что в этом выражении абсолютно нет требования постоянства массы и энтальпий во времени! Нет требования установившегося, стационарного состояния системы. Это очень важно понимать. Масса имеет полное право быть функцией времени m(τ). Любая из энтальпий имеет право быть функцией времени, h1(τ), h2(τ). Не требуется никакого равенства нулю какой-либо производной, как утверждает мой оппонент.
Это выражение является уравнением. Но его не требуется решать, не нужно выполнять дифференцирование, что бы избавиться от интеграла. Это формула для расчета количества тепловой энергии за заданный временной интервал в которую просто нужно подставить необходимые значения или функциональные зависимости.
В практических реализациях интегрирование сводится к суммированию. Это показано в том самом МИ 2412-97. И это ни чем не отличается от классического математического подхода, когда вместо аналитической непрерывной функции у нас используются функции дискретные во времени. И переход от интегрирования к суммированию тоже не требует неизменности массы или энтальпий!
Используя приведенные ранее соотношения баланса, добавив к ним учет подпитки и выполнив математические преобразования можно получить и другие уравнения, которые приведены в МИ 2412-97
Можно разобрать каждый элемент этих формул. Но это не является целью статьи. Оставим вывод формул за рамками статьи. Я сразу предупреждал, что не буду подвергать сомнению изложенное в нормативных документах. Я лишь показал, что лежит в самой основе этих формул.
Аналогичные уравнения можно записать и для стороны потребителя. Мы не будем этого делать, поскольку наша цель не анализ системы теплоснабжения, а метрология и только метрология.
Обратите внимание, что ни одно из этих уравнений, как и все рассмотренные ранее, не требует неизменности масс и энтальпий. Нет требования установившегося, стационарного состояния системы! Это очень важно в русле упоминавшейся дискуссии. Напомню, мы рассматриваем измерения, а не процессы регулирования.
Итак, для расчета, определения по результатам измерений, количества поставленной/потребленной тепловой энергии нам требуется знать массу (возможно, как функцию времени) и энтальпии (тоже возможно, как функции времени). И собственно интервал времени, для которого выполняется расчет. Масса, как мы уже выяснили, рассчитывается через плотность и объем. Причем объем измеряется расходомерами. А вот для вычисления плотности нужны еще температура и давление. Итого, для расчета количества поставленной в сторону потребителя тепловой энергии, нам необходимо выполнение измерений:
- Объема теплоносителя проходящего через две точки измерения. Первая точка измерения находится в точке соединения выхода ИТЭ и подающего трубопровода. Вторая, в точке соединения входа ИТЭ и обратного трубопровода.
- Температур теплоносителя в тех же самых точках, в которых мы измеряем расход.
- Давления теплоносителя в тех же самых точках, в которых измеряем расход.
Все остальное мы будем вычислять. Выполнять вычисления будет будет вычислитель количества теплоты ВКТ-7. Марка и тип прибора были названы оппонентом. Вот с его рассмотрения и начнем нашу, уже практическую, часть статьи.
Вычислитель количества теплоты ВКТ-7
На самом деле, можно взять любой другой прибор. Они будут иметь свои особенности, но в руководстве по эксплуатации (РЭ) будет ссылка на уже хорошо знакомый нам документ МИ 2412-97. Руководство по эксплуатации можно найти по ссылке
Рекомендую внимательно ознакомиться с РЭ, так как я буду лишь давать небольшие цитаты и ссылаться на различные пункты и таблицы из него. Тем не менее, я приведу практически полную цитату и назначении ВКТ-7
ВКТ-7 предназначены для измерений выходных сигналов измерительных преобразователей параметров теплоносителя и вычислений, по результатам измерений, количества теплоты (тепловой энергии).
ВКТ-7 могут применяться в составе теплосчетчиков и измерительных систем, предназначенных для измерений параметров теплоносителя (расхода, объема, температуры, давления), количества теплоты (тепловой энергии) и теплоносителя в водяных системах теплопотребления, а также для измерений количества других измеряемых сред (например, электроэнергии или холодной воды).
ВКТ-7 обеспечивают измерения тепловой энергии по одному или двум тепловым вводам (ТВ1 и ТВ2), представленными закрытой и/или открытой водяными системами теплопотребления.
Каждый ТВ1 и ТВ2 может иметь трубопроводы: подающий (Тр1), обратный (Тр2) и ГВС, подпитки или питьевой воды (Тр3).
То есть, ВКТ-7 достаточно универсален. И его функциональные возможности довольно широкие. Давайте рассмотрим, какие датчики может использовать этот прибор. Это важный момент.
Водосчетчики (ВС), они же расходомеры
Опять цитирую РЭ
Применяются ВС только с импульсным выходом с весом импульса от 0,0001 до 10000 литров.
Другие параметры нам сейчас не важны. То есть, ВКТ-7 имеет дискретный импульсный вход для подключения расходомеров. Для него совершенно не важен тип расходомера/водосчетчика. Он просто подсчитывает количество поступивших на вход импульсов и умножает это количество на вес одного импульса.
Здесь нет абсолютно никаких измерений. Только счетчик и ничего кроме счетчика. ВКТ-7 просто фиксирует передаваемые ему водосчетчиком показания в виде количества импульсов.
Поскольку в упоминаемой дискуссии вопрос МЗР стоит буквально ребром, нам необходимо разобраться с этим вопросом. В цикле "Нескучная метрология" есть статья
Где рассматривался психрометрический гигрометр. И там было показано, что разрешающая способность определяется наиболее грубой шкалой из последовательно накладываемых. В случае водосчетчика одним делением его шкалы является вес импульса. Большую разрешающую способность он не в состоянии обеспечить. Если разрешающая способность дисплея/индикатора в ВКТ-7 (настраиваемый параметр) равна весу импульса ВС, то итоговая разрешающая способность будет равна именно весу импульса. Последняя цифра на индикаторе будет значащей, но будет иметь погрешность в одно деление шкалы. Иди в 1 МЗР индикатора.
Если разрешающая способность индикатора (не счетчика!) в ВКТ-7 превышает разрешающую способность ВС, то последняя цифра на индикаторе может оказаться не значащей. И погрешность в одно деление будет относиться уже к последующим (справа) разрядам.
Если разрешающая способность индикатора (не счетчика!) в ВКТ-7 ниже разрешающей способности ВС, то все цифры на индикаторе будут значащими. Но погрешность в единицу МЗР будет равняться нескольким импульсам с ВС.
Давайте рассмотрим это еще раз, на примерах. Предположим, что у нас водосчетчик выдает один импульс на каждые 10 литров, что соответствует 0.01 м^3. Если мы установим в ВКТ-7 параметр СЕ в значение 2 (страница 21 РЭ), то самая младшая цифра индикатора как раз будет соответствовать 10 литрам. И погрешность отображения, и учета, но не измерения (это крайне важно!!!) будет равна именно 10 литрам.
Если же мы установим параметр СЕ в значение 3, то самая младшая цифра индикатора будет соответствовать 1 литру. Но наш водосчетчик не в состоянии обеспечить такую разрешающую способность. Поэтому самый младший разряд индикатора становится незначащим. И погрешность в 10 литров будет уже равняться 10 МЗР индикатора.
Если мы установим параметр СЕ в значение 1, то самая младшая цифра индикатора будет соответствовать 100 литрам. Наш водосчетчик имеет более высокую разрешающую способность, но индикатор не способен это отобразить. И погрешность составит уже 100 литров, что будет соответствовать 1 МЗР индикатора (но не счетчика).
Необходимо отметить, что параметр СЕ влияет на отображение. На пересчет количества импульсов в объем влияет совсем другой параметр - ВИ. Он указан на той же самой странице РЭ.
Термометры сопротивления
ВКТ-7 работает только с платиновыми термометрами сопротивления. Их параметры указаны в РЭ на странице 7. Схема подключения может быть как двухпроводная, так и четырехпроводная.
В отличии от водосчетчиков, где измерение полностью выполняется именно водосчетчиком, измерение температуры уже выполняется именно ВКТ-7 с использованием выносного датчика. Примером допустимых термометров сопротивления является комплект КТС-Б
Это именно комплект, пара термометров подобранных по параметрам. Для установки на подающий и обратный трубопроводы.
Мы сегодня не будем углубляться в измерение температуры. Для нас лишь важно, что при этом ВКТ-7 является средством измерения. В отличии от измерения расхода воды.
Преобразователи избыточного давления
ВКТ-7 работает только с датчиками давления выдающими результат измерения по токовой петле 4-20 мА. Примером допустимого датчика давления является Преобразователь давления КРТ 9
При измерении давления средством измерения является не ВКТ-7, а именно датчик давления. Однако, ВКТ-7 выполняет преобразование токового сигнала в давление. И это преобразование вносит дополнительную ошибку в результат измерения давления.
Мы сегодня не будем углубляться в измерений давления. Для нас лишь важно, что при этом средством измерения является именно преобразователь давления. Но ВКТ-7 уже сам выполняет преобразование тока в давление.
Метрологические характеристики и особенности
Вокруг этого вопроса в той дискуссии сломано очень много копий! Поэтому вопрос чрезвычайно важен. И начнем мы с того, что в явном виде указано в РЭ на ВКТ-7 на странице 8. Вот фрагмент РЭ
То есть, здесь четко и однозначно сказано, что в РЭ указаны только погрешности собственно ВКТ-7, которые он вносит при обработке сигналов начиная с его входов! Это дополнительные погрешности. Основные погрешности указаны в паспортах на водосчетчики, термометры сопротивления, преобразователи давления.
Вот этот момент мой оппонент полностью упустил. Итоговая погрешность измерения объема воды, температуры, давления, будет равняться сумме погрешности соответствующего преобразователя и самого ВКТ-7.
То есть, для измерения объема воды погрешность будет совсем не 1 МЗР. Она будет равна сумме погрешности водосчетчика и 1 МЗР. Причем МЗР не отображаемого результата измерения, а задаваемого параметром ВИ. То есть, погрешность водосчетчика и вес одного импульса. Что именно отображается на индикаторе водосчетчика (при его наличии) и индикаторе ВКТ-7 не важно. Поскольку разрядность отображаемой на индикаторе информации можно безболезненно изменить. Для расчета используется подсчет импульсов и вес одного импульса.
При этом ВКТ предусматривает возможность контроля и коррекции "небаланса масс", для некоторых конфигураций систем теплоснабжения. Но это влияет только на формирование кодов состояний и запись значений в архив.
Но о водосчетчиках/расходомерах мы еще поговорим чуть подробнее далее.
Масса теплоносителя не измеряется непосредственно. Она вычисляется на основе измерения объема, температуры, давления. И в МИ 2412-97 для формулы вычисления плотности указано, что ее погрешность (собственно формулы) не превышает 0.1%. Разумеется, и погрешность вычисления массы получается относительной, а не абсолютной.
Погрешность измерения температуры заявлена как абсолютная и равна 0.1 градуса. Однако, как мы помним, эта абсолютная погрешность не включает в себя погрешность собственно термометра сопротивления. В таблице два РЭ на КТС-Б можно найти параметры погрешности собственно термометров. Например, для класса допуска А погрешность указана 0,15 + 0,002 * t. То есть, 0.2%+0.15. И эта погрешность суммируется с абсолютной погрешностью указанной в РЭ на ВКТ-7. При этом ВКТ-7 позволяет ввести поправки к параметрам термометров сопротивления.
Все это, в равной степени, относится и к измерению давления. Я просто уже не буду повторяться.
Настройка конфигурации системы теплоснабжения
Конфигурация реальных систем теплоснабжения бывает разной. Разумеется, параметры конфигурации должны быть корректно настроены в ВКТ-7. Это описано на страницах 22 и 23 РЭ. Мы сегодня не будем с этим разбираться, это дело специалистов теплоснабжения. Но взглянуть на параметры стоит.
Тогда можно увидеть, что именно специалист выбирает и конфигурацию системы теплоснабжения, включая ее тип, наличие и схему включения подпитки, и возможность использования системы теплоснабжения еще и для горячего водоснабжения, и формулы расчета тепла.
То есть, ВКТ-7 занимается только расчетом количества тепловой энергии. Он не касается регулирования состояния системы. Не занимается выбором расчетных формул. Он просто выполняет вычисления. И не более того.
Дополнительно, он выполняет некоторые контроли, если они настроены. Контролируемые параметры описаны в разделе 4.4 РЭ. По выходу контролируемых параметров за заданные границы, формируются сообщения на индикаторе и выполняется запись в архив.
Как именно, и что именно, считает ВКТ-7 определяет человек, которые осуществляет его настройку.
Водосчетчики/расходомеры. ПРЭМ
Это одна из основных тем сегодняшней статьи. Немного ранее мы выяснили, что ВКТ-7 работает только с водосчетчиками с импульсным выходом. Для него метод, который реализован в расходомере совершенно не важен. По существу, с точки зрения ВКТ-7, расходомер рассматривается как простой механический расходомер с крыльчаткой. Такой рассматривался в статье
Используемые сегодня расходомеры/водосчетчики, не те, что стоят у нас в квартирах для учета воды, а используемые в промышленности используют другие методы измерения расхода. В дискуссии назывались две модели расходомеров, причем обе электромагнитные
Электромагнитные расходомеры используют закон электромагнитной индукции Фарадея. Только вместо проводника движется электропроводящая жидкость. В нашем случае, теплоноситель (вода).
Индуцированная ЭДС прямо пропорциональна объемному расходу Qo
Подробнее о принципе работы электромагнитных расходомеров можно почитать
- Электромагнитные расходомеры на сайте ООО "ПРАМЕНЬ"
Мы сегодня не будем углубляться в тонкости работы таких расходомеров. Но нам важен другой момент. Мой оппонент постоянно ссылался на важность разрядности АЦП. Никто не спорит, разрядность определяет разрешающую способность, что безусловно важно. Но важна ведь далеко не только разрядность АЦП. В электронном тракте электромагнитного расходомера есть множество и аналоговых элементов. И они влияют на погрешность даже в большей степени. И это еще без учета погрешностей собственно метода измерения.
Если вам интересно, что может скрывать под крышкой такого расходомера, оценить уровень схемотехники, почитайте
Мы же вернемся к нашей метрологии. А метрологических характеристиках расходомера ПРЭМ, ссылку на РЭ я давал, написано
± 1 % в диапазоне измерений расхода от Qt1 до Qmax
± 2 % в диапазоне измерений расхода от Qt2 до Qt1
± 5 % в диапазоне измерений расхода от Qmin до Qt2.
То есть, относительная погрешность измерения объемного расхода 1%. Большие погрешности относятся к измерению малых расходов, которые соответствуют малой индуцированной ЭДС.
Таким образом, суммарная погрешность измерения объемного расхода, с учетом того, о чем мы говорили ранее, будет 1% плюс 1 МЗР. И мы уже знаем, что это за МЗР. Давайте рассмотрим пример. Пусть диаметр условного прохода равен 50 мм. Согласно таблице 1 в РЭ максимальное значение объемного расхода, которое можно измерить, равно 72 м^3 в час
В таблице 2 находим пороговые значения расхода
Таким образом, для класса С1, при прямом включении, при расходе от 0.12 до 0.29 м^3 в час, погрешность измерения объемного расхода составит 5%. При расходе от 0.29 до 0.72 м^3 в час, погрешность составит 2%. При расходе от 0.72 до 72 м^3 в час погрешность составит 1%. Вес импульса может быть разным. В том числе, указанным заказчиком. Но в приложении А и приложении Г можно найти информацию о весе импульса по умолчанию. Для ДУ 50 вес импульса по умолчанию равен 2.5 литра.
А значит, суммарная погрешность измерения объемного расхода в связке ПРЭМ+ВКТ-7 будет равна 1%+2.5 литров. Или 1%+0.0025 м^3. И именно этой погрешностью, а вовсе не 1 МЗР, как утверждал мой оппонент, мы обязаны оперировать. Разумеется, необходимо правильно выставить вес импульса в параметре ВИ в ВКТ-7. Об это четко сказано в РЭ на ПРЭМ, раздел 7 Подготовка к работе, пункт 7.1
При работе преобразователя с вторичными приборами установить вес импульса, равный значению веса импульса в ПРЭМ.
Теперь давайте рассмотрим еще одну особенность ПРЭМ. О ней говорится в пункте 7.2 РЭ, в несколько необычном месте. Тем не менее, это важная информация
7.2 При работе преобразователя джампер FILTER ON (J1) может быть, как снят, так и установлен. В первом случае, при резком изменении расхода, время установления показаний составляет 30 с, во втором – 150 с.
Да, ПРЭМ предусматривает возможность фильтрации результатов измерения. Причем фильтр, на самом то деле, включен всегда. Просто постоянная времени этого фильтра разная.
Резкое изменение расхода это не мгновенный скачок. Это просто быстрое, но все таки, растянутое во времени изменение расхода. Время установления показаний 30 с, при отключенном дополнительном фильтре, говорит о том, что расходомер выполняет усреднение результатов измерения мгновенного расхода. То есть, результат измерения будет не мгновенным, а интегральным значением.
Во первых, сам пункт 7.2 говорит о том, что и разработчики ПРЭМ не накладывают требований по установившемуся, стационарному состоянию системы. И объемный расход имеет полное право изменяться во времени. Причем даже резко. Но давайте посмотрим, насколько это критично для наших целей?
Для измерения мгновенного объемного расхода это плохо. Такая инерционность, даже без дополнительного фильтра, будет вредна. Но для задачи измерения интегрального объемного расхода никаких проблем нет. Ведь у нас результаты измерений не только будут нарастать плавно и с задержкой при резком увеличении расхода, но будут и спадать так же медленно и с задержкой при его резком уменьшении. Так что ни лишнего расхода не будет зафиксировано (за продолжительный интервал времени), ни потери не будет.
Что бы избежать резких скачков результатов измерений, скорее всего, используется сглаживание методом скользящего среднего. Но это уже из области предположений.
Для расходомеров ПРЭМ существует и утвержденная методика поверки. В этом документе совершенно однозначно написано
Значение относительной погрешности δ при каждом поверочном расходе определяют по формуле:
δ = 100(VИ – VЭ)/VЭ , %
где: VЭ - эталонное значение объема, м3; VИ - измеренное значение объема, м3. Полученные значения погрешностей не должны превышать:
± 1 % при значениях расхода Q1п и Q2п;
± 2 % в значении расхода Q3п
То есть, методика поверки подтверждает, что расходомер должен удовлетворять описанным в РЭ требованиям точности.
Нужно отметить, что ПРЭМ может иметь и токовый выход (петля 4-20 мА), но поскольку ВКТ-7 с ним работать, при измерении расхода, не умеет, мы его не рассматриваем.
Ровно тоже самое можно сказать и о расходомере ВИС.МИР, ссылку на документация я давал. Да, у него другие погрешности. У него свои особенности. Но у него точно так же ненулевая погрешность. И точно так же, она суммируется с мизерной погрешностью 1 МЗР счетчика ВКТ-7.
Регулировка ПРЭМ на заводе. Почему результаты измерений двух расходомеров могут отличаться
Да, расходомеры проходят поверку. Поверка включает в себя калибровку, определение реальных параметров точности средства измерения. Пройденная поверка не означает, что расходомер не имеет погрешности. Она лишь свидетельствует, что погрешность не превышает предельной.
После изготовления каждый расходомер проходит процедуру регулировки. Для этого его устанавливают на стенд последовательно с "эталонным" расходомером. И для одной или нескольких контрольных точек (количество точек мне не известно, в данном случае), значений расхода, в регулируемый расходомер заносят поправочные коэффициенты. Тем самым, для этих контрольных значений расхода показания регулируемого расходомера и эталонного будут совпадать.
Проблема в том, что даже совпадение в нескольких точках не гарантирует совпадения во всех точках. Тем не менее, после регулировки расходомер действительно имеет малую погрешность. Заметно меньше указанной в РЭ. Но лишь в момент регулировки и на стенде!
Дело в том, что влияние на точность измерений оказывает и место фактической постоянной установки. И химический состав теплоносителя. И особенности потока жидкости в данном месте фактической установки. Посмотрите, какие требования к установке расходомера предъявляются в РЭ. И соблюдение всех этих требований напрямую влияет на точность.
Кроме того, абсолютно неизбежен временнОй дрейф параметров расходомера. Как кратковременный, так и долговременный. Поэтому два расходомера, которые в момент установки выдавали идентичные результаты измерений, все равно могут через некоторое время выдавать различающиеся результаты. К сожалению, это неизбежно.
То есть, мы можем взять два одинаковых исправных расходомера и включить их последовательно друг за другом. Мы ожидаем, что результаты измерений буду идентичны. Но нас, рано или поздно, постигнет жестокое разочарование. Показания разбегутся. Причем величина разбега будет будет не постоянной. Она может и увеличиваться, и уменьшаться. Даже стать на некоторое время нулевой. Но разница будет обязательно и неизбежно.
В предельном случае, один расходомер может уйти на +1%, а второй на -1%. Ту самую пресловутую 1 МЗР можно даже не учитывать. Она мала по сравнению в относительной погрешность. И разница в результатах измерений может достигать 2%. Да, это предельный случай. Да, в большинстве случаев реальная разница будет меньше, возможно, значительно меньше. Да, можно попытаться привлечь на помощь математическую статистику и "типовой случай". Но никто и никогда не даст гарантии, что мы не получим тот самый предельный случай.
Влияние погрешности расходомеров на нашу систему
Вот мы и добрались до самого главного. Пришло время посмотреть, как сказанное о ВКТ-7 и расходомерах отражается на расчете количества тепловой энергии. Как и ранее, поставленной в сторону потребителя.
При отсутствии подпитки проблем не возникает. Нам вполне достаточно измерять объем теплоносителя прошедшего через любой трубопровод. Все равно они одинаковы. А вот при наличии подпитки все сложнее. Нам нужно измерять объем теплоносителя в прямом и обратном трубопроводе.И разность объемов (точнее, масс, то самое m1-m2) определяет и объем подпитки, и на расчет количества поставленной в сторону потребителя тепловой энергии влияет.
Я не считаю себя вправе выносить какие-либо суждения, так как не являюсь экспертом в теплоснабжении. Измерение объема в двух трубопроводах может фиксировать отличный от нуля объем подпитки даже тогда, когда когда фактический объем подпитки равен нулю. Причем может оказаться, что объем в обратном трубопроводе больше, чем в подающем. Это только на основании метрологических характеристик расходомеров. Если они не подбираются в пары по параметрам, как термометры сопротивления.
Еще раз подчеркну, это лишь теория и чистая метрология. Но принимать решение о необходимости или наличии подпитки на том основании, что есть разница в результатах измерения объемного расхода двух водосчетчиков, неверно. Мы можем лишь сравнить модуль этой разности с удвоенной погрешностью. Если разница превышает удвоенную погрешность, то подпитка необходима или есть. Если разница меньше удвоенной погрешности, ничего нельзя сказать достоверно.
Можно предусмотреть поправочные коэффициенты, или корректировать их в расходомерах во время поверки. Но поверочный интервал для расходомеров 4 года. И между поверками даже идеально согласованные расходомеры могут немного разойтись.
Заключение
Это большая, сумбурная, скучная статья. Она планировалась как рассказ именно и только о метрологии. Но по факту, пришлось касаться и некоторых вопросов теплоснабжения, в которых я не являюсь экспертов. Поэтому статья может содержать, и наверняка содержит, ошибки. Надеюсь, что не грубые.
Что является самым важным, метрологически важным? Во первых, нет, ни в одном документе, ни официальном регламентирующем, ни в документации производителей, даже намека на требования установившегося или стационарного состояния состояния системы. Более того, для водосчетчика (ПРЭМ) явно сказано, что резкое измерение расхода он отрабатывает. Пусть и с задержкой, но корректно.
Количество тепловой энергии в МИ 2412-97, на который неоднократно ссылался оппонент, вычисляется как интегральное значение, как сумма интегральных параметров. Все переменные под знаками интегралов имеют полное право быть изменяющимися во времени. Полное право.
Не смотря на то, что выражения в МИ 2412-97 названы уравнениями, их не нужно решать. Это формулы, по которым рассчитывается количество тепловой энергии путем подстановки результатов измерений и вычислений на основе измерений.
Нигде нет и даже намека на требование равенства нулю какой либо производной от какой либо переменной или функции. Да, это касается только собственно измерений и расчета количества поставленной/использованной тепловой энергии. Да, вопросы регулирования мы сегодня принципиально не рассматривали. Но в той дискуссии мы застряли именно на измерениях. И куда либо дальше, пока не разберемся с измерениями, двигаться просто нельзя.
Результаты измерений двух идентичных исправных расходомеров на подающем и обратном трубопроводах имеют полное право быть разными даже при отсутствии утечек и подпитки. Просто исходя из их метрологических характеристик и собственно метрологии. Это просто данность. Нельзя требовать, что бы при отсутствии утечек и подпитки разность результатов измерений всегда и в точности была равной нулю.
Заранее прошу прощения за возможные ошибки в вопросах теплоснабжения. Статья действительно внеплановая. Просто уже накипело немного.... Извините.