Счёт на калории

Рассказываем о принципе действия и устройстве тепловых счётчиков
06.01.2020
Алексей Батырь

Практически каждый житель квартиры с центральным водоснабжением знает, как выглядят и работают тахометрические счётчики горячей и холодной воды. Но счётчики тепловой энергии (теплосчётчики) строятся на иных принципах.

Как измерить тепло

Системы отопления бывают разными, соответственно, необходимо по-разному измерять отдаваемую ими тепловую энергию. Рассмотрим наиболее распространённую двухтрубную систему, которая практически повсеместно применяется для отопления жилых и административных зданий. Нагретый теплоноситель (это могут быть водяной пар, специальные растворы и другие вещества, но в подавляющем большинстве случаев - обычная вода) перекачивается потребителю по подающему трубопроводу, отдаёт тепло в нагревательных приборах (радиаторах, или, в просторечии, батареях) и возвращается к поставщику по обратному (циркуляционному) трубопроводу.

Количество теплоты Q, поступившее к потребителю, определяется по формуле

Q = Gr ● (h1 - h2),

где G - объём теплоносителя, прошедшего по подающему трубопроводу, м3, r - плотность теплоносителя, г/cм3, h1 и h2 - удельная энтальпия (теплосодержание) для теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах.

Последние два параметра, зависящие от температуры и давления воды в соответствующем трубопроводе, определяются по таблицам. Таким образом, чтобы рассчитать искомое количество теплоты, необходимо измерить три величины: объём, температуру и давление. Первая измеряется с помощью пары расходомеров, установленных на подающем и обратном трубопроводах (что позволяет учитывать потери теплоносителя в системе), две другие - с помощью термодатчиков и датчиков давления. Данные со всех этих приборов поступают на микропроцессорный вычислительный блок (тепловычислитель), который рассчитывает и накапливает в памяти величину тепловой энергии. Он также выводит данные на индикатор и передаёт их на диспетчерский пункт по различным интерфейсам.

Как видим, конструкторы теплосчетчиков не могут воспользоваться широко распространёнными дешёвыми тахометрическими водомерами, не имеющими электронной начинки и, соответственно, электропитания. Если же оснастить такой расходомер электронным преобразователем, его цена значительно увеличится. Поэтому для целей учёта тепловой энергии чаще применяют более современные приборы - электромагнитные и ультразвуковые. Их общие преимущества по сравнению с тахометрическими - малое влияние прибора на поток и отсутствие падения давления в трубопроводе после счётчика.

Электромагнитный расходомер

Принцип действия такого расходомера основан на законе электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, наводится ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. Проводником в данном случае выступает протекающая через поперечное сечение расходомера электропроводная жидкость (вода). Магнитное поле (постоянное или переменное) создаётся либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, питаемым переменным током.

Первый расходомер такого типа был предложен ещё самим Фарадеем в XIX веке, но реальное применение подобные устройства нашли только в 1940-х годах.

Электромагнитные расходомеры обладают рядом неоспоримых достоинств: точность в широком диапазоне измерений; низкая зависимость от неравномерности поля скоростей измеряемого потока; высокая чувствительность на малых расходах.

Но они не лишены и недостатков. В первую очередь это чувствительность к незначительным отложениям на проточной части диэлектрических и токопроводящих осадков, в особенности к отложениям магнетита. Кроме того, они сильно подвержены влиянию внешних электромагнитных полей и блуждающих токов, обладают высоким энергопотреблением.

Помощник - ультразвук

Ультразвуковые расходомеры - сравнительно новое направление, получившее интенсивное развитие в последние 35 лет благодаря достижениям в области микропроцессорной электроники. Во всех ультразвуковых расходомерах измеряемый поток зондируется акустическими сигналами ультразвукового диапазона. При этом на рынке представлено множество их различных вариантов, что обусловлено большим разнообразием используемых методов измерений и конструктивных решений. Результат - разнообразие эксплуатационных и метрологических характеристик приборов. В основном на рынке присутствуют приборы, реализующие дифференциальный и допплеровский методы измерения.

В первом случае измеряется время распространения ультразвукового сигнала в движущейся среде в виде задержки. Эта задержка зависит от направления и скорости движения среды (потока). На трубу (см. рис.) устанавливают два пьезоэлемента, поочередно выступающих в роли излучателя и приёмника ультразвуковых волн. Сигнал (частотой обычно 0,1-1 МГц), излучаемый левым датчиком и проходящий сквозь среду в направлении движения потока, достигает принимающего (правого) датчика через меньшее время, чем сигнал, идущий от правого датчика к левому навстречу потоку.

Измерив разницу времён прохождения сигналов, можно оценить скорость движения среды и затем, зная внутреннее сечение трубопровода, вычислить расход.

Электроника преобразователя при этом методе должна быть достаточно быстродействующей, т. к. необходима высокая разрешающая способность при измерении малых интервалов времени - единиц наносекунд. Расход рассчитывается как произведение скорости потока на внутреннее сечение трубопровода в месте установки датчика.

Датчики могут располагаться как на одной стороне трубопровода (режим отражения звуковой волны от противоположной стенки), так и на противоположных сторонах (диагональный режим) при больших диаметрах труб.

Дифференциальный метод хорош для чистых гомогенных (однородных) жидкостей, без примесей.

Второй метод основан на известном в физике эффекте Доплера - изменении частоты сигнала, отражённого от движущегося объекта. Ультразвуковой сигнал известной частоты распространяется в жидкой среде, отражается от движущихся в потоке твёрдых частиц, пузырьков воздуха, локальных различий в плотностях среды и т. п. Отражённый сигнал с помощью быстрого преобразования Фурье трансформируется из временной области в частотную. Поскольку спектр отражённого сигнала достаточно широк, то вычисляется усреднённая частота. Далее находится её разница с частотой исходного сигнала. Эта разница в дальнейшем используется для определения скорости движения потока, а затем и для вычисления расхода.

В этом методе чем «грязнее» жидкая среда, тем лучше, т. к. при этом полоса частот информативного отражённого сигнала становится уже, что обеспечивает более высокую точность измерения скорости. Чистая вода требует более сложной организации генерации исходных сигналов и более изощрённых методов цифровой обработки принятых сигналов.

Датчики и вычислительный блок ультразвукового теплосчётчика

Ультразвуковые расходомеры имеют ряд серьезных преимуществ перед электромагнитными: слабая зависимость от различных отложений на проточной части, в частности магнетита; низкое энергопотребление (возможна работа от автономных источников питания); точность в широком диапазоне; высокая чувствительность на малых расходах.

Недостатки: чувствительность отдельных однолучевых конструкций к неравномерности поля скоростей измеряемого потока; чувствительность преобразователей с отражателями к образованию отложений на поверхностях, отражающих ультразвук.

Результаты эксплуатационных испытаний электромагнитного и ультразвукового расходомеров в Германии показали, что через три года эксплуатации первый расходомер занижал показания на 20%, а второй - менее чем на 1%. Следует отметить, что Западная Европа прошла определённый эволюционный путь от тахометрических счётчиков к электромагнитным и затем к ультразвуковым. Пик применения электромагнитных расходомеров в коммунальном секторе Западной Европы приходится на середину 1980-х годов; их доля составляла тогда около 40%. Затем ситуация стала меняться. Например, в датских системах теплоснабжения к началу 1990-х доля ультразвуковых приборов составила 80%, а доля электромагнитных упала с 40% до 12%. В настоящее время в Западной Европе преобладают ультразвуковые счётчики. Причина в том, что точность измерений потребления воды и тепловой энергии на коммунальных объектах при использовании ультразвуковых счётчиков выше, чем при использовании электромагнитных.

В нашей стране процесс вытеснения электромагнитных расходомеров ультразвуковыми тоже идёт, хоть и не такими быстрыми темпами.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы