СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ОБЪЕМНЫХ РАСХОДОМЕРОВ ТЕПЛОСЧЕТЧИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01F25/00 

Изобретение относится к экспериментальной измерительной технике и может быть использовано в энергетике, нефтяной, химической промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и т.д.

Известно устройство для градуировки и оценки погрешности расходомеров. Блок-схема градуировки расходомеров 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 градуировать объемные расходомеры теплоносителя в разных отраслях промышленности. (Как уменьшить измерение тепловой энергии и утечки теплоносителя. Журнал "Законодательная и прикладная метрология", №5, 2002, стр.6-13, автор И.Ю.Шешуков).

Недостатки этого устройства: вторичный прибор теплосчетчика должен вводить поправку к показаниям водосчетчиков, из-за чего повышаются затраты на эксплуатацию. Разница между величиной новой и старой поправок велика и равна 0,42 м³, что соответствует дополнительной погрешности при определении величины утечки. Измеряют расход теплоносителя с высокой погрешностью ±10%. Отсутствует возможность поточной градуировки расходомеров. Расходомеры на каждом узле учета при изменении условий применения нужно градуировать индивидуально, что связано с большими временными затратами т.к. делать переградуировку расходомеров при коммерческих взаиморасчетах могут только полномочные лица. Во время градуировки расходомеров возникают неудобства с теплоснабжением потребителей.

Известен способ градуировки объемных расходомеров теплоносителя и определения погрешности и количества расхода теплоносителя.

Определяют количество тепловой энергии по уравнению для однотрубного устройства теплоснабжения горячего водоснабжения где V₃ - объем по показанию водосчетчика ГВС; ρ₁₍₂₎ - плотность воды в подающем и обратном трубопроводе; h₁₍₂₎ - энтальпия в подающем и обратном трубопроводе; h_х - энтальпия холодной воды на источнике теплоты.

Суммарное количество утечки теплоносителя в устройстве определяют как: G=G_ГВС+G_у, где G_ГВС - масса теплоносителя, отобранная на ГВС; G_у - 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: где δQ_ГВС и δQ_ЗУ - относительные погрешности в подсистеме устройств ГВС и в закрытой подсистеме устройства с утечками. Суммарное количество потребленной тепловой энергии в устройстве определяют как: Q=Q_ГВС+Q_ЗУ, где Q_ЗУ - количество тепловой энергии в закрытой подсистеме устройства с утечками.

Такое решение позволяет градуировать объемные расходомеры теплоносителя (Как уменьшить погрешность измерений тепловой энергии и утечки теплоносителя. Журнал "Законодательная и прикладная метрология", №5, 2002, стр.6-13, автор. И.Ю.Шешуков).

Недостаток этого способа заключается в том, что этот способ трудно реализовать без дополнительной типовой методики. Для этого необходимо проводить капитальную реконструкцию существующих узлов учета и значительно усложнять конструкцию вновь вводимых узлов учета тепловой энергии и количества теплоносителя. Кроме того, большие затраты для реализации способа в повседневной жизни до конца не устраняют большие погрешности коэффициента преобразования расходомеров.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является устройство для градуировки объемных расходомеров теплоносителя и оценки погрешности его измерения. Устройство содержит в подающем и обратном каналах (трубопроводах) расходомеры. Диаметры труб в подающем и обратном каналах одинаковые (32 мм). Расходомер с диаметром условного прохода 10 мм в байпасном канале имитирует измерения в трубопроводе (канале) горячего водоснабжения (ГВС). На выходе каналов обратного и ГВС подсоединены весы. Значение расхода теплоносителя через расходомер канала горячего водоснабжения изменялось от 0,09 т/ч до 2,8 т/ч. При этом значение расхода расходомера подающего канала подбиралось таким образом, чтобы значение расхода обратного канала было постоянно. Измерения проводились в течении трех дней непрерывно.

Максимальное расхождение по весам 23,3%, по подающим трубопроводам 2,2%, обратным 3,3% и горячего водоснабжения 23,4%.

Такое решение позволяет градуировать объемные расходомеры и оценить погрешности градуировки в открытой и закрытой системах теплоснабжения (Методическая ошибка при линейной аппроксимации характеристик погрешности расходомеров. В книге Симпозиум «Мир измерений. Вода, тепло, газ, 9-11 ноября 2004 г.» Сборник докладов, СПб, 2004, с.138-148, авторы А.Г. Сафин, В.М. Кузовков).

Недостаток этого устройства: измеренное значение утечки теплоносителя по разности показаний расходомеров прямого и обратного каналов до 20% отличается от показаний расходомера канала ГВС, хотя погрешности всех расходомеров по результатам индивидуальной градуировки не превышают ±0,5%. Точность определения массы утечки теплоносителя зависит от наклона градуировочной характеристики канала ГВС.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ градуировки объемных расходомеров теплоносителя и оценки погрешности его измерения.

Сущность способа определения расхода теплоносителя и оценки погрешности измерений обосновывают методом определения характеристики взаимного расхождения результатов измерений по каналам (трубопроводам). Анализ погрешности измерений разности расходов проводят с помощью линейной аппроксимации.

- Определяют тепловую энергию и расход теплоносителя в системе отопление с открытым водоразбором в подающем трубопроводе. Потребление тепловой энергии Q для такого устройства определяют как: Q=М₁(h₁-h₂)+(М_ГВС+М_у)(h₂-h_ХВ), где М₁ - значение массы теплоносителя, прошедшего через подающий трубопровод; h₁, h₂ - энтальпия теплоносителя в подающем обратном трубопроводах, соответственно; М_ГВС - масса теплоносителя по показанию водосчетчика, отобранного на нужды ГВС; М_у - масса утечки теплоносителя; h_ХВ - энтальпия холодной воды.

- Массу утечки определяют как: М_у=М₁-М₂-М_ГВС, где М₂ - значение массы теплоносителя, прошедшего через обратный трубопровод.

- Совместно решают уравнения для Q и М_у и определяют потребление тепловой энергии в системах с открытым водоразбором, т.е. Q=M₁(h₁-h₂)+(M₁-М₂)(h₂-h_ХВ).

- Осуществляют контроль работы теплосчетчика путем определения зависимости М_ГВС от приращения M₁ при допущении, что М_ГВС не зависит от М₂, т.е. устройство идеализируют.

- Второй подход - искусственный. Приводят устройство к закрытому с помощью выражения и построение зависимости М от .

- Далее допускают, что приращение величины y зависит от приращения величины x в соответствии с выражением: где Δ(x)- взаимное расхождение величин x и y. При этом угол наклона между двух величин x и y окончательно определяют как: Если величина взаимного расхождения не зависит от x, то угол наклона всегда равен 1. В этом случае невозможно оценить взаимное расхождение показаний. Если Δ(x_i)=δx_i, то угол наклона прямой характеризует величину взаимного расхождения, β=1+δ. Если величина взаимного расхождения переменна, то угол наклона зависит от характера этой зависимости.

- Допускают, что в точках x_i взаимное расположение величин x и y равно Δ(x_i)=0,009x_i; а в точке x_i+1-Δ(x_i+1)=-0,009x_i+1. Тогда угол наклона зависит от ширины по выражению: , где . Зависимость β_i от k почти гиперболическая.

Такой способ позволяет градуировать объемные расходомеры для теплосчетчиков и оценить погрешности их измерений в открытых и закрытых системах теплоснабжения (Методическая ошибка при линейной аппроксимации характеристик погрешности расходомеров. В кн. Симпозиум «Мир измерений. Вода, тепло, газ. 9-11 ноября 2004 г.» Сборник докладов. СПб, 2004, с.138-148. Авторы Сафин А.Г., Кузовков В.М.).

Недостатки способа определения расхода теплоносителя и оценки погрешности измерения следующие. Замена прямых измерений М_ГВС на косвенные измерения эквивалентна математически, но не эквивалентна метрологически. Определение массы теплоносителя, отобранного из системы теплоснабжения по разности измеренных значений M₁ и М₂, может привести к достаточно большой методической ошибке определения массы теплоносителя, отобранного из системы теплоснабжения.

Задачей настоящего изобретения является повышение производительности и точности градуировки пар идентичных объемных расходомеров для теплосчетчиков. Точность градуировки пар объемных расходомеров повышается за счет прямого измерения разности расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, а по ней и массы теплоносителя, отобранного из открытых водяных систем теплоснабжения (ОВСТ) и условно открытых водяных систем теплоснабжения (УОВСТ). Производительность устройства градуировки повышают за счет одновременной градуировки партии пар объемных расходомеров и для подающего, и для обратного трубопроводов открытых и условно открытых водяных систем теплоснабжения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для градуировки объемных расходомеров теплосчетчика, содержащем разделенные группой колен или вытянутые одну линию подающий и обратный трубопроводы с установленными в них последовательно соединенными объемными расходомерами, блок байпасных открытых и условно открытых воляных систем теплоснабжения, содержащий одну или более параллельных ветвей байпасных трубопроводов, каждый из которых соединен параллельно с обратным трубопроводом через управляемые регулируемые вентили, а в каждой ветви байпасного трубопровода последовательно с не менее чем двумя рабочими эталонными объемными расходомерами соединены управляемые регулируемые вентили, при этом вода в устройство поступает из оборотной емкости в измерительный канал подающего трубопровода, ко входу которого подсоединен блок рабочих эталонных расходомеров, а с выхода обратного трубопровода вода поступает в исходный эталон объемного расхода, состоящий из распределителя потока и мерников объема, причем все управляемые и сигнальные выходы объемных расходомеров и управляемых вентилей соединены входами индикатора.

Технический результат также достигается способом градуировки объемных расходомеров теплосчетчика, характеризующемся определением расходов в открытых и условно открытых водяных системах теплоснабжения, воспроизведением путем пропускания теплоносителя в подающем, обратном и байпасных трубопроводах, определением коэффициента преобразования проверяемых объемных расходомеров и регистрацией в индикаторе, согласно изобретению, по показаниям эталонных объемных расходомеров задают объемные расходы в подающем трубопроводе, по показаниям эталонных расходомеров на байпасных трубопроводах задают дискретные значения разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах, равные нулю и более, и определяют идентичность и линейность характеристик градуируемых пар объемных расходомеров, при этом каждый расходомер градуируют индивидуально и попарно, по показаниям расходомеров блоков эталонного и байпасного определяют расход в подающем трубопроводе и разность объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах и строят семейство градуировочных характеристик канала прямого измерения разности расходов в прямоугольных координатах, повышают точность измерений объемных расходов путем градуировки пары объемных расходомеров с линейными градуировочными характеристиками и прямого измерения разности расходов в подающем и обратном трубопроводах от величины реализуемой разности объемных расходов теплоносителя, при этом одновременно определяют зависимости объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах от выходных сигналов (напряжения) расходомеров, затем производят прямое измерение разности расходов по непосредственно воспроизведенной величине этой разности расходов с минимальной заданной погрешностью и времени усреднения расхода для m-ого количества значений выходных напряжений объемных расходомеров, строят зависимость выходного напряжения расходомера подающего трубопровода от выходного напряжения расходомера обратного трубопровода при заранее заданных погрешностях воспроизведенных разностей расходов, осуществляют измерение разности объемных расходов с высокой точностью и графически отображают наименьшее значение погрешности и наибольшее , где: L - искомое расстояние точки измерения до ближайшей градуировочной характеристики пары расходомеров по разности объемных расходов, L′ - оценка наименьшего из возможных значений L, L′′ - оценка наибольшего из возможных значений L, δ - среднее квадратичное отклонение.

На фиг.1а изображена блок-схема устройства градуировки (поверки) пар объемных расходомеров для теплосчетчиков и отдельные его узлы, фиг.1б. На фиг.2 - 5 изображены градуировочные характеристики канала прямого измерения разности расходов пары расходомеров, полученные с помощью предлагаемого устройства, и оценки пределов, возникающих при такой градуировке, составляющих погрешности канала прямого измерения разности расходов. Блок-схема устройства градуировки расходомеров содержит трубопроводы: подающий (прямой) 1, обратный 2, байпасный блок 3, состоящий из измерительных трубопроводов 6. Трубопроводы 1 и 2 могут быть разделены группой колен 4 либо вытянуты в одну линию. Блок трубопроводов 3 соединяется или отделяется от обратного трубопровода двумя регулируемыми запорными вентилями 16-17. Эти вентили полностью открыты или закрыты для прохода воды, т.е. обеспечено наличие или отсутствие расхода воды в блоке байпасных трубопроводов. Трубопроводы 1 и 2 (или каналы 1 и 2) ОВСТ или УОВСТ содержат в каждом канале градуируемые объемные расходомеры 8-9, 10-11 от одного и более штук каждый. Сочетания пар объемных расходомеров таковы: 8 и 10, 9 и 11 и т.д. На выходе трубопровода 2 присоединен управляемый регулирующий вентиль расхода 12, с помощью которого регулируется грубая подача воды в блок 3 от нулевого до наибольшего значения (значений расхода воды или теплоносителя).

На выходе оборотной емкости 3 присоединен первый эталонный блок 22 фиг.1б с объемными расходомерами 25-28, по конструктивному исполнению аналогичный блоку эталонных расходомеров 13, 14, 13′, 14′ на байпасном блоке 3. Эталонный блок 22 служит для поточной индивидуальной градуировки каждого расходомера в составе пар объемных расходомеров 8-11 в каналах 1, 2 по эталонным расходомерам 25-28. Для обеспечения регулировки подачи воды в блок 22 последовательно с расходомерами в каждой ветви соединены высокоточные регулируемые управляемые вентили 29 м 30. Число параллельных ветвей в блоках 3 и 22 зависит от решаемой задачи.

Наибольшее количество градуируемых расходомеров на каждой из ветвей 1 и 2 зависит от размеров устройства и занимаемого рабочего места каждым расходомером с учетом требуемых длин прямых участков.

При полностью закрытом состоянии вентиля 12 и при открытых вентилях 16-17 вода, минуя канал 2, поступает в блок 3, где содержатся эталонные объемные расходомеры 13, 14, 13′, 14′ и высокоточные регулируемые управляемые вентили 15, 15′. Блок 3 построен аналогично блоку 22. Поэтому градуировать эталонные расходомеры блоков 3 и 22 по исходному эталону расхода (далее исходный эталон) 31 можно одновременно. Такой подход к градуировке эталонных объемных расходомеров повышает скорость их градуировки в два раза.

В процессе градуировки 13, 14, 13′, 14′ и 25-28 вода через трубопровод l12 может поступать в блоке эталона 31, либо в мерник 7 или 20, либо через 17 или l20 в оборотную емкость 5. Блок эталона 31 содержит распределитель потока 18, который в зависимости от расхода направляет воду (по трубопроводам l18 или l21) к мернику 7 или 20 соответствующего объема, в которые при подаче команды на измерение поток направляется соответствующим переключателем потока 19, 21. В течение заданного времени вода будет поступать в мерник, а затем при подаче команды на конец измерения переключатель направит поток через трубопроводы l7 или l20 в оборотную емкость 5.

В эталоне 31 вместо мерников 7, 20 могут применяться резервуары, в которых масса поступившей воды определяется с помощью весов.

Из оборотной емкости 5 вода в измерительный канал 6 поступает через трубопровод 24 с помощью нагнетающего блока (или насоса) 23. Таким образом, цикл градуировки расходомеров прямым измерением разности расходов в подающем и обратном трубопроводах в ОВСТ и УОВСТ завершается. Количество повторений этих циклов не ограниченно, но для устранения грубых промахов не менее трех. При неоднократном повторении эксперимента повышается точность градуировки расходомеров.

Все технологические процессы - подача воды, регулирование уровней выходного напряжения расходомеров, открытое и закрытое положение управляемых вентилей, управляемых регулируемых вентилей расхода управляются с помощью индикатора 32. Результаты измерений обрабатываются в индикаторе, и выдается для каждой пары расходомеров паспорт или формуляр установленного образца.

На фиг.1а показана блок-схема устройства градуировки пар объемных расходомеров путем воспроизведения наиболее важных условий работы расходомеров в открытой или условно открытой водяной системе теплоснабжения. По ГОСТ 26691 в открытых водяных системах теплоснабжения вода частично или полностью отбирается из сети потребителями. Типичным примером открытых водяных систем теплоснабжения (ОВСТ) является наличие отбора теплоносителя на горячее водоснабжение в жилых, общественных и производственных зданиях.

Если отбор теплоносителя несанкционированный, то ОВСТ принято называть условно открытой водяной системой теплоснабжения (УОВСТ). Признаком (УОВСТ) являются, например, элементы систем отопления, где имеются краны для удаления воздушных пробок, препятствующих нормальному теплоснабжению. Через эти краны теплоноситель может не санкционировано отбираться. Известно, что в реальных системах теплоснабжения отбор теплоносителя возможен и через штатные элементы (краны, гидранты и т.п.), и через случайные образования (свищи в трубопроводах, неисправности оборудования и т.п.) и расходомер, установленный на трубопроводе горячего водоснабжения, не дает полной информации о количестве теплоносителя, отобранного из системы теплоснабжения. Полное количество теплоносителя, отобранного из ОВСТ или УОВСТ за отчетный период, можно определить только по разности показаний расходомеров, установленных на входе в подающий и на выходе из обратного трубопроводов. Однако погрешность косвенного измерения разности масс теплоносителя по разности показаний расходомеров будет велика даже в случае, если погрешности обоих расходомеров находятся в допускаемых пределах.

При этом учитывается, что масса теплоносителя определяется умножением объема теплоносителя на его плотность, которая определяется по измеренным значениям давления и/или температуры и данным ГСССД 188-99. Объем теплоносителя определяется интегрированием по времени объемного расхода (т.е. показаний расходомеров). Кроме того, обычно пренебрегают зависимостью плотности теплофикационной воды (теплоносителя) от ее давления в системе теплоснабжения.

Для существенного уменьшения погрешности косвенного измерения разности масс теплоносителя, прошедшего по подающему и обратному трубопроводам, целесообразно применять теплосчетчики с прямым измерением разности расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. Однако в существующих устройствах для градуировки расходомеров воспроизводимой и измеряемой величиной является расход теплоносителя (воды). Устройства для проведения поточной градуировки пар расходомеров по разности расходов в двух трубопроводах отсутствуют. Этот недостаток устраняется в предлагаемом устройстве с помощью блока байпасных трубопроводов путем точного (0,15-0.3%) воспроизведения и измерения заданного количества отобранного из сети теплоносителя, существующего в реальной системе водяного теплоснабжения, в том числе и через трубопровод горячего водоснабжения (ГВС).

Отличительной особенностью предлагаемого устройства градуировки является определение метрологических характеристик объемных расходомеров для теплосчетчиков попарно по воспроизведенной разности объемных расходов с помощью присоединенного к обратному трубопроводу 2 блока байпасных трубопроводов 3 с расходомерами 13, 14 и 13′ и 14 и регулирующими вентилями 15, и 15′, кроме того, наличием на трубопроводе 2 регулирующего вентиля расхода 12. С помощью вентилей 12, 15 из обратного трубопровода 2 по открытым в байпасном блоке трубопроводам часть теплоносителя можно пропускать, минуя расходомеры 10, 11. Таким образом, для пар расходомеров 8 и 10, 9 и 11 создается требуемая величина разности расходов теплоносителя, измеряемая с помощью расходомеров 13, 14 и 13′, 14′. Именно этому измеренному с высокой точностью значению разности расходов в трубопроводах 1, 2 ставятся в соответствие выходные сигналы (напряжения) градуируемых (поверяемых) пар расходомеров 8 и 10, 9 и 11 и т.д.

При полностью закрытом вентиле 12 и открытых вентилях 16, 17 расходомеры блока 3 (одновременно с расходомерами блока 22) предварительно градуируются по исходному эталону 31. Пределы допускаемой относительной погрешности эталонных объемных расходомеров 13, 14 и 13′, 14′ при проведении однократных измерений должны быть пренебрежимо малы по сравнению с допускаемыми пределами относительной погрешности градуируемых объемных расходомеров 8, 11. Отношение погрешностей эталонных расходомеров 13, 14 и 13′, 14′ и поверяемых расходомеров 8-11 должно быть не менее 1:3. Такое же отношение погрешностей должно быть у поверяемых расходомеров и эталонных расходомеров блока 22. Наличием на каждой из эталонных линий блоков 3 и 22 двух и более последовательно установленных эталонных расходомеров достигается повышение точности и надежности измерений, наличие регламентировано ГОСТ Р 8.608.

В устройстве эталонные и проверяемые (градуируемые) расходомеры - 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^-3-10 См/м (что выполняется, в том числе для теплофикационной воды, индуцируется электрический заряд и образуется разность потенциалов , (где d - внутренний диаметр трубопровода), которая измеряется с помощью электродов. Выражение для е можно представить как: , где Q - средний расход жидкости в мл/с. Питание расходомера осуществляют переменным или постоянным напряжением. Питание переменным напряжением устраняет электролитическую поляризацию расходомера, если частота достаточно высокая, а также позволяет использовать усилитель переменного тока (индикатор 32 содержит эти усилители) для усиления выходного сигнала 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.

Ошибки при измерении объемного расхода теплоносителя могут возникать 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 напряжения. Величина случайных шумов, возникающих в расходомере, и влияние внешних электромагнитных полей увеличивается с ростом сопротивления теплоносителя.

Наилучшие результаты при градуировке (поверке) пар электромагнитных расходомеров по разности расходов могут быть достигнуты для теплосчетчиков, выпущенных из производства с отработанной технологией и качественной сборкой, например теплосчетчиков типа КМ-5.

В устройстве вентили 16-17 представляют собой управляемые шаровые краны, позволяющие полностью открывать, либо прекращать подачу воды. Управляемые регулируемые вентили 15, 15′ с обратной связью позволяют регулировать расход воды в трубопроводах на основании показаний 13, 14, 13′, 14′. Все вентили стандартные, серийно выпускаемые промышленностью.

Резервуары 7, 20 представляют собой мерники второго разряда по ГОСТ 8.400, если определяется объем жидкости, либо простые резервуары с антикоррозионным покрытием, они должны обеспечивать полный слив жидкости после выполнения измерения, в том числе должны обеспечивать минимальное налипание жидкости на внутренней поверхности.

Принцип работы расходомеров устройства градуировки основан на явлении электромагнитной индукции, при прохождении электропроводящей жидкости через блок 22, эталонные расходомеры 25-28, регулируемые управляемые вентили 29, 30 и магнитное поле с индукцией В в расходомерах наводится э.д.с. Снимаемые сигналы с выходов эталонных и градуируемых объемных расходомеров пропорциональны индукции магнитного поля В, средней скорости прохождения потока жидкости и напряжению поляризации объемных расходомеров.

Способ градуировки объемных расходомеров для теплосчетчиков ОВСТ и УОВСТ осуществляют следующим образом.

Воспользуются тем, что в настоящее время для измерений тепловой энергии и массы теплоносителя, отобранного из ОВСТ и УОВСТ, применяются теплосчетчики, представляющие собой измерительные системы вида ИС-1 по ГОСТ Р 8.596. Алгоритм вычисления тепловой энергии Q и массы теплоносителя, отобранного из тепловой сети ΔM, основан на непосредственной реализации уравнений измерений этих величин, приведенных в МИ. 2412-97 ГСОЕИ «Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и теплоносителя» и имеющих соответственно вид

; где m_i - массовый, q_i - объемный расход; ρ_i=ρ_i(P_i, t_i) - плотность, а h_i=h_i(Р_i, t_i) - энтальпия теплоносителя как функция давления Р_i и температуры t_i в измерительном сечении i-ого трубопровода вычисляют по ГСССД 188-99 Вода. Удельный объем и энтальпия при температуре 0...1000°С и давлениях 0,001...1000 МПа. Таблицы справочных данных (ГСССД, Госстандарт, М.: изд-во Стандартов, 1999. Нижние индексы у величин расхода, плотности, температуры, давления и энтальпии соответствуют: i=1 подающему, а i=2 обратному трубопроводам; h_ХВ - энтальпия холодной (подпиточной) воды (теплоносителя); τ - время, изменяющееся в интервале от τ₀ - начало, τ₁ - окончание отчетного периода.

1 этап. Задают нулевую разность объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах 1, 2, т.е. Δq=0. Этого достигают равенством объемных расходов в трубопроводах, т.е. q₁=q₂, при этом закрывают вентили 16, 17. И если характеристики градуируемой пары расходомеров идентичны, то в качестве градуировочной характеристики при Δq=0 получают идеальную прямую, проходящую симметрично осей координат, фиг.2. Кроме того, при закрытых вентилях 16, 17 расходомеры 8-11 градуируются индивидуально и попарно. На фиг.3 показывают, что реальная градуировочная характеристика при Δq=0 может не совпадать с идеальной, но находится в поле допуска. Далее в зависимости от решаемой задачи градуировку пар расходомеров производят при нескольких выбранных значениях разности расходов в трубопроводах 1 и 2 Δq≠Δq₁≠...≠Δq_n и отличных от нуля. В этом случае также строят зависимости выходных сигналов (напряжение) пары объемных расходомеров U₁, U₂ между собой при заданных значениях разности объемных расходов. Полученное семейство прямых, фиг.4, заносится в индикатор теплосчетчика. Во время градуировки при заданных значениях величин Δq_j не производят операции вычитания значений объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах. Значения расхода q₁ в подающем трубопроводе 1 и разность расходов Δq_j в трубопроводах 1 и 2 устанавливают по показаниям эталонных расходомеров блоков 3 и 22. Для этого с помощью регулируемого управляемого вентиля расхода 12 в байпасный блок подают расход, несколько больший, чем требуемое значение разности расходов Δq_j в трубопроводах 1 и 2. Затем с помощью вентилей 15, 15′ по показаниям расходомеров 13, 14, 13′ 14′ это значение корректируют, максимально приближая его к требуемому значению Δq_j.

2 этап. Добиваются высокой точности измерений разности объемных расходов (0.15-0.3%) путем введения прямого воспроизведения величины разности расходов в двух трубопроводах, измеряемого с высокой точностью, для градуировки (поверки) пары объемных расходомеров, вводимого в теплосчетчике измерительного канала прямого измерения разности объемных расходов теплоносителя, фиг.1а.

Канал прямого измерения разности расходов является сложным измерительным каналом по ГОСТ Р 8.596, на входы которого подают выходные электрические сигналы с расходомеров в подающем и обратном трубопроводах. При определении величины разности объемных расходов в двух трубопроводах с помощью канала прямого измерения разности расходов не применяют операцию вычитания расходов, измеренных расходомерами, и являющуюся источником большой методической погрешности.

3 этап. Градуируют (поверяют) пару объемных расходомеров измерительного канала прямого измерения разности расходов непосредственно по величине разности расходов, воспроизводимой с заранее заданной малой погрешностью. Для этого при заданном значении Δq_j изменяют расход в подающем трубопроводе, и для i точки изменения это значение будет равно q_1i, и вычисляют и коэффициенты преобразования пары объемных расходомеров S_i=S_i(U₁, U₂), где U_1i и U_2i - выходное напряжение градуируемых объемных расходомеров в i - точке. Далее проводится аппроксимация значений S_i прямой, которая и будет градуировочной характеристикой канала прямого измерения разности расходов при значении Δq_j. Все величины, показанные на фиг.2-5, приведены к верхнему пределу измерений.

4 этап. Градуировочную характеристику пары объемных расходомеров канала прямого измерения разности расходов получают следующим образом:

- Устанавливают расходомеры на подающем и обратном трубопроводах поверочного (измерительного) участка устройства, при этом соблюдают требование к выбору длины прямых участков трубопроводов, определенных для данного типа расходомера;

- На установке последовательно устанавливают m значений разности расходов в подающем и обратном трубопроводе Δq_j где j от 0 до m-1, причем Δq₀=0 (количество значений m и их распределение в диапазоне измерений выбирают в зависимости от конкретных требований к точности измерений в решаемой задаче);

- При каждом из m значении Δq_j задают n значений величин расхода в подающем трубопроводе q_1i, где i от 1 до n (количество значений n и их распределение в диапазоне измерений выбирают в зависимости от конкретных требований к точности измерений в решаемой задаче);

- При каждой заданной паре значений величин Δq_j и q_1i проводят проливку пары расходомеров (всего m×n значений) и выходным электрическим сигналам расходомеров U₁ - на подающем трубопроводе, U₂ - на обратных трубопроводах ставят в соответствие значения Δq_j, измеренные с заданной погрешностью 0,15-0,3%.

Путем подбора в пару расходомеров достигают высокой точности градуировки расходомеров с линейной градуировочной характеристикой (этому требованию наиболее удовлетворяют электромагнитные расходомеры, что подтверждают Р 50.2.026-2002).

5 этап. Проводят аппроксимацию точек, полученных в результате проливок, и градуировочные характеристики канала прямого измерения разности расходов представляют как семейство прямых, в прямоугольных координатах, по осям которых отложены выходные сигналы расходомеров U₁, U₂ (фиг.4).

6 этап. Определяют погрешность каждой прямой из семейства градуировочных характеристик канала прямого измерения разности расходов как сумму погрешностей устройства (0,15-0,3%) и погрешности аппроксимации точек градуировки, которую получают при изменении расхода в подающем трубопроводе при Δq_j=const. Погрешность аппроксимации уменьшают путем увеличения количества точек измерений расхода в подающем трубопроводе.

7 этап. Определяют суммарную погрешность канала прямого измерения разности объемных расходов из суммы погрешности каждого расходомера (на фиг.4 выделяют пунктирными линиями) и погрешности интерполяции. Причем погрешность интерполяции уменьшают путем увеличения количества градуировочных прямых. Таким образом, показывают, что погрешность канала прямого измерения разности расходов от измеряемой разности расходов не зависит, и ее оптимизируют на этапе градуировки.

8 этап. Определяют погрешности градуировки канала прямого измерения разности расходов как:

- Выбирают градуируемые объемные расходомеры, однотипные из одной группы изготовления.

- Задают пределы допускаемых относительных погрешностей у каждого расходомера ±δ, в этом интервале допускают произвольный закон изменения погрешности по времени. Допускают, что градуировочные характеристики обоих расходомеров в пределах допускаемых погрешностей линейны. Пренебрегают погрешностью применяемых эталонных средств измерений.

- Производят графическую интерполяцию и по осям координат откладывают выходные и сигналы расходомеров: U₁, находящегося на подающем трубопроводе, и U₂ на обратном - фиг.4, 5.

9 этап. Идеализируют градуировочную характеристику расходомера при закрытом вентиле 12, т.е. при отсутствии разности расходов (т.е. рассматривают математическое ожидание градуировочной характеристики), и представляют прямую, проходящую через начало координат под углом 45° к обеим осям фиг.4, 5, то есть выходные напряжения двух расходомеров U₁ и U₂ - одинаковые (фиг.4, 5).

10 этап. Учитывают погрешности расходомеров, изменяют их показания в допускаемых пределах, в каждой точке измерения. Зону допуска ограничивают квадратом со стороной 2 |δ| (фиг.2). А во всем диапазоне измерений расходов зону допуска представляют полосой, ограниченной линиями, отстоящими от математического ожидания на расстояниях . Подробную градуировку в одной точке представляют на фиг.3. Реальную градуировочную характеристику располагают внутри данной полосы (пунктирная линия), где она может изменять свое местоположение.

Аналогично получают математические ожидания градуировочных характеристик для других значений разностей расходов (фиг.4). Они представляют собой семейство прямых, имеющих уравнения U₁=U₂-ΔU, где ΔU - значение выходного сигнала градуируемого расходомера, соответствующее значению разности расходов.

11 этап. Оценивают (определяют) пределы погрешностей, возникающих при выполнении измерений.

Получают искомое значение разности расходов по измеренным значениям выходных сигналов (напряжений) расходомеров U₁ ⁰ и U₂ ⁰, показывают на графике (фиг.4), и по точке пересечения прямых U₁=U₁ ⁰ и U₂=U₂ ⁰ и ближайшим к ней линиям Δq_j=const путем линейной интерполяции определяют искомое значение Δq между двумя ближайшими к измерительной точке линиям Δq=const. В укрупненном виде данная операция показана на (фиг.5). Видно, что Δq=Δq₁+L≡Δq₂-1, где L и 1 расстояния точки (U₁=U₁ ⁰ и U₂=U₂ ⁰) до ближайших градуировочных характеристик. На фиг.5 дают также оценку пределов значений погрешности определения разности расходов. Данные пределы получают, складывая погрешности определения градуировочной характеристики (полоса ее изменения показана пунктирными линиями) и погрешности расходомеров (полосы их изменения показаны штрихпунктирными линиями). На графике показывают, что наименьшие значения этой погрешности составляет , а наибольшее . Таким образом, например, при δ=1% пределы погрешности измерений разности расходов составят ±2,8%.

Анализом погрешностей показывают оценку пределов возможных значений, погрешности при одновременном стечении наиболее неблагоприятных факторов. Проведением градуировочных работ на предлагаемом устройстве определяют действительные значения погрешностей измерений разности расходов для конкретных пар расходомеров.

Таким образом, предлагаемый способ градуировки расходомеров позволяет:

- Снять ограничение на характер распределения погрешности для обоих расходомеров. Внутри допускаемого интервала изменение погрешностей обоих расходомеров допускают произвольным, что особенно существенно при наличии различных условий при градуировке расходомеров на установке и их применении на реальном объекте.

- Устраняют наибольшую по величине погрешность метода измерений тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя путем отказа от измерений разности масс в подающем и обратном трубопроводах по разности показаний расходомеров, установленных на этих трубопроводах.

- Градуировку или поверку пары расходомеров могут проводить поточным методом на устройстве, где воспроизводят разность расходов теплоносителя с минимальной нормированной погрешностью и соблюдают требуемое соотношение погрешностей для эталонных и градуируемых (поверяемых) средств измерений.

Технико-экономический эффект в предлагаемом изобретении повышается за счет введения в теплосчетчике канала прямого измерения разности расходов, повышают точность путем прямого измерения разности расходов в открытых водяных системах теплоснабжения с помощью пары объемных электромагнитных расходомеров, установленных в подающем и обратном трубопроводах без применения операции вычитания значений расходов. Тем самым решают поставленные задачи, т.е. повышают точность измерений тепловой энергии и массы отобранного из сети теплоносителя в открытых и условно открытых водяных системах теплоснабжения, сохраняя при этом возможность поточной градуировки (поверки) пар расходомеров теплосчетчиков, что выгодно отличается от выбранного прототипа и аналога.

В ООО «ТБН энергосервис» проведен анализ пределов погрешности градуировки каналов прямого измерения разности расхода теплосчетчиков с помощью предлагаемых устройства и способа.

Повышение точности измерений массы отобранного из сети теплоносителя, получаемое в результате предлагаемого способа градуировки пары расходомеров на предлагаемом устройстве, наиболее наглядно показывают при оценке предельных погрешностей результатов измерений, реально возникающих на практике.

Пусть показания расходомеров будут М₁ и М₂, а значения их относительных погрешностей при выполнении измерений будут δ₁ и δ₂. Требуется найти погрешность измерений разности ΔМ=М₁-M₂.

Абсолютные погрешности измеряемых величин М₁ и М₂ определяют как

Δ₁=M₁ δ₁ и Δ₂=М₂ δ₂.

Измеренные значения массы теплоносителя с учетом погрешности пары расходомеров определяют как М₁+Δ₁=M₁+δ₁ M₁ и М₂+Δ₂=М₂+δ₂ М₂.

Абсолютная погрешность измерений разности масс ΔM по определению равна

Δ_ΔM=(М₁+δ₁ М₁-М₂-δ₂ M₂)-(М₁-М₂).

Тогда относительная погрешность измерений разности масс ΔM запишется как ,

после приведения подобных членов получают окончательно .

Следует отметить, что формула (δ) справедлива для разности значений любых физических величин (температур, давлений, расходов и т.д.). Применительно к измерению разности масс теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах эта формула приводится в нормативном документе МИ 2553-99.

Для наглядности применения формулы для определения погрешности 5 рассматривают в устройстве градуировки пары объемных расходомеров ряд практических примеров, в которых определяют относительную погрешность измерений массы условно отобранного из сети теплоносителя.

Для простоты в приведенных ниже примерах учитывают только погрешность расходомеров. Практически это достигают тем, что в теплосчетчиках показания датчиков температуры - термопреобразователей сопротивления платиновых имитируют с помощью высокоточных резисторов. Сопротивления эталонных сопротивлений подбирают по ГОСТ 6651, чтобы имитировались значения температуры в подающем трубопроводе t₁=120°С и в обратном t₂=70°С (при таких температурах проводят показательные расчеты для московских тепловых сетей). Исходные данные выбирают из конкретных практических ситуаций.

Пределы допускаемой относительной погрешности обоих расходомеров в составе теплосчетчика выбирают ±1%. (Следовательно, такими же по условию будут пределы погрешности измерений массы по каждому трубопроводу).

Измеренные значения массы теплоносителя выставляют: на подающем трубопроводе М₁=100 т, на обратном М₂=90 т.

а. Пара расходомеров не согласованная. Действительные значения погрешностей расходомеров, полученные на устройстве градуировки, составляют δ₁=-0,6% и δ₂=+0,3%, подставляют их в формулу для δ и получают

б. Пара расходомеров согласованная. Оценивают действительные значения погрешностей расходомеров на устройстве градуировки, по абсолютной величине получают такими же, как и в примере а, но знаки у них будут одинаковыми, отрицательными, т.е. δ₁=-0,6% и δ₂=-0,3%. Тогда по б получают

Видно, что согласование расходомеров по метрологическим характеристикам дает ощутимое повышение точности измерений.

в. Выбирают пару согласованных расходомеров, а значения их погрешностей, как и в примере б, будут δ₁=-0.6% и δ₂=-0.3%, измеренные значения массы составят М₁=100 т и М₂=99 т, тогда

г. Наибольшую погрешность для несогласованной пары расходомеров (погрешности которых остаются в допускаемых пределах) получают, когда δ₁=-1.0% и δ₂=+1.0%, тогда при измеренных значениях масс М₁=100 т и М₂=99 т погрешность измерений разности масс составит

Из случая (в) видно, что согласование расходомеров по метрологическим характеристикам при уменьшении разности расходов в подающем и обратном трубопроводах в ситуациях наиболее часто встречающихся на практике уже не дает никакого эффекта и в предельных случаях эта погрешность может иметь неприемлемо высокие значения.

Таким образом, из приведенных выше примеров видно, что основным источником погрешности измерений разности масс является применение метода измерений разности масс по разности показаний расходомеров. Погрешность измерений разности масс, вызванная применением предлагаемого способа градуировки объемных расходомеров, неприемлемо высока, даже если погрешности расходомеров находятся в допускаемых пределах и согласованы по знаку.

Анализ формулы погрешности позволяет сделать следующие выводы:

Если теплоносителя из водяной системы теплоснабжения отбирается достаточно много (10% и более, что на практике встречается редко), знаки погрешностей обоих средств измерений совпадают, то погрешность разности уменьшается, поэтому в некоторых случаях целесообразно подбирать средства измерений в согласованную пару. При этом погрешности обоих средств измерений должны носить систематический характер и сохранять стабильность во времени (что на практике весьма проблематично).

Уменьшение значения измеряемой величины М₁-М₂ приводит к возрастанию погрешности ее измерений не зависимо от величин и знаков погрешностей обоих средств измерений. Повышать точность измерений разности объемных в этом случае можно, только отказавшись от применения косвенного метода измерений разности и перейдя к изобретению способа прямого измерения искомой разности М₁-М₂. Для этого необходимо применять теплосчетчики с каналом прямого измерения разности расходов в подающем и обратном трубопроводах.

Градуировать пары расходомеров для таких теплосчетчиков следует на предлагаемом устройстве предлагаемым способом.

Устройство и способ предназначены для поточной индивидуальной и попарной градуировки расходомеров, применяемых в теплосчетчиках. Устройство содержит подающий, обратный и блок байпасных трубопроводов. С помощью байпасных трубопроводов создают разность расходов в подающем и обратном трубопроводах и этим имитируют движение теплоносителя в открытой водяной системе теплоснабжения. Пары градуируемых расходомеров устанавливают в подающем и обратном трубопроводах. На каждом байпасном трубопроводе последовательно установлено два и более эталонных расходомеров и управляемый регулируемый вентиль для точной регулировки расхода. Грубую регулировку подаваемой разности расходов осуществляют с помощью управляемого регулируемого вентиля, расположенного на обратном трубопроводе. Поточная градуировка расходомеров при отсутствии отбора теплоносителя производится по блоку эталонных расходомеров, конфигурация которого аналогична байпасному блоку. Устройство оснащено исходным эталоном расхода с переключателями потока и эталонными мерниками (или весами). По исходному эталону одновременно градуируют эталонные объемные расходомеры в эталонном и байпасном блоках с погрешностью ±0,15-0,3%. Способ и устройство повышают точность градуировки. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ градуировки объемных расходомеров теплосчетчика, характеризующийся определением расходов в открытых и условно открытых водяных системах теплоснабжения, воспроизведением путем пропускания теплоносителя в подающем, обратном и байпасном трубопроводах, определением коэффициента преобразования поверяемых объемных расходомеров и регистрацией в индикаторе, при котором по показаниям эталонных объемных расходомеров задают объемные расходы в подающем трубопроводе, по показаниям эталонных объемных расходомеров на байпасных трубопроводах задают дискретные значения разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах, равное нулю и более, и определяют идентичность и линейность характеристик градуируемых пар объемных расходомеров, при этом каждый расходомер градуируют индивидуально и попарно, по показаниям расходомеров блоков эталонного и байпасного определяют расход в подающем трубопроводе и разность объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах и строят семейство градуировочных характеристик канала прямого измерения разности расходов в прямоугольных координатах, повышают точность измерений объемных расходов путем градуировки пары объемных расходомеров с линейными градуировочными характеристиками и прямого измерения разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах от величины реализуемой разности объемных расходов теплоносителя, при этом одновременно определяют зависимости объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах от выходных сигналов (напряжения) расходомеров, затем производят прямое измерение разности расходов по непосредственно воспроизведенной величине этой разности расходов с минимальной заданной погрешностью и времени усреднения расхода для m-ого количества значений выходных напряжений объемных расходомеров, строят зависимость выходного напряжения расходомера подающего трубопровода от выходного напряжения расходомера обратного трубопровода при заранее заданных погрешностях воспроизведенных разностей расходов, осуществляют измерение разности объемных расходов с высокой точностью и графически отображают наименьшее значение возможной погрешности и наибольшее значение погрешности где L- искомое расстояние точки измерения до ближайшей градуировочной характеристики пары расходомеров по разности объемных расходов, L′ - оценка наименьшего из возможных значений L, L′′ - оценка наибольшего из возможных значений L, δ - среднее квадратичное отклонение.2. Устройство для градуировки объемных расходомеров теплосчетчика, содержащее разделенные группой колен или вытянутые в одну линию подающий и обратный трубопроводы с установленными в них последовательно соединенными объемными расходомерами, блок байпасных открытых и условно открытых водяных систем теплоснабжения, содержащий одну или более параллельных ветвей байпасных трубопроводов, каждый из которых соединен параллельно с обратным трубопроводом через управляемые регулируемые вентили, а в каждой ветви байпасного трубопровода последовательно с не менее чем двумя рабочими эталонными объемными расходомерами соединены управляемые регулируемые вентили, при этом вода в устройство поступает из оборотной емкости в измерительный канал подающего трубопровода, ко входу которого подсоединен блок рабочих эталонных расходомеров, а с выхода обратного трубопровода вода поступает в исходный эталон объемного расхода, состоящий из распределителя потока и мерников объема, причем все управляемые и сигнальные выходы объемных расходомеров и управляемых вентилей соединены с входами индикатора.