Способ определения тепловой энергии и массы утечек теплоносителя в закрытых водяных системах теплоснабжения и теплосчетчик для его реализации Российский патент 2020 года по МПК G01K17/16 G01K19/00 G01F25/00 

Изобретение относится к экспериментальной технике и может быть использовано при измерениях тепловой энергии, количества и параметров теплоносителя на объектах (промышленных, жилых, коммунальных, и т.д.), имеющих водяные системы теплоснабжения (ВСТ).

Известен теплосчетчик для определения тепловой энергии и массы теплоносителя, с учетом составляющих, штатно отобранных из открытых ВСТ. Конструкция теплосчетчика располагается на подающем и обратном трубопроводах ВСТ. На подающий трубопровод монтируют объемный электромагнитный расходомер (ОЭР), преобразователь температуры (ПТ) и преобразователь давления (ПД), имеются также блок вычитания температуры, блок вычитания плотности, удельной энтальпии, массы теплоносителя, памяти и ПТ окружающей среды. На обратном трубопроводе монтируют ОЭР, ПТ и ПД, есть также второй блок вычитания температуры, блоки вычитания плотности, удельной энтальпии, массы теплоносителя, памяти и ПТ окружающей среды. Теплосчетчик имеет блоки: деления давления, массы теплоносителя, объемных расходов теплоносителя и индикатор, кроме того, блок измерений массы теплоносителя, отобранного из открытой ВСТ на горячее водоснабжение.

Такое конструктивное решение для теплосчетчика позволяет в открытых ВСТ определять объемный и массовый расход теплоносителя прямым измерением (Патент РФ №2300086 Теплосчетчик и способ определения тепловой энергии теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения авторы: Теплышев В.Ю., Бурдунин М.Н., Варгин А.А. 2007).

Недостатки такого теплосчетчика: отсутствие возможностей определения для закрытых ВСТ: массы теплоносителя и его тепловой энергии, ушедших с утечками, отсутствие возможности измерений разностей температур теплоносителя, использование численных значений разностей температур.

Известен способ определения тепловой энергии и массы теплоносителя в открытых ВСТ. В подающем и обратном трубопроводах определяют плотность, температуру, удельную энтальпию теплоносителя и отдельно холодной воды (применяемой для подпитки ВСТ). Вычисляют тепловую энергию теплоносителя по уравнению, связывающему значения удельных энтальпий и массовых расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, в которых задают также перепад температур и регистрируют тепловые шумы на выходах ОЭР, ПД, и ПТ. В подающем и обратном трубопроводах задают дискретные значения расхода теплоносителя от наименьшего до наибольшего, затем наоборот. При этом поддерживают постоянное избыточное давление и температуру. Определяют суммарные сигналы шумов на выходах ОЭР, ПД и ПТ и регистрируют в индикаторе. Из зарегистрированных сигналов с выходов ОЭР, ПД и ПТ, смешанных с шумами, вычитают суммарные сигналы шумов, получают полезные сигналы без влияния шумов. Причем путем деления выходных сигналов приборов подающего трубопровода на выходные сигналы приборов обратного трубопровода получают отношение двух сигналов и выбирают его как тестовый сигнал. В процессе эксплуатации определяют коэффициент преобразования приборов в подающем и обратном трубопроводах и вводят соответствующую коррекцию в объемный расход и массу теплоносителя и хронять в индикаторе.

Такой способ позволяет определять в открытых ВСТ объемный и массовый расходы теплоносителя прямым измерением (Патент РФ №2300086 Теплосчетчик и способ определения тепловой энергии теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения авторы: Теплышев В.Ю., Бурдунин М.Н., Варгин А.А., 2007).

Недостатки этого способа: отсутствие возможностей определения в закрытых ВСТ массы теплоносителя и его тепловой энергии, ушедших с утечками, а также в отсутствии возможностей измерения разностей температур, теплоносителя, использование численных значений разностей температур.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является теплосчетчик, монтируемый на подающий и обратный трубопроводы ВСТ. Каждый трубопровод в отдельности: и подающий, и обратный, оснащены по одному ОЭР, имеющими линейную градуировочную характеристику. Каждый трубопровод содержит также преобразователи давления ПД и температуры ПТ, блоки вычисления плотности, удельной энтальпии, массового расхода, массы. В теплосчетчике имеются блоки вычисления удельной энтальпии холодной воды и вычисления тепловой энергии холодной воды. Теплосчетчик содержит также блок измерения разности объемных расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. С помощью комплекта ПТ измеряют температуру в подающем и обратном трубопроводах: и одиночным ПТ в трубопроводе подпитки. Классы точности применяемых ПТ и комплектов ПТ выбираются исходя из требуемых пределов допускаемой относительной погрешности измерений температуры и разности температур. Избыточное статическое давление в трубопроводах контролируется с помощью одного из известных видов ПД. Наиболее приемлемыми, при решении данной задачи, считаются ПД видов: тензометрические, емкостные, пьезоэлектрические и т.д.

Такой теплосчетчик позволяет в открытых ВСТ определять прямым измерением объемный и массовый расходы теплоносителя (Патент РФ №2300087 Теплосчетчик и способ определения тепловой энергии теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения авторы: Теплышев В.Ю., Бурдунин М.Н., Варгин А.А., 2007).

Недостатки такого теплосчетчика: отсутствие возможностей определения массы теплоносителя и тепловой энергии, ушедших с утечками в закрытых ВСТ; отсутствии возможностей измерений: разностей температур, теплоносителя, использование численных значений разностей температур.

Наиболее близким техническим решением является способ определения объемных расходов теплоносителя в водяных системах теплоснабжения путем прямых измерений. В стадии градуировки на оба ОЭР для подающего и обратного трубопроводов с установленной дискретностью подают эталонные объемные расходы теплоносителя, от наименьшего до наибольшего измеряемого значения и строят для каждого ОЭР зависимости их выходных сигналов от расходов, поступающих на их входы, получая две линейных градуировочных характеристики. После этого в подающем и обратном трубопроводах измеряют значения объемных расходов q₁, и q₂, а также температур t₁ и t₂ и давлений Р₁ и Р₂ теплоносителя для вычисления плотностей ρ₁ и ρ₂ и удельных энтальпий h₁, и h₂. Измеряют температуру холодной воды в трубопроводе подпитки t_xв для вычисления удельной энтальпии холодной воды h_xв в трубопроводе подпитки ВСТ, отличающийся тем, что разность объемных расходов и разность плотностей теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах получают прямым измерением. Затем определяют значение тепловой энергии Q за заданный интервал времени от τ₀ до τ₁. Определяют разность массовых расходов Δm=ρ₂Δq_э+q₁Δρ; где Δq_э=q₁-q₂ - разность объемных расходов и Δρ=ρ₁-ρ₂ - разность плотностей подающем и обратном трубопроводах; m₂=ρ₂q₂ - массовый расход теплоносителя в обратном трубопроводе. При этом масса теплоносителя, штатно отобранного из ВСТ (на горячее водоснабжение и т.п.) определяется как: Алгоритмы программного обеспечения теплосчетчиков на основе действующих нормативных документов.

Такой способ позволяет прямым измерением определить в открытых ВСТ объемный и массовый расходы теплоносителя (Патент РФ №2300087 Теплосчетчик и способ определения тепловой энергии теплоносителя в открытых водяных системах теплоснабжения авторы: Теплышев В.Ю., Бурдунин М.Н., Варгин А.А., 2007).

Недостатки этого способа: отсутствие возможностей: определения в закрытых ВСТ значений массы теплоносителя и его тепловой энергии, ушедших с утечками; а также измерений разностей температур. В настоящее время составляющая тепловой энергия, уходящая из ВСТ с утечками не измеряется, а, определяется расчетным путем

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений разности объемных и массовых расходов в подающем и обратном трубопроводах ВСТ. Это достигается за счет прямого измерения разности объемных расходов, на основе индивидуальной и парной (совместной) градуировки объемных электромагнитных расходомеров (ОЭР) в составе теплосчетчика. При этом повышается точность измерения массы утечек теплоносителя, а также тепловой энергии, с учетом ее составляющей, уходящей из ВСТ с утечками.

Технический результат достигается тем, что теплосчетчик для определения тепловой энергии и массы утечек теплоносителя в закрытых водяных системах теплоснабжения, с подающим, обратным трубопроводами, каждый трубопровод в отдельности подающий, обратный оснащены по одному объемному электромагнитному расходомеру, каждый из которых имеет линейную градуировочную характеристику, преобразователь давления и температуры, блоку вычисления плотности и удельной энтальпии, общий блок прямого измерения разности объемных расходов, общий блок вычисления разности массовых расходов, общий блок вычисления массы отобранного из сети теплоносителя (т.е., массы утечек), выходы блоков измерения температуры и давления, соответственно соединены с входами блоков вычисления удельных энтальпий (h₁, h₂), плотностей (ρ₁, ρ₂) и измерения температур (t₁, t₂), выходы блоков плотностей ρ₁, ρ₂ соединены с входами блока разности плотностей Δρ, выход объемного электромагнитного расходомера q₁ соединен к входу блок вычисления разности массовых расходов Δm, выходы объемных электромагнитных расходомеров q₁, q₂ соединены к входам блока разности объемных расходов Δq, а выход этого блока через блок вычисления разности массовых расходов Δm соединен к входу блока массы утечек теплоносителя М_у, выход блока плотности ρ₂ соединен с входом вычисления разности массовых расходов Δm, в нем дополнительно введены блок вычисления массового расхода в подающем трубопроводе m₁, блок разности температур Δt, выход блока разности температур Δt соединен с входом блока разности плотностей Δρ, выходы блоков вычисления удельных энтальпии (h₁, h₂) через блоки вычисления разности удельных энтальпии Δh соединены с входом блока измерения тепловой энергии Q, другой выход блока удельной энтальпии h₂ обратного трубопровода соединен к входу блока измерения тепловой энергии Q, выход блока плотности ρ₁ соединен к входу блока массового расхода в подающем трубопроводе m₁, выход объемного электромагнитного расходомера q₁ через блок вычисления массового расхода m₁ подающего трубопровода соединен к входу блока измерения тепловой энергии Q (индикатора).

Технический результат достигается тем, что в способе определения тепловой энергии и массы утечек теплоносителя в закрытых водяных системах теплоснабжения за рассматриваемый период времени от τ₀ до τ₁, измеряют в подающем и обратном трубопроводах значения: объемных расходов q₁ и q₂, а также температур t₁ и t₂, и давления Р₁ и Р₂ для вычисления плотностей ρ₁ и ρ₂, удельных энтальпий h₁ и h₂, разности Δq объемных расходов q₁ и q₂, разности Δρ плотностей ρ₁ и ρ₂, разности массовых расходов Δm=q₁Δρ+ρ₂Δq и массы утечек теплоносителя причем до выполнения измерений осуществляют градуировку пары ОЭР теплосчетчика: при нескольких значениях разности объемных расходов Δq, исходя из того, что в существующем равенстве Δq=q₁-q₂=const, значения Δq изменяются от наименьшего до наибольшего значений при градуировке для каждого выбранного значения Δq задают выбранные объемные расходы в подающем трубопроводе q₁, а расходы в обратном трубопроводе q₂ определяют как q₂=q₁-Δq, причем для каждого выбранного значения Δq, включая точку Δq=0, строят линейнеаризованные зависимости выходного напряжения U(q₂) с ОЭР на обратном трубопроводе от выходного напряжения U(q₁), с ОЭР на подающем трубопроводе, все такие зависимости хранят в блоке определения разности объемных расходов теплоносителя Δq, в нем, в теплосчетчике, тепловую энергию определяют по уравнению которое учитывает все значимые составляющие тепловой энергии, израсходованные потребителем за рассматриваемый период времени τ₁-τ₀ в границах балансовой принадлежности объекта, где установлен теплосчетчик, это означает, что измеренное с помощью него значение тепловой энергии определяют по значениям тепловой энергии теплоносителя, поступившего по подающему трубопроводу с массовым расходом m₁=q₁ρ₁, с разностью значений удельных энтальпий Δh в подающем и обратном трубопроводах, разности массовых расходов Δm и удельной энтальпии в обратном трубопроводе h₂, кроме того, уравнение Q² разделяют на две составляющие тепловой энергии: для идеально закрытых ВСТ, вычисляемой по формуле и составляющей тепловой энергии Q^У, уходящей из ВСТ с утечками - и, следовательно, для закрытых ВСТ тепловую энергию определяют как: Q²=Q^M+Q^У, затем определяют значения оценок пределов относительных погрешностей измерений тепловой энергии для Q² и массы утечек теплоносителя далее выявляют: для какого из трех возможных на практике вариантов сочетаний двух ОЭР и двух датчиков температуры, входящих в состав теплосчетчика, получают наименьшие значения оценок пределов относительных погрешностей измерений разности температур Δt и разности массовых расходов Δm, и, как следствие, оценок пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии по уравнению измерений Q² и массы утечек теплоносителя по М_у;

- два одиночных ОЭР, и два одиночных датчика температуры, измеряющих значения расходов q₁ и q₂ и температур t₁ и t₂ подающем и обратном трубопроводах, при этом получают наибольшие значения для оценок пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии, которые определяют по формуле:

причем относительная погрешность измерений разности массовых расходов Δm в подающем и обратном трубопроводах закрытых ВСТ, при наличии двух одиночных ОЭР равна бесконечности;

- пара датчиков температуры и два одиночных ОЭР, измеряющих значения температур t₁ и t₂, разности температур Δt=t₁-t₂ и значения расходов q₁ и q₂, при этом значение Δt измеряют как единое целое, а оценка пределов относительной погрешности измерении Δt-δ_Δt, совпадает с оценкой пределов относительной погрешности измерении Δh-δ_Δh, при этом значения оценок пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии, определяют по формуле:

эти пределы меньше, чем , а относительная погрешность измерений массы утечек теплоносителя для закрытых ВСТ при наличии двух одиночных ОЭР также равна бесконечности;

- пары ОЭР, и пары датчиков температуры, измеряющих значения объемных расходов q₁ и q₂, температуры t₁ и t₂, а также разности температур Δt и разности объемных расходов Δq, при этом каждое из значений и Δt, и Δq, измеряют как единое целое, а значение δ_Δm - оценки относительной погрешности измерений разности массовых расходов Δm выражают, в том числе, через оценки пределов значений относительной погрешности измерений разности объемных расходов δ_Δq с соблюдением правил алгебраического суммирования составляющих погрешностей, при этом оценки пределов относительных погрешностей измерений тепловой энергии определяют как:

где в и верхний индекс в скобках указывает на номер варианта компоновки теплосчетчика средствами измерений расхода и температуры, а нижний индекс «Q²» - указывает на то, что оценки пределов погрешности производятся для уравнения измерений Q², которое при значении Δm=0 переходит в уравнение измерений для идеально закрытой ВСТ Q^M, параметр β₁=t₂/t₁ введен, аналогично параметру β=h₂/h₁, при этом очевидно, что β≈β₁, а при определении пределов относительной погрешности измерений массы утечек теплоносителя М_у, при наличии пары ОЭР сводится к определению пределов относительной погрешности измерений разности массовых расходов Δm, т.е ±(δ_Δm)_max, которую записывают, в виде алгебраической суммы пределов значений относительных погрешностей всех слагаемых с учетом их максимальной корреляции из-за значительной зависимости всех задействованных величин от температуры, т.е. и на выходе из индикатора получают необходимые параметры, указанные в программном обеспечении, эксплуатационных документах и прошитые в памяти теплосчетчика.

На чертеже изображена блок - схема теплосчетчика с прямым измерением разности объемных расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах в закрытых ВСТ. На блок-схеме теплосчетчика изображены подающий 1, обратный 2 трубопроводы, которые условно показаны в виде двух прямых линий, (на установке соединенных между собой с помощью колен, 1'', 2''). В теплосчетчике на подающем трубопроводе 1 имеются: объемный электромагнитный расходомер q₁ (ОЭР) 3, преобразователь температуры t₁ (ПТ) 5 и давления Р₁ (ПД) 4, блоки вычисления плотности ρ₁ 6, удельной энтальпии h₁ 7, на обратном трубопроводе 2 имеются аналогичные блоки, т.е. ОЭР q₂ 8, ПТ t₂ 9, ПД Р₂ 10, блоки вычисления плотности ρ₂ 11 и удельной энтальпии h₂ 12 теплоносителя, а также вентиль 15. Общими для подающего и обратного трубопроводов являются блоки вычисления разности температур Δt=t₁-t₂ 13 и вычисления разности удельных энтальпий Δh=h₁-h₂ 14. В отличие от прототипа, блок вычисления разности температур 13 и вентиль 15 в устройстве введены дополнительно. Устройство также содержит блок вычисления разности плотностей Δρ=ρ₁-ρ₂ 16, блок прямого измерения разности объемных расходов Δq=q₁-q₂ 17, теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, блок вычисления разности массовых расходов Δm=q₁Δρ+ρ₂Δq 18, блок вычисления массового расхода в подающем трубопроводе m₁=ρ₁q₁ 19. Причем блок вычисления массового расхода m₁=ρ₁q₁ 19 в устройстве введен дополнительно (тогда как в прототипе для открытых ВСТ вычисление массового расхода производят в обратном трубопроводе m₂=ρ₂q₂), а также блок массы отобранного из сети теплоносителя, (т.е., массы утечек теплоносителя в закрытой ВСТ) 20 и блок вычисления измеряемой тепловой энергии 21, т.е. Для выявления отличительных особенностей предлагаемого в настоящем изобретении уравнения измерений тепловой энергии Q² для закрытых ВСТ с утечками, сравним его с уравнением измерений тепловой энергии, применяемым для открытых ВСТ, т.е. - значения удельных энтальпий среды в трубопроводах подающем, обратном и подпитки; m₂-массовый расход в обратном трубопроводе открытой ВСТ. Уравнение Q³, в отличие от Q², при значении Δm=0 переходит в уравнение измерений , которое пригодно идеально закрытой ВСТ, однако оно не эквивалентно уравнению, указанному в Методике для российсиких закрытых ВСТ (с утечками), имеющему вид Уравнение Q⁰ для российских закрытых ВСТ Методикой к применению не допускается. Кроме того, составляющую тепловой энергии, уходящую из закрытых ВСТ с утечками, т.е. непосредственно определить из уравнения Q³ нельзя необходимо проводить перерасчет. Поэтому применять уравнение измерений Q³ для закрытых ВСТ с утечками не целесообразно. Из сравнения Q² и Q³ следует также, что в закрытых ВСТ штатно отсутствует подпиточный трубопровод, по которому поступает исходная холодная вода, применяемая для подпитки открытых ВСТ (параметры этой воды измеряются до ее подготовки: механической и химической очистки, деаэрации и т.п.). Следует подчеркнуть также, что трубопроводы подпитки имеются только на источниках тепловой энергии, у потребителей их быть не может в принципе, поэтому учет тепловой энергии холодной воды, применяемой для подпитки, у потребителей должен рассматриваться особо, что не входит в предмет настоящего изобретения. Поэтому узел подпиточного трубопровода должен являться предметом для отдельного изучения. Вентиль 15 в конце обратного трубопровода 2 установлен для удаления воздушных пузырей, образующихся от засорения воды воздухом (неисправные насосы и т.п.) и последующей не качественной деаэрации, выполняемой, в том числе, с целью определения реального объемного расхода теплоносителя.

Масштабы утечек, существуществующих в российских закрытых ВСТ оценены в нормативном документе «Методика осуществления коммерческого учета тепловой энергии, теплоносителя. Зарегистрирована в Минюсте России, №34040 от 12.09.2014» (Методика). Из статьи 91 Методики, видно, что по нормам теплоноситель в закрытых российских ВСТ может полностью замениться за 400 часов, или менее чем за 17 суток (поэтому российские закрытые ВСТ на практике называют «условно закрытые ВСТ»). В российских закрытых ВСТ утечки теплоносителя разделяются на нормативные и сверхнормативные. К нормативным утечкам относятся потери теплоносителя при регламентных работах (перечень таких работ и нормы утечек для них утверждаются в установленном порядке). К утечкам сверхнормативным (на практике многократно превосходящим нормативные) относятся потери теплоносителя при нештатных ситуациях: из-за аварий при нарушениях правил эксплуатации ВСТ, от стихийных бедствий, а также несанкционированного использования теплоносителя (хищение) и т.п. В настоящее время каждый из факторов является предметом отдельного изучения и не входит в содержании предложенного изобретения.

Введенные обозначения в блоках вычислений: разности температур Δt=t₁-t₂ 13, разности удельных энтальпий Δh=h_l-h₂ 14, разности плотностей Δρ=ρ₁-ρ₂ 16, и блока вычисления разности массовых расходов Δm=q₁Δρ+ρ₂Δq 18, показывают, что значения этих параметров получены с помощью специально подобранных при выпуске из производства согласованных пар датчиков температуры, позволяющих сделать наименьшими погрешности измерений разностей значений t₁ и t₂, т.е. t₁-t₂, а отсюда и значений h₁-h₂ и ρ₁-ρ₂ т.д. Такая практика применяется всюду, в том числе, реализована и в стандарте Евросоюза EN 1434-1: 2007 «Heat meter. Part 1. General requirement)). Дополнительно используются также пары ОЭР, позволяющие существенно уменьшить относительную погрешность измерений разности объемных расходов Δq=q₁-q₂ 17, а отсюда и Δm=q₁Δρ+ρ₂Δq. Используемые датчики температуры, ОЭР, либо расходомеры другого вида, должны иметь линейную градуировочную характеристику (у ОЭР из всех известных видов средств измерений объемного расхода жидкости градуировочная характеристика наиболее близка к линейной, кроме того, у них наибольший диапазон измерений, поэтому применение ОЭР в теплосчетчиках наиболее предпочтительно).

Выходы блоков измерений температуры ПТ 5, 9 и давления ПД 4, 10 соответственно соединены с входами блоков вычисления удельной энтальпии (h₁, h₂) 7, 12, плотности (ρ₁, ρ₂) 6, 11. Выходы блоков вычисления удельных энтальпий (h₁, h₂) 7, 12 через блок вычисления разности удельных энтальпии (Δh) 14 соединены с входом блока измерения тепловой энергии Q 21 (индикатор), другой выход блока 12 удельной энтальпии h₂ соединен к входу блока 21. Выходы блоков плотностей (ρ₁, ρ₂) 6, 11, разности температур Δt 13 соответственно соединены с входами блока разности Δρ 16 и блока вычисления массового расхода m₁, 19. Выход ОЭР q₁ 3, соединен к входу блока вычисления разности массовых расходов Δm=q₁Δρ+ρ₂Δq 18, и через блок вычисления массового расхода m₁ 19 соединен к входу блока измерения тепловой энергии Q 21. Выходы ОЭР q₁ 3, q₂ 8 соединены к входам блока разности объемных расходов Δq 17, а выход этого блока через блок вычисления разности массовых расходов Δm 18 соединен к входу блока массы утечек теплоносителя М_у.

Для оценки пределов относительной погрешности измерений разности температур Δt в подающем и обратном трубопроводах использованы зависимости из Методики (статья 115, сумма составляющих пунктов в) и г), согласно которым: (δ_Δt)_max=±[(0,5+3Δt_min/Δt)+(0.5+Δt_min/Δt)], %, где Δt-значение измеряемой разности температур, a Δt_min - нижний предел измерений разности температур, выбираемый из ряда 1, 2, 3°С (по Методике штатное значение Δt_min=3°С) в зависимости от класса применяемого комплекта ПТ. Опыт эксплуатации ВСТ показывает, что реализуемые на практике значения разности температур в подающем и обратном трубопроводах ВСТ не велики и редко превышают значение Δt=40°С. Поэтому авторы предлагают для повышения точности измерений в условиях эксплуатации измерять разность температур Δt в реальном времени, путем введения в теплосчетчике пары датчиков температуры t₁ и t₂ 5, 9 и блока вычисления разности температур Δt 13.

Избыточное давление в подающем и обратном трубопроводах контролируется с помощью одного из известных типов ПД. Преобразователи давления 4, 10 контролируют избыточное статическое давление. Их виды разнообразны. Наиболее распространенными считаются тензометрические, емкостные, пьезоэлектрические, и т.д. На выход ПД установлены усилители согласования и усиления, которые также входят в комплект теплосчетчика - стандартный. Точность измерения избыточного давления от 0,1 до 0,5%. Как правило, их градуировочные характеристики аппроксимированы линейно.

Принцип преобразования давления в электрический сигнал состоит в том, что при изменении давления на приращение Δр изменяется сопротивление тензорезистивного ПД 4, 10 на ΔR и соответственно изменяется приращение ΔR/R. Выходное напряжение тензометрического ПД изменяется пропорционально ΔR/R и напряжению питания.

В блоках вычисления плотности 6, 11, удельной энтальпии 7, 12, соответственно вычисляют зависимости ρ_i=ρ_i(P_i,t_i); h_i=h_i(P_i,t_i), а в блоках вычисления разности массовых расходов Δm 18, массового расхода m₂ 19 и массы утечек теплоносителя (массы отобранного из сети теплоносителя) закрытых ВСТ М_у 20, вычисления этих параметров осуществляют согласно требований нормативных документов, например МИ 2412-97 «Государственная система обеспечения единства измерений. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя». Все эти блоки и индикатор 21 известны в электронной технике, они стандартные. В блоке 17 прямого измерения разности объемных расходов Δq в подающем и обратном трубопроводах при каждом заданном значении Δq, составляющем: -10, …-4, -2, 0; 2; 4; …; 10% от наибольшего расхода в подающем трубопроводе q_1max, строят зависимости выходных напряжений ОЭР 3, 8, т.е. U(q₂) 8 и U(q₁) 3 между собой. Которые при каждом значении Δq аппроксимируют линейно. Тогда, например, при Δq=0, подразумевается, что пара идентичных расходомеров в подающем и обратном трубопроводах при одинаковых значениях объемного расхода имеет и одинаковые выходные сигналы (напряжения), т.е. U₁=U₂, и градуировочная характеристика проведенная, через все полученные значений будет прямой симметричной относительно осей координат. На практике, даже когда Δq=0, реальная градуировочная характеристика пары расходомеров из-за их индивидуальных погрешностей будет несимметричной. Аналогичные отклонения выходных напряжений U(q₂) 8 и U(q₁) 3 идеальной прямой получаются и для других значений Δq_i, как больших, так и меньших нуля. Все реальные градуировочные характеристики, полученные (проверенные) на стендах, прошиты в блоке Δq 17. Окончательно вычисления разности массовых расходов и массы утечек теплоносителя в закрытых ВСТ, проводятся без применения операции вычитания. И осуществляются в блоке Δm 18 и массы утечек теплоносителя М_у вычисляется в блоке 20. Измеренное значение тепловой энергии за время от τ₀ до τ₁ вычислено в индикаторе 21. Все градуировочные характеристики прошиты в соответствующих блоках.

В трубопроводах реальных ВСТ температура и давление разные. В обратном трубопроводе плотность больше, поскольку здесь ниже температура, и отсюда вытекает, что в закрытой ВСТ при отсутствии отбора теплоносителя, т.е. при одинаковом массовом расходе объемный расход в обратном трубопроводе, исходя из закона сохранения массы, должен быть настолько меньше, чем в подающем, насколько здесь больше плотность воды (из-за меньшей температуры по сравнению с подающим трубопроводом). Наличие отрицательной разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах свидетельствует, как правило, о наличии не штатной ситуации - засорении воздухом теплоносителя из-за неисправных насосов и/или плохой деаэрации теплоносителя и/или выходе индивидуальных погрешностей ОЭР за нормированные диапазоны.

Поскольку из экономических соображений в теплосчетчиках применяются только объемные расходомеры, например, ОЭР, то их градуировка обязательно проводится приближенно к условиям эксплуатации, т.е. при разности объемных расходов большей, меньшей и равной нулю.

В трубопроводах 1, 2, с помощью ОЭР с индукционной системой проводится измерение средней скорости потока (т.е. объемного расхода), теплоносителя протекающего в магнитном поле, индукция которого равна В, и электрически изолированного футеровкой от металлической трубы. Если жидкость протекает по трубопроводу со средней скоростью V, через магнитное поле с индукцией В, то в ней, как движущемся проводнике наводится ЭДС е=VBd, где d - расстояние между приемными электродами, равное внутреннему диаметру трубопровода. Это выражение можно предоставить как: е=qB/πd×10³, где q - средний расход теплоносителя - жидкости, воды и т.д. в л/с. Питание ОЭР осуществляется переменным или постоянным напряжением. Питание расходомера переменным напряжением устраняет электролитическую поляризацию ОЭР, если частота достаточно высокая, а также позволяет использовать усилители переменного тока для усиления и согласования выходного сигнала ОЭР - напряжения. У ОЭР зависимость выходного напряжение (сигнала измерительной информации) от режима течения теплоносителя (ламинарного или турбулентного) в случае симметричного профиля скоростей потока пренебрежимо мала. Однако отклонения профиля скоростей потока от симметрии могут значимо влиять на входной сигнал ОЭР, поэтому не симметрия профиля скоростей потока на входе в ОЭР минимизируется соблюдением известных правил монтажа ОЭР. Используемые расходомеры стандартные, например, как в теплосчетчиках КМ-5. Электронные блоки усилителя монтированы рядом с ОЭР, штатно в одном корпусе и от окружающей среды изолированы герметично.

Принцип работы ОЭР основан на явлении электромагнитной индукции, согласно которому при прохождении электропроводящей жидкости по подающему 1 и обратному 2 трубопроводам и магнитное поле с индукцией В в движущейся жидкости, как проводнике, наводится ЭДС, которая снимается в ОЭР 3, 8. Сигнал, снимаемый электродами ОЭР 3, 8 пропорционален магнитной индукции В и средней скорости V (от 0,01 до 10 м/с) потока теплоносителя (т.е. его объемному расходу).

Способ определения тепловой энергии и массы утечек теплоносителя, в закрытых ВСТ состоит в следующем.

1 этап. Производят индивидуальную градуировку всей партии объемных электромагнитных расходомеров (ОЭР), имеющих одинаковый номинальный диаметр. Для каждой пары ОЭР (которая в течении всего процесса градуировки и последующего применения остается неизменной) задают разность объемных расходов теплоносителя Δq=q₁-q₂ - const в блоке 17, значения Δq задаются от Δq_min=-0,1q_1max и до Δq_max=0,1q_1max, включая точку Δq=0, когда q₁=q₂). При градуировке для каждого выбранного значения Δq задают выбранные объемные расходы в подающем трубопроводе q₁ (где в диапазоне измерений от наименьшего значения q_1max до наибольшего значения q_1max задается около пяти точек, включая крайние. Промежуточные точки расположены равномерно по диапазону. В каждой точке проводят не менее четырех единичных измерений, которые анализируют на отсутствие грубых промахов по известным критериям, например Греббса и т.п.). Полученные при градуировке ОЭР значения их выходных сигналов измерительной информации - U(q₂) от U(q₁) аппроксимируют линейной зависимостью. При этом для каждого выбранного значения Δq строят свою зависимость U(q₂) от U(q₁). при значениях q₁ в точках q_1min; q_1max и еще, как минимум в трех промежуточных точках при этом значения температур теплоносителя задают в соответствии с условиями эксплуатации теплосчетчика. Зависимость для Δq=0 в блоке 17 близка к прямой, проведенной через начало координат под углом 45°. Близость градуровочной характеристики Δq=0 в блоке 17 к прямой, обеспечивают тем, что амплитудные характеристики ОЭР 3, 8 из всех видов расходомеров наиболее близки к линейным. Расположение прямой Δq=0 под углом 45° вытекает из того, что ОЭР выполнены на одном производстве по одной технологии, поэтому при одном и то же значении расхода теплоносителя выходные сигналы у них будут практически одинаковы.

Аналогично воспроизводят весь остальной набор значений от Δq₁ до Δq_M с дискретностью не болеет 5% (в идеале от 1 до 2%) и строят семейство прямых, т.е. для каждого Δq_J=const, где J=1, … М, строят зависимость U(q_2i) от U(q_1i), также, как и для Δq₀=0. В идеале каждая из полученных зависимостей должна быть прямой, причем параллельной той, что получена при Δq₀=0. Однако из-за погрешностей ОЭР, у полученных зависимостей будут отклонения и линености и от параллельности к идеальной прямой при Δq₀=0 (в том числе и реальной характеристики, полученной для случая Δq₀=0). Все возникающие на практике отклонения учитываются в суммарной погрешности измерений, которую можно регулировать до требуемого значения, изменяя число точек, в которых проводится градуировка и число единичных измерений в каждой точке. Полученные по результатам градуировки зависимости зашивают в блоке определения разности объемных расходов Δq в блоке 17. Давление с выходов ПД 4, 10 и температура с выходов ПТ 5, 9 преобразованные в электрические сигналы по командам индикатора 21 поступают на соответствующие блоки вычисления плотностей ρ₁ 6, и ρ₂ 11, удельных энтальпий h₁ 7 и h₂ 12 теплоносителя. Далее электрические сигналы подают соответственно в блоки вычисления разности плотностей Δρ=ρ₁-ρ₂ 16, и разности удельных энтальпии Δh=h₁-h₂ 14.

Следует иметь в виду, что в закрытых ВСТ значения разности объемных расходов Δq, а также разности массовых расходов Δm=q₁Δρ+ρ₂Δq 18, и массы утечек теплоносителя: 20 определяют не по результатам вычисления разностей двух близких значении, каждое из которых определено по результатам измерений со своими погрешностями с помощью двух групп одиночных ОЭР, ПТ, ПД, установленных на подающем и обратном трубопроводах (что вносит наибольший вклад в искомые в соответствии с решаемой задачей, погрешности измерений разности массовых расходов и тепловой энергии). Здесь же значение каждой из разностей: Δq=q₁-q₂, Δρ=ρ₁-ρ₂ и Δh=h₁-h₂ измеряют как единое целое с помощью пар ОЭР и ПТ, специально градуированных не только индивидуально, но и совместно, для существенного уменьшения относительных погрешностей измерений разностей соответственно объемных расходов δ_Δq и температур δ_Δt. А далее значения Δm и М_у вычисляют без применения операции вычитания двух близких значений величин, каждое из которых определено со своей погрешностью. Это существенно уменьшает относительные погрешности результатов измерений Δq и Δt и, как следствие, Δm и М_у.

2 этап. Одним из основных требований к ОЭР 3, 8, которые должны быть объединены в согласованную пару - наличие у них индивидуальных градуировочных характеристик q₁=q₁(u₁) 3 и q₂=q₂(u₂) 8 максимально близких к линейным. Таким свойством в наибольшей степени обладают расходомеры электромагнитного вида, т.е. ОЭР. Градуировочная характеристика пар датчиков расхода должна иметь вид Δq=Δq (u₁, u₂), 17 где u₁, и u₂ - выходные сигналы с выходов ОЭР 3, 8, составляющих пару.

Отсутствие в условиях эксплуатации у расходомеров, входящих в пару максимально близких к линейным индивидуальных градуировочных характеристик, приведет к тому, что при их совместной градуировке по разности расходов возникнут существенные математические трудности (решение систем нелинейных уравнений, требующих значительных временных и материальных затрат), преодоление которых в рамках теплосчетчиков не рентабельно. Поэтому преимущество здесь имеют ОЭР.

Для повышения точности измерений массы утечек теплоносителя М_у 20 и, одновременно тепловой энергии Q 21, в закрытых ВСТ, которые де-факто являются условно закрытыми ВСТ, необходимо выполнить следующее:

- в теплосчетчике, состав, которого определяется исходя из требований Методики, и в который входят два одиночных ОЭР 3, 8 расположенных на подающем 1 и обратном 2 трубопроводах ВСТ, заменить согласованной парой ОЭР 3, 8, где для каждой пары ОЭР кроме индивидуальных градуировочных характеристик каждого ОЭР 3, 8, дополнительно вводят их парную градуировочную характеристику по разности расходов в трубопроводах 1 и 2.

Для реализации возможностей используемых пар ОЭР необходимо внести новую запись для разности массовых расходов в блоке 18 m₁-m₂=q₁(ρ₁-ρ₂)+ ρ₂Δq. Вывод этих уравнении приводится ниже в этой работе. Применение вновь введенных по сравнению с Методикой уравнений позволяют учитывать то, что измерения разности объемных расходов Δq=q₁-q₂ 17 в подающем 1 и обратном 2 трубопроводах осуществляют именно согласованной парой ОЭР, как единым средством измерений, специально проградуированным по Δq 17, а не двумя одиночными датчиками, измеряющими значения объемного расхода q₁ 3 и q₂ 8, с последующим вычислением разности этих значений, согласно блок - схеме теплосчетчика, где использованы эти уравнения.

3 этап. В условиях эксплуатации теплосчетчика в ВСТ на входе ОЭР 3, 8 регистрируют и подают на входы индикатора 21 выходные напряжения в условиях эксплуатации U(q₂)_э и U(q₁)_э и объемные расходы q_1э и q_2э, в индикаторе делят между собой выходные сигналы, полученные с выходов ОЭР 3, 8 обоих трубопроводов 1, 2 в стадии градуировки и эксплуатации, т.е. получают зависимости U(q₁)_э/U(q₂)_э и U(q₂)_э/U(q₁)_э определяют действительное значение разности объемных расходов теплоносителя Δq_э прямым измерением. Аналогично определяют массовый расход в подающем трубопроводе m₁ в блоке 19 разность массовых расходов Δm, в блоке 18, массу утечек теплоносителя М_у (массу теплоносителя, отобранного из ВСТ за время от τ₀ до τ₁) в блоке 20.

4 этап. Согласно блок - схеме выбирают уравнения измерений тепловой энергии для закрытых ВСТ и массы утечек теплоносителя. Искомую относительную погрешность результата измерений тепловой энергии разделяют на две составляющие: инструментальную (погрешность теплосчетчика) и погрешность метода измерений (применяемых уравнений измерений тепловой энергии, массы утечек теплоносителя и т.п.).

Так составляющими инструментальной погрешности теплосчетчика являются погрешности его измерительных каналов: объемных расходов q₁ 3 и q₂ 8, температур t₁ и t₂ 5, 9 по каждому: подающему 1 и обратному 2 трубопроводам, каналы разности объемных расходов Δq 17, разности температур Δt 13 в трубопроводах 1 и 2. Составляющими погрешности метода измерений являются, в том числе, погрешности метода измерений разности объемных расходов, которую определяют либо по разности показаний двух одиночных ОЭР 3, 8, Δq=q₁-q₂, либо с помощью ОЭР 3, 8, согласованных в пару. Погрешность измерений значения Δq, как единого целого с поиощью согласованной пары, значительно меньше, чем погрешность измерений значения q₁-q₂ с помощью двух одиночных ОЭР.

Из всех составляющих погрешностей метода измерений, наибольший вклад вносит составляющая, вызванная неверным выбором уравнения измерений тепловой энергии. Поэтому из МИ 2714 «Государственная система обеспечения единства измерений. Энергия тепловая и масса теплоносителя в системах теплоснабжения. Методика выполнения измерений. Основные положения» выбирают только те уравнения измерений тепловой энергии, которые в реальном времени одновременно удовлетворяют двум критериям. Во-первых, выбранное уравнение должно учитывать все значимые составляющие, потребляемые в привязке к реальному времени в границах балансовой принадлежности рассматриваемого объекта потребителя, в том числе составляющие тепловой энергии и массы теплоносителя, уходящие из ВСТ с утечками. При этом, тепловая энергия холодной воды, применяемой для подпитки ВСТ, учитываться не должна, поскольку это отдельный вид измерений и в данной заявке, эта составляющая не рассматривается. Во-вторых, выбранное уравнение измерений должно обеспечивать наименьшие пределы для оценок относительной погрешности измерений, как тепловой энергии, так и массы утечек теплоносителя. Среди уравнений, приведенных в МИ 2714 для тепловой энергии первому из вышеуказанных критериев для закрытых ВСТ удовлетворяет, в том числе, уравнение где верхний индекс у общепринятого в литературе (в том числе, нормативно-технической) обозначения тепловой энергии Q является идентификатором применяемого уравнения измерений Q.

Уравнение Q¹ принято считать исходным, потому, что оно наиболее простое по структуре, вместе с тем именно оно наиболее наглядно математически описывает принятую в настоящее время модель измерений тепловой энергии в открытых и закрытых ВСТ, имеющих один подающий и один обратный трубопроводы.

Уравнение Q¹ показывает, что потребленная на объекте тепловая энергия за рассматриваемый период времени τ₀-τ₁ на границе балансовой принадлежности объекта, где штатно устанавливается теплосчетчик, равна разности значений тепловой энергии теплоносителя, поступившего по подающему трубопроводу 1 с массовым расходом m₁ 19 и удельной энтальпией h₁ 7 и возвращенного по обратному трубопроводу 2 с массовым расходом m₂ и удельной энтальпией h₂. В уравнении Q¹ и измеряемая величина тепловой энергии Q¹, записанная в индикаторе 21, и все параметры теплоносителя являются функциями текущего времени.

Вместе с уравнением Q¹ также выбирают уравнение измерений массы утечек теплоносителя (массы отобранного из ВСТ теплоносителя за отчетный период τ₀-τ₁). Здесь целесообразно использовать форму записи аналогичную Q¹ которую можно представить в блоке 20 виде:

В данной заявке вместо исходного уравнения предлагается выбирать уравнение полученное из исходного с помощью эквивалентных математических преобразований, которое состоит из двух составляющих: тепловой энергии для идеально закрытых ВСТ, вычисляемой по формуле и составляющей тепловой энергии Q^y, уходящей из ВСТ с утечками - и, следовательно, для закрытых ВСТ тепловая энергия определяется как: Q²=Q^M+Q^У т.е. сумма двух самых значимых составляющих тепловой энергии для закрытых ВСТ. При использовании Q², разность массовых расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе Δm записывается как Δm-q₁(ρ₁-ρ₂)+ρ₂Δq 18, а масса утечек теплоносителя:

5 этап. Определяют оценки пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии и массы утечек теплоносителя.

Согласно Закона 102-ФЗ измерение тепловой энергии Q 21 с помощью теплосчетчиков в закрытых ВСТ является прямым измерением. Поэтому для уравнений измерений тепловой энергии Q (и для Q¹, и для Q²), выбранных из анализа, должна быть проведена прямая оценка отношения наибольших возможных значений абсолютных погрешностей измеряемой величины, т.е. тепловой энергии ΔQ (причем со знаками плюс и минус) к действительному значению самой величины Q при заданной доверительной вероятности Рд, т.е.:

Аналогично (δ_Q)_max определяют оценки наибольших значений погрешностей измерений разностей массовых расходов Δm-(δ_Δm)_max 18.

Где в формулах для оценки погрешностей (в том числе и их пределов) символ Δ, как принято в метрологии, означает абсолютную погрешность для величины (параметра) следующего за этим символом (в данном случае тепловой энергии Q и т.п.), при этом абсолютные значения пределов со знаками плюс и минус полагаются одинаковыми. Нижний индекс max показывает, что рассматривают пределы оценок погрешностей. Для технических расчетов, как правило, задают доверительную вероятность Р_д=0,95.

Исходя из изложенного основная задача состоит в определении значений ±(ΔQ)_max. Такую задачу решают применением правил, установленных в метрологии, для суммирования погрешностей измерений всех составляющих, входящих в выбранные для анализа уравнения измерений тепловой энергии: а также каждое из этих уравнений измерений представляют в виде алгебраической суммы двух составляющих, т.е.

При выводе, требуемых формул задают также следующие очевидные исходные допущения:

- операция интегрирования в уравнениях Q¹ и Q² проводится с пренебрежимо малой погрешностью за счет применения в теплосчетчиках и методике измерений тепловой энергии и количества теплоносителя современных разработок в областях микроэлектроники, вычислительной техники и математических методов;

- погрешность измерительного канала текущего времени теплосчетчиков пренебрежимо мала по сравнению с погрешностями измерений расхода, температуры и т.п., поэтому ей также пренебрегается.

Следовательно, погрешности всех составляющих в Q¹ и Q², будут равны погрешностям подынтегральных выражений. Из принятых допущений следует, что погрешности измерений объемного расхода и объема, а также массового расхода и массы измеряемой среды равны между собой. По определению, для составляющих уравнения Q¹, т.е. и значения их абсолютных погрешностей и связаны со значениями их относительных погрешностей и как: и .

Тогда измеряемые значения составляющих тепловой энергии и с учетом их абсолютных погрешностей Δ₁ и Δ₂ можно записать:

Тогда абсолютную погрешность измерений тепловой энергии по уравнению Q¹, с учетом , по определению представляют в следующем виде:

или с учетом выражений для

Отсюда после приведения подобных получается:

где и относительные погрешности измерений составляющих и взятые каждая со своим знаком. Тогда формула для определения значения относительной погрешности измерений тепловой энергии Q¹ по определению запишется как:

Из структуры формул и видно, что значения и абсолютной ΔQ¹, а и относительной , погрешностей измерений тепловой энергии, будут наибольшими по абсолютной величине со знаками и плюс, и минус, если значения составляющих погрешностей и будут наибольшими по абсолютной величине и иметь противоположные знаки, т.е. если одновременно: и

а также если: и

При определении тепловой энергии по уравнению измерений Q¹ каждая из составляющих, и измеряется с помощью своей группы одиночных средств измерений: расхода, температуры (а также и давления, влияние которого здесь незначительно и при технических расчетах им обычно пренебрегают). Поэтому проводят оценки наибольших значений составляющих погрешностей и через пределы погрешностей измерений массового расхода δ_m и удельной энтальпии δ_h, которые считают одинаковыми при использовании обоих ОЭР 3, 8 и датчиков температуры t₁ и t₂ 5, 9.

Для оценки значений и применяют правила математического анализа для определения абсолютной погрешности произведения двух величин. Тогда, учитывая и записывают:

Совершенно аналогично для получают:

Следует подчеркнуть, что внутри и суммирование пределов относительных погрешностей измерений их составляющих должно быть именно алгебраическим, а не среднеквадратичным в виду существующей корреляции из-за зависимости всех составляющих от температуры. Кроме того, для воды в трубопроводах ВСТ 1 и 2 в рассматриваемом диапазоне температур, до 150°С значения удельной энтальпии h₁ и h₂ 7, 12 и значения температур в них, т.е. t₁ и t₂ 5, 9 отличаются не значительно. При оценке значений погрешности, опираясь на критерий ничтожной погрешности, в формулах для тепловой энергии в ВСТ все значения удельной энтальпий h₁ и h₂ 7, 9 с пренебрежимо малой погрешностью заменяют соответствующими им значениями температур t₁ и t₂. Точно также значения относительных погрешностей измерений энтальпий δ_h1 и δ_h2 заменяют значениями относительных погрешностей измерений соответствующих им температур δ_t1 и δ_t2. Подробно данная процедура описана в статье [«Кузник И.В., Тиунов М.Ю., Брюханов В.А. «Метрологические проблемы измерений тепловой энергии в открытых водяных системах теплоснабжения. Часть вторая» Законодательная и прикладная метрология 2000, №6.»].

Таким образом, оценки составляющих и будут эквивалентны:

С учетом всех ранее принятых допущений оценки наибольшего значения погрешности измерений тепловой энергии определенной по уравнению представляют как:

Полученную формулу преобразуют к виду:

Причем, вместо параметра β=h₂/h₁ согласно принятым допущениям вводят, аналогичный параметр β_l=t₂/t₁, (очевидно, что β≈β_t).

Очевидно также, что при оценке пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии при использовании уравнения измерений Q², определяют погрешность суммы составляющих, а не разности, как для Q¹. Тогда, с учетом структуры формул для Q² и ее состаляющих , и получают:

Поскольку в числителе выражения для находится сумма составляющих погрешностей, то оценка предела (наибольшего значения) суммы составляющих будет соответствовать (с учетом корреляции этих составляющих) сумме пределов (наибольших значений) погрешностей слагаемых, т.е. массового расхода и температуры (среднеквадратичное суммирование ввиду сильной корреляции составляющих здесь не приемлемо). Из дальнейшего анализа видно, что при определении значений абсолютных погрешностей разностей Δ(t₁-t₂) 13 и Δ(m₁-m₂) 19 возможны три варианта - когда в составе теплосчетчика:

1) два одиночных датчика температуры 5, 9, и два одиночных ОЭР 3, 8, измеряющих объемных расходов и температуры соответственно q₁, 3 t₁ 5, q₂ 8 и t₂ 9, при этом значения Δq=q₁-q₂ и Δt=t₁-t₂ измеряют по разности показаний двух средств измерений, установленных на подающем и обратном трубопроводах, тогда уравнение Q² будет эквивалентно уравнению Q¹, анализ для которого приведен выше;

2) пара датчиков температуры t₁ и t₂ 5, 9 и два одиночных ОЭР, 3 и 8 измеряющих: q₁ 3, Δt 13, q₂, 8 и t₂ 9 при этом значение Δt=t₁-t₂ измеряют как единое целое а δ_Δt - оценка погрешности измерений Δt,13 в рамках принятых допущений совпадает с оценкой погрешности δ_Δh;

оценки пределов относительных погрешностей измерений тепловой энергии при использовании уравнения измерений Q² получаются в виде формулы:

3) пара датчиков и температуры t₁ и t₂ 5, 9 и пара ОЭР 3, 8, измеряющих расход q₁, 3, разностей температуры t₁-t₂, 5, 9, расхода q₁-q₂ 3, 8 и t₁, 5 при этом каждое из значений: Δt=t₁-t₂, и Δq=q₁-q₂ измеряют как единое целое, а δ_Δm - оценка погрешности измерений Δm, выражают через оценку значения δ_Δq, получаемую на основе способов, выбранного прототипа;

оценка пределов относительных погрешностей измерений тепловой энергии при использовании уравнения измерений Q² получают в виде формулы:

Где в верхний индекс в скобках обозначения погрешности показывает, какой вариант (2 или 3) реализован.

При определении пределов относительной погрешности массы утечек, М_у с учетом принятых допущений видно, что задача сводится к определению пределов погрешности измерений разности массовых расходов: m₁-m₂, записать, как:

Очевидно, что для идеально закрытых ВСТ, где по определению выполняется условие m₁=m₂, определение относительной погрешности невозможно. Поэтому в Методике в статье 92 установлены требования только к абсолютной погрешности для утечек за отчетный период. Вместе с тем, для российских закрытых ВСТ относительная погрешность измерений разности m₁-m₂ существует, поскольку оба значения m₁ и m₂ измеряют с известными относительными погрешностями, значит, относительная погрешность должна быть и у m₁-m₂, даже при m₁=m₂. Однако применяемые в настоящее время на практике методы измерений m₁-m₂, в том числе и по Методике, для закрытых ВСТ при наличии в теплосчетчиках двух одиночных ОЭР 3, 8, дают оценку для относительной погрешности измерений - плюс или минус бесконечность.

Для реализации предлагаемого метода измерений, для использования возможностей пар ОЭР, имеющих дополнительно парную градуировочную характеристику, искомую величину m₁-m₂ связывают со значением q₁-q₂, измеряемым с помощью пары датчиков ОЭР. Это проводится путем эквивалентных преобразований, которые представляют как:

m₁-m₂=ρ₁q₁-ρ₂q₂=ρ₁q₁-ρ₂q₁+ρ₂q₁-ρ₂q₂.

Отсюда, после приведения подобных, получается

m₁-m₂=q₁(ρ₁-ρ₂)+ρ₂(q₁-q₂).

Далее значение разности массовых расходов m₁-m₂ необходимо записать в виде:

Δm=m₁-m₂=q₁Δρ+ρ₂Δq.

Запись, Δm 18 конкретизирует тот факт, что по этой формуле разность значений объемных расходов q₁-q₂, а также разность значений плотностей ρ₁-ρ₂ в подающем 1 и обратном 2 трубопровода 17 и 16 получают на основании измерений и именно с помощью пар датчиков, соответственно, объемного расхода и температуры, как единых величин Δq и Δρ, по совместным градуировочным характеристикам этих пар датчиков расхода и температуры, как единых средств измерений. В парах датчиков температуры 5, 9 и ОЭР 3, 8, градуировочные характеристики имеют не только каждое средство измерений, входящее в пару, но и каждая пара как единое целое, имет свою парную градуировочную характеристику. Градуировочная характеристика каждой пары датчиков расхода имеет вид: Δq=Δq(u₁, u₂), где u₁, и u₂ - выходные сигналы измерительной информации (напряжения постоянного тока) с ОЭР 3, 8 составляющих пару, причем каждый ОЭР, входящий в эту пару, имеет еще и свою градуировочную характеристику q₁=q₁(u₁) и q₂=q₂(u₂).

Таким образом, для определения массы утечек теплоносителя, с удовлетворительной относительной погрешностью, определяют значение Δm 18, как единого целого, а для этого в составе теплосчетчиков содерпжатся не только пары датчиков температуры, но и пары ОЭР, градуировочные характеристики которых вместе индивидуальными градуировочными характеристиками q₁=q₁(u₁), q₂=q₂(u₂), содержат и парные градуировочные характеристики Δq=Δq(u₁, u₂), прошитые в теплосчетчиках. Пределы относительной погрешности измерений величины Δm=m₁-m₂, записанной в виде Δm=m₁-m₂=q₁Δρ+ρ₂Δq оценивают как сумму предельных значений относительных погрешностей всех слагаемых с учетом их корреляции (поскольку они все существенно зависят от температуры) по формуле:

Запись (δ_Δm)_max означает, что оценка пределов относительной погрешности измерений Δm (эквивалентная оценке пределов относительной погрешности измерений массы утечек) 18 определяют со знаками плюс и минус как сумму оценок пределов относительных погрешностей физических параметров, входящих в формулу для измерений Δm 18. То есть объемного расхода в подающем трубопроводе q₁ 3. Разности плотностей Δρ=(ρ₁-ρ₂) в подающем и обратном трубопроводах, 16. Плотности в обратном трубопроводе ρ₂, 11 и разности объемных расходов Δq=(q₁-q₂) в подающем и обратном трубопроводах, 17.

Таким образом, наименьшие значения оценок пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии и массы утечек теплоносителя в закрытых ВСТ получают при использовании уравнения измерений тепловой энергии и массы утечек теплоносителя . Эти уравнения, к тому же, учитывают все значимые составляющие, потребленные в границах балансовой принадлежности рассматриваемых объектов. Для реализации этих уравнений измерений необходимо использовать теплосчетчики, в состав каждого из которых включены пара ОЭР и пара датчиков температуры.

6 Этап. Для подтверждения преимущества предлагаемого авторами теплосчетчика, реализующего предлагаемые уравнения измерений тепловой энергии и массы утечек теплоносителя в закрытых ВСТ с утечками, далее приводится конкретный пример расчета.

Далее представлен пример расчета конкретной практической ситуации, где для определенности, предполагается, что кроме условия α=m₂/m₁=1 (оно эквивалентно условию Δm =0, которое по определению штатно выполняется для идеально закрытой ВСТ), заданы значения температуры теплоносителя в подающем 1 и обратном 2 трубопроводах, которые равны: t₁=70°С 5 и t₂=50°С 9, т.е. разность температур Δt=20°С 13. Оценки пределов погрешностей измерений параметров теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах выбрают только из основного действующего в России нормативного документа, т.е. Методики. Исходя из нее, наибольшие значения относительных погрешностей измерений температур t₁ и t₂ вычисляют по установленным для них пределам значения абсолютной погрешности (статья 118), т.е. |Δt|_max=0.6+0.004t. Тогда оценки пределов относительных погрешностей измерений температуры t₁ 5 составляют: |δ_t1|_max=1,3% и, аналогично, для температуры t₂ 9 |δ_t2|_max=1,6%. Для определенности, пределы погрешности измерений массового расхода в подающем и обратном трубопроводах выбирают |δ_q1|_max=|δ_q2|_max=3,5%, (это соответствует классу 1 по требованиям Методики, статья 115). Требования к пределам относительной погрешности измерений разности температур с помощью пары датчиков температуры в Методике указаны в виде суммы двух составляющих (статья 115, пункты виг, согласно которым при Δt=20°С, значение |δ_Δt|_max определяют как:

где согласно Методике (статья 115, пункт а) принято значение Δt_min=3°С,

Для сравнения можно при тех же условиях определить пределы относительной погрешности измерений разности температур Δt=20°С при помощи двух одиночных датчиков температуры. Сначала определяются пределы для абсолютных погрешностей температур в подающем и обратном трубопроводах (соответственно Δ_t1 и Δ_t2), тогда, используя формулу из статьи 118 Методики для t₁=70°С 5 и t₂=50°С 9, соответственно получается

Δ_t1=±(0,6+0,004×70)=±0,84°С

Δ_t2=±(0,6+0,004×50)=±0,8°С

Отсюда пределы относительной погрешности разности температур Δt=t₁-t₂ определяются как:

Очевидно, что наибольшие значения относительных погрешностей имерений разностей температур (т.е. пределы относительной погрешности измерений разности температур) получаются, если знаки у значений абсолютных погрешностей измерений температур в подающем и обратном трубопровод ах разные, т.е.:

и

Таким образом, преимущества применения пары датчиков температуры, по сравнению с двумя одиночными датчиками, очевидны.

Тогда, для заданных в примере исходных значений, получается:

Для сравнения по Методике (по статье 115, пункт г) можно оценить при тех же исходных данных пределы погрешности измерений тепловой энергии для идеально закрытых ВСТ, которые с учетом выполненных выше преобразований и вычислений можно записать как:

(δ_Q)_max=±(δ_m)_max+(δ_Δt)_max]=±(3,5+1,6)=±5 %.

(расчет непосредственно по формулам Методики, статья 115, приведен в конце настоящей заявки на изобретение)

По основополагающему в метрологии критерию ничтожной погрешности, полученные итоговые значения погрешностей, округляются по следующим правилам: если первыми значащими цифрами являются 1 или 2, то округление осуществляется до двух значащих цифр, а если первая значащая цифра - 3 и более, то до одной значащей цифры.

Для определения значений пределов относительной погрешности измерений массы утечек теплоносителя используют результаты статьи, «Кузник И.В., Тиунов М.Ю., Брюханов В.А. В ней показано, что для определения оценочных значений погрешностей измерений (в том числе их пределов) плотности, энтальпии теплоносителя в трубопроводах ВСТ, а также погрешности разностей их значений в подающем и обратном трубопроводах, можно практически без потери точности заменить погрешностями соответствующих им значений температур и разностей температур (такой подход применяется и в международных стандартах, например, EN 1434-1), т.е.:

|δ_Δρ|_max≈|δ_Δt|_max; |δ_ρ2|_max≈|δ_t2|_max

Отсюда следует, что |δ_Δh|_max≈|δ_Δt|_max=1,6 % и |δ_ρ2|_max≈|δ_t2|_max=1,6 %;

Для погрешности измерений расхода в подающем трубопроводе в соответствии с Методикой, можно положить |δ_q1|_max=|δ_q2|_max=|δ_m1|_max=|δ_m2|_max=|δ_q|_max|δ_m|_max=3,5 % (для класса по Методике, статья 115);

Оценка погрешности измерений |δ_Δq|_max приведена в выбранном аналоге при |δ_q|_max=3,5%, составляет:

Подставляя исходные данные получают:

(δ_Δm)_max=±(3,5+1,6+1,6+9,8)=±17 %

Полученное значение ±17 % вполне приемлемо, поскольку это относительная погрешность измерений малых значений массы утечек, составляющих, как правило, десятые доли процента от значения расхода, циркулирующего в ВСТ. Причем полученное значение погрешности не зависит от значения циркулирующего в ВСТ массового расхода, а это значит, что можно достоверно измерять, в том числе, и при нулевом массовом расходе утечек, т.е при Δm=0 или m₁=m₂. Тогда, как в прототипе и аналоге эта точность измерений была более грубой и составляла ±30,3%. Хотя исходные значения пределов значений погрешностей датчиков расхода были значительно меньшими и составляли |δ_q1|_max=|δ_q2|_max=|δ_q|_max=2 %, в предлагаемом изобретении |δ_q1|_max=|δ_q2|_max=|δ_q|_max=3,5%. Тогда при условиях, принятых в прототипе и аналоге, погрешность в предлагаемом изобретении получается (δ_Δm)_max=±(2+1,6+1,6+5,6)≈±11 %, где |δ_Δρ|_max|≈|δ_Δt|_max=1,6 % и Таким образом, выигрыш в оценке достоверных пределов погрешности массы утечек получается более, чем в два раза, т.е. 30,3/11≈2,8 раза.

В предполагаемом изобретении с учетом выбранного прототипа, для измерений тепловой энергии используют уравнение

21. Из него следует, что потребленная на объекте тепловая энергия за рассматриваемый период времени τ₁-τ₀ на границе балансовой принадлежности объекта (блок - схема), где установлен теплосчетчик, равна значению тепловой энергии теплоносителя, поступившего по подающему 1 трубопроводу с массовым расходом m₁=q₁ρ₁ 19, с разностью в подающем 1 и обратном 2 трубопроводах значений удельных энтальпий Δh 14 и массовых расходов Δm 18 и удельной энтальпией в обратном трубопроводе h₂ 12. Затем определяют значений абсолютных погрешностей разностей температур Δt 13, разности массовых расходов Δm 18. Для применения датчиков температуры t₁ и t₂ 5, 9 и ОЭР 3, 8 в теплосчетчике существует три варианта. Из анализа трех вариантов применения указанных датчиков в теплосчетчиках следует, что при наличии:

- пары датчиков температуры и двух одиночных ОЭР, измеряющих значения температур t₁ и t₂ разности температур Δt и значения расходов q₁, q₂, при этом значение Δt=t₁-t₂ измеряется как единое целое, а оценка погрешности δ_Δt, при измерений Δt, совпадает с оценкой погрешности δ_Δh;

- пар датчиков и ОЭР, и температуры t₁ и t₂, измеряющих значения расхода q₁, разностей температуры Δt, разностей объемных расходов Δq и температуру t₂, при этом каждое из значений разностей температуры Δt, и объемного расхода Δq измеряют как единое целое, а δ_Δm - оценка погрешности измерений разности массовых расходов Δm выражают, в том числе, через оценку значения δ_Δq; причем с соблюдением правил алгебраического суммирования погрешностей, получают формулу для оценки пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии:

где верхний индекс в скобках обозначения погрешности показывает, что взят вариант комплектации теплосчетчика с парой датчиков температуры и парой ОЭР, параметр β_t=t₂/t₁ введен, аналогичный параметру, β=h₂/h₁, при этом очевидно, что β≈β_t, а при определении пределов погрешности массы утечек М_у, задача сводится к определению пределов погрешности измерений разности массовых расходов Δm, - ±(δ_Δm)_max, которую записывают, в виде алгебраической суммы предельных значений относительных погрешностей всех слагаемых, входящих в уравнение измерений Δm=q₁(ρ₁-ρ₂)+ρ₂Δq с учетом их максимальной корреляции (с коэффициентом корреляции равным единице), и из-за максимальной зависимости от температуры по формуле: (δ_Δm)_max=±(|δ_q1|_max+|δ_Δρ|_max+|δ_ρ2|_max+|δ_Δq|_max),

на выходе индикатора получают необходимые параметры, указанные в программе, паспорте и прошитые в теплосчетчике.

Полученная точность при измерении массы утечек для закрытых ВСТ вполне достаточна, чтобы, например, при коммерческом учете выявить добросовестных и/или не добросовестных участников рынка теплоснабжения, а также для обеспечения решения задач повышения энергоэффективности при использовании тепловой энергии, теплоносителя.

Таким образом, из ранее изученных материалов, например, выбранного прототипа и приведенных примеров видно, что основным источником погрешностей измерений разности масс является применение метода измерений разности масс по разности показаний ОЭР, установленных на подающем и обратном трубопроводах. Погрешность измерений разности масс, соизмеримой с абсолютными погрешностями ОЭР, при вычитании показаний расходомеров получается неприемлемо высокой.

Анализ погрешности во вновь введенных формулах для определения массы отобранного из сети теплоносителя по разности показаний расходомеров позволяет сделать следующие выводы:

Если знаки погрешностей обоих расходомеров совпадают, то погрешность измерений разности масс уменьшается, однако подбирать расходомеры в согласованную пару на расходомерной установке невозможно, т.к. погрешности обоих расходомеров на реальных объектах носят случайный характер, зависящий от условий эксплуатации, поэтому и не сохраняют стабильность во времени, даже оставаясь при этом в допускаемых пределах.

Уменьшение значения измеряемой величины М₁-М₂ приводит к безусловному возрастанию относительной погрешности ее измерений, а при М₁-М₂=0, определение относительной погрешности не приемлемо для практического применения (поскольку относительная погрешность получается равной бесконечности).

Таким образом, повышать точность измерений разности масс можно только отказавшись от применения косвенного метода измерений и переходить, как предлагается в предлагаемом изобретении, выбранного прототипа и аналога, к способу прямого измерения искомой разности объемных расходов в подающем и обратном трубопроводах.

В ООО «Альтернативные энергетические технологии» на основании результатов эксплуатации теплосчетчиков и изучения современного состояния дел в области измерений тепловой энергии, теплоносителя в ВСТ, установлено, что все ВСТ, существующие в России в огромном количестве, и на источниках тепловой энергии, и у потребителей тепловой энергии, разделяются примерно поровну закрытые ВСТ и открытые ВСТ. Определения упомянутых используемых понятий даны в действующем ГОСТ 26691-85. «Теплоэнергетика. Термины и определения»:

В закрытых ВСТ число потребителей многократно больше, чем источников, каждый из которых снабжает до десятков и даже сотен потребителей.

Известно, что в закрытых ВСТ у большинства российских потребителей существуют постоянные и значительные нештатные потери сетевой воды (теплоносителя). Поэтому к закрытым ВСТ (по ГОСТ 26691) их можно относить только формально. Кроме аварий (которые происходят также и на этапах производства и передачи тепловой энергии) причиной существенных потерь теплоносителя, (их принято называть утечками) является несанкционированный отбор теплоносителя. Поэтому определение для закрытых ВСТ по ГОСТ 26691, действительно существующих в России необходимо привести в соответствие с действительностью и для них ввести термин «условно закрытые ВСТ», чтобы отличить от идеально закрытых ВСТ (существующих, например, в странах Евросоюза) какие требуются по EN 1434-1:2007 (в России такие ВСТ также встречаюся, но редко). Определение термина нужно изложить в следующей редакции:

- закрытая водяная система теплоснабжения: Водяная система теплоснабжения, в которой вода, циркулирующая в тепловой сети, штатно из сети не отбирается, а наличие нештатного отбора подлежит выявлению.

Наличие существенных утечек в российских закрытых ВСТ подтверждают и нормы, установленные для этих утечек. В документе «Методика осуществления коммерческого учета тепловой энергии, теплоносителя». Утверждена Приказом Минстроя России от 17.03.2014, №99/ПР и зарегистрирована в Минюсте России 12.09.2014, №34040 в статье 91 указано: «В закрытой системе теплоснабжения при зависимом присоединении теплопотребляющих установок часовая величина утечек теплоносителя М_у указывается в договоре и не может превышать 0,25% от среднегодового объема воды в тепловой сети и присоединенных к ней системах теплопотребления».

Из нормы, установленной Методикой, в реальных условьях эксплуатации теплосчетчиков, следует, что в российских закрытых ВСТ полная замена теплоносителя только из-за утечек, допускается уже через 400 ч (менее 17 суток, а на практике может быть и еще быстрее, особенно при авариях).

Одной из основных причин наличия значительных утечек теплоносителя в закрытых российских ВСТ, является отсутствие эффективного контроля над утечками, связанного с неприемлемо большой погрешностью измерений значений массы утечек теплоносителя, а отсюда и тепловой энергии, уходящих вместе с утечками на объектах потребителей. Поэтому отсутствуют возможности достоверного выявления объектов потребителей, на которых действительно имеют место утечки теплоносителя. А это происходит потому, что применяемые в настоящее время в России для измерений тепловой энергии и количества теплоносителя средства измерений (теплосчетчики) и методы измерений (уравнения измерений и т.п.), к которым Методикой установлены обязательные метрологические требования, принципиально не способны обеспечить необходимую точность измерений для достоверного контроля над массой утечек.

Так, статья 35 Методики, требует, чтобы в теплосчетчиках, для закрытых российских ВСТ, использовалось уравнение измерений тепловой энергии, которое вообще не учитывает ни массу утечек, ни составляющую тепловой энергии, уходящую из ВСТ вместе с утечками (хотя статья 91 Методики допускает наличие существенных утечек). Причем это уравнение в Методике, такое же, как и в стандарте EN 1434-1:2007 (где в ВСТ стран Евросоюза масса утечек по определению должна быть ничтожно мала) и имеет вид:

где m₁ и h₁ - текущие значения массового расхода и удельной энтальпии теплоносителя в подающем трубопроводе ВСТ, a h₂ - значение удельной энтальпии в обратном трубопроводе ВСТ. Интегрирование в (А) проводится по времени τ, в интервале от начальной τ₀ до конечной τ₁ границы интервала осреднения расхода. Согласно Методике, время осреднение расхода равное τ₁-τ₀, называется отчетным периодом. И, в зависимости от решаемой задачи, выбирают равным часу, суткам, календарному месяцу и отопительному сезону.

Авторы заявки подтверждают, что уравнение измерений тепловой энергии (А) справедливо, если значение Δm - массового расхода теплоносителя, уходящего из ВСТ с утечками, можно с пренебрежимо малой погрешностью, считать равным нулю М_У=М₁-М₂. При необходимости реализации установленной в Методике формулы требование к значению Δm в закрытых ВСТ эквивалентно выполнению условия: Δm=m₁-m₂=0.

Самым веским практическим подтверждением стабильного выполнения условия Δm=m₁-m₂=0 для закрытых российских ВСТ будет малый объем подпитки необходимый для компенсации утечек теплоносителя, причем также, как и для ВСТ стран Евросоюза, за отопительный сезон в целом, что равносильно выполнению условия равенства нулю значения Му, определенного по М_у=М₁-М₂, т.

1. По требованиям статьи 92 Методики определение массы утечек по М_у=М₁-М₂ следует производить только у потребителей с независимым присоединением ВСТ и отсутствии водосчетчика на трубопроводе подпитки, однако в реальности применение на практике требований статьи 92 Методики производится и при зависимом присоединении к ВСТ, поскольку Методика других способов измерений массы утечек теплоносителя закрытых ВСТ не содержит.

2. Проанализировать эффективность применения на практике требования статьи 92 Методики можно на наглядном примере. Пусть на объекте потребителя с закрытой ВСТ истинное значение массового расхода теплоносителя в подающем, а значит и обратном трубопроводах составляет 100 т/ч. При этом относительная погрешность измерений расхода в обоих трубопроводах находится в пределах, установленных Методикой (статья 119), и составляет ±2%. Тогда, если за час по одному трубопроводу прошло 102 т, а по другому 98 т, или наоборот, то часовая разность масс ±4 т, согласно статье 92 Методики, считаться утечкой не может. А это недопустимо много.

Утечка в 4 т примерно соответствует потерям теплоносителя в ВСТ крупного города Евросоюза, причем за весь отопительный сезон (примерно столько воды добавляется в ВСТ всего города Стокгольма один раз в конце отопительного сезона).

Более того, что в закрытой ВСТ при наличии утечек действительные значения пределов погрешности измерений тепловой энергии, при не редко встречающимся на практике значении разности температур в подающем и обратном трубопроводах Δt=20°С, в зависимости видов комплектации теплосчетчика датчиками расхода и температуры (одиночными или парными), применяемых ныне на практике, составляют соответственно ±27% и ±21%. Тогда как, для тех же условий при расчете пределов по главе XII Методики (т.е. без учета составляющей тепловой энергии, ушедшей из ВСТ с утечками) получается только ±5%.

Допустимые пределы измерения погрешностей теплоносителя, по Закону 102-ФЗ, являющиеся, обязательными метрологическими требованиями, определяются как:

а) относительная максимально допускаемая погрешность для датчика расхода δ_q, выраженная в процентах в зависимости от наибольшего значения объемного расхода q_max и текущего значения объемного расхода q определяется как:

б) относительная максимальная допускаемая погрешность пары датчиков температуры (δ_Δt), выраженная в процентах в зависимости от абсолютной разности температур (Δt) в подающем и обратном трубопроводах:

где (Δt_min) - минимальное значение разности температур, при которой теплосчетчик функционирует без превышения максимально допустимой (как правило, в том числе и в EN 1434-1:2007, принимается Δt_min=3°С);

в) относительная максимальная допускаемая погрешность вычислителя δ_В, выраженная в процентах:

Значение δ_В является второй составляющей погрешности измерений разности температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, вносимой вычислителем, при обработке первичной измерительной информации, поступающей от пары датчиков температуры (первой составляющей является δ_Δt)

Используют допускаемые пределы (1)-(4) в Методике, также, как и в EN 1434-1:2007 устанавливаются допускаемые пределы для относительной погрешности измерений тепловой энергии (δ_Q) при использовании формулы (2):

Тогда расчет по формуле (5) для вышеприведенного примера (т.е. без учета составляющей тепловой энергии, ушедшей из ВСТ с утечками) получается:

Заимствованные из EN 1434-1:2007 в Методику допускаемые пределы для всех измеряемых параметров теплоносителя, т.е. δ_q - объемного расхода в отдельно взятом трубопроводе и обе составляющие разности температур теплоносителя в подающих и обратных трубопроводах ВСТ. Для российских закрытых ВСТ, приемлемы полностью δ_Δt и δ_B, поскольку они доказательно обоснованы и уже достаточно апробированы.

Изобретение относится к экспериментальной технике и может быть использовано в энергетике, тепло- и водоснабжении ЖКХ, промышленного хозяйства. Предложен теплосчетчик, используемый в закрытых водяных системах теплоснабжения, содержащий трубопроводы подающий и обратный, каждый их которых оснащен объемным электромагнитным расходомером (ОЭР) и датчиком температуры. Оба ОЭР и оба датчика температуры градуированы индивидуально и в паре. В каждом трубопроводе имеется также по одному датчику давления. Теплосчетчик также дополнен блоками вычисления плотности, удельной энтальпии, массового расхода, блоком прямого измерения разности объемных расходов, блоком вычисления разности массовых расходов, блоком массы утечек теплоносителя, отобранного из водяных систем теплоснабжения( ВСТ). В конце обратного трубопровода смонтирован вентиль. Согласно предложенному способу определяют тепловую энергию и массу теплоносителя с учетом составляющих, ушедших с утечками в закрытых водяных системах теплоснабжения. Для этого измеряют в подающем и обратном трубопроводах значения: объемных расходов q₁,q₂, температуры и давления для вычисления плотностей ρ₁, ρ₂ и удельной энтальпии h₁, h₂, разности Δq объемных расходов q₁,q₂, разности Δρ плотностей ρ₁, ρ₂, разности массовых расходов Δm=q₁Δρ+ρ₂Δq. Определяют массу отобранного из ВСТ как Тепловую энергию определяют уравнением из которого следует потребленная на объекте тепловая энергия за рассматриваемый период времени τ₁-τ₀ на границе балансовой принадлежности объекта. Получают формулу для определения пределов погрешностей измерений тепловой энергии как:

, где в уравнениях верхний индекс вскобках обозначения погрешности показывает, какой вариант реализован; αm₂/m₁=1, параметр β=h₂/h₁, β_t=t₂/t₁. Погрешности массы утечек М_у определяют по формуле: . На выходе из индикатора получают необходимые параметры, указанные в программном обеспечении, эксплуатационных документах и прошитые в памяти теплосчетчика. Технический результат – повышение точности получаемых результатов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения тепловой энергии и массы утечек теплоносителя в закрытых водяных системах теплоснабжения за рассматриваемый период времени от τ₀ до τ₁, измеряют в подающем и обратном трубопроводах значения объемных расходов q₁ и q₂, а также температур t₁ и t₂ и давления Р₁ и Р₂ для вычисления плотностей ρ₁ и ρ₂, удельных энтальпий h₁ и h₂, разности Δq объемных расходов q₁ и q₂, разности Δρ плотностей ρ₁ и ρ₂, разности массовых расходов Δm=q₁Δρ+ρ₂Δq и массы утечек теплоносителя причем до выполнения измерений осуществляют градуировку пары объемных электромагнитных расходомеров теплосчетчика, для чего при нескольких значениях разности объемных расходов Δq, исходя из того что в существующем равенстве Δq-q₁-q₂=const значения Δq изменяются от наименьшего до наибольшего значений, при градуировке для каждого выбранного значения Δq задают выбранные объемные расходы в подающем трубопроводе q₁, а расходы в обратном трубопроводе q₂ определяют как q₂=q₁-Δq, причем для каждого выбранного значения Δq, включая точку Δq=0, строят линеаризованные зависимости выходного напряжения U(q₂) с объемного электромагнитного расходомера на обратном трубопроводе от выходного напряжения U(q₁) с объемного электромагнитного расходомера на подающем трубопроводе, все такие зависимости хранят в блоке определения разности объемных расходов теплоносителя Δq, отличающийся тем, что в теплосчетчике тепловую энергию определяют по уравнению которое учитывает все значимые составляющие тепловой энергии, израсходованные потребителем за рассматриваемый период времени τ₁-τ₀ в границах балансовой принадлежности объекта, где установлен теплосчетчик, что означает, что измеренное с помощью него значение тепловой энергии определяют по значениям тепловой энергии теплоносителя, поступившего по подающему трубопроводу, с массовым расходом m₁=q₁ρ₁, с разностью значений удельных энтальпий Δh в подающем и обратном трубопроводах, а также разности массовых расходов Δm и удельной энтальпии в обратном трубопроводе h₂, кроме того, уравнение Q² разделяют на две составляющие тепловой энергии для идеально закрытых водяных систем теплоснабжения, вычисляемой по формуле , и составляющей тепловой энергии Q^У, уходящей из водяных систем теплоснабжения с утечками - и, следовательно, для закрытых водяных систем теплоснабжения тепловая энергия определяется как Q²=Q^M+Q^У, затем определяют значения оценок пределов относительных погрешностей измерений тепловой энергии для Q² и массы утечек теплоносителя

далее выявляют, для какого из трех возможных на практике вариантов сочетаний двух объемных электромагнитных расходомеров и двух датчиков температуры, входящих в состав теплосчетчика, получают наименьшие значения оценок пределов относительных погрешностей измерений разности температур Δt и разности массовых расходов Δm и, как следствие, оценок пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии по уравнению измерений Q² и массы утечек теплоносителя по М_у:

- два одиночных объемных электромагнитных расходомера и два одиночных датчика температуры, измеряющих значения расходов и q₁ и q₂ и температур t₁ и t₂ в подающем и обратном трубопроводах, при этом получают наибольшие значения для оценок пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии, которые определяют по формуле

причем относительная погрешность измерений разности массовых расходов Δm в подающем и обратном трубопроводах закрытых водяных систем теплоснабжения при наличии двух одиночных объемных электромагнитных расходомеров равна бесконечности;

- пара датчиков температуры и два одиночных объемных электромагнитных расходомера, измеряющих значения температур t₁ и t₂, разности температур Δt=t₁-t₂ и значения расходов q₁ и q₂, при этом значение Δt измеряют как единое целое, а оценка пределов относительной погрешности измерении Δt-δ_Δt совпадает с оценкой пределов относительной погрешности измерении Δh-δ_Δh, при этом значения оценок пределов относительной погрешности измерений тепловой энергии определяют по формуле

эти пределы меньше чем а относительная погрешность измерений массы утечек теплоносителя для закрытых водяных систем теплоснабжения при наличии двух одиночных объемных электромагнитных расходомеров также равна бесконечности;

- пары объемных электромагнитных расходомеров и пары датчиков температуры, измеряющих значения объемных расходов q₁ и q₂, температуры t₁ и t₂, а также разности температур Δt и разности объемных расходов Δq, при этом каждое из значений и Δt, и Δq измеряют как единое целое, а значение δ_Δm - оценки относительной погрешности измерений разности массовых расходов Δm выражают, в том числе, через оценки пределов значений относительной погрешности измерений разности объемных расходов δ_Δq с соблюдением правил алгебраического суммирования составляющих погрешностей, при этом оценки пределов относительных погрешностей измерений тепловой энергии определяют как

где в и верхний индекс в скобках указывает на номер варианта компоновки теплосчетчика средствами измерений расхода и температуры, а нижний индекс «Q²» - указывает на то, что оценки пределов погрешности производятся для уравнения измерений Q², которое при значении Δm=0 переходит в уравнение измерений для идеально закрытой водяной системы теплоснабжения Q^M, параметр β_t=t₂/t₁ введен аналогично параметру β=h₂/h₁, при этом очевидно, что β≈β_t, а определение пределов относительной погрешности измерений массы утечек теплоносителя М_у при наличии пары объемных электромагнитных расходомеров сводится к определению пределов относительной погрешности измерений разности массовых расходов Δm, т.е ±(δ_Δm)_max, которую записывают в виде алгебраической суммы пределов значений относительных погрешностей всех слагаемых с учетом их максимальной корреляции из-за значительной зависимости всех задействованных величин от температуры, т.е. (δ_Δm)_max=±(|δ_q1|_max+|δ_Δρ|_max+|δ_ρ2|_max+|δ_Δq|_max), и на выходе из индикатора получают необходимые параметры, указанные в программном обеспечении, эксплуатационных документах и прошитые в памяти теплосчетчика.

2. Теплосчетчик для определения тепловой энергии и массы утечек теплоносителя в закрытых водяных системах теплоснабжения с подающим, обратным трубопроводами, каждый трубопровод в отдельности подающий, обратный оснащены по одному объемному электромагнитному расходомеру, каждый из которых имеет линейную градуировочную характеристику, преобразователю давления и температуры, блоками вычисления плотности, удельной энтальпии, общим блоком прямого измерения разности объемных расходов, общим блоком вычисления разности массовых расходов, общим блоком вычисления массы отобранного из сети теплоносителя (т.е., массы утечек), выходы блоков измерения температуры и давления, соответственно соединены с входами блоков вычисления удельных энтальпий (h₁, h₂), плотностей (ρ₁, ρ₂) и измерения температур (t₁, t₂), выходы блоков плотностей ρ₁, ρ₂ соединены с входами блока разности плотностей Δρ, выход объемного электромагнитного расходомера q₁ соединен с входом блока вычисления разности массовых расходов Δm, выходы объемных электромагнитных расходомеров q₁, q₂ соединены с входами блока разности объемных расходов Δq, а выход этого блока через блок вычисления разности массовых расходов Δm соединен с входом блока массы утечек теплоносителя М_у, выход блока плотности ρ₂ соединен с входом блока вычисления разности массовых расходов Δm, отличающийся тем, что дополнительно введены блок вычисления массового расхода в подающем трубопроводе m₁, блок разности температур Δt, выход блока разности температур Δt соединен с входом блока разности плотностей Δρ, выходы блоков вычисления удельных энтальпии (h₁, h₂) через блок вычисления разности удельных энтальпии Δh соединены с входом блока измерения тепловой энергии Q, другой выход блока удельной энтальпии h₂ обратного трубопровода соединен с входом блока измерения тепловой энергии Q, выход блока плотности ρ₁ соединен с входом блока массового расхода в подающем трубопроводе m₁, выход объемного электромагнитного расходомера q₁ через блок вычисления массового расхода m₁ подающего трубопровода соединен с входом блока измерения тепловой энергии Q (индикатора).