Моделирование интеллектуальных сенсорных систем измерения расхода горячей воды для определения, распределения теплоэнергии между потре

• максимальное количество расходомеров – 1;
• максимальное количество термодатчиков – 2;
• максимальное количество датчиков давления – 2; [5]

2. ТЭМ-104 (2) - соответствует ТЭМ-104/2. [5]Данная модификация прибора позволяет использовать его для циркуляционных систем горячего водоснабжения, систем отопления с контролем утечек, а также в других системах теплоснабжения, где возможно использование двух расходомеров. Один расходомер устанавливается на подающий трубопровод другой на обратный трубопровод. [7] Максимальная комплектность теплосчетчика ТЭМ-104/2:

• максимальное количество расходомеров – 2;
• максимальное количество термодатчиков – 3;
• максимальное количество датчиков давления – 4; [5]

3. ТЭМ-104 (3) – соответствует ТЭМ-104/3 и ТЭМ-104/4.[5] Данная модификация прибора позволяет использовать его для учета тепловой энергии одновременно в нескольких системах теплоснабжения, при условии, что общее количество расходомеров на этих системах не превышает четырех. Например, возможно использовать эту модификацию одновременно на системе отопления с контролем утечек и циркуляционной системы горячего водоснабжения. [8] Максимальная комплектность теплосчетчика ТЭМ-104/3 и ТЭМ-104/4:

• максимальное количество расходомеров – 4;
• максимальное количество термодатчиков – 6;
• максимальное количество датчиков давления – 4.[5]

  2.1.7.1. Расходомеры приборов учета тепла

  Для приборов учета тепла используется несколько видов расходомеров:

1. ультразвуковые расходомеры применяются с 60-х годов 20 века, их основными достоинствами являются малое, а в некоторых случаях и полное, отсутствие гидравлического сопротивления, а также высокая точность, быстродействие, помехозащищенность и надежность, так как нет подвижных механических элементов. Существуют основные методики определения расхода жидкости при помощи ультразвуковых расходомеров: время-импульсный метод (метод фазового сдвига), доплеровский метод, метод сноса ультразвукового сигнала (корреляционный);[9]
2. тахометрические. Потребность в таких расходомерах особенно проявляется, когда для теплоснабжения и для горячего водоснабжения используется вода различного качества: так для теплоснабжения могут использовать воду худшего по чистоте качества, т.е. техническую воду, чем для горячего водоснабжения. Наличие механических частичек в измеряемой среде приводит к износу чувствительных элементов и уменьшает технический ресурс прибора. В тоже время выдвигаются серьезные требования к точности измерения, к эксплуатационной надежности и т.д. Этим требованиям в полной мере соответствуют шариковые тахометрические расходомеры и счетчики количества жидкости. Также эти приборы способны измерять расходы пульп и жидких многофазных смесей. Применение тахометрических расходомеров обусловлено их многочисленными преимуществами, к которым следует отнести: нечувствительность к механическим частичкам в измеряемой жидкости при их концентрации до 40 г/л и размерами до 2 мм; возможность изготовления всех деталей прибора, которые находятся в контакте с измеряемой жидкостью, из полимерных материалов, что делает возможным измерение агрессивных сред; высокая надежность и большой технический ресурс работы; бесконтактный съем сигнала с первичного преобразователя. Благодаря данным преимуществам тахометрические расходомеры нашли свое применение в некоторых системах теплоснабжения, в системах контроля различных технологических процессов на АЭС, в химической и фармацевтической промышленности, при измерении многофазных сред, сверхмалых расходов. Принцип действия тахометрических расходомеров базируется на передаче скорости движения жидкости свободно плавающему телу. В тахометрических расходомерах в качестве свободно плавающего тела используется шарик. Это объясняется тем, что для обеспечения постоянного силового воздействия со стороны потока на тело, а значит и равномерного его вращения при неизменной скорости измеряемого потока необходимо, чтобы площадь проекции этого тела на плоскость, перпендикулярную вектору скорости потока, была постоянной. Это условие выполняется для тела в форме шарика. При плотности материала шарика, близкой к плотности измеряемой жидкости, можно считать, что шарик двигается со скоростью жидкости. Угловая скорость вращения шарика прямо пропорциональна скорости протекания жидкости через прибор, и, следовательно, пропорциональна измеряемому расходу. Существующие конструкции тахометрических расходомеров можно разделить на два типа по способу сознания угловой составляющей скорости потока в рабочей камере с осевым подводом потока или с тангенциальным подводом потока. В случае осевого подвода потока угловая составляющая скорости потока создается лопастями неподвижного струенаправляющего аппарата. Подвод и отвод потока осуществляется по оси рабочей камеры; [10]
3. электромагнитные расходомеры применяются для измерения расхода жидкости с 40-х годов 20 века. Основными достоинствами таких расходомеров являются: отсутствие гидродинамического сопротивления, отсутствие подвижных механических элементов, которые увеличивают уязвимость прибора, высокая точность измерений и быстродействие. Принцип действия электромагнитных расходомеров заключается в следующем: в проводнике, пересекающем силовые линии поля, индуцируется ЭДС, которая пропорциональна скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля. То есть основой работы таких расходомеров является закон электромагнитной индукции – закон Фарадея. Если проводником является проводящая жидкость, текущая между полюсами магнита, измеряя ЭДС, наведенную в жидкости по закону Фарадея, можно получить принципиальную схему электромагнитного расходомера, которую предлагал еще Фарадей.[11]  Таким образом, электромагнитные расходомеры могут быть выполнены как с постоянными, так и с электромагнитными, питаемыми переменным током частотой. Эти электромагнитные расходомеры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения. Погрешность данных приборов определяется в основном погрешностями их градуировки и измерения разности потенциалов Е. Но электрохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и наводки, непостоянство напряжения питания и другие помехи не позволяют получить потенциально высокой точности измерений расхода на данном этапе развития. Существенным и основным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным электромагнитом, ограничивающим их применение для измерения слабо пульсирующих потоков, является поляризация измерительных электродов, при которой изменяется сопротивление преобразователя, из чего следует появление дополнительных погрешностей. Поляризацию уменьшают, применяя электроды из специальных материалов (угольные или каломелиевые электроды) или специальные покрытия для электродов (платиновые или танталовые). В расходомерах с переменным магнитным полем явление поляризации электродов отсутствует, но появляются такие эффекты как: трансформаторный эффект, когда на витке, образуемом жидкостью, находящейся на трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами наводится трансформаторная ЭДС, источником которой является обмотка электромагнита (для их компенсации в измерительную схему прибора вводят компенсирующие цепи или питают электромагнит переключаемым постоянным током); емкостной эффект, возникающий из-за большой разности потенциалов между системой возбуждения магнитного поля и электродами и паразитной емкости между ними (средством борьбы с этим эффектом является тщательная экранировка). Первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, выступающих внутрь трубопровода, сужений или изменений профиля, благодаря чему гидравлические потери на приборе минимальны, что является основным достоинством электромагнитных преобразователей расхода. Также к положительным качествам относится и то, что преобразователь расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. К очень важному положительному качеству можно отнести, что физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и др.) не влияют, если только они не изменяют ее электропроводность, на показания. Конструкция таких преобразователей позволяет применять новейшие изоляционные, антикоррозийные и другие покрытия, благодаря чему можно измерять расход агрессивных и абразивных сред. Такие приборы имеют высокую стабильность показаний, также стоит отметить, что метод незначительно чувствителен к неоднородностям, турбулентности потока, неравномерности распределения скоростей потока в сечении канала. Но кроме перечисленных положительных качеств данных приборов, которые обеспечили широкое распространение электромагнитных расходомеров, стоит отметить и их недостатки, к которым относится: конструктивная сложность, необходимость тщательного каждодневного ухода (регулировка нуля, настройка и т.д.), электромагнитные расходомеры непригодны для измерения потока газов, а также жидкостей с электропроводностью менее 10^-3 – 10^-5 сим/м (10^-5 – 10^-7 Ом^-1см^-1). Наибольшее применение электромагнитные расходомеры нашли в учете водных и энергетических ресурсов, в частности отопительных системах. Их широко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности, в строительстве и других производствах;[11]
4. вихревые расходомеры основаны на зависимости от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи либо после препятствия определенной формы, установленного в трубопроводе, либо специального закручивания потока. К достоинствам вихревых расходомеров следует отнести: отсутствие подвижных частей, независимость показаний от давления и температуры, большой диапазон измерений, частотный измерительный сигнал на выходе , возможность получения универсальной градуировки, сравнительно небольшая стоимость и др. Но также имеются и недостатки, к которым относятся значительные потери давления (до 30-50 кПа), ограничения возможностей их применения, так как они не пригодны при малых скоростях потока среды, для измерения расхода загрязненных и агрессивных сред. [13]

  2.1.7.2. Температурные преобразователи приборов учета тепла

  Для приборов учета тепла используется только один вид температурных преобразователей – термопары. Термопара – термоэлемент, который применяется в измерительных  и преобразовательных устройствах  и в системах автоматизации. По международному стандарту термопара определяется как пара проводников из различных  материалов, соединенных в одном  конце и формирующих часть  устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры. Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится  вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключенными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

  Принцип действия термопар основан на эффекте  Зеебека, то есть на термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, которая пропорциональна разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т_1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т₂, которое будет пропорционально разности температур Т₁ и Т₂.

  Как правило, термопары подключаются двумя  способами к измерительным преобразователям: простым способом и дифференциальным. При подключении преобразователя  к термопаре простым способом, он подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

  Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или  компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3. Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик.

  Существует  также несколько условий, которые  для качественной работы термопары  стоит соблюдать:

  — миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра; 
— не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;

  — при использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;     

  — по возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары; 
— материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях; 
— использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;

  — для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

  Типы  термопар определяются их техническими требованиями. Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94.Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

• платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R
• платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S
• платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B
• железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J
• медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т
• нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N.
• хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K
• хромель-константановые ТХКн — Тип E
• хромель-копелевые — ТХК — Тип L
• медь-копелевые — ТМК — Тип М
• сильх-силиновые — ТСС — Тип I
• вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3.

  Точный  состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. Тип L установлен только в немецком стандарте DIN 43710 и стандартные таблицы отличаются от таблиц для термопар ТХК.

  В настоящее  время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ.

  В 2008 г. МЭК  ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов.

  К преимуществам термопар относятся:

• высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01°С)
• большой температурный диапазон измерения: от −200 °C до 1800—2500 °C
• простота
• дешевизна
• надежность

  Но  стоит отметить и недостатки:

• Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
• На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
• Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
• зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
• возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
• на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.[14]

  2.1.7.3. Преобразователи давления приборов учета тепла

  Преобразователь давления - устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

  В приборах учета тепла для теплосетей и систем горячего водоснабжения  используются пьезоэлектрические датчики  давления.

  Пьезоэлектрический датчик, измерительный преобразователь механического усилия в электрический сигнал; его действие основано на использовании пьезоэлектрического эффекта. Под действием измеряемого давления на внешней и внутренней сторонах пары пластин пьезоэлектрика возникают электрические заряды, причём суммарная ЭДС между выводом и корпусом изменяется пропорционально давлению. Пьезоэлектрический датчик целесообразно применять при измерении быстроменяющегося давления, наиболее наглядным примером может послужить резкое падение давления в трубах теплотрассы или системы горячего водоснабжения во время аварии; если давление меняется медленно, то возрастает погрешность преобразования из-за «стекания» электрического заряда с пластин на корпус. Включением дополнительного конденсатора параллельно пьезоэлектрическому датчику давления можно уменьшить погрешность измерения, однако при этом уменьшается напряжение на выводах датчика. Основные достоинства пьезоэлектрического датчика давления - их высокие динамические характеристики и способность воспринимать колебания давления с частотой от десятков Гц до десятков МГц.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Конструктивные  схемы приборов учета тепла

  Принцип всех приборов учета одинаков, существуют лишь незначительные отличия, которые  определяются местоположение прибора  учета в системе теплосети  или горячего водоснабжения.

  В каждом приборе учета используются основные комплектные части –  это преобразователь расхода, преобразователь  температуры, датчик давления и вычислитель. Количество каналов в вычислителе  зависит от конфигурации теплосчетчика, также от конфигурации зависит и монтажная схема. Приборы учета одной и той же модели могут отличаться между собой электрической схемой, которая зависит от конфигурации и монтажной схемы, также.