Понятие теплосчетчика, состав и функции выполняемые теплосчетчиком

В соответствии с ГОСТ 51649-2000 [2] теплосчетчик рассматривается как измерительная система (средство измерений), предназначенная для измерения количества теплоты. Таким образом, основное назначение теплосчетчика определение количества теплоты в соответствии с формулами (2.10)-(2.16). Для реализации этой задачи, а также ряда других задач, определяемых в Правилах (измерение и учет массы теплоносителя, значений температур и давлений теплоносителя и др.), в состав теплосчетчиков включается ряд средств измерений:

тепловычислитель;

преобразователи расхода;

преобразователи температуры;

преобразователи давления.

Совокупность измерительных преобразователей и/или средств измерений, линий связи, электронных (вычислительных) блоков, обеспечивающая измерение количества теплоты или других физических величин по данным об измеренных параметрах теплоносителя образует измерительный канал теплосчетчика. В зависимости от количества измерительных каналов теплосчетчики могут быть одноканальными или многоканальными.

Согласно МИ2164-91 [7] теплосчетчики делятся на единые, составные и комбинированные. Едиными теплосчетчиками считаются теплосчетчики, состоящие из неразделяемых функциональных блоков. Составные теплосчетчики состоят из функциональных блоков, объединенных в средство измерения общими требованиями, регламентированными в нормативно-технической документации. Комбинированные теплосчетчики состоят из функциональных блоков, объединенных на месте эксплуатации в средство измерения, подвергаемое процедуре утверждения типа средства измерения. Как следует из определения типов теплосчетчиков, единые теплосчетчики производятся одним производителем, а поверка такого теплосчетчика выполняется как единого средства измерения. Отдельные элементы составных и комбинированных теплосчетчиков могут производится разными изготовителями, а поверка элементов теплосчетчиков может осуществляться раздельно.

Основное назначение тепловычислителя − реализация алгоритма определения количества теплоты на основании измерительных сигналов, поступающих от первичных преобразователей, и последующее хранение и представление измерительной информации.

Измерительные преобразователи расхода, температуры и давления контактируют непосредственно с теплоносителем и преобразуют значение соответствующего параметра в пропорциональное значение выходного сигнала, поступающего на вход тепловычислителя. Конкретное количество и место установки измерительных преобразователей определяется в соответствии с задачами, реализуемыми теплосчетчиком. Так, например, для учета тепловой энергии у потребителя, имеющего открытую систему теплоснабжения и суммарную тепловую нагрузку свыше 0,5 Гкал/ч, необходимо измерять:

расход сетевой воды по подающему и обратному трубопроводам;

температуру сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах;

давление сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах;

расход воды на горячее водоснабжение;

расход воды, используемой для подпитки системы теплоснабжения.

При измерении и регистрации этих параметров фиксируется момент времени измерения и регистрации. С точки зрения технической реализации измерения параметров наиболее сложным является измерение расхода теплоносителя, тип теплоносителя ограничивает выбор типа преобразователя расхода. Для измерения расхода воды и пара применяются следующие методы измерения и типы преобразователей расхода:

переменного перепада давления с использованием стандартных сужающих устройств;

вихревые;

счетчики (объемные, турбинные или крыльчатые);

гидродинамические.

Для измерения расхода воды применяются также следующие типы расходомеров:

электромагнитные;

ультразвуковые.

Метод измерения расхода теплоносителя с помощью стандартного сужающего устройства регламентирован соответствующими ГОСТами [8,9] и основан на явлении изменения статического давления среды при прохождении среды через сужающее устройство. В качестве стандартных сужающих устройств в ГОСТе приняты: диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури. В качестве примера на рис. 1.2 приведена схема течения потока среды через сужающее устройство – диафрагму.

При протекании потока среды через сужающее устройство происходит изменение параметров потока. Начиная с сечения А-А, площадь поперечного сечения потока сужается. В соответствии с уравнением сплошности происходит увеличение скорости потока среды. За счет инерции сужение потока продолжается до сечения B-B. В процессе дальнейшего движения происходит расширение потока вплоть до сечения C-C. Возрастание скорости потока среды на участке A-B приводит к снижению статического давления среды от P _a до P _b. Наличие необратимых потерь приводит к тому, что давление P _c не достигает значения P _a. Записывая уравнение сохранения энергии для сечений 1-1 и 2-2 (сечения, в которых происходит отбор давления) для стационарного режима потока среды, имеем

, (1.17)

где w_D – средняя скорость потока среды в измерительном трубопроводе; w_d – средняя скорость потока среды в отверстии сужающего устройства.

Записывая уравнение сплошности для двух сечений потока среды:

, (1.18)

и обозначая:

, (1.19)

Рис. 1.2. Схема течения потока среды через диафрагму

запишем теоретическое уравнение расхода среды

. (1.20)

где D P = P ₁ – P ₂ – перепад давления на сужающем устройстве.

Как видно из уравнения (1.20) для измерения расхода среды с помощью диафрагмы необходимо знать геометрические размеры трубопровода и сужающего устройства, плотность среды и перепад давления на диафрагме. Следует отметить, что зависимость расхода среды от перепада давления имеет степень ½.

Принцип действия вихревых расходомеров основан на явлении вихреобразования за профилированным телом, установленным в потоке. В вихревых расходомерах за профилированным плохообтекаемым телом, установленным в потоке среды, образуется вихревая дорожка. Поскольку при обтекании такого тела, как цилиндр частота образования вихрей является случайной величиной, то в качестве плохообтекаемого тела применяются специальные вставки, имеющие форму призмы, конуса и т. д. и позволяющие упорядочить образование вихрей.

В достаточно широком интервале изменения расхода среды и соответственно числа Рейнольдса остается постоянным число Струхаля (Sh), определяемое в виде

, (1.21)

где f – частота отрыва вихрей (частота пульсаций давления); d – характерный размер тела обтекания (при обтекании средой цилиндра – диаметр цилиндра).

В этом случае из выражения (1.21) видно, что частота пульсаций давлений прямо пропорциональна скорости потока среды

. (1.22)

Таким образом, с использованием выражения (1.22), измеряя частоту пульсаций давления за телом обтекания, можно определить скорость среды, а затем и расход среды. Исходя из принципа действия вихревых расходомеров, очевидно, что такого типа расходомеры могут применяться только для однородных гомогенных сред.

В счетчиках скорость движения рабочего органа пропорциональна объемному расходу измеряемой среды. В объемных счетчиках рабочие органы отмеривают при своем движении строго определенный объем среды, а суммарное число оборотов за установленный промежуток времени определяет объемный расход. В турбинных или крыльчатых счетчиках динамический напор среды преобразуется в скорость вращательного движения рабочего органа. Скорость (частота) вращения рабочего органа пропорциональна скорости среды.

В гидродинамических расходомерах используется зависимость между динамическим напором потока среды (Р _д), скоростью потока среды (w) и её плотностью (r): Р _д =r w ²/2. Измеряя и усредняя динамический напор по сечению трубопровода, удается рассчитать среднюю скорость среды, а затем и расход среды.

Принцип действия электромагнитных преобразователей расхода основан на явлении электромагнитной индукции и заключается в том, что при пересечении электропроводной жидкостью магнитных силовых линий в жидкости индуцируется ЭДС. Значение индуцируемой ЭДС прямо пропорционально скорости потока жидкости. Преобразователи расхода электромагнитного принципа действия применимы только для измерения расхода электропроводных жидкостей, к которым относятся жидкости, имеющие электропроводимость не ниже 10^-3 См/м, включая воду.

Схема, поясняющая принцип действия электромагнитного расходомера, приведена на рис. 1.3.

Корпус 1 расходомера выполнен из немагнитного материала. Поверхность корпуса 2, соприкасающаяся с жидкостью, покрыта электроизоляционным материалом (фторпластом). Корпус расходомера расположен в магнитном поле, причем ось расходомера расположена перпендикулярно магнитным силовым линиям. Сквозь корпус в жидкость введены электроды 3, которые также изолированы от корпуса расходомера. Магнитное поле создается постоянным магнитом 4 или с помощью электромагнита. При движении электропроводной жидкости через корпус расходомера, в соответствии с законом магнитной индукции в жидкости, между электродами будем наводиться ЭДС. Значение ЭДС измеряется измерительным прибором. Величина ЭДС E может быть определена из выражения:

, (1.23)

где B – магнитная индукция; L – длина проводника, пересекающего магнитное поле.

Поскольку объемный расход и диаметр трубопровода связаны соотношением: Q ₀ = p D ²* w _ср / 4, то выражение (1.23) может быть переписано в виде

, (1.24)

Как видно из выражения (1.24), между значением возникающей ЭДС и объемным расходом среды имеется однозначная линейная зависимость. В промышленных расходомерах постоянные магниты, как правило, не применяются. Это связано с тем, что с течением времени происходит поляризация электродов, поэтому часто магнитное поле создается импульсами с помощью прямоугольного импульсного тока.

Преобразователи расхода ультразвукового принципа действия применяются, главным образом, для измерения расхода жидкостей. В такого типа преобразователях расхода используется зависимость скорости распространения ультразвука относительно неподвижного трубопровода от скорости потока жидкости. В качестве излучателей и приемников ультразвукового излучения используются пьезоэлементы, которые монтируются на выделенном участке трубопровода. Помимо пьезоэлементов в состав ультразвуковых преобразователей расхода входит электронный блок, управляющий работой пьезоэлементов и по времени прохождения ультразвуковой волны от излучателя к приемнику рассчитывающий расход жидкости.

Ультразвуковые преобразователи делятся на два типа: преобразователи с излучением, перпендикулярным потоку, и преобразователи с угловым распространением ультразвука относительно потока (рис. 1.4.). Преобразователи содержат излучатель (пьезоэлемент) - 1, приемник - 2, отражатель - 3; излучатель и приемник могут быть объединены. В преобразователях с излучением, перпендикулярным потоку (рис. 1.4а), ультразвуковой луч, распространяющийся со скоростью w _узв, отклоняется по направлению скорости среды w. Угол отклонения луча составляет q = arcsin(w / w _узв)» w / w _узв. С увеличением скорости потока w количество ультразвуковой энергии, воспринимаемой левым приемником, уменьшается, а правым - возрастает. Разностный сигнал ультразвуковой энергии между левым и правым приемниками поступает на вход усилителя. Ультразвуковые расходомеры с распространением излучения перпендикулярно потоку среды имеют ограниченную точность из-за малого угла отклонения потока q. Поэтому более широко распространены преобразователи с угловым распространением ультразвукового луча.

Преобразователи такого типа могут быть выполнены как по одноканальной (рис. 1.4б), так и по двухканальной (рис. 1.4в) схемам. В одноканальной схеме пъезоэлемент одновременно является излучателем и приемником, для изменения направления луча используется отражатель 3. Для чистых сред пьезоэлементы устанавливаются в карманах, в случае загрязненных сред карманы могут заполняться твердым наполнителем (звукопроводом); используется также установка преобразователей снаружи трубопровода.

а б в

1,2 2 2

1

w w w

q a

2 2

3 1 1

Рис. 1.4. Схема распространения ультразвука в потоке среды и размещения преобразователей: (а) – одноканальная; (б) – двухканальная; 1 – излучатель; 2 – приемник; 3 – отражатель

Принцип действия преобразователей с угловым распространением ультразвукового луча (рис. 1.4б) состоит в определении разницы времени прохождения ультразвукового луча по направлению потока и против него. Учитывая, что скорость среды значительно ниже скорости звука, время распространения излучения по потоку составит

, (1.25)

а время распространения луча против потока равно:

, (1.26)

где w _уср – скорость потока, усредненная по длине прохождения луча.

Разность времени прохождения импульсов против и по направлению ультразвукового луча составляет Dt = t₁ - t₂ = 2 L. cosa. w _уср / w _узв.

Как видно из выражений (1.25.) и (1.26.), разность времени прохождения импульсов зависит от скорости потока w _уср, усредненной по длине прохождения луча, эта скорость отличается от скорости средней по диаметру трубопровода w _ср. Соотношение между w _уср и w _ср зависит от числа Re.

В зависимости от метода фиксации Dt ультразвуковые расходомеры делятся на время-импульсные, частотные и фазовые. Во время-импульсных расходомерах определяется значение Dt, по которому рассчитывается расход Q ₀. В частотных расходомерах ультразвуковой импульс направляется излучателем после достижения предыдущим импульсом приемника. Частота следования импульсов f может быть определена как 1/t_и , где t_и − время между импульсами. По разности частот ультразвукового сигнала по потоку и против него определяют объемный расход среды. В фазовых расходомерах фиксируется разность фаз ультразвуковых колебаний, распространяющихся по потоку и против потока.

Для передачи информации о значении расхода среды в тепловычислитель расходомеры преобразуют значение расхода в стандартный выходной сигнал:

-токовый 0 ¸5, 0 ¸ 20, 4 ¸20 mA;

-напряжения –5 ¸ +5, -10 ¸ +10 В;

-частотный 0 ¸ 1000 Гц;

-импульсный.