УСТАНОВКА ДЛЯ ПОВЕРКИ СЧЕТЧИКОВ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для поверки счетчиков горячей воды, преимущественно в системах теплоснабжения.

Известна установка для поверки счетчиков горячей воды (крыльчатых, турбинных, индукционных, ультразвуковых, вихревых и т.д.) объемного типа (Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Счетчики воды. Методика поверки МИ1592-99) - [1]. Установка состоит из измерительной части, включающей средство измерения объема воды, выполненное в виде мерного бака, системы задания поверочных расходов, испытательного участка для установки поверяемого счетчика, а также системы заправки, хранения и стабилизации расхода воды. Температура воды при поверке счетчиков не превышает 40°C.

Известна установка ЕР-50 объемного типа с эталонной вместимостью для поверки счетчиков воды (Гудкин М.Б., Мишустин В.И., Чистяков Ю.А. Метрологическое обеспечение измерений расхода и объема жидкостей и газов в России // Измерительная техника, 2010. - №3. - С. 30-34) - [2]. Установка ЕР-50, относительная погрешность которой составляет 0,1% в диапазоне температур измеряемой среды 15-90°C, является одной из наиболее точных, обеспечивающих поверку эталонных счетчиков с наибольшей рабочей температурой теплоносителя до 90°C.

Известна также массовая поверочная установка для счетчиков горячей воды, измерительная часть которой включает установленную на платформе весов емкость, соединенную с испытательным участком гибким шлангом (Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Квартирные счетчики холодной и горячей воды. Методика периодичной поверки при эксплуатации МИ 2997-2006) - [3]. Температура измеряемой среды - горячей воды составляет 40-60°C.

Общим недостатком этих установок является значительное отличие условий поверки, осуществляемой при недостаточно высокой температуре измеряемой среды - не более 90°C, от реальных условий эксплуатации счетчиков в водяных системах теплоснабжения при температуре теплоносителя до 200°C (СП 124.13330.2012 Тепловые сети. Актуализированная редакция СН и П41-02-2003) - [4] и (ГОСТ Р 51649-2000 Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия) - [5], что снижает достоверность поверки и может привести к повышению погрешности измерения объема теплоносителя по сравнению с погрешностью, регламентированной (МИ 2538-99 «ГСИ. Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие метрологические требования») - [6], составляющей 1%.

При этом повышение температуры и давления измеряемой среды в установках этих типов с целью обеспечения соответствия условий поверки счетчиков горячей воды условиям их эксплуатации [4, 5] ограничено снижением точности поверочных установок.

Для объемных поверочных установок это связано с появлением дополнительной погрешности от изменения вместимости мерного бака вследствие его деформации под действием температуры и давления, а также погрешности измерения объема, обусловленной массообменном на поверхности раздела фаз газ - жидкость.

В массовых поверочных установках изменение температуры и давления измеряемой среды приводит к изменению жесткости гибкой связи емкости, установленной на платформе весов, с испытательным участком, что ведет к снижению точности взвешивания.

Наиболее близким аналогом к заявленному устройству является установка для поверки счетчиков горячей воды, содержащая испытательный участок трубопровода с установленными на нем последовательно по потоку эталонным и поверяемым счетчиками и регулятором расхода, вычислительное устройство, подогреватель воды, датчики температуры и запорную арматуру (Патент РФ №2234689, М. кл. G01F 25/00) - [7].

Принцип действия известной установки основан на циркуляции горячей воды с помощью насоса по замкнутому контуру, включающему накопитель и испытательный участок трубопровода, на котором последовательно по потоку установлены эталонный и поверяемый счетчики, и проведении поверки путем сличения их показателей при единой температуре протекающей через них воды.

Для нагрева воды в накопителе используется отдельный замкнутый контур, состоящий из насоса, осуществляющего забор воды из накопителя и ее подачу через подогреватель обратно в накопитель.

Недостатком известной установки является низкая точность при высоких температурах измеряемой среды вследствие значительной дополнительной температурной погрешности основного элемента установки сличения - эталонного счетчика.

В качестве эталонных счетчиков в известной установке сличения, как правило, применяются турбинные и электромагнитные счетчики, характеризующиеся высокой точностью и стабильностью коэффициента преобразования. Погрешность указанных счетчиков δ₀ при их градуировке и поверке, например, с помощью установки объемного типа ЕР-50 [2], не превышает 0,3% в диапазоне температур измеряемой среды 15…90°C.

Однако при повышении температуры горячей воды в известной установке сличения выше верхнего предела диапазона температур 90°C, при котором проводилась градуировка и поверка эталонных счетчиков их точность снижается за счет появления дополнительной температурной погрешности δ_т.

Для турбинного счетчика приближенная оценка погрешности δт согласно (Цейтлин В.Г. Расходоизмерительная техника. М., Из-во стандартов, 1977. - 240 с.) - [8] вычисляется по формуле

где β - коэффициент линейного теплового расширения материала ротора и корпуса турбинного счетчика, для нержавеющей стали β=17,3⋅10^-6 (°C)^-1, t_max - максимальное значение температуры измеряемой среды в известной установке сличения, в соответствие с требованиями нормативных документов [4, 5] эксплуатация счетчиков горячей воды в системе теплоснабжения может производиться при температуре до 200°C, поэтому и поверку этих счетчиков необходимо проводить при t_max=200°C; t₂ - верхний предел диапазона температур, при котором в приведенном примере проводилась градуировка и поверка эталонного счетчика, t₂=90°C.

После подстановки в (1) численных значений параметров получаем, что дополнительная температурная погрешность эталонного турбинного счетчика при его использовании в известной установке δ_т составит 0, 57%.

Значение суммарной погрешности этого счетчика δ_Σ определяется из выражения

Следовательно, в известной установке сличения при приведенных температурных режимах погрешность эталонного турбинного счетчика δ_Σ=0,87% становится сравнима с погрешностью поверяемого счетчика горячей воды, которая согласно [6] не должна превышать 1%, что не позволяет получить достоверные результаты поверки.

Дополнительная температурная погрешность электромагнитного счетчика, в первую очередь, обусловлена изменением характера распределения магнитного поля в канале счетчика в зависимости от изменения температуры измеряемой среды. В (ГОСТ 11988-81. Расходомеры и измерительные преобразователи расхода электромагнитные промышленные) - [9] была приведена методика определения пределов допускаемого изменения погрешности приборов, вызванной изменением температуры измеряемой среды в пределах рабочего диапазона температур на каждые 10°C для неподвижной жидкости. Например, для прибора ИР-51 величина этой дополнительной температурной погрешности составляет 0,3 от его основной погрешности при температуре измеряемой среды 20±5°C.

Результаты проливок ряда промышленных электромагнитных счетчиков на горячеводных стендах с диапазоном температур рабочей среды 23-73°C показали, что их относительная погрешность существенно зависит как от расхода, так и от температуры рабочей среды. Например, для одного из образцов счетчиков на заданном расходе рабочей среды 15 м³/ч при повышении ее температуры от 33 до 43°C относительная погрешность счетчика изменилась от 0,81 до - 0,42%, т.е. на 1,2%. (Кавригин С.Б., Прилуцкий А.В. Анализ опыта эксплуатации электромагнитных расходомеров в системах учета. Коммерческий учет теплоносителей. Материалы XI Международной научно-практической конференции, 2000. – СПб. - С. 114-117) - [10].

Таким образом, использование известной поверочной установки с эталонными счетчиками при температуре измеряемой среды, превышающей верхний предел диапазона температур, при котором проводилась их градуировка и поверка, существенно снижает ее точность и не обеспечивает возможность поверки счетчиков горячей воды при температурах, соответствующих фактическим температурам энергоносителя в системах теплоснабжения.

Задачей данного изобретения является повышение точности установки для поверки счетчиков горячей воды. Поставленная настоящим изобретением задача решается тем, что в известной установке для поверки счетчиков горячей воды, содержащей испытательный участок трубопровода, на котором последовательно по потоку установлены эталонный и поверяемый счетчики воды и регулятор расхода, вычислительное устройство, подогреватель воды, датчики температуры и запорная арматуруа, подогреватель воды размещен на испытательном участке трубопровода между эталонным и поверяемым счетчиками воды и выполнен в виде парового теплообменника, снабженного регулятором температуры горячей воды, проходящей через поверяемый счетчик, содержащим датчик температуры горячей воды, размещенный на испытательном участке трубопровода непосредственно за поверяемым счетчиком, и подключенный к датчику температуры горячей воды блок управления, выход которого соединен с приводом вентиля, установленного в линии подачи пара в паровой теплообменник, при этом на испытательном участке трубопровода непосредственно за эталонным счетчиком установлен датчик температуры холодной воды, выходы эталонного и поверяемого счетчиков воды, а также датчики температуры холодной и горячей воды подключены к входам вычислительного устройства, вход испытательного участка через вентиль соединен с напорной магистралью холодной воды, а его выход через запорную задвижку присоединен к обратному коллектору сетевой воды источника тепла.

Отличительными признаками согласно изобретению является то, что подогреватель воды размещен на испытательном участке трубопровода между эталонным и поверяемым счетчиками воды и выполнен в виде парового теплообменника, снабженного регулятором температуры горячей воды, проходящей через поверяемый счетчик, содержащим датчик температуры горячей воды, размещенный на испытательном участке трубопровода непосредственно за поверяемым счетчиком, и подключенный к датчику температуры горячей воды блок управления, выход которого соединен с приводом вентиля, установленного в линии подачи пара в паровой теплообменник, при этом на испытательном участке трубопровода непосредственно за эталонным счетчиком установлен датчик температуры холодной воды, выходы эталонного и поверяемого счетчиков воды, а также датчики температуры холодной и горячей воды подключены к входам вычислительного устройства, вход испытательного участка через вентиль соединен с напорной магистралью холодной воды, а его выход через запорную задвижку присоединен к обратному коллектору сетевой воды источника тепла.

Размещение подогревателя воды, выполненного в виде парового теплообменника, на испытательном участке между последовательно установленными на нем по потоку эталонным и поверяемым счетчиками воды обеспечило пропуск через них потока воды, имеющей разные значения температуры при ее прохождении через эталонный и поверяемый счетчики. При протекании воды через эталонный счетчик ее температура имеет нормальное значение 20±5°C, поэтому в указанных условиях применения эталонный счетчик имеет более высокую точность и его основная погрешность может находиться в пределах 0,15-0,2%.

В то время как при протекании воды через поверяемый счетчик за счет подогревателя производится ее нагрев до температуры, соответствующей реальной температуре его эксплуатации в тепловых сетях, которая согласно нормативным документам [4, 5] может достигать 200°C.

Результатом является повышение точности предложенной установки, в которой поверка производится сличением показаний эталонного счетчика, приведенных к температуре измеряемой среды, проходящей через поверяемый счетчик, с его показаниями.

Соединение входа испытательного участка через вентиль с напорной магистралью холодной воды и присоединения его выхода через запорную задвижку к обратному коллектору сетевой воды источника тепла позволяет исключить непроизводительный расход горячей воды при проведении поверки.

На фиг. 1 представлена схема установки для поверки счетчиков горячей воды.

Установка содержит испытательный участок трубопровода 1, на котором последовательно по потоку установлены эталонный счетчик холодной воды 2, непосредственно за ним - датчик температуры холодной воды 3, паровой теплообменник 4, поверяемый счетчик горячей воды 5, непосредственно за ним - датчик температуры горячей воды 6, и регулятор расхода 7.

В качестве эталонного счетчика холодной воды 2 в установке могут быть использованы турбинные счетчики, например, «Smith» с основной погрешностью δ_от не более 0,15% или электромагнитные счетчики, например, «ADMAG AXF», основная погрешность которых δ_оэ не превышает 0,2%.

Паровой теплообменник 4 снабжен регулятором температуры 8 горячей воды, проходящей через поверяемый счетчик 5, содержащим датчик температуры горячей воды 6, подключенный к входу блока управления 9, выход которого соединен с приводом 10, вентиля 11, установленного в линии 12 подачи пара в паровой теплообменник 4.

В состав установки входит вычислительное устройство 13, к входам которого подключены выходы эталонного 2 и поверяемого 5 счетчиков, а также датчики температуры холодной 3 и горячей 6 воды.

Вход испытательного участка 1 через вентиль 14 соединен с напорной магистралью холодной воды, а его выход через запорную задвижку 15 присоединен к обратному коллектору сетевой воды источника тепла.

Установка для поверки счетчиков горячей воды работает следующим образом. При полностью открытом вентиле 14 и запорной задвижке 15 поток холодной воды из напорной магистрали подается в испытательный участок трубопровода 1, проходит через эталонный счетчик холодной воды 2 и поступает в паровой теплообменник 4, где осуществляется нагрев воды до заданной температуры, затем поток горячей воды проходит поверяемый счетчик воды 5, регулятор расхода 7, который обеспечивает установку заданного расхода, запорную задвижку 15 и подается в обратный коллектор сетевой воды источника тепла.

С помощью регулятора температуры горячей воды 8 осуществляется нагрев горячей воды, проходящей через поверяемый счетчик 5, до заданного уровня температуры и производится ее стабилизация на этом уровне в его рабочих диапазонах изменения расхода и температуры, последний может составлять 20-200°C.

При работе регулятора 8 сигнал с датчика температуры горячей воды 6 подается на вход блока управления 9, где он сравнивается с сигналом, пропорциональным заданному уровню температуры горячей воды, и после усиления и преобразования сигнал рассогласования с выхода блока управления 9 поступает в привод 10 вентиля 11, который регулирует подачу пара через линию 12 в паровой теплообменник 4 таким образом, чтобы стабилизировать температуру нагрева горячей воды, проходящей через поверяемый счетчик 5, на заданном уровне.

После установки поверочного расхода в испытательном участке трубопровода 1, с помощью регулятора расхода 7, и нагрева горячей воды до заданного уровня температуры производится поверка счетчика горячей воды 5. При этом на входы вычислительного устройства 13 подаются сигналы с выходов эталонного 2 и поверяемого 5 счетчиков, а также сигналы с датчиков температуры холодной воды 3 и горячей воды 6, пропорциональные соответственно температуре холодной воды t_э, проходящей через эталонный счетчик 2, и температуре горячей воды t_п, проходящей через поверяемый счетчик 5.

В вычислительном устройстве 13 за определенный интервал времени вычисляются объемы воды V_э, измеренный эталонным счетчиком 2, и V_п, измеренный поверяемым счетчиком 5, соответственно при температуре t_э и t_п.

Также вычислительным устройством 13 определяется значение объема воды V_t, измеренное эталонным счетчиком 2, приведенное к температуре горячей воды t_п

где α - коэффициент объемного теплового расширения воды, t_p=t_п-t_э - разница температур воды, проходящей через поверяемый и эталонный счетчики.

Относительная погрешность поверяемого счетчика горячей воды 5 определяется вычислительным устройством 13 по формуле

Поверка счетчика горячей воды 5 проводится в его рабочих диапазонах изменения расхода и температуры.

Определим оценку погрешности предложенной установки для поверки счетчиков горячей воды.

При проведении поверки значение объема V_t, измеренное эталонным счетчиком 2 при температуре t_э и приведенное к температуре горячей воды t_п, является действительным значением объема горячей воды, проходящего через поверяемый счетчик 5, с которым сравниваются его показания, поэтому погрешность определения объема V_t может служить оценкой погрешности поверочной установки.

Для оценки погрешности определения объема V_t, значение которого получено из уравнения (3), вычислим частные производные от объема V_t по параметрам V_э и t_p - соответственно и , характеризующие веса с которыми в суммарную абсолютную погрешность ΔV_t входят составляющие погрешности измерения объема V_э и разницы температуры t_p, соответственно ΔV_э и Δt_p. Таким образом суммарная абсолютная погрешность ΔV_t составляет

После вычисления частных производных имеем

Для получения относительного значения погрешности в процентах, обе части уравнения (6) разделим на значение объема V_э и умножим на 100, с учетом того, что , относительная погрешность измерения объема V_t составит

где δ_о - основная погрешность эталонного счетчика, определенная при температуре 20±5°C, при этом для используемых в качестве эталонных турбинного счетчика δ_от равна 0,15%, а для электромагнитного счетчика δ_оэ составляет 0,2%;

t_p=t_п-t_э - разница температур воды, проходящей через поверяемый и эталонный счетчик, в соответствии с требованиями нормативных документов [4, 5] температура t_п может достигать 200°C, температура t_э согласно условиям применения эталонного счетчика равняется 20°C, таким образом t_p=180°C;

Δt_p погрешность измерения разницы температур t_p-t_э, для датчиков температуры, используемых в теплосчетчиках согласно [6], погрешность Δt_p при разнице температур t_p, равной 180°C, не превышает 1°C;

α - коэффициент объемного теплового расширения воды, α=300⋅10^-6 (°C)^-1

Вычислим по формуле (7) погрешность определения объема V_t, а следовательно, и погрешность предложенной установки при использовании в качестве эталонного счетчика соответственно турбинного счетчика с погрешностью δ_от, равной 0,15%, и электромагнитного счетчика с погрешностью δ_оэ, составляющей 0,2%

Таким образом, погрешность предложенной установки для поверки счетчиков горячей воды при использовании в качестве эталонного счетчика турбинного или электромагнитного счетчиков согласно (8) и (9) составит соответственно 0,19 или 0,24% в диапазоне изменения температуры измеряемой среды 20-200°C.

Применение предложенной установки, имеющей погрешность меньше 0,19 или 0,24%, позволяет значительно повысить точность измерения действительных значений объемов горячей воды, проходящей через поверяемые счетчики в диапазоне температур, соответствующем рабочим условиям эксплуатации поверяемых счетчиков водяных системах теплоснабжения, верхний предел которого составляет 200°C [4, 5].

Разработка и эксплуатация предложенной установки для поверки счетчиков горячей воды планируется на Казанской ТЭЦ-1, при этом эффективность и низкая стоимость ее эксплуатации на ТЭЦ обусловлены следующими факторами:

1. Возможностью использования в теплообменнике поверочной установки, вырабатываемого на ТЭЦ отборного пара, с давлением 1,3 МПа и температурой 300°C, для нагрева потока воды, протекающего через поверяемый счетчик горячей воды.

2. Исключением непроизводительных потерь горячей воды при проведении поверки вследствие того, что вода, нагретая при пропуске через установку до заданной температуры, поступает в обратный коллектор сетевой воды ТЭЦ, для последующего использования в системе теплоснабжения.

Литература

1. Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Счетчики воды. Методика поверки МИ 1592-99.

2. Гудкин М.Б., Мишустин В.И., Чистяков Ю.А. Метрологическое обеспечение измерений расхода и объема жидкостей и газов в России // Измерительная техника, 2010. - №3. - С. 30-34.

3. Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Квартирные счетчики холодной и горячей воды. Методика периодичной поверки при эксплуатации МИ 2997-2006.

4. СП 124.13330.2012 Тепловые сети. Актуализированная редакция СН и П41-02-2003.

5. ГОСТ Р 51649-2000 Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия.

6. МИ 2538-99 «ГСИ. Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие метрологические требования».

7. Патент РФ №2234689, М. кл. G01F 25/00.

8. Цейтлин В.Г. Расходоизмерительная техника. М., Изд-во стандартов, 1977. - 240 с.

9. ГОСТ 11988-81. Расходомеры и измерительные преобразователи расхода электромагнитные промышленные.

10. Кавригин С.Б., Прилуцкий А.В. Анализ опыта эксплуатации электромагнитных расходомеров в системах учета. Коммерческий учет теплоносителей. Материалы XI Международной научно-практической конференции, 2000. - СПб. - С. 114-117.