К сожалению, внимания ей уделяется недостаточно. Вместе с тем, в ряде случаев она может многократно превосходить инструментальную составляющую, т.е. погрешность самого теплосчетчика. Имеется два потенциальных источника возникновения составляющих методической погрешности результатов измерений тепловой энергии. Во-первых, несоответствие условий градуировки теплосчетчиков (при поэлементной градуировке преобразователей расхода и температуры) условиям их применения на реальных объектах. Во-вторых, измерение, в силу технических причин, не тех величин (параметров), которые входят в уравнения измерений тепловой энергии [2, 3], а некоторых других величин (параметров) не равных по численному значению искомым. Таким образом, если бы теплосчетчик мог градуироваться при эксплуатационных условиях, или действительно существовала бы возможность измерять нужные величины, то рассматриваемые ниже составляющие погрешности измерений не существовали бы. Следовательно, они не инструментальные, а методические. В методике выполнения измерений (далее МВИ) тепловой энергии с помощью теплосчетчиков каждого конкретного типа должны быть указания о том, как оценить значение каждой составляющей методической погрешности, либо способы ее минимизации до пренебрежимо малых значений. Однако в настоящее время подавляющее большинство типов теплосчетчиков не имеют аттестованных МВИ тепловой энергии вообще, хотя этого требует Закон РФ «Об обеспечении единства измерений». И это не случайно. Нормативные документы Госстандарта РФ, регламентирующие требования к типовым МВИ тепловой энергии [4, 5], носят расплывчатый характер и не содержат четких рекомендаций для разработчиков теплосчетчиков. В итоге измерения тепловой энергии зачастую выполняются с недопустимым произволом, и достоверность их вызывает большое сомнение. Авторы настоящего доклада сделали попытку дать некоторое начальное приближение классификации методических составляющих погрешности результата измерений тепловой энергии с помощью теплосчетчиков для систем водяного теплоснабжения. Причем необходимо сразу оговорить то, что приведенные ниже составляющие погрешности свойственны теплосчетчикам всех видов. Для теплосчетчиков конкретных видов (электромагнитных, ультразвуковых, вихревых и др.) могут быть также и свои специфические составляющие. Следует отметить, что для составляющих погрешностей результатов измерений, как правило, не существует четкой грани между инструментальными составляющими и составляющими погрешности метода измерений. Так для преобразователей расхода некоторые составляющие погрешности метода измерений расхода можно рассматривать как инструментальные с позиций ГОСТ 8.407 в рамках нормирования функций влияния. Разделение составляющих погрешности результата измерений на инструментальные и методические проводится, в основном, из соображений удобства. Основные составляющие погрешности метода результата измерений тепловой энергии Суммарная составляющая погрешности метода измерений тепловой энергии определяется исходя из того, что значение тепловой энергии представляет собой результат косвенного измерения по значениям величин объемного расхода и параметров потока теплоносителя. Поэтому погрешность метода измерений тепловой энергии можно, в свою очередь, разделить на несколько составляющих, относящихся к каждой измеряемой физической величине и параметру. Кроме того, к погрешности метода измерений тепловой энергии относится погрешность суммирования отдельных составляющих на основании выбранного уравнения измерений. Данный вопрос достаточно подробно изложен в [8]. Составляющие погрешности метода измерений расхода Главной причиной возникновения составляющих погрешности метода измерений расхода теплоносителя (горячей и теплофикационной воды) является несоответствие условий, при которых преобразователи расхода градуируются на поверочных установках и эксплуатируются на реальных объектах. Ниже перечислены факторы, которые могут внести существенный вклад в величину погрешности метода измерений расхода. 1. Несоответствие температур сред при градуировке и эксплуатации Наиболее значимо данный фактор будет проявляться в случае, если внутренняя поверхность преобразователя расхода для защиты от коррозии или электропроводности выполнена из материала, который имеет коэффициент температурного расширения значительно больший, чем у металлического корпуса (например, фторопласт). Такой материал расширяется внутрь проточной части, значимо уменьшает диаметр ее проходного сечения и, соответственно, увеличивая скорость потока среды. Но, по своей физической сути преобразователь расхода является измерителем скорости потока, поэтому изменение скорости он интерпретирует, как изменение расхода, что и вызывает погрешность, значение которой достоверно оценить расчетным путем невозможно, ввиду того, что изменение проходного сечения происходит по сложному закону, зависящему от многих, практически не контролируемых, факторов. Единственный способ минимизировать эту составляющую погрешности — провести исследования преобразователей расхода на горячей воде в рамках определения функции влияния по ГОСТ 8.407. Причем согласно ГОСТ 8.407 для функций влияния осуществляется только типовое нормирование. Такое допущение дает возможность проводить градуировку преобразователей расхода на холодной воде, а затем корректировку показаний осуществлять с помощью зависимостей, априорно установленных на этапе типовых исследований. При таком подходе данная составляющая погрешности метода измерений расхода среды переходит в разряд инструментальных составляющих погрешности измерений тепловой энергии. 2. Составляющая погрешности от несоответствия конфигураций гидравлических каналов измерительных участков при градуировке и эксплуатации Известно, например [7], что показания расходомеров практически всех видов могут значимо зависеть от искажения эпюры скоростей в измерительном сечении. На поверочных установках профиль скоростей потока один, а на измерительном участке узла учета другой. Это происходит из-за возможного наличия перед преобразователем расхода местных сопротивлений (регулирующая арматура, группа колен в разных плоскостях, резкие расширения и сужения, коллекторы для слияния потоков и др.), создающих асимметрию потока, либо его закрутку, либо некоторую комбинацию этих воздействий. После местного сопротивления перед преобразователем расхода должен быть участок стабилизации потока достаточной длины, чтобы профиль скоростей успел перестроиться в такой вид, который не мог бы оказывать значимых воздействий на показания преобразователей расхода. Особую осторожность следует соблюдать в случае, если между местным сопротивлением, создающим асимметрию потока, и преобразователем расхода находится резкое расширение потока, которое может существенно усилить влияние возмущений от предыдущего местного сопротивления. Поэтому резкие расширения потока следует заменять диффузорами с углом раскрытия не более 20°. Следует отметить, что кроме местных сопротивлений значимо на показания преобразователей расхода могут повлиять также уступы между корпусом преобразователя и прилегающими участками трубопровода, выступающие внутрь трубопровода прокладки, различные перекосы при установке и т.д. Достоверно оценить значение данной составляющей методической погрешности в общем случае не представляется возможным. Поэтому при проведении измерений необходимо стремиться свести ее к пренебрежимо малому значению, создав нужные условия для максимальной идентичности эпюр скоростей потока при градуировке и эксплуатации. Для преобразователя расхода должны быть достоверно определены требуемые длины участков стабилизации потока после местных сопротивлений. Особенно после таких, которые вызывают существенную деформацию профиля скоростей. Кроме того, в инструкции по монтажу должны быть четко оговорены все требования к допускаемым отклонениям, которые должны быть определены при экспериментальных исследованиях. 3. Составляющая, вызванная несоответствием чисел Рейнольдса Данная составляющая погрешности проявляется ввиду того, что гидродинамические характеристики среды зависят от числа Рейнольдса, однако градуировка приборов осуществляется по расходу по причине того, что на холодноводной установке нереально достичь чисел Рейнольдса, реализуемых в тепловой сети, т.к. вязкость горячей воды в 3–5 раз меньше, чем у холодной. Неслучайно зарубежные нормативные документы (например, EN 12261– 2002) требуют воздействия на преобразователь расхода от местных сопротивлений определять при нескольких числах Рейнольдса. В России до этого пока не дошли. Тем не менее, уже в ближайшем будущем, видимо, такие оценки также придется проводить. Теоретически достоверно оценить величину данной составляющей погрешности результата измерений не представляется возможным. Поэтому ее следует выявлять при проливках на горячей воде в рамках типовых испытаний, а затем учитывать, или устранять введением поправок. Погрешность, вызванная отсутствием в теплосчетчике средств измерений давления Эта составляющая методической погрешности измерений тепловой энергии возникает если давление измеряемой среды не измеряется, а задается в виде договорной константы. Давление входит в зависимости для определения величин плотности, энтальпии и вязкости измеряемой среды. Виды таких зависимостей даны в нормативных документах ГСССД 98–86 и ГСССД 6–89. Допускается также применение упрощенных зависимостей, представленных в МИ 2412, что приведет к незначительной методической погрешности. У воды величины плотности, энтальпии и вязкости от давления зависят слабо. Кроме того, увеличение давления приводит к возрастанию плотности, но уменьшению энтальпии и наоборот. Однако пренебрегать погрешностью членов в уравнении тепловой энергии, содержащих произведение плотности на энтальпию при задании давления в виде договорной константы, можно не всегда. Так, пределы относительной погрешности определения тепловой энергии воды в диапазоне изменения абсолютного давления от 0,1 до 1,6 МПа при договорном значении давления 0,8 МПа составят ±0,3 % при температуре среды не превышающей 150°С. Поэтому в теплосчетчиках класса «С» по ГОСТ Р 51649 обычно предусматривается наличие преобразователя давления. Если абсолютное давление измеряемой среды не превышает 1 МПа, а температура 150°С, то давление допускается задавать в виде договорной константы 0,5 МПа для теплосчетчиков всех классов. Пределы методической относительной погрешности при этом не превысят ±0,1 %. Величина кинематической вязкости среды применяется только для вычислений числа Рейнольдса и задание давления в виде договорной константы здесь всегда достаточно. Составляющие погрешности метода измерений температуры потока среды Все составляющие данной группы обусловлены неконтролируемой деформацией профилей скорости и температуры потока. Поэтому мероприятия, необходимые для минимизации составляющих погрешности одинаковы и, следовательно, рассматривать эти составляющие нужно совместно. Первая составляющая погрешности метода измерений температуры заключается в различии условий, при которых преобразователи температуры градуируются и применяются в составе теплосчетчиков. Градуировка термопреобразователей проводится в неподвижной (паровые термостаты) или малоподвижной (жидкостные термостаты) и термоизолированной средах, а измерения выполняются в движущейся среде и с возможными утечками теплоты. Согласно положениям термодинамики абсолютная температура жидкости t связана с абсолютной температурой адиабатически заторможенной среды t*, которая при отсутствии теплообмена будет константой, следующей зависимостью: t = t* – U2/(2 . Ср), где Ср — удельная теплоемкость среды при постоянном давлении; U — скорость потока. Анализ формулы показывает, что величина U2/(2 . Ср) пренебрежимо мала по сравнению с t даже при максимальной скорости потока среды. Поэтому в теплоизолированной трубе при скоростях потока, реализуемых в теплосчетчике, данной составляющей погрешности можно пренебречь. Однако такое положение справедливо, если кроме адиабатичности выполняется условие того, что течение происходит без устойчивых вихревых образований низкой частоты со значительной амплитудой пульсаций параметров потока. Такие вихри в потоке являются серьезными поглотителями энергии, и если чувствительный элемент термопреобразователя попадает в вихревую зону, то может возникнуть значимая погрешность измерения температуры и особенно разности температур. Следует отметить, что источником образования крупномасштабных вихрей могут служить как местные сопротивления, так и сама гильза термометра, являющаяся с точки зрения гидродинамики плохо обтекаемым телом. Вторая составляющая погрешности метода измерений температуры возникает из-за того, что температура с помощью термопреобразователя измеряется в некоторой точке поперечного сечения трубы, но в уравнение измерений тепловой энергии входит среднее по сечению значение энтальпии, которое должно быть вычислено соответственно по значению средней по сечению температуры потока. Таким образом, данная составляющая погрешности метода измерений температуры потока определяется отклонением температуры, измеренной с помощью термопреобразователя, от действительного значения средней интегральной по сечению температуры потока. Эта составляющая будет существенно зависеть от вида деформации профиля температур в измерительном сечении, который, в свою очередь, зависит от гидродинамических характеристик потока и качества термоизоляции измерительного участка трубопровода. Третья составляющая погрешности метода измерений температуры потока касается измерения разности температур в трубопроводах. Так, если в трубопроводах погрешности измерений температуры имеют разный знак, то при вычислении разности температур эти погрешности суммируются, и, наоборот, погрешности одного знака вычитаются. Поэтому при измерениях температуры потока в трубопроводах следует стремиться к созданию максимально идентичных условий, способных повлиять на результаты измерений: желательно иметь одинаковую конфигурацию измерительного тракта, применять одинаковые гильзы, одинаковыми должны быть углы их наклона к направлению потока, минимально различаться глубины погружения чувствительных элементов термопреобразователей в теплоноситель. Достоверно оценить значения всех составляющих погрешности метода измерений температуры не представляется возможным. Поэтому следует принимать меры для уменьшения этих составляющих погрешности до пренебрежимо малых значений, что связано с выполнением требований международных стандартов EN 1434–97 и IEC R 75, а также п.п. 6.3. ГОСТ 8.563.2–97. Последний нормативный документ относится к сужающим устройствам, которые применяются в качестве средств измерений более ста лет и имеют наиболее проработанную и апробированную нормативную базу. Необходимо остановиться также на некоторых общих метрологических вопросах. Составляющие погрешностей результатов измерений величин тепловой энергии и массы (объема) среды, а также ее параметров с помощью теплосчетчиков необходимо рассматривать как неисключенные систематические погрешности. В качестве их характеристик, в соответствии с МИ 1317, следует использовать границы, в которых неисключенные систематические погрешности результатов измерений, являясь случайными величинами, находятся с доверительной вероятностью 0,95. Суммирование составляющих погрешности результата прямых измерений физических величин и параметров следует проводить по ГОСТ 8.207, либо по МИ 1552 (в зависимости от того, являются измерения многократными или однократными). Суммарная погрешность результатов косвенных измерений количества теплоты (тепловой энергии) определяется по МИ 2083 с учетом вида уравнения измерений по МИ 2412 и значений погрешностей результатов измерений физических величин и параметров, входящих в уравнение измерений. В заключение авторы хотели бы выразить надежду на то, что нормативные документы на типовые МВИ тепловой энергии будут пересмотрены. А в новом документе будет максимально отражен весь спектр проблем, возникающих при выполнении измерений тепловой энергии. Необходима также большая конкретность требований, предъявляемых к методам и средствам измерений. Все это позволит разработчикам теплосчетчиков создать качественные документы для своих приборов и тем самым повысить достоверность результатов измерений.
Литература 1. РМГ 29–99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. 2. ГОСТ Р 8.591–2002 ГСИ «Теплосчетчики». 3. МИ 2412–97. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количества теплоносителя. 4. ГОСТ Р 8.592–2002 ГСИ «Тепловая энергия, потребленная абонентами водяных систем теплоснабжения. Типовая методика выполнения измерений». 5. МИ 2714–2002 ГСИ «Энергия тепловая и масса теплоносителя в системах теплоснабжения. Методика выполнения измерений. Основные положения». 6. ГОСТ 8.407–80 ГСИ. Расходомеры несжимаемых жидкостей. Нормируемые метрологические характеристики. 7. П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. — 4-е изд. перераб и доп. — Л.: «Машиностроение». 1989. 8. МИ 2553–99 Рекомендация ГСОЕИ. Энергия тепловая и теплоноситель в системах теплоснабжения. Методика оценки погрешностей измерений. Основные положения.
