Усовершенствование ультразвуковых расходомеров

Одна из тем, которые весьма активно обсуждают специалисты теплоучета — целесообразность использования ультразвуковых расходомеров с автономным питанием на узлах учета. За два с небольшим десятилетия существования батарейных приборов сначала только зарубежных, а затем и отечественных (считая отечеством бывший СССР), они значительно усовершенствовались: в частности, если первые датские приборы были одноканальными и работали только в «обратке» при невысоких температурах, то теперь передовыми фирмами, в т.ч. теми же датскими, выпускаются двухканальные приборы, температурный диапазон которых увеличен до 130–150 °C.

Появились существенно новые функции — возможности регулирования, оснащение современными интерфейсами, и др. Основными аргументами в пользу «батарейников», в противовес использованию сетевых приборов, обычно считают энергонезависимость и связанные с ней относительную простоту монтажа, безопасность, бесперебойность в работе. Именно боязнь веерных отключений, которые имели место свыше пяти-семи лет назад, а также низкое качество сети (незащищенность от молний, наличие бросков, влияющих на электронику) подводят некоторых чиновников, т.е. «лиц, принимающих решения», к фетишизации энергонезависимых батарейных приборов.

Поэтому часто появляются документы типа «Требований к тендеру на поставку оборудования для узлов учета», начинающиеся фразой: «Прибор учета должен быть батарейным». При этом совершенно не обращается внимание на особенности объекта, его назначение, диаметры трубопроводов и т.п. Постепенно у специалистов выработалось мнение, что батарейные приборы целесообразно устанавливать на небольших объектах типа частных коттеджей, в небольших магазинчиках и кафе, часто расположенных в полуподвальных помещениях, и т.п. — иными словами, на тех объектах, где диаметры условного прохода ограничены величинами 50–65 мм.

Сетевые же приборы более целесообразно устанавливать на более крупных объектах — в жилых многоэтажных домах, административных и промышленных зданиях, на котельных и ТЭЦ, а также там, где предполагается решать задачи диспетчеризации с возможностью управления многими приборами и съема информации с них. Это, конечно, не догмы, из всех правил есть исключения.

Благодаря бурному развитию микропроцессорной техники на рынке имеется много типов батарейных приборов с различными техническими, эксплуатационными, эргономическими и прочими характеристиками, которые в той или иной мере «выпячиваются» производителями в рекламных целях. Однако, как отметил А.Г. Лупей относительно «плюсов автономности»:

«…Все они (плюсы) становятся абсолютно ничтожными, когда в полный рост встает единственный минус — недостаточная точность и стабильность измерений. И этот “минус” всегда настолько определяющий, что в одиночку перебьет хоть сотню всевозможных “плюсов”, поскольку главенствующим достоинством любого средства измерений является соответствие его нормированных метрологических характеристик установленным требованиям. И, если какой-либо якобы прибор выполняет измерения по принципу “семь пятниц на неделе”, напрочь забывая о своих нормированных метрологических характеристиках, то это, извините, уже не средство измерений, а некое электротехническое изделие…».

Для того, чтобы обеспечить некоторую «опорную» точность при разработках новых моделей приборов, облегчить потребителю выбор подходящего батарейного прибора из множества существующих, а также исключить приборы, находящиеся ниже некоторого качественного и метрологического уровня, целесообразно, на наш взгляд, ввести уже на данном этапе ряд требований, приближающих характеристики указанных приборов к характеристикам имеющихся лучших батарейных или к характеристикам сетевых приборов.

Требования по точности: расчет тепловой энергии должен производиться путем суммирования произведений текущих значений объемов на текущую разность энтальпий, а не путем умножения накопленного за час объема на усредненную за час разность энтальпий; не рекомендуется использование коэффициента Штюка; частота отсчетов для режима учета горячей и холодной воды должна быть не ниже одного раза в секунду, для учета отопления не ниже одного раза за 10 с; частота отсчетов в режиме «Поверка» должна соответствовать рабочей частоте.

Требования к составу и глубине архивов: объем часового архива — не менее двух месяцев; объем посуточного архива — не менее одного года; объем журнала событий — не менее 50 записей; желательно иметь архивы ошибок. Эти требования, на наш взгляд, следует ввести в ГОСТы на теплосчетчики. На Украине такой ГОСТ существует с 1996 г. [1]; недавно его «гармонизировали» с евростандартом EN 1434 [2]. В России также вводится аналогичный евростандарт. Остановимся на частоте отсчетов при измерении расходов.

Иногда считают, что период опроса в ультразвуковых батарейных приборах важно уменьшать только при большом количестве абонентов, чтобы «ловить» короткие по времени всплески расхода. Покажем на простейшем примере, что и при наличии всего лишь одного потребителя также полезно иметь повышенную частоту отсчетов при измерении расхода. На рис. 1 упрощенно показана временная диаграмма изменения расхода холодной воды в утреннее время; по горизонтальной оси отложены 10-секундные интервалы от одного до 15 на базе примерно 2,5 минут.

Потребителем является обычный «средний» студент, рабочий или служащий: после подъема и посещения туалета сливной бачок с первого по восьмой 10-секундные интервалы заполняется снова; далее, с четвертого по 12-й интервалы — умывание, здесь возможно смешивание холодной и горячей воды, но мы показываем только холодную; наконец, в районе 15-й метки — кратковременное наполнение водой сосуда для заварки кофе или чая; мытье посуды не рассматриваем, считаем, что оно производится горячей водой.

Получилось, что за трехминутный интервал расход изменился скачком шесть раз. Для простоты считаем скорости истечения воды на каждом интервале постоянными. Из рисунка видно, что сливной бачок наполняется в течение 72 с; считая, что его емкость 9 л, получаем скорость заполнения 0,125 л/с. Мытье производится 83 с со скоростью 0,1 л/с. Наконец, заполнение чайника длится 4 с со скоростью 0,25 л/с. Суммируя потребление воды для всех трех процессов, получаем: 9 л + 8,3 л + 1 л = 18,3 л.

Теперь допустим, что отсчеты скорости ультразвуковым прибором производятся каждые 10 с в моменты времени 1, 2, 3, … В табл. 1 показаны значения расхода в л/с, измеренные на каждом 10-секундном интервале. Учитывая, что количество воды за 10 с равно измеренной скорости в л/с, умноженной на 10, получаем общую сумму израсходованной за утро воды, равной 20,5 л. Ошибка за счет перехода от односекундных интервалов к 10-секундным составляет величину: 100 % × (20,5 – 18,3)/18,3 = 12,02 %.

Здесь потребитель переплатил за свои нехитрые процедуры 12,02 %. Ясно, что при меньшей частоте отсчетов ошибка увеличится. Пример лишний раз показывает, что технически достижимый темп отсчетов в одну секунду с целесообразно использовать не только в объектах, где из-за большого количества потребителей случайный процесс может иметь широкий частотный спектр, но и в малых объектах.

Тезис о том, что «вертушки» в квартирах эффективнее ультразвуковых квартирных приборов из-за относительной дешевизны, таким образом дополняется тем, что «вертушки» ловят быстрые изменения расхода лучше, чем рекламируемые обычно квартирные ультразвуковые приборы с периодами отсчетов в десятки секунд. Конечно лучший способ проверки характеристик расходомеров — это проливные испытания, и хорошо бы именно здесь проверить достаточность того или иного темпа опроса.

Однако организация эталонов пульсирующих потоков в настоящее время весьма громоздкая и непростая задача. Поэтому мы и предлагаем ввести высокий темп опроса «силовым» способом, только на основании примеров, приведенных здесь и в работе [3], а также на основании опыта специалистов, работающих с батарейными приборами.

Например, на сайте http:// teplopunkt.ru/forum описана хронология перехода прибора «Карат-РС» на секундный темп опроса; батарейные приборы фирмы «Эргомера», Днепропетровск, имеют еще более широкий набор значений периода опроса, начинающийся от долей секунды. Сглаживание противоречий между требованиями иметь высокую частоту отсчетов и длительным сроком службы батарейки в недалеком будущем следует ожидать от внедрения новых оригинальных алгоритмов подстройки частоты опроса к значению текущего расхода.

Два из таких разработанных на сегодняшний день алгоритмов рассмотрены ниже. В существующих батарейных приборах опрос производится либо через равные промежутки времени, либо по прошествии одного и того же объема измеряемой среды формируется импульс, например, 2,5 л/импульс. Теплосчетчики, у которых частота опроса зависит от расхода (объема), имеют более длительный срок службы батарейки, у другой же разновидности батарейных приборов, где опрос осуществляется через равные временные интервалы, результаты измерений, как правило, точнее при малых интервалах, но ресурс батареи весьма ограничен.

В результате всего сказанного становится понятно, что разработчику часто приходится находить компромисс между длительностью использования автономного питания и приемлемой точностью показаний теплосчетчика. Поэтому появилась идея создания алгоритмов повышения точности измерения тепла с одновременным продлением срока действия батареи. Если частота опроса зависит от расхода (определяется количеством литров на импульс), то в области малых расходов она «не успевает» за быстрыми и непродолжительными изменениями нагрузок в системах теплоснабжения.

Для решения этой проблемы был предложен адаптивный алгоритм [4]. Согласно ему в области средних и больших расходов диапазона измерения опрос осуществляется не через временные промежутки, а в зависимости от прохождения определенного объема вещества, однако как только расход падает ниже установленного порога, опрос производится уже в течение определенных промежутков времени. Чем меньше будут эти промежутки, тем больше вероятность корректно учесть динамические процессы в системах теплоснабжения.

Предложенный адаптированный алгоритм есть некий гибрид двух широко используемых ныне. Другой алгоритм (Feed Forward) [5] предусматривает проведение измерений только по факту изменения потребления горячей воды или теплоносителя. Это изменение определяется отслеживанием позиции регулирующего клапана. Считается, что нет необходимости производить замеры, если клапан находится в стационарном положении.

В данном методе используется сигнал от контроллера, чтобы инициировать процесс измерения в момент времени, когда фиксируется изменение положения клапана. Измерения будут проводиться, пока клапан не достигнет стационарного положения, тогда прибор автоматически переключится в режим энергосбережения, направленный на продление срока действия батарейки.

Для апробирования адаптивного и Feed Forward алгоритмов наряду с алгоритмами, заложенными в реальные теплосчетчики фирм Enernet, Kamstrup, ABB, Siemens, Actaris Шведская ассоциация централизованного теплоснабжения (Swedish District Heating Association) решила провести ряд экспериментов в условиях динамического изменения тепловой нагрузки. Адаптивный и Feed Forward алгоритмы были реализованы в пакетах MATLAB и Simulink.

Один из наиболее интересных экспериментов предусматривал только изменение расхода ГВС, не включая тепло. Динамика этого изменения представлена в табл. 2. Отметим, что даже приборам весьма именитых разработчиков свойственно иметь большие погрешности измерения в динамическом режиме эксплуатации. Если не брать в расчет модель Siemens 2WR5, где слишком большая погрешность, очевидно, вызвана неким сбоем в работе, то батарейные приборы выглядят несколько хуже сетевых.

Одна из причин — низкая частота опроса и несовершенство алгоритма обработки первичных данных. Это лишний раз подчеркивают графики изменения погрешности измерения тепла во времени, представленные в работе [6]. Конечно, у существующих батарейных приборов сегодня есть еще ряд недостатков: они не всегда адаптированы к реальным условиям использования с кратковременными изменениями в нагрузках систем теплоснабжения, не всегда имеют достаточную глубину нужных архивов, некоторые из них работают на упрощенных алгоритмах обработки информации, и т.д.

Однако следует надеяться, что усовершенствование этих «слабых мест» обеспечит батарейным приборам в будущем достойную конкуренцию с сетевыми средствами измерения расхода энергоносителей.