Статьи
Д. Л. Анисимов
ТЕПЛОСЧЕТЧИК В РАЗРЕЗЕ
Часть 1. О термопреобразователях
Статья опубликована в журнале «Коммунальный комплекс России», №2'2010
О теплосчетчиках на страницах журнала «Коммунальный комплекс России» мы писали уже не раз. Но в основном это были статьи «начального уровня»: в них рассказывалось о том, что такое теплосчетчик, из чего он состоит и на какие характеристики стоит обратить внимание при его выборе. Новый цикл публикаций под общим заголовком «Теплосчетчик в разрезе» задуман иначе. Мы хотим познакомить читателя с тем, как устроены приборы учета, и объяснить, от чего зависит их работоспособность. Мы ответим на вопросы, развенчаем мифы и, возможно, снимем завесу тайны с некоторых теплоучетных тем. Итак, ...
Статьи по теплоучету в журналах, доклады на конференциях, дискуссии на интернет-сайтах, разговоры в офисах и мастерских... И почему-то почти всегда речь идет об измерении расхода теплоносителя, о расходомерах. Неужели вся суть учета и все его проблемы сосредоточены именно в этих элементах теплосчетчика? Ведь в формуле для тепловой энергии в общем случае два «равноправных» члена: расход и разность температур. [На самом деле, конечно, масса и разность энтальпий. Но непосредственно измеряются именно расход и разность температур, поэтому позволим себе такую вольность в высказываниях] А это значит, что роль термопреобразователей в учете тепла ничуть не меньше, чем роль преобразователей расхода. Вероятно, большинству людей термопреобразователь кажется настолько простым устройством, а измерение температуры — настолько простой задачей, что об этом и говорить нечего. Но мы начнем наш цикл публикаций именно со статьи о термопреобразователях. Потому что наобум подобранный, неправильно смонтированный и неверно подключенный термопреобразователь превратит теплосчетчик из средства измерений в мебель ничуть не менее эффективно, чем неисправный расходомер.
Термопара, термопреобразователь...
«А у вас есть термопары для теплосчетчиков?» — думаю, с таким вопросом сталкивался каждый, кто продавал или продает приборы учета. Но при чем здесь термопара? Да, в составе теплосчетчика есть как минимум два термопреобразователя: один устанавливается в подающий, а второй — в обратный трубопровод системы теплоснабжения. Но «пара термопреобразователей» и «термопара» — это совершенно не одно и то же.
Термопарой называют пару проводников из различных материалов, соединенных на одном конце; помещая термопару в некую среду, мы можем определить температуру этой среды, измеряя термоЭДС, возникающую на «свободных» концах проводников. Термопары широко применяются, например, в металлургии. Для работы в составе теплосчетчиков они не подходят хотя бы потому, что не обеспечивают необходимую точность измерений.
А в теплоучете используются термопреобразователи сопротивления. Принцип их действия основан на знакомом еще из школьного курса физики свойстве металлов изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. «Кусочек» платины помещается в стержнеобразный корпус и соединяется проводами с тепловычислителем. Характеристики этого «кусочка», а значит и термопреобразователя в целом стандартизованы: электрическое сопротивление при температуре 0°С (обозначается как R0) — 100 или 500 Ом, номинальное отношение сопротивления при 100°С к R0 (обозначается как W100) — 1,391 или 1,385. «Зная» эти характеристики, вычислитель в любой момент времени по сопротивлению термопреобразователя вычислит его температуру.
... и пара термопреобразователей
Но в формуле для тепловой энергии присутствует не температура, а разность двух температур. Поэтому, как мы уже отметили выше, в составе теплосчетчика используется пара термопреобразователей (но никак не термопара!). И пара не простая, а согласованная. В чем именно и для чего она согласована? Очевидно, для измерения разности температур.
Не будем погружаться в дебри метрологии и попытаемся пояснить суть согласования, что называется, на пальцах. Реальная характеристика каждого термопреобразователя — зависимость электрического сопротивления от температуры — отличается от номинальной, теоретической. Т.е. и R0 может быть «не совсем 100 (или 500) Ом», и W100 «не совсем 1,391 (или 1,385)». Но вычислитель этого «не знает», он оперирует номинальными характеристиками. Отсюда — погрешность измерений, причем разная для термопреобразователя в «подаче» и термопреобразователя в «обратке». Представим, что при измерении первой температуры мы ошиблись на 1 градус, при измерении второй — на минус 1. Значит разность температур мы определим уже с ошибкой в 2 градуса. Причем по отношению к самой величине разности эти 2 градуса могут составить «приличный процент» и привести к серьезной ошибке измерения тепловой энергии. Получается, что нужно применять очень точные термопреобразователи, характеристики которых максимально приближены к номинальным? Но «очень точные» — это ведь всегда «более дорогие».
А что если взять два даже «не очень точных», но «ошибающихся одинаково» термометра? Ошибемся на 10 градусов в «подаче», на 10 — в «обратке» и на ... 0 (!) — при измерении разности! С десятью градусами мы, конечно, утрируем, но суть ясна: в согласованную пару по специальной методике подбираются термопреобразователи, реальные характеристики которых отличаются от номинальных одинаково. И если метрологический класс единичного термометра тем выше, чем ближе его характеристики к «идеалу», то метрологический класс пары — чем ближе их характеристики друг к другу.
Перестановка и замена
Конечно, не стоит думать, что каждый термопреобразователь из согласованной пары сам по себе «метрологически несостоятелен». В паспорте любой согласованной пары указывается не только предел погрешности измерения разности температур комплектом, но и предел («коридор») погрешности измерения температуры каждым термопреобразователем комплекта. Подбор в пару производится именно внутри этого «коридора». При этом найти среди множества отдельных термометров хорошо согласующиеся по характеристикам не так просто, поскольку требования к точности измерения разности температур теплосчетчиком достаточно высоки. Поэтому нельзя взять два одиночных термопреобразователя (такие используются, например, для измерения температуры в отдельном трубопроводе горячего или холодного водоснабжения) и применить их вместо согласованной пары.
Также нельзя собрать пару из термометров, входивших до этого в разные пары. Т.е. если один из преобразователей согласованной пары поврежден или потерян, то второй, увы, нам тоже уже не пригодится. Кстати, согласованная пара имеет один общий паспорт с единой отметкой о поверке, а оба термометра пары несут на себе одинаковые заводские номера. Или на одном из них к номеру добавляется буква. Например, 1020 и 1020А. В этой связи нам запомнился один разговор с монтажниками, которые заявили:
— Термометр с буквой «А» нужно обязательно ставить в обратку!
— Почему?
— Так нам инспектор сказал. Термометр, говорит, специально так и обозначен: «А» — «Абратка».
— Но ведь пишется на «Абратка», а «Обратка»!
— Да? Странно, странно...
На самом же деле буква в обозначении смысловой нагрузки не несет — она нужна лишь для того, чтобы различать термопреобразователи. И совершенно не важно, в подающий трубопровод поставить этот «А» или в обратный — точность измерения разности температур от этого не зависит.
Конструкция термопреобразователя
Но вот мы и подошли к вопросам монтажа термопреобразователей. Опыт показывает, что и монтажники, и эксплуатанты, и инспекторы ЭСО очень часто относятся к этому несерьезно. Не раз приходилось видеть в узлах учета термометры неподходящей длины, установленные в гильзы «не того» размера и неверно подключенные. Но прежде, чем рассмотреть все эти типичные ошибки, давайте познакомимся с конструкцией термопреобразователя сопротивления.
На вид он представляет собой длинный тонкий стержень, с одной стороны которого имеется либо клеммная головка, либо разъем для подключения кабеля. На некотором расстоянии от противоположного головке (разъему) конца имеются «поясок» и подвижная гайка (штуцер) для фиксации термопреобразователя в монтажной гильзе. [Существуют и другие конструкции, но в силу ограниченности объема статьи мы их здесь не рассматриваем] Расстояние от свободного конца до пояска называют монтажной длиной или длиной погружной части. Она может быть равна 35, 45, 60, 80, 100 мм и т.д.
Некоторые думают, что погружная часть термопреобразователя сделана из платины, и именно ее сопротивление измеряется для определения температуры. Другие считают, что из платины изготовлен весь стержень до самой клеммной головки. На самом же деле стержень — это всего лишь корпус, а сам платиновый чувствительный элемент очень мал и расположен внутри этого корпуса на конце погружной части. С клеммами или разъемом он соединен проходящими внутри стержня проводниками.
Монтаж термопреобразователей
Очевидно, что для того, чтобы измерить температуру теплоносителя в трубопроводе, нужно термопреобразователь в этот трубопровод погрузить. Причем погрузить так, чтобы чувствительный элемент (или, другими словами, конец погружной части) располагался не где-нибудь у стенки трубопровода, а в «толще воды». Т.е. примерно на продольной оси трубопровода. Или на глубине 0,3-0,7 Ду трубопровода. Но длину погружной части (обозначается как L) нельзя выбрать произвольно, ведь ряд этих длин стандартизован. Поэтому в зависимости от соотношения Ду трубопровода и L термометра часть погружной части окажется снаружи. Очевидно, что она будет охлаждаться окружающим воздухом, охлаждение будет «передаваться» всему корпусу термопреобразователя, и это, несоменно повлияет на точность измерения температуры «внтури трубы». Отсюда следуют первые важные правила монтажа:
- монтажная длина термопреобразователя должна соотноситься с Ду трубопровода так, чтобы обеспечивалось нужное погружение (0,3-0,7Ду) при условии, что хотя бы 2/3 монтажной длины будут находиться в потоке теплоносителя;
- «наружная» часть корпуса термопреобразователя должна быть надежно теплоизолирована;
- также теплоизолирован должен быть прилегающий к месту монтажа участок трубопровода.
Термопреобразователь можно располагать как перпендикулярно продольной оси трубопровода, так и под углом. За счет угла наклона можно регулировать и глубину погружения. Ну, а если трубопровод слишком «тонок», тогда термопреобразователь нужно монтировать в расширении. Ведь помимо длины он имеет еще и «толщину», а значит в тонкой трубе перекроет значительную часть сечения и затруднит движение теплоносителя. Тем более, что обычно термопреобразователи погружаются в трубопровод не в «голом виде», а внутри защитной гильзы.
Гильза (иногда ее еще называют термокарманом) либо вваривается в трубопровод, либо вворачивается во вваренную в трубопровод бобышку. А уже в гильзу погружается (по поясок) и фиксируется гайкой (штуцером) термопреобразователь. Гильза защищает корпус термопреобразователя от гидроударов и воздействия «посторонних предметов», которые нет-нет да и появляются в потоке теплоносителя. Но в то же время она препятствует точному измерению температуры, поскольку отделяет чувствительный элемент от контролируемой среды. Чем толще стенки гильзы, тем хуже для измерений. Чем больше внутренний диаметр гильзы по отношению к наружному диаметру погружной части термометра, тем хуже для измерений. Важен и материал, из которого гильза изготовлена. Поэтому если подходить к теплоучету ответственно, то нужно применять только «фирменные», сертифицированные гильзы. При использовании «самоделок» быть уверенным в точности измерения температуры теплоносителя, увы, нельзя.
Поэтому формулируем еще несколько правил:
- для монтажа термопреобразователей нужно использовать сертифицированные гильзы;
- длина и внутренний диаметр гильзы должны соответствовать длине и наружному диаметру погружной части термопреобразователя;
- между термопреобразователем и стенками гильзы не должно быть воздушной прослойки, поэтому перед установкой термометра в гильзу обязательно должно быть залито масло.
И еще один штрих — термопреобразователь должен быть надежно зафиксирован в гильзе и опломбирован так, чтобы исключалась возможность его полной или частичной выемки.
Подключение к тепловычислителю
Но вот термопреобразователи смонтированы — теперь их нужно подключить к вычислителю. Приходилось видеть, как для этой цели используют «отходы кабельного производства». Наверное, экономят — но в итоге больше платят за тепло. Вспомним: теплосчетчик определяет температуру, измеряя электрическое сопротивление чувствительного элемента термопреобразователя. Но ведь к этому сопротивлению добавляется электрическое сопротивления проводников кабеля! Чем кабель «хуже», чем его сопротивление больше — тем сильнее его влияние на результаты измерений температуры. По этой же причине не стоит использовать чрезмерно длинные кабели, сматывая «ненужную» часть в бухты, т.к. чем больше длина, тем больше сопротивление.
Кстати, в начале статьи мы упомянули о том, что термопреобразователи бывают 100- и 500-Омные. Очевидно, что на измерения 500-Омным термометром кабель влияет в меньшей степени, поскольку его сопротивление составляет от этих 500 Ом «меньший процент», чем от 100.
Впрочем — честно говоря — разработчики термопреобразователей «защитились» от влияния сопротивления кабеля, придумав так называемую четырехпроводную схему подключения. Под крышкой клеммной головки термометра — именно 4 контакта. Если использовать их все, кабель для вычислителя станет «невидим», его электрическое сопротивление будет скомпенсировано. К сожалению, «экономные» монтажники порой все равно используют двужильный кабель, а на другие две клеммы ставят перемычки. Таким образом убивается и замысел разработчиков, и точность измерений — особенно, как мы уже написали выше, при применении кабеля длинного, с малым сечением жил и-или просто некачественного. То есть — обладающего большим электрическим сопротивлением.
А двухпроводное соединение штатно применятся обычно лишь для 500-Омных термометров с коротким (1-1,5 м) кабелем. Такие используются, например, в составе квартирных теплосчетчиков.
Заключение
Итак, мы довольно подробно и уже не на совсем начальном уровне рассмотрели вопросы, связанные с измерениями температуры теплоносителя. Главное, что здесь нужно запомнить — это то, что в составе теплосчетчика используются не термопары, а согласованные пары (комплекты) термопреобразователей сопротивления; что термопреобразователи должны быть правильно подобраны по длине; что они должны быть правильно смонтированы и правильно подключены к вычислителю. Закрывать глаза на всевозможные мелочи и огрехи не стоит: ошибки в измерениях температуры ведут к ошибкам в учете тепла. А это — ваши деньги.
