ШКОЛА ТЕПЛОПУНКТАКласс для продолжающих обучение


ТЕПЛОСЧЕТЧИК В РАЗРЕЗЕ
Лекция 2: о датчиках давления

Д. Л. Анисимов

Вторая лекция нашего цикла посвящена датчикам давления. В составе теплосчетчика они встречаются нечасто. Почему? Дело в том, что действующие «Правила учета тепловой энергии и теплоносителя» разрешают обходиться без них в закрытых системах теплопотребления, а также в открытых, если тепловая нагрузка в них не превышает 0,5 Гкал/час . Под эту категорию попадает большинство наших стандартных «домовых» систем. А раз так, то зачем тратить лишние деньги на оборудование? По той же причине и многие тепловычислители — те, что предназначены для применения в сфере ЖКХ — «не умеют» работать с датчиками давления. Поэтому вопрос о том, нужны ли в вашем конкретном случае, в вашем конкретном узле учета эти датчики, нужно решать заранее, на стадии разработки и согласования проекта. Ведь если в проект ошибочно заложен и по недосмотру согласован вычислитель, который с датчиками давления не работает, то в дальнейшем недостаточно будет просто докупить и смонтировать датчики — придется менять и его.


Роль измерений давления в учете тепла

Но почему в одних случаях обходиться без датчиков давления можно, а в других — нет? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте обратимся к формулам.

Как известно, в простейшем случае тепловая энергия определяется как произведение массы теплоносителя, прошедшего через систему теплопотребления, на разность удельных энтальпий теплоносителя на входе (в подающем трубопроводе) и выходе (в обратном трубопроводе) системы:

Q = M (h1 – h2).

Теплосчетчик «напрямую» измеряет на массу и энтальпии, а объем и температуры. Массу он находит по известной со школы формуле «плотность на объем» —

M = Vρ.

И это было бы просто, если б не одно но: плотность воды зависит от ее температуры и давления. Причем зависимость эту нельзя выразить точной формулой — она определяется либо по специальным таблицам, либо при помощи апроксимирующего полинома. И энтальпия — это тоже функция давления и температуры, и тоже «табличная».

Таким образом, чтобы реализовать простейшую формулу M (h1 – h2), вычислитель должен получить от своих датчиков (измерительных преобразователей) информацию об измеренном объеме, температурах и давлениях, затем, зная температуры и давления, найти соответствующие им значения плотности и энтальпий, вычислить массу, вычислить разность энтальпий и только затем уже найти Q.

Получается, что без знания давлений теплосчетчик практически не способен выполнять свои функции? Теоретически — да. А на практике все определяется той точностью, с которой мы хотим производить измерения.

Не секрет, что если умножить не массу на разность энтальпий, а объем на разность температур, то в цифрах получим ПРИМЕРНО тот же результат. Ведь плотность воды при любой температуре и любом давлении БЛИЗКА к 1000 кг/м3, поэтому мы можем считать, что масса одного кубометра воды всегда ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО равна одной тонне. Так же и значения удельных энтальпий (в калориях на грамм) численно ПРИМЕРНО равны значениям соответствующих температур (в градусах Цельсия). А как велики эти «примерно» и «приблизительно»? Посмотрим табличку с цифрами и сами все увидим.

Воспользовавшись приведенными в таблице данными, каждый может посчитать, насколько мы ошибемся, если при одних и тех же значениях температур и давлений вместо точной формулы (масса на разность энтальпий) применим приближенную (объем на разность температур). Если для нас такая точность приемлема — пожалуйста. Но она не приемлема с точки зрения российских «Правил учета». Поэтому наши теплосчетчики вычисляют и плотности, и энтальпии. А вот европейские приборы — нет; в них используется упрощенная формула, правда, в нее для «улучшения точности» введен специальный коэффициент — коэффициент Штюка. Но о нем мы поговорим в одной из следующих лекций нашего цикла. Пока же вернемся к измерению давлений.

Как вы уже поняли, чтобы измерять тепло точно, необходимо вычислять плотности и энтальпии. Чтобы вычислять плотности и энтальпии, нужно знать давление. Но ведь в самом начале статьи мы сказали, что зачастую измерять давление... необязательно! Противоречие? И да, и нет. Потому как здесь все снова определяется тем, с какой точностью мы хотим учитывать тепло. И массу теплоносителя, разумеется. Посмотрим еще раз в нашу таблицу. Видно (сравниваем столбцы для температур 100 и 101°С), что при неизменном давлении с изменением температуры и плотность, и удельная энтальпия изменяются, скажем так, ЗАМЕТНО. А вот при одной и той же температуре, но разном давлении — НЕ ОЧЕНЬ. Кроме того, в нормально работающих системах теплоснабжения давление БОЛЕЕ-МЕНЕЕ постоянно. И ученые мужи посчитали и доказали: если в системах с тепловой нагрузкой менее 0,5 Гкал/час давление не измерять, а использовать приближенные к реальности константы, то точность измерений тепловой энергии не выйдет за установленные «Правилами учета» рамки. Слова «приближенные к реальности» выделены не зря: если значения давлений ввести в вычислитель наобум, да еще и задать их, например, одинаковыми для подающего и обратного трубопроводов, то учет будет некорректным.

Датчики давления

Устройство датчиков давления

Итак, мы определились с тем, что датчики давления в составе теплосчетчика нужны тогда, когда тепловая нагрузка в системе превышает 0,5 Гкал/час. Или тогда, когда хочется быть особо уверенным в результатах учета. Или — когда по каким-либо причинам необходимо контролировать (регистрировать) давления в трубопроводах. Ведь «Правила учета» разрешают не использовать датчики тем, кто желает сэкономить на оборудовании, но не запрещают применять их тем, кому это для чего-либо нужно.

В общем, во многих случаях датчики давления в составе теплосчетчика необязательны, но полезны. Да и стоят они недорого, особенно по сравнению с преобразователями расхода. Принцип работы датчика прост: давление среды воздействует на чувствительный элемент, от чего его свойства изменяются, и эти изменения электронной схемой «транслируются» в выходной сигнал, пропорциональный давлению. В качестве чувствительного элемента может выступать, например, мембрана с расположенными на ней тензорезисторами. Под давлением тензорезисторы деформируются (тем сильнее, чем выше давление), в результате изменяется их электрическое сопротивление. По величине этого изменения и определяется давление.

Отметим: бывают датчики избыточного, а бывают — абсолютного давления. Избыточное — это давление сверх атмосферного, абсолютное — сумма атмосферного и избыточного. Если датчики давления изначально не входили в комплект теплосчетчика, то при их выборе необходимо точно знать, информацию о каком именно давлении — избыточном или абсолютном — должен получать вычислитель.

Монтаж и подключение датчиков давления

Внешне датчик давления представляет собой, как правило, небольшой цилиндр, в нижней части которого имеется резьба (чаще М20х1,5) для монтажа, в верхней — разъем или клеммник для подключения кабеля связи с вычислителем. В отличие, скажем, от термопреобразователя, чувствительный элемент которого всегда отделен от контролируемой среды как минимум корпусом, а чаще — защитной гильзой, чувствительный элемент датчика давления должен со средою соприкасаться. А среда в нашем случае — это горячая или очень горячая вода, в которой могут содержаться механические примеси. А мембрана датчика — деталь довольно нежная. Поэтому датчик давления монтируется не прямо «в стенку» трубопровода, а через так называемое отборное устройство — импульсную или демпферную трубку. Это, действительно, трубка, большая часть которой «свернута в кольцо». Одним концом присоединяется (обычно при помощи сварки) к трубопроводу, на другом монтируется датчик давления. Трубка защищает датчик от воздействия высокой температуры (вода в «кольце» остывает) и пульсаций давления. А чтобы датчик можно было легко демонтировать (для диагностики, ремонта, поверки), к трубке он присоединяется не напрямую, а через запорную арматуру (кран, вентиль).

Отборные устройства

Выходной сигнал датчика давления — чаще всего токовый. Сила тока изменяется в диапазоне 0-5, 0-20 или 4-20 мА пропорционально измеряемому давлению. Применяются также датчики, информативный параметр сигнала которых — напряжение. Поэтому при выборе датчиков давления необходимо знать, с каким именно сигналом работает ваш вычислитель.

Заключение

Вот, пожалуй, и все, что мы хотели рассказать о датчиках давления. В открытых системах теплопотребления с тепловой нагрузкой свыше 0,5 Гкал/час их применение в составе теплосчетчика обязательно, в системах с меньшей нагрузкой, а также в закрытых системах — на усмотрение потребителя. Если датчики давления не используются, в вычислитель должны быть введены осмысленные, близкие к реальным (расчетным, проектным) константы давлений. А при подборе датчиков для конкретного вычислителя необходимо знать, какое давление (абсолютное или избыточное) должен измерять датчик, и какой сигнал (токовый или напряжение) он должен передавать.