ШКОЛА «ТЕПЛОПУНКТА»
Цикл лекций «Теплосчётчик в разрезе»
Лекция 1: о термопреобразователях
Д. Анисимов
Фото автора
Статьи по теплоучёту 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 учёта и все его проблемы сосредоточены именно в этих элементах теплосчётчика? 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 учёте 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 начнём наш цикл лекций именно со статьи о термопреобразователях. Потому что наобум подобранный, неправильно смонтированный и неверно подключённый термопреобразователь превратит теплосчётчик из средства измерений в мебель ничуть не менее эффективно, чем неисправный расходомер.
Термопара, термопреобразователь...
«А у вас есть термопары для теплосчётчиков?» — думаю, с таким вопросом сталкивался каждый, кто продавал или продает приборы учёта. Но при чём здесь термопара? Да, в составе теплосчётчика 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 какую-либо среду, мы можем определить температуру этой среды, измеряя термоЭДС, возникающую на «свободных» концах проводников. Термопары широко применяются, например, в металлургии. Для работы в составе теплосчётчиков они не подходят хотя бы потому, что не обеспечивают необходимую точность измерений.
А в теплоучёте используются термопреобразователи сопротивления. Принцип их действия основан на знакомом ещё из школьного курса физики свойстве металлов изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. «Кусочек» металла (например, меди или 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 (хотя правильней говорить «измерит») 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 теплосчётчика используется пара термопреобразователей (но никак не термопара!). И пара не простая, а согласованная. В чём 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, причём 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. Причём по отношению к самой величине разности эти 2 градуса могут составить «приличный процент» и привести к серьёзной ошибке измерения тепловой энергии. Получается, что нужно применять очень точные термопреобразователи, характеристики которых максимально приближены к номинальным? Но «очень точные» — это всегда «более дорогие».
А что если взять два даже «не очень точных», но «ошибающихся одинаково» термометра? Ошибёмся на 10 градусов в «подаче», на 10 — в «обратке» и на ... 0 (!) — при измерении разности! С десятью градусами мы, конечно, сознательно перегнули, но суть ясна: в согласованные пары 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 теплосчётчиком 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. Таким образом, 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 вспомнился один разговор из жизни:
— Термометр с буквой «А» нужно обязательно ставить в обратку!
— Почему?
— Нам так инспектор сказал. Термометр, говорит, специально так и обозначен: «А» — «Абратка».
— Но ведь пишется на «Абратка», а «Обратка»!
— Да? Странно, странно...
На самом деле буква в обозначении смысловой нагрузки не несёт — 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 несерьёзно. Не раз приходилось видеть в узлах учёта 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 разъём для подключения кабеля. На стержне предусмотрены элементы для монтажа термопреобразователя в трубопровод. Это могут быть «поясок» и подвижная гайка (штуцер). [Существуют и другие конструкции, но в силу ограниченности объёма лекции 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.
Термопреобразователи КТПТР различной длины и конструкции
Некоторые думают, что погружная часть термопреобразователя целиком сделана из платины, и именно её 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 полый корпус, а сам чувствительный элемент очень мал и расположен внутри этого корпуса на конце погружной части. С клеммами или разъёмом он соединён 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». Желательно — на продольной оси трубопровода. На практике же — на глубине 0,3-0,6 внутреннего диаметра трубопровода. Но длину погружной части (обычно обозначается как L) нельзя выбрать произвольно, ведь ряд этих длин стандартизован. Поэтому в зависимости от соотношения диаметра 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 диаметром трубопровода так, чтобы обеспечивалось нужное погружение (на 0,3-0,6 внутреннего диаметра трубы) при условии, что хотя бы 2/3 монтажной длины будут находиться в потоке теплоносителя;
- «наружную» часть корпуса термопреобразователя желательно теплоизолировать;
- также желательно теплоизолировать прилегающие к месту монтажа участки трубопровода.
Термопреобразователь можно располагать как перпендикулярно продольной оси трубопровода, так и под углом к ней. За счёт угла наклона можно регулировать и глубину погружения. Ну, а если трубопровод слишком «тонок», тогда термопреобразователь следует монтировать в расширении. Ведь помимо длины он имеет ещё 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.
Термопреобразователи SENSUS с защитными гильзами и бобышками
Гильза (иногда её ещё называют термокарманом) либо вваривается в трубопровод, либо вворачивается во вваренную в трубопровод прямую или косую бобышку. А уже в гильзу вставляется и фиксируется там (способ фиксации зависит от конструкции) 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 теплоучёту ответственно, то нужно применять только «фирменные» гильзы. При использовании «самоделок» быть уверенным в точности измерения температуры теплоносителя, увы, нельзя.
Поэтому формулируем еще несколько правил:
- для монтажа термопреобразователей лучше использовать фирменные 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 гильза обязательно должна быть заполнена маслом или специальной пастой.
И ещё один штрих — термопреобразователь должен быть надёжно зафиксирован в гильзе и опломбирован так, чтобы исключалась возможность его полной или частичной выемки.
Типичный пример монтажа термопреобразователя
Подключение к тепловычислителю
Но вот термопреобразователи смонтированы — теперь их нужно подключить к вычислителю. Часто приходится 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, разработчики термопреобразователей «защитились» от влияния сопротивления кабеля, придумав так называемую четырёхпроводную схему подключения. Под крышкой клеммной головки термометра чаще всего — 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 двупроводное соединение штатно применятся обычно лишь для термометров с коротким (1-1,5 м), присоединённым прямо на заводе-изготовителе кабелем. Такие используются, например, в составе квартирных теплосчётчиков.
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 учёте тепла. А это — ваши деньги.
Дополнения для любознательных:
Лабораторная работа. Распиливаем термопреобразователь
Перепечатка, копирование, тиражирование материалов «Школы Теплопункта» возможны только по согласованию с автором. Ссылки на страницы «Школы Теплопункта» могут размещаться на страницах других сайтов без предварительного согласования.
