Technologie pomiaru ciepła

Ciepłomierz składa się z następujących podzespołów: przetwornika przepływu (przepływomierza), pary czujników temperatury oraz przelicznika wskazującego.

Przetwornik przepływu mierzy strumień masy lub objętości nośnika energii (wody) i przekazuje te wskazania do przelicznika. Na rynku oferowane są trzy rodzaje przetworników przepływu: mechaniczne, elektromagnetyczne i ultradźwiękowe.

W mechanicznym pomiarze objętości przepływającego medium stosuje się wirnik napędzany strumieniem przepływającej wody. Jednak wykorzystywana w tym rozwiązaniu transmisja magnetyczna pomiędzy wirnikiem a kalkulatorem może być zakłócana przez pole magnetyczne, w tym magnesów neodymowych. Dlatego stosuje się obecnie bezmagnesowe sprzęgła transmisji obrotów wirnika, jak np. elektroniczny system detekcji obrotów turbinki. Po wyeliminowaniu zakłóceń ze strony pól magnetycznych ten sposób mierzenia przepływów ma dużą dokładność oraz dynamikę pomiarów.

Ultradźwiękowy pomiar objętości wykorzystuje prędkość fali przepływającej wody. Dwa impulsatory emitują sygnały ultradźwiękowe w dwóch kierunkach: zgodnym z przepływem i przeciwnym do niego. Przepływ wyznaczany jest na podstawie różnicy czasu propagacji fali w obydwu kierunkach. Do pomiaru metodą ultradźwiękową nie są potrzebne żadne mechaniczne (ruchome) części licznika. Urządzenia tego typu mają dużą dynamikę pomiarów, nawet do dwukrotności q_p.

Z kolei w elektromagnetycznym pomiarze objętości wykorzystuje się różnicę napięcia elektrycznego pomiędzy elektrodami w wodzie. Taki przepływomierz nie zawiera wewnętrznych elementów mechanicznych i można go zabudować w przewodach o różnym przebiegu – poziomym, pionowym lub ukośnym. Przepływomierze te mają dużą dokładność i stabilność w szerokim zakresie pomiarów.

Każda z tych technologii ma swoje wymagania i należy dokładnie przestrzegać zaleceń producenta dotyczących sposobu montażu − jedne wymagają odcinków prostych i mogą być wrażliwe na pewne zanieczyszczenia, a inne są na nie mniej podatne. Rodzaj przetwornika ma też wpływ na zużycie energii przez ciepłomierze, co może być istotne, gdy są one zasilane baterią. Nie zdarza się jednak, aby ich trwałość była krótsza od okresu legalizacji urządzenia.

Nawet w technologii ultradźwiękowej, która wymaga dostarczenia energii do przetwornika, oferowane są już urządzenia o żywotności układu zasilania wystarczającej nawet na dwa okresy legalizacyjne. Stosuje się też urządzenia zasilane energią z instalacji elektrycznej.

Z uwagi na umiejscowienie przetwornika względem przelicznika przepływu wyróżnia się ciepłomierze kompaktowe i rozłączne. Pierwsze przeznaczone są zwykle dla mniejszych średnic przewodów i mniejszych przepływów nominalnych i mają głównie gwintowane połączenia. Rozłączne oferowane są z połączeniami gwintowanymi do mniejszych średnic przewodów lub kołnierzowymi do dużych średnic przewodów i dużych przepływów.

Czujniki temperatury mierzą temperaturę wody przed wejściem do opomiarowanej części instalacji i za nią – montuje się je w przewodzie zasilającym oraz powrotnym. Pomiar temperatury wykorzystuje zjawisko zmiany oporności czujnika platynowego wraz ze zmianą temperatury. W praktyce stosuje się czujniki o oporności 100, 500 i 1000 W, czyli Pt100, Pt500 i Pt1000.

Przelicznik odbiera informacje od przetwornika przepływu i czujników temperatury, przetwarza je i archiwizuje lub przesyła dalej. Rozwój elektroniki umożliwia wyposażanie tych elementów ciepłomierzy w nowe funkcje. Producenci stosują coraz doskonalsze rozwiązania, gdyż od precyzji pracy przelicznika zależy efekt działania całego przyrządu pomiarowego, który podlega prawnej kontroli metrologicznej.

Produkowane obecnie ciepłomierze mają bardzo niskie progi błędów przeliczników. Wiele z nich to urządzenia uniwersalne, mogące współpracować z różnymi przetwornikami przepływu i służyć nie tylko do pomiaru zużycia ciepła na cele grzewcze, ale także chłodu.

Przeliczniki potrafią obecnie m.in.: mierzyć energię cieplną, zapamiętywać wartości szczytowe i bilansowe z całego roku lub każdego z ostatnich miesięcy (nawet z 36), obliczać ciepło z wykorzystaniem różnych taryf, identyfikować stany awaryjne, a nawet same testować poprawność swojej pracy. Urządzenia te muszą być odporne na wrogie próby ingerencji, co udaje się m.in. dzięki zastosowaniu w nich oprogramowania odmiennego od powszechnie używanych programów komputerowych.

Przeliczniki różnią się funkcjonalnością. Oprócz odczytów dokonywanych za pomocą wyświetlacza w ciepłomierzu ważna jest kompatybilność z systemami zdalnego odczytu i zakres danych, z których może korzystać zarządca budynku lub ciepłownia.

Zdalny odczyt i obustronna komunikacja pomiędzy ciepłomierzem a operatorem stają się standardem. Dane o pracy sieci, węzłów i urządzeń pomiarowych w czasie rzeczywistym umożliwiają dostawcom mediów planowanie dostaw oraz szybkie i skuteczne reakcje na zmiany i stany awaryjne.

Ciepłomierze oferowane na polskim rynku wykorzystują różne rozwiązania zdalnego odczytu. Są takie, które współpracują tylko z konkretnymi urządzeniami jednego producenta, i takie, które mogą pracować z różnymi urządzeniami. Najprostszy podział obejmuje technologie przewodowe i bezprzewodowe.

Odczyt przewodowy to głównie europejski standard M-Bus, który coraz częściej jest uzupełniany elementami odczytu radiowego. M-Bus stosuje się m.in. w budynkach z zamontowanymi ciepłomierzami mieszkaniowymi wyposażonymi w wyjścia impulsowe, do których można podłączyć także wodomierze ciepłej i zimnej wody.

Przelicznik ciepłomierza zbiera i przekazuje też informacje o zużyciu zimnej wody i c.w.u. M-Bus pozwala na odczyt bez potrzeby wchodzenia do pomieszczeń, w których zamontowane są przeliczniki. Sygnały od urządzeń pomiarowych mogą być przesyłane przewodami sieci Ethernet (lokalnej sieci komputerowej w nowych budynkach).

Do transmisji danych wykorzystuje się m.in. złącza RS-232, a także łącza systemu zarządzania budynkiem BMS, który integruje instalacje elektryczne, grzewcze, klimatyzacyjne, bezpieczeństwa i komunikacji z przelicznikami. Można też wykorzystać sieć telewizji kablowej.

Odczyt bezprzewodowy obejmuje kilka różnych rozwiązań, które korzystają z podobnych elementów: modułów radiowych oraz koncentratorów danych. Moduły umożliwiają włączenie do systemu odczytu urządzeń pomiarowych z wyjściem impulsowym, takich jak ciepłomierze, wodomierze i gazomierze. Moduł zlicza impulsy, archiwizuje i przesyła dane w zakodowanych pakietach. Mają one formę nakładek lub wbudowane są w urządzenie pomiarowe.

Dane z modułów można odczytywać bezpośrednio przy pomocy przenośnego komputera (PSION), z którym po ulicy przechodzi inkasent lub przejeżdża samochód. Następnie dane te mogą być przekazywane do dowolnego systemu. Moduły radiowe komunikują się dwustronnie – czyli są jednocześnie nadajnikami i odbiornikami i tym samym nie nadają ciągle, a tylko po wywołaniu danego urządzenia przez komputer inkasenta.

Zasięg modułów radiowych nie jest zbyt wielki i dlatego często korzysta się z koncentratorów, które zbierają dane z kilkudziesięciu czy kilkuset modułów i następnie są odczytywane przez przechodzącego inkasenta lub przejeżdżający samochód. W koncentratorze można też montować moduł wzmacniający, który transmituje dane drogą radiową do centralnego koncentratora danych, nawet na odległość 2 km. Z centralnego koncentratora dane mogą być odczytywane stacjonarnie lub za pomocą urządzenia przenośnego.

Do komunikacji z urządzeniami pomiarowymi stosuje się też sieć telefonii komórkowej. Karta GPRS w modułach radiowych umożliwia pakietowe przesyłanie danych w dowolnie wybrane miejsce i w dowolnym czasie – tak jak telefon komórkowy.

Zaletami tego sposobu zbierania danych z urządzeń pomiarowych jest to, że sieć tej telefonii pokrywa praktycznie 100% obszarów zurbanizowanych i prawie cały kraj oraz że liczba możliwych do podłączenia urządzeń pomiarowych jest praktycznie nieograniczona.

Dobór ciepłomierza powinien uwzględniać m.in.: wymaganą moc cieplną układu, zakres temperatur w przewodzie doprowadzającym i odprowadzającym, zasilanie ciepłomierza – z baterii lub instalacji elektrycznej, fizyczne i chemiczne właściwości wody grzewczej, lokalne wymagania dotyczące odczytu wskazań ciepłomierza oraz warunki montażu i eksploatacji.

Rodzaj przetwornika przepływu ma wpływ na wymagania dotyczące jego montażu, w tym ewentualną konieczność zastosowania odcinków prostych, zaworów lub filtrów. Przy wyborze rodzaju przetwornika przepływu warto uwzględnić jakość wody grzewczej. Ponadto należy zwrócić uwagę na przepływ minimalny, nominalny oraz klasę metrologiczną przetwornika przepływu (dynamikę przepływu).

Kolejnym istotnym parametrem jest minimalny próg rozruchu – wskazuje najmniejszy strumień, przy którym przetwornik przepływu zaczyna funkcjonować. Właściwy wybór przetwornika przepływu zależy też od oczekiwanych maksymalnych i minimalnych natężeń przepływu, charakteru natężenia przepływu (stałe, zmienne), dopuszczalnej straty ciśnienia w obrębie przetwornika, ciśnienia zasilającego i warunków wbudowania przetwornika w instalację cieplną.

Należy też zwrócić uwagę na zastosowane czujniki temperatur, które różnią się dynamiką, czyli szybkością i dokładnością, z jaką będą reagować na zmianę temperatury. W przeliczniku warto przeanalizować m.in. sposoby odczytu i transmisji danych, zakres rejestrowanych danych i okresy dostępnych rejestrów.

Oprac. red. na podstawie materiałów technicznych producentów ciepłomierzy