Подробно остановимся на причинах влияния переменных расходов на метрологические характеристики ультразвуковых и электромагнитных расходомеров, получивших самое широкое распространение на узлах учёта в жилых домах и других потребителей, а также на источниках водо- и теплоснабжения. Практически все ультразвуковые и большинство электромагнитных расходомеров измеряют расход прошедшей воды не непрерывно, а периодически. Либо раз в секунду, или несколько секунд, а то и минут, особенно у ультразвуковых, измеряя разность времен задержек распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока. Или, как у электромагнитных, периодически, в аналогичные интервалы времени с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), опрос-измерение амплитудного значения электрического напряжения, индуцируемого на электродах потоком воды, протекающим через магнитное поле первичного преобразователя расхода (ППР). Частота формирования ультразвуковых импульсов в целях снижения энергопотребления обычно не превышает десятых долей Герц, а частота опроса напряжения с электродов у электромагнитных приборов аналого-цифровым преобразователем, учитывая, что его обычно используют для поочередного измерения от десяти и более различных параметров, также находится на уровне долей Герц.Фурье-спектр поквартирного потребления, как уже ранее нами отмечалось, из-за его импульсного характера с короткими фронтами и минимальными длительностями открытого состояния крана в единицы секунд, простирается выше нескольких десятков Герц. Поэтому для адекватного описания и, соответственно, выполнения измерений таких расходов с заданной погрешностью в соответствии с теоремой Котельникова об отсчётах, необходимо, чтобы частота опроса АЦП сигнала о расходе у расходомеров-счетчиков и теплосчетчиков, должна быть не ниже 40-60 Гц. Следует подчеркнуть, что общее потребление ГВС и ХВС жилых домов носит столь же неравномерный характер, в нем обычно выделяются три максимума: утренний, обеденный и вечерний, отношение амплитуд которых к среднему потреблению нередко превышает порядок (более чем в 10 раз), и в значительной степени определяется видами трудовой деятельности жильцов, а также близостью их к месту работы. И, если лет 15-20 назад ещё можно было обособить требования к приборам учёта для систем отопления из-за специфики почти постоянных расходов и плавно меняющихся температур теплоносителя (не более 3-5˚С в час), то в настоящее время в борьбе за реальную экономию теплопотребления в большинстве регионов страны повсеместно внедряются системы погодного регулирования, наладка которых оставляет желать лучшего, так как их работа носит клиппированный характер. Не намного лучше ситуация с обеспечением отладки систем автоматического регулирования в ЦТП и ИТП. Поэтому в настоящее время и, тем более, в будущем нам необходимы только теплосчётчики, способные измерять такие быстропеременные расходы с неопределённостью не более 2%. А это возможно обеспечить у теплосчётчиков только тогда, когда их расходомерные каналы производят опрос-измерение расхода с частотой, не менее, чем в два раза выше максимальной в Фурье-спектре функции изменения расхода во времени. Пропуская анализ влияния особенностей Фурье-спектра на неопределенность измерений, отметим, что при измерении расхода нас в большей степени интересует общий объём (масса) теплоносителя, прошедшего через измерительное сечение. Пользуясь терминологией математического анализа, нас интересует не производная - расход, а его определенный интеграл на заданном участке времени. Значение этого определенного интеграла и есть объём (масса) прошедшего через измерительное сечение теплоносителя. Верифицировать расход проблематично, а вот массу теплоносителя, обеспечив непроницаемость стенок трубопроводов, баков и др., при реализации соответствующей конструкции, измерять можно многократно, так как в замкнутых системах действует закон сохранения массы. Аналогично актуальная неизменность характеристик электромагнитных взаимодействий в твердом веществе делает его твердым, способным сохранять свою форму в известном диапазоне возможных воздействий и позволяет не только многократно измерять линейные размеры детали, выполненной из этого вещества, но даже в известных пределах использовать их как меру. Да простит нам читатель философское отступление, но именно актуальная стабильность во времени всех фундаментальных типов взаимодействий и, их следствие, законы сохранения, обеспечивают измеримость множества свойств мира и указывают на их единую природу. Заметим, что когда мы измеряем, то всегда имеем дело со средними величинами, пусть за очень короткий промежуток времени, но всегда конечной продолжительности. Так как любое измерение требует затрат и преобразования энергии, усиления сигналов устройствами с ограниченной полосой частот. Нами уже отмечалось, что у многих, используемых в настоящее время расходомеров-счётчиков и теплосчётчиков, частота измерения сигнала о расходе значительно ниже, более, чем в 30 раз, верхней частоты спектра Фурье этого сигнала, что и является основной причиной недопустимых отклонений от реальных значений при измерении быстропеременных расходов потребления ГВС и ХВС. Даже если пренебречь всеми возможными квазисинхронными случаями, между гармониками спектра и частотой опроса, как редкими, среднестатистически наиболее вероятными, будут отклонения показаний у таких счётчиков от фактически потреблённых значений, равные отношению весов всех гармоник спектра Фурье выше половины частоты опроса (от 0,1-0,3 Гц до 40-60 Гц), к весу гармоник ниже этой частоты, (от 0 Гц до 0,1-0,3 Гц).
Не меньшее значение в обеспечении требуемых метрологических характеристик у расходомеров-счётчиков, и теплосчётчиков имеет их внутренний алгоритм вычисления потребленной воды или тепловой энергии. В «Правилах коммерческого учёта тепловой энергии…» и соответствующих нормативных документах потребленные объём (масса) воды и тепловая энергия определяются, как определенные интегралы объемного (массового) расхода воды и тепловой мощности на заданном отрезке времени. Однако у всех счётчиков воды и теплосчётчиков эти интегралы вычисляются пошагово, приближением их конечной суммой, где количество её слагаемых определяется числом временных отрезков-шагов(тактов), покрывающих отрезок времени интегрирования. При этом потребленная в каждом таком интервале объём (масса), или тепловая энергия, вычисляются у большинства расходомеров-счётчиков и теплосчётчиков методом ступенчатой аппроксимации. То есть расход, температура или давление на этом интервале принимаются постоянными и равными значению, полученному в результате опроса в пределах этого интервала. Длительность этих интервалов практически у всех существующих расходомеров-счётчиков и теплосчётчиков находится в пределах от 0,5 секунды до нескольких десятков секунд. Поэтому резко меняющиеся во времени параметры, такие, как давление, расход и даже температура, в течение такого продолжительного интервала могут иметь несколько локальных максимумов и минимумов, что и является причиной непредсказуемых отклонений при вычислении результата. Не может устранить эти отклонения использование метода кусочно-ломаной аппроксимации, или других методов осреднения данных опроса. Только уменьшение продолжительности шага-такта, или множественный опрос значений параметра в течение него, что равнозначно, позволяет устранить возможные грубые отклонения результатов измерений. Вот поэтому, когда мы устанавливаем накопительный бак без утечек и других потерь, между источником ресурса и резковариабельным его потребителем, то выполняется предварительная интегрирующая фильтрация, или «разглаживание» функции расхода во времени. Но, при этом, сохраняется неизменным первый член разложения ее в ряд Фурье - , который и определяет средний расход на отрезке разложения . Отсюда, когда фильтрация сигнала о параметре выполняется перед его опросом с помощью АЦП, либо другим дискретным способом получения его локальных значений, то возможно определение среднего значения этого параметра с предсказуемой неопределенностью. Однако при этом надо иметь в виду, что результат этих вычислений будет формироваться с запаздыванием на время, определяемое постоянной используемых фильтров. Еще большие проблемы с достоверностью вычислений возникают при использовании средних значений переменных величин, зависящих от двух и более параметров. Покажем это на примере вычисления тепловой энергии при переменном расходе , определяемом суммой двух компонент: постоянного во времени расхода значением и переменного расхода с максимальными отклонениями в обе стороны величиной . Таким образом . |