Technologie

Ultrazvukové měření vody a tepla

Co se děje v měřicí trubici H2O a DELTA III, proč se nic neopotřebovává a jak se z průtoku a teplot stává energie.

Měření průtoku

Jak ultrazvuk měří průtok?

V měřicí trubici jsou dva ultrazvukové měniče. Střídavě vysílají krátké zvukové impulzy, nejprve po směru proudění a pak proti němu. Reflektory vedou zvuk po definované dráze vodou. Helvatron používá samočisticí reflektory, aby dráha zvuku zůstala volná.

Impulz šířící se po směru proudění dorazí o něco dříve než impulz šířící se proti němu. Rozdíl obou dob průchodu je úměrný střední rychlosti proudění. Vynásobením průřezem měřicí trubice vznikne objemový průtok, jeho součtem v čase objem.

Rozdíly dob průchodu se pohybují v řádu nanosekund, proto je nezbytný stabilní měřicí úsek a přesné měření času v elektronice.

Více měřicích kanálů pro velké průměry

U velkých průměrů je rychlostní profil proudění méně rovnoměrný. DELTA III proto od DN50 používá dva ultrazvukové kanály a od DN350 čtyři.

AB Proudění v t₁ (A → B) < t₂ (B → A) v ∝ (t₂ − t₁) / (t₁ · t₂)
Zjednodušené schéma metody doby průchodu

Tepelná energie

Jak se z průtoku a teplot stává tepelná energie?

Měřič tepla se skládá z průtokoměru, páru teplotních čidel a kalorimetrického počítadla. Čidla měří teplotu v přívodním a vratném potrubí. Kalorimetrické počítadlo určí rozdíl Δθ a vynásobí jej objemem a tepelným koeficientem k.

Tepelný koeficient zohledňuje, že hustota a měrná tepelná kapacita vody se mění s teplotou. Hodnoty stanovuje norma EN 1434. Proto také musí kalorimetrické počítadlo vědět, zda je průtokoměr instalován v přívodu, nebo ve zpátečce.

Teplo a chlad

Je-li přívod teplejší než zpátečka, soustava odevzdává teplo. V rozvodu chladicí vody je tomu naopak. DELTA III rozpozná znaménko rozdílu teplot a počítá teplo a chlad v oddělených registrech. To umožňuje správné rozúčtování i u zařízení, která v létě chladí a v zimě topí.

Proč na čidlech tolik záleží

Při malých rozdílech teplot, typických pro chladicí vodu, má chyba měření o několik setin kelvinu velký vliv na vypočtenou energii. Měřiče tepla podle EN 1434 proto používají párovaná čidla se sladěnými charakteristikami. DELTA III pracuje s Pt500, Pt1000 nebo Pt100; doporučujeme Pt1000.

Q = ∫ V̇ · k(θF, θR) · (θF − θR) dt

Q
Energie tepla nebo chladu, např. v kWh, MWh, GJ
V̇
Objemový průtok z ultrazvukového měření
k
Tepelný koeficient podle EN 1434, závislý na teplotách
θF, θR
Teplota v přívodu a ve zpátečce, Δθ jejich rozdíl

Názorný příklad ukazuje animace DELTA III.

Výhody

Jaké výhody má ultrazvuk oproti mechanickým měřidlům?

Žádné pohyblivé části

V průtokoměru se nic neotáčí. Není zde lopatkové kolo, které by se opotřebovalo nebo se při malých průtocích zastavilo.

Široký dynamický rozsah

H2O dosahuje v přírubových provedeních Q3/Q1 až R800, DELTA III qp/qi až R250, takže zachytí i velmi malé průtoky.

Bez rovných uklidňujících úseků

U H2O a DELTA III od DN15 do DN40.

Diagnostika v přístroji

Vzduch v potrubí, úniky, nesprávný směr proudění, poruchy čidel: měřidlo je hlásí přes své rozhraní.

Samočisticí reflektory

H2O i DELTA III používají samočisticí reflektory. U DELTA III jsou kovové.

Digitální hodnoty

Interní zapisovač dat, chybové kódy a komunikační rozhraní dělají z měřidla datový bod v technickém zařízení budovy.

Rozhraní

Fyzické rozhraní, protokol, rádiová technologie

Tři pojmy, které se často zaměňují. Při projektování se vyplatí je rozlišovat.

M-Bus
Sběrnicový systém podle EN 13757 s vlastní fyzickou vrstvou (dvouvodičové vedení napájené masterem) a vlastním protokolem.
RS-485
Pouze fyzické rozhraní: diferenciální přenos po krouceném páru. Jaká data se přenášejí, určuje protokol.
Modbus RTU
Protokol, který měřidla Helvatron používají přes RS-485: master se dotazuje, slave odpovídá.
LoRa
Rádiový přenos v pásmu 868 MHz, se zařízeními, branami, síťovým serverem a aplikací.
NB-IoT
Standard mobilní sítě v licencovaných pásmech. Měřidla vysílají přes síť operátora, bez vlastních bran.