Tekniikka

Ultraäänimittaus vedelle ja lämmölle

Mitä H2O:n ja DELTA III:n mittausputkessa tapahtuu, miksi mitkään osat eivät kulu ja miten virtaamasta ja lämpötiloista tulee energiaa.

Virtausmittaus

Miten ultraääni mittaa virtausta?

Mittausputkessa on kaksi ultraäänianturia. Ne lähettävät vuorotellen lyhyitä äänipulsseja, ensin virtauksen suuntaan ja sitten sitä vastaan. Heijastimet ohjaavat äänen määriteltyä reittiä pitkin veden läpi. Helvatron käyttää itsepuhdistuvia heijastimia, jotta äänen kulkureitti pysyy puhtaana.

Virtauksen mukana kulkeva pulssi saapuu hieman aikaisemmin kuin virtausta vastaan kulkeva. Kulkuaikojen ero on verrannollinen keskimääräiseen virtausnopeuteen. Kun se kerrotaan mittausputken poikkipinta-alalla, saadaan tilavuusvirtaama; ajan yli summattuna saadaan tilavuus.

Kulkuaikaerot ovat nanosekuntien luokkaa, joten vakaa mittausosuus ja elektroniikan tarkka ajoitus ovat välttämättömiä.

Useita mittauskanavia suurille halkaisijoille

Suurilla halkaisijoilla virtausprofiili on epätasaisempi. Siksi DELTA III käyttää DN50:stä alkaen kahta ja DN350:stä alkaen neljää ultraäänikanavaa.

AB Virtaus v t₁ (A → B) < t₂ (B → A) v ∝ (t₂ − t₁) / (t₁ · t₂)
Yksinkertaistettu kaavio kulkuaikamenetelmästä

Lämpöenergia

Miten virtaamasta ja lämpötiloista tulee lämpöenergiaa?

Lämpöenergiamittari koostuu virtausanturista, lämpötila-anturiparista ja laskimesta. Anturit mittaavat meno- ja paluuputken lämpötilan. Laskin määrittää eron Δθ ja kertoo sen tilavuudella ja lämpökertoimella k.

Lämpökerroin ottaa huomioon, että veden tiheys ja ominaislämpökapasiteetti vaihtelevat lämpötilan mukaan. Arvot on määritelty standardissa EN 1434. Siksi laskimen on myös tiedettävä, onko virtausanturi asennettu meno- vai paluuputkeen.

Lämmitys ja jäähdytys

Jos meno on paluuta lämpimämpi, järjestelmä luovuttaa lämpöä. Jäähdytysvesijärjestelmässä tilanne on päinvastainen. DELTA III tunnistaa lämpötilaeron etumerkin ja laskee lämmityksen ja jäähdytyksen erillisiin rekistereihin. Näin myös laitokset, jotka jäähdyttävät kesällä ja lämmittävät talvella, voidaan laskuttaa oikein.

Miksi anturit ovat niin tärkeitä

Pienillä lämpötilaeroilla, jotka ovat tyypillisiä jäähdytysvedelle, muutaman kelvinin sadasosan mittausvirhe vaikuttaa paljon laskettuun energiaan. EN 1434 -standardin mukaiset lämpöenergiamittarit käyttävät siksi paritettuja antureita, joiden ominaiskäyrät on sovitettu yhteen. DELTA III toimii Pt500-, Pt1000- tai Pt100-antureilla; suosittelemme Pt1000:ta.

Q = ∫ V̇ · k(θM, θP) · (θM − θP) dt

Q
Lämmitys- tai jäähdytysenergia, esim. kWh, MWh, GJ
V̇
Ultraäänimittauksesta saatava tilavuusvirtaama
k
EN 1434 -standardin mukainen lämpökerroin, riippuu lämpötiloista
θM, θP
Meno- ja paluulämpötila, Δθ niiden erotus

Laskuesimerkki on esitetty DELTA III -animaatiossa.

Edut

Mitä etuja ultraäänellä on mekaanisiin mittareihin verrattuna?

Ei liikkuvia osia

Virtausanturissa ei pyöri mikään. Ei siipipyörää, joka kuluisi tai pysähtyisi pienillä virtaamilla.

Laaja dynaaminen alue

H2O saavuttaa laippaversioissa Q3/Q1-suhteen R800 asti ja DELTA III qp/qi-suhteen R250 asti, joten myös hyvin pienet virtaamat kirjautuvat.

Ei suoria tulo- ja lähtöosuuksia

H2O:lla ja DELTA III:lla koissa DN15–DN40.

Diagnostiikka laitteessa

Ilmaa putkessa, vuodot, väärä virtaussuunta, anturiviat: mittari ilmoittaa ne liitäntänsä kautta.

Itsepuhdistuvat heijastimet

Sekä H2O että DELTA III käyttävät itsepuhdistuvia heijastimia. DELTA III:ssa ne ovat metallisia.

Digitaaliset arvot

Sisäinen tiedontallennin, virhekoodit ja tiedonsiirtoliitäntä tekevät mittarista talotekniikan datapisteen.

Liitännät

Fyysinen liitäntä, protokolla, radiotekniikka

Kolme käsitettä, jotka menevät usein sekaisin. Suunnittelussa ne kannattaa pitää erillään.

M-Bus
EN 13757 -standardin mukainen väyläjärjestelmä, jolla on oma fyysinen kerros (kaksijohdinlinja, masterin syöttämä) ja oma protokolla.
RS-485
Pelkkä fyysinen liitäntä: differentiaalinen siirto kierretyllä parilla. Protokolla määrittää, mitä tietoja siirretään.
Modbus RTU
Protokolla, jota Helvatron-mittarit käyttävät RS-485:n kautta: master kysyy, slave vastaa.
LoRa
Radio 868 MHz:n taajuusalueella: laitteet, yhdyskäytävät, verkkopalvelin ja sovellus.
NB-IoT
Matkaviestinstandardi lisensoiduilla taajuuksilla. Mittarit lähettävät tiedot teleoperaattorin verkon kautta ilman omia yhdyskäytäviä.