//Электрика. – 2010. – № 7.– С. 21–25.

 

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

ДЛЯ НУЖД ЭНЕРГОАУДИТА

В. А. Никоненко, канд. техн. наук, заслуженный метролог России, ген. директор, fgup@omsketalon.ru

ОАО НПП "Эталон"

 

ОАО НПП "Эталон" – ведущее государственное приборостроительное предприятие страны (100 % акций принадлежит государству). В 1957 г. оно было организовано решением Омского облисполкома как Завод по ремонту мер и измерительных приборов. Основную часть выпускаемой продукции (86 %) составляли эталонные средства измерения СВЧ-диапазона и эталонные меры микронного диапазона для электронной и оптической промышленности.

В результате распада СССР в 1992 г. резко упал объём, значительно сократилась номенклатура продукции. Перед предприятием стояла проблема конверсии и диверсификации производства. В эти годы страна полностью потеряла предприятия, выпускающие средства измерения температуры (в СССР специализация была закреплена за Львовским регионом Украины), а также производство метрологического оборудования (Украина и Казахстан).

Завод приступил к разработке и выпуску рабочих средств измерения (СИ) температуры, и данная проблема в основном была решена к 2000 г. Параллельно с разработкой и выпуском рабочих СИ шла подготовка к производству метрологического оборудования (МО) для диапазона температур –200...+3000 °С. Был создан инновационный комплекс средств воспроизведения единицы температуры, её передачи, измерения, преобразования и регулирования.

Сегодня наша продукция востребована по пяти видам измерения (температура, теплопроводность, тепловые потоки, радиоизмерения СВЧ-диапазона и меры микронного диапазона). Кроме рабочих средств измерения, выпускаются 23 государственных вторичных эталона. В 2008 г. Коллегией Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии утверждены три государственных первичных эталона (температура, теплопроводность, тепловые потоки), для которых половина всех узлов и деталей изготавливалась на нашем предприятии.

Модернизацию эталонов вели с учетом новейших идей в области совершенствования методов и средств воспроизведения единицы, предложенных в рабочих Консультативных комитетах МОЗМ (Международной организации законодательной метрологии). При этом были обновлены все схемы передачи размера единиц, т. е. разработаны необходимые рабочие эталоны поверочной схемы, в отдельных случаях – даже специальные рабочие средства [1].

Следует обратить внимание на ещё одну особенность эталонов – их комплексность. Весь комплекс: и рабочие эталоны, и, особенно, рабочие СИ – новые, они абсолютно конкурентоспособны с зарубежными эталонами, а некоторые из них превосходят зарубежные образцы по своим характеристикам [2].

Внедрение новых эталонов обеспечивает интеграцию России в мировую экономику, решая проблему вступления России во Всемирную торговую организацию в части метрологии.

Термометрия. Как известно, измерения температуры являются одним из наиболее востребованных в науке и промышленности видов измерений, причём возрастают не только количество и номенклатура используемых средств измерений температуры, но неуклонно увеличиваются требования к точности измерений. Значительный прогресс в развитии средств измерений температуры в последние два десятилетия достигнут преимущественно за счёт развития электроники.

Прослеживаемость передачи размера единицы от эталона к рабочему средству измерений в нашей стране решается поверочной схемой для средств измерений, которая регламентирует порядок передачи единицы, методы и средства передачи. На рис. 1–3 показаны образцы оборудования, которое разрабатывается и выпускается для обеспечения единства измерений в этом диапазоне.

 

 

 

 

Рис. 1. Эталонные датчики температуры

 

 

 

 

Рис. 2. Средства передачи, измерения и воспроизведения температуры для контактной термометрии

 

 

 

Рис. 3. Рабочие средства измерения

 

 

В области энергосбережения разработана концепция развития метрологического обеспечения по следующим видам энергии и энергоносителей:

•тепловая энергия:

– учёт тепловой энергии в системах водяного теплоснабжения, потерь тепла на теплотрассах;

– энергоаудит зданий жилого и производственного назначения, сертификация элементов строительных конструкций по тепловым характеристикам;

– теплопроводность строительных и теплоизоляционных материалов;

• природный газ, нефть и нефтепродукты:

– определение теплоты сгорания природного газа и других топлив;

– определение компонентного состава природного газа и его теплоты сгорания расчётным методом, обеспечение эффективности топливосжигающих установок;

– измерения параметров, определяющих качество нефти и нефтепродуктов;

– учёт объёма и массы газа, нефти и нефтепродуктов, проходящих по трубопроводам;

• электроэнергия:

– учёт электроэнергии и измерения параметров, определяющих её качество.

Развитие электроники послужило основой существенного прогресса в области радиационной термометрии, измерительного тепловидения. Современные пирометры намного превосходят по своим метрологическим и эксплуатационным характеристикам радиационные термометры начала 90-х годов [3]. Метрологическое оборудование, используемое для этих целей, показано на рис. 4; в качестве рабочих средств измерения для энергоаудита используется оборудование, представленное на рис. 5.

 

Рис. 4. Излучатели "черное тело"

 

 

Рис. 5. Рабочие средства измерения

 

Следует отметить, что жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) является крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов. Системы водяного теплоснабжения составляют основу ЖКХ (свыше 30 % выработки тепловой энергии в России). Ежегодная потребность в расходах на ЖКХ колеблется от 35 до 50 % муниципальных бюджетов.

Отметим особенности водяных систем теплоснабжения в России:

· централизованность отопления, приводящая к большой протяжённости теплотрасс;

· отсутствие систем автоматизированного поддержания температуры в отапливаемых помещениях;

· подавляющее число открытых систем водяного теплоснабжения;

· недостаточно полный охват систем водяного теплоснабжения средствами измерения и учёта тепловой энергии.

Учёт тепловой энергии в системах водяного теплоснабжения осуществляется с помощью теплосчётчиков. Для измерений тепловых потерь применяют контактные и дистанционные СИ. Контактные отличаются более высокой точностью измерений и позволяют проводить измерения в некоторых конкретных точках теплотрассы, дистанционные СИ (тепловизоры) имеют существенно более низкую точность измерений, но дают возможность получения измерительной информации со всех участков теплотрассы. Наибольший эффект даёт совместное применение контактных и дистанционных СИ.

Система тепловизионного контроля СТК-1 (рис. 6) используется для дистанционной визуализации тепловых полей, их регистрации и хранения в виде изображений. Система обеспечивает получение, хранение и математическую обработку температурных профилограмм до четырёх сечений и работу двух приборов на один компьютер. Связь первичных приборов с компьютером осуществляется по двухпроводной токовой петле с оптико-электронной развязкой на входе компьютера.

 

 

 

Рис. 6. Оборудование портативной системы тепловизионного контроля СТК-1

 

 

Теплопроводность. ОАО НПП "Эталон" совместно с ВНИИМ им. Д. И. Менделеева ведёт работы по разработке и выпуску рабочих средств измерения и метрологического оборудования для измерения и передачи единицы теплопроводности.

Потребность в измерении теплопроводности существует практически в любых областях науки и промышленности. Точные измерения теплопроводности особенно необходимы в строительстве и энергетике, металлургии и материаловедении, авиации и космонавтике, электронике и машиностроении.

Сегодня растёт число потребителей, которым необходимы рабочие средства измерений (РСИ), по точностным характеристикам замыкающиеся непосредственно на государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы теплопроводности. Это относится в основном к рабочим средствам измерений, обеспечивающим выполнение значительно повысившихся в последние годы требований по энергосбережению и теплозащите в высокотехнологичных отраслях промышленности, прежде всего – в строительстве и энергетике [4].

Введение большого числа новых энергосберегающих стандартов в строительстве обусловило появление определённых проблем в работе сертификационных и испытательных центров. Необходимость технологического контроля и сертификации материалов по теплопроводности возникает при производстве и эксплуатации новых материалов различного назначения, а также при испытаниях наиболее ответственных элементов сложных инженерных объектов (например, ограждающих конструкций зданий и сооружений [5]) на соответствие требованиям нормативных документов. Это особенно важно для материалов, теплопроводность которых является сертифицируемым параметром.

Размер единицы от первичного эталона передают рабочим эталонам методом прямых измерений или сличением с помощью компаратора, а также прецизионным РСИ методом прямых измерений (рис. 7). Доверительные границы относительных погрешностей рабочих эталонов при доверительной вероятности 0,95 составляют от 2 до 5 %. Рабочие эталоны применяют для поверки РСИ методом прямых измерений. В качестве РСИ применяют приборы для измерений теплопроводности твёрдых тел в диапазоне от 0,02÷20 Вт/м-К при температуре от 90 до 1100 К.

 

 

Рис. 7. Государственная поверочная схема теплопроводности

 

 

 

Новые РСИ производства омского ОАО НПП "Эталон" – это разработанный совместно с ВНИИМ первый в стране многоканальный измеритель теплопроводности ИТ-2 (рис. 8). Специально под эту аппаратуру организовано более десяти новых центров испытаний ограждающих конструкций зданий и сооружений в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, Нальчике с возможностью передавать размер единицы прецизионным РСИ непосредственно от первичного эталона.

 

Рис. 8. Измеритель теплопроводности ИТ-2

 

Измерение тепловых потоков в энергоаудите. Задачи энергосбережения стали общемировой проблемой, а принятие в России закона "Об  энергосбережении" привело к более широкому распространению и применению СИ теплового потока. Россия потребляет на нужды отопления в 3–4 раза больше невосполнимых природных ресурсов, чем зарубежные страны с похожими климатическими условиями. Плохая теплозащита становится причиной потери трети потребления тепловой энергии.

Тепловой поток – один из основных параметров всех протекающих тепловых процессов и явлений. Поэтому контроль и измерение этих потоков представляют интерес для очень многих отраслей науки, техники и промышленности, но прежде всего – для решения вопросов рационального использования энергетических ресурсов. Повышение точности измерений плотности тепловых потоков позволяет эффективно экономить тепловую энергию за счёт получения достоверных данных об источниках тепловых потерь и их количественных значений.

Увеличение выпуска преобразователей теплового потока требует создания современных средств их метрологического обеспечения, разработки полного набора нормативных документов, обеспечивающих их эксплуатацию и метрологическое обслуживание.

Новый эталон создан в ФГУП "СНИИМ" (г. Новосибирск) на базе существующей УВТ (рис. 9) с использованием наиболее апробированных технических решений (средства воспроизведения, хранения и передачи размера единицы).

 

 

Рис. 9. Государственная поверочная схема плотности теплового потока

 

 

В качестве рабочих средств измерений поверочная схема предусматривает использование датчиков теплового потока и приборов – измерителей теплового потока (комплекты, содержащие датчики и вторичные измерительные приборы). ОАО НПП "Эталон" изготовлен образец установки УТМ-1 (рис. 10), разработанной совместно с ФГУП "СНИИМ". Проведённые сертификационные испытания подтвердили следующие характеристики:

Диапазон поверхностной плотности теплового потока, создаваемого в теплометрической камере, Вт/м2	10–2000
Нестабильность поддержания заданной плотности теплового потока в установившемся температурном режиме, % в минуту, не более	0,25
Неравномерность плотности теплового потока в рабочей зоне теплометрической камеры в установившемся температурном режиме, %, не более	2,5

УТМ-1 предназначена для поверки датчиков теплового потока различных форм и размеров в диапазоне значений 50÷2000 Вт/м² с относительной погрешностью передач  размера единицы (1,5÷2,5) % при температуре от 20 до 150 °С и соответствует государственному рабочему эталону. Установка находится сейчас в СНИИМ на испытаниях для целей утверждения типа. Кроме этого ОАО НПП "Эталон" изготавливает рабочие средства измерений теплового потока – датчики и измерители теплового потока (рис. 11), которые планируется внести в Госреестр СИ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Установка теплометрическая УТМ-1

 

Рис. 11. Рабочие средства измерения тепловых потоков

 

 

Важным этапом работ, необходимым для широкого внедрения в измерительную практику контактных датчиков теплового потока, является разработка методик выполнения измерений этой физической величины на различных объектах измерения.

В заключение отметим, что основным препятствием на пути инноваций во всех сферах, в том числе и в энергоаудите, по-прежнему остаётся недостаточная точность различных методов и средств измерения [6]. Практически во всех новых технологиях сдерживающим фактором служит отсутствие точных и достаточно чувствительных датчиков измерения различных величин, необходимых для реализации мониторинга процессов в масштабе реального времени и создания систем управления новыми технологическими процессами. Отсутствуют стандарты, новые эталоны, подходящие системы единиц, недостаточны совместимость и взаимодействие программного и аппаратного обеспечения устройств управления разрабатываемых технических средств.  Преодоление отставания в различных видах измерений будет способствовать инновационным процессам в различных секторах экономики.

Список литературы

1. Лахов В. М. Новые эталоны Российской Федерации. Интервью // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2009. № 6.

2. Походун А. И., Компан Т. А., Соколов Н. А. и др. Модернизированные государственные первичные эталоны единиц теплофизических величин // Измерительная техника. 2009. № 8.

3. Никоненко В. А., Походун А. И., Матвеев М. С., Сильд Ю. А. Метрологическое обеспечение в радиационной термометрии: проблемы и их решения // Приборы. 2008. № 10.

4. Соколов Н. А. Метрологическое обеспечение измерений теплопроводности, теплоизоляции материалов // СтройПрофиль. 2008. № 3.

5. Соколов Н. А. Проблемы энергосбережения в зданиях и сооружениях. Светопрозрачные конструкции // СтройПрофиль. 2008. № 2.

6. Золотаревский С. Ю. Опыт NIST по изучению измерительных потребностей современных инновационных технологий // Законодательная и прикладная метрология. 2007. № 6.