ÚSTAV FYZIKY A MĚŘICÍ TECHNIKY LABORATOŘ Z MĚŘICÍ TECHNIKY
NÁVOD NA LABORATORNÍ ÚLOHU
MĚŘENÍ TEPLA
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
1. ÚVOD V laboratorním cvičení se posluchači se seznámí s funkcí kompaktního měřiče tepla. Na laboratorním modelovém zařízení experimentálně vyhodnotí množství předaného tepla, proměří závislost teplotního výkonu na teplotě nebo průtoku teplonosného média a porovnají množství spotřebované elektrické energie s předaným teplem. Laboratorní úloha představuje model reálné situace, se kterou se v praxi setkává technický pracovník např. při měření dodávky či odběru tepla ve výrobních provozech, při bilancích tepla spotřebovaného na vytápění objektů (výrobní prostory, administrativní objekty, budovy aj.), nebo při měřeních souvisejících s optimalizací procesů (zjišťování tepelných ztrát) apod. 2. TEORIE MĚŘENÍ TEPLA Průmyslově vyráběné měřiče tepla využívají při měření tepla vztahu pro výpočet tepelného výkonu1: Pq = Qm (i1 − i 2 )
(1)
Tepelný výkon Pq [W] je získán jako součin hmotnostního průtoku teplonosné látky Qm [kg·s-1] a rozdílu tepelných obsahů teplonosné látky na vstupu a výstupu tepelné sítě i1 a i2 [J·kg-1]. Tepelný obsah teplonosné látky ix však není možné zjistit přímým měřením, ale pouze výpočtem ze vztahu: ix = c p ⋅ t
(2)
Vztah (2) definuje tepelný obsah teplonosné látky jako součin tepelné kapacity teplonosné látky cp [J·kg-1·K-1] a její teploty t [°C]. Dosazením vztahu (2) do vztahu (1) a jednoduchou úpravou, získáme základní vztah pro tepelný výkon dodávaný teplonosným médiem: Pq = QV ⋅ ρ ⋅ c p ⋅ (t1 − t 2 ) = QV ⋅ k ⋅ (t1 − t 2 )
Pq QV ρ cp t1 t2 k
(3)
tepelný výkon [W] objemový průtok teplonosné látky [m3·s-1] hustota teplonosné látky [kg·m-3] měrná tepelná kapacita teplonosné látky v rozmezí provozních teplot [J·kg-1·K-1] teplota teplonosné látky v přiváděcím potrubí tepelné sítě [°C] teplota teplonosné látky ve vratném potrubí tepelné sítě [°C] tepelný součinitel [J·m-3·K-1]
Takto upravený vztah obsahuje tři přímo měřitelné veličiny QV, t1 a t2, tepelný součinitel k lze vypočítat z tabelovaných hodnot tepelné kapacity a hustoty teplonosné látky. Pokud je teplonosným médiem voda, pak v důsledku opačných průběhů hustoty a tepelné kapacity v závislosti na teplotě, lze v rozmezí provozních teplot uvažovat konstantní hodnotu tepelného součinitele (obr. 1). V praxi jsou hodnoty tepelného součinitele často uloženy v paměti přístroje a není nutné je proto jakkoliv nastavovat.
návod_kc1
2
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
Obr. 1: Závislost hustoty a měrné tepelné kapacity vody na teplotě Celkové odebrané teplo Qq [kWh] je poté získáno integrací tepelného výkonu Pq v čase: Δt
Qq = ∫ Pq dt
(4)
Schéma na obr. 2 zobrazuje obecné zapojení přístroje pro měření spotřebovaného tepla do oběhového systému. PŘÍVOD TEPLÉ VODY
TEPELNÝ SPOTŘEBIČ
ODTOK STUDENÉ VODY
TI 01
TI 02
rozdíl
FI 03
konst.
Pq
×
?
násobení
integrace
Qq
Obr. 2: Základní uspořádání zařízení pro měření tepla
návod_kc1
3
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
3. APARATURA PRO LABORATORNÍ ÚLOHU Aparatura pro laboratorní úlohu měření tepla představuje model otopného systému používaného pro vytápění obytných prostorů. Základem aparatury (obr. 3) je ultrazvukový měřič tepla PolluStat E od firmy Sensus Metering Systems. PolluStat E, který bude detailněji popsán v další kapitole, měří teplotu t1, t2, průtok QV a z nich vypočítává tepelný výkon a celkové spotřebované teplo na spotřebiči tepla. Spotřebič tepla představuje deskové otopné těleso (radiátor) o rozměrech 50 × 50 cm. Ohřev teplonosného média je realizován průtokovým ohřívačem vody MH3 o výkonu 3,5 kW. Oběh teplonosného média zajišťuje oběhové čerpadlo Buderus RS25.
Obr. 3: Aparatura pro laboratorní úlohu 1- měřič tepla PolluStat E, 2 - tepelný výměník, 3 - průtokový ohřívač vody, 4 - oběhové čerpadlo, 5 - řídící jednotka, 6 - kontrolní ukazatel teploty a tlaku v oběhovém systému, 7 pojistný ventil, 8 - odporový teploměr Pt100 regulátoru teploty, 9 - odporový teploměr Pt500 měřiče tepla, 10 - ventil pro manuální regulaci průtoku Součástí aparatury, je tzv. řídicí jednotka (obr. 4), která měří a reguluje teplotu teplonosného média, umožňuje komunikaci přístrojů s počítačem a napájí pomocné moduly. Bezpečný provoz laboratorní úlohy je zajištěn pojistným ventilem a vypínačem výkonové části aparatury (ohřívač vody, oběhové čerpadlo). Teplota vody v oběhovém systému je udržována na požadované hodnotě pomocí dvoupolohového teplotního regulátoru LD50/A. Digitální regulátor LD50/A měří teplotu systému odporovým teploměrem Pt100 umístěným v teplosměnné jímce těsně na výstupu z průtokového ohřívače vody. Regulátor může pracovat v režimech ohřevu (relé rozepíná kontakt po dosažení nastaveného bodu) či chlazení (relé spíná po dosažení nastaveného bodu),
návod_kc1
4
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
dále lze nastavit velikost hystereze (rozpětí, při kterém dojde po sepnutí k návratu do původního stavu). Bližší informace o funkci regulátoru jsou uvedeny v příloze 1.
Obr. 4: Řídicí jednotka aparatury 1 - komunikační modul elektroměru, 2 - elektroměr, 3 - dvoupolohový regulátor, 4 - polovodičové relé, 5 - převodník RS232/M-Bus, 6 - vypínač výkonové části aparatury, 7 - zdroj napětí. Regulátor dle potřeby uzavírá (spíná) řídící okruh polovodičového relé. Polovodičové relé tvoří hlavní spínač průtokového ohřívače vody. Pokud dojde k dosažení teploty nastavené na regulátoru, regulátor rozepne řídicí obvod polovodičového relé, které následně vypne napájecí proud průtokového ohřívače vody. Řídicí obvod polovodičového relé je napájen z 24 V zdroje stejnosměrného napětí. Samostatnou část pak tvoří elektroměr Delta Single, který měří množství spotřebované elektrické energie průtokovým ohřívačem vody. Hodnoty spotřebované elektrické energie je možno zobrazit v reálném čase na počítači díky komunikačnímu modulu CEM 05000 se zabudovaným web serverem. Komunikace mezi modulem CEM 05000 a elektroměrem probíhá na bázi infračerveného přenosu. Komunikaci počítače s měřičem tepla zprostředkovává převodník RS232/M-Bus PW3 (tedy převodník standardního sériového rozhraní počítače na průmyslové sériové rozhranní M-Bus, obr. 5). Data naměřené měřičem tepla je možné průběžně ukládat a zobrazovat v programu DOKOM CS, který je nainstalován v monitorovacím počítači.
návod_kc1
5
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
Měřič tepla
Vodoměr
Plynoměr
GJ
m3
m3
M-Bus
ZDROJ NAPĚTÍ
RS232
Obr. 5: Převodník PW3 a schéma jeho zapojení s dalšími přístroji (Schéma ukazuje možnosti připojení dalších přístrojů, vodoměr a plynoměr nejsou součástí laboratorní stanice). 3. ULTRAZVUKOVÝ MĚŘIČ TEPLA POLLUSTAT E PolluStat E je ultrazvukový měřič spotřebovaného tepla založený na měření průtoku a teploty vody v otopných nebo chladicích systémech s vodou jako teplonosným médiem. Přístroj se skládá z měřicí a vyhodnocovací jednotky (obr. 6 a 7).
Obr. 6: Ultrazvukový měřič tepla PolluStat E návod_kc1
6
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
Obr. 7: Měřicí jednotka PolluStatu E, 1 - výpočetní část měřiče tepla, 2 - odporový teploměr Pt500 pro měření teploty ve vratném potrubí, 3 - ultrazvukový průtokoměr, 4 - vstup vody do měřiče tepla, 5 - výstup vody z měřiče tepla Měřicí jednotka (obr. 7) je vybavena dvojicí odporových teploměrů Pt500, které měří teplotu v přiváděcím a vratném potrubí t1 a t2. Teploměr pro měření teploty v přiváděcím potrubí je umístěn v teplosměnné jímce, teploměr ve vratném potrubí je součástí těla ultrazvukového měřiče průtoku. Průtok teplonosného média je měřen pomocí ultrazvukového průtokoměru založeného na principu vyhodnocování doby šíření ultrazvukového signálu. Z naměřených hodnot t1, t2 a QV je ve vyhodnocovací jednotce vypočten tepelný výkon a celkového spotřebované teplo pomocí vztahu (3) resp. (4). Komunikace přístroje s počítačem je realizována pomocí sériového průmyslového rozhraní M-Bus. Komunikační modul pro M-Bus rozhraní je součástí měřiče tepla. 4. ZADÁNÍ LABORATORNÍ ÚLOHY Úkol 1: Seznamte se s aparaturou měřiče tepla PolluStat E. Prostudujte přiložené manuály k jednotlivým zařízením. Nakonfigurujte komunikaci mezi měřičem tepla a počítačem, připojte se ke komunikačnímu modulu elektroměru. Úkol 2: Porovnejte hodnotu celkového spotřebovaného tepla a elektrické energie spotřebované během experimentu, spočítejte účinnost aparatury. Diskutujte případné chyby a nepřesnosti v měření, které se mohou promítnout do výsledku. Úkol 3: Nastavte teplotu na regulátoru na hodnotu 45 °C. Průtok upravte nastavením ventilu do polohy 3 a proveďte odečet hodnot z měřiče tepla po dobu 45 minut, interval odečtu nastavte na 10 s. Diskutujte průběhy jednotlivých veličin. Naměřené hodnoty exportujte do souboru Microsoft Excel.
návod_kc1
7
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
Úkol 4: Ponechte teplotu na regulátoru na hodnotě 45 °C. Průtok upravte nastavením ventilu do polohy 8 a proveďte odečet hodnot z měřiče tepla po dobu 45 min, interval odečtu nastavte na 10 s. Diskutujte průběhy jednotlivých veličin. Naměřené hodnoty exportujte do souboru Microsoft Excel. Úkol 5: Nastavte teplotu na regulátoru na hodnotu 60 °C. Průtok ponechte v poloze 8 a proveďte odečet hodnot z měřiče tepla po dobu 45 min, interval odečtu nastavte na 10 s. Diskutujte průběhy jednotlivých veličin. Naměřené hodnoty exportujte do souboru Microsoft Excel. 5. POSTUP K PROVEDENÍ PRÁCE Úkol 1: Zapojení a zapnutí aparatury 1) Vizuálně zkontrolujte aparaturu, v případě, že objevíte nějakou závadu (voda kapající z aparatury, ulomené části, vytažené dráty) aparaturu nezapínejte a přivolejte asistenta. 2) V aparatuře je stálý tlak vody, zkontrolujte, zda ukazovatel tlakoměru indikuje hodnotu blízkou 1 baru, červená ručička na tlakoměru musí ukazovat hodnotu 2 bary, v průběhu práce nikdy nesmíte překročit tento tlak, v opačném případě dojde k otevření pojistného ventilu a prudkému úniku horké vody!!! 3) Do zásuvky zasuňte napájecí zástrčku označenou číslem 1, tím dojde k zapnutí regulátoru a komunikačních modulů. 4) Zkontrolujte, zda je páčka spínače výkonové části v dolní poloze, pokud není, je nutné ji do této polohy uvést. 5) Zapojte do zásuvky zástrčku označenou číslem 2, tím uvedete do pohotovostního stavu výkonovou část aparatury. Počáteční nastavení regulátoru Před zapnutím průtokového ohřívače vody a čerpadla je nutné nastavit regulátor na teplotu požadovanou v otopném systému. Ovládání regulátoru je jednoduché. Regulátor má na čelním panelu umístěna tři tlačítka MODE, SET ▲ a ▼. Odemknutí klávesnice provedete stisknutím dvou levých tlačítek na dobu 3 s, dokud se na displeji neobjeví znak „---„. Nabídku regulátoru procházejte krátkým stiskem tlačítka MODE. Tlačítky SET ▲ a ▼ lze změnit hodnotu zobrazeného parametru. Nabídka roluje v tomto pořadí: a) volba počtu výstupních relé rE 2/4 tuto hodnotu neměnit!!! b) hodnota regulačního bodu 1(LED1) v mezích: -99 až +999 c) hodnota regulačního bodu 2(LED2) v mezích: -99 až +999 d) hystereze regulace se nastavuje zvlášť pro každé relé (při nastavování bliká příslušná dioda LED 1 nebo 2 v mezích H: max. 0 – 50 jednotek e) zpoždění regulace (anticyklický čas) d: 0 – 60 s
návod_kc1
8
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
f) reakce výstupu (rozepíná relé – topí) znak: no 1-2 g) reakce inverzní (spíná relé – chladí) znak: in 1-2 h) nastavení desetinné tečky znak: dt1 neměnit!! bez tečky znak: dt0 neměnit!!! i) nastavení jasu displeje JAS: j) dalším stiskem MODE displej zobrazí nápis Err a regulátor přejde do stavu regulace. Tlačítka se opět uzamknou proti nežádoucí manipulaci a nastavená data jsou zapsána do paměti EEPROM. Regulátor na počátku nastavte na hodnoty regulačního bodu 45 °C, hysterezi na hodnotu 1 a acyklický čas na hodnotu 1. Tím je regulátor připraven. Ovládání programu pro sběr dat Dokom CS Před započetím měření je nutné správně nakonfigurovat komunikaci programu DOKOM CS s měřičem tepla PolluStat E. Konfiguraci provedeme pomocí programu Dokom CS Configuration: 1) Spusťte program Dokom CS Configuration (z nabídky Start, nebo pomocí ikony na pracovní ploše počítače). 2) Objeví se před Vámi Průvodce novým pracovištěm. Pracoviště umožňují sdružovat měřicí přístroje např. z jedné budovy nebo podle různých kritérií (pouze měřiče tepla apod.). 3) Zadejte název pracoviště a ponechte označenou nabídku Kanály budou přidány průvodcem a klikněte na tlačítko další. 4) V dalším okně se na pozadí objeví čtyři přednastavené kanály Kanál1 a Kanál2 jsou určeny pro komunikaci s přístrojem. Kanál3 a Kanál4 slouží pro simulaci přístroje. 5) V průvodci ponechte označenou nabídku Měřidla budou přidány aut. detekcí měřidel a klikněte na tlačítko další. 6) V dalším okně průvodce odznačte Kanál3 a Kanál4. Tím předejdete zdlouhavé detekci simulačního měřicího přístroje, který nelze detekovat, protože není nastaven a dále odznačte Kanál2. Klikněte myší na tlačítko další. 7) Poslední okno Průvodce detekcí měřidel slouží ke spuštění detekce měřidla. Klikněte na tlačítko Start detekce pro spuštění scanu. Jakmile se v průvodci objeví nápis s adresou a označením přístroje - PolluStat E, klikněte na tlačítko Přeskočit, neboť k počítači není připojeno žádné další zařízení s komunikací přes RS232, a poté klikněte na tlačítko Dokončit. 8) Na okno s otázkou programu Do you want to start Dokom Reading and Create a new fading task? odpovězte kliknutím na tlačítko No. V tuto chvíli je program DOKOM CS nakonfigurován pro komunikaci s měřičem tepla. Komunikaci ověříme kliknutím na tlačítko Start odečtu v okně Kanály. Pokud se po chvíli objeví hodnoty spotřebovaného tepla W, proteklého množství vody V, objemového průtoku Q, tepelného výkonu P, teploty ve vstupním potrubí Tv, teploty ve vratném potrubí Tr a teplotní diference Td, můžeme přejít do odečítací části programu. Stiskněte tlačítko Dokom SP Odečty na horní nástrojové liště.
návod_kc1
9
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
Odečítání dat z elektroměru Elektroměr DeltaSingle měří elektrickou energii spotřebovanou průtokovým ohřívačem vody. Odečet změřených hodnot počítačem, je zprostředkován komunikačním modulem CEM 05000, který získává údaje z elektroměru infračerveným přenosem. Komunikace s počítačem probíhá pomocí protokolu TCP/IP a modul je připojen do lokální sítě UTP kabelem. Aby bylo možné připojit se na webový server umístěný uvnitř modulu, je nutné spustit internetový prohlížeč a do adresové řádky zadat IP adresu 192.168.1.10. Po připojení k web serveru modulu je nutné zadat přihlašovací jméno (student) a heslo (student). Pokud je přihlašovací jméno a heslo zadáno správně objeví se před Vámi úvodní stránka, na které jsou zobrazena hodnota spotřebované elektrické energie. Pro získání aktuálních hodnot spotřebované energie je nutné stisknout tlačítko refresh na liště webového prohlížeče. Úkol 2: Tento úkol začíná a končí s počátkem a koncem vlastního měření laboratorní úlohy měření tepla. Na začátku, ještě před zapnutím výkonové části aparatury, si opište hodnotu spotřebované elektrické energie (tato hodnota se každou laboratorní úlohu zvětšuje, na počátku Vaší úlohy tedy není nulová). Dále si opište hodnotu celkového spotřebovaného tepla (zobrazí se např. při testu komunikace v programu Dokom CS Configuration. Stejným způsobem si opište hodnoty těchto veličin těsně před skončením Vaší laboratorní úlohy. Ze získaných údajů vypočtěte hodnotu účinnosti aparatury. Úkol 3, 4 a 5 Nastavení periody odečtu a zobrazení hodnot v grafu V programu Dokom SP Odečty jsou na počátku dvě okna – Plánovač úloh a Odečty. V tuto chvíli je možné nastavovat periodické odečty. 1) Stiskněte tlačítko Nová úloha, objeví se průvodce nastavením odčtů. Do políčka Název zadejte název úlohy a označte na panelu Druh úlohy úlohu Uživatelský odečet. Stiskněte tlačítko Další. 2) V dalším okně označte Opakovat úlohu každý Perioda. Dále doplňte políčka Spustit úlohu v: (ponechte datum provádění úlohy a nastavte reálný čas, kdy budete chtít spustit odečet) do políčka Zastavit úlohu v: doplňte údaje dle časového úseku určeného v zadání laboratorní úlohy. Do pole perioda doplňte periodu odečtu zadanou v zadání laboratorní práce. Klikněte na tlačítko další. 3) V dalším okně průvodce stiskněte tlačítko Dokončit. 4) V okně Nastavení měřidel klikněte na název měřidla a stiskněte tlačítko Přidat. 5) Pokud jste vše správně nastavili, dojde ve vámi zadaném čase k periodickému odečtu údajů z měřiče tepla. Odečtené hodnoty jsou zobrazovány v okně s názvem Odečty. Odečtené údaje lze zobrazovat v reálném čase v tzv. Expresním grafu. Ten získáme následujícím způsobem: 1) Klikněte levým tlačítkem myši na název úlohy v Plánovači úloh, tím dojde k zobrazení možností úlohy v pravém sloupci.
návod_kc1
10
Laboratoř z měřicí techniky
Měření tepla
2) Klikněte na tlačítko Expresní graf. 3) Do grafu se postupně automaticky přidávají naměřené hodnoty veličin. 4) V nástrojové liště a legendě grafu lze vyzkoušet možnosti úprav grafu. Nastavení hodnoty průtoku Průtok vody aparaturou je možné upravit pomocí speciálního klíče od manuálního ventilu. Klíčem otáčejte číselníkem ventilu tak, až požadovaná hodnota průtoku bude u rysky vyznačené na ventilu. Export naměřených hodnot do Excelu Postupujte dle pokynů asistenta. 6. POKYNY K VYPRACOVÁNÍ LABORATORNÍHO PROTOKOLU 1) Do laboratorního protokolu vložte naměřené grafy z příslušných úloh. Pro závislost teploty vstupního, výstupního potrubí a tepelného výkonu vytvořte z každé úlohy jeden samostatný graf. 2) Několika větami se pokuste diskutovat průběhy jednotlivých veličin. 3) Porovnejte, jakým způsobem se projeví změna velikosti průtoku na průběhu jednotlivých veličin. (úloha 3 a 4) 4) Porovnejte, jakým způsobem se projeví změna teploty na průběhu jednotlivých veličin. (úloha 4 a 5) 5) Do protokolu uveďte vypočítanou hodnotu účinnosti aparatury včetně způsobu, jakým byla vypočítána. 6) Formální stránka protokolu a další náležitosti musí splňovat pokyny zadané vedoucím na začátku předmětu Laboratoře z měřicí a řídicí techniky. 7. POUŽITÉ ZDROJE INFORMACÍ 1
K. Kadlec, Měření tepla, přednášky, elektronická verze na www.vscht.cz/ufmt
návod_kc1
11
