Сверим приборы: какими бывают эталоны и как их применяют в энергетике
Провожая фараона в загробное царство, египтяне клали в гробницу «священный локоть» — единую меру длины. На Руси длину измеряли локтем с XI века — он был официальной мерой в торговле и быту. Современный идеальный метр не возьмешь с собой, как локоть, — это большой измерительный комплекс, — но он определяет длину гораздо точнее. По нему ученые, инженеры и строители регулярно сверяют показания сотен тысяч разных приборов. Есть свои эталоны и в энергетике.
От металлической линейки до лазерной установки
Эталон — самая точная, единая для всех мера чего бы то ни было, по которой калибруют приборы и строят расчеты. Например, для определения метра с XIX до середины XX века в качестве эталона использовали металлическую линейку из платины и иридия, с торца напоминающую букву «Х».
Сегодня метр определяют как длину пути, которую свет проходит в вакууме за 1/299792458 долю секунды. В России государственный эталон единицы длины, как и многие другие, хранится в главном метрологическом институте — Всероссийском НИИ метрологии имени Менделеева. Он представляет собой сложную измерительную систему на основе лазеров. Другие эталоны тоже давно превратились из физических образцов в сложные установки — они более точны, так как меньше подвержены влиянию внешних факторов.
В нашей стране используется 161 первичный эталон, и больше десятка из них связаны с энергетикой. Каждый возглавляет государственную поверочную схему — сложную иерархию, включающую лабораторные, промышленные и даже бытовые измерительные приборы. Во ВНИИМ находятся комплексы для измерения электрической мощности, учета расхода и параметров газа и нефти, мониторинга радиационной обстановки, анализа эффективности альтернативных источников энергии.
Точно, безопасно, эффективно
Государственный первичный эталон 118 (он же ГЭТ 118) позволяет рассчитать массовый и объемный расход газа. Он состоит из пяти установок. Каждая — в отдельном помещении. Чтобы ничто не влияло на точность измерений, в некоторых из них с помощью кондиционеров поддерживают нужный микроклимат, а в других смонтирован фундамент, не зависящий от фундамента основного здания.
Каждый год на ГЭТ 118 проверяют и калибруют несколько тысяч средств измерений расхода газа, применяемых в газовой и других отраслях промышленности.
От безупречной работы эталонов в энергетике зависит не только «честность» измерительных приборов, но и вопросы экономики. Например, погрешность всего 0,5% при учете газа, идущего по магистральному трубопроводу, могла бы привести к ежегодным убыткам в сотни миллионов рублей.
В ядерной энергетике эталоны помогают обеспечивать безопасность. ГЭТ 10 отвечает за точность приборов, измеряющих параметры потока нейтронов — скорость их высвобождения из атомных ядер и плотность их расположения. Благодаря в том числе и ему ядерная реакция остается управляемой. В состав ГЭТ 10 входит четырехметровая сфера из двух тысяч блоков чистейшего графита, которая превращает быстрые нейтроны в тепловые — так их намного легче «ловить» и измерять.
Есть и такие эталоны, которые помогают точно определять энергию сгорания различного топлива.
— Первичный эталон ГЭТ 16 обеспечивает высокую точность измерений теплоты сгорания топлива по всей стране. Без этого невозможно было бы рассчитать КПД ТЭЦ и котельных— а значит, нельзя было бы их спроектировать или модернизировать, — рассказывают во ВНИИМ имени Менделеева.
Еще один эталон — ГЭТ 154 — обеспечивает точность единиц, которыми измеряют компоненты в газах и газовых конденсатах. Эталон помогает следить за экологичностью работы предприятий: на его базе создали комплекс для испытаний систем контроля выбросов.
Эталоны для энергетики нового поколения
На заре метрологии отправной точкой служил человек, потом — географические знания и природа. Например, когда-то за эталонный метр ученые договорились считать одну сорокамиллионную часть парижского меридиана. За эталонный килограмм — массу кубического дециметра воды. Время показало, что эти эталоны не такие уж эталонные: на массу воды влияют примеси, а длина меридиана непостоянна из-за смещения полюсов Земли.
С развитием науки прежние эталоны оказались недостаточно точными, чтобы описывать сложные процессы — например, сгорание топлива или распад атома. Тогда ученые, улучшая старые эталоны и создавая новые, пришли к фундаментальным физическим константам — неизменяемым величинам.
Сегодня сначала детально исследуют физический процесс и описывают его с максимальной точностью, а потом создают аппаратуру, способную воспроизводить полученную величину с точностью до десятого знака после запятой. Так появляются новые эталоны — в том числе для энергетики, технологии в которой совершенствуются, усложняются и требуют все новых величин.