Страна: Россия
Почтовый индекс: 607224
Область: Нижегородская
Город: Арзамас
Улица: 50 лет ВЛКСМ
Дом: 8-А
Тел./Факс: 8(83147) 2-32-12, 2-32-13, 2-32-14
e-mail: info@tehnomer.ru
Internet: www.tehnomer.ru
ООО Техномер


Микротермальный принцип измерения – современный подход к построению бытовых счетчиков газа
13.02.2018
Авторы: 

Охотин Александр Александрович, Главный метролог ООО «Техномер»

Бытовой счетчик газа – прибор, предназначенный для измерения объема природного газа, полученного потребителем. Основной характеристикой любого счетчика газа является расход – количество газа, проходящего через счетчик в единицу времени. К основным техническим характеристикам счетчика также относятся:

  • Величина минимального и максимального измеряемого счетчиком расхода
  • Диапазон рабочих давлений измеряемой газовой среды
  • Потеря давления на счетчике при максимальном измеряемом расходе
  • Предел относительной погрешности измерения
  • Порог чувствительности
  • Диапазон рабочих температур.

По принципу действия наиболее распространенными видами бытовых газовых счетчиков являются объемные (диафрагменные, ротационные), турбинные, струйные и ультразвуковые. В соответствии с действующим законодательством счетчики газа относятся к средствам измерений, в связи с чем их основные характеристики регламентируются соответствующими нормативными документами [1], [2]. В таблице 1 приведены примеры бытовых счетчиков газа, выпускаемых различными производителями.

Табл.1

Марка счетчика, производитель Метод измерения Тип отсчетного устройства Коррекция объема по температуре
1 BK-G4T
ООО «Эльстер Газэлектроника»
диафрагменный механическое Да, механическая
2 Омега-Т
ЗАО «Газдевайс»
диафрагменный механическое Да, механическая
3 Омега-ЭК
ЗАО «Газдевайс»
диафрагменный электронное Да, электронная
4 СГБ-G2,5
ООО «Сигнал»
диафрагменный механическое Нет
5 Гелиос
Apator Metrix
диафрагменный механическое Нет
6 Гранд 1,6ТК
ООО НПО «ТурбоДон»
струйный электронное Да, электронная
7 СГБМ-1,6ТК
ООО «Бетар»
струйный электронное Да, электронная
8 Геликон G 1,6
ООО «Саяны-Трейд»
струйный электронное Нет
9 Тритон-Газ СГР4
ООО «Лиом плюс»
ротационный механическое Нет
10 Принц G4
ООО «Завод РаДан»
ультразвуковой электронное Да, электронная
11 УБСГ 001
ЗАО «Газдевайс»
ультразвуковой электронное Да, электронная

Бытовые счетчики газа, наряду с водосчетчиками и электросчетчиками массово применяется в жилищно-коммунальном секторе для учета потребляемых ресурсов. Так, по данным, приведенным в [3] за 2016 год в России было произведено 1288 тыс. шт. счетчиков потребления газа; лидером в производстве данных приборов в общем объеме производства за 2016 год стал Приволжский федеральный округ с долей около 75,4%. Подавляющее большинство бытовых газовых счетчиков ( более 83%), находящихся в эксплуатации, традиционно составляют диафрагменные счетчики с механическим отсчетным устройством, что объясняется их надежностью, простотой конструкции и относительно невысокой стоимостью.

Однако современные требования к конструкции бытовых счетчиков газа постоянно ужесточаются как применительно к их метрологическим характеристикам – расширению диапазона измерения, значению дополнительной температурной погрешности, наличию механизма пересчета объема газа, прошедшего через счетчик к стандартным условиям, так и к появлению дополнительных сервисных функций, связанных в первую очередь с необходимостью самодиагностики счетчика в процессе эксплуатации. Выполнение упомянутых требований в традиционных диафрагменных счетчиках связано с радикальным изменением ( и усложнением! ) конструкции счетчика, замене механического отсчетного устройства электронным и реализации функции приведения объема к стандартным условиям программным способом с помощью встроенного микроконтроллера. Таким образом попытка построения современного бытового счетчика газа на базе стандартного измерительного механизма диафрагменного счетчика приводит к появлению встроенного в счетчик электронного устройства на базе микроконтроллера, которое и выполняет функции, отсутствующие в простом механическом счетчике. Таким путем пошли, например, производители счетчика газа BK-G4ETе [4], однако стоимость данного прибора значительно превышает стоимость счетчика BK-G4T с механическим корректором, что ставит под сомнение экономическую целесообразность данного проекта.

Также в настоящее время получили распространение счетчики газа, построенные на иных – альтернативных принципах измерения объема газа. К ним, в первую очередь, следует отнести приборы, построенные на базе струйного и ультразвукового способов измерения. Отличительной особенностью подобных счетчиков является отсутствие каких-либо подвижных элементов конструкции, находящихся непосредственно в измеряемом газовом потоке, определяющих метрологические характеристики прибора с одной стороны и обязательное наличие электронного устройства, осуществляющего обработку и отображение результатов измерений. Достоинства и недостатки приборов, построенных на базе струйного метода известны и подробно рассматривались ранее [ 5]. Следует также отметить, что ультразвуковые счетчики газа находят применение  в основном для измерения относительно больших расходов газа (свыше 16 м3/ч).

Однако наибольший интерес вызывают счетчики, основанные на измерении зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток газа. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на термоанемометрические и калориметрические (иное название - микротермальные). Термоанемометрические расходомеры основаны на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела и скоростью газа, в котором это тело находится. Основное назначение термоанемометров – измерение местной скорости потока и ее вектора. Они могут служить для измерения расхода, когда известно соотношение между местной и средней скоростью потока, или когда последняя измеряется непосредственно с помощью термоанемометра. В этом смысле данный метод близок к ультразвуковому – и в том и в другом случаях погрешность измерения расхода напрямую связана с точностью измерения средней по сечению измерительного канала скоростью измеряемой среды. Однако получение точного значения средней скорости потока требует значительного усложнения (и удорожания) конструкции расходомера. В ультразвуковых приборах это связано с увеличением числа независимых каналов измерения с симметричным их расположением относительно оси измерительного трубопровода; число таких независимых каналов измерения в известных конструкциях ультразвуковых расходомеров может доходить до 5,что, с одной стороны, значительно усложняет и удорожает конструкцию, а с другой – приводит к увеличению размеров расходомера. В термоанемометрических расходомерах проблема та же – для получения средней скорости по сечению приходится размещать чувствительный элемент – платиновую нить термоанемометра таким образом, чтобы максимально полно охватить сечение измерительного трубопровода, что увеличивает длину нити и делает конструкцию расходомера крайне ненадежной – обеспечение необходимого натяжения нити без ее провисания при нагреве становится трудноразрешимой технологической задачей.

Микротермальные расходомеры измеряют массовый расход при условии неизменности теплоемкости измеряемого газа, что является их большим достоинством. Кроме этого, массовый метод измерения позволяет автоматически получать объем газа, приведенный к стандартным условиям, что в настоящее время применительно к бытовым счетчиком газа является актуальным требованием. Описание принципов работы калориметрического расходомера приведено в [6], а теория и принципы построения данного теплового измерителя расхода газа подробно изложены в [7]. Расходомер состоит из нагревателя 2 (рис. 1), расположенного внутри трубопровода и двух датчиков температуры 1 и 3, расположенных на равных расстояниях от нагревателя.

Рис. 1 Микротермальный расходомер

Распределение температур по обе стороны от нагревателя будет зависеть от величины расхода. Так, при отсутствии массового расхода Qm = 0 температурное поле симметрично, однако симметрия нарушается при появлении расхода, в результате по мере роста расхода растет и разность температур ΔТ = Т3 - Т2 .Зависимость между мощностью нагрева W и массовым расходом Qm находится из уравнения теплового баланса:

                                          W = kCp ΔТ Qm,       откуда

                                           Qm = W/ kCp ΔТ,    где

                   Cp – теплоемкость газа при температуре (Т3 + Т2)/2

                    K  – технологический поправочный коэффициент.

Из анализа уравнения следует, что при W – const расход Qm обратно пропорционален ΔТ и чувствительность расходомера падает с ростом расхода. Если же автоматически поддерживать ΔТ- const путем изменения мощности нагрева, то между Qm и W будет сохраняться прямо пропорциональная зависимость, что является достоинством данного метода.

Несмотря на указанные выше достоинства данного метода измерений, а также то, что первые образцы расходомеров подобного типа были разработаны уже в 50-х годах прошлого века, они не получили значительного распространения. К причинам этого в первую очередь следует отнести отсутствие на тот момент миниатюрных датчиков температуры – все измерения необходимо проводить в тонком пристеночном слое потока газа, когда геометрические размеры датчиков и их конфигурация не оказывают возмущающего воздействия на параметры измеряемого потока.

Ситуация резко изменилась, когда подразделение Heraeus Sensors Technology компании Heraeus Group (Германия) по заказу фирмы Bosch (Германия) разработала тонкопленочный модуль, на керамической подложке которого методом напыления в едином технологическом цикле изготавливались нагревательный элемент и датчики температуры, т.е. все то, что необходимо для реализации микротермального принципа измерения расхода газа. На базе этого модуля началось серийное производство автомобильных датчиков массового расхода воздуха серии HFM [8]. Точнее сказать – массовое производство – т.к. без этих устройств невозможна эксплуатация современных инжекторных бензиновых, а также и дизельных двигателей, оборудованных топливной системой «common rail». На рис.2 приведена структурная схема модуля и тепловая диаграмма его работы.

Рис. 2 Структурная схема работы модуля

Можно видеть, что структура данного измерительного модуля и диаграмма его работы в основном соответствует схеме, приведенной на рис. 1. Однако есть и отличия, связанные в первую очередь со спецификой работы модуля в автомобиле. На рис. 3 приведена схема электрическая датчика массового расхода воздуха серии HFM, а на рис. 4 – его выходная характеристика.

Рис. 3 Схема электрическая датчика серии HFM

Из анализа элементов схемы видно, что кроме датчиков температуры Т1, Т2 и нагревательного элемента Rheat в схему введены дополнительные датчики температуры Theat и Tflow, включенные в мостовую схему. Первый служит для измерения температуры на поверхности нагревательного элемента, а второй измеряет температуру набегающего потока, в результате чего обеспечивается постоянство перегрева зоны нагрева (heating zone на рис. 2) по отношению к температуре набегающего потока воздуха. Этим обеспечивается постоянство чувствительности модуля при изменении температуры потока в широком диапазоне.

Рис. 4 Выходная характеристика датчика серии HFM

Выходная характеристика датчика – нелинейная, что связано как выбором метода измерения – работа при постоянной мощности нагревательного элемента, так и с использованием мостовой схемы подключения датчиков температуры Т1 и Т2. Для обеспечения идентичной выходной характеристики датчиков при их серийном производстве в электрическую схему были введены подборные элементы - резисторы, что в условиях массового производства усложняет регулировку изделий. Поэтому в следующей модификации датчиков массового расхода серии HFM на подложке измерительного модуля были одновременно сформированы все элементы двух мостовых схем, а измерение сигнала и формирование требуемого вида выходной характеристики датчика осуществляется с помощью микроконтроллера и соответствующего встроенного программного обеспечения. На рис. 5 приведен внешний вид измерительной части датчика HFM со встроенным микроконтроллером.

Рис. 5 Внешний вид измерительной части датчика

На рисунке видны измерительный модуль 1, размещенный непосредственно в измеряемом потоке газа, корпус микросхемы 2 с операционными усилителями и микроконтроллер 3. Выходной аналоговый сигнал формируется с помощью цифро-аналогового преобразователя, входящего в состав микроконтроллера. Использование такого подхода позволило решить сразу несколько важных проблем. Во-первых, даже при наличии технологического разброса параметров элементов измерительного модуля в 100% случаев на выходе формируется абсолютно идентичный вид выходной характеристики. Во-вторых, калибровка датчика в процессе серийного выпуска производится полностью в автоматическом цикле, исключающем какие-либо ручные настроечные операции. И наконец, в-третьих, любой желаемый вид выходной характеристики датчика может быть получен без какого-либо изменения его конструкции и программного обеспечения, что необходимо при адаптации датчика массового расхода воздуха для каждого конкретного типа двигателя внутреннего сгорания.

Основные технические характеристики датчика HFM

  • Диапазон измеряемых расходов, кг/час    от -50 до 1200
  • Погрешность измерения, не более %    3
  • Постоянная времени измерения, с    0,03
  • Диапазон рабочих температур, °С    от -40 до + 120
  • Максимальные ударные перегрузки, не более    15g

Можно видеть, что условия эксплуатации датчика HFM намного жестче, чем применяемые к бытовым счетчикам газа, не говоря о таком параметре, как величина ударных перегрузок, - скорее всего любой бытовой счетчик при таких ударных нагрузках попросту развалится. Еще один параметр – требования к качеству измеряемого газа. Для бытовых счетчиков – это «сухой, очищенный от примесей неагрессивный многокомпонентный природный газ по ГОСТ 5542-87». Измерительный модуль датчика HFM располагается в подкапотном пространстве автомобиля и служит для измерения расхода воздуха, в котором присутствуют частицы пыли, пары топлива, масла, а также продукты выхлопа из цилиндров двигателя; сам датчик при этом отнюдь не является расходным элементом, подлежащем замене каждый раз при прохождении очередного технического обслуживания. Надежность датчика определяется правилом «3 ррм», действующим в автомобильной промышленности – не более трех отказов на миллион приборов. Во многом, столь высокая надежность датчика HFM определяется именно выбранным способом измерения – тепловой микротермальный и современным исполнением чувствительного элемента – интегральный пленочный датчик, где для защиты чувствительных элементов используется пассивирующий защитный слой стекла толщиной несколько микрон.

В связи с развитием нового направления в создании чувствительных элементов – т.н. МЕМS - технологии , когда на единой кремниевой подложке формируется не только набор чувствительных элементов, но и все необходимое обрамление: транзисторы, операционные усилители и другие элементы электрической схемы, многие компании по производству электронных устройств обратились к созданию газовых расходомеров, в основу работы которых положен микротермальный принцип измерения расхода. Так Omron Corporation (Япония) разработала и выпустила на рынок целую линейку датчиков серии D6F [9] для измерения расхода газа. При этом выходным параметром является расход газа, приведенный к нормальным условиям, а результаты измерения не зависят от температуры и давления измеряемой среды, что является характерной особенностью микротермального метода измерения. В основном эти датчики предназначены для измерения расхода воздуха, однако имеются исполнения для измерения натурального газа (13А), а также пропан-бутановой газовой смеси. Обозначение 13А для натурального газа соответствует используемому в Японии стандарту газа с пониженным содержанием метана – не более 88% в общем объеме. Важной особенностью данных датчиков является требование по их калибровке на рабочем типе газе, что несколько сужает область применения данных приборов и усложняет их калибровку на этапе производства. Подробные характеристики приборов данной серии приведены в [10].

Американской фирмой Honeywell выпущена серия датчиков Zephyr [11], также реализованные на базе микротермального метода измерения. Основные технические характеристики приборов данной серии приведены в [12]. Как видно из этого документа данные приборы обладают очень привлекательным свойством - стандартная калибровка датчика на воздухе распространяется на целый ряд других газов, а именно: гелий, аргон, азот, закись азота, углекислый газ. Кроме этого потребитель может использовать данный датчик и для работы на других газах, используя поправочный коэффициент для конкретного газа [13]. Важно отметить, что в данном случае датчик не определяет тип измеряемого газа и тем более не корректирует исходную калибровку, полученную на воздухе – производителем датчика экспериментально определена группа газов, для которых начальная калибровка на воздухе обеспечивает получение результатов измерения и на группе других газов с продекларированной для воздуха точностью.

Швейцарская компания Sensirion AG является лидером в производстве высоко-качественных датчиков на основе инновационной технологии CMOSsens , являющаяся комбинацией датчика и измерительной электроники в одном чипе. На кристалле размером 2,0х3,5 мм размещены не только нагреватель и датчики температуры, т.е. все то, что необходимо для реализации микротермального принципа измерения расхода газа, но также необходимое обрамление, включающее аналоговые цепи, микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем, память, интерфейсные цепи, - словом все то, что необходимо для построения современного газового расходомера. На рис. 6 приведена топология кристалла чувствительного элемента.

Рис. 6 Топология кристалла

На базе данного кристалла серийно производится гамма расходомеров газа, представителем которой является массовый расходомер-контроллер SFC5400 [14]. Обращают на себя внимание очень высокие метрологические характеристики данного расходомера, в т.ч. чрезвычайно широкий диапазон измерения Qmax/Qmin=1000:1, высокая частота измерений расхода - 1000 измерений в секунду, а также то, что в памяти микроконтроллера, расположенного на кристалле могут храниться не только результаты калибровки на воздухе, но и аналогичные данные по калибровке прибора на других газах и газовых смесях; переключение на индивидуальную калибровочную кривую для каждого конкретного газа производится по команде от внешнего устройства по цифровому каналу связи. Уникальной особенностью данного прибора является непрерывный контроль соответствия выбранной калибровочной кривой характеристикам газа в измерительной линии с формированием сигнала ошибки в случае выявленного несоответствия. На этом фоне уже совершенно очевидным является то, что измеренное значение расхода газа приводится к стандартным условиям, наряду с расходом прибор измеряет и по запросу передает измеренное значение температуры газа и окружающей среды, формирует сигнал ошибки, когда измеренное значение расхода превышает максимальное значение. По совокупности технических и конструкционных параметров расходомер SFC5400 относится к наиболее совершенным приборам, построенным на основе микротермального принципа измерения.

Приведенный выше список приборов далеко не полон. Например, его можно дополнить приборами Mass Flow Meter (MFM) Type 8710-7716 немецкой фирмы Burkert или серией приборов El-Flow prestige голландской фирмы Bronkhorst High-Tech, - важно другое: все большее число известных западных фирм заняты разработкой и продвижением на рынок счетчиков газа, основанных на микротермальном принципе измерения .

Заключение

  1. Анализ состояния рынка бытовых счетчиков газа показывает, что наиболее часто потребителями применяются диафрагменные счетчики с механическим отсчетным устройством, что объясняется их надежностью, простотой конструкции и относительно невысокой стоимостью.
  2. Максимально полно современные требования, предъявляемые приборам учета газа, независимо от использованного в них метода измерения, могут быть удовлетворены только с помощью встроенных электронных устройств и соответствующего программного обеспечения.
  3. В связи с бурным развитием сенсоров на базе MEMS – технологии применение микротермального метода измерения является одним их наиболее перспективных направлений при разработке современных бытовых счетчиков газа.

Литература

  1. ГОСТ Р 8.915-2016 «Счетчики объемные диафрагменные. Общие технические требования, методика испытаний и поверки».
  2. ГОСТ 8.611-2013 «Расход и количество газа. Методика (метод) измерения с помощью ультразвуковых преобразователей расхода».
  3. «Рынок газовых счетчиков. Текущая ситуация и прогноз 2017 – 2021 гг» Alto Consulting Group, Пермь, 2018.
  4. «Счетчики газа объемные диафрагменные BK-G4ETe, BK-G6ETe с электронным индексом» Elster Газэлектроника.
  5. Золотаревский С.А. «О применимости различных методов измерения расхода газа для коммерческого учета» // Энергоанализ и эффективность N2 (15), 2006.
  6. П.П. Кремлевский «Расходомеры и счетчики количества» Машиностроение, изд.4, 1989, стр. 375 – 398.
  7. Азимов Р.К., Азимов Р. «Тепловые преобразователи направления потока и расхода газов и жидкостей», Москва, Энергоатомиздат, 1993
  8. «Hot – film air-mass meter, Type HFM 5» Part number 0 281 002 421, Bosch.
  9. «MEMS Flow Sensors. D6F series» Series Catalog, Omron, 2016
  10. «MEMS Mass Flow Sensor – D6F. Compact, intelligent sensor featuring MEMS technology for precision mass airflow measurement». Omron Electronic Components Europe B.V.
  11. «Honeywell Zephyr Digital Airflow Sensors: HAF Series- High Accuracy», datasheet, Sensing and Control Honeywell, 2014.
  12. «Honeywell Zephir HAF-Series 20 SLPM or 200 SLPM», datasheet
  13. «Gas Media Compatibility and Correction Factors», Technical Note, Sensing and Control Honeywell.
  14. «Datasheet SFC5400/SFM5400 mass controller/meter for gases» Product Information November 2017-V13, Sensirion AG.

Микротермальный принцип измерения – современный подход к построению бытовых счетчиков газа

Сумма балов: 6
Количество проголосовавших: 8
13.02.2018
Авторы: 

Охотин Александр Александрович, Главный метролог ООО «Техномер»

Бытовой счетчик газа – прибор, предназначенный для измерения объема природного газа, полученного потребителем. Основной характеристикой любого счетчика газа является расход – количество газа, проходящего через счетчик в единицу времени. К основным техническим характеристикам счетчика также относятся:

  • Величина минимального и максимального измеряемого счетчиком расхода
  • Диапазон рабочих давлений измеряемой газовой среды
  • Потеря давления на счетчике при максимальном измеряемом расходе
  • Предел относительной погрешности измерения
  • Порог чувствительности
  • Диапазон рабочих температур.

По принципу действия наиболее распространенными видами бытовых газовых счетчиков являются объемные (диафрагменные, ротационные), турбинные, струйные и ультразвуковые. В соответствии с действующим законодательством счетчики газа относятся к средствам измерений, в связи с чем их основные характеристики регламентируются соответствующими нормативными документами [1], [2]. В таблице 1 приведены примеры бытовых счетчиков газа, выпускаемых различными производителями.

Табл.1

Марка счетчика, производитель Метод измерения Тип отсчетного устройства Коррекция объема по температуре
1 BK-G4T
ООО «Эльстер Газэлектроника»
диафрагменный механическое Да, механическая
2 Омега-Т
ЗАО «Газдевайс»
диафрагменный механическое Да, механическая
3 Омега-ЭК
ЗАО «Газдевайс»
диафрагменный электронное Да, электронная
4 СГБ-G2,5
ООО «Сигнал»
диафрагменный механическое Нет
5 Гелиос
Apator Metrix
диафрагменный механическое Нет
6 Гранд 1,6ТК
ООО НПО «ТурбоДон»
струйный электронное Да, электронная
7 СГБМ-1,6ТК
ООО «Бетар»
струйный электронное Да, электронная
8 Геликон G 1,6
ООО «Саяны-Трейд»
струйный электронное Нет
9 Тритон-Газ СГР4
ООО «Лиом плюс»
ротационный механическое Нет
10 Принц G4
ООО «Завод РаДан»
ультразвуковой электронное Да, электронная
11 УБСГ 001
ЗАО «Газдевайс»
ультразвуковой электронное Да, электронная

Бытовые счетчики газа, наряду с водосчетчиками и электросчетчиками массово применяется в жилищно-коммунальном секторе для учета потребляемых ресурсов. Так, по данным, приведенным в [3] за 2016 год в России было произведено 1288 тыс. шт. счетчиков потребления газа; лидером в производстве данных приборов в общем объеме производства за 2016 год стал Приволжский федеральный округ с долей около 75,4%. Подавляющее большинство бытовых газовых счетчиков ( более 83%), находящихся в эксплуатации, традиционно составляют диафрагменные счетчики с механическим отсчетным устройством, что объясняется их надежностью, простотой конструкции и относительно невысокой стоимостью.

Однако современные требования к конструкции бытовых счетчиков газа постоянно ужесточаются как применительно к их метрологическим характеристикам – расширению диапазона измерения, значению дополнительной температурной погрешности, наличию механизма пересчета объема газа, прошедшего через счетчик к стандартным условиям, так и к появлению дополнительных сервисных функций, связанных в первую очередь с необходимостью самодиагностики счетчика в процессе эксплуатации. Выполнение упомянутых требований в традиционных диафрагменных счетчиках связано с радикальным изменением ( и усложнением! ) конструкции счетчика, замене механического отсчетного устройства электронным и реализации функции приведения объема к стандартным условиям программным способом с помощью встроенного микроконтроллера. Таким образом попытка построения современного бытового счетчика газа на базе стандартного измерительного механизма диафрагменного счетчика приводит к появлению встроенного в счетчик электронного устройства на базе микроконтроллера, которое и выполняет функции, отсутствующие в простом механическом счетчике. Таким путем пошли, например, производители счетчика газа BK-G4ETе [4], однако стоимость данного прибора значительно превышает стоимость счетчика BK-G4T с механическим корректором, что ставит под сомнение экономическую целесообразность данного проекта.

Также в настоящее время получили распространение счетчики газа, построенные на иных – альтернативных принципах измерения объема газа. К ним, в первую очередь, следует отнести приборы, построенные на базе струйного и ультразвукового способов измерения. Отличительной особенностью подобных счетчиков является отсутствие каких-либо подвижных элементов конструкции, находящихся непосредственно в измеряемом газовом потоке, определяющих метрологические характеристики прибора с одной стороны и обязательное наличие электронного устройства, осуществляющего обработку и отображение результатов измерений. Достоинства и недостатки приборов, построенных на базе струйного метода известны и подробно рассматривались ранее [ 5]. Следует также отметить, что ультразвуковые счетчики газа находят применение  в основном для измерения относительно больших расходов газа (свыше 16 м3/ч).

Однако наибольший интерес вызывают счетчики, основанные на измерении зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток газа. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на термоанемометрические и калориметрические (иное название - микротермальные). Термоанемометрические расходомеры основаны на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела и скоростью газа, в котором это тело находится. Основное назначение термоанемометров – измерение местной скорости потока и ее вектора. Они могут служить для измерения расхода, когда известно соотношение между местной и средней скоростью потока, или когда последняя измеряется непосредственно с помощью термоанемометра. В этом смысле данный метод близок к ультразвуковому – и в том и в другом случаях погрешность измерения расхода напрямую связана с точностью измерения средней по сечению измерительного канала скоростью измеряемой среды. Однако получение точного значения средней скорости потока требует значительного усложнения (и удорожания) конструкции расходомера. В ультразвуковых приборах это связано с увеличением числа независимых каналов измерения с симметричным их расположением относительно оси измерительного трубопровода; число таких независимых каналов измерения в известных конструкциях ультразвуковых расходомеров может доходить до 5,что, с одной стороны, значительно усложняет и удорожает конструкцию, а с другой – приводит к увеличению размеров расходомера. В термоанемометрических расходомерах проблема та же – для получения средней скорости по сечению приходится размещать чувствительный элемент – платиновую нить термоанемометра таким образом, чтобы максимально полно охватить сечение измерительного трубопровода, что увеличивает длину нити и делает конструкцию расходомера крайне ненадежной – обеспечение необходимого натяжения нити без ее провисания при нагреве становится трудноразрешимой технологической задачей.

Микротермальные расходомеры измеряют массовый расход при условии неизменности теплоемкости измеряемого газа, что является их большим достоинством. Кроме этого, массовый метод измерения позволяет автоматически получать объем газа, приведенный к стандартным условиям, что в настоящее время применительно к бытовым счетчиком газа является актуальным требованием. Описание принципов работы калориметрического расходомера приведено в [6], а теория и принципы построения данного теплового измерителя расхода газа подробно изложены в [7]. Расходомер состоит из нагревателя 2 (рис. 1), расположенного внутри трубопровода и двух датчиков температуры 1 и 3, расположенных на равных расстояниях от нагревателя.

Рис. 1 Микротермальный расходомер

Распределение температур по обе стороны от нагревателя будет зависеть от величины расхода. Так, при отсутствии массового расхода Qm = 0 температурное поле симметрично, однако симметрия нарушается при появлении расхода, в результате по мере роста расхода растет и разность температур ΔТ = Т3 - Т2 .Зависимость между мощностью нагрева W и массовым расходом Qm находится из уравнения теплового баланса:

                                          W = kCp ΔТ Qm,       откуда

                                           Qm = W/ kCp ΔТ,    где

                   Cp – теплоемкость газа при температуре (Т3 + Т2)/2

                    K  – технологический поправочный коэффициент.

Из анализа уравнения следует, что при W – const расход Qm обратно пропорционален ΔТ и чувствительность расходомера падает с ростом расхода. Если же автоматически поддерживать ΔТ- const путем изменения мощности нагрева, то между Qm и W будет сохраняться прямо пропорциональная зависимость, что является достоинством данного метода.

Несмотря на указанные выше достоинства данного метода измерений, а также то, что первые образцы расходомеров подобного типа были разработаны уже в 50-х годах прошлого века, они не получили значительного распространения. К причинам этого в первую очередь следует отнести отсутствие на тот момент миниатюрных датчиков температуры – все измерения необходимо проводить в тонком пристеночном слое потока газа, когда геометрические размеры датчиков и их конфигурация не оказывают возмущающего воздействия на параметры измеряемого потока.

Ситуация резко изменилась, когда подразделение Heraeus Sensors Technology компании Heraeus Group (Германия) по заказу фирмы Bosch (Германия) разработала тонкопленочный модуль, на керамической подложке которого методом напыления в едином технологическом цикле изготавливались нагревательный элемент и датчики температуры, т.е. все то, что необходимо для реализации микротермального принципа измерения расхода газа. На базе этого модуля началось серийное производство автомобильных датчиков массового расхода воздуха серии HFM [8]. Точнее сказать – массовое производство – т.к. без этих устройств невозможна эксплуатация современных инжекторных бензиновых, а также и дизельных двигателей, оборудованных топливной системой «common rail». На рис.2 приведена структурная схема модуля и тепловая диаграмма его работы.

Рис. 2 Структурная схема работы модуля

Можно видеть, что структура данного измерительного модуля и диаграмма его работы в основном соответствует схеме, приведенной на рис. 1. Однако есть и отличия, связанные в первую очередь со спецификой работы модуля в автомобиле. На рис. 3 приведена схема электрическая датчика массового расхода воздуха серии HFM, а на рис. 4 – его выходная характеристика.

Рис. 3 Схема электрическая датчика серии HFM

Из анализа элементов схемы видно, что кроме датчиков температуры Т1, Т2 и нагревательного элемента Rheat в схему введены дополнительные датчики температуры Theat и Tflow, включенные в мостовую схему. Первый служит для измерения температуры на поверхности нагревательного элемента, а второй измеряет температуру набегающего потока, в результате чего обеспечивается постоянство перегрева зоны нагрева (heating zone на рис. 2) по отношению к температуре набегающего потока воздуха. Этим обеспечивается постоянство чувствительности модуля при изменении температуры потока в широком диапазоне.

Рис. 4 Выходная характеристика датчика серии HFM

Выходная характеристика датчика – нелинейная, что связано как выбором метода измерения – работа при постоянной мощности нагревательного элемента, так и с использованием мостовой схемы подключения датчиков температуры Т1 и Т2. Для обеспечения идентичной выходной характеристики датчиков при их серийном производстве в электрическую схему были введены подборные элементы - резисторы, что в условиях массового производства усложняет регулировку изделий. Поэтому в следующей модификации датчиков массового расхода серии HFM на подложке измерительного модуля были одновременно сформированы все элементы двух мостовых схем, а измерение сигнала и формирование требуемого вида выходной характеристики датчика осуществляется с помощью микроконтроллера и соответствующего встроенного программного обеспечения. На рис. 5 приведен внешний вид измерительной части датчика HFM со встроенным микроконтроллером.

Рис. 5 Внешний вид измерительной части датчика

На рисунке видны измерительный модуль 1, размещенный непосредственно в измеряемом потоке газа, корпус микросхемы 2 с операционными усилителями и микроконтроллер 3. Выходной аналоговый сигнал формируется с помощью цифро-аналогового преобразователя, входящего в состав микроконтроллера. Использование такого подхода позволило решить сразу несколько важных проблем. Во-первых, даже при наличии технологического разброса параметров элементов измерительного модуля в 100% случаев на выходе формируется абсолютно идентичный вид выходной характеристики. Во-вторых, калибровка датчика в процессе серийного выпуска производится полностью в автоматическом цикле, исключающем какие-либо ручные настроечные операции. И наконец, в-третьих, любой желаемый вид выходной характеристики датчика может быть получен без какого-либо изменения его конструкции и программного обеспечения, что необходимо при адаптации датчика массового расхода воздуха для каждого конкретного типа двигателя внутреннего сгорания.

Основные технические характеристики датчика HFM

  • Диапазон измеряемых расходов, кг/час    от -50 до 1200
  • Погрешность измерения, не более %    3
  • Постоянная времени измерения, с    0,03
  • Диапазон рабочих температур, °С    от -40 до + 120
  • Максимальные ударные перегрузки, не более    15g

Можно видеть, что условия эксплуатации датчика HFM намного жестче, чем применяемые к бытовым счетчикам газа, не говоря о таком параметре, как величина ударных перегрузок, - скорее всего любой бытовой счетчик при таких ударных нагрузках попросту развалится. Еще один параметр – требования к качеству измеряемого газа. Для бытовых счетчиков – это «сухой, очищенный от примесей неагрессивный многокомпонентный природный газ по ГОСТ 5542-87». Измерительный модуль датчика HFM располагается в подкапотном пространстве автомобиля и служит для измерения расхода воздуха, в котором присутствуют частицы пыли, пары топлива, масла, а также продукты выхлопа из цилиндров двигателя; сам датчик при этом отнюдь не является расходным элементом, подлежащем замене каждый раз при прохождении очередного технического обслуживания. Надежность датчика определяется правилом «3 ррм», действующим в автомобильной промышленности – не более трех отказов на миллион приборов. Во многом, столь высокая надежность датчика HFM определяется именно выбранным способом измерения – тепловой микротермальный и современным исполнением чувствительного элемента – интегральный пленочный датчик, где для защиты чувствительных элементов используется пассивирующий защитный слой стекла толщиной несколько микрон.

В связи с развитием нового направления в создании чувствительных элементов – т.н. МЕМS - технологии , когда на единой кремниевой подложке формируется не только набор чувствительных элементов, но и все необходимое обрамление: транзисторы, операционные усилители и другие элементы электрической схемы, многие компании по производству электронных устройств обратились к созданию газовых расходомеров, в основу работы которых положен микротермальный принцип измерения расхода. Так Omron Corporation (Япония) разработала и выпустила на рынок целую линейку датчиков серии D6F [9] для измерения расхода газа. При этом выходным параметром является расход газа, приведенный к нормальным условиям, а результаты измерения не зависят от температуры и давления измеряемой среды, что является характерной особенностью микротермального метода измерения. В основном эти датчики предназначены для измерения расхода воздуха, однако имеются исполнения для измерения натурального газа (13А), а также пропан-бутановой газовой смеси. Обозначение 13А для натурального газа соответствует используемому в Японии стандарту газа с пониженным содержанием метана – не более 88% в общем объеме. Важной особенностью данных датчиков является требование по их калибровке на рабочем типе газе, что несколько сужает область применения данных приборов и усложняет их калибровку на этапе производства. Подробные характеристики приборов данной серии приведены в [10].

Американской фирмой Honeywell выпущена серия датчиков Zephyr [11], также реализованные на базе микротермального метода измерения. Основные технические характеристики приборов данной серии приведены в [12]. Как видно из этого документа данные приборы обладают очень привлекательным свойством - стандартная калибровка датчика на воздухе распространяется на целый ряд других газов, а именно: гелий, аргон, азот, закись азота, углекислый газ. Кроме этого потребитель может использовать данный датчик и для работы на других газах, используя поправочный коэффициент для конкретного газа [13]. Важно отметить, что в данном случае датчик не определяет тип измеряемого газа и тем более не корректирует исходную калибровку, полученную на воздухе – производителем датчика экспериментально определена группа газов, для которых начальная калибровка на воздухе обеспечивает получение результатов измерения и на группе других газов с продекларированной для воздуха точностью.

Швейцарская компания Sensirion AG является лидером в производстве высоко-качественных датчиков на основе инновационной технологии CMOSsens , являющаяся комбинацией датчика и измерительной электроники в одном чипе. На кристалле размером 2,0х3,5 мм размещены не только нагреватель и датчики температуры, т.е. все то, что необходимо для реализации микротермального принципа измерения расхода газа, но также необходимое обрамление, включающее аналоговые цепи, микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем, память, интерфейсные цепи, - словом все то, что необходимо для построения современного газового расходомера. На рис. 6 приведена топология кристалла чувствительного элемента.

Рис. 6 Топология кристалла

На базе данного кристалла серийно производится гамма расходомеров газа, представителем которой является массовый расходомер-контроллер SFC5400 [14]. Обращают на себя внимание очень высокие метрологические характеристики данного расходомера, в т.ч. чрезвычайно широкий диапазон измерения Qmax/Qmin=1000:1, высокая частота измерений расхода - 1000 измерений в секунду, а также то, что в памяти микроконтроллера, расположенного на кристалле могут храниться не только результаты калибровки на воздухе, но и аналогичные данные по калибровке прибора на других газах и газовых смесях; переключение на индивидуальную калибровочную кривую для каждого конкретного газа производится по команде от внешнего устройства по цифровому каналу связи. Уникальной особенностью данного прибора является непрерывный контроль соответствия выбранной калибровочной кривой характеристикам газа в измерительной линии с формированием сигнала ошибки в случае выявленного несоответствия. На этом фоне уже совершенно очевидным является то, что измеренное значение расхода газа приводится к стандартным условиям, наряду с расходом прибор измеряет и по запросу передает измеренное значение температуры газа и окружающей среды, формирует сигнал ошибки, когда измеренное значение расхода превышает максимальное значение. По совокупности технических и конструкционных параметров расходомер SFC5400 относится к наиболее совершенным приборам, построенным на основе микротермального принципа измерения.

Приведенный выше список приборов далеко не полон. Например, его можно дополнить приборами Mass Flow Meter (MFM) Type 8710-7716 немецкой фирмы Burkert или серией приборов El-Flow prestige голландской фирмы Bronkhorst High-Tech, - важно другое: все большее число известных западных фирм заняты разработкой и продвижением на рынок счетчиков газа, основанных на микротермальном принципе измерения .

Заключение

  1. Анализ состояния рынка бытовых счетчиков газа показывает, что наиболее часто потребителями применяются диафрагменные счетчики с механическим отсчетным устройством, что объясняется их надежностью, простотой конструкции и относительно невысокой стоимостью.
  2. Максимально полно современные требования, предъявляемые приборам учета газа, независимо от использованного в них метода измерения, могут быть удовлетворены только с помощью встроенных электронных устройств и соответствующего программного обеспечения.
  3. В связи с бурным развитием сенсоров на базе MEMS – технологии применение микротермального метода измерения является одним их наиболее перспективных направлений при разработке современных бытовых счетчиков газа.

Литература

  1. ГОСТ Р 8.915-2016 «Счетчики объемные диафрагменные. Общие технические требования, методика испытаний и поверки».
  2. ГОСТ 8.611-2013 «Расход и количество газа. Методика (метод) измерения с помощью ультразвуковых преобразователей расхода».
  3. «Рынок газовых счетчиков. Текущая ситуация и прогноз 2017 – 2021 гг» Alto Consulting Group, Пермь, 2018.
  4. «Счетчики газа объемные диафрагменные BK-G4ETe, BK-G6ETe с электронным индексом» Elster Газэлектроника.
  5. Золотаревский С.А. «О применимости различных методов измерения расхода газа для коммерческого учета» // Энергоанализ и эффективность N2 (15), 2006.
  6. П.П. Кремлевский «Расходомеры и счетчики количества» Машиностроение, изд.4, 1989, стр. 375 – 398.
  7. Азимов Р.К., Азимов Р. «Тепловые преобразователи направления потока и расхода газов и жидкостей», Москва, Энергоатомиздат, 1993
  8. «Hot – film air-mass meter, Type HFM 5» Part number 0 281 002 421, Bosch.
  9. «MEMS Flow Sensors. D6F series» Series Catalog, Omron, 2016
  10. «MEMS Mass Flow Sensor – D6F. Compact, intelligent sensor featuring MEMS technology for precision mass airflow measurement». Omron Electronic Components Europe B.V.
  11. «Honeywell Zephyr Digital Airflow Sensors: HAF Series- High Accuracy», datasheet, Sensing and Control Honeywell, 2014.
  12. «Honeywell Zephir HAF-Series 20 SLPM or 200 SLPM», datasheet
  13. «Gas Media Compatibility and Correction Factors», Technical Note, Sensing and Control Honeywell.
  14. «Datasheet SFC5400/SFM5400 mass controller/meter for gases» Product Information November 2017-V13, Sensirion AG.




Все статьи :: Назад

Проголосуйте за статью

-1      +1

Обсуждение статьи



Новое сообщение










Для оформления можно использовать bb-коды


Введите текст на картинке
обновить текст