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


Модуль SGM 70хx - базовый элемент современного газового счетчика.
08.05.2018
Авторы: 

Охотин Александр Александрович, Главный метролог ООО «Техномер»

В предыдущей статье был дан обзор выпускаемых промышленностью бытовых газовых счетчиков, работа которых основана на различных физических принципах – приборы объемного типа( диафрагменные, ротационные), скоростные, основанные на измерении скорости потока  (турбинные, ультразвуковые) , а также приборы, в который используется эффект колебания струи измеряемого газа (струйные).  Построение счетчиков газа на базе указанных принципов  является стандартным подходом. Однако в настоящее время большой интерес вызывает использование иных – альтернативных принципов измерений, что связано в первую очередь с развитием микроэлектроники и производством интегральных чувствительных элементов для измерения различных параметров газа. Одним из таких, альтернативных способов является микротермальный (калориметрический ) способ измерения – обзор, описывающий стадии развития интегральных датчиков, построенных  на базе данного метода, осуществляющих измерения температуры, давления, влажности, а также сенсоров, предназначенных  для определения концентрации различных газовых компонент, приведен в [ 2 ].  Требования к сенсорам на базе MEMS – технологии, предназначенным для измерения параметров потоков газа, а также требования к конструкции данных сенсоров приведены в [ 3 ], - документе, представляющим собой систематизированный обзор принципов построения устройств, измеряющих газовые потоки  и описания экспериментальных образцов, реализованных с использованием различных MEMS – сенсоров.

Однако, несмотря на то, что теоретические основы  микротермального  способа  измерения  хорошо разработаны и есть примеры  серийно выпускаемых приборов, работа которых основана на применении MEMS – сенсоров, используемых в том числе в такой специфической области, как газовая хроматография [ 4 ], до последнего времени не имелось примеров разработки  конструкции и последующего серийного производства бытового газового счетчика с использованием интегрального сенсора, хотя выгоды от применения подобного подхода к конструированию вполне очевидны – минимальное количество механических деталей в конструкции прибора, ограничивающееся по сути корпусом прибора, отсутствие каких-либо подвижных элементов конструкции, расположенных в измерительном газовом канале, независимость результатов измерений объема от изменения параметров измеряемой среды ( температуры, давления), измеряемый параметр – объем газа, получается приведенным  к стандартным условиям, что является особенностью метода массового измерения расхода и, наконец, чрезвычайно высокая надежность работы устройств, основанных на применении интегральных  микротермальных сенсоров, что подтверждается опытом их массового  применения  в автомобильной промышленности  [ 1 ].  Так почему  при таком большом числе положительных сторон  микротермального способа измерения  до настоящего времени не было бытовых счетчиков  газа , использующих данный  метод ?  В чем заключается трудность его применения в данной конкретной сфере ?

Сложности с использованием этого метода для производителей счетчиков есть и их несколько. И одна из главных трудностей заключается в том, что у производи-телей газовой аппаратуры нет, да и не могло быть технологии и оборудования для автоматического монтажа и подключения к внешним цепям  кристалла  MEMS –сенсора , размещенного на гибкой  подложке и имеющего размеры порядка 1 мм² - подобные технологии и оборудование имеют только крупные фирмы – производители интегральных микросхем. И именно поэтому первые серийные газовые расходомеры, построенные на базе данной технологии, были разработаны на предприятиях OMRON (США), HONEYWELL (США), Bronkhorst High-Tech (Нидерланды), которые в своей деятельности совмещают разработку и  производство интегральных компонен-тов, а также их применение в своей продукции. Однако данные расходомеры позиционируются либо как приборы общепромышленного назначения , в основном - для измерения расхода воздуха, либо приборы специального исполнения,-  для комплектации медицинского оборудования с целью задания или измерения  расхода  газов, используемых  в процедурах подачи  наркоза или анестезии. 

Следующая трудность заключается в том, что упомянутые выше гранды – производители  интегральных электронных компонентов для своей продукции разрабатывают  сенсоры, на единой подложке которых сформированы не только измерительная часть, т.е. набор датчиков температуры и собственно нагреватель, но и все электронное обрамление, включая аналоговую и цифровую части. И все это сделано таким образом, чтобы с данного кристалла по цифровому каналу связи можно считать в режиме реального времени все измеряемые параметры. Однако проблема заключается в том, что данные сенсоры и, главное, программное обеспечение , записанное в них на этапе производства (и которое невозможно модифицировать в дальнейшем ), рассчитаны на вполне конкретные типы газов ( см. выше) и в этом списке нет природного газа, тем более, для случая, когда концентрация метана в нем  варьируется, а такое вполне возможно. Например, в Европе используется 2 типа природного газа : H - и L- типа. Для первого типа концентрация основного газа – метана, должна составлять 98%, в то время, как для второго типа – 86%.  Таким образом у производителей бытовых газовых счетчиков нет возможности применить данные чувствительные элементы, а использование    стандартных чувствительных элементов, например описанных в [ 5 ], [ 6 ] не позволяет  в полной мере реализовать все положительные стороны   нового метода измерения.

Еще одна трудность заключается в обеспечении длительного автономного режима работы газового счетчика от внутреннего источника постоянного тока , причем желательно, чтобы ресурс встроенной батареи  обеспечивал  работо-способности счетчика в течении всего межповерочного интервала, который, как правило, составляет 5-6 лет. Предварительный, оценочный расчет потребляемой сенсором энергии, оптимизма не внушает. Так, при средней потребляемой сенсором (и только им одним !) мощности на уровне 12 милливатт и использовании источника постоянного тока напряжением 3,6В , количество энергии, потребленной в течение года составит :

а за пять лет (один межповерочный интервал) соответственно :

 Емкость стандартной литиевой батареи, такой, как например  ER 34615 составляет порядка 19 А-ч и это означает, что замену такой батареи в газовом счетчике следует проводить 2 раза в год, что является совершенно неприемлемым для бытовых приборов.

Наконец , есть и еще одна проблема, которая связана с калибровкой приборов на этапе их производства, точнее - с типом газа, который должен использоваться при этом. Если счетчик предназначен для измерения расхода /объема воздуха, то совершенно естественно, что аналогичная среда будет использована и при калиб-ровке прибора.  Применительно к механическим счетчикам объемным диафраг-менным , предназначенным для измерения объема природного газа  ГОСТ 8.915-2016   в качестве поверочной среды также рекомендует использовать  воздух (см. п. 8.6.6.3). Аналогичная рекомендация для ультразвуковых расходомеров содержится в документе  [ 7 ] « Р.Газпром 5.13-2010  Организация и порядок проведения поверки и калибровки ультразвуковых преобразователей расхода в ОАО Газпром» ( см. п.5.4.2.6). Очевидно, что использование природного газа в качестве поверочной среды в условиях серийного производства практически невозможно, но каким образом подтвердить правомерность применения результатов калибровки на воздухе при измерении объема природного газа для сенсора, использующего  микротермаль-ный  способ измерения?  Как видим,  трудностей с применением MEMS- сенсоров в конструкции бытового газового счетчика достаточно много , а  их преодоление  самостоятельно и только силами  производителей  газовых счетчиков  весьма проблематично .

Однако в 2015 г компания  Sensirion AG (Швейцария) анонсировала начало серийного производства  измерительного модуля серии SGM 70хх, основанного на  микротермальном принципе измерения и предназначенного для построения на базе данного модуля бытовых газовых счетчиков типоразмеров G1,6, G2,5,G4 и G6.  Швейцарская компания Sensirion является лидирующим производителем высококачественных датчиков и сенсорных приборов для измерения и контроля влажности, температуры, потоков газа и  жидкости. Компания была основана в 1998 г, как подразделение Швейцарского федерального института технологий ( ETN) в Цюрихе. Штаб-квартира Sensirion расположена в г. Штефа ( Швейцария), где ведутся исследования и разработка, а также осуществляется производство высокотехно-логичных продуктов. 

На рис.1 представлен внешний вид модуля SGM, а на рис.2 – эскиз конструкции счетчика газа с установленным измерительным модулем.

На рис. 3 представлен внутренний вид микротермального  измерительного модуля.

Чувствительный элемент модуля представляет собой кристалл, выполненный по технологии  CMOSens, на единой подложке размещены термочувствительные элементы и измерительная электроника, включая микропроцессорный вычислитель ; размер кристалла  1,5 х2 мм. Кристалл чувствительного элемента  установлен в байпасном канале, конфигурация и характерные размеры которого (длина и площадь поперечного сечения) выбраны таким образом, чтобы для скоростей потока газа в байпасном канале (0,001 – 1,0) м/с характер потока газа оставался ламинарным : число Рейнольдса  Re< Re крит. Структурная  схема  электрической части чувствительного элемента приведена на рис.4.  

Принцип работы микротермального чувствительного элемента приведен на диаграмме  - рис.5.

В центре кристалла расположен нагреватель, на расстоянии 0,2 мм по обе стороны от которого - два датчика температуры потока. Если нагреватель выключен, то датчики температуры измеряют температуру газа в канале, при этом Т1=Т2. Если нагреватель включен, но поток газа отсутствует, температуры  Т1 и Т2 будут также равны и только в случае, когда нагреватель включен и имеется поток газа в канале температуры Т1≠ Т2 и по величине температурного  разбаланса можно судить о величине массового расхода газа.  

Работа сенсора основана на методе импульсного нагрева, с переносом теплового импульса измеряемой средой, теоретическое обоснование которого приведено в [ 8 ]. Измерение величины теплового импульса в в точках до и после нагревателя  позволяет определить не только скорость потока, но также и тепловые характеристики измеряемого газа. Уравнение, описывающее перенос тепла при импульсном нагреве :

Аналитическое решение данного уравнения для импульсного теплового сигнала:

Для малых скоростей потока при условии, что эффект переноса тепла потоком является преобладающим фактором получим:

Для теплового импульса вычисление массового потока датчиками, расположенными на расстоянии  –x  и  +x от нагревателя возможно как :

Т.о. метод измерения массового расхода позволяет  определять тепловые параметры среды, что можно использовать для идентификации типа измеряемого газа. Данная возможность реализована, например, в [ 9 ] для выполнения измерения расхода газа  строго  в тот момент, когда требуемый газ полностью заместил воздух в измерительном канале. 

Разность температур между двумя сенсорами (см.рис.5) является комплексной функцией, зависящей от скорости потока газа, его плотности и теплоемкости. Связь между ними описывается законом Кинга:  

Микротермальный  газовый сенсор позволяет с высокой точностью измерять расход различных газов и газовых смесей (в т.ч. природный газ ) при условии, что сенсор предварительно был откалиброван на данном газе, либо путем применения процедуры динамической компенсации , которая обеспечивает получение необходи-мой точности измерений при вариациях концентрации отдельных компонент в природном газе ; калибровка  газового сенсора в таком случае может производиться на стандартной газовой среде - воздухе . Очевидно, что первый вариант крайне неудобен чисто практически, т.к. во-первых он предусматривает использование природного газа для первичной калибровки газового сенсора и, во-вторых, данный способ не может гарантировать получения требуемой точности измерений  в связи с тем, что  концентрация газовых  компонент в природном газе может меняться во времени.

Алгоритм динамической компенсации, предложенный Sensirion, основан на строгой взаимосвязи между теплоемкостью λ , плотностью ρref и теплоемкостью Ср для компонент натурального газа. Данная взаимосвязь математически описывается   корреляционной функцией, с помощью  которой  можно получить параметры плотности ρref и теплоемкости Ср.

На рис.6 представлена структура алгоритма газовой компенсации, предло-женного  Sensirion. Измеренные значения температур Т1 и Т2 являются входными параметрами для вычисления теплоемкости газа  λ и нескорректированного  значения расхода газового потока. Полученное значение  теплоемкости  является входным параметром для  корреляционной функции, с помощью которой  осуществляется  вычисление  плотности ρref и теплоемкости Ср. Далее нескорректированное  значение расхода газового потока с учетом полученных значений температуры и  давления приводится к стандартным условиям . 

Эффективность  метода динамической компенсации , предложенного Sensirion  подтверждена  результатами официальных испытаний, проведенных институтом  «Gas and Heating Institute « ( Германия) [ 10 ].  Перечень газовых смесей, на которых были  проведены данные испытания, приведен в табл.1.Начальная калибровка испытуемых в дальнейшем модулей проводилась на воздухе.

Как можно видеть, разработчикам Sensirion в полной мере удалось преодолеть трудности, связанные с реализацией нового способа измерения объемов природного газа. Действительно, ими предложен законченный функциональный элемент – измерительный модуль, который может устанавливаться , например, в стандартный корпус диафрагменного газового счетчика. На этапе изготовления модуля производителем осуществляется процедура его калибровки на воздухе, при этом метрологические характеристики модуля сохраняются при переходе на измерение объемов природного газа за счет использования  в программном обеспечении модуля алгоритма динамической компенсации. В модуле применен метод импульсного нагрева , что позволило резко уменьшить потребление энергии от встроенной батареи постоянного тока. Информация от модуля  передается  по цифровому каналу связи – интерфейс I2C,- перечень передаваемой информации : мгновенное значение расхода газа, приведенное к стандартным условиям, температура газа , значение К – фактора,- обобщенного параметра, характеризирующего  тип измеряемого газа ,идентификационные параметры модуля -  порядковый номер, номер партии в производстве, версия программного обеспечения модуля, а также обозначение типоразмера – G1,6,G2,5,G4 или G6.    Подробное описание и технические характеристики  измерительного модуля SGM 70xx  приведены в [ 11 ] . И, наконец , данный модуль успешно прошел испытания  и сертифицирован в качестве самосто-ятельного средства измерения  и его метрологические характеристики подтверждены сертификатом, выданным институтом  NMI Certin B.V. ( Нидерланды) [ 12 ]. 

В заключении следует отметить, что  предприятием « MeterSit » ( Италия ) начиная с 2016 г осуществляется серийное производство бытовых и промышленных счетчиков газа типоразмеров G4 , G6, G10 – G20, построенных на базе микротермального  модуля SGM 70xx [ 13 ]. Аналогичный тип газового счетчика производит также предприятие «Diehl Metering GmBH »(Германия) [ 14 ], причем  общий объем произведенных  в 2016 – 2017 гг счетчиков газа, основанных на микротермальном принципе измерения   составляет свыше 1 млн.шт.

 

Литература.

  1. Охотин А.А « Микротермальный принцип измерения – современный подход к построению бытовых счетчиков газа ».
  2. J.Burgues,S.Marco «Low Power of Temperature - Modulated Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors »,MDPI ,December 2017 
  3. Lung-Ming Fu, Chia-Yen Lee « MEMS-based gas flow sensors » , Microfluidics and Nanofluidics , March 2009 
  4. Liang Feng,C.J.Musto,J.W.Kemling «A Calorimetric sensor array for identification of toxic gases below permissible  explosure limits» Austin,TX,USA, December 2009.
  5. Dr.O.Kiesewetter «Miniaturized Platinum temperature sensors with high resistanse», Sensor+Test Conference, 2009.
  6. «Thermal Mass Flow Sensor. Optimal for ultra fast measuring of gas flow and direction.Sensor chip in MID housing with integrated flow channel», Innovative Sensor Technology, datasheet.
  7. Р Газпром 5.13 -2010 «Организация и порядок проведения поверки и калибровки ультразвуковых преобразователей расхода газа в ОАО « Газпром».
  8. J.van Kuijk, T.S.J.Lammerink, dee Bee «Multi-parameter detection in fluid flows», MESA Research Institute, Netherlands 
  9. J.Abdullan, A.Tikhonski, R.Dass  Patent US N 008117844 B2
  10. «Study confirmed the effectiveness of compensation for different natural gas types», Gas and Heating Institute, Press release 09/08/2015
  11. Sensirion CMOSens G1.6,G2.5, G4 and G6 Gas Flow Modules, datasheet
  12. NMI Evaluation Certificate Number TC 8791 rev.1, 06/06/2015, NMI Certin B.V. 
  13. MeterSit – Catalogo Generale, 2016
  14. «AERIUS Microtermal Gas Meter», Diehl Metering GmBH, 08/08/2016. 
`Модуль SGM 70хx - базовый элемент  современного газового счетчика.
В предыдущей статье [ 1 ]  был дан обзор выпускаемых промышленностью бытовых газовых счетчиков , работа которых основана на различных физических принципах – приборы объемного типа  ( диафрагменные , ротационные) , скоростные, основанные на измерении скорости потока  (турбинные, ультразвуковые) , а также приборы, в который используется эффект колебания струи измеряемого газа ( струйные).  Построение счетчиков газа на базе указанных принципов  является стандартным подходом. Однако в настоящее время большой интерес вызывает использование иных – альтернативных принципов измерений, что связано в первую очередь с развитием микроэлектроники и производством интегральных чувствительных элементов для измерения различных параметров газа . Одним из таких, альтер-нативных способов является микротермальный ( калориметрический ) способ измерения – обзор, описывающий стадии развития интегральных датчиков, построенных  на базе данного метода, осуществляющих измерения температуры, давления , влажности, а также сенсоров, предназначенных  для определения концентрации различных газовых компонент , приведен в [ 2 ].  Требования к сенсорам на базе MEMS – технологии, предназначенным для измерения параметров потоков газа, а также требования к конструкции данных сенсоров приведены в [ 3 ], - документе, представляющим собой систематизированный обзор принципов построения устройств , измеряющих газовые потоки  и описания экспериментальных образцов, реализованных с использованием различных MEMS – сенсоров. 
Однако, несмотря на то, что теоретические основы  микротермального  способа  измерения  хорошо разработаны и есть примеры  серийно выпускаемых приборов, работа которых основана на применении MEMS – сенсоров, используемых в том числе в такой специфической области, как газовая хроматография [ 4 ], до последнего времени не имелось примеров разработки  конструкции и последующего серийного производства бытового газового счетчика с использованием интегрального сенсора, хотя выгоды от применения подобного подхода к конструированию вполне очевидны – минимальное количество механических деталей в конструкции прибора, ограничивающееся по сути корпусом прибора, отсутствие каких-либо подвижных элементов конструкции, расположенных в измерительном газовом канале, независимость результатов измерений объема от изменения параметров измеряемой среды ( температуры, давления), измеряемый параметр – объем газа, получается приведенным  к стандартным условиям, что является особенностью метода массового измерения расхода и, наконец, чрезвычайно высокая надежность работы устройств, основанных на применении интегральных  микротермальных сенсоров, что подтверждается опытом их массового  применения  в автомобильной промышленности  [ 1 ].  Так почему  при таком большом числе положительных сторон  микротермального способа измерения  до настоящего времени не было бытовых счетчиков  газа , использующих данный  метод ?  В чем заключается трудность его применения в данной конкретной сфере ?
Сложности с использованием этого метода для производителей счетчиков есть и их несколько. И одна из главных трудностей заключается в том, что у производи-телей газовой аппаратуры нет, да и не могло быть технологии и оборудования для автоматического монтажа и подключения к внешним цепям  кристалла  MEMS –сенсора , размещенного на гибкой  подложке и имеющего размеры порядка 1 мм² - подобные технологии и оборудование имеют только крупные фирмы – производители интегральных микросхем. И именно поэтому первые серийные газовые расходомеры, построенные на базе данной технологии, были разработаны на предприятиях OMRON ( США), HONEYWELL ( США), Bronkhorst High-Tech ( Нидерланды ), которые в своей деятельности совмещают разработку и  производство интегральных компонен-тов, а также их применение в своей продукции. Однако данные расходомеры позиционируются либо как приборы общепромышленного назначения , в основном - для измерения расхода воздуха, либо приборы специального исполнения,-  для комплектации медицинского оборудования с целью задания или измерения  расхода  газов, используемых  в процедурах подачи  наркоза или анестезии. 
Следующая трудность заключается в том, что упомянутые выше гранды – производители  интегральных электронных компонентов для своей продукции разрабатывают  сенсоры, на единой подложке которых сформированы не только измерительная часть, т.е. набор датчиков температуры и собственно нагреватель, но и все электронное обрамление, включая аналоговую и цифровую части. И все это сделано таким образом, чтобы с данного кристалла по цифровому каналу связи можно считать в режиме реального времени все измеряемые параметры. Однако проблема заключается в том, что данные сенсоры и, главное, программное обеспечение , записанное в них на этапе производства ( и которое невозможно модифицировать в дальнейшем ), рассчитаны на вполне конкретные типы газов ( см. выше) и в этом списке нет природного газа, тем более, для случая, когда концентрация метана в нем  варьируется, а такое вполне возможно. Например, в Европе используется 2 типа природного газа : H - и L- типа. Для первого типа концентрация основного газа – метана, должна составлять 98%, в то время, как для второго типа – 86%.  Таким образом у производителей бытовых газовых счетчиков нет возможности применить данные чувствительные элементы, а использование    стандартных чувствительных элементов, например описанных в [ 5 ], [ 6 ] не позволяет  в полной мере реализовать все положительные стороны   нового метода измерения.
Еще одна трудность заключается в обеспечении длительного автономного режима работы газового счетчика от внутреннего источника постоянного тока , причем желательно, чтобы ресурс встроенной батареи  обеспечивал  работо-способности счетчика в течении всего межповерочного интервала, который, как правило, составляет 5-6 лет. Предварительный, оценочный расчет потребляемой сенсором энергии, оптимизма не внушает . Так, при средней потребляемой сенсором ( и только им одним !) мощности на уровне 12 милливатт и использовании источника постоянного тока напряжением 3,6В , количество энергии, потребленной в течение года составит :
                      P =  0,012 x 8760 / 3,6 = 29,2 (А-ч) ;                                                         а за пять лет ( один межповерочный интервал ) соответственно :
                      Р5 =  29,2 х 5= 146 (А-ч).
 Емкость стандартной литиевой батареи, такой, как например  ER 34615 составляет порядка 19 А-ч и это означает, что замену такой батареи в газовом счетчике следует проводить 2 раза в год, что является совершенно неприемлемым для бытовых приборов.
Наконец , есть и еще одна проблема, которая связана с калибровкой приборов на этапе их производства, точнее - с типом газа, который должен использоваться при этом. Если счетчик предназначен для измерения расхода /объема воздуха, то совершенно естественно, что аналогичная среда будет использована и при калиб-ровке прибора.  Применительно к механическим счетчикам объемным диафраг-менным , предназначенным для измерения объема природного газа  ГОСТ 8.915-2016   в качестве поверочной среды также рекомендует использовать  воздух (см. п. 8.6.6.3). Аналогичная рекомендация для ультразвуковых расходомеров содержится в документе  [ 7 ] « Р.Газпром 5.13-2010  Организация и порядок проведения поверки и калибровки ультразвуковых преобразователей расхода в ОАО Газпром »                      ( см. п.5.4.2.6). Очевидно, что использование природного газа в качестве поверочной среды в условиях серийного производства практически невозможно, но каким образом подтвердить правомерность применения результатов калибровки на воздухе при измерении объема природного газа для сенсора, использующего  микротермаль-ный  способ измерения?  Как видим,  трудностей с применением MEMS- сенсоров в конструкции бытового газового счетчика достаточно много , а  их преодоление  самостоятельно и только силами  производителей  газовых счетчиков  весьма проблематично . 
Однако в 2015 г компания  Sensirion AG ( Швейцария) анонсировала начало серийного производства  измерительного модуля серии SGM 70хх, основанного на  микротермальном принципе измерения и предназначенного для построения на базе данного модуля бытовых газовых счетчиков типоразмеров G1,6, G2,5,G4 и G6.  Швейцарская компания Sensirion является лидирующим производителем высококачественных датчиков и сенсорных приборов для измерения и контроля влажности, температуры, потоков газа и  жидкости. Компания была основана в 1998 г, как подразделение Швейцарского федерального института технологий ( ETN) в Цюрихе. Штаб-квартира Sensirion расположена в г. Штефа ( Швейцария), где ведутся исследования и разработка, а также осуществляется производство высокотехно-логичных продуктов. 
На рис.1 представлен внешний вид модуля SGM, а на рис.2 – эскиз конструкции счетчика газа с установленным измерительным модулем.
    
  
               
                     Рис.1 Внешний вид и основные размеры модуля.       
    
               Рис.2  Эскиз конструкции бытового газового счетчика.
На рис. 3 представлен внутренний вид микротермального  измерительного модуля.
     
                   Рис.3.  Внутренний вид микротермального измерителя потока.
Чувствительный элемент модуля представляет собой кристалл, выполненный по технологии  CMOSens, на единой подложке размещены термочувствительные элементы и измерительная электроника, включая микропроцессорный вычислитель ; размер кристалла  1,5 х2 мм. Кристалл чувствительного элемента  установлен в байпасном канале, конфигурация и характерные размеры которого ( длина и площадь поперечного сечения ) выбраны таким образом, чтобы для скоростей потока газа в байпасном канале ( 0,001 – 1,0) м/с характер потока газа оставался ламинарным : число Рейнольдса  Re< Re крит. Структурная  схема  электрической части чувствительного элемента приведена на рис.4.  
 
             Рис.4. Структурная схема  чувствительного элемента.
Принцип работы микротермального чувствительного элемента приведен на диаграмме  - рис.5.
 
В центре кристалла расположен нагреватель, на расстоянии 0,2 мм по обе стороны от которого - два датчика температуры потока. Если нагреватель выключен, то датчики температуры измеряют температуру газа в канале, при этом Т1=Т2. Если нагреватель включен, но поток газа отсутствует, температуры  Т1 и Т2 будут также равны и только в случае, когда нагреватель включен и имеется поток газа в канале температуры Т1≠ Т2 и по величине температурного  разбаланса можно судить о величине массового расхода газа.  
Работа сенсора основана на методе импульсного нагрева, с переносом теплового импульса измеряемой средой, теоретическое обоснование которого приведено в [ 8 ]. Измерение величины теплового импульса в в точках до и после нагревателя  позволяет определить не только скорость потока, но также и тепловые характеристики измеряемого газа. Уравнение, описывающее перенос тепла при импульсном нагреве :
         
Где  Q – количества генерируемого тепла
        T – температура
        k -  теплопроводность среды
        ρ – плотность среды
        u – средняя скорость потока
Аналитическое решение данного уравнения для импульсного теплового сигнала:
       
Где α – термодиффузия 
Для малых скоростей потока при условии, что эффект переноса тепла потоком является преобладающим фактором получим:
 
Для теплового импульса вычисление массового потока датчиками, расположенными на расстоянии  –x  и  +x от нагревателя возможно как :
        
Т.о. метод измерения массового расхода позволяет  определять тепловые параметры среды, что можно использовать для идентификации типа измеряемого газа. Данная возможность реализована  , например, в [ 9 ] для выполнения измерения расхода газа  строго  в тот момент, когда требуемый газ полностью заместил воздух в измерительном канале. 
Разность температур между двумя сенсорами ( см.рис.5) является комплексной функцией, зависящей от скорости потока газа, его плотности и теплоемкости. Связь между ними описывается законом Кинга:  
    |T_2-T_1 |=C_1+C_2*(A*v*T_ref/T  P/P_ref *ρ_ref*C_p )^z
Где  v – скорость потока
        А – площадь поперечного сечения канала
        Ср – теплоемкость газа
        ρref – плотность среды при стандартных условиях
         Рref – стандартное давление ( 1013 миллибар)
          Тref -  стандартная температура ( 293,15° К)
      Т1 и Т2 – температура потока до и после нагревателя
           Р – двление
           Z – 0,5 (константа закона Кинга)
       С1 и С2 - константы
Микротермальный  газовый сенсор позволяет с высокой точностью измерять расход различных газов и газовых смесей ( в т.ч. природный газ ) при условии, что сенсор предварительно был откалиброван на данном газе, либо путем применения процедуры динамической компенсации , которая обеспечивает получение необходи-мой точности измерений при вариациях концентрации отдельных компонент в природном газе ; калибровка  газового сенсора в таком случае может производиться на стандартной газовой среде - воздухе . Очевидно, что первый вариант крайне неудобен чисто практически, т.к. во-первых он предусматривает использование природного газа для первичной калибровки газового сенсора и, во-вторых, данный способ не может гарантировать получения требуемой точности измерений  в связи с тем, что  концентрация газовых  компонент в природном газе может меняться во времени.
Алгоритм динамической компенсации, предложенный Sensirion, основан на строгой взаимосвязи между теплоемкостью λ  ,плотностью ρref и теплоемкостью Ср для компонент натурального газа. Данная взаимосвязь математически описывается   корреляционной функцией, с помощью  которой  можно получить параметры плотности ρref и теплоемкости Ср.
На рис.6 представлена структура алгоритма газовой компенсации, предло-женного  Sensirion. Измеренные значения температур Т1 и Т2 являются входными параметрами для вычисления теплоемкости газа  λ и нескорректированного  значения расхода газового потока. Полученное значение  теплоемкости  является входным параметром для  корреляционной функции, с помощью которой  осуществляется  вычисление  плотности ρref и теплоемкости Ср. Далее нескорректированное  значение расхода газового потока с учетом полученных значений температуры и  давления приводится к стандартным условиям . 
   
                   Рис. 6. Структура алгоритма газовой компенсации.
Эффективность  метода динамической компенсации , предложенного Sensirion  подтверждена  результатами официальных испытаний, проведенных институтом  «Gas and Heating Institute « ( Германия) [ 10 ].  Перечень газовых смесей, на которых были  проведены данные испытания, приведен в табл.1.Начальная калибровка испытуемых в дальнейшем модулей проводилась на воздухе.
         Табл.1
 
Как можно видеть, разработчикам Sensirion в полной мере удалось преодолеть трудности, связанные с реализацией нового способа измерения объемов природного газа. Действительно, ими предложен законченный функциональный элемент – измерительный модуль, который может устанавливаться , например, в стандартный корпус диафрагменного газового счетчика. На этапе изготовления модуля производителем осуществляется процедура его калибровки на воздухе, при этом метрологические характеристики модуля сохраняются при переходе на измерение объемов природного газа за счет использования  в программном обеспечении модуля алгоритма динамической компенсации. В модуле применен метод импульсного нагрева , что позволило резко уменьшить потребление энергии от встроенной батареи постоянного тока. Информация от модуля  передается  по цифровому каналу связи – интерфейс I2C,- перечень передаваемой информации : мгновенное значение расхода газа, приведенное к стандартным условиям, температура газа , значение К – фактора,- обобщенного параметра, характеризирующего  тип измеряемого газа ,идентификационные параметры модуля -  порядковый номер, номер партии в производстве, версия программного обеспечения модуля, а также обозначение типоразмера – G1,6,G2,5,G4 или G6.    Подробное описание и технические характеристики  измерительного модуля SGM 70xx  приведены в [ 11 ] . И, наконец , данный модуль успешно прошел испытания  и сертифицирован в качестве самосто-ятельного средства измерения  и его метрологические характеристики подтверждены сертификатом, выданным институтом  NMI Certin B.V. ( Нидерланды) [ 12 ]. 
В заключении следует отметить, что  предприятием « MeterSit » ( Италия ) начиная с 2016 г осуществляется серийное производство бытовых и промышленных счетчиков газа типоразмеров G4 , G6, G10 – G20, построенных на базе микротермального  модуля SGM 70xx [ 13 ]. Аналогичный тип газового счетчика производит также предприятие «Diehl Metering GmBH »( Германия) [ 14 ] ,причем  общий объем произведенных  в 2016 – 2017 гг счетчиков газа, основанных на микротермальном принципе измерения   составляет свыше 1 млн.шт.
Литература.
1. Охотин А.А « Микротермальный принцип измерения – современный подход к построению бытовых счетчиков газа ».
2. J.Burgues,S.Marco «Low Power of Temperature - Modulated Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors »,MDPI ,December 2017 
3. Lung-Ming Fu, Chia-Yen Lee « MEMS-based gas flow sensors » , Microfluidics and Nanofluidics , March 2009 
4. Liang Feng,C.J.Musto,J.W.Kemling «A Calorimetric sensor array for identification of toxic gases below permissible  explosure limits» Austin,TX,USA, December 2009.
5. Dr.O.Kiesewetter «Miniaturized Platinum temperature sensors with high resistanse», Sensor+Test Conference ,2009.
6. «Thermal Mass Flow Sensor. Optimal for ultra fast measuring of gas flow and direction.Sensor chip in MID housing with integrated flow channel», Innovative Sensor Technology, datasheet.
7. Р Газпром 5.13 -2010 « Организация и порядок проведения поверки и калибровки ультразвуковых преобразователей расхода газа в ОАО « Газпром».
8. J.van Kuijk,T.S.J.Lammerink, dee Bee « Multi-parameter detection in fluid flows », MESA Research Institute, Netherlands 
9. J.Abdullan,A.Tikhonski,R.Dass  Patent US N 008117844 B2
10. « Study confirmed the effectiveness of compensation for different natural gas types », Gas and Heating Institute, Press release 09/08/2015
11. Sensirion CMOSens G1.6,G2.5, G4 and G6 Gas Flow Modules, datasheet
12. NMI Evaluation Certificate Number TC 8791 rev.1, 06/06/2015, NMI Certin B.V. 
13. MeterSit – Catalogo Generale, 2016
14. « AERIUS Microtermal Gas Meter », Diehl Metering GmBH , 08/08/2016. 

Модуль SGM 70хx - базовый элемент современного газового счетчика.

Сумма балов:
Количество проголосовавших:
08.05.2018
Авторы: 

Охотин Александр Александрович, Главный метролог ООО «Техномер»

В предыдущей статье был дан обзор выпускаемых промышленностью бытовых газовых счетчиков, работа которых основана на различных физических принципах – приборы объемного типа( диафрагменные, ротационные), скоростные, основанные на измерении скорости потока  (турбинные, ультразвуковые) , а также приборы, в который используется эффект колебания струи измеряемого газа (струйные).  Построение счетчиков газа на базе указанных принципов  является стандартным подходом. Однако в настоящее время большой интерес вызывает использование иных – альтернативных принципов измерений, что связано в первую очередь с развитием микроэлектроники и производством интегральных чувствительных элементов для измерения различных параметров газа. Одним из таких, альтернативных способов является микротермальный (калориметрический ) способ измерения – обзор, описывающий стадии развития интегральных датчиков, построенных  на базе данного метода, осуществляющих измерения температуры, давления, влажности, а также сенсоров, предназначенных  для определения концентрации различных газовых компонент, приведен в [ 2 ].  Требования к сенсорам на базе MEMS – технологии, предназначенным для измерения параметров потоков газа, а также требования к конструкции данных сенсоров приведены в [ 3 ], - документе, представляющим собой систематизированный обзор принципов построения устройств, измеряющих газовые потоки  и описания экспериментальных образцов, реализованных с использованием различных MEMS – сенсоров.

Однако, несмотря на то, что теоретические основы  микротермального  способа  измерения  хорошо разработаны и есть примеры  серийно выпускаемых приборов, работа которых основана на применении MEMS – сенсоров, используемых в том числе в такой специфической области, как газовая хроматография [ 4 ], до последнего времени не имелось примеров разработки  конструкции и последующего серийного производства бытового газового счетчика с использованием интегрального сенсора, хотя выгоды от применения подобного подхода к конструированию вполне очевидны – минимальное количество механических деталей в конструкции прибора, ограничивающееся по сути корпусом прибора, отсутствие каких-либо подвижных элементов конструкции, расположенных в измерительном газовом канале, независимость результатов измерений объема от изменения параметров измеряемой среды ( температуры, давления), измеряемый параметр – объем газа, получается приведенным  к стандартным условиям, что является особенностью метода массового измерения расхода и, наконец, чрезвычайно высокая надежность работы устройств, основанных на применении интегральных  микротермальных сенсоров, что подтверждается опытом их массового  применения  в автомобильной промышленности  [ 1 ].  Так почему  при таком большом числе положительных сторон  микротермального способа измерения  до настоящего времени не было бытовых счетчиков  газа , использующих данный  метод ?  В чем заключается трудность его применения в данной конкретной сфере ?

Сложности с использованием этого метода для производителей счетчиков есть и их несколько. И одна из главных трудностей заключается в том, что у производи-телей газовой аппаратуры нет, да и не могло быть технологии и оборудования для автоматического монтажа и подключения к внешним цепям  кристалла  MEMS –сенсора , размещенного на гибкой  подложке и имеющего размеры порядка 1 мм² - подобные технологии и оборудование имеют только крупные фирмы – производители интегральных микросхем. И именно поэтому первые серийные газовые расходомеры, построенные на базе данной технологии, были разработаны на предприятиях OMRON (США), HONEYWELL (США), Bronkhorst High-Tech (Нидерланды), которые в своей деятельности совмещают разработку и  производство интегральных компонен-тов, а также их применение в своей продукции. Однако данные расходомеры позиционируются либо как приборы общепромышленного назначения , в основном - для измерения расхода воздуха, либо приборы специального исполнения,-  для комплектации медицинского оборудования с целью задания или измерения  расхода  газов, используемых  в процедурах подачи  наркоза или анестезии. 

Следующая трудность заключается в том, что упомянутые выше гранды – производители  интегральных электронных компонентов для своей продукции разрабатывают  сенсоры, на единой подложке которых сформированы не только измерительная часть, т.е. набор датчиков температуры и собственно нагреватель, но и все электронное обрамление, включая аналоговую и цифровую части. И все это сделано таким образом, чтобы с данного кристалла по цифровому каналу связи можно считать в режиме реального времени все измеряемые параметры. Однако проблема заключается в том, что данные сенсоры и, главное, программное обеспечение , записанное в них на этапе производства (и которое невозможно модифицировать в дальнейшем ), рассчитаны на вполне конкретные типы газов ( см. выше) и в этом списке нет природного газа, тем более, для случая, когда концентрация метана в нем  варьируется, а такое вполне возможно. Например, в Европе используется 2 типа природного газа : H - и L- типа. Для первого типа концентрация основного газа – метана, должна составлять 98%, в то время, как для второго типа – 86%.  Таким образом у производителей бытовых газовых счетчиков нет возможности применить данные чувствительные элементы, а использование    стандартных чувствительных элементов, например описанных в [ 5 ], [ 6 ] не позволяет  в полной мере реализовать все положительные стороны   нового метода измерения.

Еще одна трудность заключается в обеспечении длительного автономного режима работы газового счетчика от внутреннего источника постоянного тока , причем желательно, чтобы ресурс встроенной батареи  обеспечивал  работо-способности счетчика в течении всего межповерочного интервала, который, как правило, составляет 5-6 лет. Предварительный, оценочный расчет потребляемой сенсором энергии, оптимизма не внушает. Так, при средней потребляемой сенсором (и только им одним !) мощности на уровне 12 милливатт и использовании источника постоянного тока напряжением 3,6В , количество энергии, потребленной в течение года составит :

а за пять лет (один межповерочный интервал) соответственно :

 Емкость стандартной литиевой батареи, такой, как например  ER 34615 составляет порядка 19 А-ч и это означает, что замену такой батареи в газовом счетчике следует проводить 2 раза в год, что является совершенно неприемлемым для бытовых приборов.

Наконец , есть и еще одна проблема, которая связана с калибровкой приборов на этапе их производства, точнее - с типом газа, который должен использоваться при этом. Если счетчик предназначен для измерения расхода /объема воздуха, то совершенно естественно, что аналогичная среда будет использована и при калиб-ровке прибора.  Применительно к механическим счетчикам объемным диафраг-менным , предназначенным для измерения объема природного газа  ГОСТ 8.915-2016   в качестве поверочной среды также рекомендует использовать  воздух (см. п. 8.6.6.3). Аналогичная рекомендация для ультразвуковых расходомеров содержится в документе  [ 7 ] « Р.Газпром 5.13-2010  Организация и порядок проведения поверки и калибровки ультразвуковых преобразователей расхода в ОАО Газпром» ( см. п.5.4.2.6). Очевидно, что использование природного газа в качестве поверочной среды в условиях серийного производства практически невозможно, но каким образом подтвердить правомерность применения результатов калибровки на воздухе при измерении объема природного газа для сенсора, использующего  микротермаль-ный  способ измерения?  Как видим,  трудностей с применением MEMS- сенсоров в конструкции бытового газового счетчика достаточно много , а  их преодоление  самостоятельно и только силами  производителей  газовых счетчиков  весьма проблематично .

Однако в 2015 г компания  Sensirion AG (Швейцария) анонсировала начало серийного производства  измерительного модуля серии SGM 70хх, основанного на  микротермальном принципе измерения и предназначенного для построения на базе данного модуля бытовых газовых счетчиков типоразмеров G1,6, G2,5,G4 и G6.  Швейцарская компания Sensirion является лидирующим производителем высококачественных датчиков и сенсорных приборов для измерения и контроля влажности, температуры, потоков газа и  жидкости. Компания была основана в 1998 г, как подразделение Швейцарского федерального института технологий ( ETN) в Цюрихе. Штаб-квартира Sensirion расположена в г. Штефа ( Швейцария), где ведутся исследования и разработка, а также осуществляется производство высокотехно-логичных продуктов. 

На рис.1 представлен внешний вид модуля SGM, а на рис.2 – эскиз конструкции счетчика газа с установленным измерительным модулем.

На рис. 3 представлен внутренний вид микротермального  измерительного модуля.

Чувствительный элемент модуля представляет собой кристалл, выполненный по технологии  CMOSens, на единой подложке размещены термочувствительные элементы и измерительная электроника, включая микропроцессорный вычислитель ; размер кристалла  1,5 х2 мм. Кристалл чувствительного элемента  установлен в байпасном канале, конфигурация и характерные размеры которого (длина и площадь поперечного сечения) выбраны таким образом, чтобы для скоростей потока газа в байпасном канале (0,001 – 1,0) м/с характер потока газа оставался ламинарным : число Рейнольдса  Re< Re крит. Структурная  схема  электрической части чувствительного элемента приведена на рис.4.  

Принцип работы микротермального чувствительного элемента приведен на диаграмме  - рис.5.

В центре кристалла расположен нагреватель, на расстоянии 0,2 мм по обе стороны от которого - два датчика температуры потока. Если нагреватель выключен, то датчики температуры измеряют температуру газа в канале, при этом Т1=Т2. Если нагреватель включен, но поток газа отсутствует, температуры  Т1 и Т2 будут также равны и только в случае, когда нагреватель включен и имеется поток газа в канале температуры Т1≠ Т2 и по величине температурного  разбаланса можно судить о величине массового расхода газа.  

Работа сенсора основана на методе импульсного нагрева, с переносом теплового импульса измеряемой средой, теоретическое обоснование которого приведено в [ 8 ]. Измерение величины теплового импульса в в точках до и после нагревателя  позволяет определить не только скорость потока, но также и тепловые характеристики измеряемого газа. Уравнение, описывающее перенос тепла при импульсном нагреве :

Аналитическое решение данного уравнения для импульсного теплового сигнала:

Для малых скоростей потока при условии, что эффект переноса тепла потоком является преобладающим фактором получим:

Для теплового импульса вычисление массового потока датчиками, расположенными на расстоянии  –x  и  +x от нагревателя возможно как :

Т.о. метод измерения массового расхода позволяет  определять тепловые параметры среды, что можно использовать для идентификации типа измеряемого газа. Данная возможность реализована, например, в [ 9 ] для выполнения измерения расхода газа  строго  в тот момент, когда требуемый газ полностью заместил воздух в измерительном канале. 

Разность температур между двумя сенсорами (см.рис.5) является комплексной функцией, зависящей от скорости потока газа, его плотности и теплоемкости. Связь между ними описывается законом Кинга:  

Микротермальный  газовый сенсор позволяет с высокой точностью измерять расход различных газов и газовых смесей (в т.ч. природный газ ) при условии, что сенсор предварительно был откалиброван на данном газе, либо путем применения процедуры динамической компенсации , которая обеспечивает получение необходи-мой точности измерений при вариациях концентрации отдельных компонент в природном газе ; калибровка  газового сенсора в таком случае может производиться на стандартной газовой среде - воздухе . Очевидно, что первый вариант крайне неудобен чисто практически, т.к. во-первых он предусматривает использование природного газа для первичной калибровки газового сенсора и, во-вторых, данный способ не может гарантировать получения требуемой точности измерений  в связи с тем, что  концентрация газовых  компонент в природном газе может меняться во времени.

Алгоритм динамической компенсации, предложенный Sensirion, основан на строгой взаимосвязи между теплоемкостью λ , плотностью ρref и теплоемкостью Ср для компонент натурального газа. Данная взаимосвязь математически описывается   корреляционной функцией, с помощью  которой  можно получить параметры плотности ρref и теплоемкости Ср.

На рис.6 представлена структура алгоритма газовой компенсации, предло-женного  Sensirion. Измеренные значения температур Т1 и Т2 являются входными параметрами для вычисления теплоемкости газа  λ и нескорректированного  значения расхода газового потока. Полученное значение  теплоемкости  является входным параметром для  корреляционной функции, с помощью которой  осуществляется  вычисление  плотности ρref и теплоемкости Ср. Далее нескорректированное  значение расхода газового потока с учетом полученных значений температуры и  давления приводится к стандартным условиям . 

Эффективность  метода динамической компенсации , предложенного Sensirion  подтверждена  результатами официальных испытаний, проведенных институтом  «Gas and Heating Institute « ( Германия) [ 10 ].  Перечень газовых смесей, на которых были  проведены данные испытания, приведен в табл.1.Начальная калибровка испытуемых в дальнейшем модулей проводилась на воздухе.

Как можно видеть, разработчикам Sensirion в полной мере удалось преодолеть трудности, связанные с реализацией нового способа измерения объемов природного газа. Действительно, ими предложен законченный функциональный элемент – измерительный модуль, который может устанавливаться , например, в стандартный корпус диафрагменного газового счетчика. На этапе изготовления модуля производителем осуществляется процедура его калибровки на воздухе, при этом метрологические характеристики модуля сохраняются при переходе на измерение объемов природного газа за счет использования  в программном обеспечении модуля алгоритма динамической компенсации. В модуле применен метод импульсного нагрева , что позволило резко уменьшить потребление энергии от встроенной батареи постоянного тока. Информация от модуля  передается  по цифровому каналу связи – интерфейс I2C,- перечень передаваемой информации : мгновенное значение расхода газа, приведенное к стандартным условиям, температура газа , значение К – фактора,- обобщенного параметра, характеризирующего  тип измеряемого газа ,идентификационные параметры модуля -  порядковый номер, номер партии в производстве, версия программного обеспечения модуля, а также обозначение типоразмера – G1,6,G2,5,G4 или G6.    Подробное описание и технические характеристики  измерительного модуля SGM 70xx  приведены в [ 11 ] . И, наконец , данный модуль успешно прошел испытания  и сертифицирован в качестве самосто-ятельного средства измерения  и его метрологические характеристики подтверждены сертификатом, выданным институтом  NMI Certin B.V. ( Нидерланды) [ 12 ]. 

В заключении следует отметить, что  предприятием « MeterSit » ( Италия ) начиная с 2016 г осуществляется серийное производство бытовых и промышленных счетчиков газа типоразмеров G4 , G6, G10 – G20, построенных на базе микротермального  модуля SGM 70xx [ 13 ]. Аналогичный тип газового счетчика производит также предприятие «Diehl Metering GmBH »(Германия) [ 14 ], причем  общий объем произведенных  в 2016 – 2017 гг счетчиков газа, основанных на микротермальном принципе измерения   составляет свыше 1 млн.шт.

 

Литература.

  1. Охотин А.А « Микротермальный принцип измерения – современный подход к построению бытовых счетчиков газа ».
  2. J.Burgues,S.Marco «Low Power of Temperature - Modulated Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors »,MDPI ,December 2017 
  3. Lung-Ming Fu, Chia-Yen Lee « MEMS-based gas flow sensors » , Microfluidics and Nanofluidics , March 2009 
  4. Liang Feng,C.J.Musto,J.W.Kemling «A Calorimetric sensor array for identification of toxic gases below permissible  explosure limits» Austin,TX,USA, December 2009.
  5. Dr.O.Kiesewetter «Miniaturized Platinum temperature sensors with high resistanse», Sensor+Test Conference, 2009.
  6. «Thermal Mass Flow Sensor. Optimal for ultra fast measuring of gas flow and direction.Sensor chip in MID housing with integrated flow channel», Innovative Sensor Technology, datasheet.
  7. Р Газпром 5.13 -2010 «Организация и порядок проведения поверки и калибровки ультразвуковых преобразователей расхода газа в ОАО « Газпром».
  8. J.van Kuijk, T.S.J.Lammerink, dee Bee «Multi-parameter detection in fluid flows», MESA Research Institute, Netherlands 
  9. J.Abdullan, A.Tikhonski, R.Dass  Patent US N 008117844 B2
  10. «Study confirmed the effectiveness of compensation for different natural gas types», Gas and Heating Institute, Press release 09/08/2015
  11. Sensirion CMOSens G1.6,G2.5, G4 and G6 Gas Flow Modules, datasheet
  12. NMI Evaluation Certificate Number TC 8791 rev.1, 06/06/2015, NMI Certin B.V. 
  13. MeterSit – Catalogo Generale, 2016
  14. «AERIUS Microtermal Gas Meter», Diehl Metering GmBH, 08/08/2016. 
`Модуль SGM 70хx - базовый элемент  современного газового счетчика.
В предыдущей статье [ 1 ]  был дан обзор выпускаемых промышленностью бытовых газовых счетчиков , работа которых основана на различных физических принципах – приборы объемного типа  ( диафрагменные , ротационные) , скоростные, основанные на измерении скорости потока  (турбинные, ультразвуковые) , а также приборы, в который используется эффект колебания струи измеряемого газа ( струйные).  Построение счетчиков газа на базе указанных принципов  является стандартным подходом. Однако в настоящее время большой интерес вызывает использование иных – альтернативных принципов измерений, что связано в первую очередь с развитием микроэлектроники и производством интегральных чувствительных элементов для измерения различных параметров газа . Одним из таких, альтер-нативных способов является микротермальный ( калориметрический ) способ измерения – обзор, описывающий стадии развития интегральных датчиков, построенных  на базе данного метода, осуществляющих измерения температуры, давления , влажности, а также сенсоров, предназначенных  для определения концентрации различных газовых компонент , приведен в [ 2 ].  Требования к сенсорам на базе MEMS – технологии, предназначенным для измерения параметров потоков газа, а также требования к конструкции данных сенсоров приведены в [ 3 ], - документе, представляющим собой систематизированный обзор принципов построения устройств , измеряющих газовые потоки  и описания экспериментальных образцов, реализованных с использованием различных MEMS – сенсоров. 
Однако, несмотря на то, что теоретические основы  микротермального  способа  измерения  хорошо разработаны и есть примеры  серийно выпускаемых приборов, работа которых основана на применении MEMS – сенсоров, используемых в том числе в такой специфической области, как газовая хроматография [ 4 ], до последнего времени не имелось примеров разработки  конструкции и последующего серийного производства бытового газового счетчика с использованием интегрального сенсора, хотя выгоды от применения подобного подхода к конструированию вполне очевидны – минимальное количество механических деталей в конструкции прибора, ограничивающееся по сути корпусом прибора, отсутствие каких-либо подвижных элементов конструкции, расположенных в измерительном газовом канале, независимость результатов измерений объема от изменения параметров измеряемой среды ( температуры, давления), измеряемый параметр – объем газа, получается приведенным  к стандартным условиям, что является особенностью метода массового измерения расхода и, наконец, чрезвычайно высокая надежность работы устройств, основанных на применении интегральных  микротермальных сенсоров, что подтверждается опытом их массового  применения  в автомобильной промышленности  [ 1 ].  Так почему  при таком большом числе положительных сторон  микротермального способа измерения  до настоящего времени не было бытовых счетчиков  газа , использующих данный  метод ?  В чем заключается трудность его применения в данной конкретной сфере ?
Сложности с использованием этого метода для производителей счетчиков есть и их несколько. И одна из главных трудностей заключается в том, что у производи-телей газовой аппаратуры нет, да и не могло быть технологии и оборудования для автоматического монтажа и подключения к внешним цепям  кристалла  MEMS –сенсора , размещенного на гибкой  подложке и имеющего размеры порядка 1 мм² - подобные технологии и оборудование имеют только крупные фирмы – производители интегральных микросхем. И именно поэтому первые серийные газовые расходомеры, построенные на базе данной технологии, были разработаны на предприятиях OMRON ( США), HONEYWELL ( США), Bronkhorst High-Tech ( Нидерланды ), которые в своей деятельности совмещают разработку и  производство интегральных компонен-тов, а также их применение в своей продукции. Однако данные расходомеры позиционируются либо как приборы общепромышленного назначения , в основном - для измерения расхода воздуха, либо приборы специального исполнения,-  для комплектации медицинского оборудования с целью задания или измерения  расхода  газов, используемых  в процедурах подачи  наркоза или анестезии. 
Следующая трудность заключается в том, что упомянутые выше гранды – производители  интегральных электронных компонентов для своей продукции разрабатывают  сенсоры, на единой подложке которых сформированы не только измерительная часть, т.е. набор датчиков температуры и собственно нагреватель, но и все электронное обрамление, включая аналоговую и цифровую части. И все это сделано таким образом, чтобы с данного кристалла по цифровому каналу связи можно считать в режиме реального времени все измеряемые параметры. Однако проблема заключается в том, что данные сенсоры и, главное, программное обеспечение , записанное в них на этапе производства ( и которое невозможно модифицировать в дальнейшем ), рассчитаны на вполне конкретные типы газов ( см. выше) и в этом списке нет природного газа, тем более, для случая, когда концентрация метана в нем  варьируется, а такое вполне возможно. Например, в Европе используется 2 типа природного газа : H - и L- типа. Для первого типа концентрация основного газа – метана, должна составлять 98%, в то время, как для второго типа – 86%.  Таким образом у производителей бытовых газовых счетчиков нет возможности применить данные чувствительные элементы, а использование    стандартных чувствительных элементов, например описанных в [ 5 ], [ 6 ] не позволяет  в полной мере реализовать все положительные стороны   нового метода измерения.
Еще одна трудность заключается в обеспечении длительного автономного режима работы газового счетчика от внутреннего источника постоянного тока , причем желательно, чтобы ресурс встроенной батареи  обеспечивал  работо-способности счетчика в течении всего межповерочного интервала, который, как правило, составляет 5-6 лет. Предварительный, оценочный расчет потребляемой сенсором энергии, оптимизма не внушает . Так, при средней потребляемой сенсором ( и только им одним !) мощности на уровне 12 милливатт и использовании источника постоянного тока напряжением 3,6В , количество энергии, потребленной в течение года составит :
                      P =  0,012 x 8760 / 3,6 = 29,2 (А-ч) ;                                                         а за пять лет ( один межповерочный интервал ) соответственно :
                      Р5 =  29,2 х 5= 146 (А-ч).
 Емкость стандартной литиевой батареи, такой, как например  ER 34615 составляет порядка 19 А-ч и это означает, что замену такой батареи в газовом счетчике следует проводить 2 раза в год, что является совершенно неприемлемым для бытовых приборов.
Наконец , есть и еще одна проблема, которая связана с калибровкой приборов на этапе их производства, точнее - с типом газа, который должен использоваться при этом. Если счетчик предназначен для измерения расхода /объема воздуха, то совершенно естественно, что аналогичная среда будет использована и при калиб-ровке прибора.  Применительно к механическим счетчикам объемным диафраг-менным , предназначенным для измерения объема природного газа  ГОСТ 8.915-2016   в качестве поверочной среды также рекомендует использовать  воздух (см. п. 8.6.6.3). Аналогичная рекомендация для ультразвуковых расходомеров содержится в документе  [ 7 ] « Р.Газпром 5.13-2010  Организация и порядок проведения поверки и калибровки ультразвуковых преобразователей расхода в ОАО Газпром »                      ( см. п.5.4.2.6). Очевидно, что использование природного газа в качестве поверочной среды в условиях серийного производства практически невозможно, но каким образом подтвердить правомерность применения результатов калибровки на воздухе при измерении объема природного газа для сенсора, использующего  микротермаль-ный  способ измерения?  Как видим,  трудностей с применением MEMS- сенсоров в конструкции бытового газового счетчика достаточно много , а  их преодоление  самостоятельно и только силами  производителей  газовых счетчиков  весьма проблематично . 
Однако в 2015 г компания  Sensirion AG ( Швейцария) анонсировала начало серийного производства  измерительного модуля серии SGM 70хх, основанного на  микротермальном принципе измерения и предназначенного для построения на базе данного модуля бытовых газовых счетчиков типоразмеров G1,6, G2,5,G4 и G6.  Швейцарская компания Sensirion является лидирующим производителем высококачественных датчиков и сенсорных приборов для измерения и контроля влажности, температуры, потоков газа и  жидкости. Компания была основана в 1998 г, как подразделение Швейцарского федерального института технологий ( ETN) в Цюрихе. Штаб-квартира Sensirion расположена в г. Штефа ( Швейцария), где ведутся исследования и разработка, а также осуществляется производство высокотехно-логичных продуктов. 
На рис.1 представлен внешний вид модуля SGM, а на рис.2 – эскиз конструкции счетчика газа с установленным измерительным модулем.
    
  
               
                     Рис.1 Внешний вид и основные размеры модуля.       
    
               Рис.2  Эскиз конструкции бытового газового счетчика.
На рис. 3 представлен внутренний вид микротермального  измерительного модуля.
     
                   Рис.3.  Внутренний вид микротермального измерителя потока.
Чувствительный элемент модуля представляет собой кристалл, выполненный по технологии  CMOSens, на единой подложке размещены термочувствительные элементы и измерительная электроника, включая микропроцессорный вычислитель ; размер кристалла  1,5 х2 мм. Кристалл чувствительного элемента  установлен в байпасном канале, конфигурация и характерные размеры которого ( длина и площадь поперечного сечения ) выбраны таким образом, чтобы для скоростей потока газа в байпасном канале ( 0,001 – 1,0) м/с характер потока газа оставался ламинарным : число Рейнольдса  Re< Re крит. Структурная  схема  электрической части чувствительного элемента приведена на рис.4.  
 
             Рис.4. Структурная схема  чувствительного элемента.
Принцип работы микротермального чувствительного элемента приведен на диаграмме  - рис.5.
 
В центре кристалла расположен нагреватель, на расстоянии 0,2 мм по обе стороны от которого - два датчика температуры потока. Если нагреватель выключен, то датчики температуры измеряют температуру газа в канале, при этом Т1=Т2. Если нагреватель включен, но поток газа отсутствует, температуры  Т1 и Т2 будут также равны и только в случае, когда нагреватель включен и имеется поток газа в канале температуры Т1≠ Т2 и по величине температурного  разбаланса можно судить о величине массового расхода газа.  
Работа сенсора основана на методе импульсного нагрева, с переносом теплового импульса измеряемой средой, теоретическое обоснование которого приведено в [ 8 ]. Измерение величины теплового импульса в в точках до и после нагревателя  позволяет определить не только скорость потока, но также и тепловые характеристики измеряемого газа. Уравнение, описывающее перенос тепла при импульсном нагреве :
         
Где  Q – количества генерируемого тепла
        T – температура
        k -  теплопроводность среды
        ρ – плотность среды
        u – средняя скорость потока
Аналитическое решение данного уравнения для импульсного теплового сигнала:
       
Где α – термодиффузия 
Для малых скоростей потока при условии, что эффект переноса тепла потоком является преобладающим фактором получим:
 
Для теплового импульса вычисление массового потока датчиками, расположенными на расстоянии  –x  и  +x от нагревателя возможно как :
        
Т.о. метод измерения массового расхода позволяет  определять тепловые параметры среды, что можно использовать для идентификации типа измеряемого газа. Данная возможность реализована  , например, в [ 9 ] для выполнения измерения расхода газа  строго  в тот момент, когда требуемый газ полностью заместил воздух в измерительном канале. 
Разность температур между двумя сенсорами ( см.рис.5) является комплексной функцией, зависящей от скорости потока газа, его плотности и теплоемкости. Связь между ними описывается законом Кинга:  
    |T_2-T_1 |=C_1+C_2*(A*v*T_ref/T  P/P_ref *ρ_ref*C_p )^z
Где  v – скорость потока
        А – площадь поперечного сечения канала
        Ср – теплоемкость газа
        ρref – плотность среды при стандартных условиях
         Рref – стандартное давление ( 1013 миллибар)
          Тref -  стандартная температура ( 293,15° К)
      Т1 и Т2 – температура потока до и после нагревателя
           Р – двление
           Z – 0,5 (константа закона Кинга)
       С1 и С2 - константы
Микротермальный  газовый сенсор позволяет с высокой точностью измерять расход различных газов и газовых смесей ( в т.ч. природный газ ) при условии, что сенсор предварительно был откалиброван на данном газе, либо путем применения процедуры динамической компенсации , которая обеспечивает получение необходи-мой точности измерений при вариациях концентрации отдельных компонент в природном газе ; калибровка  газового сенсора в таком случае может производиться на стандартной газовой среде - воздухе . Очевидно, что первый вариант крайне неудобен чисто практически, т.к. во-первых он предусматривает использование природного газа для первичной калибровки газового сенсора и, во-вторых, данный способ не может гарантировать получения требуемой точности измерений  в связи с тем, что  концентрация газовых  компонент в природном газе может меняться во времени.
Алгоритм динамической компенсации, предложенный Sensirion, основан на строгой взаимосвязи между теплоемкостью λ  ,плотностью ρref и теплоемкостью Ср для компонент натурального газа. Данная взаимосвязь математически описывается   корреляционной функцией, с помощью  которой  можно получить параметры плотности ρref и теплоемкости Ср.
На рис.6 представлена структура алгоритма газовой компенсации, предло-женного  Sensirion. Измеренные значения температур Т1 и Т2 являются входными параметрами для вычисления теплоемкости газа  λ и нескорректированного  значения расхода газового потока. Полученное значение  теплоемкости  является входным параметром для  корреляционной функции, с помощью которой  осуществляется  вычисление  плотности ρref и теплоемкости Ср. Далее нескорректированное  значение расхода газового потока с учетом полученных значений температуры и  давления приводится к стандартным условиям . 
   
                   Рис. 6. Структура алгоритма газовой компенсации.
Эффективность  метода динамической компенсации , предложенного Sensirion  подтверждена  результатами официальных испытаний, проведенных институтом  «Gas and Heating Institute « ( Германия) [ 10 ].  Перечень газовых смесей, на которых были  проведены данные испытания, приведен в табл.1.Начальная калибровка испытуемых в дальнейшем модулей проводилась на воздухе.
         Табл.1
 
Как можно видеть, разработчикам Sensirion в полной мере удалось преодолеть трудности, связанные с реализацией нового способа измерения объемов природного газа. Действительно, ими предложен законченный функциональный элемент – измерительный модуль, который может устанавливаться , например, в стандартный корпус диафрагменного газового счетчика. На этапе изготовления модуля производителем осуществляется процедура его калибровки на воздухе, при этом метрологические характеристики модуля сохраняются при переходе на измерение объемов природного газа за счет использования  в программном обеспечении модуля алгоритма динамической компенсации. В модуле применен метод импульсного нагрева , что позволило резко уменьшить потребление энергии от встроенной батареи постоянного тока. Информация от модуля  передается  по цифровому каналу связи – интерфейс I2C,- перечень передаваемой информации : мгновенное значение расхода газа, приведенное к стандартным условиям, температура газа , значение К – фактора,- обобщенного параметра, характеризирующего  тип измеряемого газа ,идентификационные параметры модуля -  порядковый номер, номер партии в производстве, версия программного обеспечения модуля, а также обозначение типоразмера – G1,6,G2,5,G4 или G6.    Подробное описание и технические характеристики  измерительного модуля SGM 70xx  приведены в [ 11 ] . И, наконец , данный модуль успешно прошел испытания  и сертифицирован в качестве самосто-ятельного средства измерения  и его метрологические характеристики подтверждены сертификатом, выданным институтом  NMI Certin B.V. ( Нидерланды) [ 12 ]. 
В заключении следует отметить, что  предприятием « MeterSit » ( Италия ) начиная с 2016 г осуществляется серийное производство бытовых и промышленных счетчиков газа типоразмеров G4 , G6, G10 – G20, построенных на базе микротермального  модуля SGM 70xx [ 13 ]. Аналогичный тип газового счетчика производит также предприятие «Diehl Metering GmBH »( Германия) [ 14 ] ,причем  общий объем произведенных  в 2016 – 2017 гг счетчиков газа, основанных на микротермальном принципе измерения   составляет свыше 1 млн.шт.
Литература.
1. Охотин А.А « Микротермальный принцип измерения – современный подход к построению бытовых счетчиков газа ».
2. J.Burgues,S.Marco «Low Power of Temperature - Modulated Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors »,MDPI ,December 2017 
3. Lung-Ming Fu, Chia-Yen Lee « MEMS-based gas flow sensors » , Microfluidics and Nanofluidics , March 2009 
4. Liang Feng,C.J.Musto,J.W.Kemling «A Calorimetric sensor array for identification of toxic gases below permissible  explosure limits» Austin,TX,USA, December 2009.
5. Dr.O.Kiesewetter «Miniaturized Platinum temperature sensors with high resistanse», Sensor+Test Conference ,2009.
6. «Thermal Mass Flow Sensor. Optimal for ultra fast measuring of gas flow and direction.Sensor chip in MID housing with integrated flow channel», Innovative Sensor Technology, datasheet.
7. Р Газпром 5.13 -2010 « Организация и порядок проведения поверки и калибровки ультразвуковых преобразователей расхода газа в ОАО « Газпром».
8. J.van Kuijk,T.S.J.Lammerink, dee Bee « Multi-parameter detection in fluid flows », MESA Research Institute, Netherlands 
9. J.Abdullan,A.Tikhonski,R.Dass  Patent US N 008117844 B2
10. « Study confirmed the effectiveness of compensation for different natural gas types », Gas and Heating Institute, Press release 09/08/2015
11. Sensirion CMOSens G1.6,G2.5, G4 and G6 Gas Flow Modules, datasheet
12. NMI Evaluation Certificate Number TC 8791 rev.1, 06/06/2015, NMI Certin B.V. 
13. MeterSit – Catalogo Generale, 2016
14. « AERIUS Microtermal Gas Meter », Diehl Metering GmBH , 08/08/2016. 




Все статьи :: Назад

Проголосуйте за статью

-1      +1

Обсуждение статьи



Новое сообщение










Для оформления можно использовать bb-коды


Введите текст на картинке
обновить текст