Метрологические аспекты микротермального метода изменений. Применение современной метрологической базы при разработке счётчиков серии СМТ

В связи с этим, большой интерес вызывают счётчики газа, построенные на альтернативных принципах измерения объёма газа. Отличительной особенностью подобных счётчиков является отсутствие каких-либо подвижных элементов конструкции, находящихся непосредственно в измеряемом газовом потоке, определяющих метрологические характеристики прибора, и обязательное наличие в составе счётчика электронного устройства, осуществляющего обработку и отображение результатов измерений.

В связи с этим перспективным является применение методов измерения объёма природного газа, основанных на эффекте теплового воздействия на измеряемый поток. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на термоанемометрические и микротермальные (иное название - калориметрические). В их основе - измерение эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком.

Тепловые расходомеры измеряют массовый расход измеряемого газа, что является их большим достоинством. Массовый метод измерения позволяет получать объём газа, приведённый к стандартным условиям, что в настоящее время применительно к счётчикам газа является обязательным требованием.

Несмотря на указанные выше достоинства данного метода измерения, а также на то, что первые образцы расходомеров подобного типа были разработаны уже в 30-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.

Однако в  70-х годах 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  другие элементы электрической схемы) такие компании по производству электронных компонентов, как Bocsh, Omron, Panasonic, Honeywell, Heraus Sensors, Sensirion,  занялись  разработкой газовых расходомеров, в основу работы которых положен тепловой  способ измерения расхода газа, за которым утвердилось новое название -  микротермальный. Типовая конструкция подобных приборов приведена на рис.1.

Рис.1.  Конструкция измерительной части расходомера

Она представляет собой трубку с байпасным каналом специального профиля, в котором расположен чувствительный элемент с необходимым электронным обрамлением, выполненный в едином кристалле размером менее 0,5 мм².  Принцип работы микротермального расходомера приведён на рис.2.

Рис.2.  Принцип работы микротермального расходомера

В центре кристалла расположен нагреватель, 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. 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 при условии, что сенсор предварительно был откалиброван на данном газе. Однако применительно к природному газу данный способ не может гарантировать получения требуемой точности измерений в связи с тем, что концентрация газовых компонентов в природном газе может меняться во времени. При этом желательно, чтобы калибровка газового сенсора производилась на стандартной газовой среде - воздухе. Для удовлетворения таких противоречивых требований используется уравнение Франка, описывающее процесс переноса теплового импульса измеряемой средой, аналитическое решение которого для измеряемого газа позволяет получить коэффициент теплопередачи λ

λ = 0.3 V ρ_c cp;  где  

V – скорость измеряемого потока

ρ_c – плотность измеряемого газа в стандартных условиях               

cp -  удельная теплоёмкость газа.

Приведенный алгоритм работы микротермального датчика позволяет использовать при его калибровке в качестве рабочей среды воздух и сохранять полученные метрологические характеристики при переходе на рабочую среду – природный газ независимо от возможных вариаций его компонентного состава.

При этом выходной сигнал микротермального датчика пропорционален объёмному расходу газа Vi при стандартных условиях и не зависит от текущей температуры и давления измеряемого газа. Еще одной выходной величиной является так называемый К-фактор – обобщённый параметр, характеризующий качество измеряемого газа. Как видно из формулы закона Кинга, физическое свойство газа ρ·cp является ключевым параметром для теплового массового расходомера.

Обобщённый теплофизический параметр К-фактор определяется с учётом плотности и теплоёмкости измеряемого газа относительно аналогичных параметров воздуха. Значение данного параметра может быть использовано для определения качества природного газа, проходящего в настоящее время через счётчик, и его соответствия одной из групп – H, L или E, в зависимости от концентрации метана.

Отметим основные особенности микротермального метода измерения:

- прямой метод измерения (подробно вопрос о прямом методе рассмотрен в статье
«И снова о прямом методе измерения»);

- измеряемый параметр – объём газа, приведённый к стандартным условиям;

- калибровка счётчика производится на воздухе с распространением полученных точностных параметров на измерение природного газа;

- данный метод не требует измерения абсолютного давления и температуры измеряемой среды;

- процедура получения объёма, приведённого к стандартным условиям, соответствует требованиям, приведённым в ГОСТ Р 8.741-2020 «Объём природного газа. Общие требования к методикам измерений» применительно к массовым расходомерам;

- использование технологического параметра К-фактор позволяет оперативно оценивать параметры измеряемого природного газа;

- метрологические характеристики микротермального счётчика газа серии СМТ соответствуют требованиям Постановления Правительства РФ от 16.11.2020 N1847 «Об утверждении перечня измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений».

 В заключении следует отметить, что в настоящее время разработан и проходит утверждение проект ГОСТа «Объёмный расход и объём природного газа. Методика (метод) измерений с применением микротермальных счётчиков газа». 

В настоящее время в регионах РФ установлено большое количество счётчиков СМТ, однако часто задаются вопросы о прямом методе измерений, реализованном в счетчике, наличии утвержденной Методики измерений, а также необходимости процедуры метрологической аттестации проектов установки счётчика.

Что следует относить к прямым измерениям?  Формулировка приведена в п.19 статьи 2 Федерального закона N 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений»: «Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений».

В соответствии с данным определением в счётчике СМТ-Смарт реализован именно прямой метод измерения, т.к. искомая измеряемая величина – объём газа, приведенный к стандартным условиям, - получается непосредственно от данного средства измерения без привлечения результатов других прямых измерений – внутренних или внешних. 

Официальная позиция Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) по этому вопросу содержится в письме за подписью начальника управления метрологии Д.В. Гоголева (н.вх.N 22831-ДГ/04 от 06.12.2019г.).

В данном документе констатируется, что в счётчике СМТ-Смарт в соответствии с п.19 статьи 2 Федерального закона от 26 июня 2008 N102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» используется прямой метод измерения объема природного газа, приведенного к стандартным условиям. Указанный тип счётчика является средством измерений утвержденного типа и в связи с этим может применяться в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.  

Требования к методикам измерений регламентированы Федеральным законом от 26 июня 2008 N102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений», п.1 статьи 5:

«Измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методикам (методам) измерений, за исключением методик (методов) измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений, с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших поверку».

Далее п.2 статьи 5 Федерального закона уточняет особенности аттестации методик измерений применительно к процедуре прямых измерений: «Методики (методы) измерений, предназначенные для выполнения прямых измерений, вносятся в эксплуатационную документацию на средства измерений. Подтверждение соответствия этих методик (методов) измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется в процессе утверждения типов данных средств измерений».

Исходя из того, что в счётчике СМТ реализован прямой метод измерений, в полном соответствии с требованием, изложенным в Федеральном законе, методика измерений внесена в Руководство по эксплуатации ТМР.407.282.002-02РЭ.

Для допуска к эксплуатации средства измерения необходимо выполнить процедуру метрологической аттестации проекта его установки согласно п. 2 статьи 14 Федерального закона от 26 июня 2008 N102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений»: «Обязательная метрологическая экспертиза стандартов, продукции, проектной, конструкторской, технологической документации и других объектов проводится также в порядке и случаях, предусмотренных законодательством Российской Федерации. Указанную экспертизу проводят аккредитованные в соответствии с законодательством Российской Федерации об аккредитации в национальной системе аккредитации юридические лица и индивидуальные предприниматели». 

При метрологической экспертизе проекта осуществляется проверка:

-  требований к монтажу средств измерений;

-  номенклатуры измеряемых параметров и требований к точности измерений;

-  соответствие точности средств измерений требуемым показателям;

-  соответствие действительной точности заданным параметрам.

Как правило, выполнение требований последнего пункта осуществляется с помощью программного комплекса «Расходомер ИСО», результатом работы которого является проверка соответствия полной величины относительной погрешности измерений и относительной расширенной неопределенности измерений. Однако применительно к микротермальному счётчику серии СМТ производить данную проверку не требуется, т.к. величина относительной расширенной неопределённости измерений (полной относительной погрешности), которая не превышает 4%, приведена в п. 2.3 «Технические характеристики», а процедура расчёта - в «Приложении Ж» Руководства по эксплуатации ТМР.407.282.002-02 РЭ.

Указанное значение относительной расширенной неопределенности измерений (полной относительной погрешности) соответствует требованиям  ГОСТ Р 8. 741-2019 и  Постановлению Правительства РФ от 16 ноября 2020  N1847 «Об утверждении перечня измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений».

Наконец, последнее.  В ряде регионов перед вводом в эксплуатацию нового узла учета или после реконструкции, а также при внедрении методики измерений на узле учета, введенном в эксплуатацию, требуется выполнить проверку реализуемости методик измерений с вычислением доверительных границ относительной погрешности результата измерений объемного расхода и/или объёма газа, приведённых к стандартным условиям, по каждой реализации. Данное требование напрямую связано с тем, что в абсолютном большинстве случаев в средстве измерения объема газа используется косвенный способ измерений без вычисления доверительной границы относительной погрешности результатов измерений объёмного расхода и/или объема газа, приведённых к стандартным условиям, при любых сочетаниях измеряемых параметров потока и среды, которые не должны превышать значений, установленных для соответствующего уровня точности.

Однако в случае применения микротермального счётчика, объём газа, приведённый к стандартным условиям, в котором реализован прямой метод измерения, доверительные границы относительной погрешности измерений объема газа, приведённого к стандартным условиям, соответствуют пределам допускаемой относительной погрешности, подтверждённым в процессе утверждения типа средств измерений. В этом случае не требуется выполнение проверки реализуемости методик измерений с вычислением доверительных границ относительной погрешности результата измерений объёмного расхода и/или объёма газа, приведённых к стандартным условиям.