Современные технологии измерений

Счетчик СМТ-Смарт: вопросы и ответы ( часть 2).

С 2 по 5 октября 2018 г. предприятие ООО «Техномер» принимало участие в работе Международной выставки «Рос-Газ-Экспо» г. Санкт-Петербург. На стенде предприятия, наряду с известной и хорошо себя зарекомендовавшей продукцией - разнообразными блоками питания для электронных корректоров газа и устройствами сбора и передачи данных от промышленных комплексов учета расхода газа и счетчиков газа, устанавливаемых в бытовом секторе, была впервые представлена полная линейка микротермальных счетчиков газа серии СМТ-Смарт. На стенде были представлены счетчики типоразмеров G4, G6, G10 и G16, а также информация о счетчике типоразмера G25, сертификация которого должна быть закончена в 1 квартале 2019 г. Ниже приведены фото стенда предприятия и образцов счетчика СМТ-Смарт, представленных на выставке.

Фото 1. Стенд ООО «Техномер»

Фото 2. Образцы счетчиков СМТ- Смарт.  

Вместе с образцами счетчиков на стенде был представлен полный комплект текстовой документации, включая Описание типа на средство измерения, Руководство по эксплуатации, Сертификат соответствия ТР ТС, а также Декларация о соответствии ЕАЭС. Презентация счетчика СМТ-Смарт на выставке вызвала большой интерес у специалистов, что объясняется как высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками счетчика, достигнутыми с помощью использования нового, микротермального, принципа измерения, приведения в счетчике измеренного объема газа к стандартным условиям с последующей передачей данных с помощью встроенного в счетчик модема GPRS/GSM связи, так и тем, что к сожалению, на данной выставке практически отсутствовали образцы новых счетчиков газа, - производители данного вида продукции ограничились демонстрацией хорошо известных устройств, - в основном механических диафрагменных газовых счетчиков.

Результат общения со специалистами - посетителями выставки, относительно параметров и конструкции счетчика СМТ-Смарт показал, что информация о счетчике, ранее представленная нами в виде серии статей, размещенных на сайте предприятия, позволила ответить на многие вопросы, касающихся теоретических аспектов  применяемого метода измерения, конструкции прибора и особенно, объема проведенных испытаний и их результатов.  Тем не менее, в процессе общения представителями различных организаций задавались вопросы, свидетельствующее о желании более детально ознакомиться с особенностями нового типа продукции.  В данной статье приведены ответы на вопросы, заданные на выставке.

1. Термоанемометрический и микротермальный метод измерения. В чем их отличие друг от друга и почему не находят применения счетчики объема природного газа на основе термоанемометра.

У этих методов есть некоторые общие черты. И тот и другой основаны на измерении эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Расходомеры, построенные на основе данных методов, измеряют массовый расход потока жидкости или газа и их показания зависят от физических свойств измеряемой среды: плотности, динамической вязкости, теплопроводности, удельной теплоемкости. Т.к. данные методы используют тепловые свойства измеряемой среды, для работы в этих случаях необходимы нагреватели. В микротермальном расходомере нагреватель представляет собой отдельный самостоятельный элемент схемы, в то время как в термоанемометрическом  расходомере функцию нагревателя выполняет  чувствительный элемент, изменение сопротивления которого пропорционально измеряемому параметру.        

У микротермальных расходомеров входным измеряемым параметром является разность температур измеряемой среды. Ниже приведены диаграмма, поясняющая принцип работы микротермального расходомера.

В центре кристалла располагается нагреватель, по обе стороны от него – два датчика температуры потока. Если нагреватель выключен, то датчики температуры измеряют температуру газа в канале и 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  температуры Т1 и Т2 не будут равны и по величине температурного разбаланса можно судить о величине массового расхода. Более подробно работа микротермального датчика описана в п.2 настоящей статьи.

Работа термоанемометра основана на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела и скоростью потока газа или жидкости, в которых это тело находится. Основное назначение термоанамометров – измерение местной   скорости потока и ее вектора.  Детально работа термоанемометра описана в [ 1 ]. Ниже приведена упрощенная схема измерителя на базе термоанемометра.

В данной схеме коэффициент теплопередачи зависит от физических условий теплопередачи на поверхности нагретого датчика Rw , который   может быть выражен в безразмерном виде:

С другой стороны, коэффициент теплопередачи для потока газа определяется  выражением :

Рассмотренные уравнения теплопередачи термоанемометра определяют общий характер зависимости между мощностью, отдаваемой датчиком и тепловым потоком над ним:

Из данного уравнения видно, что выходной сигнал термоанемометра является комплексной функцией  параметров измеряемой среды: плотности ρ, теплопро-водности λ, удельной теплоемкости cp и динамической вязкости μ .

На практике, для определения количественного соотношения между напряжением Е на выходе моста и скоростью потока U в большинстве случаев производиться индивидуальная калибровка термоанемометра непосредственно на эталонной рабочей среде, имеющей стабильные физические параметры, не меняющиеся во времени.  При этом используется упрощенное уравнение:

где константы А1 и В1 определяются экспериментально при калибровке анемометра.

Однако применение подобной методики применительно к измерению объема природного газа с помощью термоанемометрического датчика практически невозможно. Дело в том, что компонентный состав и физико-химические свойства природного газа могут меняться в самых широких пределах,-  см.паспорта качества газа  [ 2],[3],[4]. Как можно видеть из приведенных документов, при изменении процентного содержания метана в природном газе  в диапазоне от 58,2023% до 96,61% плотность газа меняется от 0,6973 кг/м3 до 0,9373 кг/ м3 в связи с чем само понятие « эталонный природный газ», с помощью которого можно было бы производить калибровку термоанемометрического расходомера не имеет смысла.

Еще одно ограничение применения данного метода применительно к измерению объема газа связано с его высокой энергозатратностью. Действительно, из уравнения ( 1 ) следует, что чувствительность метода напрямую определяется величиной перегрева, т.е. разностью температур датчика Tw  и измеряемого потока газа Tf , причем эта разность температур с высокой точностью должна оставаться неизменной при всех вариациях температуры потока измеряемого газа. Для получения температуры датчика Tw = 200°С ток через него может достигать 0,2 – 0,5 А. Высокая потребляемая мощность является особенностью данного метода измерения, что делает невозможным построения на его основе приборов с автономным (батарейным ) питанием, а именно такие приборы и могут применяться, например, в бытовом секторе для учета потребляемого населением природного газа.   

В заключении следует отметить, что в настоящее время применение приборов на базе термоанемометрического метода измерения ограничивается измерениями местной скорости в газовых потоках, как правило – воздушных, а также  исследованиями спектральных характеристик пульсации скорости в турбулентных течениях.

2. Поясните алгоритм работы модуля SGM60xx, являющегося основным измерительным элементом счетчика СМТ-Смарт. Каким образом обеспечивается идентичность метрологических характеристик модуля на измеряемых средах воздух/природный газ при его калибровке на воздухе.

В качестве преобразователя расхода газа в счетчике используется микротермальный датчик (измерительный  модуль серии SGM60xx производства Sensirion AG (Швейцария)), в котором реализован микротермальный (калориметрический) принцип измерения расхода газа.

Чувствительный элемент микротермального датчика выполнен по MEMS – технологии, что обеспечивает надежность и высокую повторяемость метрологических характеристик счётчика газа. Схема, поясняющая устройство чувствительного элемента

Чувствительный элемент состоит из нагревателя и  датчиков температуры Т1 и Т2, расположенных до и после нагревателя по потоку газа. Все  элементы расположены на единой кремниевой подложке.

Принцип действия микротермального датчика основан на нагреве потока измеряемого газа в области, непосредственно примыкающей к датчикам температуры Т1 и Т2. Распределение температурных полей, создаваемых нагревателем (heater) в потоке газа (flow) приведено на диаграмме

Поток газа вызывает  изменение эпюры распределения температур над поверхностью чувствительных элементов, что приводит к изменению значений температур, измеряемых датчиками температуры Т1 и Т2, расположенных до и после  нагревателя. Полученная разница температур между двумя датчиками температуры служит в качестве выходного измеряемого сигнала, который, в свою очередь, является функцией массового расхода потока газа: чем больше величина массового расхода потока газа, тем больше разность температур.

Данная закономерность описывается законом Кинга:

Микротермальный датчик с высокой точностью измеряет расход газов или газовых смесей, если он калибруется непосредственно на данной измеряемой среде . На практике концентрации отдельных компонент природного газа могут меняться в широких пределах , в связи с чем калибровка микротермального датчика для всех возможных составов природного газа практически невозможна. Поэтому в датчике SGM 60xx используется  способ калибровки  на рабочей среде - воздух с последующей корректировкой полученных результатов измерений применительно к текущим параметрам измеряемого природного газа. 

 Структурная схема алгоритма работы микротермального датчика приведена на рисунке:

Как видно из структурной схемы алгоритма в датчике используется последовательно два метода измерения : импульсный и статический ; алгоритм  импульсного режима измерения  защищен патентом, принадлежащим разработчику – «AG  Sensirion». Результатом импульсного метода является измеренное значение скорости ui потока газа через датчик и параметр  λi - теплопроводность измеряемого газа ; результатом статического метода является величина массового расхода mi газа; в качестве исходных параметров газа для расчета при этом используются значения плотности и удельной теплоемкости воздуха при стандартных условиях . На заключительной стадии, из полученной величины массового расхода mi  для воздуха с использованием расчетного значения параметра Ri производится вычисление величины  объемного расхода Vi измеряемого газа, также приведенного к стандарт-ным условиям. Параметр Ri  для каждого значения параметра λi  вычисляется по формуле:

                              Riρстi × cpi / ρст воздуха × cp воздуха

При выполнении вычислений датчик использует собственную базу данных, состоящую из массива 1 и массива 2.  Массив 1 содержит индивидуальные калибровочные коэффициенты Сi  датчика, определяемые на этапе его калибровки на воздухе при различных значениях расхода , приведенного к стандартным условиям.  Массив 2 содержит параметры – плотность ρстi и удельную теплоемкость  cpi , а также расчетный параметр Ri  для природных газов, отличающихся компонентным составом , а также  процентом содержания основной компоненты – метана. Данные, входящие в массив 2, определены на этапе разработки датчика , являются константами ,не меняющимися в процессе его калибровки. Вычисление промежуточных значений для данных, содержащихся в массивах 1 и 2 производится с использованием метода наименьших квадратов.

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 объемному расходу газа при стандартных условиях и не зависит от текущей температуры и давления измеряемого газа.

Информация о параметрах газа, измеряемых микротермальным датчиком: расходе газа, приведенного к стандартным условиям, температуре измеряемого газа,  обобщенные теплофизические параметры  измеряемой среды ( значение К-фактора ), а также результаты самодиагностики микротермального датчика, по цифровому каналу связи передаются в электронный блок для архивирования, отображения на индикатором табло и передачи данных на удаленный сервер по каналу GSM/GPRS.

3. Проводились ли испытания счетчика СМТ - Смарт при работе с газом, имеющим в своем составе посторонние включения (пыль)? Если да, то каковы результаты испытаний.

Данный вопрос связан с особенностями конструкции модуля SGM 60xx, в котором кристалл чувствительного элемента устанавливается в байпасном канале, площадь поперечного сечения которого существенно меньше площади поперечного сечения основного газового канала . На этапе разработки данного модуля подразделением R&D «AG Sensirion» было уделено большое внимание отработки геометрии измерительного (байпасного) канала, а также использованию различных конструкторских решений, максимально препятствующих попаданию в него пыли и иных посторонних включений, которые могут содержаться в измеряемом природном газе. Данные меры позволили успешно провести сертификационные испытания модуля SGM и получить Европейский сертификат NMi Certin B.V. N 15200299-01 на средство измерения  , в котором , в соответствии с требованиями Европейского Стандарта EN 14236 ,в программе сертификационных испытаний имеется пункт «Невосприимчивость к загрязнениям в потоке газа » - см.п. 2.1.8. « Immunity of contaminants in gas stream» [ 5 ].  

Следует отметить, что в Российских документах – ГОСТ 8.611-2013 «Методы измерения с помощью ультразвуковых преобразователей расхода» и ГОСТ Р 8.915-2016 «Счетчики газа объемные диафрагменные» аналогичных требований по невосприимчивости к загрязнениям не содержится, в связи с чем при проведении испытаний счетчика СМТ – Смарт нами также были использованы рекомендации EN 14236 : 2018 « Ultrasonic domestic gas meters ».

Схема установки для проведения испытаний на влияние пыли на метрологические характеристики счетчика приведена на рисунке:

Элементы схемы установки:
1 - штуцер для подключения испытуемого счетчика
2 - кассета с мелкодисперсным порошком
3 – штуцер подачи потока газа
4 – вентиль.

Рекомендованный состав мелкодисперсного порошка, имитирующего загрязнения , содержащиеся в потоке газа и  процентное содержание компонент :

Fe3O4    -  79% ;   FeO   - 12%  ;  SiO ( цвет - розовый )  - 9% .

Однократно используемая масса смеси – 20г. Размер частиц  компонент порошка должен выбираться из ряда: 0 – 100 мкм, 100 – 200 мкм, 200 – 300 мкм, 300 – 400 мкм.

При проведении испытаний применялись компоненты  с размерами 50 – 100 мкм.  

На фото 1 приведен внешний вид модуля SGM, входящего в состав счетчика до проведения испытаний, на фото 2 – модулей, извлеченных их счетчика после проведения испытаний. 

Фото 1. Внешний вид модуля SGM до испытаний

Фото 2. Внешний вид модулей после испытаний

Результаты испытаний счетчиков СМТ – Смарт  зав.NN 3018100011, 3018100016, 3018100021, 3018100008  приведены в табл. 1,2,3, 4.

Табл.1    счетчик N 3018100011

 

Расход,м3

Погрешность счетчика после испытаний ,%

Погрешность счетчика до испытаний,%

Разность погрешностей,%

Погрешность по ГОСТ 8.915%

     Qmax

        - 0,1        

           0,32    

        - 0,42 

    ± 1,5

0,7Qmax

          0,28 

         - 0,01

          0,29

    ± 1,5

0,4 Qmax

        - 0,36     

         - 0,07

        - 0,29

    ± 1,5

0,1 Qmax

          0,3

           0,11

          0,19

    ± 1,5

10  Qmin

          0,12

           0,14 

        - 0,02

    ± 3

  5  Qmin

          0,06

           0,02

          0,04

    ± 3

      Qmin

          0,71

           0,03   

          0,68  

    ± 3

Табл.2    счетчик N 3018100016

 

Расход,м3

Погрешность счетчика после испытаний ,%

Погрешность счетчика до испытаний,%

Разность погрешностей,%

Погрешность по ГОСТ 8.915%

     Qmax

         0,29

           0,07

         0,22

    ± 1,5

0,7Qmax

          1,41

           0,07 

         1,34

    ± 1,5

0,4 Qmax

        - 0,41

         - 0,19   

       - 0,22  

    ± 1,5

0,1 Qmax

          0,72

           0,02  

         0,7   

    ± 1,5

10  Qmin

          0,74

           0,00

         0,74

    ± 3

  5  Qmin

          0,94

         - 0,1

         0,95

    ± 3

      Qmin

           1,9

         - 0,29

         2,19 

    ± 3

Табл.3    счетчик N 3018100021

 

Расход,м3

Погрешность счетчика после испытаний ,%

Погрешность счетчика до испытаний,%

Разность погрешностей,%

Погрешность по ГОСТ 8.915%

     Qmax

         0,29

          - 0,01

        0,3    

    ± 1,5

0,7Qmax

         1,39 

            0,48

        0,91

    ± 1,5

0,4 Qmax

        - 0,26

          - 0,26

        0,0     

    ± 1,5

0,1 Qmax

          0,92

          - 0,03 

        0,95

    ± 1,5

10  Qmin

          0,82

          - 0,02

        0,84

    ± 3

  5  Qmin

          0,78  

          - 0,1

        0,79

    ± 3

      Qmin

          0,43  

          - 0,73

        1,16

    ± 3

 

Табл.4    счетчик N 3018100008

 

Расход,м3

Погрешность счетчика после испытаний ,%

Погрешность счетчика до испытаний,%

Разность погрешностей,%

Погрешность по ГОСТ 8.915%

     Qmax

       - 0,43

          - 0,13    

       - 0,3

    ± 1,5

0,7Qmax

         1,13

          - 0,06   

         1,19 

    ± 1,5

0,4 Qmax

        - 0,53 

          - 0,42

       - 0,11

    ± 1,5

0,1 Qmax

          0,67

            0,1

         0,57   

    ± 1,5

10  Qmin

          0,56

            0,08

         0,48   

    ± 3

  5  Qmin

          0,46

          - 0,02

         0,48

    ± 3

      Qmin

          0,94

            0,06

         0,88 

    ± 3

Анализ результатов данных испытаний показал, что  незначительное изменение метрологической характеристики счетчиков СМТ – Смарт на разных расходах имеет случайный характер , однако итоговая величина погрешности измерения для всех счетчиков не выходит за пределы, устанавливаемые ГОСТ 8.915-2016. Следует также отметить, что рекомендации документа EN 14236 в части проведения данных испытаний отличны от  стандартных требований ГОСТ 8.915-2016. Во-первых данные рекомендации применимы исключительно к  диапазону расходов Qmax - 0,1 Qmax испытуемого счетчика и, во-вторых, допустимое значение величины  погрешности для данного диапазона измерения расширено до ± 2% в отличие от ± 1,5% по ГОСТ 8.915-2016. Естественно, что при проведении испытаний счетчика СМТ-Смарт мы руководствовались требованиями ГОСТ 8.915-2016.        

Литература.

  1. Шехтер Ю.Л.. «Термоанемометры», «Объединенный институт высоких температур РАН», Москва, сборник статей 2003г.
  2. Паспорт качества газа N 08-10
  3. Паспорт качества газа N 07-17
  4. Паспорт качества газа N 08-05
  5. AG Sensirion «Type Evaluation Report Overview for SGM by Certin B.V.»