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 счётчики 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 микротермального модуля, 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, 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 в микротермальном датчике 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. 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 стандартным условиям. Параметр Ri для каждого значения параметра λi вычисляется по формуле:
Ri = ρстi × 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 микротермального модуля, 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 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 микротермального модуля и получить Европейский сертификат 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».
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 микротермального модуля, входящего в состав счетчика до проведения испытаний, на фото 2 – модулей, извлеченных их счетчика после проведения испытаний.
Фото 1. Внешний вид микротермального модуля 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/ч | 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/ч | 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/ч | 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/ч | 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.