Миниатюрный ультразвуковой газовый счетчик

Когда говорят про миниатюрный ультразвуковой газовый счетчик, многие сразу представляют себе просто уменьшенную версию промышленного УЗ расходомера. Это первое и, пожалуй, самое распространенное заблуждение. На деле, переход на малые типоразмеры — это не просто масштабирование, а принципиально иная задача по компоновке тракта, обработке слабого сигнала и обеспечению стабильности в условиях бытовых перепадов давления и температур. Я сам долго считал, что основная сложность — это электроника, пока не столкнулся с проблемами гидродинамической настройки канала на диаметрах меньше G4.

Где на самом деле нужна ?миниатюра? и почему не мембрана

Спрос на компактные ультразвуковые решения часто возникает там, где место для установки ограничено, но требования к диапазонности расхода и долговременной стабильности — высокие. Классический пример — модульные котельные, компактные технологические установки, реконструкция старых сетей без возможности расширить шахту. Мембранный счетчик здесь может и дешевле, но его диапазонность (особенно в нижней части шкалы) и чувствительность к загрязнению газа часто становятся критичными недостатками.

Ультразвук же, при правильной реализации, лишен этих проблем. Но вот это ?правильная реализация? — ключевое. В миниатюрном корпусе сложно разнести приемник и излучатель на достаточное расстояние, чтобы получить хорошую разность времен прохождения сигнала. Приходится идти на хитрости с многократными отражениями сигнала внутри канала, что, в свою очередь, требует ювелирной точности изготовления самого измерительного участка. Любая заусеница или отклонение в шероховатости поверхности — и погрешность на малых расходах выходит за допустимые рамки.

Здесь стоит отметить подход компании ООО ?Чжэцзян Сапфир Приборная Технология?. На их сайте https://www.zjlbs.ru видно, что они предлагают ультразвуковые счетчики, охватывающие типоразмеры с G1.6 по G25. Сам факт наличия в линейке G1.6 и G2.5 говорит о том, что они всерьез прорабатывают именно тему миниатюризации. Для таких диаметров классическая двухлучевая схема часто не подходит, и, судя по всему, они используют однолучевую с корректирующими алгоритмами, что требует серьезной математики на борту.

Полевые грабли: давление, пыль и вибрация

Теория теорией, но основные сюрпризы начинаются на объекте. Первое — это заявленный диапазон давлений. Многие производители пишут широкий диапазон, например, от 60 кПа до 10 МПа, как у ?Сапфира?. Но для миниатюрного счетчика работа на низком давлении (те же 60 кПа) — это вызов. Скорость звука в газе сильно зависит от давления, и при его падении алгоритмы компенсации должны работать идеально. В одном из наших тестовых проектов счетчик на DN50 стабильно ?недосчитывал? около 1.5% при падении давления ниже 200 кПа, пока мы не загрузили калибровочные таблицы, снятые специально для низких давлений.

Вторая проблема — это механические воздействия. Маленький, легкий корпус резонирует иначе, чем массивный промышленный. Вибрация от рядом стоящего оборудования (насосы, вентиляторы) может вносить ощутимую погрешность в измерение времени прохождения импульса. Приходится добавлять механические демпферы или пересматривать крепление. Это та деталь, которую в лаборатории не всегда увидишь.

И третье — это все же пыль и конденсат. Хотя ультразвуковой метод считается менее чувствительным к загрязнениям, чем тахометрический или мембранный, в миниатюрном канале тонкая пленка конденсата на стенках уже может исказить акустический путь. Мы как-то получили партию счетчиков, которые после месяца работы в сыром подвале начали ?плыть?. Разборка показала, что влага конденсировалась именно на поверхности пьезоэлементов, нарушая их связь со средой. Решение оказалось простым — дополнительный барьерный слой и подогрев преобразователей, но до этого додумались только после натурных испытаний.

Про NB-IoT и ?умные? функции: необходимость или маркетинг?

Сейчас почти все, включая ?Сапфир?, предлагают приборы с NB-IoT. Для миниатюрного ультразвукового счетчика это логично — сам метод измерения цифровой от природы, легко добавить модуль связи. Но здесь есть нюанс энергопотребления. Ультразвуковой преобразователь требует импульсного питания, обработка сигнала — тоже энергозатратна. А NB-IoT модуль при частых сеансах связи сажает батарею за 2-3 года вместо заявленных 8-10.

Поэтому в реальных проектах настройка режима связи — это всегда компромисс между актуальностью данных и сроком службы. Мы обычно выставляем ежедневный опрос для коммерческого учета и еженедельный — для технического. А в случае аварийных событий (резкий перепад давления, попытка вскрытия) — мгновенное оповещение. Кстати, ультразвуковой счетчик, в отличие от мембранного, может детектировать такие события косвенно, по изменению характера сигнала, что является его скрытым преимуществом.

Линейка продукции ООО ?Чжэцзян Сапфир Приборная Технология?, судя по описанию на https://www.zjlbs.ru, включает как мембранные счетчики с NB-IoT, так и ультразвуковые. Это важный момент. Обычно компания, которая производит оба типа, лучше понимает их сравнительные преимущества и недостатки и может более адекватно дорабатывать ультразвуковые модели, перенимая лучшие практики с мембранных (например, в части защиты корпуса или интерфейсов подключения).

Калибровка и поверка: подводные камни малых диаметров

С калибровкой промышленных ультразвуковых расходомеров все более-менее понятно — есть стандартные стенды. Для миниатюрных бытовых и коммунальных счетчиков все сложнее. Основная проблема — создание стабильного, ламинарного потока на очень малых расходах (десятые доли кубометра в час). Любой вихрь, возникающий на входе в счетчик из-за неидеальной геометрии подводящей трубы, вносит погрешность.

На практике мы часто сталкиваемся с тем, что счетчик, идеально прошедший поверку на стенде с прямым участком трубы длиной в 10 диаметров до и после, на объекте показывает отклонение. Причина — недостаточный прямой участок на реальном вводе. Для миниатюрных ультразвуковых моделей этот эффект выражен сильнее из-за более короткого измерительного базы. Поэтому в технической документации к хорошим приборам всегда есть жесткие требования к условиям монтажа, и их нельзя игнорировать.

Интересно, как разные производители решают эту проблему. Кто-то встраивает в сам счетчик flow straightener (струевыпрямитель), но это увеличивает габариты и гидравлическое сопротивление. Другие, и я подозреваю, что ?Сапфир? идет по этому пути, программно компенсируют типовые искажения профиля потока, зашивая в firmware несколько калибровочных кривых для разных типовых условий входа. Это умный подход, но он требует огромной базы экспериментальных данных.

Будущее направления: интеграция и диагностика

Куда все движется? Миниатюрный ультразвуковой газовый счетчик перестает быть просто измерителем объема. Он становится точкой сбора данных о состоянии сети. По изменению соотношения скоростей звука вверх и вниз по потоку можно оценивать изменение состава газа (калорийность), что уже пробуют делать в пилотных проектах.

Кроме того, сам принцип работы позволяет вести постоянную самодиагностику. Дрейф характеристик пьезоэлементов, зарастание канала — все это можно увидеть по изменению формы и амплитуды принимаемого сигнала. Следующий шаг — это счетчики, которые сами сообщают о необходимости технического обслуживания или о приближающемся выходе за пределы погрешности. И здесь ультразвуковая технология имеет огромный потенциал по сравнению с механическими конкурентами.

Вернемся к конкретике. Если оценивать рынок, то наличие в ассортименте компании ?Сапфир? моделей от G1.6 до DN600 — это стратегия покрытия всех сегментов, от квартиры до магистрали. Для конечного инженера это удобно: можно выстроить единую систему учета на одной элементной базе и с одним программным обеспечением для сбора данных. А это, в конечном итоге, снижает стоимость владения. Миниатюрный счетчик — это не игрушка, а часть большой, умной системы, и его ценность определяется именно этим.