Ультразвуковой газовый счетчик с низким энергопотреблением

Когда слышишь ?ультразвуковой газовый счетчик с низким энергопотреблением?, первое, что приходит в голову — это, наверное, какая-то новая, суперсовременная и дорогая штука, которая окупится лет через десять. Или, наоборот, маркетинговая пустышка, где ?низкое энергопотребление? — это просто пара микросхем в режиме сна. На деле всё куда интереснее и прозаичнее. Сам долгое время относился к этой теме скептически, пока не пришлось разбираться с реальными проектами, где автономность и точность на малых расходах были критичны. И вот тут начинается самое интересное — разрыв между теорией паспортных данных и практикой эксплуатации.

Где на самом деле кроется ?низкое энергопотребление?

Не буду грузить теорией, скажу из практики: ключ — не только в процессоре или выборе компонентов. Это системная история. Самый прожорливый элемент — это ультразвуковой преобразователь и схема его возбуждения. Если гнать импульсы ?в лоб?, как в промышленных стационарных расходомерах, от батареи G-счетчик протянет от силы год. А нам-то нужно 10+ лет. Значит, нужно хитрить.

Здесь многие производители идут разными путями. Кто-то уменьшает частоту опроса тракта, кто-то использует сложные алгоритмы адаптивной мощности импульса. Видел решения, где при стабильном потоке система переходит в ?редкий? режим диагностики, экономя заряд. Но тут есть подводный камень: можно прозевать кратковременный всплеск расхода. Поэтому алгоритмы — это ноу-хау, и они часто дают сбой в нестандартных условиях, например, при сильных вибрациях трубы.

Вот, к примеру, в линейке у одного из поставщиков, ООО ?Чжэцзян Сапфир Приборная Технология? (сайт — zjlbs.ru), заявлен широкий типоразмерный ряд ультразвуковых счетчиков. В их описании прямо указано применение для разных давлений, от низких 60 кПа до высоких 10 МПа. Это намекает, что алгоритмы управления преобразователями и энергопотреблением должны быть адаптированы под разные гидравлические режимы. На низком давлении сигнал слабее — нужно больше ?слушать?, значит, потенциально больше тратить энергии. Как они это обходят? Без вскрытия протокола тестов не скажешь, но сам факт заявленного широкого диапазона говорит о проработке вопроса.

Практические грабли: автономность vs. функционал

Самый болезненный опыт — это интеграция с системами дистанционного съема данных. Захотели мы к ультразвуковому счетчику с низким энергопотреблением прикрутить NB-IoT или LoRaWAN модуль. Казалось бы, логично: точный счетчик плюс ?умная? передача. Ан нет. Радиомодуль — это пожиратель энергии. Даже в режиме глубокого сна он периодически просыпается на синхронизацию с сетью.

Была у нас попытка на одном объекте. Счетчик от того же ?Сапфира? в связке со сторонним NB-IoT модулем. Паспортная автономность счетчика — 12 лет. С модулем — упала до 3-4 лет в лучшем случае. И это при условии, что передача данных была раз в сутки! Всё упирается в несогласованность протоколов энергосбережения между самим счетчиком и коммуникационным модулем. Каждое ?проснись и передай? — это пиковый ток, который сажает батарею.

Интересно, что на сайте ООО ?Чжэцзян Сапфир Приборная Технология? указано, что они предлагают мембранные счетчики уже с встроенным NB-IoT. Наверняка там эта интеграция решена на аппаратно-программном уровне, и оптимизация лучше. Но для ультразвуковых моделей, особенно больших диаметров (DN100 и выше), где часто стоит внешнее питание, вопрос энергопотребления для радиомодуля уже не так остёр. А вот для бытовых G4-G16, которые должны работать от батареи — это головная боль.

Диапазоны измерений и точность: где энергосбережение мешает?

Ещё один нюанс, о котором редко пишут в брошюрах. Ультразвуковой газовый счетчик хорош широким диапазонностью, особенно на малых расходах. Но чтобы уверенно измерять очень маленькие скорости потока, нужно долго ?накапливать? сигнал, усреднять, фильтровать помехи. Это требует времени и, опять же, энергии. Можно ли одновременно быть сверхточным на минимуме и сверхэкономичным?

По моим наблюдениям, часто происходит компромисс. Прошивка счетчика может иметь несколько режимов. В штатном режиме — баланс точности и расхода энергии. При низком заряде батареи — может переходить в упрощенный режим с меньшей точностью на краях диапазона. Пользователь этого не заметит, пока не снимет прибор для поверки. Мы как-то столкнулись с партией счетчиков, которые после 6 лет работы начали чуть занижать показания на малых расходах. Причина — сработал алгоритм экономии, снизилась частота калибровки нуля тракта. Пришлось перепрошивать.

Упомянутая компания ?Сапфир? в своем описании делает акцент на охвате типоразмеров от G1.6 до G40 для мембранных и DN32-DN600 для ультразвуковых. Для таких разных диаметров физика измерения одна, но подход к энергоменеджменту должен быть разным. Для малого DN32 малый расход — это, условно, несколько литров в час, а для DN600 — это уже кубометры. Датчики и алгоритмы обработки сигнала для этих случаев оптимизируются по-разному, и это напрямую влияет на итоговое энергопотребление.

Давление — немой потребитель энергии

Мало кто об этом задумывается, но рабочее давление в сети — это тоже фактор для энергобаланса счетчика. Не механический, конечно, а опять же связанный с обработкой сигнала. На высоком давлении (те же заявленные 10 МПа) плотность газа выше, акустический импеданс другой. Сигнал проходит лучше, его легче детектировать. Можно использовать более короткие и менее мощные зондирующие импульсы.

А вот на низком давлении, особенно близком к нижней границе (60 кПа), газ разрежен. Сигнал затухает сильнее, больше шумов. Чтобы получить достоверные данные, электронике приходится увеличивать мощность импульса или время накопления данных. И то, и другое ведет к повышенному расходу энергии. Поэтому, когда видишь в спецификациях, как у ООО ?Чжэцзян Сапфир Приборная Технология?, широкий диапазон рабочих давлений, понимаешь, что инженеры должны были заложить в управляющую логику адаптацию не только к расходу, но и к давлению. Иначе заявленный срок службы от батареи в условиях низкого давления может оказаться просто недостижимым.

На практике мы проверяли это косвенно. Ставили одинаковые модели счетчиков на выходе из ГРП (высокое давление) и на вводе в дом на последних этажах (низкое давление). Через два года разница в остаточном ресурсе батареи (по данным встроенной диагностики) могла достигать 15-20%. Не фатально, но для сетевой компании, закупающей тысячи приборов, это существенно.

Итоги: так ли нужна эта ?низкопотребляйка??

Возвращаясь к началу. Стоит ли гнаться за ультразвуковым газовым счетчиком с низким энергопотреблением как за самоцелью? Мой вывод — да, но только если это часть сбалансированной конструкции, где экономия энергии не идет в ущерб точности и надежности на всем сроке службы. И главное — если учтены реальные условия эксплуатации: давление, температура, наличие вибраций, необходимость внешней связи.

Сейчас на рынке, судя по ассортименту таких компаний, как ?Сапфир?, это уже не экзотика, а вполне себе сегмент. Наличие линеек и для бытового сектора (типоразмеры G), и для коммерческого/промышленного учета (DN32-DN600) говорит о том, что технология отработана. Но при выборе все равно нужно смотреть вглубь: какие конкретно алгоритмы используются для энергосбережения, как реализована диагностика состояния батареи, насколько гибко можно настроить режимы работы под конкретную задачу.

В конечном счете, такой счетчик — это не волшебная черная коробка, а сложный прибор, где компромиссы заложены на этапе проектирования. Задача инженера-эксплуатационщика — понять эти компромиссы и правильно применить прибор там, где его сильные стороны (точность на малых расходах, широкий диапазон, долгая автономность) перевесят возможные слабости и будут экономически оправданы. А просто как ?модная игрушка? — он, пожалуй, дороговат.