И снова о прямом методе измерения

В 2018 году компания «Техномер» приступила к серийному выпуску счётчика газового СМТ-Смарт, в основу которого был положен новый микротермальный метод измерения. Счётчик выгодно отличался от основной массы аналогичных приборов, применяемых в секторе учёта газа, потребляемого населением.

Так, в нём впервые, применительно к данному классу приборов, измерялся объём потреблённого газа, приведённый к стандартным условиям. Кроме этого, в счётчике имелся встроенный GSM/GPRS-модуль беспроводной передачи данных, а также опционально счётчик поставлялся со встроенным клапаном. В официальных документах, полученных при первичной сертификации счётчика СМТ-Смарт было указано, что в нём реализован прямой метод измерения, в связи с чем методика измерений внесена в комплект эксплуатационной документации. Разъяснения по этому поводу были даны в письме за подписью В.А. Фафурина - первого заместителя директора по научной работе Государственного научного метрологического центра ФГУП «ВНИИР» (Рег.N 4885/02-13 от 11.12.2019 г.).

С начала поставок счётчиков СМТ-Смарт в различные регионы, в наш адрес поступило много вопросов, связанных с микротермальным методом измерений, а также с просьбами разъяснить, на каком основании в документах на счётчик указано, что метод измерения, применённый в счётчике – прямой. И далее, как правило, давалось своё понимание того, что следует относить к прямому методу измерений.

Нами неоднократно давались разъяснения по указанным вопросам (см., например, [1], [2]). Указанная информация была размещена на сайте нашего предприятия, а также в информационных тематических сборниках [3],[4]. Более того, официальная позиция Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт РФ) по этим вопросам изложена в письме за подписью Д.В.Гоголева - начальника управления метрологии (Рег.N 22831-ДГ/04 от 06.12.2019г.) [5]. В указанном документе констатируется, что в счётчике СМТ-Смарт, в соответствии с п.19 статьи 2 Федерального закона от 26.06.2008 N102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» используется прямой метод измерения объёма природного газа, приведённого к стандартным условиям. Данный тип счётчика является средством измерений утверждённого типа и, в связи с этим, может применяться в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.

После разъяснений, данных Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, вопросы относительно прямого метода измерений в счётчике СМТ-Смарт прекратились, однако на прошедшем 13-16 сентября 2022 г XI Петербургском международном газовом форуме посетители нашего стенда вновь обращались к прямому методу измерений, причем уже не только применительно к нашему счётчику, а в общем: может ли в принципе данный метод быть реализован в бытовых счётчиках газа?

Что следует относить к прямым измерениям? Формулировка приведена в п.19 статьи 2 Федерального закона N102 «Об обеспечении единства измерений»: «Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений». Исходя из данной формулировки, легко дать определение для косвенного метода измерения. При косвенном методе измерений значение искомой величины определяется путем пересчёта величин, полученных от самостоятельных средств измерений, связанных с искомой величиной известной аналитической зависимостью. Попутно приведём определение средства измерения — это техническое средство или совокупность средств, применяющееся для осуществления измерений и обладающее нормированными метрологическими характеристиками. При помощи средств измерения физическая величина может быть не только обнаружена, но и измерена.

Основными элементами конструкции счётчика являются: измерительный механизм - 3, кривошипно-рычажный механизм - 4 и механическое отсчётное устройство. Очевидно, что ни одно из упомянутых устройств, образующих измерительный тракт счётчика, не относится к средствам измерения, т.к. не обладает нормированными метрологическими характеристиками, а является элементом конструкции счётчика. Тем не менее, счётчик, в состав которого данные элементы входят, является средством измерения, т.к. обладает нормированными метрологическими параметрами. Таким образом, в данном диафрагменном счётчике реализован прямой метод измерения, т.к. искомая измеряемая величина – объём газа, приведённый к рабочим условиям, получается непосредственно от данного средства измерения без привлечения результатов других прямых измерений, внутренних или внешних. Рассмотрим конструкцию ультразвукового счётчика газа, в котором использован время-пролётный способ измерения.

Основными элементами счётчика являются ультразвуковые передатчики/приёмники и электронное устройство, обрабатывающее полученные от них сигналы в соответствии с приведённым на рис.2 алгоритмом. Подробное описание принципов работы и различных схем реализации подобного счётчика приведено в ГОСТ 8.611-2013 «Расход и количество газа. Методика (метод) измерений с помощью ультразвуковых преобразователей расхода». Из приведённой структурной схемы счётчика очевидно, что ни ультразвуковые передатчики/приёмники, ни электронное устройство, обрабатывающее полученные от них сигналы, не являются средствами измерения и, соответственно, не обладают нормированными метрологическими характеристиками. Более того, методика измерений, приведённая в ГОСТ 8.611-2013, не требует, например, определения погрешности измерения временных интервалов tпрям и tобр, нормированным параметром, как и в случае с диафрагменным счётчиком, является погрешность измерения объёма газа, измеренного в данном случае при рабочих условиях. Исходя из этого можно утверждать, что в ультразвуковом счётчике, упрощённая структурная схема которого приведена на рис.2, также реализован прямой метод измерения.

И, наконец, перейдем к микротермальному счётчику газовому СМТ-Смарт. На рис. 3 приведена диаграмма, поясняющая принцип его работы. Входным измеряемым параметром является разность температур измеряемой среды. Чувствительный элемент микротермального датчика выполнен по MEMS–технологии, что обеспечивает высокую надёжность при работе.

Чувствительный элемент состоит из нагревателя и датчиков температуры Т1 и Т2, расположенных до и после нагревателя по потоку газа. Все элементы схемы, включая микроконтроллер, осуществляющий обработку результатов измерений, расположены в едином кристалле, размеры которого приведены на рис.3.

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 рис.4.

Поток газа вызывает изменение эпюры распределения температур над поверхностью чувствительного элемента, что приводит к изменению значений температур, измеряемых датчиками температуры Т1 и Т2, расположенными до и после нагревателя. Полученная разница температур является функцией массового расхода газа.

Однако при этом отдельные компоненты, входящие в состав чувствительного элемента, – датчики температуры, нагреватель, микроконтроллер – не относятся к средствам измерения, т.к. не имеют нормированных метрологических характеристик.

Таким образом, в счётчике СМТ-Смарт используется прямой метод измерения, т.к. искомая измеряемая величина – объём газа, приведённый к стандартным условиям, получается непосредственно от данного средства измерения без привлечения результатов других прямых измерений, внутренних или внешних.

Приведенные выше примеры счётчиков показывают, что в их составе отсутствуют какие-либо отдельные самостоятельные средства измерения; единственным средством измерения являются сами счётчики, и только они обладают нормированными метрологическими характеристиками.

Как видим, прямой метод измерения не является какой-то сложной и непонятной вещью в себе – достаточно всего лишь точно следовать определению этого метода, данного в Федеральном законе от 26.06.2008 N102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений», не пытаясь давать собственное его толкование.

Литература

1. Охотин А.А. «Микротермальный метод измерения – новый тренд в измерении объёма природного газа».
2. Охотин А.А. «Счётчик СМТ-Смарт – вопросы и ответы».
3. Тематический сборник статей ООО Техномер «Интеллектуальный счётчик газа СМТ-Смарт в едином информационном пространстве».
4. Тематический сборник статей ООО Техномер «Интеллектуальная система учёта газа: Газсеть и счётчик СМТ-Смарт».
5. Государственный научный метрологический центр ФГУП «ВНИИР» - письмо первого заместителя директора по научной работе В.А. Фафурина (Рег.N 4885/02-13 от 11.12.2019 г.).
6. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт РФ) - письмо начальника управления метрологии Д.В.Гоголева (Рег.N 22831-ДГ/04 от 06.12.2019г.)