Una panoramica sullo stato dell'arte delle tecnologie di "smart gas metering"

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Una panoramica sullo stato dell'arte delle tecnologie di "smart gas metering"

  1. 1. Una panoramica sullo stato dell’arte d ll tecnologie d ll’ delle l i smart gas meteringFurio Cascetta (Università di Napoli) furio.cascetta@unina.it
  2. 2. Cos’è uno smart gas meter?E’ un misuratore di gas basato sull’impiego di unmicroprocessore (μP-based), in grado di svolgerefunzioni di elaborazione e calcolo a vantaggio dellaqualità complessiva del “processo di misura”.Misuratore di portata istantanea [m3/h] solitamente riferita /h],alle condizioni termodinamiche di esercizio (operative) del gas;in genere vi è la possibilità di integrazione temporale dellaportata volumetrica per il conteggio dei volumi di gas totali;Contatore di volumi [m3], solitamente riferiti alle condizionite od a c e d ese c o (ope at e) de gastermodinamiche di esercizio (operative) del gas.Ogni misuratore/contatore se munito di un sistema diconversione dei volumi (PTZ), esterno o interno (integrato),è in g ado di esp ime e il risultato delle mis a ioni in grado esprimere is ltato misurazionicondizioni termodinamiche di riferimento o standard(T=15,0°C, p=1,01325 bar).
  3. 3. Nell’industria del gas, i dispositivi di misura del gas vengonoprincipalmente utilizzati nella loro funzione di “contatori” di volumidi gas (piuttosto che come misuratori di portata istantanea) istantanea). Nella sua accezione più diffusa, l’attributo “smart” per un misuratore/contatore di gas h a che vedere con l’ l i t / t t ha h d l’elemento t secondario integrato: è in questo modulo che “risiede” l’elettronica che provvede alle funzioni complementari alla misura. Il microprocessore è in grado di: • svolgere operazioni di calcolo ed elaborazione g p • gestire degli I/O • gestire la comunicazione a distanza (bi-direzionale) • svolgere le funzioni di auto diagnostica auto-diagnostica
  4. 4. Possono aversi smart gas meters (SGM) basati su un principio fisicodi misura di tipo tradizionale (meccanico). In questo caso lefunzioni “smart” sono connesse unicamente alle funzioni accessorie smartalla misura. In altre parole il microprocessore non intervienenell’elemento primario (ovvero il cuore del misuratore). Leprestazioni metrologiche (pur nel rispetto dei limiti previsti dallaMetrologia Legale, denominati “errori massimi ammissibili”) sonoquindi strettamente connesse alla tipologia del principio fisico di misurautilizzato.utilizzato In genere i contatori di tipo meccanico (a parete genere,deformabile, a turbina, a pistoni rotanti) sono caratterizzati dacomportamenti dinamici che implicano, nel tempo, usura,deterioramento di alcuni componenti e un “dd i l i i “decadimento prestazionale” di i l ”di una certa entità.Le funzioni “intelligenti” (smart) svolte dal microprocessore nonintervengono quindi sulla “qualità della misura” dell’elemento primario,ma solo sulle funzioni accessorie richieste.
  5. 5. Ad esempio per i contatori gas di piccola taglia, G4-G6 (per uso p p g p g , (pdomestico o residenziale) esistono misuratori a parete deformabilemuniti di un “modulo elettronico” in grado di fornire le funzioniaggiuntive di “intelligenza” (capacità di calcolo, elaborazione, intelligenzagestione periferiche, comunicazione a distanza).In genere questo tipo di misuratori derivano dalle esperienze fatteda alcuni Costruttori Metrici nel campo del “prepagato” (prepaid prepagatogas meters). Con riferimento alla Delibera ARG/gas 155/08, il modulo elettronico può ad esempio gestire le “funzionalità minime”: •un display grafico digitale (LCD) (LCD), •orologio/calendario •il sistema di termo-compensazione (correzione-T dei volumi), •il modulo di comunicazione remota il remota, •la valvola di intercettazione, •i registri totalizzatori/ curva di prelievo
  6. 6. smart residential meteringAlcuni esempi di contatori gas di piccola taglia, G4-G6, di tipotradizionale (a parete deformabile) dotati di un “moduloelettronicoelettronico”
  7. 7. Alternativamente possono aversi anche dei dispositivi di misuradenominati “full smart gas meters”. full meters .In tali misuratori (FSGM), anche l’elemento primario è di tipoelettronico: in questo caso il principio fisico di misura è tale dagenerare un segnale elettrico di misura Anziché misurazioni di misura.grandezze meccaniche (spostamenti, rotazioni, traslazioni,cinematica dei moti relativi, ecc.) come normalmente avviene neimisuratori gas di tipo tradizionale nei misuratori elettronici i tradizionale,segnali di misura sono segnali elettrici di natura digitale (ades. frequenze) o di natura analogica (ad es. tensioni, correnti,ecc.). I full smart gas meters sono quindi basati su tecniche di misura di tipo innovativo, solitamente utilizzanti principi fisici di tipo p , p p p statico (senza parti in movimento). Per loro natura, i FSGM sono meno soggetti agli effetti del tempo (usura, deterioramento, deriva temporale, ecc.). Se ben realizzati, la maggiore raffinatezza del principio fisico di misura consente di realizzare incertezze di misura (errori) inferiori rispetto a quelle dei misuratori meccanici.
  8. 8. Sebbene rispetto alla tutela della fede pubblica (tutela deiconsumatori) il marchio metrologico “CE” o “MID” è quello che certifical’adeguatezza delle prestazioni di misura alla specifica applicazionefiscale (transazioni commerciali), dai full smart gas meters èplausibile attendersi una curva di errore molto più“schiacciata” all’interno di limiti di errori ammissibili (incertezzadi misura più ristretta). Analogamente, è plausibile attendersi una p ) g pmigliore affidabilità di misura nel tempo (fondamentalmente dovutaalla natura statica del principio di misura).E’ possibile quindi concludere che non tutti i misuratori smart gasmeters sono uguali: la qualità generale della misura e l’affidabilitànel tempo possono essere significativamente diverse tra unmisuratore meccanico munito delle funzioni smart (elettronicadell’elemento secondario) ed un misuratore elettronico, nel quale lepotenzialità tecnologiche del microprocessore vengono sfruttate sianell’elemento primario (organo di misura vero e proprio), sianell’elemento secondario.
  9. 9. Curva di errore di un misuratore al ultrasuoni (dichiarata dal Costruttore)
  10. 10. Curva di errore di un misuratore massico termico (dichiarata dal Costruttore)
  11. 11. Nella pratica, concentrando l’attenzione sui contatori gas di piccola taglia G4-G6 (per uso domestico residenziale), le tecnologie statiche che ad oggi sono state sviluppate per le misure “smart” smart di gas sono:misuratori di gas ad ultrasuoni misuratori di gas massici termici
  12. 12. Ultrasuoni Vs Massico Termico Ultrasuoni Vs Massico TermicoNella pratica, non tutti i FSGM basati su principio statico sono uguali:ci sono t i tecnologie di misura più mature e più collaudate, rispetto ad l i i iù t iù ll d t i tt daltre tecnologie di misura.I misuratori ad ultrasuoni per uso domestico sono nati oltre undecennio fa. Esistono realizzazioni industriali sia in Europa, sia inGiappone. ppVantano una popolazione di installazioni di qualche milione di pezzi(negli ultimi 15 anni sono state sviluppate 4-5 successive 45generazioni). Sono diffusamente studiati e su di essi esiste un’ampialetteratura tecnica.Vantano una norma europea di prodotto specifica: UNI EN14236:2007 (Misuratori di gas domestici ad ultrasuoni).
  13. 13. Ultrasuoni Vs Massico Termico Ultrasuoni Vs Massico TermicoI misuratori massici termici per uso domestico sono apparsi sulmercato relativamente da poco (dal 2005). Esistono realizzazioniindustriali in Europa, in Nord America, in Asia.Oggi appaiono ancora in fase iniziale della produzione industriale(alcune Costruttori Metrici stanno perfezionando ed implementandoprototipi e modelli specifici rivolti al mercato domestico del gas).I misuratori massici termici installati in Europa sono dell’ordine di dell ordinequalche migliaio (nel mondo forse qualche decina di migliaia).Sono ancora relativamente poco studiati e testati d E i di ricercaS l i di i i da Enti iindipendenti (terzi); mancano dati in letteratura tecnica che netestimoniano la piana affidabilità di misura nel tempo.Non possiedono ancora una norma tecnica di prodotto.
  14. 14. Ultrasuoni Vs Massico Termico Ultrasuoni Vs Massico TermicoEcco le principali caratteristiche tecniche dei misuratori adultrasuoni per uso domestico:• bassa incertezza di misura (elevata accuratezza), anche incondizioni di flusso minimo (Qmin);• ampio campo di misura (G4): da 0,016 a 6 m3/h;• bi-direzionalità della misura;• senza parti i movimento; ti in i t• consumi di energia ridotti (rispetto alle prime versioni); duratadelle batterie circa 10 anni;• assorbimento di pressione: 1,0 mbar alla Qmax (senza valvolainterna); 2,0 mbar alla Qmax (con valvola interna);• evolute funzioni di diagnostica; g ;• minimum detectable flow: 0,003 m3/h (3 L/h);• misura poco influenzata dalla natura/composizione del gas.
  15. 15. Ultrasuoni Vs Massico Termico Ultrasuoni Vs Massico TermicoComportamento di un misuratore ad ultrasuoni (USM) con gas di diversa natura
  16. 16. Ultrasuoni Vs Massico Termico Ultrasuoni Vs Massico TermicoEcco le principali caratteristiche tecniche dei misuratori massici termiciper uso domestico:• sensori termici di consolidata tecnologia (ad esempio CMOS);• misura statica (assenza di attrito); ( )• per misure accurate, richiedono tecniche di campionamento dei segnalipiuttosto frequenti (campionamenti fitti, consumi più elevati);• misura potenzialmente influenzata dalla natura/composizione del g p p gas: labontà della misura dipende dalla conoscenza/costanza del calore specificoa pressione costante (cp) e della conducibilità (conduttività) termica delfluido (λ); ( );• perdite di carico influenzate dall’elemento laminarizzatore (pressuredropper);• possibilità di occlusione del circuito a by-pass capillare (e anche del p yp p (pressure dropper);• eventuale contaminazione del chip di misura da polvere o impurità.
  17. 17. Ultrasuoni Vs Massico Termico Ultrasuoni Vs Massico TermicoComportamento di un misuratore massico termico (TF) con gas di diversa natura
  18. 18. Conclusioni• E’ auspicabile che anche nel settore del domestic gas metering i Costruttori Metriciinvestano in ricerca ed innovazione tecnologica, e che conseguentemente si affermino sulmercato mondiale i cosiddetti full smart gas meters a prezzi sostenibili. g p• Anche se ad oggi tra le due prevalenti tecnologie statiche di misura sembra esserci unleggero “gap” di maturità, la ricerca e lo sviluppo nel tempo possono produrre sensibilimiglioramenti tecnologici e successive implementazioni di modelli via via più g g p pevoluti.• Attualmente non ci sono segnali particolarmente incoraggianti dal mercato deiCostruttori Metrici: l’orientamento prevalente sembra sia quello di equipaggiare itradizionali contatori di tipo meccanico con unità elettroniche (elemento secondario).• I Costruttori Metrici che hanno scelto la strada dei misuratori innovativi basati suprincipi di misura statici (fully smart gas meters) sono ancora relativamente pochi e leloro capacità produttive sono ovviamente limitate.• Manca in Italia/Europa un numero di installazioni di FSGM di rilevanza tale da costituireun significativo patrimonio di esperienze finalizzate a superare le naturali diffidenzeverso le nuove tecnologie e a validare la loro affidabilità complessiva di misura.
  19. 19. ConclusioniMeritano un approfondito discorso a parte alcuni temi riguardanti latelelettura e la telegestione dei contatori gas intelligenti:• gli aspetti tecnologici inerenti la definizione dei protocolli standard dicomunicazione nelle architetture di sistema punto-multipunto;• gli aspetti tecnici inerenti la interoperabilità dei moduli;• gli aspetti tecnologici inerenti la sicurezza/integrità dei dati trasmessi;• gli aspetti tecnici inerenti la valvola di intercettazione (affidabilità,immunità elettromagnetica, profili di responsabilità);• gli aspetti di sostenibilità economico-finanziaria inerenti la realizzazione di economico finanziariaun progetto nazionale di telelettura e telegestione dei contatori gas di tiporesidenziale (circa 17 milioni di contatori, pari all’80% dei complessivi 21.3milioni di G4-G6 installati in Italia). G4 G6

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