1. Una panoramica sullo stato
dell’arte d ll tecnologie
d ll’ delle l i
smart gas metering
Furio Cascetta (Università di Napoli)
furio.cascetta@unina.it

2. Cos’è uno smart gas meter?
E’ un misuratore di gas basato sull’impiego di un
microprocessore (μP-based), in grado di svolgere
funzioni di elaborazione e calcolo a vantaggio della
qualità 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 della
portata volumetrica per il conteggio dei volumi di gas totali;
Contatore di volumi [m3], solitamente riferiti alle condizioni
te od a c e d ese c o (ope at e) de gas
termodinamiche di esercizio (operative) del gas.
Ogni misuratore/contatore se munito di un sistema di
conversione 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 misurazioni
condizioni termodinamiche di riferimento o standard
(T=15,0°C, p=1,01325 bar).

3. Nell’industria del gas, i dispositivi di misura del gas vengono
principalmente utilizzati nella loro funzione di “contatori” di volumi
di 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. Possono aversi smart gas meters (SGM) basati su un principio fisico
di misura di tipo tradizionale (meccanico). In questo caso le
funzioni “smart” sono connesse unicamente alle funzioni accessorie
smart
alla misura. In altre parole il microprocessore non interviene
nell’elemento primario (ovvero il cuore del misuratore). Le
prestazioni metrologiche (pur nel rispetto dei limiti previsti dalla
Metrologia Legale, denominati “errori massimi ammissibili”) sono
quindi strettamente connesse alla tipologia del principio fisico di misura
utilizzato.
utilizzato In genere i contatori di tipo meccanico (a parete
genere,
deformabile, a turbina, a pistoni rotanti) sono caratterizzati da
comportamenti dinamici che implicano, nel tempo, usura,
deterioramento di alcuni componenti e un “d
d i l i i “decadimento prestazionale”
di i l ”
di una certa entità.
Le funzioni “intelligenti” (smart) svolte dal microprocessore non
intervengono quindi sulla “qualità della misura” dell’elemento primario,
ma solo sulle funzioni accessorie richieste.

5. Ad esempio per i contatori gas di piccola taglia, G4-G6 (per uso
p p g p g , (p
domestico o residenziale) esistono misuratori a parete deformabile
muniti di un “modulo elettronico” in grado di fornire le funzioni
aggiuntive di “intelligenza” (capacità di calcolo, elaborazione,
intelligenza
gestione periferiche, comunicazione a distanza).
In genere questo tipo di misuratori derivano dalle esperienze fatte
da alcuni Costruttori Metrici nel campo del “prepagato” (prepaid
prepagato
gas 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. smart residential metering
Alcuni esempi di contatori gas di piccola taglia, G4-G6, di tipo
tradizionale (a parete deformabile) dotati di un “modulo
elettronico
elettronico”

7. Alternativamente possono aversi anche dei dispositivi di misura
denominati “full smart gas meters”.
full meters .
In tali misuratori (FSGM), anche l’elemento primario è di tipo
elettronico: in questo caso il principio fisico di misura è tale da
generare un segnale elettrico di misura Anziché misurazioni di
misura.
grandezze meccaniche (spostamenti, rotazioni, traslazioni,
cinematica dei moti relativi, ecc.) come normalmente avviene nei
misuratori gas di tipo tradizionale nei misuratori elettronici i
tradizionale,
segnali di misura sono segnali elettrici di natura digitale (ad
es. 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. Sebbene rispetto alla tutela della fede pubblica (tutela dei
consumatori) il marchio metrologico “CE” o “MID” è quello che certifica
l’adeguatezza delle prestazioni di misura alla specifica applicazione
fiscale (transazioni commerciali), dai full smart gas meters è
plausibile attendersi una curva di errore molto più
“schiacciata” all’interno di limiti di errori ammissibili (incertezza
di misura più ristretta). Analogamente, è plausibile attendersi una
p ) g p
migliore affidabilità di misura nel tempo (fondamentalmente dovuta
alla natura statica del principio di misura).
E’ possibile quindi concludere che non tutti i misuratori smart gas
meters sono uguali: la qualità generale della misura e l’affidabilità
nel tempo possono essere significativamente diverse tra un
misuratore meccanico munito delle funzioni smart (elettronica
dell’elemento secondario) ed un misuratore elettronico, nel quale le
potenzialità tecnologiche del microprocessore vengono sfruttate sia
nell’elemento primario (organo di misura vero e proprio), sia
nell’elemento secondario.

9. Curva di errore di un misuratore al ultrasuoni (dichiarata dal Costruttore)

10. Curva di errore di un misuratore massico termico (dichiarata dal Costruttore)

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. Ultrasuoni Vs Massico Termico
Ultrasuoni Vs Massico Termico
Nella 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 d
altre tecnologie di misura.
I misuratori ad ultrasuoni per uso domestico sono nati oltre un
decennio fa. Esistono realizzazioni industriali sia in Europa, sia in
Giappone.
pp
Vantano una popolazione di installazioni di qualche milione di pezzi
(negli ultimi 15 anni sono state sviluppate 4-5 successive
45
generazioni). Sono diffusamente studiati e su di essi esiste un’ampia
letteratura tecnica.
Vantano una norma europea di prodotto specifica: UNI EN
14236:2007 (Misuratori di gas domestici ad ultrasuoni).

13. Ultrasuoni Vs Massico Termico
Ultrasuoni Vs Massico Termico
I misuratori massici termici per uso domestico sono apparsi sul
mercato relativamente da poco (dal 2005). Esistono realizzazioni
industriali in Europa, in Nord America, in Asia.
Oggi appaiono ancora in fase iniziale della produzione industriale
(alcune Costruttori Metrici stanno perfezionando ed implementando
prototipi e modelli specifici rivolti al mercato domestico del gas).
I misuratori massici termici installati in Europa sono dell’ordine di
dell ordine
qualche migliaio (nel mondo forse qualche decina di migliaia).
Sono ancora relativamente poco studiati e testati d E i di ricerca
S l i di i i da Enti i
indipendenti (terzi); mancano dati in letteratura tecnica che ne
testimoniano la piana affidabilità di misura nel tempo.
Non possiedono ancora una norma tecnica di prodotto.

14. Ultrasuoni Vs Massico Termico
Ultrasuoni Vs Massico Termico
Ecco le principali caratteristiche tecniche dei misuratori ad
ultrasuoni per uso domestico:
• bassa incertezza di misura (elevata accuratezza), anche in
condizioni 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); durata
delle batterie circa 10 anni;
• assorbimento di pressione: 1,0 mbar alla Qmax (senza valvola
interna); 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. Ultrasuoni Vs Massico Termico
Ultrasuoni Vs Massico Termico
Comportamento di un misuratore ad ultrasuoni (USM) con gas di diversa natura

16. Ultrasuoni Vs Massico Termico
Ultrasuoni Vs Massico Termico
Ecco le principali caratteristiche tecniche dei misuratori massici termici
per uso domestico:
• sensori termici di consolidata tecnologia (ad esempio CMOS);
• misura statica (assenza di attrito);
( )
• per misure accurate, richiedono tecniche di campionamento dei segnali
piuttosto frequenti (campionamenti fitti, consumi più elevati);
• misura potenzialmente influenzata dalla natura/composizione del g
p p gas: la
bontà della misura dipende dalla conoscenza/costanza del calore specifico
a pressione costante (cp) e della conducibilità (conduttività) termica del
fluido (λ);
( );
• perdite di carico influenzate dall’elemento laminarizzatore (pressure
dropper);
• 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. Ultrasuoni Vs Massico Termico
Ultrasuoni Vs Massico Termico
Comportamento di un misuratore massico termico (TF) con gas di diversa natura

18. Conclusioni
• E’ auspicabile che anche nel settore del domestic gas metering i Costruttori Metrici
investano in ricerca ed innovazione tecnologica, e che conseguentemente si affermino sul
mercato 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 un
leggero “gap” di maturità, la ricerca e lo sviluppo nel tempo possono produrre sensibili
miglioramenti tecnologici e successive implementazioni di modelli via via più
g g p p
evoluti.
• Attualmente non ci sono segnali particolarmente incoraggianti dal mercato dei
Costruttori Metrici: l’orientamento prevalente sembra sia quello di equipaggiare i
tradizionali contatori di tipo meccanico con unità elettroniche (elemento secondario).
• I Costruttori Metrici che hanno scelto la strada dei misuratori innovativi basati su
principi di misura statici (fully smart gas meters) sono ancora relativamente pochi e le
loro capacità produttive sono ovviamente limitate.
• Manca in Italia/Europa un numero di installazioni di FSGM di rilevanza tale da costituire
un significativo patrimonio di esperienze finalizzate a superare le naturali diffidenze
verso le nuove tecnologie e a validare la loro affidabilità complessiva di misura.

19. Conclusioni
Meritano un approfondito discorso a parte alcuni temi riguardanti la
telelettura e la telegestione dei contatori gas intelligenti:
• gli aspetti tecnologici inerenti la definizione dei protocolli standard di
comunicazione 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 finanziaria
un progetto nazionale di telelettura e telegestione dei contatori gas di tipo
residenziale (circa 17 milioni di contatori, pari all’80% dei complessivi 21.3
milioni di G4-G6 installati in Italia).
G4 G6