УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ОБОРОТОВ ПОРШНЯ ПРИ ПОВЕРКЕ МАНОМЕТРА ГРУЗОПОРШНЕВОГО

Полезная модель относится к области измерения давления, а именно к автоматическому определению количества оборотов поршня при проведении поверки манометра избыточного давления грузопоршневого.
Известна система для определения числа оборотов и направления вращения вращающегося конструктивного элемента [RU 2701790, МПК G01P 3/488, опубликовано 19.10.2017].
Система включает в себя:
вращающийся во время эксплуатации конструктивный элемент, который в одной окружной области имеет окружную структуру из выполненных в виде ребер или зубьев радиальных выступов и расположенных между ними пазов или впадин;
привинчиваемое сенсорное устройство для определения числа вращения конструктивного элемента, имеющее резьбовой участок для неподвижного размещения сенсорного устройства, так что окружная структура может перемещаться мимо сенсорного устройства;
устройство генерации магнитного поля;
устройство регистрации магнитного поля.
Данная система достаточно сложна, трудоемка в реализации и неприменима при проведении поверки манометров избыточного давления грузопоршневых.
Среди известных устройств наиболее близким по технической сущности (ближайшим аналогом) является электронный цифровой тахометр с датчиком Холла (статья https://lemzspb.ru/datchik-kholla-schetchik-oborotov/, а также статья http://habr.com.ru/company/selectel/blog/555950).
Данное устройство включает в себя:
цифровой дисплей - LED;
датчик Холла;
магнит (диаметр - 6 м., толщина - 3 мм, вес - 0,1 г).
Цифровой тахометр используется для измерения скорости вращения, определения числа оборотов любых вращающихся устройств. Прибор обладает высокой надежностью и высокими показателями безопасности. Тахометр определяет точную скорость вращения объекта через датчик Холла и магнит, который крепится на вращающийся предмет. Магнит можно прикрепить на вращающуюся поверхность, обтянув изолентой, а также приклеив на клей для металла. Инструмент показывает скорость вращения от 0 до 99999 оборотов в минуту. LED - дисплей выводит измерения даже в условиях недостаточной освещенности.
Для использования устройства необходимо подсоединить датчик и провод питания к блоку тахометра, подключить питание согласно полярности, указанной на плате, установить магнит на вращающийся предмет северным полюсом к датчику и датчик Холла на расстоянии 3-8 мм от магнита.
Эффект Холла состоит в появлении напряжения в проводнике при прохождении через него электрического тока. Электрический ток меняет магнитное поле, за ним меняется индукция этого поля, в итоге создается разность потенциалов. Датчик этот процесс фиксирует и генерирует напряжение, пропорциональное изменению.
В указанном устройстве имеется ряд недостатков. Необходимо предусмотреть крепление магнита на вращающийся объект (элемент). Для оптимальной работы и достоверности показаний необходимо обеспечить минимальное расстояние от датчика Холла до магнита. Во исполнение требований пункта 3.3.2 ГОСТ 8.479-82 «Манометры избыточного давления грузопоршневые. Методы и средства поверки» поршень манометра необходимо нагружать грузами, создавая давление, равное 20% верхнего предела измерений и привести поршень во вращение по ходу часовой стрелки. Крепление магнита к грузам приведет к увеличению массы, тем самым изменится скорость опускания поршня, вследствие чего не исключена вероятность возникновения ошибки при определении метрологических характеристик. Установленный датчик Холла на расстоянии 3-8 мм от закрепленного магнита на грузах манометра перестанет фиксировать количество оборотов свободного вращения поршня, когда поршень начнет опускаться, что доказывает нецелесообразность применения данного устройства при проведении поверки. Также в устройстве отсутствует дистанционная передача информации о количестве оборотов за определенный промежуток времени. Исходя из вышеприведенных недостатков можно сделать вывод, что данное устройство неприменимо для автоматического определения количества оборотов свободного вращения поршня при проведении поверки манометра избыточного давления грузопоршневого.
Задачей настоящей полезной модели является автоматизация процесса подсчета при проведении поверки манометра избыточного давления грузопоршневого, а также снижение трудоемкости выполнение операций.
Технический результат заключается в повышение точности и достоверности определения метрологических характеристик манометра избыточного давления грузопоршневого при подсчете количества оборотов свободного вращения поршня.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для определения количества оборотов поршня при поверке манометра грузопоршневого, содержащего чувствительный элемент, дисплей, чувствительный элемент представляет собой инфракрасный датчик препятствий, подключенный к микропроцессору, а между грузами манометра установлен объект препятствий, например полоска бумаги, размещенная над инфракрасным датчиком препятствий на расстоянии относительно него. Расстояние между полоской бумаги и инфракрасным датчиком препятствий находится в диапазоне от 2 до 30 см.
Технический результат достигается за счет простоты конструкции, применения в качестве чувствительного элемента определения количества оборотов поршня инфракрасного датчика препятствий (расстояние обнаружения препятствий от 2 до 30 см). В отличие от электронного цифрового тахометра с датчиком Холла применение магнита не требуется. В качестве объекта препятствий используется полоска бумаги. В устройстве реализована дистанционная передача информации о количестве оборотов свободного вращения поршня манометра избыточного давления грузопоршневого.
На фиг. 1 представлена фотография опытного образца устройства для проведения поверки манометра избыточного давления грузопоршневого.
На фиг. 2 приведена электрическая схема устройства.
Устройство смонтировано в корпусе 1, устанавливаемом на основании 2. Устройство включает следующие взаимосвязанные блоки и детали:
микропроцессор 3, например, Arduino ΝΑΝΟ;
кнопка включения устройства 4;
тактовая кнопка 5;
ЖК-модуль 6, например, LCD 1602 с синим экраном, имеющий формат две строки по шестнадцать символов;
цифровой инфракрасный датчик препятствий 7;
Bluetooth модуль 8, например, REYAX RYB080I;
а также керамический конденсатор 0,1 мкФ, резистор 1 кОм, и источник питания.
Чувствительным элементом устройства является датчик 7, который обнаруживает объект препятствия 9 в диапазоне расстояний от 2 до 30 см, не вступая с ним в непосредственный контакт.
В качестве объекта препятствия 9 может быть использован листок бумаги, расположенный между грузами 10, расположенными на поршне манометра 11.
Датчик 7 состоит из инфракрасного излучателя 12, и фотоприемника 13. Инфракрасный излучатель 12 излучает инфракрасные волны, которые отражаются от препятствия 9 и фиксируются фотоприемником 13, принцип действия датчика 7 (фиг. 3).
Датчик 7 построен на основе компаратора LM393. В компараторе содержатся два независимых между собой операционных усилителя, которые применяются для сравнения поступающих на их входы аналоговых сигналов. Положительным результатом такой работы становится появление напряжения на их выходах (логическая единица), отрицательным - его отсутствие (ноль).
Компаратор выдает напряжение на выход по принципу:
обнаружено препятствие, логический уровень HIGH (фиг. 3.А);
не обнаружено, логический уровень LOW (фиг. 3.Б).
На плате датчика 7 также расположено два индикатора (не показано), свечение которых обозначает
зеленый индикатор сообщает о включении питания;
красный индикатор сообщает об обнаружения объекта препятствия.
Установка чувствительности датчика 7 выполняется с помощью переменного резистора, установленного на плате датчика 7. Препятствие 9 устанавливается на требуемом удалении от фотоприемника 13. Поворотом подвижного контакта переменного резистора на плате датчика 8 выполняется установка расстояния срабатывания, добиваются включения красного светодиода. Затем проверяют дистанцию срабатывания перемещением отражающего объекта. Для точности настройку повторяют не менее трех раз.
Датчик 7 подключен к каналу прерывания микропроцессора 3. Прерывание позволяет внешним устройствам взаимодействовать с контроллером 3 при возникновении разных событий. Прерывание - это сигнал, который сообщает процессору о наступлении какого-либо события, которое требует незамедлительного внимания. Процессор должен отреагировать на этот сигнал, прервав выполнение текущих инструкций и передав управление обработчику прерывания Interrupt Service Routine (далее - ISR). Обработчик - это обычная функция, представляющая из себя код, который должен отреагировать на событие. ISR представляет собой обработчик прерывания и обычно состоит из небольшого числа инструкций. Когда поступает сигнал внешнего прерывания, микропроцессор 3 сначала исполняет инструкции, записанные в данном обработчике прерывания, а после этого возвращается к тому месту программы, во время исполнения которого поступил запрос на исполнение прерывания, то есть возвращается в режим «нормального функционирования». Принцип действия прерывания приведен на фиг. 4.
В результате подключения датчика 7 к каналу прерывания процессор 3 всегда отслеживает состояния чувствительного элемента фотоприемника 13 и при событии, когда полоска бумаги (объект препятствия 9) пройдет над датчиком 7 процессор 3 считает показания независимо от того, где выполняется код, что очень важно при вращении поршня 11 на больших скоростях.
ЖК-модуль 6 отображает показание текущей скорости вращения оборотов поршня, количество посчитанных оборотов, время вращения поршня и состояние элемента питания.
Дополнительно устройство содержит Bluetooth модуль 8 с низким энергопотреблением (от 1,8 В до 3,8 В), пример использования модуля приведен на фиг.5, который обеспечивает передачу данных через Bluetooth 4.2 или 5.0. Диапазон скоростей передачи данных от 9600 до 115200 бод/сек на мобильное приложение (Bluetooth Terminal), установленное на планшете или телефоне (Android или iOS). Внешний вид мобильного приложения изображен на фиг. 6.
Для передачи информации о параметрах (частоты вращения, количества оборотов, таймере и т.д.) на мобильное приложение необходимо написать скетч программу и записать ее на Arduino ΝΑΝΟ. Если показания не удалось считать, то на планшете или телефоне будет выводится сообщение Error.
Передача сигнала от устройства до телефона или планшета осуществляется на расстояние до 10 м без перекрытий и перегородок. Данный Bluetooth модуль позволяет дистанционно наблюдать показания устройства в режиме реального времени, а также включать или останавливать таймер и производить сброс показаний.
Устройство работает от источника питания 14 постоянного тока, напряжением 9 В, для чего может быть использован элемент типа «Крона» или сетевой адаптер.
В электрическую схему устройства включен керамический конденсатор 15 номиналом 0,1 мкФ, который необходим для тактовой кнопки 5, чтобы избежать дребезга контакта, и резистор 16 с номиналом 1 кОм, который применяется для подключения Bluetooth модуля 8 REYAX RYB080I к микропроцессору 3.
Устройство рассчитано для поверки и калибровки одного манометра избыточного давления грузопоршневого и работает следующим образом:
Первоначально необходимо поршень манометра 11 избыточного давления грузопоршневого нагрузить грузами 10, создавая давление, равное 20% верхнего предела измерений, а между грузами необходимо установить полоску бумаги (объект прерывания 9), после этого производится установка датчика 7 под полоской бумаги таким образом, чтобы фотоприемник 13 датчика 7 находился перпендикулярно указанной полоске бумаги и не касался грузов манометра 10. После установки датчика необходимо включить устройство путем переключения кнопки питания 4 в положение включено, на ЖК-модуле 6 отобразится уровень заряда элемента питания (U, %) в течение 5 с.Далее отобразятся показания текущей скорости вращения оборотов поршня 11 и количество посчитанных оборотов, которые будут равные нулю. При достижении критического уровня напряжения (менее 50% в диапазоне от 8,0 В до 9,0 В) элемента питания, в верхнем правом углу экрана ЖК-модуля 6 отобразится «восклицательный знак», информирующий поверителя о низком уровне заряда.
В качестве примера приводится поверка одного манометра избыточного давления грузопоршневого в автоматическом режиме. Для фиксации показаний производилось вращение поршня по  часовой стрелке (согласно ГОСТ 8.479-82), процессор 3 фиксировал прохождение полоски бумаги над чувствительным элементом датчика 7, и запускал процесс вычисления начальной частоты вращения поршня, которая определяется путем подсчета оборотов поршня за 10 с. Если количество оборотов за это время было равно от 19 до 21 (что соответствует 120±10 об/мин), то на ЖК-дисплее 6 устройства автоматически включался таймер до полной остановки поршня, при этом, если сигнал с датчика 7 отсутствовал в течение 30 с, то устройство считало, что поршень остановился, и процессор выводил время от начала включения таймера до последней срабатывания датчика 7.
В случае поверки одного манометра избыточного давления грузопоршневого в ручном режиме было необходимо произвести вращение поршня по часовой стрелке, при этом процессор 3 помимо количества оборотов определял частоту вращения поршня (время срабатывания между двумя сигналами, подаваемыми от датчика 7 являлось частотой вращения поршня). При частоте вращения поршня, равной 120±10 об/мин, необходимо было один раз нажать на тактовую кнопку 5, запускался таймер скорости вращения, который отображался на ЖК-дисплее 6 устройства. При остановке вращения поршня необходимо было повторно нажать тактовую кнопку 5 один раз, при этом таймер останавливался. Поверка закончена.
Для повторного определения количества оборотов вращения поршня необходимо было зажать тактовую кнопку 5 в течение 3 с, при этом все значения, выводимые на ЖК-дисплее 6 устройства, обнулялись, и устройство переходило в начальный режим.
Для вывода показаний устройства на мобильное приложение Bluetooth Terminal необходимо в настройках планшета или телефона включить Bluetooth и произвести подключение к модулю 8 REYAX RYB080I. При подключении необходимо перейти в мобильное приложение Bluetooth Terminal, в котором автоматически будут отображены все измеряемые показания устройства.
За период с 2021 по 2022 г. заявителем с применением предлагаемого устройства было поверено 21 средство измерения (манометры избыточного давления грузопоршневые), руководствуясь требованиями ГОСТ 8.479-82 «Манометры избыточного давления грузопоршневые. Методы и средства поверки». В процессе опытно-промышленных испытаний устройство показало свою эффективность, надежность и безопасность в эксплуатации. Оптимизирована работа поверителя.
Устройство позволяет минимизировать вероятность внесения ошибки при замере продолжительности свободного вращения поршня. Повышается достоверность измерений за счет автоматического подсчета оборотов свободного вращения поршня с помощью устройства, так как при высоких оборотах (от 270 об/мин) поверитель не успевает проследить за полоской бумаги и корректно сосчитать количество оборотов.
В результате использования устройства обеспечено качество поверки рабочего эталона 1-го и 2-го разряда манометра избыточного давления грузопоршневого.