Измеритель объема жидкости с емкостным датчиком вращения

2
Полезная модель относится к измерителям объема жидкости, в частности топлива, и предназначена для измерения объемного количества перекачиваемых нефтепродуктов и других жидкостей с вязкостью от 0,55 до 300 мм/с, проходящего через гидравлическую систему раздаточных стационарных установок, а также наземных подвижных средств заправки и перекачки.
Известны счетчики жидкости с овальными шестернями (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник, Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1989, с.332-333), состоящие из двух установленных внутри измерительной камеры овальных шестерен, зацепленных между собой и вращающихся в противоположные стороны. Хвостовой вал одной из шестерен через магнитную муфту соединен со счетным устройством.
Также известны измерители (счетчики) объема жидкости, разработанные ООО "Промприбор" [Электронный ресурс. Режим доступа к ресурсу: https://www.promizmeritel.ru/images/prod/schet/re_schet.pdf - свободный]. Измеритель жидкости состоит из двух основных частей: механической части (расходомера) и электронного счетчика, включающего преобразователь угла поворота вала в счетные импульсы и индикатор. В качестве преобразователей расхода и электронных счетчиков используются индукционные датчики оборотов (например, измерители "ЛУЧ" или ДИ-О-5). Принцип работы датчика ДИ-О-5 основан на регистрации чувствительным элементом датчика изменения вектора магнитного поля при попадании металла с магнитными свойствами (лопасть турбинки, выступ диска-обтюратора) в рабочую зону датчика.
Известны также измерители объема с оптическими датчиками [Электронный ресурс. Режим доступа к ресурсу: http://inno-tech.ru/datchiki-rashodomera/ - свободный], которые широко используются в расходомерах для измерения количества жидкости. Принцип их работы основан на получении информации от электромагнитного излучения в различных диапазонах (видимом, инфракрасном, ультрафиолетовом). Соответственно, эту информацию датчик передает в систему управления расходометра, где на основании анализа оптических эффектов производится расчет объема используемого вещества. Для возможности работы с низким потреблением питания при использовании оптического энкодера в подобных датчиках используется метод питания светоизлучающего диода импульсным питанием, что с одной стороны приводит к уменьшению среднего тока потребления, но с другой стороны появляется возможность пропуска щели/лепестка вращающегося диска при работе на высоких оборотах. Для сохранения метрологических свойств такого типа измерения необходимо или повышать частоту вспышек опроса оптопары, или уменьшать число щелей/лепестков вращающегося диска, что приводит к потере разрешения.
Таким образом, основными недостатками известных измерителей объема с индуктивными и оптическими устройствами считывания является или высокое энергопотребление, необходимое для обеспечения требуемой точности измерений при автономной работе, поскольку для работы подсветки в оптических устройствах и для создания магнитного поля в индукционных требуется большое количество энергии, следовательно, ресурс их работы от батареи значительно снижается, или низкая разрешающая способность измерений, за счёт которой возможна экономия заряда батареи.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является минимизация энергопотребления измерителя объема при автономной работе от батареи при сохранении высокой точности измерений проходящего через устройство объема жидкости (топлива).
Указанный технический результат достигается за счет того, что измеритель объема жидкости включает
механическую и электронную части,
причем механическая часть представляет собой измерительную камеру, внутри которой расположены две сцепленных между собой овальных шестерни, одна из которых установлена на приводной вал, который связан с магнитной муфтой, на оси выходного вала которой, выведенного за пределы измерительной камеры, установлена метка,
а электронная часть включает связанные между собой емкостной датчик вращения, сопряженный с меткой, блок управления, блок индикации и автономный источник питания.
Таким образом, за счет указанной совокупности существенных признаков удалось значительно снизить энергопотребление, упростить конструкцию и сохранить точность измерений, благодаря наличию емкостного датчика вращений. Поскольку весь сенсор датчика вращения опрашивается одномоментно, то это позволяет фиксировать положение метки в пространстве. Если в случае оптического или электромагнитного типа сенсоров отсутствие опроса датчика при прохождении счётного элемента (щели/лепестка) приводит к пропуску счётного импульса, и частота опроса должна быть не менее произведения удвоенного числа счётных элементов на максимальную скорость вращения, то в случае использования кольцевого ёмкостного датчика, его достаточно, чтобы скорость опроса была не менее времени прохождения метки чуть менее половины оборота вращения датчика. Т.е. скорость опроса падает значительно, а с ней падает и потребление датчика от батареи. Плюс ко всему, сам датчик работает на таком физическом принципе, что большие токи для работы ему не нужны.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется нижеследующими фигурами и описанием.
На фиг. 1 представлен вид в разрезе измерителя объема жидкости.
На фиг. 2 представлен разрез Б-Б с фиг. 1.
На фиг. 3 представлена схема расположения электродов сенсора емкостного датчика.
Измеритель объема жидкости (фиг. 1-3) включает механическую и электронную части.
Механическая часть представляет собой измерительную камеру, включающую металлический корпус 1 (например, из алюминиевого сплава), закрытый передней крышкой 2 и задней крышкой 3, с двумя вкрученными патрубками (на фигуре не показано) для присоединения к трубопроводу измеряемой среды.
Внутри корпуса 1 между крышками 2 и 3 установлены ограничительные пластины 4, а также передняя направляющая пластина 5, задняя направляющая пластина 6 и уплотнительные кольца 7, обеспечивающие герметичность соединения корпусных деталей между собой.
Направляющие пластины 5, 6 предназначены для установки вала 10 и приводного вала 11, с закрепленными на них неподвижно овальными шестернями 8 и 9, соответственно, которые находятся в постоянном зацеплении между собой. Пластины 4 ограничивают паразитные зазоры между пластинами и торцами овальных шестерней 8, 9, для ограничения паразитных утечек жидкости. Корпус 1, пластины 4 и овальные шестерни 8, 9 на валах 10, 11, вместе образуют измерительную камеру, объем которой используется в дальнейшем при расчете количества жидкости, проходящей через измеритель за оборот вала.
Для передачи вращения от приводного вала 11 к выходному валу 12 измерителя, используется магнитная муфта. Она состоит их наружной полумуфты 13 и внутренней полумуфты 14. Наружная полумуфта 13 включает в себя корпус полумуфты с закрепленным в нем наружным магнитом и шестерней, которая находится в зацеплении с приводным валом 11. Внутренняя полумуфта 14 включает в себя корпус с закрепленным внутренним магнитом и выходной вал 12, на котором крепится бронзовый лепесток - метка 15, положение которой считывает емкостной датчик. Передача момента вращения от наружной полумуфты 13 к внутренней полумуфте 14 происходит за счет взаимодействия магнитных полей наружного и внутреннего магнитов. При этом сами полумуфты 13, 14 (и магниты) разделены стаканом 16 из алюминиевого сплава, который с помощью уплотнительного кольца 17 образует передней крышкой 2 неподвижное герметичное соединение, при этом обеспечивается повышенная надежность от протечек. То есть стакан 16, вместе с корпусными деталями 1, 2, и 3, образуют герметичную полость, где находится измеряемая жидкость и вращается наружная полумуфта 13, а внутренняя полумуфта 14 с выходным валом 12 находятся снаружи, в "сухой" зоне.
Электронная часть размещена под лицевой крышкой 18 измерителя и включает плату 19 сенсора и плату 20 индикации. На плате 19 установлены емкостной датчик вращения, сопряженный с металлической меткой 15, и блок управления (процессор). На плате 20 установлены блок индикации и автономный источник 21 питания (фиг. 2).
Источник 21 питания может быть размещен в дополнительном корпусе 22 и загерметизирован изолирующим компаундом 23. Это упрощает процесс замены источника 21, т.к. ее крепления не залиты компаундом.
При этом сенсор датчика вращения имеет переменную площадь в зависимости от положения метки 15 и состоит из измерительных электродов 24, свернутых в кольцо и разделенных на группы, причем каждая из групп опрашивается попеременно (фиг. 3).
Внутри корпуса 1 под давлением потока топлива вращаются шестерни 8, 9, магнитная муфта передает вращение от ведущей овальной шестерни 9 на метку 15. Сенсорная площадка на плате 19 датчика вращения с высокой точностью десятки раз в секунду считывает угол положения метки 15, определяя приращение угла, направление и скорость вращения шестерней 8, 9.
Далее эти параметры, математически обработанные и скорректированные калибровочными коэффициентами при помощи специально разработанного алгоритма, преобразуются в фактический объем жидкости (топлива), прошедшей через измерительную камеру и отображаются на индикаторах или передаются в систему управления по одному из интерфейсов: CAN, RS-485.
Работа датчика вращения основана на принципе измерения ёмкости между вращающейся меткой 15 (флажком) и сенсорной площадкой на плате 19 датчика.
Метка 15 с сенсорной площадкой образуют классический плоский конденсатор с воздушным диэлектриком. Один из электродов (метка 15) имеет постоянную площадь, а сенсор датчика на плате 19 - переменную, зависящую от положения метки 15. Перемещая метку 15 вдоль сенсора датчика и измеряя ёмкость, можно найти площадь перекрытия, а по ней определить расположение метки 15 от любого из концов сенсора датчика.
Для повышения точности определения позиции метки 15 используется усовершенствованная конструкция сенсора: используются по меньшей мере два электрода 24, измерения ёмкости которых происходит попеременно (чтобы измерения не мешали друг другу). Увеличив число электродов 24, разбив, таким образом, весь диапазон ёмкостей на поддиапазоны, получаем большую линейность и точность измерений. Для получения положения метки 15 при круговом перемещении, например, восемь измерительных электродов 24 объединены в две группы (четные и нечетные) и свернуты в кольцо (фиг. 3). Каждая группа электродов 24 опрашивается попеременно, для исключения взаимного влияния электрических полей электродов 24 друг на друга. Измерение происходит параллельно для всей группы. Сначала производится измерение для всех нечётных электродов, заземлив чётные, затем измерение для чётных, заземлив нечётные.
Результаты измерений преобразуются в сигналы, которые передаются в блок управления.
При работе измерителя объема в автономном режиме от собственного источника 21 питания (батареи) для дополнительной минимизации потребления питания, микроконтроллер блока управления в перерывах между измерениями уходит в режим пониженного энергопотребления с остановкой своих основных функций, кроме самых необходимых, сокращая потребление до единиц микроампер. По сигналу микропотребляющего (единицы микроампер) таймера, работающего во время сна, микроконтроллер выходит из режима сна для измерения положения метки 15. При отсутствии изменения положения метки 15 или скорости ниже 260 градусов в секунду, микроконтроллер производит опрос датчика 10 раз в секунду. При повышении скорости, частота опроса датчика увеличивается. Такая скорость необходима для возможного резкого старта измерения, например, при гидроударе. При повышении скорости вращения, частота опроса датчика динамически увеличивается, сохраняя запас по скорости измерения на возможные ускорения счёта от процессов, происходящих в гидравлике.
Алгоритм определения положения метки 15:
1. Ищет наиболее сильный уровень сигнала из всех. По нахождению запоминает номер электрода, где этот сигнал был. Таким образом, мы находим позицию метки 15 в секторе +- 45 градусов, и отсекаем слабый сигнал от противовесной хвостовой части метки 15.
2. Проверяет, превышает ли уровень сигнала пороговый уровень, заданный в настройках. Это необходимо для отсечения ложных срабатываний сенсора при небольших изменениях ёмкости, происходящих от внешних наводок.
3. Запоминаем номера электродов слева и справа от электрода с самым сильным сигналом.
4. Производим векторные преобразования, о которых подробнее ниже.
5. Вычисляем угол вектора, и фактически определяем угол, в котором в данный момент находится метка 15.
Каждый электрод 24 чётко зафиксирован на плате 19 под углом 45 градусов к соседним электродам 24. Таким образом, электроды 24 покрывают 360 градусов с шагом 45 градусов, и в качестве исходных данных имеется фиксированный для каждого электрода угол и уровень сигнала с него. Всё это образует пары полярных координат вектора (в классической геометрии это пара: угол + длина, где длина вектора – измеренная мощность сигнала).
Для того чтобы определить угол метки 15, нужно найти его вектор, который определяется как сумма векторов электрода с самым мощным сигналом и двух соседних электродов.
Основная проблема измерения скорости с датчика заключается в том, что скорость изменяется в течение всего оборота. При средней скорости 350 оборотов в минуту, мгновенная скорость за оборот колеблется от 50 до 650 оборотов в минуту. Такие скачки скорости происходят за счёт конструкции механической части измерителя, которая представляет собой камеру с шестернями 8, 9, где сопротивление зацепления шестерён 8, 9 зависит от множества параметров, например, таких как чистота проходящей жидкости от механических примесей, наличия пузырьков газа, вязкости, и степени износа самой камеры.
Кроме того, при разном расходе, форма кривой мгновенной скорости за оборот очень сильно изменяется, что не даёт использовать большинство классических способов вычисления мгновенной скорости.
Поэтому измерение скорости происходит так:
1. При каждом новом измерении положения метки 15, фиксируется значение таймера часов RTC, настроенного на 32786 счётных импульсов в секунду, и складывается в массив измерений, в котором хранятся последние 3 секунды измерений. 65Гц·3 =195 измерений на частоте 65Гц.
2. Также для каждого измерения фиксируется текущий угол положения метки 15.
3. При измерениях новых данных, они добавляются в этот массив измерений, при этом из массива выбрасываются наиболее старые измерения.
4. Для массива углов находим суммарный угол поворота метки 15 за последние три секунды.
5. Для массива времени - находим точное до 1/32768 секунды время, за которое угол из п.4 был пройден.
6. Разделив угол на время, получим среднюю угловую скорость за 3 секунды.
Такой способ вычисления по результатам измерений оказался оптимален для получения средней скорости вращения датчика с учётом всех реальных колебаний скорости.
Для экономии питания в автономном режиме дополнительно может использоваться специальный алгоритм работы кнопок. Ведущая кнопка запитана всегда, и нажатие на неё передаётся процессору незамедлительно. По нажатию этой кнопки, включается питание на оставшиеся две кнопки и запускается обратный таймер на 10 мину. Пока происходит работа пользователя с кнопками, обратный таймер сбрасывается на исходные 10 минут после нажатия на любую из кнопок. В случае, если нажатий более нет и 10 минут истекли, две из трёх кнопок обесточиваются и перестают реагировать на нажатие, до нажатия на главную функциональную кнопку.
Устройство может содержать в своём составе два микропотребляющих таймера, способных работать во время сна процессора, потребляя ток в единицы микроампер. Это таймер LPTIM (low power timer), и таймер RTC (real time clock). Оба таймера используют как тактовый сигнал, выходной сигнал с генератора RTC на термостабильном кварцевом резонаторе с частотой 32768 Гц 10 ppm. Таймер LPTIM имеет две конфигурации: генерация прерываний с частотой 10 Гц и 65 Гц. Прерывания этого таймера используются как для вывода микроконтроллера из сна в режиме работы от батареи, так и для запуска измерения положения метки 15, и в режиме работы от батареи, и в режиме с внешним питанием. Таймер RTC сконфигурирован нестандартно. Предделитель 1 и делитель 32768. Это не очень экономичный режим работы таймера, но он позволяет максимально использовать счётный регистр таймера для измерения времени, необходимого для вычисления скорости.