Электронный блок крыльчатого водосчетчика
ELECTRONIC UNIT OF VANE WATER METER

Изобретение относится к приборам измерения объемного расхода, в частности к электронным блокам крыльчатого водосчетчика, и может быть использовано для учета расхода холодной или горячей воды с помощью крыльчатых или турбинных водосчетчиков с компенсацией воздействия внешнего магнитного поля.
Известно устройство защиты счетчика воды от внешнего магнитного поля [1], в котором счетчик воды помещают в железный цилиндрический корпус с двумя вырезами для доступа к патрубкам счетчика воды и поворотной верхней железной крышкой с прямоугольным окном для наблюдения показаний счетчика. Железный корпус с крышкой выполняет роль магнитного экрана и обеспечивает защиту счетчика воды от воздействия внешнего магнитного поля. Недостатком устройства является большая материалоемкость и сложность конструкции.
Известен счетчик воды крыльчатого типа [2], содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленную внутри корпуса крыльчатку с магнитами, вращение которой передается через выполненную из пластмассы разделительную крышку ведомой магнитной муфте механического счетного устройства, содержащего редуктор и барабанный счетчик. Для защиты магнитной муфты счетчика от воздействия внешнего магнитного поля использован магнитный экран, выполненный в виде стальной шайбы, армированной в разделительную крышку. Недостатком счетчика являются сложность изменения коэффициента передачи за счет механического изменения передаточного отношения редуктора и счетчика, а также большое статическое и динамическое сопротивление механического счетного устройства, что снижает порог чувствительности счетчика и его точность в области малых расходов.
Известен способ измерения расхода жидкости и устройство для его осуществления [3], заключающийся в том, что поток жидкости направляют на крыльчатку счетчика с закрепленным на ней магнитом, электронное счетное устройство содержит геркон и микросхему, связанную с жидкокристаллическим индикатором, которая фиксирует замыкания геркона и пересчитывает их в расход жидкости. Недостатком аналога являются ограниченный срок службы геркона, а также его подверженность воздействию внешнего магнитного поля.
Известен счетчик для учета воды [4], выбранный в качестве прототипа. Счетчик содержит установленную в полости корпуса крыльчатку с двумя диаметрально расположенными на ней магнитами, датчик Холла, установленный на наружной части корпуса, блок формирования импульсного питания для датчика Холла, блок управления и вычисления на базе микроконтроллера, блок оптимизации коэффициента пересчета, таймер, жидкокристаллический индикатор, источник электропитания, блок связи с компьютером. Недостатком прототипа является подверженность датчика Холла воздействию внешнего магнитного поля, что приводит к искажению результатов счета.
Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося в компенсации влияния внешнего магнитного поля на результаты учета расхода воды, а также минимизации тока потребления электронным блоком.
Указанный результат достигается за счет того, что в электронном блоке крыльчатого водосчетчика, содержащем датчик Холла, расположенный над траекторией прохождения магнитов крыльчатки, токоограничивающий резистор, инструментальный усилитель выходного сигнала датчика Холла, компаратор с резистором обратной связи в цепи гистерезиса, микроконтроллер с жидкокристаллическим индикатором, вход которого соединен с выходом компаратора, предусмотрены следующие отличия, дополнительно введен второй датчик Холла, расположенный над траекторией прохождения магнитов крыльчатки диаметрально противоположно первому датчику Холла, при этом датчики Холла по цепи питания последовательно соединены с выходом микроконтроллера и токоограничивающим резистором, первые выходы датчиков Холла соединены друг с другом, вторые - со входами инструментального усилителя, резистор обратной связи гистерезисной цепи компаратора соединен с выходом микроконтроллера, цепи питания датчиков Холла, элементов схемы и жидкокриталлического индикатора соединены с выходами микроконтроллера.
Между совокупностью существенных признаком заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, выходное напряжение с последовательно соединенных датчиков Холла, расположенных диаметрально противоположно над магнитами крыльчатки, на фоне напряжения от внешнего магнитного поля зависит только от магнитного поля магнитов крыльчатки, питание датчиков Холла и элементов схемы от выводов микроконтроллера позволяет минимизировать потребление за счет их импульсного питания с переменной скважностью.
Техническое решение позволяет компенсировать влияние на показания счетчика внешнего магнитного поля и снизить ток потребления электронного блока.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежем, где фиг. содержит блок-схему предлагаемого электронного блока, который включает в себя:
1, 2 - элементы Холла;
3 - токоограничивающий резистор;
4 - инструментальный усилитель;
5 - компаратор;
6 - резистор обратной связи;
7 - микроконтроллер;
8 - ЖКИ.
Элементы Холла 1 и 2 по цепи питания соединены последовательно друг с другом и токоограничивающим резистором 3 и запитаны от выхода микроконтроллера 7, с которого так же подается питание на инструментальный усилитель 4 и компаратор 5. С другого выхода микроконтроллера 7 подается питание на ЖКИ 8.
Примечание. На фиг. цепи питания элементов схемы от выходов микроконтроллера 7 не показаны.
Согласно [5] выходное напряжение элемента Холла кроме холловского напряжения Ux содержит остаточное напряжение Uн и термоЭдс контактов Ut. При этом остаточное напряжение элемента Холла велико и существенно зависит от температуры, что вносит значительную погрешность в измеряемое выходное напряжение элемента Холла.
Выходное напряжение на элементах Холла 1 и 2 содержит две составляющие магнитного поля - однонаправленное воздействие внешнего магнитного поля F - Ux и разно-направленное воздействие магнитного поля магнитов крыльчатки Fs и Fn - ΔUx.
В соответствии с [5] выходное напряжение элементов Холла 1 и 2 определяются формулами
Выходное напряжение разно полярно соединенных элементов Холла 1 и 2 определяется формулой
Таким образом выходное напряжение элементов Холла 1 и 2 зависит только от холловского напряжения элементов Холла при воздействии магнитного поля магнитов крыльчатки, причем удвоенного, в котором исключено влияние напряжения внешнего магнитного поля, термоЭдс и остаточного напряжения элементов Холла с его зависимостью от температуры.
Компаратор 5 построен по типовой схеме компаратора с гистерезисом с единственным отличием - резистор обратной связи 6 цепи гистерезиса соединен с выходом микроконтроллера 7, который при подаче питания на компаратор устанавливает на резисторе 6 напряжение в зависимости от предыдущего состояния компаратора 5.
Микроконтроллер 7 по изменению сигналов компаратора 5, которые происходят при каждом полуобороте магнитов крыльчатки, считает прошедший объем воды в соответствии с установленным коэффициентом пересчета цены оборотов крыльчатки и выводит накопленный объем в тарированных единицах на жидкокристаллический индикатор 8. В области минимальных расходов микроконтроллер 7 компенсирует спад передаточной характеристики крыльчатки за счет коррекции коэффициента пересчета.
В целях снижения потребления тока электронным блоком питание датчиков Холла и схем обработки выходного сигнала осуществляется от выхода микроконтроллера по сигналам прерывания от встроенного таймера, при этом до срабатывания таймера микроконтроллер находится в спящем режиме - режиме минимального потребления. Питание на схемы подается на время, достаточное для установления выходных сигналов схемы и их опроса микроконтроллером. В отсутствии вращения крыльчатки устанавливается минимальная частота опроса датчиков. При обнаружении вращения крыльчатки устанавливается максимальная частота опроса датчиков, которая затем адаптивно подстраивается на частоту вращения крыльчатки. Кроме того, индикация показаний счетчика на ЖКИ осуществляется только по требованию в течении времени, достаточного для съема показаний счетчика.
Использование двух датчиков Холла обеспечивает получение выходного сигнала с удвоенной чувствительностью и вдвое меньшем токе потребления, в котором компенсировано влияние внешнего магнитного поля и остаточное напряжения элементов Холла с их температурной зависимостью.
По сравнению с механическими счетными устройствами предлагаемое устройство имеет более высокую точность в области минимальных расходов за счет исключения сопротивления вращению крыльчатки, обусловленного сопротивлением механического счетного устройства, а также компенсации спада передаточной характеристики крыльчатки за счет коррекции коэффициента пересчета в области минимальных расходов воды.
Источники информации:
1. Патент RU 2380713,
2. Патент RU 2347194,
3. Патент RU 2152128,
4. Патент RU 2337320 - прототип,
5. А.А. Голубев, В.К. Игнатьев, Цифровой нанотеслометр, Изв. Вузов. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, №1, с. 49-54