СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ И КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING AMOUNT OF ELECTROCONDUCTIVE LIQUID AND EQUIPMENT SYSTEM FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области гидрометрии и может быть использовано, в частности, для определения количества воды, прошедшей через бытовой фильтр, с целью контроля за остаточным ресурсом фильтровального патрона.
Известно устройство [WO 0227280] для определения уровня жидкости в емкости, включающее три электрода, один из которых используется в качестве референсного электрода. Электроды для измерения уровня скомпонованы так, чтобы измеряемая величина менялась скачками, когда определенные пределы уровня превышены или оказываются малы. Эти скачки измеряемых величин могут быть достоверно оценены без высоких требований к точности измерения.
К недостатку относится лишь фиксация состояния емкости, полная она, пустая, либо на минимальном уровне наполнения.
Известен способ [ЕР 1484097] определения условий срока службы фильтрующего патрона для фильтровальных кувшинов с заменяемыми патронами. Описанное в патенте устройство для определения срока службы фильтрующего патрона включает, по крайней мере, три электрода, средства измерения и таймеры. Сигналы, измеренные этими компонентами, поступают на вход микропроцессора, который на основе резидентной программы преобразовывает их в количество потребленной воды.
Это устройство достаточно дорого и не учитывает дизайн и форму сосуда. Недостатком также является необходимость предварительной идентификации сопротивления фильтруемой воды для того, чтобы вычислить параметр для определения действительного срока службы фильтрующего патрона. Кроме того, точные измерения объема требуют промежуточных измерений высот наполнения, принимающих во внимание форму сосуда. Обычно же сосуд имеет произвольный дизайн такой, что взаимосвязь между высотой наполнения и объемом жидкости не следует из простой математической формулы.
Большинство измерительных устройств не учитывают форму сосуда, поэтому определение срока службы патрона фильтра не достаточно точно.
Известно устройство [US 4724705] измерения количества топлива в топливном баке. Устройство включает поплавок, который располагается на поверхности топлива в топливном баке, проводник, закрепленный на поплавке, и эталонное сопротивление, находящееся в электрическом контакте с плавающим проводником. Сопротивление выбрано из расчета соответствия контуру внутреннего профиля бака. Значения сопротивлений, соответствующих глубине топлива в топливном баке в месте измерения, интерпретируются в количество топлива в топливном баке.
Производство топливного индикатора уровня достаточно сложно, в особенности в части изготовления эталонного сопротивления.
Еще одно аналогичное устройство [DE 102005035045] представляет собой измерительный прибор, включающий, по крайней мере, один электрод, площадь которого увеличивается по экспоненциальному методу в вертикальном направлении.
К положительным качествам этого изобретения можно отнести то, что величину электрической проводимости и абсолютную величину уровня жидкости в сосуде знать не обязательно, если есть экспоненциальная корреляция между измеряемыми величинами и объемом жидкости в сосуде.
К недостаткам можно отнести высокую энергоемкость устройства, сложность математического аппарата, а также необходимость знать электрические параметры жидкости, которые зависят от ее изначальной степени загрязнения, уровня рН и т.д.
Известен метод [WO 2009118402] измерения объема расхода электрически проводящих жидкостей, проводимость которых установлена. Согласно описанию, для определения объема жидкости, протекающей через сосуд известной формы, который поочередно заполняется и затем опорожняется через выходное отверстие, благодаря которому высоты заполнения постоянно изменяются, используется устройство, включающее по крайней мере два измеряющих электрода, для определения электрической проводимости жидкости.
Значения электрической проводимости между пластинами электродов зависят от высоты заполнения сосуда, а значит, от объема жидкости. Измерения проводят во временных интервалах, определяют скорость заполнения определенного уровня и по референсной таблице определяют расход жидкости.
Одним из недостатков указанного метода является необходимость наличия определенной аналоговой схемы и какого-либо аналогово-цифрового преобразователя АЦП, входящего в состав микроконтроллера. Преобразование совершенно необходимо для последующих вычислений расхода, ресурса и прочего. АЦП увеличивает стоимость устройства, а его применение усложняет программу. Изобретение требует сложного математического аппарата. Вторым недостатком является требование периодической калибровки устройства, для чего используются несколько образцов жидкости с различной проводимостью и строится зависимость между значениями электрической проводимости и высотой заполнения в сосуде.
Метод также неприемлем для определения расхода из емкости, выполненной с функциями ее периодического наполнения в процессе опорожнения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании результату является устройство для измерения расхода жидкости в открытых лотках [RU 5645] (прототип), содержащее тарированную диафрагму, установленную в лотке, и уровнемер, оно снабжено регистрирующим прибором с источником питания, причем уровнемер выполнен в виде не менее двух электродов, установленных в сечении диафрагмы перпендикулярно потоку на разных уровнях, а регистрирующий прибор выполнен в виде электронных цифровых часов, имеющих несколько циферблатов, управляющие контакты которых подключены к электродам, при этом корпус прибора подключен к нуль-электроду, расположенному на дне лотка.
Недостатком прототипа является то, что расход жидкости определяется дискретно, по электроду, отвечающему определенной высоте жидкости, т.е. по уровню, тогда как для более точного определения нужно учитывать, что в пространстве между двумя соседними уровнями показания расхода жидкости должны меняться. Вторым недостатком является то, что для определения количества прошедшей жидкости требуется придание сечению потока некой определенной геометрической формы с помощью дополнительного оборудования - диафрагмы.
Технической задачей является осуществление контроля за ресурсом фильтровального патрона в фильтрующих устройствах.
Изобретение направлено на изыскание способа достаточно точного определения количества электропроводящей жидкости, прошедшей через емкость произвольной формы, а также оборудования, относительно не сложной конструкции, для реализации способа, позволяющих учитывать специфику емкости, работающей на опорожнение с одновременным ее наполнением, что на практике реализуется в бытовых фильтрах воды.
Технический результат достигается тем, что предложен способ определения количества электропроводящей жидкости, прошедшей под действием силы тяжести через емкость произвольной формы, выполненной с функциями ее периодического наполнения и постоянного опорожнения, заключающийся в том, что указанную емкость снабжают рядом последовательно расположенных по высоте 5÷16 электродов-сенсоров и одним электродом-эмиттером, расположенным не выше нижнего электрода-сенсора, при этом пространство между каждой парой соседних электродов-сенсоров, равно как пространство между верхним электродом-сенсором и верхней границей емкости и пространство между нижним электродом-сенсором и дном емкости, образует элементарные объемы, все электроды соединяют с блоком обработки показаний со средством индикации, с помощью которого фиксируют замыкание и размыкание электрических цепей электродов-сенсоров с электродом-эмиттером и по изменению состояний соседних электродов-сенсоров, а также по замыканию или размыканию всего ряда электродов-сенсоров, определяют время нахождения поверхностного слоя жидкости в соответствующем элементарном объеме; текущее определение объема протекающей через емкость жидкости осуществляют по элементарному объему, на котором вышестоящий электрод-сенсор находится в разомкнутом состоянии, а нижестоящий электрод-сенсор находится в замкнутом состоянии, либо на котором верхний электрод-сенсор ряда замкнут, либо нижний электрод-сенсор ряда разомкнут, как произведение времени нахождения жидкости в данном элементарном объеме на скорость опорожнения жидкости из этого же элементарного объема, которая известна и занесена в память блока обработки показаний; все значения текущих определений объема протекающей через емкость жидкости суммируют в блоке обработки показаний и передают на средство индикации; при размыкании нижнего электрода-сенсора текущее определение объема протекающей через емкость жидкости ограничивают во времени.
Целесообразно, что значения элементарных объемов измеряют, а скорости опорожнения элементарных объемов определяют по крайней мере один раз при первом полном опорожнении емкости без ее сопутствующего наполнения.
Важно, что массив со значениями скоростей опорожнения элементарных объемов заносят в память блока обработки показаний.
Важно также, что средство индикации исполняют с возможностью акустически и/или визуально отображать значение количества прошедшей через емкость жидкости.
Предпочтительно, что в составе блока обработки показаний используют микроконтроллер, чьи логические входы соединены с электродами, при этом касания жидкости электродов-сенсоров определяют по изменению логического уровня с «0» на «1».
Возможно, что значениям времени нахождения жидкости в соответствующем элементарном объеме, равно как и времени от размыкания до повторного замыкания нижнего электрода-сенсора, устанавливают их минимальные значения, при недостижении которых изменения состояний электродов-сенсоров считают ложными.
Технический результат достигается также тем, что предложен комплекс оборудования для определения объема электропроводящей жидкости, протекающей через емкость произвольной формы, выполненной с функциями ее периодического наполнения и постоянного опорожнения, включающий 5-16 электродов-сенсоров, один электрод-эмиттер и блок обработки показаний, снабженный средством индикации, все электроды соединены с блоком обработки показаний, электроды-сенсоры скомпонованы на измерительной стойке в последовательный ряд и образуют электрические цепи с электродом-эмиттером, при этом память блока обработки показаний содержит массив со значениями скоростей опорожнения элементарных объемов, которые образуются пространством между каждой парой соседних электродов-сенсоров, равно как пространством между верхним электродом-сенсором и верхней границей емкости и пространством между нижним электродом-сенсором и дном емкости.
Важно, что средство индикации является блоком акустического и/или визуального представления информации.
Возможно, что в состав блока обработки показаний входит микроконтроллер, чьи логические входы соединены с электродами, при этом касания жидкости электродов-сенсоров определяются по изменению логического уровня с «0» на «1».
Количество электродов-сенсоров, образующих элементарные объемы, выбирают исходя из того, что менее 5 электродов, размещенных в емкости произвольной формы, не обеспечивают достаточную точность определения величины объема протекающей жидкости, а свыше 16 - необоснованно увеличивают стоимость оборудования.
Определение объема протекающей через емкость жидкости при размыкании нижнего электрода-сенсора ограничивают, как правило, двойным значением времени опорожнения, установленным при первом полном опорожнении емкости без ее сопутствующего наполнения. Это связано с тем, что размыкание нижнего электрода-сенсора свидетельствует, с одной стороны, о прекращении прохождения жидкости через емкость, с другой стороны, при возобновлении цикла наполнения отсчет времени начинается только с замыкания нижнего электрода-сенсора, хотя до этого момента одновременно происходит и опорожнение из придонной части емкости.
Установка минимальных значений времени нахождения жидкости в соответствующем элементарном объеме связана с необходимостью исключить фиксацию изменения состояний электродов-сенсоров при кратковременном наклоне емкости, а также при образовании волны при ее наполнении.
Сущность предложенного технического решения заключается в создании и использовании массива со значениями скоростей опорожнения различных по высоте расположения объемных уровней емкости произвольной формы, характеризующихся признаком «элементарные объемы».
Изобретение проиллюстрировано чертежом, на котором представлено схематичное изображение комплекса оборудования, встроенного в кувшин бытового фильтра очистки воды, где:
1 - электроды-сенсоры, скомпонованные на измерительной стойке; 2 - средство индикации; 3 - блок обработки показаний; 4 - электрод-эмиттер.
Комплекс оборудования работает следующим образом.
Источником исходных данных является цифровая информация, получаемая от электродов, расположенных вдоль оси, перпендикулярной дну емкости. Электроды-сенсоры 1 являются логическими входами микроконтроллера, входящего в состав блока обработки показаний 3, а электрод-эмиттер 4, расположенный не выше нижнего электрода-сенсора, является по отношению к ним формирователем уровня логической единицы.
В зависимости от текущего заполнения элементарных объемов жидкости в емкости будет замкнуто между собой определенное количество электродов. В результате на входах микроконтроллера будет сформирован, например, для 8 электродов-сенсоров двоичный код вида
00011111
00000011
11111111
Для удобства вычислений далее он может быть преобразован в любой другой код, в том числе соответствующий стандартному ряду цифр: 0, 1, 2, 3…
Блок обработки показаний 3 суммирует произведения времени нахождения поверхностного слоя жидкости в конкретном элементарном объеме на скорость опорожнения жидкости из этого же элементарного объема, которая занесена в память блока, результат отражается средством индикации 2.
Комплекс оборудования представляет собой в типовом исполнении небольшой моноблок, высота корпуса которого примерно соответствует высоте емкости или сосуда, в котором монтируется. В состав оборудования в базовом исполнении входят: корпус; электроды и печатная плата РСВ. Комплекс снабжен визуальным и/или акустическим средством индикации для сигнализации об окончании ресурса фильтрующего патрона, отображения количества жидкости, прошедшей через фильтр, оставшийся объем до окончания ресурса и т.п.
Корпус, предпочтительно, выполняется из пластмассы, сертифицированной для использования в изделиях, контактирующих с питьевой водой. Технология изготовления корпуса - литье под давлением.
Желательно, чтобы корпус выполнялся разъемным, состоящим из двух или более частей, что обеспечивало бы простой и технологичный способ сборки, а герметизация разъемных частей корпуса осуществлялась прокладкой из гигиеничных материалов.
Внутри корпуса размещается печатная плата, на которой смонтированы все компоненты устройства. Основным электронным компонентом является микроконтроллер, в памяти программ которого находится управляющая программа, реализующая заявляемый способ определения. Микроконтроллер может быть как бескорпусного исполнения (dice), так и корпусного, в корпусе QFP или аналогичном для поверхностного монтажа. Последний вид монтажа наиболее технологичен и обеспечивает максимальную плотность упаковки элементов на плату.
Электроды непосредственно контактируют с жидкостью, поэтому могут быть изготовлены из нержавеющей стали, как самого гигиеничного и надежного материала, и являться закладными элементами при изготовлении корпуса. В этом случае электрический контакт с платой может быть осуществлен токопроводящими пружинами. Электроды также могут являться электронным компонентом, монтируемым на плату. В этом случае они изготовлены из латуни с золотым покрытием. При этом герметизация осуществляется опрессовкой определенных элементов корпуса вокруг каждого из электродов.
Способ определения количества электропроводящей жидкости осуществляется следующим образом.
Для обеспечения высокой точности измерений проводится предварительная калибровка оборудования в режиме полного опорожнения емкости без ее сопутствующего наполнения. При опорожнении сосуда измерительные цепи поочередно размыкаются, при этом на каждом участке фиксированных состояний электродов-сенсоров измеряют значения элементарных объемов, а скорости опорожнения элементарных объемов определяют как частное от деления указанных объемов на время нахождения в них поверхностного слоя жидкости.
Массив со значениями скоростей опорожнения элементарных объемов заносят в память блока обработки показаний.
Количество жидкости, прошедшей под действием силы тяжести через емкость произвольной формы, определяют простым суммированием произведений зафиксированных отрезков времени нахождения поверхностного слоя жидкости в конкретных элементарных объемах на скорости опорожнения жидкости из этих же элементарных объемов, которые известны. Такой подход позволяет проводить достоверное определение при наполнении емкости с остатками жидкости, т.е. ее неполном опорожнении.
В качестве примера приведены данные испытания предложенного технического решения, включающего 13 электродов-сенсоров, на бытовом фильтре воды с номинальным объемом наливного кувшина 1.7 литра.
Пример. В кувшин бытового фильтра разными порциями доливали воду общего объема 100 литров. Долив осуществляли как в опорожненный кувшин, так и к остаткам воды, т.е. в кувшин с неполным опорожнением. По состоянию электродов-сенсоров фиксировали нахождение поверхностного слоя воды в конкретном элементарном объеме и определяли время ее нахождения. Программой блока обработки показаний время умножалось на известную скорость опорожнения воды из этого же элементарного объема, результаты произведений суммировались. Результаты испытаний сведены в Таблицу.
Таблица
Элементарный объем относительно сенсоров
Величина элементарного объема,
Зафиксированное суммарное время нахождения поверхностного слоя воды в элементарном объеме,
Скорость опорожнения воды из элементарного объема,
Количество прошедшей через кувшин воды, определенное по элементарному объему,
п/п
л
мин
л/мин
л
Выше 13
0.205
2.948
0.251
0.74
12-13
0.132
5.482
0.228
1.25
11-12
0.131
24.208
0.202
4.89
10-11
0.129
32.449
0.196
6.36
9-10
0.127
45.492
0.193
8.78
8-9
0.125
63.214
0.168
10.62
7-8
0.122
79.272
0.151
11.97
6-7
0.120
117.196
0.107
12.54
5-6
0.117
135.454
0.088
11.92
4-5
0.114
110.952
0.084
9.32
3-4
0.110
112.535
0.071
7.99
2-3
0.107
97.937
0.063
6.17
1-2
0.103
116.939
0.049
5.73
Ниже 1
0.102
186.800
0.025
4.67
Итого: 102.95 л
Как видно из таблицы, ошибка определения составляет менее 3%, что весьма приемлемо на практике.
Заявляемые в качестве изобретения способ и комплекс оборудования позволяют достаточно точно определить количество электропроводящей жидкости, прошедшей через периодически наполняемую и беспрепятственно опорожняемую емкость произвольной формы.
Способ не требует дополнительного контроля электрических параметров жидкости, в вычислениях используется простая математика. Оборудование имеет простую конструкцию, не представляет сложностей в производстве и отличается низкой энергоемкостью, что положительно отражается на времени автономной работы.