СЧЕТЧИК-РАСХОДОМЕР ЖИДКОСТИ

СЧЕТЧИК-РАСХОДОМЕР ЖИДКОСТИ.
Полезная модель относится к средствам для измерения расхода жидкости путем нропускания ее через измерительное устройство непрерывным потоком с определением динамических характеристик текущей среды и может использоваться для измерения расхода, объема и массы воды и водных растворов в заполненных трубопроводах, в частности, в системах тепло- и водоснабжения.
Известен счетчик-расходомер для воды, описанный з. РФ № 93008722 Устройство для учета водопотребления по кл. 606F15/00, з. 15.02.93 от 10.12.96.
Известный счетчик содержит генератор тактовых импульсов, датчик давления воды в водопроводе, датчик скорости водопотребления, счетчик импульсов, два аналого-цифровых преобразователя, два дешифратора, два умножителя, три элемента задержки, регистр оперативной памяти, сумматор и блок индикации.
Недостатком известного счетчика является его недостаточная точность, так как не учитывается температура воды и ограниченные функциональные возможности счетчика, т.е. нет памяти команд, таймера и т.д.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является счетчик-расходомер для воды, описанный в статье Н.А. Селяева Автономный квартирный водосчетчик в журнале Приборы и системы управления 1999г., № 8 стр. 46-48 и выбранный в качестве прототипа.
Известный счетчик содержит последовательно соединенные устройство контроля линий связи, Р1С-контроллер и жидко-кристаллический индикатор, а также преобразователь уровня датчика холодной и датчика горячей воды, входы которых соединены соответственно с выходами датчиков расхода холодной и горячей воды, а выходы подключены ко второму и третьему входам Р1С-контроллера, второй выход которого соединен с выходом
МКИ-6:ОО IF 1/00,1/20 устройства контроля линий связи, а третий выход подключен к аппаратному
интерфейсу Т2С, причем выходы датчиков соединены также со вторым и третьим входами устройства контроля линий связи; при этом устройство контроля линий связи выполнено на счетверенном микромощном операционном усилителе, преобразователи уровня представляют собой ключи на биполярных транзисторах, а Р1С-контроллер обладает встроенной флэш-памятью данных; известный счетчик является автономным прибором, т.е. не требует внешнего источника питания.
Недостатками известного счетчика-расходомера жидкости являются его неудовлетворительная точность и ограниченные эксплуатационные возможности. Это объясняется следующим, В известном счетчикерасходомере используются данные только об объемном расходе воды; температура воды не учитывается, что не позволяет замерять массовый расход воды и снижает точность измерений. Отсутствие таймера не позволяет оценивать расход воды за определенный отрезок времени, а отсутствие энергонезависимого оперативного запоминающего устройства не дает возможности хранить данные изменений и вычислений длительное время. Использование PIC-контроллера с встроенной флэш-памятью в известном счетчике-расходомере также не обеспечивает необходимого для архива объема памяти и требует перепрограммирования памяти.
Целью заявляемой полезной модели является повышение точности измерений и расширение эксплуатационных возможностей счетчикарасходомера.
Поставленная цель достигается тем, что в счетчике-расходомере жидкости, содержащем последовательно соединенные датчик расхода, схему сопряжения, микроконтроллер и устройство индикации, а также подключенный ко второму выходу микроконтроллера интерфейс, и блок питания, согласно полезной модели, введены дополнительно внешние постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), энергонезависимое
2 оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) с встроенным в него таймером
и клавиатурой, подключенные соответственно ко второму, третьему и четвертому входам микроконтроллера, имеющего встроенный аналогоцифровой преобразователь (АЦП), а также последовательно соединенные формирователь опорного напряжения, стабилизатор тока, два калибровочных резистора, прецизионный датчик температуры, аналоговый коммутатор и дифференциальный усилитель, выход которого подключен к входу АЦП микроконтроллера, при этом второй, третий, четвертый и пятый входы аналогового коммутатора соединены соответственно с выводами первого и второго калибровочных резисторов и третьим выходом микроконтроллера, четвертый и пятый выходы которого подключены соответственно ко входам ПЗУ и ОЗУ, а пятый и шестой входы соединены соответственно с выходам интерфейса и выходом устройства индикации, второй вход АЦП микроконтроллера подключен ко второму выходу формирователя опорного напряжения, второй, третий и четвертый выходы датчика температуры соединены соответственно с шестым и седьмым входами аналогового коммутатора и со вторым входом стабилизатора тока, а интерфейс выбран компьютерный.
Введение в счетчик-расходомер прецизионного датчика температуры с обеспечивающим его нормальную работу стабилизатором тока, управляемым формирователем опорного напряжения, при возможности калибровки сигнала с датчика температуры поочередным подключением к микроконтроллеру его или одного из двух калибровочных резисторов с помощью аналогового коммутатора и дифференциального усилителя позволяет, зная температуру и объемный расход воды, точно определить массовый расход жидкости, учитывать отдельно горячую и холодную воду; связь выходов формирователя опорного напряжения со стабилизатором тока и одновременно с АЦП микроконтроллера дает возможность при уходе опорного напряжения от внешних воздействий отрабатывать этот уход
3 без внесения дополнительной noq emHOCTH в изменения. Задание
формирователем опорного напряжения рабочего диапазона измерения для АЦП позволяет максимального использовать разрядность АЦП, что повышает точность измерений.
Паличие внешних устройств памяти-ПЗУ и энергонезависимого ОЗУ с таймером - обеспечивает возможность хранения команд, данных для вычисления, архивирования результатов измерений и вычислений, фиксации времени замеров и задание их воспроизведения с помощью клавиатуры, или подключаемого через компьютерный интерфейс внешнего вычислительного устройства, и более простую их замену и наладку, что расширяет эксплуатационные возможностисчетчика-расходомера. Интерфейс
позволяет передавать данные на вычислительное устройство в реальном масштабе времени, что дает возможность использовать расходомер в устройствах регулирования.
Заявляемый счетчик-расходомер жидкости обладает новизной, отличаясь от прототипа наличием таких существенных отличительных признаков, как прецизионный датчик температуры, запитываемый от управляемого формирователем опорного напряжения стабилизатора тока, калибровочные сопротивления, поочередно подключаемые через аналоговый коммутатор и дифференциальный усилитель к микроконтроллеру, внешние устройства памяти - ПЗУ и энергонезависимое ОЗУ с таймером, клавиатура, обеспечиваюшие в совокупности достижение заданного результата.
Заявленный счетчик-расходомер может найти широкое применение в системах тепло- и водоснабжения, поэтому он соответствует критерию промышленная применимость.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлена функциональная схема счетчика-расходомера.
4 встроенным АЦП, устройство 4 индикации, подключенный ко второму
выходу микроконтроллера 3 компьютерный интерфейс 5, а также связанные со вторым, третьим и четвертым входами микроконтроллера 3 постоянное запоминающее устройство 6, энергонезависимое оперативное запоминающее устройство 7 с встроенным в него таймером и клавиатура 8. Счетчикрасходомер содержит также последовательно соединенные формирователь 9 опорного напряжения, стабилизатор 10 тока, калибровочные резисторы 11, 12, прецизионный датчик 13 температуры, аналоговый коммутатор 14 и дифференциальный усилитель 15, причем второй выход формирователя 9 и выход дифференциального усилителя 15 соединены с входами АЦП микроконтроллера 3, а второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы аналогового коммутатора 14 подключены соответственно к первому и второму выводам резистора 11, второму выводу резистора 12, третьему выходу микроконтроллера 3, второму и третьему выходам датчика 13 температуры, четвертый выход которого соединен также со вторым входом стабилизатора 10 тока. Четвертый и пятый выходы микроконтроллера 3 подключены соответственно к выходам ПЗУ 6 и ОЗУ 7, а пятый и шестой входы микроконтроллера 3 соединены соответственно с выходом интерфейса 5 и выходом устройства 4 индикации.
Назначение и выполнение узлов и элементов счетчика-расходомера следующее.
Датчик 1 расхода служит для измерения объемного расхода жидкости и преобразования его в импульсный сигнал. Это может быть, например, вихреакустический преобразователь расхода с коммутирующей цепью типа оптопара на выходе или водомер типа ВСТ, ВМГ и др., имеющий выход типа сухой контакт.
Схема 2 сопряжения служит для преобразования сигналов датчика 1 расхода в цифровой частотный сигнал с сохранением частоты входного
5
сигнала, поступающий на вход микроконтроллера 3, и представляет собой, в частности, ключ с гальванической разведкой.
Микроконтроллер 3 осуществляет расчет объемного и массового расхода жидкости по сигналам, приходящим от датчиков 1, 13 объемного расхода и температуры, управляет выводом и хранением информации о количестве потребляемой жидкости, связью с внешними устройствами через интерфейс 4. Микроконтроллер 3 имеет встроенный аналогово-цифровой преобразователь и может быть выполнен, в частности, на микросхеме РСВ80С552-5-16Н.
Устройство 4 индикации предназначено для отображения информации о мгновенном объемном и массовом расходе жидкости, архивных данных, суммарном объеме, массе и времени работ, отказах и т.п. и представляет собой, в частности, жидкокристаллический индикатор типа PC1622ARSСЕН-В.
Интерфейс 5 служит для связи микроконтроллера 3 с электронновычислительной машиной или другими внешними устройствами, поддерживающими стандарт RS-232 (на чертеже не показаны), имеет гальваническую развязку и выполнен на оптронах.
Постоянное запоминающее устройство 6 служит для хранения программы работ микроконтроллера 3, табличных данных, необходимых для расчетов, и может быть выполнено, в частности, на микросхеме 27С256-120.
Оперативное запоминающее устройство 7 предназначено для архивирования результатов вычислений и измерений (информации может храниться в течение 10 лет), является энергонезависимым за счет наличия в нем литиевого элемента питания, содержит дополнительно таймер и выполнено, например, на микросхеме DS1642-120. Встроенный в ОЗУ 7 таймер служит для отсчета реального времени.
времени, просмотра архива и т.п. и представляет собой, в частности, шильдклавиатуру отечественной разработки.
Формирователь 9 опорного напряжения предназначен для формирования опорного напряжения для АЦП микроконтроллера 3 и стабилизатора 10 тока и представляет собой резистивный делитель напряжения.
Стабилизатор 10 тока служит для преобразования опорного напряжения в ток, и представляет собой, в частности, управляемый генератор тока на операционном усилителе, в котором измерительная цепь стоит в цепи обратной связи, с эмиттерным повторителем для усиления нагрузочной способности операционного усилителя.
Калибровочные резисторы 11, 12 предназначены для калибровки сигнала. Это могут быть, например, резисторы типа С2-29В.
Прецизионный датчик 13 температуры служит для измерения температуры в трубопроводе и представляет собой, в частности, термометр сопротивления платиновый типа 1.3910 ТСП по 001.ДДЖ2.821.00ТТУ. Четырехпроводной линией связи он соединен с узлами 10, 12, 14.
Аналоговый коммутатор 14 служит для периодического подключения калибровочных сопротивлений 11, 12 или датчик 1 температуры к дифференциальному усилителю 15 и представляет собой аналоговый мультиплексор, например, ADG409BN.
Дифференциальный усилитель 15 предназначен для усиления разности сигнала с датчика 13 температуры или с калибровочных резисторов 11, 12 и передачи его на микроконтроллер 3,и выполнен на операционных усилителях.
Блок 16 питания служит для обеспечения работоспособности всех элементов устройства и подачи гальванически развязанного напряжения питания на датчик 1 расхода. Он встроен в счетчик-расходомер и запитывается от сети переменного тока 220В.
1 Оператор подключает к сети переменного тока блок 16 питания. До
начала работы он при помощи клавиатуры 8 при необходимости заносит в ОЗУ 7 значения астрономического времени, дату, тип датчика 1 расхода и т.п.
Первичная информапия о расходе воды снимается с датчика 1 расхода и поступает через схему 2 сопряжения, где преобразуется в цифровой частотный сигнал, на микроконтроллер 3. В зависимости от вида используемого датчика 1 расхода используют различные входы схемы 2, сопряжения для подключения датчика 1. По периоду импульсов сигнала, поступающего с датчика 1 расхода, в микроконтроллере 3 определяется расход жидкости.
В АЦП микроконтоллера 3 также поступают сигналы с датчика 13 температуры. Нормальная работа датчика 13 температуры обеспечивается цепочкой формирователь 9 опорного напряжения - стабилизатор 10 тока прецизионный калибровочные резисторы И, 12. Калибровочные резисторы 11, 12 и прецизионный датчик 13 температуры включены последовательно и по ним протекает один и тот же ток; значения падения напряжения с резисторов 11, 12 и датчика 13 температуры через аналоговый коммутатор 14 по команде с микроконтроллера 3, выбирающего калибровку или измерения, снимаются на дифференциальный усилитель, усиливающий снятый сигнал. Этот сигнал поступает на АЦП микроконтроллера 3, где преобразуется из аналогового в цифровой. Колебания опорного напряжения, вызванные влиянием температуры или другими причинами, не вносят погрешности в измерения, т.к. одновременно меняют и ток стабилизатора 10, и смещение АЦП микроконтроллера 3. Формирователь 9 дополнительно позволяет при измерении автоматически вычесть из результатов замера постоянную часть сопротивления датчика температуры, что дает возможность измерять только информационный сигнал, исключая неинформационный постоянный сигнал.
8 По объемному расходу и температуре в микроконтроллере 3 происходит
вычисление массового расхода жидкости. Необходимые табличные данные хранятся в ПЗУ 6, несанкционированный доступ в которое исключен, т.к. настройка защищена паролем. Расчет производится в течение одного цикла работы счетчика-расходомера.
По запросу оператора через клавиатуру 8 на устройство 4 индикации выводятся значения:
-объемного расхода измеряемой жидкости;
-массового расхода измеряемой жидкости;
-температуры жидкости;
-накопленной массы жидкости;
-накопленного объема жидкости;
-отказы;
-время нахождения датчика 1 расхода в отключенном состоянии;
-архивные данные и т.д.
Архивные данные с ОЗУ 7 можно по запросу оператора вывести с микроконтроллера 3 через интерфейс 5 на любой персональный компьютер типа ЭВМ, на портативный терминал-компьютер класса NOTEBOOK и другие устройства, поддерживающие интерфейс RS232.
Счетчик-расходомер может работать постоянно с персональным компьютером с отображением на дисплее текущих данных; возможно считывание данных в компьютер, просмотр архивных данных, их запоминание.
В сравнении с прототипом заявляемый счетчик-расходомер является более точным и имеет более щирокие эксплуатационные возможности.
9