СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASUREMENT OF LIQUID FLOW AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения количества воды. Устройство по данному изобретению может быть применено как бытовой счетчик воды квартирного типа.
Известен счетчик учета воды и газа (пат. RU №2187076, G01F 1/115), содержащий первичный чувствительный элемент в виде турбинки или крыльчатки с укрепленными на ее лопастях магнитами, установленной в трубе, в которой протекает измеряемая среда, и вторичный элемент, включающий счетный механизм с магнитом, расположенный на поверхности трубы с первичным элементом, причем в первичном элементе магниты установлены на двух лопастях, в разных плоскостях, а во вторичном элементе установлен один постоянный магнит на полке, на концах которой содержатся зубья, один из которых сориентирован на стенку профиля зуба зубчатого колеса, связанного механически со счетным механизмом, а второй зуб полки при этом сориентирован на вершину соседнего зуба зубчатого колеса.
Недостатками счетчика являются недостаточно широкие функциональные возможности, поскольку не учитывается теплотворная способность горячей воды, вследствие чего коммерческие расчеты за горячую воду производятся с большой погрешностью.
Известно счетное устройство для счетчиков расхода воды и газа (пат. RU № 2131115, G01F 1/075), содержащее устройство снятия информации, электронное устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего через счетчик вещества с системой питания датчиков, блок оптимизации коэффициента передачи в зависимости от текущего расхода, и устройство индикации, причем устройство снятия информации выполнено в виде двух установленных через диамагнитную перегородку на одном уровне диаметрально относительно оси вращения магнита чувствительного элемента датчиков Холла, поверхности взаимодействия которых с магнитом чувствительного элемента идентичны, а выходы датчиков объединены, датчики электрически связаны с системой питания, формирующей импульсы питания поочередно на один из датчиков Холла по команде предыдущего, при этом устройство индикации снабжено схемой включения только на фиксированное время съема показаний.
Одним из недостатков известного устройства является отсутствие в его составе средств для измерения температуры жидкости для учета теплотворности горячей воды.
Из числа аналогов, наиболее близким по технической сущности является способ измерения расхода жидкости и устройство для его осуществления (пат. RU № 2152128, G01F 1/06, G01F 1/075), заключающийся в том, что поток жидкости направляют на крыльчатку счетчика и заставляют ее вращаться вместе с закрепленным на ней магнитом, вращающимся полем воздействуют на счетный геркон, при максимальном значении магнитного поля происходят замыкания контактов геркона, с помощью вычислительно-управляющего устройства фиксируют замыкания контактов геркона, определяют их частоту, пересчитывают ее в расход воды, текущее значение расхода интегрируют по времени, а полученный результат в объемных единицах отображают на жидкокристаллическом индикаторе.
Управление вычислительным устройством осуществляется с помощью подсоединенного к нему через специальные контакты дополнительного управляющего устройства, например, компьютера.
Устройство для измерения расхода жидкости (пат. RU № 2152128, G01F 1/06, G01F 1/075) содержит корпус датчика, имеющий входное и выходное отверстия, крыльчатку, установленную на оси в полости корпуса, по меньшей мере один магнит, установленный в верхней части крыльчатки, заключенное в корпус счетное устройство, содержащее счетный геркон, взаимодействующий с магнитом крыльчатки и связанный с вычислительным устройством, выполненным в виде микросхемы, установленной на печатной плате, которая связана с цифровым жидкокристаллическим индикатором, источник электропитания, для управления счетным устройством на печатной плате выполнены контактные площадки, для доступа к которым в корпусе счетного устройства предусмотрены отверстия.
Одним из основных недостатков известного способа и устройства является отсутствие измерения температуры жидкости для учета теплотворности горячей воды. Поскольку не учитывается теплотворная способность горячей воды, коммерческие расчеты потребителя и производящей организации за горячую воду производятся со значительной погрешностью, причем не в пользу потребителя. Особенно велика погрешность при расчетах в том случае, когда температура горячей воды не превышает 40°С, так как при этом расчет за горячую воду должен производиться по цене холодной воды в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 23 мая 2006 г. № 307 "О порядке предоставления коммунальных услуг гражданам". Если учесть, что цена горячей воды в 5-6 раз выше, чем цена холодной воды, то значительный проигрыш потребителя вследствие отсутствия контроля температуры горячей воды очевиден.
Вторым существенным недостатком известного способа и устройства, который трудно было устранить, является большая погрешность определения количества воды вследствие использования объема в качестве единицы измерения количества воды, поскольку при измерении объема не учитывается температура горячей воды.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности способа измерения расхода жидкости и расширение функциональных возможностей счетчика для измерения количества воды.
т
т
н
т
н
т
н
т
н
Указанный технический результат в способе измерения расхода жидкости достигается тем, что поток жидкости направляют на крыльчатку счетчика и заставляют ее вращаться вместе с закрепленным на ней магнитом, вращающимся полем воздействуют на датчик магнитного поля, срабатывающий при воздействии на него магнитного поля, с помощью вычислительно-управляющего устройства фиксируют срабатывания датчика магнитного поля, определяют частоту срабатываний, пересчитывают ее в расход воды, текущее значение расхода интегрируют во времени, а полученный результат в объемных единицах отображают на жидкокристаллическом индикаторе, измеряют температуру потока жидкости, определяют время суток - дневное или ночное, сравнивают измеренное значение температуры с нормированной температурой горячей воды в точке разбора - не менее 60°С для открытых систем центрального теплоснабжения или не менее 50°С для закрытых систем центрального теплоснабжения, и, если текущее (Т) значение температуры меньше нормированного более чем на 5°С (Т<Т-5°С) в ночное время или более чем на 3°С (Т<Т-3°С) в дневное время, то при пересчете частоты вращения крыльчатки в расход воды, используют коэффициент пересчета, скорректированный с учетом отклонения температуры воды от нормированной в меньшую сторону, суммируют текущее значение расхода во времени, измеряя температуру потока жидкости до тех пор, пока температура жидкости не станет больше, чем нормированная минус 5°С (Т≥Т-5°С) в ночное время или чем нормированная минус 3°С (Т≥Т-5°С) в дневное время, если измеренное значение температуры не выходит за пределы нормальной с учетом допустимых отклонений на 5°С в ночное время или на 3°С в дневное время, то при измерении расхода жидкости коэффициент пересчета частоты вращения крыльчатки в расход воды не корректируют.
Коррекцию коэффициента пересчета производят, умножая его на коэффициент 0,999, при снижении температуры воды на 3°С свыше допустимых отклонений от нормированной или на значение 0,999, уменьшаемое на 0,001 при снижении температуры на каждые 3°С свыше допустимых отклонений, из расчета за каждый час снижения температуры свыше допустимых отклонений.
Суммарное значение расхода за нормированный интервал времени, выраженное в объемных единицах, умножают на плотность горячей воды и полученный результат в массовых единицах отображают на жидкокристаллическом индикаторе.
При уменьшении температуры потока жидкости в процессе ее измерения до температуры ниже 40°С, текущее значение расхода суммируют в отдельном регистре памяти счетчика, предназначенном для суммирования израсходованного количества холодной воды и используемом для расчетов по тарифам за холодную воду, до тех пор, пока температура воды не станет равной 40°С или превысит это значение.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения расхода жидкости, включающем корпус датчика с входным и выходным патрубками, крыльчатку, установленную на оси в полости корпуса, первый и второй магниты, установленные в верхней части крыльчатки, диаметрально относительно ее оси, датчик магнитного поля, блок управления и вычисления на базе микроконтроллера, жидкокристаллический индикатор, дополнительно введены датчик температуры, установленный внутри корпуса с входным и выходным патрубками в потоке жидкости, блок формирования сигнала от датчика температуры, таймер, регистр памяти для хранения измеряемого суммарного количества горячей воды, регистр памяти для хранения измеряемого суммарного количества холодной воды, переключатель жидкокристаллического индикатора, причем выход датчика магнитного поля соединен с первым входом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала от датчика температуры, вход которого, в свою очередь, соединен с выходом датчика температуры, третий вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера соединен с выходом таймера, четвертый вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера соединен с выходом регистра памяти для хранения количества горячей воды, вход которого, в свою очередь, соединен со вторым выходом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера, первый выход которого соединен со входом жидкокристаллического индикатора, вход регистра памяти для хранения количества холодной воды соединен с третьим выходом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера, а выход регистра памяти для хранения количества холодной воды соединен с пятым входом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера, шестой вход которого соединен с выходом переключателя индикатора.
Измерение расхода жидкости в массовых единицах при одновременном измерении температуры позволяет повысить точность измерения расхода и количества жидкости. Так как измерение количества жидкости производится в массовых единицах, то при определении массы как произведения объема на плотность жидкости учитывается также ее температура, поскольку плотность жидкости зависит от ее температуры.
Измерение расхода жидкости с учетом зависимости от температуры коэффициента пересчета частоты срабатывания датчика магнитного поля в расход жидкости позволяет также повысить достоверность расчетов между производящей организацией и потребителем, при учете стоимости горячей воды в зависимости от ее температуры, а также отдельным учетом расхода горячей воды как холодной при температуре горячей воды, меньшей 40°С.
Введение датчика температуры и блока формирования сигнала от датчика температуры в устройство расширяет его функциональные возможности, позволяющие повысить достоверность коммерческих расчетов и точность измерения расхода жидкости.
Введение регистра памяти для хранения количества горячей воды, регистра памяти для хранения количества холодной воды и переключателя жидкокристаллического индикатора в устройство расширяют его функциональные возможности, поскольку позволяют производить раздельный учет количества горячей воды и горячей воды с температурой, меньшей 40°С и учитываемой как холодной.
Введение таймера в устройство расширяет его функциональные возможности, поскольку позволяет определять время суток и учитывать общее время работы устройства для определения его возможных отключений потребителем с целью занижения учтенного количества воды.
На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения расхода и количества воды.
Устройство для измерения расхода и количества воды содержит корпус датчика 1 с входным и выходным патрубками, крыльчатку 2, установленную на оси 3 в полости корпуса, первый 4 и второй 5 магниты, установленные в верхней части крыльчатки 2, диаметрально относительно ее оси 3, датчик магнитного поля 6, блок управления и вычисления на базе микроконтроллера (МК) 7, жидкокристаллический индикатор 8, датчик температуры 9, установленный внутри корпуса 1 в потоке жидкости, блок формирования сигнала от датчика температуры 10, таймер 11, регистр памяти для хранения измеряемого суммарного количества горячей воды 12, регистр памяти для хранения измеряемого суммарного количества холодной воды 13, переключатель жидкокристаллического индикатора 14, причем выход датчика магнитного поля 6 соединен с первым входом блока управления и вычисления на базе МК 7, второй вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала от датчика температуры 10, вход которого, в свою очередь, соединен с выходом датчика температуры 9, третий вход блока управления и вычисления на базе МК 7 соединен с выходом таймера 11, четвертый вход блока управления и вычисления на базе МК 7 соединен с выходом регистра памяти для хранения количества горячей воды 12, вход которого, в свою очередь, соединен со вторым выходом блока управления и вычисления на базе МК 7, первый выход которого соединен со входом жидкокристаллического индикатора 8, вход регистра памяти для хранения количества холодной воды 13 соединен с третьим выходом блока управления и вычисления на базе МК 7, а выход регистра памяти для хранения количества холодной воды 13 соединен с пятым входом блока управления и вычисления на базе МК 7, шестой вход которого соединен с выходом переключателя индикатора 14.
Устройство работает следующим образом.
Вода, проходя через корпус 1 устройства, воздействует на крыльчатку 2, заставляя ее вращаться, причем сила воздействия пропорциональна частоте вращения крыльчатки и, следовательно, величине расхода воды.
При вращении крыльчатки 2 магниты 4 и 5, установленные в верхней части крыльчатки 2, периодически проходят под датчиком магнитного поля 6, срабатывающим при воздействии на него магнитного поля, в результате чего на его выходе генерируется импульс, который поступает на первый вход блока управления и вычисления на базе МК 7, который фиксирует срабатывание датчика магнитного поля и определяет частоту срабатываний.
Датчик температуры 9 измеряет температуру воды, а блок формирования сигнала от датчика температуры 10 формирует выходной сигнал датчика температуры 9 для его дальнейшей обработки блоком управления и вычисления на базе МК 7, который преобразует его в значение температуры. Измеренное значение температуры сравнивается в блоке управления и вычисления на базе МК 7 с нормированной температурой горячей воды в точке разбора (приведена в постановлении Правительства РФ от 23 мая 2006 г. № 307 "О порядке предоставления коммунальных услуг гражданам") - не менее 60°С для открытых систем центрального теплоснабжения или не менее 50°С для закрытых систем центрального теплоснабжения, и если измеренное значение не отличается от нормированного в меньшую сторону более чем на 5°С в ночное время или более чем на 3°С в дневное время (время суток определяется таймером 11, дневное время - с 6.00 часов - до 23.00 часов, ночное время - с 23.00 часов до 6.00 часов), то измеренное в течение фиксированного времени, определяемого таймером 11 (например, в течение 1 минуты), значение частоты срабатывания датчика магнитного поля пересчитывается в расход воды с использованием коэффициента пересчета, хранящегося в блоке управления и вычисления на базе МК 7, текущее значение расхода суммируется во времени, а полученное значение объема умножается блоком управления и вычисления на базе МК 7 на плотность горячей воды, зависящей от температуры. Эта зависимость задана в табличном виде и размещена в памяти блока управления и вычисления на базе МК 7. Данная зависимость приведена в таблице (М.П.Вукалович. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. Изд-во "Энергия", М. 1965 г).
t °C
0
10
20
30
40
ρ кг/м<sup>3</sup>
1000,10001
999,90001
998,40256
995,91674
992,35884
t °C
50
60
70
80
90
ρ кг/м<sup>3</sup>
988,33762
983,47758
977,99511
972,10071
965,62379
t °C
100
110
120
130
ρ кг/м<sup>3</sup>
958,58896
951,20327
943,30724
934,92895
Из таблицы видно, что плотность горячей воды при температурах 60°С и 40°С различается более чем на 1%, поэтому учет количества воды не в объемных единицах, а в массовых позволяет повысить точность измерения количества воды.
Далее количество воды, полученное в результате вычисления по формуле:
где V - объем жидкости, ρ - плотность жидкости,
и выраженное в массовых единицах, суммируется с содержимым регистра памяти для хранения количества горячей воды 12 и, если переключатель жидкокристаллического индикатора 14 задает вывод на индикатор содержимого этого регистра, то его содержимое выдается на жидкокристаллический индикатор 8. Переключатель жидкокристаллического индикатора 14 задает вывод на индикацию одного из двух источников. В зависимости от положения этого переключателя блок управления и вычисления на базе микроконтроллера 7, считывая состояние переключателя, выдает на индикатор 8 содержимое регистра для хранения количества горячей воды 12 или регистра для хранения количества холодной воды 13.
Если измеренное значение температуры меньше нормированного более чем на 5°С в ночное время или более чем на 3°С в дневное время, но не менее 40°С, то блок управления и вычисления на базе МК 7 пересчитывает частоту вращения крыльчатки 2 в расход воды, используя хранящийся в нем коэффициент пересчета, скорректированный с учетом отклонения температуры воды от нормированной в меньшую сторону, коррекция коэффициента пересчета производится умножением его на коэффициент 0,999 при снижении температуры воды 3°С свыше допустимых отклонений от нормированной или на значение 0,999, уменьшаемое на 0,001 при снижении температуры на каждые 3°С свыше допустимых отклонений, из расчета за каждый час снижения температуры свыше допустимых отклонений.
После определения объема воды блок управления и вычисления на базе МК 7 по формуле умножает значение объема на плотность горячей воды, определяемой из таблицы с учетом значения измеренной температуры, и полученное массовое количество суммирует с содержимым регистра для хранения количества горячей воды 12, которое выдает затем на жидкокристаллический индикатор 8.
Если температура воды ниже 40°С, то измеренное значение частоты срабатываний магнитного датчика 6 в блоке управления и вычисления на базе МК 7 умножается на коэффициент пересчета, затем полученное значение объема блок управления и вычисления на базе МК 7 пересчитывает таким образом, как описано выше, в массовый расход и получившуюся порцию воды, выраженную в массовых единицах, добавляет к содержимому регистра для хранения количества холодной воды 13. При переводе переключателя жидкокристаллического индикатора 14 в соответствующее положение, содержимое регистра для хранения количества холодной воды 13 выводится на жидкокристаллический индикатор 8.
Введение двух отдельных регистров для хранения информации о накопленном суммарном количестве горячей воды и воды с температурой, меньшей 40°С, учитываемой как холодная, а также переключателя жидкокристаллического индикатора 14 позволяет при расчете потребителя с производящей организацией считывать отдельно показания счетчика горячей воды и воды, учитываемой как холодная, для расчетов по разным тарифам для горячей и холодной воды, различающимся в 5-6 раз.