Индуктивный датчик тахометрического счетчика жидкости
INDUCTIVE SENSOR OF TACHOMETRIC LIQUID METRE

Изобретение относится к приборостроению, а именно к счетчикам измерения расхода количества воды, протекающей в трубах с диаметром прохода больше 40 мм.
Известно устройство для измерения расхода жидкости по патенту на изобретение РФ: RU 2238524 С2 от 20.10.2004, МПК G01F 1/075, G01F 15/075 - [1], содержащее корпус, имеющий входное и выходное отверстия, крыльчатку с, по меньшей мере, одним магнитом, счетное устройство с жидкокристаллическим индикатором и герконом, взаимодействующим с магнитом крыльчатки и связанным с вычислительным устройством, включающим интегратор, соединенный с жидкокристаллическим индикатором, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено термореле с датчиком температуры жидкости и задатчиками ступеней срабатывания, а интегратор снабжен несколькими автономными каналами интегрирования, количество которых равно количеству ступеней срабатывания термореле, при этом каждый канал интегратора соединен с соответствующим ему жидкокристаллическим индикатором.
Недостатком известного устройства [1] является использование в нем крыльчатки с тангенциальным подводом к ней жидкости, что не позволяет использовать данное техническое решение в качестве счетчиков измерения расхода количества воды, протекающей в трубах, с диаметром прохода которых чем больше 40 мм, так как при этом счетчики с крыльчатками не могут обеспечить достаточную точность измерения объема жидкости.
Известно устройство счетчика учета расхода жидкости с аксиальным вводом потока на турбинку (в трубах с диаметром прохода которых чем больше 40 мм) по патенту Украины: UA 73416 С2 от 15.04.2005, МПК G01F 1/10 - [2], содержащее корпус, с установленной в нем турбинкой с магнитом, закрепленным на ее лопасти, на поверхности корпуса закреплено вычислительное приспособление оборотов турбинки, выполненное в виде электронного суммирующего устройства, к чашечке которого подключен геркон, размещенный в плоскости вращения магнита, при этом магнит расположен в средине лопасти турбинки, а на всех других лопастях турбинки установлены утяжелители, вес которых равен весу магнита, и они также расположены посредине лопастей турбинки.
Основным недостатком устройства [2] является использование в лопатках турбинки магнита и утяжелителей для ее центровки (балансировки), что существенно снижает технологичность изготовление турбинки, а также надежность ее работы.
Устройство турбинного счетчика расхода воды по патенту на изобретение РФ: RU 2528614 С2 от 20.09.2014, МПК G01F 1/10 - [3], решает задачу устранение недостатков устройства [2] по размещению магнита и утяжелителя (довеска) на цилиндрической части турбинки, и размещению чувствительного элемента - геркона в трубке у цилиндрической части турбинки. Турбинный счетчик расхода воды [3] содержит корпус, в котором на валу в поперечных стенках установлена турбинка с постоянным магнитом и довеском, электронное суммирующее обороты турбинки устройство, к которому подключен геркон, постоянный магнит установлен на торце турбинки, а геркон установлен в отверстии поперечной стенки корпуса, выполненной из немагнитного материала, напротив магнита и подсоединен к входу суммирующего устройства, выполненного в виде счетчика электроимпульсов, работающего от короткого замыкания его входа, в частности, путем замыкания контактов геркона магнитным полем постоянного магнита.
Также известен счетчик текучей среды по патенту на изобретение РФ: RU 2029915 С1 от 27.02.1995, МПК G01F 1/10 - [4], содержащий размещенную в измерительном канале трубопровода турбинку, корпус которой имеет замкнутую полость, редуктор и счетный механизм, установленный на трубопроводе с возможностью взаимодействия с редуктором, в корпусе турбинки выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие, сообщающее измерительный канал с замкнутой полостью, в одной из частей которой размещен редуктор. Часть полости корпуса турбинки, в которой размещен редуктор, может быть сообщена с измерительным каналом через фильтр. Полость корпуса турбинки может быть заполнена жидкостью. Сквозное отверстие может быть выполнено в виде трубчатого канала, связывающего измерительный канал с осевой частью полости корпуса турбинки.
Недостатком устройств [3] и [4], а также устройств [1] и [2] является то, что в качестве чувствительного элемента в этих устройствах используется геркон, что существенно снижает надежность и долговечность устройства, а также требует создание защиты от внешнего магнитного поля (например, сильного постоянного магнита). Использование магнита закрепленного на крыльчатке или турбинка требует ее тщательной балансировки. Кроме того, при использовании пары «магнит - геркон» невозможно определение направления вращения крыльчатки или турбинки.
Известен турбинный расходомер по патенту на изобретение РФ: RU 2084828 С1 от 20.07.1997, МПК G01F 1/10 - [5], в котором используют катушку индуктивности (электромагнит), взаимодействующую с плоским ферромагнитным материалом, установленным (закрепленным) на турбинке. Турбинный расходомер [5], содержит корпус, входной и выходной обтекатели, установленную на валу крыльчатку и размещенную в полости выходного обтекателя камеру с опорными подшипниками вала и уплотнениями, при этом крыльчатка и вал выполнены полыми с образованием замкнутой полости, заполненной воздухом, с объемом, обеспечивающим нулевую плавучесть крыльчатки и вала в измеряемой среде, а в полости входного обтекателя размещен электромагнит для взаимодействия с установленной на крыльчатке пластиной из магнитного материала, причем корпус, крыльчатка и вал выполнены из немагнитного материала. Расходомер может быть снабжен установленным в выходном обтекателе датчиком осевых перемещений вала, подключенным через регулятор тока к электромагниту.
Недостатком турбинного расходомера [5], является сложность его конструкции, и, следовательно, низкая ее надежность. Однако в устройстве [5] электромагнит и пластину из ферромагнитного материала используют не как датчик вращения, а для разгрузки турбинки. Кроме того, в патенте не приведен принцип (способ) работы регистратора вращения турбинки, что не позволяет применить известное техническое решение на практике.
3
Прототипом заявляемого технического решения по использованию в качестве чувствительного элемента катушки индуктивности для определения скорости и направления вращения турбинки, на которой закреплены мишени (сердечники) из плоского ферромагнитного материала является «Датчик вращения для счетчика воды» по патенту Германии: DE 19725806 (А1) от 28.01.1999, МПК G01D 5/20, G01F 1/075, G01F 1/115 - [6]. При этом в устройстве [6] для определения направления вращения используют две катушки индуктивности, каждая из которых соединена с своим конденсатором и соответственно образующими два колебательных контура, которые подсоединены к микроконтроллеру. Мишень, установленная на турбинке имеет, как минимум два сектора с различными ферромагнитными свойствами. В двух колебательных контурах соответственно колебания возбуждаются импульсами с микроконтроллера. Сигналы с колебательных контуров через фиксированное время после возбуждения колебаний (далее - ΔT) поступают на встроенный компаратор, где сравнивается с уровнем цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). После сравнения делается вывод о наличии или отсутствии ферромагнитной мишени (сектора) вблизи чувствительного элемента - катушки индуктивности, а по тому в какой очередности происходит перекрытие катушек индуктивностей относящимся к двум колебательным контурам происходит определение направления вращения и подсчет совершенных полных оборотов турбинки. Далее зная величину объема, соответствующую одному обороту крыльчатки, вычисляется объем протекшей воды в м.
Недостатком устройства - прототипа [6] является необходимость использования двух чувствительных элементов - катушек индуктивности для определения направления вращения турбинки, что усложняет его конструкцию и снижает его надежность работы. Кроме того, при установки прототипа на стандартных турбинный счетчик расхода жидкости необходимо выполнить два технологических отверстия для установки двух катушек индуктивности (двух чувствительных элементов).
Технический результат состоит в существенном упрощении конструкции индуктивного датчика и способа его работы, а также повышения надежности работы устройства в целом.
Технический результат достигается (сущность изобретения) достигается тем, что индуктивный датчик тахометрического счетчика жидкости содержит чувствительный элемент в виде катушки индуктивности, расположенной в заглушенной с одной стороны трубке у ее торца, торец трубки расположен вблизи закрепленной на турбинке мишени, выполненной из плоского ферромагнитного материала, катушка индуктивности соединена кабелем с конденсатором колебательного контура, подсоединенного к микроконтроллеру, турбинка установлена с возможностью вращения в подшипниковых узлах направляющих корпуса счетчика расхода жидкости, конденсатор колебательного контура, подсоединен к микроконтроллеру, размещенному на электронной плате устройства индуктивного датчика, которое герметично закреплено на корпусе счетчика расхода жидкости, при этом турбинка состоит из двух участков: участка с лопастями и цилиндрического участка с мишенью, причем мишень изогнута и закреплена по радиусу цилиндрической части турбинки, а плоская развертка мишени (в плане) выполнена в виде трех одинаковых прямоугольников соединенных двумя тонкими перемычками разной длины.
Признаки ограничительной части формулы «индуктивный датчик тахометрического счетчика жидкости, содержащий чувствительный элемент в виде катушки индуктивности, расположенной в заглушенной с одной стороны трубке у ее торца, торец трубки расположен вблизи закрепленной на турбинке мишени, выполненной из плоского ферромагнитного материала, катушка индуктивности соединена кабелем с конденсатором колебательного контура, подсоединенного к микроконтроллеру, турбинка установлена с возможностью вращения в подшипниковых узлах направляющих корпуса счетчика расхода жидкости, конденсатор колебательного контура, подсоединен к микроконтроллеру, размещенному на электронной плате устройства индуктивного датчика, которое герметично закреплено на корпусе счетчика расхода жидкости» описывает общие признаки с прототипом [6], установленного на счетчик жидкости.
Введение в формулу изобретения существенного признака: «турбинка состоит из двух участков: участка с лопастями и цилиндрического участка с мишенью» необходимо для облегчения установки ферромагнитной мишени на турбинка, а именно на ее цилиндрический участок. Это также существенно упрощает размещение у мишени чувствительного элемента - катушки индуктивности.
Введение в формулу изобретения существенного признака: «мишень изогнута и закреплена по радиусу цилиндрической части турбинки» необходимо для закрепления мишени на цилиндрической поверхности турбинки. Это позволяет разместить чувствительный элемент - катушку индуктивности непосредственно в трубке над цилиндрической поверхностью, что требует минимум изменений в конструкции счетчика жидкости.
Введение в формулу изобретения существенного признака: «плоская развертка мишени (в плане) выполнена в виде трех одинаковых прямоугольников соединенных двумя тонкими перемычками разной длины» необходимо для создания возможности определения скорости и направления вращения турбинки при помощи одного чувствительного элемента - катушки индуктивности.
На графических материалах приведены:
Фиг. 1 - схематичный разрез индуктивного датчика установленного на тахометрический счетчик жидкости.
Фиг. 2 - обобщенная электрическая схема индуктивного датчика счетчика жидкости.
Фиг. 3 - плоская развертка мишени (в плане).
Фиг. 4 - внешний вид: а) турбинка счетчика расхода жидкости; б) изогнутая мишень из плоского ферромагнитного материала.
Фиг. 5 - внешний вид турбинки счетчика жидкости с установленной мишенью: а) вид сбоку; б) вид спереди.
Фиг. 6 - чертеж плоской развертки мишени с нанесенными размерами, где а) вид сверху, б) вид сбоку.
Фиг. 7 - внешний вид турбинного счетчика жидкости с индуктивным датчиком (вид сбоку).
Фиг. 8 - внешний вид турбинного счетчика жидкости с индуктивным датчиком (вид спереди).
Фиг. 9 - увеличенный вид турбинного счетчика жидкости (вид спереди на турбинку и трубку с катушкой индуктивности).
Фиг. 10 - временная диаграмма затухания на выходе колебательного контура.
Фиг. 11 - схема определения положения микроконтроллером положения мишени на цилиндрической части турбинки.
Индуктивный датчик тахометрического счетчика жидкости содержит чувствительный элемент в виде катушки индуктивности (1), расположенной в заглушенной с одной стороны трубке (2) у ее торца. Торец трубки (2) расположен вблизи закрепленной на турбинке (3) мишени (4). Катушка индуктивности (1) соединена кабелем (5) с конденсатором (6), с которым она образует колебательный контур, подсоединенный к микроконтроллеру (7). Турбинка (3) установлена с возможностью вращения в подшипниковых узлах (8) расположенных в направляющих (9) корпуса счетчика расхода жидкости (10). Конденсатор (3) колебательного контура, подсоединен к микроконтроллеру (7), размещенному на электронной плате устройства индуктивного датчика (11), которое герметично закреплено на корпусе счетчика расхода жидкости (10). Турбинка (3) состоит из двух участков: участка с лопастями (12) и цилиндрического участка (13) с мишенью (4). Мишень (4) выполнена из плоского ферромагнитного материала, изогнута и закреплена по радиусу цилиндрической части турбинки (13). Плоская развертка мишени (в плане) выполнена в виде трех одинаковых прямоугольников (14) соединенных двумя тонкими перемычками разной длины (15) и (16). Мишень (4) может крепится на цилиндрическом участке (13) турбинки (3) при помощи клея, а сверху по своей поверхности на всем цилиндрическом участке (13) дополнительно закреплена лентой или трубкой, например из термоусадочного материала. На цилиндрической части (13) турбинки (3) при ее изготовлении могут быть выполнены углубления по форме устанавливаемой мишени (4). Для установки устройства индуктивного датчика (11) на корпус счетчика расхода жидкости (10) в последнем выполнено отверстие для установки трубки (2) с катушкой индуктивности (1), которая после установки располагается вблизи мишени (4) закрепленной на цилиндрическом участке (13) турбинки (3). Между корпусом счетчика расхода жидкости (10) и устройством индуктивного датчика
(11) находится уплотнительная прокладка, расположенная на трубке (2). Устройства индуктивного датчика (11) крепится к корпусу счетчика расхода жидкости (10) при помощи резьбовых соединений, например, винтов. Такая конструкция крепления устройства индуктивного датчика (11) на корпус счетчика расхода жидкости (10) обладает простотой и надежностью, и, следовательно, низкими затратами на изготовление, техническое обслуживание и замену при необходимости.
Работа заявленного устройства состоит в следующем.
Поток жидкости (воды) при протекании воздействует на лопасти (12) турбинки (3), установленной в подшипниковых узлах (8), расположенных в направляющих (9) и приводит турбинку (3) (вместе с ее цилиндрическим участком (13) с мишенью (4)) во вращение в ту или иную сторону. При прохождении прямоугольников (14) мишени (4) соединенных двумя тонкими перемычками (15) и (16) разной длины у катушки индуктивности (1), последняя меняет величину своей индуктивности. Следовательно, в колебательном контуре, состоящим из соединенного с катушкой индуктивности (1) при помощи кабеля (5) конденсатора (6) будут меняться параметры затухания возбужденных импульсом микрокроконтролера (7) электрических автоколебаний. При прохождении тонких перемычек (15) и (16) разной длины вблизи катушки индуктивности (1) ее индуктивность не меняется. Тонкие перемычки (15) и (16) разной длины необходимы для упрощения технологии монтажа мишени (4) на цилиндрический участок (13) турбинки с соблюдений точных расстояний промежутков между тремя одинаковыми прямоугольниками (14) мишени (4).
Скорость затухания колебательного контура, образованного катушкой индуктивности (1) и конденсатором (6), зависит от взаимного положения чувствительного элемента (катушка индуктивности (1)) и участка мишени (4), находящейся в непосредственной от него близости. Благодаря расположенному на электронной плате устройства индуктивного датчика (11) цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП) встроенному в микроконтроллер (7) происходит генерация опорного напряжения необходимого для определения текущего состояния чувствительного элемента (см. фиг. 1). Сигнал с колебательного контура через фиксированное время после возбуждения колебаний (далее - ΔТ) поступает на встроенный компаратор, где сравнивается с уровнем ЦАП. В случае если амплитуда колебаний в контуре через ΔT меньше заданного уровня, то на выходе компаратора появляется логический ноль, что соответствует состоянию, при котором чувствительный элемент - катушка индуктивности (1) перекрыта закрепленным на цилиндрическом участке (13) прямоугольником (14) из ферромагнитного материала мишени (4) - логический ноль (см. фиг. 12). Напротив, в случае если амплитуда колебаний в колебательном контуре через ΔT будет больше заданного уровня, то на выходе компаратора появляется логическая единица, что соответствует состоянию, при котором чувствительный элемент - катушка индуктивности (1) не перекрыта участком с закрепленным на нем прямоугольника (14) из ферромагнитного материала мишени (4) или перекрыта тонкими перемычками (15) и (16) разной длины на которые катушка индуктивности (1) почти не реагирует (тонкие перемычки (15) и (16) разной длины не влияют на изменение логической единицы на логический ноль). При вращении турбинки (3) происходит последовательная смена положения ее цилиндрического участка (13) с расположенными на нем прямоугольниками (14) из ферромагнитного материала (мишени (4)).
Анализируя сигнал на выходе компаратора, микроконтроллер (7) производит подсчет количества оборотов крыльчатки, а так же оценивает скорость и направление вращения турбинки (3). При этом микроконтроллер (7) при каждой смене сигнала на выходе компаратора (шесть смен состояния на оборот) к текущему значению расхода воды добавляется значение, соответствующее объему воды, проходящему за 1/6 оборота турбинки (3). Когда микроконтроллер (7) зафиксирует 6 смен состояний чувствительного элемента (три участка последовательно следующих логических единиц на выходе компаратора, соответствующих участкам a, b и c (без прямоугольников (14) из ферромагнитного материала), запускается алгоритм определения направления вращения. Анализируя соотношение периодов времени, в течение которого на выходе компаратора сохранялась логическая единица, определяется тип участков (a, b или c) и их последовательность. Так в случае следования участков в очередности а-b-c (где a<b<c) вращение происходит по часовой стрелке. Напротив, в случае следования участков в очередности c-b-a вращение происходит в направлении против часовой стрелки. При фиксации оборота в прямом направлении к текущему значению объема жидкости измеренного в прямом направлении добавляется значение, соответствующее объему жидкости, проходящему за один оборот турбинки (3).
Для достижения оптимизации энергопотребления заявленного технического решения используется адаптивный алгоритм. Сущность алгоритма заключается в адаптации количества опросов чувствительного элемента в соответствии со скоростью вращения турбинки (3). После каждого полного оборота происходит проверка количества опросов чувствительного элемента, которое было совершено в течение последнего оборота. В случае если это число становится меньше некоторого заданного (что соответствует возрастанию скорости вращения турбинки), то количество опросов чувствительного элемента увеличивается. В случае же если это число становится больше некоторого заданного (что соответствует снижению скорости вращения турбинки (3)), количества опросов чувствительного элемента - катушки индуктивности (1) уменьшается.
Название заявленного предполагаемого изобретения «Индуктивный датчик тахометрического счетчика жидкости» по отношению к аналогам и прототипу скорректировано согласно ГОСТ 15528-86 «Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа» - [4].
Полагаем, что заявленное техническое решение «Индуктивный датчик тахометрического счетчика жидкости», обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность заявленных ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения не найдена при проведении патентного поиска для таких устройств и способов их работы, и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Наиболее эффективно предлагаемое устройство может быть использовано для общедомовых счетчиков холодной и горячей воды, а также отопления на трубопроводах диаметром более 40 мм. Обладает простотой конструкции по сравнению с аналогами и прототипом. При этом устройство позволяет определять направление вращения турбинки, и, следовательно, определять объемы (расходы) протекающей через турбинный счетчик жидкости в прямом и обратном направлении.
Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства неизвестна на данном уровне развития техники, и не следует из общеизвестных способов (методик) создания (конструирования) индуктивных датчиков тахометрического счетчика жидкости, а именно:
- для определения вращения тахометра (турбинки) используется только один колебательный контур, что существенно упрощает конструкцию, как тахометрического (турбинного) расходомера, так и принципиальную электрическую схему устройства измерения расхода жидкости,
- мишень выполнена из тонкого ферромагнитного материала, и при закреплении ее на цилиндрической части турбинки требует минимум усилий по ее монтажу,
- сравнительно легкая и надежная балансировка турбинки с закрепленной (распределенной по поверхности цилиндрической части турбинки) тонкой мишени (может быть применено высверливание материала цилиндрической части турбинки без закрепления довесков (грузиков)),
доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».
Реализация и внедрение предложенного «Индуктивного датчика тахометрического счетчика жидкости» не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, что доказывает соответствие критерию «промышленная применимость».
Использованные источники
1. Патент на изобретение РФ: RU 2238524 С2 от 20.10.2004, МПК G01F 1/075, G01F 15/075, «Способ и устройство для измерения расхода жидкости».
2. Патент Украины: UA 73416 С2 от 15.04.2005, МПК G01F 1/10, «Счетчик учета расхода жидкости».
3. Патент на изобретение РФ: RU 2528614 С2 от 20.09.2014, МПК G01F 1/10, «Турбинный счетчик расхода воды».
4. Патент на изобретение РФ: RU 2029915 С1 от 27.02.1995, МПК G01F 1/10, «Счетчик текучей среды».
5. Патент на изобретение РФ: RU 2084828 С1 от 20.07.1997, МПК G01F 1/10, «Турбинный расходомер».
6. Патент Германии: DE 19725806 (А1) от 28.01.1999, МПК G01D 5/20, G01F 1/075, G01F 1/115, «Датчик вращения для счетчика воды» - прототип.
7. ГОСТ 15528-86, «Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа» - Термины и определения.