Блок преобразования в электрический сигнал параметров вращения выполненного в виде крыльчатки элемента измерительного устройства

Полезная модель относится к устройствам для измерения параметров потоков текучей среды, в том числе для измерения расхода жидкости, путем пропуска непрерывного потока через измерительное устройство, в полости которого установлен элемент типа крыльчатки, приводимой во вращение потоком, с последующим преобразованием параметров вращения крыльчатки в электрический сигнал. Полезная модель может найти применение в электромагнитных преобразователях различных измерительных устройств (приборов учета расхода), в том числе, счетчиков воды, устанавливаемых на различных объектах в системах водоснабжения коммунального хозяйства и у индивидуальных потребителей в быту.
Известен счетчик для учета воды, включающий 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, блок управления и вычисления на базе микроконтроллера, жидкокристаллический индикатор, источник электропитания, а также датчик Холла, установленный на наружной части корпуса счетчика воды над траекторией прохождения магнитов при вращении крыльчатки [Патент №2337320 С1, опубл. 27.10.2008]. Счетчик также содержит блок оптимизации коэффициента пересчета, таймер, блок формирования импульсного питания для датчика Холла, блок связи с компьютером, причем первый вход датчика Холла соединен с общей шиной электронной схемы счетчика для учета воды, второй вход датчика Холла соединен с выходом блока формирования импульсного питания, а выход датчика Холла соединен с первым входом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера. Среди недостатков такого счетчика можно упомянуть наличие внешнего источника питания, например, бытовой сети переменного тока, а также слабую защиту счетчика от несанкционированного воздействия внешнего электромагнитного поля.
Известно также счетное устройство для счетчиков расхода воды и газа, содержащее устройство снятия информации, электронное устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего черед счетчик вещества с системой питания датчиков, дополнительно снабженное блоком оптимизации коэффициента передачи в зависимости от текущего расхода, и устройство индикации [Патент №2131115 С1, опубл. 27.05.1999]. В счетном устройстве 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 дополнительно снабжено схемой включения только на фиксированное время съема показаний. Среди преимуществ такого счетного устройства авторы отмечают надежность в обращении и эксплуатации, повышенную чувствительность к малым расходам и малое энергопотребление. В то же время, в счетном устройстве описанной конструкции не решены вопросы защиты от несанкционированного воздействия внешнего электромагнитного поля, а также повышение точности измерения (преобразования числа оборотов крыльчатки в электрический сигнал).
Известно также устройство измерения расхода жидкости с защитой от несанкционированного доступа, содержащее корпус датчика, имеющий входное и выходное отверстия, крыльчатку, установленную на оси в полости корпуса, по меньшей мере, один магнит, установленный в верхней части крыльчатки, счетное устройство, заключенное в корпус, при этом счетное устройство содержит электромагнитный датчик, взаимодействующий с магнитом крыльчатки и подключенный к вычислительному устройству, связанному с цифровым индикатором, источник электропитания [Патент RU №156181 U1, опубл. 10.11.2015]. Устройство измерения расхода жидкости содержит устройство энергонезависимой памяти, электронный таймер реального времени, модуль беспроводной передачи информации, а электромагнитный датчик, расположенный на минимальном расстоянии от магнита крыльчатки через диамагнитную перегородку, содержит как минимум два датчика Холла, выходы которых подключены к входам вычислительного устройства, при этом входы питания датчиков Холла, вычислительного устройства, устройства энергонезависимой памяти, электронного таймера подключены к выходу источника электропитания.
Известен также электроизмерительный прибор для потоков текучей среды, который содержит корпус с входным и выходным патрубками, через полость которого может протекать текучая среда, например жидкость, выполненный в виде крыльчатки элемент, установленный в полости корпуса на оси с возможностью вращения под действием проходящего через полость потока жидкости, и формирующие блок преобразования в электрический сигнал параметров вращения крыльчатки вращающийся магнит и датчики Холла [Патент ЕР №2383547 В1, опубл. 22.03.2017]. Датчики Холла расположены в зоне прохождения магнита в одной перпендикулярной оси вращения крыльчатки плоскости, на одинаковом расстоянии от оси вращения крыльчатки и со смещением относительно друг друга на угол α в направлении вращения, где 0°<α<180°. По утверждению авторов, такой электроизмерительный прибор позволяет проводить надежную и защищенную от взлома электронную оценку, и при этом он имеет достаточно простую и недорогую конструкцию.
Сформированный в рамках описанного электроизмерительного прибора блок преобразования в электрический сигнал параметров вращения крыльчатки по совокупности общих технических признаков может быть принят в качестве прототипа для заявляемого блока преобразования в электрический сигнал параметров вращения крыльчатки.
По результатам анализа уровня техники следует также отметить, что используемый в рамках полезной модели термин «блок преобразования в электрический сигнал параметров вращения выполненных виде крыльчатки элементов» различных измерительных устройств упоминается также как «электромагнитный преобразователь», «счетное устройство» и т.п. Все аналогичные по своей конструкции и выполняемой функции устройства из уровня техники при этом, не зависимо от их наименования, рассматриваются как устройства-аналоги.
Задачей полезной модели является создание блока преобразования в электрический сигнал параметров вращения выполненного виде крыльчатки элемента измерительного устройства, в частности счетчика воды. Далее в тексте описания для упрощения блок преобразования в электрический сигнал параметров вращения выполненного виде крыльчатки элемента измерительного устройства будет упоминаться как блок преобразования.
Блок преобразования и содержащее его измерительное устройство, в частности счетчик воды, должны обеспечивать значительно более высокую (по сравнению с иными электронными счетчиками) устойчивость к мощному магнитному полю, что повышает защиту от взломов посредством воздействия постоянных магнитов (при этом по сравнению с механическими счетчиками они должны обеспечивать полную защиту от взломов посредством воздействия постоянных магнитов). Кроме того, блок преобразования и содержащее его измерительное устройство, в частности счетчик воды, должны обеспечивать увеличение амплитуды полезного сигнала при отсутствии постоянной составляющей, что значительно облегчает цифровую обработку сигналов, а также должны обеспечивать исключение влияния температурной нестабильности датчиков Холла на результаты измерений.
Поставленная задача решается, и указанные технические результаты достигаются заявляемым блоком преобразования в электрический сигнал параметров вращения выполненного в виде крыльчатки элемента измерительного устройства, содержащим, по меньшей мере, один связанный с крыльчаткой, в частности установленный на крыльчатке, источник магнитного поля, выполненный в виде кольцевого магнита, по меньшей мере, с одной парой полюсов, и, по меньшей мере, два стационарно установленные датчика магнитного поля, выполненные в виде электрически связанных с блоком управления и вычисления датчиков Холла, причем датчики Холла расположены в зоне прохождения магнита в одной перпендикулярной оси вращения крыльчатки плоскости, на одинаковом расстоянии от оси вращения крыльчатки и со смещением относительно друг друга на угол α в направлении вращения, где 0°<α<180°. Поставленная задача решается, и указанные технические результаты достигаются за счет того, что заявляемый блок преобразования для каждого датчика Холла содержит дополнительный парный датчик Холла, при этом датчики Холла, образующие пару, расположены в одной перпендикулярной оси вращения крыльчатки плоскости с возможностью синхронного прохождения через зоны парных северного и южного полюсов, определяющих один полюсной участок кольцевого магнита. При этом каждая пара датчиков Холла выполнена с возможностью независимой электрической связи с блоком управления и вычисления.
В заявляемом блоке преобразования, по сути, использована дифференциальная схема для считывания сигналов (оборотов) с магнита на базе датчика Холла. Если традиционная схема представляет собой схему, в которой, например, два датчика Холла устанавливаются по отношению к полюсам магнита таким образом, что происходит считывание оборота в один момент времени только с одного датчика, то в примененной в конструкции заявляемого блока преобразовании дифференциальной схеме датчики Холла устанавливают попарно, так, что в один момент времени два датчика Холла из состава одной пары располагаются в зонах противолежащих полюсов (север-юг) полюсного участка магнита, и, тем самым, считывание сигнала (оборота) осуществляется одновременно с двух датчиков Холла. При этом подлежащий дальнейшей обработке сигнал удваивается и достигается лучшее соотношение сигнал/шум. Применение дифференциальной схемы обеспечивает очень высокую устойчивость к несанкционированному воздействию сильным магнитным полем, что повышает защиту от взломов посредством воздействия постоянных магнитов.
В предпочтительных формах реализации заявляемого блока преобразования парные датчики Холла расположены относительно друг друга под углом β=360°/n, где n - количество пар полюсов магнита.
Также предпочтительными являются формы реализации заявляемого блока преобразования, в которых угол α=45°.
В предпочтительных формах реализации заявляемого блока каждая пара датчиков Холла выполнена с возможностью независимой электрической связи с входящим в состав блока управления и вычисления отдельным аналогово-цифровым преобразователем.
Достоинства и преимущества заявляемой полезной модели далее будут рассмотрены более подробно на некоторых предпочтительных, но не ограничивающих объем притязаний примерах форм реализации блока преобразования со ссылками на позиции фигур чертежей, на которых схематично представлены:
Фиг. 1 - блок преобразования с кольцевым магнитом, сформированным двумя полюсными участками;
Фиг. 2 - блок преобразования с кольцевым магнитом, сформированным четырьмя полюсными участками.
На Фиг. 1 схематично изображен блок преобразования с кольцевым магнитом 1, сформированным двумя полюсными участками 2 (полюса N1, S1) и 3 (полюса N2, S2). Кольцевой магнит 1 связан с крыльчаткой, в частности установлен на крыльчатке измерительного устройства. Для упрощения и в связи с известностью специалистам в данной области техники возможных связей крыльчатки с кольцевым магнитом, крыльчатка и другие конструктивные элементы измерительного устройства, не входящие в состав блока преобразования, на чертежах не изображены. Блок преобразования содержит также две пары стационарно установленных датчиков 4-5 и 6-7 Холла. Пары датчиков 4-5 и 6-7 Холла выполнены с возможностью независимой электрической связи с блоком управления и вычисления (на чертежах не изображен) посредством входящего в состав блока управления и вычисления соответствующего отдельного аналогово-цифрового преобразователя 8 или 9.
Все датчики 4-5 и 6-7 Холла расположены в зоне прохождения магнита 1 в одной перпендикулярной оси 10 вращения крыльчатки плоскости, на одинаковом расстоянии от оси 10 вращения крыльчатки. Датчики 4 и 6 Холла, входящие в состав различных пар, расположены со смещением относительно друг друга на угол α в направлении вращения (обозначено стрелкой). Датчики 4 и 5, а также 6 и 7 Холла, входящие в состав одной пары, расположены в одной перпендикулярной оси 10 вращения крыльчатки плоскости с возможностью синхронного прохождения через зоны парных северного N1 (N2) и южного S1 (S2) полюсов, определяющих один полюсной участок 2 (3) кольцевого магнита 1.
В представленной на Фиг. 1 форме реализации парные датчики 4 и 5, а также 6 и 7 Холла расположены относительно друг друга под углом β=180° (n - количество пар полюсов магнита, равно двум).
В представленной на Фиг. 1 форме реализации угол α между датчиками 4 и 6 Холла, входящими в состав различных пар, составляет 90°.
На Фиг. 2 схематично изображен блок преобразования с кольцевым магнитом 11, сформированным четырьмя полюсными участками 12 (полюса N1, S1), 13 (полюса N2, S2), 14 (полюса N3, S3), 15 (полюса N4, S4). Кольцевой магнит 11 связан с крыльчаткой, в частности установлен на крыльчатке измерительного устройства. Как и в рассмотренной выше форме реализации, для упрощения и в связи с известностью специалистам в данной области техники возможных связей крыльчатки с кольцевым магнитом, крыльчатка и другие конструктивные элементы измерительного устройства, не входящие в состав блока преобразования, на чертежах не изображены. Блок преобразования содержит также две пары стационарно установленных датчиков 16-17и 18-19 Холла. Пары датчиков 16-17 и 18-19 Холла выполнены с возможностью независимой электрической связи с блоком управления и вычисления (на чертежах не изображен) посредством входящего в состав блока управления и вычисления соответствующего отдельного аналогово-цифрового преобразователя 20 или 21.
Все датчики 16-17 и 18-19 Холла расположены в зоне прохождения магнита 11 в одной перпендикулярной оси 22 вращения крыльчатки плоскости, на одинаковом расстоянии от оси 22 вращения крыльчатки. Датчики 16 и 18 Холла, входящие в состав различных пар, расположены со смещением относительно друг друга на угол α в направлении вращения (обозначено стрелкой). Датчики 16 и 17, а также 18 и 19 Холла, входящие в состав одной пары, расположены в одной перпендикулярной оси вращения крыльчатки плоскости с возможностью синхронного прохождения через зоны парных северного N1 (N2, N3, N4) и южного S1 (S2, S3, S4) полюсов, определяющих один полюсной участок 12 (13, 14, 15) кольцевого магнита 11.
В представленной на Фиг. 2 форме реализации парные датчики 16 и 17, а также 18 и 19 Холла расположены относительно друг друга под углом β=90° (n - количество пар полюсов магнита, равно четырем).
В представленной на Фиг. 2 форме реализации угол α между датчиками 4 и 6 Холла, входящими в состав различных пар, составляет 45°.
Для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что возможны и другие формы реализации с иным количеством пар датчиков Холла, иным количеством и расположением полюсных участков, различными значениями углов α (0<α<180°) и т.п.
Также для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что блок преобразования заявляемой конструкции может быть интегрирован в состав измерительных устройств, в частности счетчиков воды, любой подходящей конструкции. В связи с этим конструкции измерительного устройства, в частности счетчика воды, в рамках данного описания не будут рассматриваться подробно с использованием дополнительных графических материалов.
Заявляемый блок преобразования в электрический сигнал параметров вращения выполненного в виде крыльчатки элемента измерительного устройства в составе измерительного устройства, в частности счетчика воды, работает следующим образом.
Через входной патрубок корпуса измерительного устройства текучая среда, в частности вода, поступает в полость корпуса и, протекая через нее, выходит через выходной патрубок. При перемещении в полости от входного к выходному патрубку вода приводит во вращение крыльчатку, установленную в полости корпуса на оси (соответствует оси вращения 10 (22)) с возможностью свободного вращения (например, на подшипниках) под действием проходящего через полость потока воды. На крыльчатке установлен кольцевой магнит 1 (11), который приводится во вращение синхронно с самой крыльчаткой. Пары датчиков 4-5 и 6-7 (16-17и 18-19) Холла относительно крыльчатки установлены стационарно и совместно с кольцевым магнитом 1 (11) формируют блок преобразования в электрический сигнал параметров вращения выполненного в виде крыльчатки элемента измерительного устройства. Датчики Холла расположены в зоне прохождения магнита 1 (11) в одной перпендикулярной оси 10 (22) вращения крыльчатки плоскости, на одинаковом расстоянии от оси 10 (22) вращения крыльчатки. При этом датчики 4 (16) и 6 (18) Холла, входящие в состав различных пар, традиционно, как и в блоках преобразования из уровня техники, расположены со смещением относительно друг друга на угол α в направлении вращения (обозначено стрелкой) и позволяют «считывать» каждый оборот крыльчатки дважды в различные моменты времени (северный полюс N1 (N2, N3, N4) кольцевого магнита будет «проходить» в течение одного оборота крыльчатки через зону установки непарных датчиков 4 (16) и 6 (18) Холла в разные моменты времени). Но, в отличие от блоков преобразования из уровня техники, непарные датчики 4 (16) и 6 (18) Холла независимо электрически связаны с отдельными входящим в состав блока управления и вычисления отдельным аналогово-цифровым преобразователем 8 (20) или 9 (21), что обеспечивает независимость «подсчета» оборотов крыльчатки и цифровой обработки соответствующего аналогового сигнала. При этом парные (входящие в состав одной пары) датчики 4 (16) и 5 (17), а также 6 (18) и 7 (19) Холла позволяют «считывать» каждый оборот крыльчатки одновременно с противоположных полюсов N1 (N2, N3, N4) и S1 (S2, S3, S4) одного полюсного участка 2 или 3 (12 или 13, или 14, или 15) кольцевого магнита 1, причем указанные парные датчики электрически связаны с одним аналогово-цифровым преобразователем 8 (20) или 9 (21). Благодаря описанным выше особенностям конструкции заявляемого блока преобразования обеспечивается достижение всех упомянутых выше технических результатов, в том числе:
- удвоение сигнала (увеличение амплитуды полезного сигнала в 2 раза),
- лучшее соотношение сигнал/шум,
- значительно более высокая устойчивость к несанкционированному воздействию магнитного поля, что повышает защиту от взломов посредством воздействия постоянных магнитов.
В составе измерительного устройства, в частности счетчика воды, поступившие с датчиков 4-5 и 6-7 (16-17 и 18-19) Холла сигналы преобразуются в аналогово-цифровых преобразователях 8 (20) и 9 (21) из состава блока управления и вычисления на базе микроконтроллера в цифровую форму, и целевые данные, определяемые на основании полученных с блока преобразования данных о параметрах вращения крыльчатки, могут быть выведены на жидкокристаллический индикатор и/или переданы посредством соответствующего блока связи на удаленный компьютер, в частности из состава процессингового центра, уполномоченного осуществлять сбор и обработку данного вида информации.