БЫТОВОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР-СЧЕТЧИК ГАЗА

Полезная модель относится к технике измерения расхода газа и может найти применение в жилищно-коммунальном хозяйстве для точного учета расхода газа.
Известен бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик для измерения объемного расхода газа, включающий мерный участок трубопровода с двумя ультразвуковыми преобразователями, аналоговый коммутатор, опорный генератор, таймер, формирователь зондирующих импульсов, усилитель, компаратор, счетчик импульсов и вычислительное устройство (JP №5061571, B4, G 01 F 1/66, 1993).
Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная недостаточно высокой разрешающей способностью реализованного в устройстве дискретного метода измерений распределения ультразвука по потоку газа и против него.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сути и достигаемому результату является бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, включающий мерный участок трубопровода с двумя ультразвуковыми преобразователями, аналоговые коммутаторы, блок усиления, компаратор, формирователь импульсов, источник питания, таймер, датчик давления, блок определения типа газовой
среды и вычислительные блоки (RU №2178148, G 01 F 1/66, 1999).
Известное устройство обеспечивает высокую точность измерения расходов различных газовых сред за счет приведения объемных расходов измеряемых газов к нормальным условиям по температуре, давлению и к стандартной плотности, характерной для каждого газа в нормальных условиях.
Однако указанные известные устройства обеспечивают получение информации только о расходе потребляемого газа и не позволяют контролировать в реальном режиме времени отпуск потребителю оплаченного им объема газа.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания бытового ультразвукового расходомера-счетчика газа, обеспечивающего расширение его функциональных возможностей за счет реализации режима прекращения отпуска газа потребителю при исчерпании лимита, оплаченного им объема газа, а также одновременного контроля утечки газа с перекрытием канала подачи в случае обнаружения утечки.
Поставленная задача достигается тем, что в бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, содержащий установленную на магистральном трубопроводе калиброванную измерительную трубку с размещенными на ее входном и выходном участках двумя приемо-передающими ультразвуковыми преобразователями, аналоговый коммутатор, блок усиления, подключенный к компаратору, формирователь импульсов, вычислитель, блок индикации и источник питания, согласно полезной модели, введены микроконтроллер, второй аналоговый коммутатор, блок считывания карты потребителя и запорный клапан, установленный на выходе магистрального трубопровода после измерительной трубки, при этом блок усиления выполнен в виде дифференциального усилителя, а первый и второй аналоговые коммутаторы выполнены двухканальными, первый и второй выходы и первый и второй входы первых каналов которых соединены соответственно с первыми выводами ультразвуковых
преобразователей, вторые выводы которых соединены с первыми и вторыми выходами и первыми и вторыми входами вторых каналов соответственно первого и второго аналогового коммутаторов, первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого коммутатора которых соединены с первым и вторым выходами формирователя импульсов, а первый и второй управляющие входы первого канала - с первым и вторым выходами микроконтроллера, третий выход которого подсоединен к управляющему входу первого канала второго коммутатора, выходы обоих каналов которого подключены ко входам дифференциального усилителя, выход которого подсоединен к первому входу компаратора, вход которого связан с четвертым выходом контроллера, а выход - с первым входом последнего, информационный выход которого связан с первым информационным входом вычислителя, второй и третий информационные входы которого соединены, соответственно, с источником питания и блоком считывания карты потребителя, а первый, второй и третий выходы соединены, соответственно, с управляющим входом микроконтроллера, запорным клапаном и блоком индикации;
А также тем, что в бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа дополнительно введен детектор утечки газа, подключенный к четвертому информационному входу вычислителя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема устройства, на фиг.2 приведены временные диаграммы его работы, на фиг.3 и фиг.4 приведены схемы положения ключей аналоговых коммутаторов.
Устройство содержит установленную на магистральном трубопроводе калиброванную измерительную трубку 1 с двумя размещенными на ее входном и выходном участках приемо-передающими ультразвуковыми преобразователями 2, 3 и клапаном 4 на выходе газового канала счетчика. Преобразователи 2 и 3 соединены с аналоговыми коммутаторами 5 и 6, которые выполнены двухканальными. Причем первые выводы
ультразвуковых преобразователей 2 и 3 соединены, соответственно, с первым и вторым выходами первого канала 5.1 первого аналогового коммутатора 5 и первым и вторым входами первого канала 6.1 второго аналогового коммутатора 6.
Вторые выводы ультразвуковых преобразователей 2 и 3 связаны, соответственно, с первым и вторым выходами второго канала первого аналогового коммутатора 5 (5.2) и первым и вторым входами второго канала второго аналогового коммутатора 6 (6.2).
Первый и второй входы управления первого аналогового коммутатора 5 соединены с первым и вторым выходами микроконтроллера 7, третий выход которого связан с входом управления второго аналогового коммутатора 6. Первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого аналогового коммутатора 5 соединены, соответственно, с первым и вторым выводами формирователь импульсов 8.
Первый и второй выходы второго аналогового коммутатора 6 соединены с первым и вторым входами дифференциального усилителя 9, выход которого через компаратор 10 связан с первым входом микроконтроллера 7. Вход управления компаратора 10 связан с четвертым выходом микроконтроллера 7, пятый (информационный) выход которого соединен с первым входом вычислителя 11.
Первый и второй выходы вычислителя 11 соединены, соответственно, с входами управления микроконтроллера 7 и клапана 4. Третий выход контроллера-вычислителя 11 соединен с входом блока индикации 12. Второй и третий входы второго контроллера-вычислителя 11 соединены, соответственно, с выходами детектора утечки газа 13 и источника питания 14. Первый двунаправленный вход/выход вычислителя 11 соединен с входом/выходом считывателя карты 15, а второй вход/выход вычислителя 11 предназначен для приема и передачи данных между счетчиком и внешним устройством (на фиг.1 не показано).
Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик работает следующим
ц
образом. Вычислитель 11 формирует на своем первом выходе циклически повторяющиеся с периодом Т пары управляющих импульсов, поступающих на вход управления микроконтроллера 7 и включающие его в рабочий режим.
После поступления первого управляющего импульса на вход микроконтроллера 7 через промежуток времени, достаточный для включения встроенных в контроллер функциональных блоков, последний формирует на своих выходах сигналы управления первым аналоговым коммутатором 5 (соответствующие сигналы управления а, б и в на фиг.2) и сигнал управления вторым аналоговым коммутатором 6 инверсный относительно сигнала а, не показанный на фиг.2), переводя ключи аналоговых коммутаторов 5 и 6 в состояние 1, схематично изображенное на фиг.3
01
зи
рез
рез
В этом состоянии на первый ультразвуковой преобразователь 2, начиная с момента времени t далее в течение промежутка времени Т подаются противофазные сигналы возбуждения гид изображенные на фиг.2, причем амплитуда возбуждающих импульсов определяется уровнями напряжений на выходе формирователя импульсов 8, а период внутриимпульсного заполнения задается микроконтроллером 7 и равен 1/F, где F резонансная частота ультразвукового преобразователя. Второй ультразвуковой преобразователь 3 в состоянии 1 включен на прием и его выходы через аналоговый коммутатор 6 соединены со входами дифференциального усилителя 9.
Принятый ультразвуковым преобразователем 3 и усиленный дифференциальным усилителем 9 сигнал (3 на фиг.2) поступает на вход компаратора 10. Компаратор 10 управляется стробирующим импульсом (сигнал И на фиг.2), поступающим на вход управления компаратора 10 с четвертого выхода микроконтроллера 7, который переводит компаратор в активное состояние. Интервал времени, в течение которого компаратор 10 находится в активном состоянии, определяется заданным допустимым пределом времени прихода акустического сигнала (с учетом возможных
пределов скорости потока и скорости звука в газовой среде).
вкл
1
При превышении принятым сигналом порогового уровня U компаратор 10 переходит в состояние включения (переход из состояния «1» в состояние «0» на фиг.2 К ). Пороговый уровень выключения компаратора 10 посредством цепи обратной связи, обеспечивающей его гистерезис, установлен равным нулевому уровню. Таким образом, выключение компаратора (переход из состояния «0» в состояние «1» на фиг.2 К) происходит в момент времени пересечения спадающей полуволной принятого сигнала нулевого уровня (момент времени t на фиг.2 З).
01
1
1
1
01
1
Выходной сигнал компаратора 10 поступает на первый вход микроконтроллера 7. Микроконтроллер 7 имеет в своем составе быстродействующий счетчик, который переводится в счетный режим в момент времени t, а в момент времени t, соответствующий выключению компаратора, текущее состояние счетчика захватывается во встроенный регистр контроллера. Таким образом, измеряемому временному интервалу T=t-t ставится в соответствие число импульсов n, поступивших за интервал измерения на встроенный быстродействующий счетчик микроконтроллера 7. Результат измерения поступает на пятый (информационный) выход микроконтроллера 7, переписывается в один из внутренних регистров вычислителя 11, после чего микроконтроллер 7 переводится в пассивное состояние.
+
Через промежуток времени Т вычислитель 11 вновь формирует на своем первом выходе импульс, включающий микроконтроллер 7 в рабочий режим.
Микроконтроллер 7 вновь формирует на своих выходах сигналы управления аналоговым коммутатором 5 и сигнал управления вторым аналоговым коммутатором 6, причем, как следует из диаграммы а на фиг.2, уровень сигнала управления а изменяется на инверсный. Ключи аналоговых коммутаторов 5 и 6 переводятся в состояние 2, схематично изображенное на фиг.4, а быстродействующий счетчик микроконтроллера 7 в момент времени
02
t переводится в счетный режим.
В этом состоянии на второй ультразвуковой преобразователь 3, подаются противофазные сигналы возбуждения г и д, изображенные на фиг.2. Первый ультразвуковой преобразователь 2 в состоянии 2 включен на прием и его выходы через аналоговый коммутатор 6 соединяются с входами дифференциального усилителя 9.
вкл
2
Принятый ультразвуковым преобразователем 2 и усиленный дифференциальным усилителем 9 сигнал поступает на вход компаратора 10. При превышении принятым сигналом порогового уровня U компаратор 10 переходит в состояние включения, а выключение компаратора (переход из состояния «0» в состояние «1» на фиг.2 К) происходит в момент времени пересечения спадающей полуволной принятого сигнала нулевого уровня (момент времени t на фиг.2 З).
2
2
2
02
2
ц
Выходной сигнал компаратора 10 поступает на первый вход микроконтроллера 7. В момент времени t, соответствующий выключению компаратора, текущее состояние счетчика захватывается во встроенный регистр микроконтроллера 7. Таким образом, измеряемому временному интервалу Т=t-t ставится в соответствие число импульсов n, поступивших за интервал измерения на встроенный быстродействующий счетчик микроконтроллера 7. Результат измерения поступает на пятый (информационный) выход микроконтроллера 7, переписывается во второй внутренний регистр вычислителя 11, после чего микроконтроллер 7 переводится в пассивное состояние до наступления следующего цикла измерений, которые, как ранее было отмечено, повторяются с периодом Т.
1
2
ц
Полученные в каждом i-том цикле измерений значения n и n вычислитель 11 использует для определения объема газа, прошедшего за промежуток времени Т по формуле
где:
j
2
1
k - поправочный коэффициент, который в зависимости от значения J=(n-n-О) выбирается из таблицы коэффициентов, хранимой в памяти вычислителя 11;
J - разность задержек времени прохождения сигналов в наносекундах (нc);
О - условный ноль счетчика [нc].
i
i
i-1
i
Вычисленное в i-том цикле значение ΔV суммируется контроллером-вычислителем с суммарным измеренным объемом потребленного газа V=V+ΔV, записывается в регистр суммарного объема Рсо и выводится на индикатор 12.
опл
опл
При первоначальном включении расходомера-счетчика клапан 4 установлен в положении «закрыто», перекрывая выходной канал расходомера-счетчика. В регистре вычислителя 11 хранится начальное значение объема оплаченного газа V. Значение V и символ, показывающий положение клапана, также выводятся контроллером-вычислителем на индикатор 12.
оплi
опл
i
оплi
оплi
После первого цикла измерения вычислитель 11 производит вычисление разности V=V-ΔV и, в случае, если V>0, вырабатывает управляющее напряжение на открытие клапана 4. После исчерпания лимита оплаченного газа V>0, контроллер-вычислитель вырабатывает управляющее напряжение на закрытие клапана 4. В дальнейшем управляющее напряжение на открытие клапана вырабатывается вычислителем 11 только после ввода со считывателя карты 15 нового значения лимита оплаченного газа. При считывании данных с карты контроллер-вычислитель выполняет процедуру идентификации карты, в случае положительной идентификации производит считывание оплаченного объема газа и стирает данные с карты.
При открытом клапане 4 в промежутке между измерениями расхода газа вычислитель 11 производит периодическое (с периодом в несколько минут) включение детектора утечки (сенсора) газа 13 на промежуток
сенс
cенс
ceнс0
сенс
сенс0
пор
пор
сенс
сенс0
времени Т. Считанное через указанный промежуток времени с сенсора 13 значение напряжения U вычислитель 11 сравнивает с опорным напряжением U, хранимым в памяти вычислителя 11. В случае, если разность U-U≥Δ вычислитель 11 вырабатывает управляющее напряжение на закрытие клапана 4 и выдает на индикатор 12 символы-сообщения о закрытии клапана 4 и обнаружении опасной концентрации газа, где Δ - пороговое значение разности напряжений U-U, хранящееся в памяти вычислителя 11 и соответствующее опасной концентрации газа.
сен
сенс
сенс0
пор
После закрытия клапана 4 и установки сообщения об обнаружения утечки газа вычислитель 11 повторяет включение сенсора газа 13 с периодом Т до тех пор, пока не будет выполняться условие U-UπΔ. Только при выполнении данного условия вычислитель 11 вырабатывает управляющее напряжение для открытия клапана 4 и удаляет с индикатора 12 ранее установленные соответствующие символы-сообщения.
6am.пор.
Во время включения сенсора газа (то есть при максимальной нагрузке элемента питания) 13 вычислитель 11 производит кратковременное включение детектора напряжения 14 и считывание с него данных. В случае если напряжение элемента питания ниже порогового уровня U, вычислитель 11 выводит на индикатор 12 сообщение о разряде элемента питания.
Бытовой расходомер-счетчик газа может быть реализован на основе серийного микроконтроллера счетчика газа S142WE5RM, выполняющего все описанные функции микроконтроллера 7 и микроконтроллера типа PIC16LF877A в качестве вычислителя 11.
Предлагаемый бытовой расходомер-счетчик газа обеспечивает считывание с карты потребителя объема оплаченного газа, измерение объема потребленного газа и сравнение его с объемом оплаченного газа, отпуск оплаченного объема газа, а также перекрытие выходного канала счетчика при обнаружении утечки газа.