АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО УЧЕТА РАСХОДА РЕСУРСОВ (ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ)

Изобретение относится к области измерения расхода газа или жидкости и может быть применено в системах газо- и водоснабжения, а также в системах дистанционного контроля транспортировочных емкостей газов и жидкостей.
В настоящее время существует множество запатентованных моделей тахометрических счетчиков с функционалом, схожим с предлагаемым. У всех моделей с механической передачей момента от крыльчатки к счетному устройству общий недостаток - низкая точность и диапазон измерения из-за того, что турбинка нагружена механической передачей. У моделей с оптическим или электромагнитным (датчики Холла) измерением числа оборотов крыльчатки (турбинки) тоже общий недостаток - необходимость источника питания для датчика числа оборотов, что делает его неприемлемым для бытового использования.
Так в расходомере-счетчике газа или жидкости патент №2078311 [1] этот недостаток устранен обеспечением ненагруженного режима работы турбинки. Недостаток у модели в том, что отсутствует возможность вывода информации на дистанционный пульт сбора и регистрации.
В модели ротационного счетчика газа патент №2460975 [2] применено электромагнитное считывание числа оборотов ротора катушкой индуктивности. Однако конструкция требует автономного источника питания.
В модели счетного устройства для приборов учета расхода энергоресурсов патент №2131115 [3] устройство снятия информации выполнено в виде двух датчиков Холла, установленных диаметрально относительно оси вращения магнита крыльчатки через диамагнитную перегородку. Система питания выполнена с возможностью формирования импульсов питания поочередно на один из датчиков Холла по команде предыдущего. Устройство индикации дополнительно снабжено схемой включения только на фиксированное время съема показаний. В связи этим счетчик обладает повышенной чувствительностью к малым расходам, низким энергопотреблением и большим ресурсом работы - не менее 20 лет. Однако требует автономного питания.
Принципы работы системы сбора информации описаны в работе self-powered in-pipe fluid meter and piping network comprising a plurality of such fluid meters патент №8299937. [4] Описана автономная система ультразвукового измерения расхода среды с дополнительным ротационным механизмом для генерации тока заряда аккумулятора, локальной системой счисления и передачи данных от счетчика к накопителю. Преимущество данной системы в том, что измерение расхода среды осуществляется отдельным ультразвуковым датчиком, а генерация тока заряда элемента питания отдельным механическим устройством. Недостаток системы в ее громоздкости и высокой стоимости.
Принципы дистанционного сбора данных со счетчиков расхода ресурсов указаны в работе способ учета и информационно-аналитическая система учета энергоресурсов патент №2453913 [5]. Предлагается организовывать локальные подсети из нескольких счетчиков, связанных с GSM-контроллером посредством местного интерфейса (проводное соединение, ИК-канал связи, Wi-Fi, BlueTooth и т.д.). GSM-контроллер через модем передает данные на удаленный пост регистрации. Данная система передачи данных заслуживает внимания, так как очень удобна для сбора информации со счетчиков многоквартирных домов, где есть возможность установки и обеспечения бесперебойным питанием громоздкого оборудования сбора и передачи данных. Однако, для контроля расхода ресурсов на мобильных объектах или одиночных удаленных точках данная система нерациональна или даже не применима.
Наиболее близкой к заявляемому решению является модель Турбинный счетчик жидкости патент №2042925 [6], выбранная в качестве прототипа.
В патенте описан счетчик газа и воды с устраненной зависимостью учета расхода жидкости от сети электропитания при длительной работе счетчика, повышенной точностью измерения, автоматизацией обработки и регистрации результатов учета.
Турбинный счетчик жидкости представленный на фиг. 1 содержит: корпус 1 с измерительным каналом, внутри которого размещены струевыпрямитель 2, турбинка 3 с запрессованным в ней ферритовым стержнем 4, высокочастотный узел 5 съема электрического сигнала с расположенной в нем катушкой самоиндукции 6, микромощный генератор 7 электрического тока с крыльчаткой 8, а также расположенные вне корпуса аккумулятор 9 и высокочастотный электронный блок 10, в который входят генератор 11 высокочастотных колебаний, высокочастотный колебательный контур 12 измерительного напряжения, высокочастотный колебательный контур 13 опорного напряжения, формирователь 14 измерительного импульса и счетный блок 15 оперативной памяти (электронный блок 10 может быть выполнен в виде одной микросхемы), цифровое табло 16 и переносный калькулятор 17. Катушка самоиндукции 6 подключена к высокочастотному колебательному контуру 12 измерительного напряжения.
Турбинный счетчик жидкости работает следующим образом. В измерительном канале корпуса 1 под воздействием потока жидкости, прошедшей через струевыпрямитель 2, турбинка 3 свободно вращается на оси, укрепленной в высокочастотном узле 5 съема электрического сигнала, с угловой скоростью, пропорциональной расходу жидкости, причем при каждом обороте турбинки 3 запрессованный в ней ферритовый стержень 4 пересекает высокочастотное электромагнитное поле катушки самоиндукции 6, входящей в колебательный контур 12 измерительного напряжения. Генератор 11 высокочастотных колебаний непрерывно генерирует стабильные по частоте электрические колебания, которые подаются на измерительный 12 и опорный 13 колебательные контуры. При положении ферритового стержня 4 вне влияния электромагнитного поля катушки самоиндукции 6, входящей в колебательный контур 12 измерительного напряжения, резонансная частота последнего изменяется, вследствие чего напряжение на измерительном контуре 12 изменится относительно напряжения на опорном контуре 13 скачком, продолжительность последнего равна времени прохождения ферритового стержня 4 в электромагнитном поле катушки самоиндукции 6. Этот скачек напряжения, равный разности напряжений на опорном 13 и измерительном 12 контурах, поступает на вход формирователя 14 измерительного импульса, последний преобразует количество оборотов турбинки 3 в единицы расхода жидкости.
После прохождения через измерительный канал корпуса 1 одного литра жидкости на выходе формирователя 14 появляется один измерительный импульс.
С выхода формирователя 14 измерительные импульсы поступают в счетный блок 15 оперативной памяти (накопитель измерительных импульсов). Суммарное количество измерительных импульсов, а, следовательно, литров жидкости, высвечивается на цифровом табло 16. При присоединении к счетному блоку 15 оперативной памяти переносного калькулятора 17 это же число импульсов в двоичном коде переносится непосредственно (или дистанционно) в электронную память калькулятора 17. (Переносный калькулятор 17 позволяет записать показания большого количества контролируемых турбинных счетчиков жидкости, причем, кроме результатов замеров расхода, также порядковый номер счетчика). Размещение высокочастотного узла 5 съема электрического сигнала внутри измерительного канала корпуса 1 по осевой линии канала повышает точность измерения, так как в этом случае работа высокочастотного узла 5 съема электрического сигнала не зависит от материала корпуса и позволяет создать единую универсальную конструкцию, которая может применяться в расходомерах различной производительности. Микромощный генератор 7 электрического тока и его крыльчатка 8 обеспечивают автономное электропитание электронного блока 10 и цифрового табло 16. Микромощным генератором электрического тока является малогабаритный электрический генератор с вращающимся магнитом, вырабатывающий ток переменного напряжения. После выпрямления этот электрический ток подзаряжает аккумулятор 9, стабилизирующий напряжение электропитания высокочастотного электронного блока 10, аккумулятор сглаживает пульсации выпрямленного тока.
Недостатками устройства являются:
- отсутствие встроенного модуля беспроводной передачи информации,
- не описана возможность контроля заряда батареи, для оптимизации расхода энергии на вычислительную часть и устройство обмена.
Предлагаемое Автономное устройство для дистанционного учета расхода ресурсов (жидкостей и газов) в качестве полезной модели позволит: иметь доступ к счетчику устройства в любое время, даст возможность определения местоположения мобильной емкости, даст возможность определения несанкционированного отбора материалов, а также возможность определения утечек запорного узла и возможность определения интервалов времени с интенсивным отбором.
Технический результат предлагаемого решения в качестве полезной модели - продолжительная работоспособность устройства и доступность определения состояния счетчика расхода ресурсов автономных (мобильных) устройств (емкостей), достоверное определение их местоположения с помощью системы ГЛОНАСС/GPS.
Технический результат достигается путем восстановления энергии аккумулятора электромагнитной энергией тахогенератора. При этом ведется постоянный контроль уровня заряда аккумулятора, определяющий логику работы устройства на передачу информации о расходе ресурсов (при низком уровне заряда батареи устройство радиообмена и определения координат находится в сверхэкономичном режиме ожидания). Это обеспечивает дополнительные возможности дистанционного контроля, продлевает межрегламентный ресурс работы устройства. В случае полного разряда аккумулятора устройство восстановит функционирование после интервала интенсивного отбора расходных жидкостей (газов).
Счетчик обладает высокой чувствительностью к малым расходам. Ресурс работы устройства не менее 5 лет (ограничение со стороны GSM-модуля).
Автономное устройство для дистанционного учета расхода ресурсов (жидкостей и газов) заявляемое в качестве полезной модели состоит из: тахогенератора 18, устройства восстановления заряда аккумулятора 19, аккумулятора 9, вычислительного узла 20, индикатора 21, блока информационного обмена 22, антенны 23.
Узлы устройства дистанционного контроля расхода жидкостей и газов - микроконтроллер, узел индикации, блок информационного обмена - потребляют ток, т.е. разряжают аккумулятор, тем самым уменьшают продолжительность работоспособности устройства.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство работает следующим образом: дополнительное устройство восстановления заряда аккумулятора, совместно с тахогенератором, осуществляет подпитку аккумуляторной батареи энергией, отбираемой у потока расходуемой жидкости.
Автономное устройство для дистанционного учета расхода ресурсов (жидкостей и газов) работает следующим образом: в измерительном канале корпуса под воздействием потока жидкости турбинка 3 свободно вращается с укрепленным многополюсным ротором тахогенератора 1 с угловой скоростью, пропорциональной расходу жидкости, причем при вращении турбинки на обмотках тахогенератора вырабатывается переменное напряжение, которое далее с трех обмоток тахогенератора 1 через выпрямительные диоды Д1-Д6 поступает на конденсатор С1. По достижении величины 1 Вольт и более напряжение преобразуется микросхемой МАХ619 (либо иным устройством аналогичного назначения) в напряжение 5 Вольт. Далее 5 вольтовое напряжение поступает на аккумулятор для восстановления утраченной аккумулятором энергии. Кроме того, со второго вывода катушек тахогенератора счетные импульсы поступают на вход счетчика вычислительного узла 20.1, счетчик пересчитывает количество импульсов в объем (массу). При воздействии управляющих сигналов логического устройства вычислительного узла 20.2 индикатор 21 отображает состояние счетчика вычислительного узла 20.1 (показывает текущий расход). Вычислительный узел 20 формирует и передает информацию в блок информационного обмена 22. Блок информационного обмена, представляющий из себя GSM модуль, совмещенный с приемником сигналов систем позиционирования GPS и ГЛОНАСС, запрограммирован на отправку сообщений на сервер системы учета посредством радиосигнала через сеть GSM. Блоком информационного обмена формируются сообщения, содержащие информацию о расходе от вычислительного узла и данные о местоположении устройства. Излучение и прием радиосигналов осуществляется через антенну 23. Данные о состоянии счетчика передаются на сервер системы учета по запросу системы; также передаются по достижении определенных уровней расхода; при наличии расхода в незапланированные интервалы времени; при малом расходе (профилактика утечек) и т.д. Вычислительный узел 20 устройства (микроконтроллер) ведет протокол событий с данными о расходах во времени. Данные протокола можно запросить с сервера или снять при подключении к устройству.
Структурная и электрическая схемы приведены на Фиг.2 и Фиг.3 соответственно.
Источники информации:
1. Патент RU №2078311 от 13.10.1993, Расходомер-счетчик газа или жидкости, Автор(ы): Ференец В.А., Князев B.C., Кисликов А.Н., Ференец А.В., Тюрина В.Г., Гусев М.М. Патентообладатель: Казанское риборостроительное конструкторское бюро
2. Патент RU №2460975 от 07.04.2009, Ротационный счетчик газа, Автор(ы): Антонов A.E.(UA), Бабиченко B.M. (UA), Березный B.H. (UA), Бондаренко В.С. (UA), Ильницкий И.P. (UA), Лежнев В.Ф. (UA), Попов B. (UA), Ярошевич B.H. (UA) Патентообладатель(и): Бабиченко В.М. (UA)
3. Патент RU №2131115 от 17.02 1997, Счетное устройство для приборов учета расхода энергоресурсов, Автор(ы): Белобрагин В.Н., Лошневский Г.М., Макаровец Н.А., Ростовцев В.И., Проскурин Н.М., Ройзен М.И., Сивцов СВ., Чуков П.Н. Патентообладатель(и): ГНПП "Сплав"
3. Патент US №8299937 от 06.08.2007, Self-powered in-pipe fluid meter and piping network comprising a plurality of such fluid meters, Авторы: Wang Zhenfeng, Lim Ser Youn, Fan Wei, Zhang Danhong, Патентообладатели: Agency for Science, Technology and Research
4. Патент RU №2453913 от 31.01.2011, Способ учета и информационно-аналитическая система учета энергоресурсов, Автор(ы): Феофилактов B. (RU), Бабушкин A.A. (RU), Дементьев A.C. (RU), Варанкин A.B (RU), Ухов A.C. (RU), Чалый A.П. (RU), Ведерников К.А. (RU) Патентообладатель(и): ОАО "Ижевский радиозавод"
5. Патент RU №2042925 от 23.12.1992, Турбинный счетчик жидкости, Автор(ы): Гузеев О.Е., Крамер Б. М., Филенко Л.П., Патентообладатель(и): Гузеев О.Е., Крамер Б. М., Филенко Л.П.