Снижение минимального фиксируемого объема газа для счетного механизма диафрагменного прибора учета расхода природного газа

Снижение минимального фиксируемого объема газа для счетного механизма диафрагменного прибора учета расхода природного газа

А.Н. Акользин, А.А. Легин, О.А. Харьянов Южный федеральный университет, г. Таганрог

Аннотация: Развитие современной электроники привело к усовершенствованию и модернизации приборов учета природного газа. Механические приборы все больше стали вытесняться электронными, которые позволяют обеспечить более высокую точность, разрешающую способность прибора и имеют ряд дополнительных возможностей, например, позволяют регистрировать события и осуществлять контроль показаний. Задачей таких приборов является обеспечить полностью автономную работу от батарейного элемента в период от 5 до 10 лет. Время автономной работы определяется количеством потребителей электроэнергии входящих в состав прибора учета и может быть снижено до очень малых значений за счет применения современных электронных компонентов с низким энергопотреблением. Дополнительно можно снизить энергопотребление путем реализации определенных алгоритмов работы устройства. В данной работе рассмотрены варианты построения измерительной мишени, и алгоритмы работы цифровой части, которые позволяют снизить энергопотребление. Ключевые слова: измерительные схемы, приборы учета природного газа, энергопотребление, измерительная мишень, энергоэффективность.

Введение

Приборы учета расхода газа очень широко распространены и используются как в бытовом хозяйстве, так и в промышленности. В их основную задачу входит измерение потребляемого абонентом объема природного газа и корректировка этих показаний с учетом температуры и давления. В качестве измерителя в основном используется диафрагма, которая совершает поступательные движения в результате давления, создаваемого проходящим через нее газом. Механическое движение диафрагмы через магнитную муфту преобразуется во вращательное движение мишени. Варианты исполнения мишени могут быть различными, это может быть мишень с прорезями для оптической системы, которая позволяет сформировать цифровой код или это может быть магнитная мишень, для магнитной системы с датчиком Холла. Основной задачей

измерительной схемы является пересчет вращательного движения мишени в объем газа. При этом минимальный фиксируемый объем будет зависеть от минимального углового перемещения, которое может зафиксировать измерительная схема, а это в свою очередь зависит как от исполнения мишени, так и от исполнения схемы измерения.

Основными потребителями в приборе учета выступают микроконтроллер, устройство индикации и электронная схема, которая позволяет регистрировать вращение мишени. Современные вычислительные процессоры позволяют добиться низкого энергопотребления от элемента питания в различных режимах порядка 4-30 мкА. Потребление устройства индикации так же может быть несущественным, так как существуют ЖКИ, которые потребляют порядка 10-20 мкА [1], что является подходящим для применения в приборах учета.

Задачей данной работы является разработка различных схем измерения поступательного движения мембраны с целью повышения разрешающей способности устройства в целом. А также разработка различных алгоритмов съема показаний с помощью измерительных схем, которые позволяют снизить среднее значение энергопотребления прибора учета.

Основная часть

Прибор учета природного газа представляет собой устройство, состоящее из схемы измерения, измерителя, устройства отображения и порта связи с внешними устройствами (опционально), как показано на рис. 1.

Рис. 1. - Внешний вид прибора учета природного газа

В приборах учета природного газа точность и разрешающая способность приборов определяется конструкцией измерительной схемы, которая содержит в себе электрическую и механическую составляющую. Необходимость повышения разрешающей способности связана с требованиями ГОСТ Р 8.915-2016. «Государственная система обеспечения единства измерений счётчики газа объемные диафрагменные. Общие технические требования, методы испытаний и поверки на электронные приборы учета». Для определения объема газа прошедшего через мембрану необходимо измерять угловое перемещение мишени с заданной точностью. Существует множество подходов к измерению вращения измерительной мишени[2,3]. В ходе разработки прибора учета природного газа были рассмотрены различные способы построения измерительной части схемы и предложены различные алгоритмы управления измерением.

Начнем рассмотрение с самой простой измерительной схемы, которая представляет собой диск, где световой поток от излучателя перекрывается

:

каждые полпериода, и измерительную схему с оптической парой, в которой используется один светодиод и один фотодиод, рис. 1. Такая схема измерения проста в реализации и положительно влияет на энергопотребление, а как следствие, и на время автономной работы прибора учета. Это обусловлено тем, что основным потребителем является светодиод, который потребляет порядка 10 мА[4]. Поскольку в схеме он всего один и работает в импульсном режиме, при этом частота импульсов должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты вращения мишени при максимальном расходе. Это позволяет обеспечить уровень среднего потребления тока схемы измерения менее10 мкА[5] и определяется по формуле:

I • £ +1 • £

с с р р

' ср = >

ср

где ¡с - потребление в режиме «сна», ¡р - в активном режиме, - время потребления в активном режиме, tс - время потребления в режиме «сна».

На основе приведенной формулы (1) построим таблицу 1 зависимости среднего тока потребленияот времениработы в активном режиме. Измерение потребления среднего тока проводились для оптической пары с одним светодиодом и одним фототранзистором, ток через которую регулировался с помощью резисторов нагрузки.

Таблица № 1

Зависимость среднего тока потребления оптической пары

tр, мкс Rд, кОм 1д, мкА 1ср.диод, мкА 1ср.транзистор, мкА

10 0,105 20000 2 2,2

50 0,470 4200 2,1 0,41

100 2,6 749 0,749 0,47

Для расчета общего тока потребления прибора учета для одной оптической пары воспользуемся формулой:

:

^ р

где Iср.транзистор - среднее потребление тока фототранзистора, ¡ср.диод - среднее потребление тока светодиода, 1ср.инд - среднее потребление тока индикатора[1], tср.конт - среднее потребления тока микроконтроллера, ¡р -общее потребление тока всего прибора учета ип - количество оптических пар. Для расчета среднего потребления для каждого компонента воспользуемся формулой (1), где период импульсов подаваемых на светодиод будет равен tc = 10 мс, потребление микроконтроллера в режиме сна 4 =3.3мкА.[6], потребление микроконтроллера в активном режиме ¡р =1.85мА. [6], время работы микроконтроллера в активном режиме^указан в таблице 2.

Таблица № 2

Потребление прибора учета для одной оптической пары

tр, мкс Rд, кОм 1д, мкА 1ср.диод, мкА 1ср.транзи стор, мкА 1ср.инд, мкА 1ср.конт, мкА 1р., мкА

10 0,105 20000 2 2,2 5 5,14 14,34

50 0,470 4200 2,1 0,41 5 12,48 19,99

100 2,6 749 0,749 0,47 5 21,58 27,79

Экспериментально было установлено, что один полный оборот мишени соответствует объему 0,00119 м3. Согласно ГОСТ на индикаторе прибора учета показания должны отображаться с точностью четыре знака после запятой [2]. В рассматриваемом способе измерения получить значащую часть четвертого разряда сложно в связи с маленьким разрешением измерительной мишени.

Рассмотрим более сложную оптическую измерительную схему с мишенью, которая позволяет получить цифровой код Грея [7] рисунок 2. Особенностью кода Грея является то, что его цифровая комбинация отличается от предыдущих, только одной цифрой в двоичном разряде. Эта

особенность позволяет отследить и скорректировать ошибки в случае их появления. Другим преимуществом является то, что такая схема измерения может фиксировать четверть оборота мишени, в отличие от предыдущей реализации, где фиксируется пол оборота, это позволяет удвоить разрешающую способность оптической мишени и позволяет измерить минимальный объем газа, который равен 0,00029 м3. Такая схема измерения требует установки двух светодиодов, которые работают в импульсном режиме, что увеличивает энергопотребление, а для обеспечения требуемой точности измерений требуется увеличение частоты импульсной работы излучателей в четыре раза от максимальных оборотов мишени. Методы оптимизации потребления оптических схем приведены в[5].Воспользуемся данными из таблицы 1 и формулой 2, и составим таблицу 3, в которой будет потребление прибора учета в составе, которого две оптические пары.

Таблица № 3

Потребление прибора учета для двух оптических пар

ф, Яд, 1д, 1ср.диод 1ср.транзи 1ср.инд, 1ср.кон 1р.,

мкс кОм мкА , мкА стор, мкА мкА т, мкА

мкА

10 0,105 20000 2 2,2 5 5,14 18,54

50 0,470 4200 2,1 0,41 5 12,48 22,5

100 2,6 749 0,749 0,47 5 21,58 29,018

Такой вариант съема показаний имеет еще одну положительную особенность, по сравнению с предыдущим вариантом съёма, которая связана с возникновением ошибок на очень малых оборотах мишени. Эти ошибки появляются из-за дребезга, возникающего при переходе границы из области засветки в область тени. Можно повысить точность, если применить схему измерения с тремя оптическими парами и мишенью, которая позволяет выдавать трехбитный код. Такая схема измерения позволит регистрировать 1/8 периода оборота.

Рис. 2. - Плата газового счетчика с мишенью в коде Грея

Дальнейшее увеличение разрядности цифрового кода приведет к увеличению количество оптических излучателей, которые будут расположены на небольшом расстоянии друг от друга. В таком случае соседние излучатели будут давать паразитную засветку друг на друга. Альтернативным вариантом повышения точности, является увеличение детальности мишени, как показано на рис. 3. Минимальный измеряемый объём газа будет пропорционален 1/8 оборота мишени. Преимущество такого измерителя то, что у него по-прежнему остается всего два оптических излучателя, при этом минимально измеренный объем газа составит 0,00014875 м . Рассматриваемых метод также приведет к увеличению частоты следования импульсов светодиода, что скажется на энергоэффективности.

Для данной мишени воспользуемся значениями для расчетов указанные в таблице 2, количество светодиодов будет равное двум и период импульсов подаваемых на светодиод будет равен = 5 мс, так как разрешаемая

1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5026

способность мишени увеличилась в два раза. Полученное значение/^ показано в таблице 4.

Таблица № 4

Потребление прибора учета для мишени с 1/8 периода оборота

tр, Яд, 1д, 1ср.диод 1ср.транзи 1ср.инд, 1ср.кон 1р.,

мкс кОм мкА , мкА стор, мкА мкА т, мкА

мкА

10 0,105 20000 2 2,2 5 6,98 16,38

50 0,470 4200 2,1 0,41 5 21,58 31,6

100 2,6 749 0,749 0,47 5 39,50 46,93

Рис. 3. - Модифицированная мишень с двухбитным кодом Грея

Рассмотренные подходы к построению оптических схем и конструкции мишени были опытно проверены и могут применяться в конечных изделиях. В качестве альтернативы были рассмотрены еще два варианта построения схемы измерения. Первый заключается в реализации оптического энкодера [8], показанного на рис. 4. В этом случае схема измерения всегда будет состоять из двух оптических пар, а разрешение будет определяться шириной

1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5026

прорезей в оптической мишени. Преимуществом данной схемы является то, что можно реализовать требуемое разрешение путем модификации только самой мишени. Временные диаграммы на выходе оптической схемы с такой мишенью показаны на рис. 5.

Рис. 4. - Мишень для работы оптического энкодера.

Приемник А

Приемник В

- 1,С

Рис. 5. - Формы электрических сигналов с датчиков оптического энкодера.

Такая схема имеет право на существование, но имеет существенный недостаток, который заключается в том, что оптические излучатели должны работать в непрерывном режиме. Такой режим приведет к существенному увеличению энергопотребления. Потребление прибора учета в случае

использовании энкодера будет равно сумме потребления тока двух светодиодов и двух фототранзисторов включенных постоянно, ток потребления двух светодиодов /диод =3080мкА, ток потребления двух фототранзисторов 1транзистора =0,326мкА, общее потребление будет равно 1дт =3080,3мкА. При таком построении схемы измерения можно добиться снижения энергопотребления за счет такого алгоритма работы, при котором, пока мишень неподвижна, оптопары работают в импульсном режиме, а когда мишень начинает вращательные движения, включается режим непрерывной работы. Для определения положения вала можно использовать аппаратные ресурсы микроконтроллеров, предназначенные для работы с сигналами энкодера. Это позволит уменьшить время программной обработки сигналов и упростить разработку программного обеспечения. Алгоритм работы такой схемы измерения показан на рис. 6.

I III Инженерный вестник Дона, №2 (2018) В| ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/5026

Рис. 6. - Алгоритм работы устройства при реализации оптического энкодера

Второй вариант это использование диска с чередующимися магнитными полюсами [9, 10]. Диск представляет собой полимерный материал с тонкодисперсным магнитным наполнителем. Частицы наполнителя в секторах диска поочерёдно ориентированы в противоположных направлениях, как показано на рис. 7. При вращении

диска магнитное поле мишени воздействуют на датчик Холла, преобразующий изменения магнитного поля в электрический сигнал синусоидальной формы рис. 8 [11]. Для определения положения мишени можно воспользоваться аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера путем анализа уровня аналогового сигнала с датчика Холла. Разрешающая способность такой мишени будет определяться количеством полюсов магнитного диска.

Рис. 7. - Принцип измерения с использованием магнитного диска

и (О, В

Рис. 8. - Форма электрического сигнала с аналогового датчика Холла Из выше описанного можно подвести итоги. Наиболее подходящим вариантом реализации схем измерения являются оптические схемы, которые работают в импульсном режиме. Конфигурацию оптических пар и мишени необходимо выбирать из компромисса между точностью измерений и энергопотреблением. Оптимальной конфигурацией оптической пары и

1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5026

мишени является, использование мишени с 1/4 оборота и с двумя оптическими парами работающие по коду Грея. Схема измерения на основе энкодера имеет место быть, если применить алгоритм, который позволит снизить потребление в режиме простоя. Однако, когда счетчик будет находиться в активном режиме, такой вариант будет не самым удачным например в зимний период, когда устройство постоянно находится в режиме измерений. Реализация измерений с датчиком Холла так же требует выполнение постоянных измерений сигнала на выходе с помощью АЦП, что приводит к увеличению энергопотребления. Кроме того, такие схемы измерения чувствительны к воздействию внешнего магнитного поля.

Рассмотрим, как можно улучшить энергоэффективность прибора, который работает в импульсном режиме. Первое, что можно сделать - это существенно уменьшить частоту опроса оптической схемы в ждущем режиме. После того как будет обнаружено движение частота опроса увеличивается до максимального значения и происходит процесс измерения. В процессе измерения параллельно можно измерять частоту вращения мишени, как это показано на рис. 9. Если текущий расход находится в первом диапазоне, то частоту можно снизить, если во время работы расход увеличится, то и частота увеличивается.

Рис. 9. - Динамическое изменение частоты работы оптической схемы

Алгоритм работы устройства для представленного случая показан на рис. 10.

Повышаем частоту опроса

г4--

/ Считывание / значений с

/ оптической пары

-5--

Измеряем частоту

-6

Измеряем частоту опроса в зависимости от расхода

Увеличиваем счетчик ожидания остановки

Рис. 10. - Алгоритм динамического изменения частоты работы оптической

схемы в импульсном режиме

Выводы.

В ходе работы были рассмотрены варианты построения измерительных схем, устройства учета расхода природного газа. Показано, что изменяя как электронную часть измерительной схемы, так и механическую можно добиться повышения разрешающей способности приборов учета. Были рассмотрены варианты построения оптической и механической измерительной части устройства и представлены их геометрические модели, описаны их преимущества и недостатки. Представлен алгоритм работы устройства учета для оптического энкодера, который позволит снизить энергопотребление в режиме простоя и алгоритм динамического изменения частоты работы оптических пар в импульсном режиме [12].

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проекта «Разработка и создание высокотехнологичного производства инновационной системы комплексного учета, регистрации и анализа потребления энергоресурсов и воды промышленными предприятиями и объектами ЖКХ» по постановлению правительства №218 от 09.04.2010 г. Работа выполнялась во ФГАОУ ВО ЮФУ.

Литература

1. ОАО "ИНТЕГРАЛ" Индикаторы общего применения. URL:integral.by/ru/products/indikatory-obshchego-primeneniya?product=2223

2. Беляев А.О., Ковтун Д.Г. Электронная температурная коррекция объема в приборах учета потребления природного газа // Инженерный вестник Дона, 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3837

3. Волков А. Ю. О состоянии и перспективах развития средств измерения углового перемещения // Проблемы автоматики и управления, 2014, №. 1. С. 160-168.

4. Infrared Emitting diode KP-3216F3C. URL: lib.chipdip.ru/195/doc000195243.pdf (Circulation date 02.06.2018).

5. Акользин А.Н., Ковтун Д.Г., Легин А.Н. Исследование методов снижения энергопотребления оптических схем измерения положения мишени. // Известия ЮФУ. Технические науки. Номер 6(191) - 2017. С. 159-168.

6. STM8L152x68-bit ultra-low-power MCU. URL: st.com/resource/en/datasheet/stm8l152k6.pdf (Circulation date: 02.06.2018).

7. Скляр Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. — М.: Вильямс, 2007. 1104 с.

8. Мосур А. А., Шведов А. П. Кодирующая последовательность для восьмиразрядного однодорожечного абсолютного оптического энкодера // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2016, №. 12-1, С. 214 - 225.

9. Гауф А., Гусева А. Магнитные датчики угла поворота (энкодеры) EcoTurn // Компоненты и технологии, 2012, №. 1. С. 38-41.

10.Смирнов Ю. С. и др. Аналого-цифровые преобразователи составляющих перемещения с применением микроэлектронных синусно-косинусных магнитных энкодеров //Измерительная техника, 2014, №. 1. С. 28-31.

11.Фигурнов Е. П. Расчет цепей с датчиками ЭДС Холла //Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 1963, №. 12. С. 1338-1338.

12.Семенистая Е.С., Анацкий И.Г., Бойко Ю.А. Разработка программного обеспечения автоматизированной системы контроля и учета энергоресурсов и воды // Инженерный вестник Дона, 2016. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3897.

References

1. OAO "INTEGRAL" Indikatory obshchego primeneniya [OAO INTEGRAL Indicators of general application] URL:integral.by/ru/products/indikatory-obshchego-primeneniya?product=2223

2. Belyaev A.O., Kovtun D.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3837.

3. Volkov A.Yu. Problemy avtomatiki i upravleniya, 2014, №. 1. pp. 160-168.

4. Infrared Emitting diode KP-3216F3C. URL: lib.chipdip.ru/195/doc000195243.pdf (Circulation date 02.06.2018).

5. Akol'zin A.N., Kovtun D.G., Legin A.N. Izvestija JUFU. Tehnicheskie nauki. № 6(191). 2017. pp. 159-168.

6. STM8L152x68-bit ultra-low-power MCU. URL: st.com/resource/en/datasheet/stm8l152k6.pdf (Circulation date: 02.06.2018).

7. Sklyar B. Tsifrovaya svyaz': Teoreticheskiye osnovy i prakticheskoye primeneniye [Digital Communication: Theoretical Foundations and Practical Applications] M.: Vil'yams, 2007. 1104 p.

8. Mosur A.A., Shvedov A.P. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki, 2016, №. 12-1, pp. 214 - 225.

9. Gauf A., Guseva A. Komponenty i tekhnologii, 2012, №. 1. pp. 38-41.

10. Smirnov YU. S. i dr. Izmeritel'naya tekhnika, 2014, №. 1. pp. 28-31.

11. Figurnov Ye. P. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika, 1963, №. 12. pp. 1338-1338.

12. Semenistaya Ye.S., Anatskiy I.G., Boyko YU.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3897.