СЧЕТЧИК ГАЗА
GAS METER

Известен струйный датчик расхода газа и жидкостей, содержащий первичный струйный преобразователь с последовательно соединенными струйными переключателями и пневмоэлектропреобразователь, фиксирующий импульсы давления, частота которых пропорциональна расходу измеряемой среды (см. патент RU 2253844, МПК: G01F 1/20, опубл. 10.06.2005 г.). Для подсчета импульсов к датчику, обычно, подключают вычислительное устройство.
В настоящее время к приборам коммерческого учета газа предъявляются все более высокие требования к точности измерений. Нередко требуется, чтобы погрешность измерений составляла не более 0.5-1%, однако в реальных условиях на работу счетчика оказывают влияние различные факторы внешней среды, такие как давление, температура, внешняя вибрация, результатом воздействия которых является увеличение погрешности показаний счетчика.
Известен счетчик газа (см. патент RU 2337322, МПК:G01F 1/20, оп. 27.10.2008 г), содержащий размещенные в корпусе генератор колебаний со струйными дискретными элементами и пьезопреобразователь, соединенные последовательно, а также датчик температуры, усилитель, компаратор, вычислительный блок с жидкокристаллическим индикатором, блок преобразования сигнала от датчика температуры, блок коррекции характеристики преобразования, таймер. Наличие в конструкции счетчика датчика температуры, блока преобразования сигнала с этого датчика и блока коррекции позволяет повысить точность измерения расхода за счет учета поправки на температуру газа.
Известен измеритель расхода газа (см. патент RU 2296953, МПК: G01F 1/20, опубл. 10.04.2007 г), содержащий корпус с входным и выходным штуцерами, внутри которого помещен генератор колебаний, выполненный в виде стапелированных пластин со струйными дискретными элементами, на генераторе установлен контейнер с пьезодатчиком. Благодаря тому, что в конструкции измерителя предусмотрена возможность его виброгасящего закрепления, практически исключено влияние внешней вибрации на показания прибора. Однако такая конструкция счетчика является сложной и дорогостоящей, поэтому такой путь решения проблемы применяют, в основном для счетчиков газа в летательных аппаратах.
В качестве наиболее близкого, по наличию сходных конструктивных признаков, аналога для заявляемого технического решения принята конструкция счетчика газа, применяемого, в основном, для бытовых нужд, в качестве счетчика квартирного типа, раскрытая в материалах патента на изобретение RU 2337323, МПК: G01F 1/20, опубл. 27.10.2008 г. Конструкция упомянутого счетчика включает размещенные в корпусе генератор колебаний со струйными дискретными элементами и установленный на нем первый пьезоэлектрический преобразователь; установленный на внешней поверхности корпуса второй пьезопреобразователь, дифференциальный усилитель, прямой вход которого соединен с выходом первого пьезопреобразователя, а инверсный вход - с выходом второго пьезопреобразователя, компаратор, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход соединен с вычислительным устройством, связанным с жидкокристаллическим индикатором.
Второй пьезопреобразователь, установленный снаружи на корпусе прибора, снимает т.н. сигнал «помехи», возникающий при воздействии на прибор внешних вибраций. В дифференциальном усилителе происходит сложение аналоговых сигналов: измерительного и сигнала помехи, и полученный в результате «полезный сигнал» подвергается дальнейшей оцифровке и учету.
Недостатком счетчика по патенту RU 2337323 является недостаточная эффективность подавления сигнала помехи, что обусловлено используемым «аналоговым» способом коррекции. При таком способе для эффективного подавления воздействия вибрации необходимо обеспечить равенство амплитуд и фаз электрических сигналов с первого и второго пьезопреобразователей. Однако на практике, снимаемые с пьезопреобразователей сигналы не являются строго идентичными, что объясняется их размещением в разных местах корпуса счетчика, в результате которого электрические сигналы пьезопреобразователей имеют фазовый сдвиг, разную чувствительность и форму сигнала-отклика на воздействие вибрации в рабочем диапазоне частот счетчика. Все это ведет к неточности коррекции и, как следствие, к погрешности показаний счетчика.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение вышеперечисленных недостатков и повышение точности и достоверности показаний счетчика, за счет более эффективного подавления сигнала помехи.
Вышеупомянутая задача решена предлагаемым счетчиком газа, содержащим размещенные в корпусе струйный автогенератор колебаний и связанный с ним первый пьезопреобразователь, выход которого подключен к каналу обработки сигнала, состоящему из последовательно соединенных усилителя, компаратора и вычислительного устройства, связанного с жидкокристаллическим индикатором, и установленный на внешней поверхности корпуса второй пьезопреобразователь. Согласно заявляемому изобретению, счетчик снабжен вторым усилителем и вторым компаратором. Вход второго усилителя соединен с выходом второго пьезопреобразователя, а выход - с входом второго компаратора, выход которого соединен с входом вычислительного устройства, выполненного с возможностью программной оценки входных сигналов, в том числе входной частоты, и с возможностью вычисления взаимной корреляции сигналов.
В отличие от решения-прототипа, где дифференциальный усилитель осуществляет усиление сигнала разности входных сигналов, в заявляемом решении организован второй, независимый, канал обработки для сигнала второго пьезопреобразователя, за счет введения второго усилителя и второго компаратора.
Снимаемые с первого и второго пьезопреобразователей аналоговые сигналы усиливают и подвергают оцифровке независимо друг от друга, а все операции сложения и сравнения осуществляют уже с цифровыми сигналами в цифровом счетно-решающем устройстве, реализованном на базе микропроцессора.
Введение обработки обоих сигналов программным методом позволило в широких пределах оценивать работу основного канала - канала расхода, и канала помехи, что, в свою очередь, позволило менять условие принятия решения о наличии помехи, в зависимости от различных характеристик преобразователей и конструкции изделия. Иными словами заявляемая конструкция может быть использована с любыми струйными датчиками и первичными преобразователями, т.к. предусмотрена возможность программной настройки схемы на работу с конкретным датчиком.
Дополнительно помехоустойчивость повышена за счет того, что программа оценивает входную частоту основного канала расхода газа и позволяет работать только в области рабочих частот датчика расхода.
Благодаря возможности сравнения сигналов в цифровом виде и использованию микропроцессорного вычислительного устройства, сняты требования к идентичности сигналов, достигнуто более эффективное подавление сигнала помехи.
Предлагаемый струйный счетчик осуществляет учет расхода газа с высокой достоверностью, отличается высокой помехозащищенностью от воздействия внешних вибраций, благодаря вышеупомянутой «цифровой» коррекции данных на основе математических вычислений, включающих вычисление корреляции между каналами.
Счетчик может дополнительно содержать датчик температуры и блок преобразования сигнала с датчика температуры, соединенный с вычислительным устройством, которое в этом случае должно быть снабжено блоком коррекции показаний расхода в зависимости от температуры.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого счетчика газа,
На фиг.2 приведен алгоритм подавления сигнала помехи;
Осуществление изобретения
Счетчик газа содержит струйный автогенератор колебаний 1 и первый пьезоэлектрический преобразователь 2, размещенные в корпусе 3, на внешней поверхности которого установлен второй пьезоэлектрический преобразователь 4, а также усилители 5 и 6, компараторы 7 и 8, вычислительное устройство на базе микропроцессора 9 и жидкокристаллический индикатор 10 для отражения показаний вычислений.
Первый пьезопреобразователь 2 размещен непосредственно на блоке 1 и снимает сигнал с выхода струйного автогенератора колебаний 1. Выход пьезопреобразователя 2 соединен с входом усилителя 5. Выход второго пьезопреобразователя 4, установленного на внешней поверхности корпуса 3, соединен с входом усилителя 6.
Выходы усилителей 5 и 6 соединены с входами компараторов 7 и 8, соответственно, выходы которых соединены с вычислительным устройством 9.
Счетчик газа работает следующим образом.
Измеряемая среда (газ) проходит через входной патрубок 11 корпуса 3, воздействует на струйный блок 1 и выходит через выходной патрубок 12.
Колебания струи газа, генерируемые струйным автогенератором 1, воздействуют на пьезопреобразователь 2, который, воспринимая пульсации давления, вырабатывает выходной электрический сигнал с частотой, пропорциональной величине расхода газа.
Частота полезного сигнала с выхода пьезопреобразователя 2 изменяется в зависимости от величины расхода в пределах от 10 до 550 Гц. В этом же диапазоне частот на пьезопреобразователь 2 воздействуют различные вибрации корпуса 3 счетчика, т.к. пьезопреобразователь установлен на блоке 1, жестко закрепленном в корпусе 3 счетчика.
Вибрации корпуса 3 могут быть вызваны различными внешними механическими воздействиями, как прямыми, так и передаваемыми через конструкции, на которых закреплен счетчик, например, ударами работающего в соседнем помещении строительного инструмента, или создаваться некоторыми электробытовыми приборами.
В результате, сигнал на выходе первого пьезопреобразователя 2 является суммой полезного сигнала, генерируемого в результате воздействия струй газа в генераторе 1, и сигнала помехи, являющегося результатом механических воздействий на корпус 3 счетчика. Этот сигнал усиливается усилителем 5 первого канала.
На второй пьезопреобразователь 4, установленный на внешней поверхности корпуса 3, воздействуют только внешние вибрации, воздействующие на корпус 3 счетчика. Этот сигнал усиливается усилителем 6 второго канала.
Выходные сигналы усилителей 5 и 6 поступают на входы компараторов 7 и 8, соответственно, которые преобразуют синусоидальные сигналы в сигналы прямоугольной формы, пригодные для цифровой обработки микропроцессором 9.
Счетно-решающее устройство микропроцессора 9 распознает сигналы и исключает подсчет импульсов в случаях наличия только сигнала помехи, при наличии взаимно коррелированных (по частоте) сигналов на выходах первого и второго каналов, а также если частоты сигналов выходят за пределы рабочей полосы частот.
При наличии сигнала помехи одновременно с сигналом расхода газа, счетное устройство учитывает только сигнал расхода, ввиду того, что сигнал от струйного автогенератора по величине превышает сигнал помехи, и подавление последнего в этом случае осуществляется схемотехникой канала расхода.
Более актуально подавление помехи в случае отсутствия расхода, которое осуществляется по следующему алгоритму, представленному на фиг.2.
Принятие решения о наличии помехи осуществляется при условии, что
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>х</mi><mi>и</mi></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>Δ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>х</mi><mi>и</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>Δ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>х</mi><mi>и</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mo><</mo><msub><mi>Δ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>х</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
, где
расхода
F - частота сигнала с первого пьезопреобразователя;
помехи
F - частота сигнала со второго пьезопреобразователя;
помехи
Δ - величина коэффициента корреляции;
мин.расхода
F - частота сигнала с первого пьезопреобразователя при минимальном расходе;
помехи мин.
Δ - величина коэффициента корреляции при минимальном расходе.
Информация о расходе прошедшего через счетчик газа накапливается счетным устройством 9 и выводится на жидкокристаллический индикатор 10.
Устройство отличается высокой помехозащищенностью от вибрационных воздействий, надежностью работы и достоверностью показаний.