СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ
METHOD OF MEASURING FLUID FLOW RATE

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в счетчиках расхода воды с автономным напряжением питания.
Известен способ измерения расхода жидкости (патент РФ №2152128, G01F 1/06, G01F 1/075, 2000 г.), основанный на вращении под воздействием потока жидкости крыльчатки счетчика с закрепленными на ней постоянными магнитами и формировании под воздействием вращающегося магнитного поля сигнала, частота которого пропорциональна скорости потока жидкости, с вычислением и интегрированием по времени расхода жидкости и с визуальным отображением результатов измерения расхода на индикаторе.
Устройство, реализующее измерение расхода жидкости таким способом, содержит крыльчатку счетчика с закрепленными на ней постоянными магнитами и измерительный блок, подключенный к блоку индикации. Бесконтактная передача количества оборотов крыльчатки на измерительный блок основана на замыкании контакта геркона под действием вращающегося магнитного поля с частотой, пропорциональной скорости потока жидкости.
Недостатком данного способа является низкая надежность, обусловленная использованием механического контакта (геркона) с ограниченным эксплуатационным ресурсом, на работу которого также может влиять внешнее магнитное поле, что снижает его надежность и достоверность показаний при внешнем воздействии (например, при поднесении магнита к счетчику).
Известен также способ измерения расхода жидкости (патент РФ №2481559, G01F 1/075, 2013 г.), который включает вращение под воздействием потока жидкости крыльчатки счетчика с закрепленными на ней постоянными магнитами и формирование под воздействием вращающегося магнитного поля сигнала, частота которого пропорциональна скорости потока жидкости. Затем в измерительном блоке выполняют вычисление и интегрирование по времени текущего расхода жидкости с визуальным отображением общего расхода жидкости на цифровом индикаторе.
Устройство для измерения расхода жидкости этим способом содержит крыльчатку счетчика с закрепленными на ней постоянными магнитами, измерительный блок, блок индикации, высокочастотный генератор, блок коррекции, аккумулирующий блок и интерфейсный блок.
Бесконтактное определение количества оборотов крыльчатки данным способом выполняется по изменению тока высокочастотного генератора, пропорционального моменту сопротивления на валу крыльчатки счетчика, с коррекцией результатов измерений по тарировочным характеристикам.
Недостатком данного способа является сравнительно большое энергопотребление, обусловленное применением высокочастотного генератора, который также ограничивает точность измерения расхода жидкости, так как вращение магнитов в высокочастотном поле приводит к изменению момента сопротивления на валу крыльчатки счетчика, т.е. к замедлению скорости вращения крыльчатки и ее нелинейной зависимости от расхода жидкости.
Известен также способ измерения расхода жидкости с применением датчика Холла (патент РФ №2337320, G01F 1/075, 1999 г.), который включает вращение под воздействием потока жидкости крыльчатки с двумя диаметрально расположенными на ней магнитами. Для бесконтактного съема сигнала при вращении крыльчатки применяют датчик Холла, установленный на наружной части корпуса над траекторией прохождения магнитов, кроме которого в измерительном блоке используются блок импульсного питания датчика Холла, блок управления и вычисления на микроконтроллере, блок коэффициента пересчета, таймер и жидкокристаллический индикатор.
Недостатком данного способа является сравнительное высокое энергопотребление, обусловленное применением датчика Холла, на работу которого может влиять внешнее магнитное поле, что снижает его надежность и достоверность показаний (например, при поднесении магнита к счетчику).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ измерения расхода жидкости, основанный на вращении под воздействием потока жидкости крыльчатки счетчика с закрепленным на ее торце диском, наполовину покрытым металлом, и применении индуктивного датчика в составе LC-контура, на который подают короткие импульсы для возбуждения затухающих колебаний (Thomas Kot. LC Sensor Rotation Detection With MSP430™ Extended Scan Interface. Application Report SLAA639-July 2014. http://www.ti.com/lit/zip/tidc583). Амплитуду затухающих колебаний сравнивают компаратором с пороговым уровнем напряжения и определяют число импульсов, соответствующих затухающим колебаниям с амплитудой, превышающей пороговый уровень напряжения. По изменению количества этих импульсов, зависящего от вихретоковых потерь в металле диска, фиксируют обороты крыльчатки счетчика и пересчитывают их в расход воды, значение которого интегрируют во времени, а полученный результат в объемных единицах отображают на жидкокристаллическом индикаторе.
В составе измерительного блока, реализующего такой способ, кроме LC-контура с индуктивным датчиком используют компаратор аналоговых сигналов, цифроаналоговый преобразователь, таймер, микроконтроллер, генератор тактовых импульсов и жидкокристаллический индикатор.
При измерении расхода воды данным способом формируют короткие импульсы стабильной длительности (примерно 1 мкс) для возбуждения колебаний на параллельном LC-контуре с индуктивным датчиком. Ток заряда одновременно протекает через параллельно включенные конденсатор и индуктивный датчик, поэтому увеличение длительности зарядного импульса приводит к увеличению тока заряда, а его уменьшение - к недостаточному заряду конденсатора и, соответственно, к изменению начальной амплитуды затухающих колебаний. Однако, даже при постоянной длительности зарядного импульса температурные или временные изменения параметров LC-контура вызывают соответствующие изменения амплитуды затухающих колебаний, поэтому даже при постоянном уровне напряжения срабатывания компаратора количество импульсов на его выходе может изменяться от влияния внешних факторов (нестабильности напряжения питания и температуры), уменьшая достоверность результатов контроля расхода жидкости.
зд
Энергопотребление устройства, реализующего такой способ измерения расхода жидкости, наиболее существенно зависит от быстродействия аналогового компаратора, сравнивающего затухающие колебания на LC-контуре с пороговым уровнем напряжения, который задается цифроаналоговым преобразователем. В частности, при типовой частоте резонансных затухающих колебаний  для формирования выходных импульсов с погрешностью не более 5% от амплитуды затухающих колебаний задержка срабатывания компаратора не должно превышать значения Δt≤0,2 мкс, которое обеспечивается при токе питания компаратора в сотни микроампер. Кроме того, необходимо подавать ток питания на таймер, задающий длительность возбуждающего импульса, и цифроаналоговый преобразователь, что в совокупности также повышает энергопотребление такого устройства.
Задачей заявляемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерения расхода жидкости и уменьшение энергопотребления устройства при его реализации предлагаемым способом.
Решение данной задачи предложенным способом измерения расхода жидкости достигается тем, что воздействие потока жидкости приводит к вращению крыльчатки счетчика с закрепленным на ее торце диском, наполовину покрытым металлом. Для определения скорости вращения крыльчатки счетчика применяют индуктивный датчик в составе LC-контура, на который подают короткие импульсы для возбуждения затухающих колебаний, амплитуду которых сравнивают с пороговым уровнем напряжения. Затем определяют число импульсов, соответствующих количеству затухающих колебаний с амплитудой, превышающей пороговый уровень напряжения, и по изменению числа этих импульсов, зависящего от вихретоковых потерь в металле диска, фиксируют обороты крыльчатки счетчика. После этого пересчитывают число оборотов диска в расход воды, значение которого интегрируют во времени, и полученный результат в объемных единицах отображают на жидкокристаллическом индикаторе. Затухающие колебания большой амплитуды выделяют логическим триггером Шмитта, вход которого подключают к LC-контуру через диодно-резистивную цепь. Для возбуждения затухающих колебаний индуктивный датчик подключают к выходу D-триггера, который периодически устанавливают в высокое состояние импульсами опроса состояния индуктивного датчика. Выходным напряжением D-триггера заряжают емкость LC-контура через индуктивный датчик до момента срабатывания логического триггера Шмитта, выходные импульсы которого подают через конденсатор обратной связи на LC-контур и на R-вход триггера для его сброса в нулевое состояние, а также используют для выделения поворота диска.
Заявляемый способ реализуется устройством, структурная схема которого приведена на фиг. 1, а работа его основных функциональных узлов поясняется временными диаграммами напряжений, показанными на фиг. 2.
ПОР
Устройство содержит диск 1, половина поверхности которого покрыта металлом. Диск закреплен на крыльчатке счетчика, размещенного внутри корпуса. Напротив этого диска на диэлектрической крышке корпуса размещен LC-контур 2, содержащий индуктивный датчик 3 и конденсатор 4, который через диод 5 подключен к входу логического триггера Шмитта 6 и через резистор 7 соединен с нулевой цепью. Выход логического триггера Шмитта 6 через конденсатор обратной связи 8 подключен к LC-контуру 2 и к R-входу сброса D-триггера 9, счетный С-вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 10. Выходы логического триггера Шмитта 6 и D-триггера 9 подключены соответственно к счетному С-входу и R-входу сброса первого счетчика 11, выход которого подключен к одному входу цифрового компаратора 12, на другой вход которого подан пороговый код N. Выход цифрового компаратора 12 через второй счетчик импульсов 13 и дешифратор 14 подключен к жидкокристаллическому цифровому индикатору 15.
Устройство, реализующее предложенный способ измерения расхода жидкости, работает следующим образом.
Генератор 10 формирует тактовые импульсы для возбуждения LC-контура 2 с частотой  которая должна не менее чем в 6 раз превышать максимальную частоту вращения  диска 1, закрепленного на крыльчатке счетчика. Например, при частоте вращения диска  частота тактовых импульсов должна составлять  чтобы надежно фиксировать наличие на диске металлического или неметаллического покрытия. По фронту каждого тактового импульса, поступающего от генератора 10, D-триггер 9 устанавливается в высокое состояние, и его выходное напряжение через индуктивный датчик 3 подается на конденсатор 4. Такое соединение индуктивного датчика 3 с конденсатором 4 представляет собой последовательный колебательный контур с малым резонансным сопротивлением, поэтому напряжение на конденсаторе 4 быстро возрастает до тех пор, пока не достигнет порога напряжения срабатывания триггера Шмитта 6. При срабатывании триггера Шмитта 6 на его выходе появляется высокий уровень напряжения, который поступает через конденсатор обратной связи 8 на LC-контур 2 и обеспечивает дополнительный подзаряд конденсатора 4. Кроме того, высокий уровень выходного напряжения триггера Шмитта 6 подается на R-вход D-триггера 9 и устанавливает его в нулевое состояние. В результате этого индуктивный датчик 3 подключается параллельно конденсатору 4 и образует параллельный колебательный контур с высоким сопротивлением на резонансной частоте. Поэтому на LC-контуре 2 возникают затухающие гармонические колебания, максимальная амплитуда которых ограничивается напряжением питания триггера Шмитта 6, а на его выходе формируется последовательность импульсов, число которых зависит от добротности LC-контура 2.
Если под торцом индуктивного датчика отсутствует металлическое покрытие диска, то при высокой добротности LC-контура 2 на выходе триггера Шмитта 6 формируется большое количество N≥10 импульсов. При наличии металлического покрытия под индуктивным датчиком возрастают потери электромагнитной энергии из-за протекания вихревых токов в металле диска. Это приводит к уменьшению добротности LC-контура 2, быстрому затуханию колебательного процесса и, соответственно, к уменьшению числа импульсов N≤4 на выходе триггера Шмитта 6 (фиг. 2).
ПОР
ПОР
1
ПОР
2
ПОР
Количество этих импульсов после каждого срабатывания D-триггера 9 определяется первым счетчиком 11 и сравнивается цифровым компаратором 12 с пороговым значением кода N. При пороговом значении кода N=8 и выходном коде счетчика 11 N>N цифровой компаратор 12 формирует высокий уровень напряжения, а при выходном коде счетчика 11 N<N на выходе цифрового компаратора 12 появляется низкий уровень напряжения, поэтому число его срабатываний соответствует количеству оборотов диска. Второй счетчик 13 непрерывно суммирует количество выходных импульсов, цифрового компаратора 12, которое после дешифратора 14 поступает на жидкокристаллический индикатор 17 и показывает общий расход жидкости.
Подключение диода 5 на входе триггера Шмитта 6 позволяет исключить влияние ограничителя амплитуды, применяемого в этом логическом элементе для защиты от перенапряжения по входу, на амплитуду отрицательных полуволн затухающих колебаний. Высокоомный резистор 7 применен для протекания входного тока триггера Шмитта 6 при закрытом диоде 5, и сравнительно мало влияет на высокую добротность LC-контура 2.
8
4
Повышение чувствительности измерения расхода воды предложенным способом достигается за счет применения конденсатора 8 небольшой емкости С≤0,1С в цепи положительной обратной связи. В этом случае выходными импульсами триггера Шмитта 6 происходит дополнительный подзаряд конденсатора 4 в каждом периоде затухающих колебаний, что позволяет увеличить эквивалентную добротность LC-контура и число импульсов на выходе триггера Шмитта 6 при отсутствии металлического покрытия под индуктивным датчиком.
Повышение точности измерения предложенным способом достигается за счет заряда конденсатора 4 до уровня срабатывания триггера Шмитта 6, изменение которого приводит к пропорциональному изменению амплитуды затухающих колебаний, поэтому количество импульсов на выходе триггера Шмитта 6 остается постоянным, в частности, даже при уменьшении напряжения батареи автономного питания устройства.
Уменьшение энергопотребления при измерении расхода воды предложенным способом обусловлено двукратным снижением амплитуды импульсов зарядного тока при импульсном возбуждении колебаний в LC-контуре, применением вместо аналогового компаратора цифрового КМОП элемента "Триггер Шмитта" с пренебрежимо малым током покоя при обеспечении высокого быстродействия, а также сокращением общего количества функциональных узлов в схеме устройства.
3
4
ПИТ
ПИТ
ПИТ
ПИТ
Экспериментально установлено, что при использовании в LC-контуре индуктивного датчика на ферритовом стержне с индуктивностью L=1 мГн и конденсатора 4 с емкостью С=100 пФ частота резонансных затухающих колебаний составляет . При напряжении питания U=3,6 В, получаемого от литиевой батареи, реализация триггера Шмитта 6 на микросхеме К561ТЛ1, D-триггера 9 на микросхеме К561ТМ2 с использованием диода 5 типа КД521Б и резистора 7 типа МЛТ-0,25-200 кОм позволяет уменьшить средний ток потребления измерительной части данного устройства до уровня I≈0,3 мкА (без учета энергопотребления микроконтроллера, выполняющего функции двух счетчиков, компаратора и дешифратора). Ток потребления измерительной схемы прототипа составляет I≈2,4 мкА при аналогичном напряжении питания U=3,6 В, т.е. в 8 раз выше.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".
Отличительные признаки: преобразование параллельного колебательного контура в последовательный контур для уменьшения тока заряда конденсатора, ограничение напряжения его заряда на уровне порога срабатывания логического триггера Шмитта для уменьшения влияния питающего напряжения на точность устройства, применение конденсатора обратной связи для повышения чувствительности, а также использование логического элемента "Триггер Шмитта" с диодно-резисторной цепью на входе вместо аналогового компаратора для уменьшения энергопотребления при сохранении высокого быстродействия, в них не встречаются. Следовательно, заявляемый способ удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".
Промышленная применимость предложенного способа обусловлена наличием элементной базы, на которой его можно реализовать с достижением указанного в изобретении назначения. В частности, генератор тактовых импульсов 10 и триггер Шмитта 6 можно реализовать на микросхеме К561ТЛ1, D-триггер 9 - на микросхеме К561ТМ2, а счетчики импульсов 11, 13 и цифровой компаратор 12 с дешифратором 14 - на микроконтроллере типа MSP430G2553 с током потребления менее 10 мкА при частоте 32,768 кГц.
Таким образом, совокупность предложенных решений обеспечивает выполнение поставленной задачи изобретения.