счетчик для учета воды

Формула изобретения

Счетчик для учета воды, включающий корпус датчика с входным и выходным патрубками, крыльчатку, установленную на оси в полости корпуса, первый и второй магниты, установленные в верхней части крыльчатки диаметрально относительно ее оси, блок управления и вычисления на базе микроконтроллера, жидкокристаллический индикатор, источник электропитания, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик Холла, установленный на наружной части корпуса счетчика воды над траекторией прохождения магнитов при вращении крыльчатки, блок оптимизации коэффициента пересчета, таймер, блок формирования импульсного питания для датчика Холла, блок связи с компьютером, причем первый вход датчика Холла соединен с общей шиной электронной схемы счетчика для учета воды, второй вход датчика Холла соединен с выходом блока формирования импульсного питания, а выход датчика Холла соединен с первым входом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера, первый выход которого соединен со входом жидкокристаллического индикатора, второй вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера соединен с положительным выводом источника электропитания, отрицательный вывод которого соединен с общей шиной электронной схемы счетчика для учета воды, а все остальные элементы электронной схемы счетчика воды также запитаны от источника электропитания, третий вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера соединен с выходом блока оптимизации коэффициентов пересчета, вход которого соединен со вторым выходом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера, четвертый вход которого соединен с первым выходом таймера, второй выход которого соединен со входом блока формирования импульсного питания для датчика Холла, пятый вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера соединен с выходом блока связи с компьютером, вход которого соединен с третьим выходом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения количества воды. Устройство по данному изобретению может быть применено как бытовой счетчик воды квартирного типа.

Известен счетчик учета воды и газа (пат. RU №2187076, G01F 1/115), содержащий первичный чувствительный элемент в виде турбинки или крыльчатки с укрепленными на ее лопастях магнитами, установленной в трубе, в которой протекает измеряемая среда, и вторичный элемент, включающий счетный механизм с магнитом, расположенный на поверхности трубы с первичным элементом, причем в первичном элементе магниты установлены на двух лопастях, в разных плоскостях, а во вторичном элементе установлен один постоянный магнит на полке, на концах которой содержатся зубья, один из которых сориентирован на стенку профиля зуба зубчатого колеса, связанного механически со счетным механизмом, а второй зуб полки при этом сориентирован на вершину соседнего зуба зубчатого колеса.

Недостатком счетчика является ограниченная возможность изменения коэффициента пересчета и регулировки относительной погрешности из-за наличия механических редукционных устройств. Другой недостаток известного счетчика заключается в том, что механическое счетное устройство обладает большим статическим и динамическим моментом сопротивления, что ухудшает порог чувствительности и приводит к повышению нижней границы диапазона измеряемых расходов.

Известно счетное устройство для счетчиков расхода воды и газа (пат. RU №2131115, G01F 1/075), содержащее устройство снятия информации, электронное устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего через счетчик вещества с системой питания датчиков, блок оптимизации коэффициента передачи в зависимости от текущего расхода и устройство индикации, причем устройство снятия информации выполнено в виде двух установленных через диамагнитную перегородку на одном уровне диаметрально относительно оси вращения магнита чувствительного элемента датчиков Холла, поверхности взаимодействия которых с магнитом чувствительного элемента идентичны, а выходы датчиков объединены, датчики электрически связаны с системой питания, формирующей импульсы питания поочередно на один из датчиков Холла по команде предыдущего, при этом устройство индикации снабжено схемой включения только на фиксированное время съема показаний.

Одним из недостатков известного устройства является недостаточно низкое энергопотребление, поскольку даже при импульсном питании датчики Холла потребляют значительный ток. При наличии двух датчиков Холла они вносят основной вклад в потребление всего устройства и потребляют настолько большой ток, что становится необходимым использование элементов питания (батареек) большой емкости, и, следовательно, приводит к удорожанию счетного устройства, что является существенным негативным фактором для бытового прибора. Другим недостатком является отсутствие в структуре устройства средств для ввода коэффициентов пересчета в блок оптимизации коэффициента передачи, определяемых по результатам калибровки счетного устройства. И еще один недостаток известного счетного устройства - недостаточно широкие функциональные возможности.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения расхода жидкости (пат. RU №2152128, G01F 1/06, G01F 1/075), содержащее корпус датчика, имеющий входное и выходное отверстия, крыльчатку, установленную на оси в полости корпуса, по меньшей мере один магнит, установленный в верхней части крыльчатки, счетное устройство, заключенное в корпус, которое содержит счетный геркон, взаимодействующий с магнитом крыльчатки и связанный с вычислительным устройством, выполненным в виде микросхемы, установленной на печатной плате, которая связана с цифровым жидкокристаллическим индикатором, источник электропитания, для управления счетным устройством на печатной плате выполнены контактные площадки, для доступа к которым в корпусе счетного устройства предусмотрены отверстия.

Недостатком устройства являются невысокие надежность и износоустойчивость, поскольку он содержит в качестве датчика количества оборотов крыльчатки геркон. Известно, что геркон имеет конечное число срабатываний, которое обычно составляет порядка 10⁶-10 ⁷. При частоте 10 Гц (максимальная частота вращения крыльчатки обычно составляет порядка 50-60 Гц) и при работе устройства не более 1 часа в сутки геркон выработает свой ресурс менее чем за 1 год, в то время как срок службы приборов учета (счетчиков воды, газа и т.д.) должен составлять не менее 8-10 лет.

Другим существенным недостатком устройства является высокое потребление мощности, поскольку геркон потребляет ток порядка нескольких мА, и оно не может быть запитано от батарейки по причине высокого потребления. В то же время современные приборы энергоучета проектируются, как правило, с батарейным питанием, которое позволяет избежать проблем, связанных с наличием промышленных помех от сети переменного тока, и обеспечивает независимость от сети.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности учета и расширение функциональных возможностей счетчика счетчика учета воды при одновременном снижение потребления энергопитания.

Указанный результат достигается тем, что в счетчик для учета воды, включающий корпус датчика с входным и выходным патрубками, крыльчатку, установленную на оси в полости корпуса, магниты, установленные в верхней части крыльчатки, диаметрально относительно ее оси, блок управления и вычисления на базе микроконтроллера, жидкокристаллический индикатор, источник электропитания, дополнительно введены датчик Холла, установленный на наружной части корпуса счетчика воды над траекторией прохождения магнитов при вращении крыльчатки, блок оптимизации коэффициента пересчета, таймер, блок формировании импульсного питания для датчика Холла, блок связи с компьютером, причем первый вход датчика Холла соединен с общей шиной электронной схемы счетчика для учета воды, второй вход датчика Холла соединен с выходом блока формирования импульсного питания, а выход датчика Холла соединен с первым входом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера, первый выход которого соединен со входом жидкокристаллического индикатора, второй вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера соединен с положительным выводом источника электропитания, отрицательный вывод которого соединен с общей шиной электронной схемы счетчика для учета воды, а все остальные элементы электронной схемы счетчика воды также запитаны от источника электропитания, третий вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера соединен с выходом блока оптимизации коэффициентов пересчета, вход которого соединен со вторым выходом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера, четвертый вход которого соединен с первым выходом таймера, второй выход которого соединен со входом блока формирования импульсного питания для датчика Холла, пятый вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера соединен с выходом блока связи с компьютером, вход которого соединен с третьим выходом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера.

Введение блока коррекции коэффициента пересчета позволяет повысить точность измерения расхода воды за счет разбиения характеристики преобразования частоты вращения крыльчатки в расход на линейные участки и использования для каждого участка индивидуального коэффициента пересчета поступающих от крыльчатки импульсов в количество воды.

Введение блока формирования импульсного питания датчика Холла позволяет снизить энергопотребление счетчика для учета воды.

Введение таймера позволяет расширить функциональные возможности счетчика воды для учета воды, обеспечивая учет времени работы счетчика.

Блок связи с компьютером также позволяет расширить функциональные возможности счетчика воды. Он дает возможность передавать показания счетчика во внешнюю систему, а также вносить в счетчик данные, полученные по результатам его калибровки на стенде.

На чертеже представлена блок-схема счетчика для учета воды.

Счетчик для учета воды содержит корпус датчика с входным и выходным патрубками 1, крыльчатку 2, установленную на оси 3 в полости корпуса 1, первый 4 и второй 5 магниты, установленные в верхней части крыльчатки 2, диаметрально относительно ее оси, датчик Холла 6, установленный на наружной части корпуса 1 счетчика воды над траекторией прохождения магнитов при их вращении, блок управления и вычисления на базе микроконтроллера 7 (в дальнейшем МК), жидкокристаллический индикатор 8, источник электропитания (батарейка) 9, блок оптимизации коэффициента пересчета 10, таймер 11, блок формировании импульсного питания для датчика Холла 12, блок связи с компьютером 13, причем первый вход датчика Холла 6 соединен с общей шиной ("землей") электронной схемы счетчика для учета воды, второй вход датчика Холла 6 (положительный вывод питания) соединен с выходом блока формирования импульсного питания 12, а выход датчика Холла 6 соединен с первым входом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера 7, первый выход которого соединен со входом жидкокристаллического индикатора 8, второй вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера 7 соединен с положительным выводом источника электропитания 9, отрицательный вывод которого соединен с общей шиной электронной схемы счетчика для учета воды, а все остальные элементы электронной схемы также запитаны от источника электропитания (батарейки), третий вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера 7 соединен с выходом блока оптимизации коэффициентов пересчета 10, вход которого соединен со вторым выходом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера 7, четвертый вход которого соединен с первым выходом таймера 11, второй выход которого соединен со входом блока формирования импульсного питания для датчика Холла 12, пятый вход блока управления и вычисления на базе микроконтроллера 7 соединен с выходом блока связи с компьютером 13, вход которого соединен с третьим выходом блока управления и вычисления на базе микроконтроллера 13.

Счетчик для учета воды работает следующим образом.

Вода, проходя через корпус 1 счетчика, воздействует на крыльчатку 2, причем сила воздействия пропорциональна частоте вращения крыльчатки и, следовательно, величине расхода воды.

При вращении крыльчатки 2 магниты 4 и 5, установленные в верхней части крыльчатки 2, периодически проходят под датчиком Холла 6, при этом на выходе датчика Холла 6 генерируется импульс, который поступает на первый вход блока управления и вычисления на базе МК 7.

Со второго выхода таймера 11 на вход блока формирования импульсного питания для датчика Холла 12 поступают импульсы с частотой, равной учетверенной максимальной частоте вращения крыльчатки 2 (примерно 200 Гц), соответствующей максимальному расходу. Блок формирования импульсного питания для датчиков Холла 12 по передним фронтам этих импульсов формирует импульсы минимально возможной длительности, достаточной для реакции на подачу питания на датчик Холла 6 и получения сигнала с его выхода.

При поступлении одного или нескольких импульсов (в зависимости от скорости вращения крыльчатки 2 при прохождении магнита под датчиком Холла 6) с выхода датчика Холла 6 на первый вход блока управления и вычисления на базе МК 7 в этом блоке формируется импульс, индицирующий прохождение половины оборота крыльчатки.

При формировании каждого такого импульса блок управления и вычисления на базе МК 7 определяет величину расхода по времени между двумя соседними импульсами, измеряемую таймером, и в зависимости от величины расхода извлекает из блока оптимизации коэффициентов пересчета 10 значение коэффициента пересчета импульсов в количество воды, соответствующее текущему расходу.

В блоке оптимизации коэффициентов пересчета 10 содержится набор коэффициентов пересчета, соответствующих линейным участкам графика зависимости расхода воды от частоты вращения крыльчатки 2.

После извлечения коэффициента пересчета из блока оптимизации коэффициентов пересчета 10 блок управления и вычисления на базе МК 7 добавляет к накапливаемому в нем суммарному количеству воды количество воды, определяемое соответствующим текущему расходу коэффициентом пересчета, соответствующее одному сформированному в нем импульсу, приходящемуся на половину оборота крыльчатки 2.

Таймер 11 подсчитывает время работы газового счетчика. С первого выхода таймера 11 на четвертый вход блока управления и вычисления на базе МК 7 передается текущее значение времени, который через заданные интервалы времени (например, один раз в сутки или по запросу из компьютера) выдает в блок связи с компьютером 13 накопленное суммарное количество воды, измеренное счетчиком для учета воды, а также суммарное время работы счетчика.

Измеренные суммарные значения количества воды и времени работы счетчика для учета воды выдаются также в жидкокристаллический индикатор 8 через заданные интервалы времени (например, один раз в пять секунд).

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерения расхода и количества воды за счет введения блока оптимизации коэффициентов пересчета 10. Для каждого конкретного датчика расхода, включающего корпус с входным и выходным патрубками 1, крыльчатку 2, установленную на оси 3 в полости корпуса 1, датчик Холла 6, на калибровочном стенде, "проливая" датчик водой, снимают зависимость расхода от частоты вращения крыльчатки, которая имеет нелинейный характер. Затем, разбивая график зависимости на линейные участки, для каждого участка определяют индивидуальный коэффициент пересчета частоты выходного сигнала датчика в расход воды. Эти значения заносят в блок оптимизации коэффициентов пересчета 10 из персонального компьютера (ПК) через блок связи с компьютером 13 и блок управления и вычисления на базе МК 7. Далее эти коэффициенты используются счетчиком для учета воды в процессе работы. Введение блока оптимизации коэффициентов пересчета 10 позволяет снизить погрешность измерения расхода до 0,1-0,2%.

Точность измерения по сравнению с известными аналогами повышается также за счет использования двух магнитов, установленных в верхней части крыльчатки.

Снижение энергопотребления достигается за счет использования импульсного режима подачи питания на датчик Холла 6. Такой способ позволяет снизить энергопотребление на три порядка, до 3÷4 мкА по сравнению с прототипом и в два раза по сравнения с аналогом за счет использования всего лишь одного датчика Холла, без потери точности, поскольку в первичном преобразователе (крыльчатке 2) при этом используются два магнита.

Введение таймера 11 и блока связи с компьютером 13 расширяет функциональные возможности счетчика для учета воды, поскольку позволяет выполнить требования учета времени работы прибора и передачи измеренных данных во внешние системы, предъявляемые к современным приборам учета энергоресурсов.