СЧЕТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИБОРОВ УЧЕТА РАСХОДА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/75 

Изобретение относится к счетным устройствам для приборов учета расхода энергоресурсов, преимущественно электронным, предназначено для использования в различных устройствах, например в счетчиках расхода воды или газа, выполнено в виде блока электронного счетного и может найти применение во многих отраслях народного хозяйства при измерении и учете объема расходуемого газа (воды), потребляемого различными объектами в системе газоснабжения (водоснабжение) коммунального хозяйства, а также в быту для индивидуального потребления.

Проблема бережного расходования энергоресурсов становится все острее из-за истощения природных источников, удорожания добычи, переработки и транспортирования, изменения норм потребления, а это накладывает более жесткие требования к эксплуатационным характеристикам средств учета.

В известных и широко используемых в настоящее время счетчиках и расходомерах (далее счетчиках) заложены самые разнообразные конструктивные и физические принципы, однако наибольшее распространение получили так называемые тахометрические счетчики, где чувствительный элемент имеет непосредственный контакт с измеряемой средой и выдает информацию о количестве прошедшего вещества непосредственно на счетное устройство без промежуточных преобразующих элементов с постоянным коэффициентом передачи.

Такие счетчики автономны и их работа происходит за счет энергии движущейся через них среды.

Как правило, они состоят из чувствительного элемента - крыльчатки или турбинки, передающей магнитной муфты и механического счетного устройства, выполненного в виде многоступенчатого редуктора и барабанного декадного индикаторного механизма.

Передающая магнитная муфта, закрепленная на оси крыльчатки (турбинки), при вращении последней создает магнитные импульсы, частота которых пропорциональна частоте вращения крыльчатки (турбинки).

Так известно (см. Кремлевский П.П. "Расходомеры и счетчики количества" Л. Машиностроение, 1989 г. с. 293) механическое счетное устройство, которое включает устройство снятия информации, устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего через счетчик вещества, выполненное в виде многоступенчатого редуктора, и устройство индикации, представляющее собой барабанный декадный индикаторный механизм (принято за аналог).

Устройство снятия информации представляет собой чувствительный элемент, который выполнен в виде передающей магнитной муфты, закрепленной на оси крыльчатки (турбинки). Информация об оборотах с чувствительного элемента счетчика (магнита) бесконтактным способом передается механическому счетному устройству, которое переводит обороты ротора счетчика в объем прошедшего через счетчик вещества либо, измеряя скорость движения его, - в расход вещества.

Такая конструкция счетного устройства нашла широкое применение в счетных приборах при измерении количества газа (воды), расходуемых в быту, а также в системе газоснабжения (водоснабжения) коммунального хозяйства.

Однако при своей простоте такое механическое счетное устройство обладает значительным статическим и динамическим моментом сопротивления, на преодоление которого необходимо затратить часть полезного момента, развиваемого чувствительным элементом, и таким образом, ухудшить порог чувствительности и работу на минимальных расходах.

Попытки ослабить это отрицательное явление путем применения часовых камней, особых полимерных и сверхтвердых материалов ощутимых результатов не дали.

Кроме того, такое счетное устройство не позволяет найти оптимальный коэффициент передачи счетчика в зависимости от расхода, т.к. его чувствительный элемент имеет нелинейную характеристику, а счетное устройство - линейную. Это вынудило разработчиков устанавливать разные величины допустимых погрешностей - большую для так называемого переходного расхода, достигающего до 1/3 рабочей шкалы прибора (± 5%), меньшую для остальной части шкалы (± 3%), а для расходов меньше минимального вообще не нормировать.

Это разграничение довольно условное, приводит к значительным погрешностям счетного устройства и, как следствие, к необъективности измерения.

Учитывая, что тахометрические счетчики с такими счетными устройствами занимают самую значительную долю среди всех средств учета, экономический урон из-за перечисленных недостатков значителен как для поставщиков, так и для потребителей энергоресурсов.

Кроме того, наличие большого количества механических элементов счетного устройства, подверженных гальваническому трению, сокращает долговечность и надежность такого счетного устройства, что вынуждает уменьшать межповерочные сроки и повышать эксплуатационные расходы.

Таким образом, задачей данного технического решения являлась разработка счетного устройства без предъявления к нему повышенных требований по относительной погрешности и оптимизации коэффициента передачи.

Общими признаками с предлагаемым авторами счетным устройством являются наличие устройства снятия информации, устройства преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего через счетчик вещества и устройства индикации.

Поэтому задача уменьшения или полного исключения "паразитных" моментов счетного устройства, оптимизации коэффициента передачи в зависимости от текущего расхода и, как следствие, снижение величины погрешности, порога чувствительности и минимальных расходов актуальна и представляет практический и экономический интерес.

Одно из направлений решения этой задачи - это создание электронных счетных устройств с цифровым жидкокристаллическим индикатором.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому эффекту является счетное устройство для тахометрических счетчиков расхода воды или газа, раскрытое в DE, N 3300657 A1, G 01 F 1/075, 1984, с. 3-4, 7-8 описания, фиг. 2, 6, 11, принятое авторами за прототип.

Оно включает в себя устройство снятия информации, электронное устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего через счетчик вещества с системой питания, снабженное блоком оптимизации коэффициента передачи, и устройство индикации.

К недостаткам счетного устройства следует отнести следующее:
- устройство снятия информации выполнено в виде постоянного магнита и электромагнитной катушки (также выполнено и устройство подзарядки питающей батареи), силовое взаимодействие между которыми вызывает тормозящее воздействие на ротор и таким образом снижает чувствительность счетчика,
- кроме того, все элементы счетного устройства подключены к источнику электропитания постоянно, что снижает ресурс батареи.

Таким образом, задачей данного технического решения прототипа являлась разработка счетного устройства, где не решались вопросы повышения чувствительности к малым расходам и снижения электропотребления.

Общими признаками с предлагаемым авторами счетным устройством является наличие устройства снятия информации, электронного устройства преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего через счетчик вещества, блока оптимизации коэффициента передачи, устройства индикации.

В отличие от прототипа в предлагаемом авторами счетном устройстве устройство снятия информации выполнено в виде двух диаметрально, на одном уровне установленных через диамагнитную перегородку относительно оси вращения магнита чувствительного элемента датчиков Холла, поверхности взаимодействия обоих датчиков с магнитом чувствительного элемента идентичны, а выходы датчиков объединены, являются входом счетного устройства и электрически связаны с системой питания датчиков, выполненной в импульсном режиме с поочередным питанием каждого датчика по команде предыдущего, а устройство индикации дополнительно снабжено схемой включения только на фиксированное время съема показаний.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является создание счетного устройства, надежного в обращении и эксплуатации, обладающего повышенной чувствительностью к малым расходам и малым энергопотреблением.

Новое конструктивное выполнение отдельных схемных узлов счетного устройства и их взаимное размещение, в частности обеспечение передачи информации от чувствительного элемента посредством датчиков Холла (не оказывает тормозящего момента), малое энергопотребление позволяет ему работать в автономном режиме со сменной батареей электропитания через 7-8 лет.

Сущность изобретения заключается в том, что в счетном устройстве для приборов учета энергоресурсов, включающем устройство снятия информации, электронное устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего через счетчик вещества с системой питания, снабженное блоком оптимизации коэффициента передачи, и устройство индикации, в отличие от прототипа согласно изобретению, устройство снятия информации выполнено в виде двух диаметрально, на одном уровне установленных через диамагнитную перегородку относительно оси вращения магнита чувствительного элемента датчика Холла, поверхности взаимодействия обеих датчиков с магнитом чувствительного элемента идентичны, а выходы датчиков объединены, являются входом счетного устройства; система питания датчиков выполнена в импульсном режиме с поочередным питанием каждого датчика по команде предыдущего, а устройство индикации дополнительно снабжено схемой включения только на фиксированное время съема показаний.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено взаимное расположение датчиков Холла и магнита чувствительного элемента, фиг.2 - схема приема и передачи информации и управления питания датчиками Холла, фиг. 3 - зона фиксирования датчиками Холла наличия магнитного поля, чувствительного элемента и зона нечувствительности, фиг.4 - эпюры формирования счетных импульсов.

Счетное устройство для приборов учета расхода энергоресурсов содержит устройство снятия информации 1, электронное устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего через счетчик вещества с системой питания датчиков 2 и устройство индикации 3.

Для повышения помехозащищенности из-за возможных колебаний и биений оси 4 и чувствительного элемента 5 устройство снятия информации 1 выполнено в виде 2-х датчиков Холла 6, которые диаметрально установлены через диамагнитную перегородку 7 на одном уровне относительно оси 4 вращения магнита 8 чувствительного элемента 5. Поверхности взаимодействия обоих датчиков Холла 6 с магнитом 8 чувствительного элемента 5 идентичны, а выходы 9 их объединены и являются входом 10 счетного устройства.

Для снижения энергопотребления применено импульсное питание датчиков Холла 6, для чего они электрически связаны с системой питания датчиков 2, выполненной в импульсном режиме, которая формирует импульсы по цепи питания поочередно на каждый датчик Холла 6 по команде предыдущего датчика Холла, устройство индикации 3 снабжено схемой включения только на фиксированное время считывания показаний.

Два датчика Холла 6 через диамагнитную перегородку 7 расположены диаметрально, на одном уровне относительно постоянного магнита 8 чувствительного элемента 5 счетного устройства, и это является устройством снятия и приема информации 1. Схема взаимного расположения этих элементов приведена на фиг. 1, где: 6 - датчики Холла, 8 - постоянный магнит чувствительного элемента 5, 7 - диамагнитная перегородка, 4 - ось чувствительного элемента 5.

Функциональная схема приема, передачи информации и управления питания датчиками (фиг. 2) включает датчики Холла 6, постоянный магнит 8 чувствительного элемента 5 и электронное устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента с системой питания датчиков 2.

Система питания датчиков формирует с высокой скважностью поочередно на один из датчиков Холла 6 импульс питания, вырабатывает команды на переключение питания с одного датчика на другой, выходы 9 датчиков объединены и являются входом 10 счетного устройства.

Намагниченность (коэрцитивная сила) магнита 8 чувствительного элемента 5 и расстояния от магнита 8 до датчиков Холла 6 рассчитываются исходя из необходимости обеспечения при вращении магнита 8 гарантированного сегмента магнитного поля, при попадании в который срабатывает при включении первый или второй датчики Холла 6. Это изображено на фиг.3, где сегменты "а" и "б" являются зонами, где магнитное поле постоянного магнита 8 уверенно фиксируется датчиками Холла 6, а сегменты "в" и "г" - зоны нечувствительности.

На фиг. 4 изображены эпюры формирования счетных импульсов, где штриховкой показаны временные зоны наличия магнитного поля (зоны "а" и "б" по фиг. 3).

Т_пит - период импульсов питания датчиков Холла 6.

4.1. Эпюра импульсов питания и зоны наличия магнитного поля по одному датчику Холла 6.

4.2. То же по другому датчику Холла 6.

4.3. Счетные импульсы с датчиков Холла 6.

Работа схемы происходит следующим образом.

Системой питания датчиками электронного устройства преобразования числа оборотов чувствительного элемента 2 формируются короткие импульсы по цепи питания на вход 10 одного из датчиков Холла 6.

Одновременно анализируется время появления выходного импульса, поступающего с суммарного выхода 9 двух датчиков Холла 6. В случае фиксирования наличия выходного импульса до окончания T_пит (фиг. 4) системой управления (фиг. 2) осуществляется переключение питающих импульсов на другой датчик Холла 6 (фиг. 4) и одновременно считывается информация на суммирование 1/2 оборота чувствительного элемента 5 (4.3. фиг.4) и т.д.

Таким образом, питание получает только тот датчик Холла 6, на котором должна появиться зона наличия магнитного поля ("а" и "б" фиг. 3).

За счет этого, а также малой длительности питающего импульса происходит экономия энергии электропитания.

Кроме того, такая схема обеспечивает эксплуатационную помехозащищенность, т.к. наличие зон нечувствительности ("в" и "г" фиг.3) гарантированно разносит по времени возможность поступления выходных импульсов, а переключение питания на другой датчик Холла 6 после появления выходного сигнала с первого исключает поступление ложных сигналов с первого датчика Холла 6 в случае колебаний, вибраций, биений чувствительного элемента 5 как в состоянии покоя, так и вращения.

Период формирования импульсов питания (T_пит фиг.4) выбирается исходя из максимально возможной скорости вращения чувствительного элемента 5 и минимально возможным сектором чувствительности датчика (фиг.3), а длительность импульса определяется частотными характеристиками датчиков Холла 6.

Например, при скорости вращения чувствительного элемента 5 до 2000 об/мин при использовании в качестве датчиков Холла 6 микросхем К-1116 КП-10 надежная работа обеспечивается при T_пит = 6 мкс и длительности импульса 3 мкс, ток потребления датчика 6 в этом случае ≤ 3 мкА, что дает возможность работать от одной батареи в течение достаточно длительного времени, чтоб обеспечивать автономность счетчика.

Применение предлагаемого авторами изобретения позволит за счет обеспечения передачи информации от чувствительного элемента 5 посредством датчиков Холла 6 исключить появление тормозного момента и таким образом поднять чувствительность к малым расходам, а малое потребление за счет указанных схемных и конструктивных решений позволяет счетчику работать в автономном режиме со сменой батареи электропитания через 7-8 лет.

Предлагаемое счетное устройство может найти применение в счетчиках и расходомерах самых разнообразных газов, жидкостей, сыпучих материалов и т.д.

По предлагаемому изобретению разработана конструкторская документация (черт. ЛИС 1.00.000).

Предложенное техническое решение апробировано при отработке квартирного газового счетчика. Испытания предлагаемого счетного устройства показали хорошие результаты как по надежности, так и по выходным параметрам. Погрешность измерения его составляет не более 1% во всем диапазоне шкалы; а ресурс работы не менее 20 лет.

По результатам испытаний предлагаемое счетное устройство для приборов учета расхода энергоресурсов признано перспективным и рекомендовано в производство.

В настоящее время газовый счетчик с указанным счетным устройством прошел государственную сертификацию.

Изобретение может найти применение в счетчиках расхода воды или газа, потребляемого различными объектами в системах газо- и водоснабжения коммунального хозяйства, а также в быту для индивидуального потребления. Счетное устройство содержит устройство снятия информации, электронное устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента (крыльчатки) в количество прошедшего через счетчик вещества с системой питания и блоком оптимизации коэффициента передачи в зависимости от текущего расхода и устройство индикации. 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. Счетчик обладает повышенной чувствительностью к малым расходам и низким энергопотреблением. Ресурс работы устройства не менее 20 лет. 4 ил.

Счетное устройство для счетчиков расхода воды и газа, содержащее устройство снятия информации, электронное устройство преобразования числа оборотов чувствительного элемента в количество прошедшего черед счетчик вещества с системой питания датчиков, дополнительно снабженное блоком оптимизации коэффициента передачи в зависимости от текущего расхода, и устройство индикации, отличающееся тем, что 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 дополнительно снабжено схемой включения только на фиксированное время съема показаний.