Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа
Использование: устройство предназначено для измерения расхода газа и может найти применение в жилищно-коммунальном хозяйстве для учета отпускаемого потребителю расхода газа, в том числе обеспечивает считывание с карты объема оплаченного газа, измерение объема потребленного газа и сравнение его с объемом оплаченного газа, измерение мгновенного значения расхода газа, отпуск оплаченного объема газа, а также предусматривает перекрытие газа запорным клапаном при исчерпании лимита оплаченного газа. Сущность: бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, включает калиброванную измерительную трубку, два приемопередающих ультразвуковых преобразователя, размещенных в выполненных в торцевых полостях указанной трубки резонансно-акустических камерах, смещенных относительно вертикальных входного и выходного каналов потока газа, два двухканальных коммутатора, при этом первые выводы ультразвуковых преобразователей соединены, соответственно, с первым и вторым выходами первого канала первого аналогового коммутатора непосредственно, и с первым и вторым входами первого канала второго аналогового коммутатора посредством первого ограничителя уровня сигналов, вторые выводы ультразвуковых преобразователей соединены, соответственно, с первым и вторым выходами второго канала первого аналогового коммутатора непосредственно, и посредством второго ограничителя уровня сигналов с первым и вторым входами второго канала второго аналогового коммутатора, первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого коммутатора соединены с первым и вторым выходами формирователя импульсов, а первый и второй управляющие входы первого канала - с первым и вторым выходами
микроконтроллера, третий выход которого подсоединен к управляющему входу первого канала второго коммутатора, выходы обоих каналов которого подключены через полосовой фильтр к входам дифференциального усилителя, выход которого подсоединен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с четвертым выходом контроллера, а выход - с первым входом последнего, пятый выход которого связан с первым входом вычислителя, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с блоком считывания карты потребителя и источником питания, а первый, второй и третий выходы соединены, соответственно, с управляющим входом микроконтроллера, блоком индикации и через усилитель тока с запорным клапаном подачи газа. Полезная модель позволяет: повысить надежность работы и точность измерения за счет исключения погрешности, обусловленной наличием шумов, связанных с газодинамическими характеристиками газовой среды, а также паразитных шумов, возникающих в каналах обработки измерительных сигналов.
Полезная модель относится к технике измерения расхода газа и может найти применение в жилищно-коммунальном хозяйстве для учета отпускаемого потребителю расхода газа.
Известен бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, содержащий мерный участок трубопровода с двумя ультразвуковыми преобразователями, аналоговые коммутаторы, блок усиления, компаратор, формирователь импульсов, источник питания, таймер, датчик давления, блок определения типа газовой среды и вычислительные блоки (RU 2178148, G01F 1/66, 1999).
Указанное устройство, обеспечивая формирование информации о расходе потребляемого газа, не позволяет в реальном режиме времени регулировать отпуск оплаченного объема газа.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сути и достигаемому результату является бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, содержащий калиброванную измерительную трубку с установленными с ее противоположных концах двумя ультразвуковыми преобразователями, запорный клапан, источник питания, два двухканальных аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель, формирователь импульсов, компаратор, контроллер, вычислитель, источник питания, блок считывания карты и блок индикации (RU 46848, G01F 1/66, 2005).
Указанное устройство обеспечивает считывание с карты объема оплаченного газа, измерение объема потребленного газа и сравнение его с объемом оплаченного газа, измерение мгновенного значения расхода газа, отпуск оплаченного объема газа, а также предусматривает перекрытие газа запорным клапаном при исчерпании лимита оплаченного газа.
Недостатками известного устройства являются недостаточная точность измерения и низкая надежность работы счетчика. Основной проблемой, влияющей на точность измерения, являются факторы, связанные с газодинамическими явлениями, такими как, турбулентности, вихри газовой среды в измерительном участке, носящие случайный характер. Данные явления возникают при скоростях потока более 5 м/с из-за динамических сопротивлений в измерительном участке счетчика и подводящем газопроводе.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы и точности измерения за счет исключения погрешности, обусловленной наличием шумов, связанных с газодинамическими характеристиками газовой среды, а также паразитных шумов, возникающих в каналах обработки измерительных сигналов.
Поставленная задача достигается тем, что бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, включает калиброванную измерительную трубку, два приемо-передающих ультразвуковых преобразователя, размещенных в выполненных в торцевых полостях указанной трубки резонансно-акустических камерах, смещенных относительно вертикальных входного и выходного
каналов потока газа, при этом первые выводы ультразвуковых преобразователей соединены, соответственно, с первым и вторым выходами первого канала первого аналогового коммутатора непосредственно, и с первым и вторым входами первого канала второго аналогового коммутатора посредством первого ограничителя уровня сигналов, вторые выводы ультразвуковых преобразователей соединены, соответственно, с первым и вторым выходами второго канала первого аналогового коммутатора непосредственно, и посредством второго ограничителя уровня сигналов с первым и вторым входами второго канала второго аналогового коммутатора, первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого коммутатора соединены с первым и вторым выходами формирователя импульсов, а первый и второй управляющие входы первого канала - с первым и вторым выходами микроконтроллера, третий выход которого подсоединен к управляющему входу первого канала второго коммутатора, выходы обоих каналов которого подключены через полосовой фильтр к входам дифференциального усилителя, выход которого подсоединен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с четвертым выходом микроконтроллера, а выход - с первым входом последнего, пятый выход которого связан с первым входом вычислителя, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с блоком считывания карты потребителя и источником питания, а первый, второй и третий выходы соединены, соответственно, с управляющим входом микроконтроллера, блоком индикации и через усилитель тока с запорным клапаном подачи газа.
Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема устройства, на фиг.2 и 3 показаны схемы положения ключей аналоговых коммутаторов, на фиг.4-ременные диаграммы работы устройства.
Устройство содержит калиброванную измерительную трубку 1 с двумя, установленными с ее противоположных сторон в резонансно-акустических камерах 2, 3, выполненных в ее торцевых полостях, пьезоэлектрическими преобразователями 4, 5. Соотношение геометрических размеров подводящего
газопровода и измерительного участка, выбирается исходя из необходимой точности измерения относительной погрешности.
Резонансно-акустические камеры 2 и 3 выполняют роль успокоителей потока газа, который частично поступает в торцевые полости трубки 1, вследствие чего уровень пульсаций резко снижается. Указанное позволяет исключить влияние преобразователей 4, 5 на стабильность потока, а также снизить воздействие потока на работу излучателей.
Трубка 1 с камерами 2, 3 образуют измерительный тракт, сообщающийся по входу-выходу с газовым каналом, причем входной и выходной потоки газа направлены перпендикулярно оси трубки 1.
Первые выводы ультразвуковых преобразователей 4 и 5 соединены, соответственно, с первым и вторым выходами первого канала первого аналогового коммутатора 6 и первым и вторым входами первого канала второго аналогового коммутатора 7, на входах которого установлены ограничители уровней сигнала 8 и 9.
Вторые выводы ультразвуковых преобразователей 4 и 5 связаны, соответственно, с первым и вторым выходами второго канала первого аналогового коммутатора 6 и первым и вторым входами второго канала второго аналогового коммутатора 7, на входах которого установлен ограничитель уровней сигнала 8.
Первый и второй входы управления первого аналогового коммутатора 6 соединены с первым и вторым выходами микроконтроллера 10, третий выход которого связан с входом управления второго аналогового коммутатора 7. Первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого аналогового коммутатора 6 соединены, соответственно, с первым и вторым выводами преобразователя напряжений (формирователя сигналов возбуждения пьезоэлектрических преобразователей) 11.
Первый и второй выходы второго аналогового коммутатора 7 соединены с первым и вторым входами дифференциального усилителя 12, на входах которого установлен полосовой фильтр 13, имеющий центральную полосу
пропускания, равную резонансной частоте пьезоэлектрических преобразователей, что позволяет исключить паразитные шумы конструкционных материалов электронных компонентов, а также шумы, связанные с газодинамическими явлениями газовой среды. Выход дифференциального усилителя 12 через компаратор 14 связан с первым входом микроконтроллера 10. Вход управления компаратора 14 связан с четвертым выходом микроконтроллера 10, пятый (информационный) выход которого соединен с первым входом вычислителя 15.
Второй и третий выходы вычислителя 15 соединены с первым и вторым входами усилителя тока 16, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами клапана 17. Четвертый выход вычислителя 15 соединен с входом блока индикации 18. Второй вход вычислителя 15 соединен, с выходом детектора напряжения питания 19. Первый двунаправленный вход/выход вычислителя 15 соединен с входом/выходом считывателя карты 20, а второй вход/выход вычислителя 15 предназначен для приема и передачи данных между счетчиком и внешним устройством (на фиг.1 не показано).
Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик работает следующим образом.
Вычислитель 15 формирует на своем первом выходе циклически повторяющиеся с периодом Тц пары управляющих импульсов, поступающих на вход управления контроллера 10 и включающие его в рабочий режим.
После поступления первого управляющего импульса на вход контроллера 10 через промежуток времени, достаточный для включения встроенных в контроллер функциональных блоков, последний формирует на своих выходах сигналы управления первым аналоговым коммутатором 6 (соответствующие сигналы управления а, б и в на фиг.2) и сигнал управления вторым аналоговым коммутатором 7 (инверсный относительно сигнала а, не показанный на фиг.2), переводя ключи аналоговых коммутаторов 6 и 7 в состояние 1, схематично изображенное на фиг.2.
В этом состоянии на первый пьезоэлектрический преобразователь 4, начиная с момента времени t 01. и далее в течение промежутка времени T ЗИ подаются противофазные сигналы возбуждения г и д изображенные на фиг.2, причем амплитуда возбуждающих импульсов определяется уровнями напряжений на выходе преобразователя напряжений 11, а период внутриимпульсного заполнения задается контроллером 10 и равен 1/Fрез, где Fрез резонансная частота пьезоэлектрического преобразователя. Второй пьезоэлектрический преобразователь 5 в состоянии 1 включен на прием и его выходы через аналоговый коммутатор 7 соединены со входами дифференциального усилителя 12. Ограничители уровня 8 и 9 при этом предотвращают проникновение паразитных возбуждающих импульсов на вход дифференциального усилителя 12.
Принятый пьезоэлектрическим преобразователем 5, отфильтрованный полосовым фильтром 13 и усиленный дифференциальным усилителем 12 сигнал (3 на фиг.2) поступает на вход компаратора 14. Компаратор 14 управляется стробирующим импульсом (сигнал И на фиг.2), поступающим на вход управления компаратора 14 с четвертого выхода микроконтроллера 10, который переводит компаратор 14 в активное состояние. Интервал времени, в течение которого компаратор 14 находится в активном состоянии, определяется заданным допустимым пределом времени прихода акустического сигнала (с учетом возможных пределов скорости потока и скорости звука в газовой среде).
При превышении принятым сигналом порогового уровня Uвкл компаратор 14 переходит в состояние включения (переход из состояния «1» в состояние «0» на фиг.2К). Пороговый уровень выключения компаратора 14 посредством цепи обратной связи, обеспечивающей его гистерезис, установлен равным нулевому уровню. Таким образом, выключение компаратора 14 (переход из состояния «0» в состояние «1» на фиг.2К) происходит в момент времени пересечения спадающей полуволной принятого сигнала нулевого уровня (момент времени t1 на фиг.2 З).
Выходной сигнал компаратора 14 поступает на первый вход микроконтроллера 10. Микроконтроллер 10 имеет в своем составе быстродействующий счетчик, который переводится в счетный режим в момент времени t01, а в момент времени t1, соответствующий выключению компаратора текущее состояние счетчика захватывается во встроенный регистр контроллера. Таким образом, измеряемому временному интервалу T1 =t1-t 01 ставится в соответствие число импульсов n 1, поступивших за интервал измерения на встроенный быстродействующий счетчик микроконтроллера 10. Результат измерения поступает на пятый (информационный) выход микроконтроллера 10, переписывается в один из внутренних регистров вычислителя 15, после чего микроконтроллер 10 переводится в пассивное состояние.
Через промежуток времени T+ вычислитель 15 вновь формирует на своем первом выходе импульс, включающий микроконтроллер 10 в рабочий режим.
Микроконтроллер 10 вновь формирует на своих выходах сигналы управления аналоговым коммутатором 6 и сигнал управления вторым аналоговым коммутатором 7, причем, как следует из диаграммы а на фиг.2, уровень сигнала управления а изменяется на инверсный. Ключи аналоговых коммутаторов 6 и 7 переводятся в состояние 2, схематично изображенное на фиг.3, а быстродействующий счетчик микроконтроллера 10 в момент времени t02 переводится в счетный режим.
В этом состоянии на второй пьезоэлектрический преобразователь 5, подаются противофазные сигналы возбуждения гид изображенные на фиг.2. Первый пьезоэлектрический преобразователь 4 в состоянии 2 включен на прием и его выходы через аналоговый коммутатор 7 и полосовой фильтр 13 соединяются с входами дифференциального усилителя 12.
Принятый пьезоэлектрическим преобразователем 4, отфильтрованный полосовым фильтром 13 и усиленный дифференциальным усилителем 12 сигнал поступает на вход компаратора 14. При превышении принятым сигналом порогового уровня Uвкл компаратор 14 переходит в состояние включения,
а выключение компаратора 14 (переход из состояния «О» в состояние «1» на фиг.2 К) происходит в момент времени пересечения спадающей полуволной принятого сигнала нулевого уровня (момент времени t 2 на фиг.2, 3).
Выходной сигнал компаратора 14 поступает на первый вход микроконтроллера 10. В момент времени t 2, соответствующий выключению компаратора 14, текущее состояние счетчика захватывается во встроенный регистр микроконтроллера 10. Таким образом, измеряемому временному интервалу T 2 = t2-t02 ставится в соответствие число импульсов n2 , поступивших за интервал измерения на встроенный быстродействующий счетчик микроконтроллера 10. Результат измерения поступает на пятый (информационный) выход микроконтроллера 10, переписывается во второй внутренний регистр вычислителя 15, после чего микроконтроллер 10 переводится в пассивное состояние до наступления следующего цикла измерений, которые, как ранее было отмечено, повторяются с периодом Тц.
Полученные в каждом i-том цикле измерений значения n1 и n2 вычислитель 15 использует для определения объема газа, прошедшего за промежуток времени Tц по формуле
где kj- поправочный коэффициент, который в зависимости от значения j=(n2 -n1-O) выбирается из таблицы коэффициентов, хранимой в памяти вычислителя 15. Значение мгновенного расхода Q вычисляется по формуле
Вычисленное в i-том цикле значение 
V, суммируется контроллером-вычислителем с суммарным измеренным объемом потребленного газа V1 = V i-1+V, записывается в регистр суммарного объема P СО и выводится на индикатор 18. Значение мгновенного расхода записывается в регистр расхода и также выводится на индикатор 18.
При первоначальном включении расходомера-счетчика клапан 17 установлен в положении «закрыто», перекрывая выходной канал расходомера-счетчика. В регистре вычислителя 15 хранится начальное значение объема оплаченного газа VОПЛ. Значение VОПЛ и символ, показывающий положение клапана, также выводятся вычислителем 15 на индикатор 18.
После первого цикла измерения вычислитель 15 производит вычисление разности Vопл =Vопл -Vi и, в случае, если V oплi
0, вырабатывает на первый управляющий вход усилителя тока 16 сигнал на открытие клапана 17. После исчерпания лимита оплаченного газа Vonлi 
0 вычислитель вырабатывает на второй управляющий вход усилителя тока 16 сигнал на закрытие клапана 17. В дальнейшем управляющие сигналы на открытие клапана 17 вырабатывается вычислителем 15 только после ввода со считывателя карты 20 нового значения лимита оплаченного газа. При считывании данных с карты контроллер-вычислитель выполняет процедуру идентификации карты, в случае положительной идентификации производит считывание оплаченного объема газа и стирает данные с карты.
В промежутке между измерениями расхода газа вычислитель 15 производит периодическое (с периодом в несколько минут) кратковременное включение детектора напряжения питания 19 и считывание с него данных. В случае если напряжение элемента питания ниже порогового уровня Uбam.пор ., вычислитель 15 выводит на индикатор 18 сообщение о разряде элемента питания.
Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, характеризующийся тем, что он содержит калиброванную измерительную трубку, два приемопередающих ультразвуковых преобразователя, размещенных в выполненных в торцевых полостях указанной трубки резонансно-акустических камерах, смещенных относительно вертикальных входного и выходного каналов потока газа, при этом первые выводы ультразвуковых преобразователей соединены соответственно с первым и вторым выходами первого канала первого аналогового коммутатора непосредственно и через первый ограничитель уровня сигналов с первым и вторым входами первого канала второго аналогового коммутатора, вторые выводы ультразвуковых преобразователей соединены соответственно с первым и вторым выходами второго канала первого аналогового коммутатора непосредственно и через второй ограничитель уровня сигналов с первым и вторым входами второго канала второго аналогового коммутатора, первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого коммутатора соединены с первым и вторым выходами формирователя импульсов, а первый и второй управляющие входы первого канала - с первым и вторым выходами микроконтроллера, третий выход которого подсоединен к управляющему входу первого канала второго коммутатора, выходы обоих каналов которого подключены через полосовой фильтр к входам дифференциального усилителя, выход которого подсоединен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с четвертым выходом микроконтроллера, а выход - с первым входом последнего, пятый выход которого связан с первым входом вычислителя, второй и третий входы которого соединены соответственно с блоком считывания карты потребителя и источником питания, а первый, второй и третий выходы соединены соответственно с управляющим входом микроконтроллера, блоком индикации и через усилитель тока с запорным клапаном подачи газа.
