Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа

Использование: полезная модель относится к технике измерения расхода газа и может найти применение в жилищно-коммунальном хозяйстве для точного учета расхода газа. Сущность: Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, содержащий установленную на магистральном трубопроводе калиброванную измерительную трубку с размещенными на ее входном и выходном участках двумя приемо-передающими ультразвуковыми преобразователями, аналоговый коммутатор, блок усиления, подключенный к компаратору, формирователь импульсов, вычислитель, блок индикации и источник питания, согласно полезной модели, в него введены микроконтроллер, второй аналоговый коммутатор, блок считывания карты потребителя и запорный клапан, установленный на выходе магистрального трубопровода после измерительной трубки, при этом блок усиления выполнен в виде дифференциального усилителя, а первый и второй аналоговые коммутаторы выполнены двухканальными, первый и второй выходы и первый и второй входы первых каналов которых соединены соответственно с первыми выводами ультразвуковых преобразователей, вторые выводы которых соединены с первыми и вторыми выходами и первыми и вторыми входами вторых каналов соответственно первого и второго аналогового коммутаторов, первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого коммутатора которых 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 ко входам дифференциального усилителя, выход которого подсоединен к первому входу компаратора, вход которого связан с четвертым выходом контроллера, а выход - с первым входом последнего,

информационный выход которого связан с первым информационным входом вычислителя, второй и третий информационные входы которого соединены, соответственно, с источником питания и блоком считывания карты потребителя, а первый, второй и третий выходы соединены, соответственно, с управляющим входом микроконтроллера, запорным клапаном и блоком индикации. А также в бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа дополнительно введен детектор утечки газа, подключенный к четвертому информационному входу вычислителя. Устройство позволяет реализовать режим прекращения отпуска газа потребителю при исчерпании лимита, оплаченного им объема газа, а также одновременного контроля утечки газа с перекрытием канала подачи в случае обнаружения утечки.

Полезная модель относится к технике измерения расхода газа и может найти применение в жилищно-коммунальном хозяйстве для точного учета расхода газа.

Известен бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик для измерения объемного расхода газа, включающий мерный участок трубопровода с двумя ультразвуковыми преобразователями, аналоговый коммутатор, опорный генератор, таймер, формирователь зондирующих импульсов, усилитель, компаратор, счетчик импульсов и вычислительное устройство (JP №5061571, B4, G 01 F 1/66, 1993).

Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная недостаточно высокой разрешающей способностью реализованного в устройстве дискретного метода измерений распределения ультразвука по потоку газа и против него.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сути и достигаемому результату является бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, включающий 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, G 01 F 1/66, 1999).

Известное устройство обеспечивает высокую точность измерения расходов различных газовых сред за счет приведения объемных расходов измеряемых газов к нормальным условиям по температуре, давлению и к стандартной плотности, характерной для каждого газа в нормальных условиях.

Однако указанные известные устройства обеспечивают получение информации только о расходе потребляемого газа и не позволяют контролировать в реальном режиме времени отпуск потребителю оплаченного им объема газа.

В основу настоящей полезной модели положена задача создания бытового ультразвукового расходомера-счетчика газа, обеспечивающего расширение его функциональных возможностей за счет реализации режима прекращения отпуска газа потребителю при исчерпании лимита, оплаченного им объема газа, а также одновременного контроля утечки газа с перекрытием канала подачи в случае обнаружения утечки.

Поставленная задача достигается тем, что в бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, содержащий установленную на магистральном трубопроводе калиброванную измерительную трубку с размещенными на ее входном и выходном участках двумя приемо-передающими ультразвуковыми преобразователями, аналоговый коммутатор, блок усиления, подключенный к компаратору, формирователь импульсов, вычислитель, блок индикации и источник питания, согласно полезной модели, введены микроконтроллер, второй аналоговый коммутатор, блок считывания карты потребителя и запорный клапан, установленный на выходе магистрального трубопровода после измерительной трубки, при этом блок усиления выполнен в виде дифференциального усилителя, а первый и второй аналоговые коммутаторы выполнены двухканальными, первый и второй выходы и первый и второй входы первых каналов которых соединены соответственно с первыми выводами ультразвуковых

преобразователей, вторые выводы которых соединены с первыми и вторыми выходами и первыми и вторыми входами вторых каналов соответственно первого и второго аналогового коммутаторов, первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого коммутатора которых 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 ко входам дифференциального усилителя, выход которого подсоединен к первому входу компаратора, вход которого связан с четвертым выходом контроллера, а выход - с первым входом последнего, информационный выход которого связан с первым информационным входом вычислителя, второй и третий информационные входы которого соединены, соответственно, с источником питания и блоком считывания карты потребителя, а первый, второй и третий выходы соединены, соответственно, с управляющим входом микроконтроллера, запорным клапаном и блоком индикации;

А также тем, что в бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа дополнительно введен детектор утечки газа, подключенный к четвертому информационному входу вычислителя.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема устройства, на фиг.2 приведены временные диаграммы его работы, на фиг.3 и фиг.4 приведены схемы положения ключей аналоговых коммутаторов.

Устройство содержит установленную на магистральном трубопроводе калиброванную измерительную трубку 1 с двумя размещенными на ее входном и выходном участках приемо-передающими ультразвуковыми преобразователями 2, 3 и клапаном 4 на выходе газового канала счетчика. Преобразователи 2 и 3 соединены с аналоговыми коммутаторами 5 и 6, которые выполнены двухканальными. Причем первые выводы

ультразвуковых преобразователей 2 и 3 соединены, соответственно, с первым и вторым выходами первого канала 5.1 первого аналогового коммутатора 5 и первым и вторым входами первого канала 6.1 второго аналогового коммутатора 6.

Вторые выводы ультразвуковых преобразователей 2 и 3 связаны, соответственно, с первым и вторым выходами второго канала первого аналогового коммутатора 5 (5.2) и первым и вторым входами второго канала второго аналогового коммутатора 6 (6.2).

Первый и второй входы управления первого аналогового коммутатора 5 соединены с первым и вторым выходами микроконтроллера 7, третий выход которого связан с входом управления второго аналогового коммутатора 6. Первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого аналогового коммутатора 5 соединены, соответственно, с первым и вторым выводами формирователь импульсов 8.

Первый и второй выходы второго аналогового коммутатора 6 соединены с первым и вторым входами дифференциального усилителя 9, выход которого через компаратор 10 связан с первым входом микроконтроллера 7. Вход управления компаратора 10 связан с четвертым выходом микроконтроллера 7, пятый (информационный) выход которого соединен с первым входом вычислителя 11.

Первый и второй выходы вычислителя 11 соединены, соответственно, с входами управления микроконтроллера 7 и клапана 4. Третий выход контроллера-вычислителя 11 соединен с входом блока индикации 12. Второй и третий входы второго контроллера-вычислителя 11 соединены, соответственно, с выходами детектора утечки газа 13 и источника питания 14. Первый двунаправленный вход/выход вычислителя 11 соединен с входом/выходом считывателя карты 15, а второй вход/выход вычислителя 11 предназначен для приема и передачи данных между счетчиком и внешним устройством (на фиг.1 не показано).

Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик работает следующим

образом. Вычислитель 11 формирует на своем первом выходе циклически повторяющиеся с периодом Т _ц пары управляющих импульсов, поступающих на вход управления микроконтроллера 7 и включающие его в рабочий режим.

После поступления первого управляющего импульса на вход микроконтроллера 7 через промежуток времени, достаточный для включения встроенных в контроллер функциональных блоков, последний формирует на своих выходах сигналы управления первым аналоговым коммутатором 5 (соответствующие сигналы управления а, б и в на фиг.2) и сигнал управления вторым аналоговым коммутатором 6 инверсный относительно сигнала а, не показанный на фиг.2), переводя ключи аналоговых коммутаторов 5 и 6 в состояние 1, схематично изображенное на фиг.3

В этом состоянии на первый ультразвуковой преобразователь 2, начиная с момента времени t₀₁ далее в течение промежутка времени Т_зи подаются противофазные сигналы возбуждения гид изображенные на фиг.2, причем амплитуда возбуждающих импульсов определяется уровнями напряжений на выходе формирователя импульсов 8, а период внутриимпульсного заполнения задается микроконтроллером 7 и равен 1/F_рез, где F _рез резонансная частота ультразвукового преобразователя. Второй ультразвуковой преобразователь 3 в состоянии 1 включен на прием и его выходы через аналоговый коммутатор 6 соединены со входами дифференциального усилителя 9.

Принятый ультразвуковым преобразователем 3 и усиленный дифференциальным усилителем 9 сигнал (3 на фиг.2) поступает на вход компаратора 10. Компаратор 10 управляется стробирующим импульсом (сигнал И на фиг.2), поступающим на вход управления компаратора 10 с четвертого выхода микроконтроллера 7, который переводит компаратор в активное состояние. Интервал времени, в течение которого компаратор 10 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 U _вкл компаратор 10 переходит в состояние включения (переход из состояния «1» в состояние «0» на фиг.2 К ). Пороговый уровень выключения компаратора 10 посредством цепи обратной связи, обеспечивающей его гистерезис, установлен равным нулевому уровню. Таким образом, выключение компаратора (переход из состояния «0» в состояние «1» на фиг.2 К) происходит в момент времени пересечения спадающей полуволной принятого сигнала нулевого уровня (момент времени t₁ на фиг.2 З).

Выходной сигнал компаратора 10 поступает на первый вход микроконтроллера 7. Микроконтроллер 7 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 7. Результат измерения поступает на пятый (информационный) выход микроконтроллера 7, переписывается в один из внутренних регистров вычислителя 11, после чего микроконтроллер 7 переводится в пассивное состояние.

Через промежуток времени Т₊ вычислитель 11 вновь формирует на своем первом выходе импульс, включающий микроконтроллер 7 в рабочий режим.

Микроконтроллер 7 вновь формирует на своих выходах сигналы управления аналоговым коммутатором 5 и сигнал управления вторым аналоговым коммутатором 6, причем, как следует из диаграммы а на фиг.2, уровень сигнала управления а изменяется на инверсный. Ключи аналоговых коммутаторов 5 и 6 переводятся в состояние 2, схематично изображенное на фиг.4, а быстродействующий счетчик микроконтроллера 7 в момент времени

t₀₂ переводится в счетный режим.

В этом состоянии на второй ультразвуковой преобразователь 3, подаются противофазные сигналы возбуждения г и д, изображенные на фиг.2. Первый ультразвуковой преобразователь 2 в состоянии 2 включен на прием и его выходы через аналоговый коммутатор 6 соединяются с входами дифференциального усилителя 9.

Принятый ультразвуковым преобразователем 2 и усиленный дифференциальным усилителем 9 сигнал поступает на вход компаратора 10. При превышении принятым сигналом порогового уровня U_вкл компаратор 10 переходит в состояние включения, а выключение компаратора (переход из состояния «0» в состояние «1» на фиг.2 К) происходит в момент времени пересечения спадающей полуволной принятого сигнала нулевого уровня (момент времени t₂ на фиг.2 З).

Выходной сигнал компаратора 10 поступает на первый вход микроконтроллера 7. В момент времени t₂, соответствующий выключению компаратора, текущее состояние счетчика захватывается во встроенный регистр микроконтроллера 7. Таким образом, измеряемому временному интервалу Т₂=t ₂-t₀₂ ставится в соответствие число импульсов n₂, поступивших за интервал измерения на встроенный быстродействующий счетчик микроконтроллера 7. Результат измерения поступает на пятый (информационный) выход микроконтроллера 7, переписывается во второй внутренний регистр вычислителя 11, после чего микроконтроллер 7 переводится в пассивное состояние до наступления следующего цикла измерений, которые, как ранее было отмечено, повторяются с периодом Т_ц .

Полученные в каждом i-том цикле измерений значения n ₁ и n₂ вычислитель 11 использует для определения объема газа, прошедшего за промежуток времени Т_ц по формуле

где:

k_j - поправочный коэффициент, который в зависимости от значения J=(n ₂-n₁-О) выбирается из таблицы коэффициентов, хранимой в памяти вычислителя 11;

J - разность задержек времени прохождения сигналов в наносекундах (нc);

О - условный ноль счетчика [нc].

Вычисленное в i-том цикле значение V_i суммируется контроллером-вычислителем с суммарным измеренным объемом потребленного газа V _i=V_i-1+V_i, записывается в регистр суммарного объема Рсо и выводится на индикатор 12.

При первоначальном включении расходомера-счетчика клапан 4 установлен в положении «закрыто», перекрывая выходной канал расходомера-счетчика. В регистре вычислителя 11 хранится начальное значение объема оплаченного газа V_опл. Значение V_опл и символ, показывающий положение клапана, также выводятся контроллером-вычислителем на индикатор 12.

После первого цикла измерения вычислитель 11 производит вычисление разности V_оплi =V_опл-V_i и, в случае, если V _оплi>0, вырабатывает управляющее напряжение на открытие клапана 4. После исчерпания лимита оплаченного газа V _оплi>0, контроллер-вычислитель вырабатывает управляющее напряжение на закрытие клапана 4. В дальнейшем управляющее напряжение на открытие клапана вырабатывается вычислителем 11 только после ввода со считывателя карты 15 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.

При открытом клапане 4 в промежутке между измерениями расхода газа вычислитель 11 производит периодическое (с периодом в несколько минут) включение детектора утечки (сенсора) газа 13 на промежуток

времени Т_сенс. Считанное через указанный промежуток времени с сенсора 13 значение напряжения U_cенс вычислитель 11 сравнивает с опорным напряжением U_ceнс0, хранимым в памяти вычислителя 11. В случае, если разность U _сенс-U_{сенс0пор} вычислитель 11 вырабатывает управляющее напряжение на закрытие клапана 4 и выдает на индикатор 12 символы-сообщения о закрытии клапана 4 и обнаружении опасной концентрации газа, где _пор - пороговое значение разности напряжений U_сенс-U_сенс0 , хранящееся в памяти вычислителя 11 и соответствующее опасной концентрации газа.

После закрытия клапана 4 и установки сообщения об обнаружения утечки газа вычислитель 11 повторяет включение сенсора газа 13 с периодом Т_сен до тех пор, пока не будет выполняться условие U _сенс-U_{сенс0пор}. Только при выполнении данного условия вычислитель 11 вырабатывает управляющее напряжение для открытия клапана 4 и удаляет с индикатора 12 ранее установленные соответствующие символы-сообщения.

Во время включения сенсора газа (то есть при максимальной нагрузке элемента питания) 13 вычислитель 11 производит кратковременное включение детектора напряжения 14 и считывание с него данных. В случае если напряжение элемента питания ниже порогового уровня U_6am.пор. , вычислитель 11 выводит на индикатор 12 сообщение о разряде элемента питания.

Бытовой расходомер-счетчик газа может быть реализован на основе серийного микроконтроллера счетчика газа S142WE5RM, выполняющего все описанные функции микроконтроллера 7 и микроконтроллера типа PIC16LF877A в качестве вычислителя 11.

Предлагаемый бытовой расходомер-счетчик газа обеспечивает считывание с карты потребителя объема оплаченного газа, измерение объема потребленного газа и сравнение его с объемом оплаченного газа, отпуск оплаченного объема газа, а также перекрытие выходного канала счетчика при обнаружении утечки газа.

1. Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа, содержащий установленную на магистральном трубопроводе калиброванную измерительную трубку с размещенными на ее входном и выходном участках двумя приемо-передающими ультразвуковыми преобразователями, аналоговый коммутатор, блок усиления, подключенный к компаратору, формирователь импульсов, вычислитель, блок индикации и источник питания, отличающийся тем, что в него введены микроконтроллер, второй аналоговый коммутатор, блок считывания карты потребителя и запорный клапан, установленный на выходе магистрального трубопровода после измерительной трубки, при этом блок усиления выполнен в виде дифференциального усилителя, а первый и второй аналоговые коммутаторы выполнены двухканальными, первый и второй выходы и первый и второй входы первых каналов которых соединены, соответственно, с первыми выводами ультразвуковых преобразователей, вторые выводы которых соединены с первыми и вторыми выходами и первыми и вторыми входами вторых каналов, соответственно, первого и второго аналогового коммутаторов, первый и второй аналоговые входы обоих каналов первого коммутатора которых 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 к входам дифференциального усилителя, выход которого подсоединен к первому входу компаратора, вход которого связан с четвертым выходом контроллера, а выход - с первым входом последнего, информационный выход которого связан с первым информационным входом вычислителя, второй и третий информационные входы которого соединены, соответственно, с источником питания и блоком считывания карты потребителя, а первый, второй и третий выходы соединены, соответственно, с управляющим входом микроконтроллера, запорным клапаном и блоком индикации.

2. Бытовой ультразвуковой расходомер-счетчик газа по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен детектор утечки газа, подключенный к четвертому информационному входу вычислителя.