RU2687506C1

RU2687506C1 - Electronic unit of vane water meter

Info

Publication number: RU2687506C1
Application number: RU2018116777A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Моршнев
Original assignee: Виктор Владимирович Моршнев
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-05-14

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to volumetric flow rate measuring devices, in particular, to electronic units of vane water meter. Invention consists in that electronic unit of vane water meter additionally comprises second Hall sensor located above path of impeller magnets diametrically opposite to first Hall sensor, wherein Hall sensors along power circuit are in-series connected to output of microcontroller and current-limiting resistor, first outputs of Hall sensors are connected to each other, second outputs are to inputs of instrument amplifier, feedback resistor of hysteresis circuit of comparator is connected to output of microcontroller, power circuits of Hall sensors and circuit elements are connected to outputs of microcontroller.EFFECT: possibility to compensate for influence of external magnetic field on meter readings, reduction of current consumption of electronic unit.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к приборам измерения объемного расхода, в частности к электронным блокам крыльчатого водосчетчика, и может быть использовано для учета расхода холодной или горячей воды с помощью крыльчатых или турбинных водосчетчиков с компенсацией воздействия внешнего магнитного поля.The invention relates to instruments for measuring volumetric flow rate, in particular to electronic units of a vane water meter, and can be used to account for the flow rate of cold or hot water using vane or turbine water meters with compensation of the external magnetic field.

Известно устройство защиты счетчика воды от внешнего магнитного поля [1], в котором счетчик воды помещают в железный цилиндрический корпус с двумя вырезами для доступа к патрубкам счетчика воды и поворотной верхней железной крышкой с прямоугольным окном для наблюдения показаний счетчика. Железный корпус с крышкой выполняет роль магнитного экрана и обеспечивает защиту счетчика воды от воздействия внешнего магнитного поля. Недостатком устройства является большая материалоемкость и сложность конструкции.A device is known for protecting a water meter from an external magnetic field [1], in which a water meter is placed in an iron cylindrical body with two cutouts for access to the water meter nozzles and a rotary upper iron lid with a rectangular window to observe the meter readings. The iron case with a cover serves as a magnetic screen and protects the water meter from the effects of an external magnetic field. The disadvantage of this device is a large consumption of materials and the complexity of the design.

Известен счетчик воды крыльчатого типа [2], содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленную внутри корпуса крыльчатку с магнитами, вращение которой передается через выполненную из пластмассы разделительную крышку ведомой магнитной муфте механического счетного устройства, содержащего редуктор и барабанный счетчик. Для защиты магнитной муфты счетчика от воздействия внешнего магнитного поля использован магнитный экран, выполненный в виде стальной шайбы, армированной в разделительную крышку. Недостатком счетчика являются сложность изменения коэффициента передачи за счет механического изменения передаточного отношения редуктора и счетчика, а также большое статическое и динамическое сопротивление механического счетного устройства, что снижает порог чувствительности счетчика и его точность в области малых расходов.Known water meter wing type [2], comprising a housing with inlet and outlet nozzles, mounted inside the impeller housing with magnets, the rotation of which is transmitted through a separating lid made of plastic driven magnetic coupling mechanical counting device containing a gearbox and a drum counter. To protect the magnetic coupling of the meter from the effects of an external magnetic field, a magnetic screen is used, made in the form of a steel washer reinforced in a separation cover. The disadvantage of the counter is the difficulty of changing the transmission coefficient due to the mechanical change of the gear ratio of the gearbox and the counter, as well as the large static and dynamic resistance of the mechanical counting device, which reduces the sensitivity threshold of the counter and its accuracy in the area of low flow rates.

Известен способ измерения расхода жидкости и устройство для его осуществления [3], заключающийся в том, что поток жидкости направляют на крыльчатку счетчика с закрепленным на ней магнитом, электронное счетное устройство содержит геркон и микросхему, связанную с жидкокристаллическим индикатором, которая фиксирует замыкания геркона и пересчитывает их в расход жидкости. Недостатком аналога являются ограниченный срок службы геркона, а также его подверженность воздействию внешнего магнитного поля.A known method of measuring fluid flow and a device for its implementation [3], consisting in the fact that the fluid flow is directed to the impeller of the counter with a magnet attached to it, the electronic counting device contains a reed switch and a microcircuit connected with a liquid crystal indicator that records the closure of the reed switch and recalculates them in fluid flow. The disadvantage of analogue is the limited service life of the reed switch, as well as its susceptibility to the influence of an external magnetic field.

Известен счетчик для учета воды [4], выбранный в качестве прототипа. Счетчик содержит установленную в полости корпуса крыльчатку с двумя диаметрально расположенными на ней магнитами, датчик Холла, установленный на наружной части корпуса, блок формирования импульсного питания для датчика Холла, блок управления и вычисления на базе микроконтроллера, блок оптимизации коэффициента пересчета, таймер, жидкокристаллический индикатор, источник электропитания, блок связи с компьютером. Недостатком прототипа является подверженность датчика Холла воздействию внешнего магнитного поля, что приводит к искажению результатов счета.Known counter for water accounting [4], selected as a prototype. The counter contains an impeller installed in the cavity of the housing with two magnets diametrically arranged on it, a Hall sensor installed on the outer part of the housing, a pulsed power generating unit for the Hall sensor, a microcontroller-based control and calculation unit, a conversion factor optimization unit, a timer, a liquid-crystal indicator, power supply, computer communication unit. The disadvantage of the prototype is the exposure of the Hall sensor to an external magnetic field, which leads to a distortion of the counting results.

Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося в компенсации влияния внешнего магнитного поля на результаты учета расхода воды, а также минимизации тока потребления электронным блоком.The present invention is the achievement of the technical result, which consists in compensating for the influence of an external magnetic field on the results of water flow metering, as well as minimizing the current consumption by the electronic unit.

Указанный результат достигается за счет того, что в электронном блоке крыльчатого водосчетчика, содержащем датчик Холла, расположенный над траекторией прохождения магнитов крыльчатки, токоограничивающий резистор, инструментальный усилитель выходного сигнала датчика Холла, компаратор с резистором обратной связи в цепи гистерезиса, микроконтроллер с жидкокристаллическим индикатором, вход которого соединен с выходом компаратора, предусмотрены следующие отличия, дополнительно введен второй датчик Холла, расположенный над траекторией прохождения магнитов крыльчатки диаметрально противоположно первому датчику Холла, при этом датчики Холла по цепи питания последовательно соединены с выходом микроконтроллера и токоограничивающим резистором, первые выходы датчиков Холла соединены друг с другом, вторые - со входами инструментального усилителя, резистор обратной связи гистерезисной цепи компаратора соединен с выходом микроконтроллера, цепи питания датчиков Холла, элементов схемы и жидкокриталлического индикатора соединены с выходами микроконтроллера.This result is achieved due to the fact that in the electronic unit of the vane water meter containing the Hall sensor located above the path of the impeller magnets, the current limiting resistor, the instrument amplifier of the output signal of the Hall sensor, a comparator with a feedback resistor in the hysteresis circuit, a microcontroller with a liquid crystal indicator which is connected to the comparator output, the following differences are provided; a second Hall sensor is additionally introduced, located above the path the passage of the impeller magnets diametrically opposite the first Hall sensor, while the Hall sensors along the power circuit are connected in series with the microcontroller output and current limiting resistor, the first outputs of the Hall sensors are connected to each other, the second - with the inputs of the instrumentation amplifier, the feedback resistor of the comparator hysteresis circuit is connected to the output the microcontroller, the power supply circuit of the Hall sensors, the circuit elements and the liquid crystal indicator are connected to the outputs of the microcontroller.

Между совокупностью существенных признаком заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, выходное напряжение с последовательно соединенных датчиков Холла, расположенных диаметрально противоположно над магнитами крыльчатки, на фоне напряжения от внешнего магнитного поля зависит только от магнитного поля магнитов крыльчатки, питание датчиков Холла и элементов схемы от выводов микроконтроллера позволяет минимизировать потребление за счет их импульсного питания с переменной скважностью.There is a causal relationship between the set of essential features of the claimed invention and the technical result achieved. Namely, the output voltage from series-connected Hall sensors located diametrically opposite to the impeller magnets depends on the external magnetic field only on the magnetic field of the impeller magnets. Hall sensors and circuit elements from the conclusions of the microcontroller allows minimizing consumption due to their pulse power supply from eroded duty cycle.

Техническое решение позволяет компенсировать влияние на показания счетчика внешнего магнитного поля и снизить ток потребления электронного блока.The technical solution makes it possible to compensate for the effect on the meter reading of an external magnetic field and to reduce the current consumption of the electronic unit.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежем, где фиг. содержит блок-схему предлагаемого электронного блока, который включает в себя:The technical essence of the proposed technical solution is illustrated by the drawing, where FIG. contains a block diagram of the proposed electronic unit, which includes:

1, 2 - элементы Холла;1, 2 - Hall elements;

3 - токоограничивающий резистор;3 - current limiting resistor;

4 - инструментальный усилитель;4 - instrumental amplifier;

5 - компаратор;5 - comparator;

6 - резистор обратной связи;6 - feedback resistor;

7 - микроконтроллер;7 - microcontroller;

8 - ЖКИ.8 - LCD.

Элементы Холла 1 и 2 по цепи питания соединены последовательно друг с другом и токоограничивающим резистором 3 и запитаны от выхода микроконтроллера 7, с которого так же подается питание на инструментальный усилитель 4 и компаратор 5. С другого выхода микроконтроллера 7 подается питание на ЖКИ 8.Hall elements 1 and 2 are connected in series with each other and the current-limiting resistor 3 and are powered from the output of the microcontroller 7, which also supplies power to the instrumentation amplifier 4 and the comparator 5. From the other output of the microcontroller 7, LCD 8 is powered.

Примечание. На фиг. цепи питания элементов схемы от выходов микроконтроллера 7 не показаны.Note. FIG. the power supply circuit elements from the outputs of the microcontroller 7 are not shown.

Согласно [5] выходное напряжение элемента Холла кроме холловского напряжения Ux содержит остаточное напряжение Uн и термоЭдс контактов Ut. При этом остаточное напряжение элемента Холла велико и существенно зависит от температуры, что вносит значительную погрешность в измеряемое выходное напряжение элемента Холла.According to [5], the output voltage of the Hall element, in addition to the Hall voltage Ux, contains the residual voltage Un and the thermopower of the contacts Ut. At the same time, the residual voltage of the Hall element is large and significantly depends on the temperature, which introduces a significant error in the measured output voltage of the Hall element.

Выходное напряжение на элементах Холла 1 и 2 содержит две составляющие магнитного поля - однонаправленное воздействие внешнего магнитного поля F - Ux и разно-направленное воздействие магнитного поля магнитов крыльчатки Fs и Fn - ΔUx.The output voltage on the Hall elements 1 and 2 contains two components of the magnetic field - the unidirectional influence of the external magnetic field F - Ux and the opposite direction of the magnetic field of the impeller magnets Fs and Fn - ΔUx.

В соответствии с [5] выходное напряжение элементов Холла 1 и 2 определяются формуламиIn accordance with [5], the output voltage of Hall elements 1 and 2 are determined by the formulas

Выходное напряжение разно полярно соединенных элементов Холла 1 и 2 определяется формулойThe output voltage of oppositely connected Hall elements 1 and 2 is determined by the formula

Таким образом выходное напряжение элементов Холла 1 и 2 зависит только от холловского напряжения элементов Холла при воздействии магнитного поля магнитов крыльчатки, причем удвоенного, в котором исключено влияние напряжения внешнего магнитного поля, термоЭдс и остаточного напряжения элементов Холла с его зависимостью от температуры.Thus, the output voltage of the Hall elements 1 and 2 depends only on the Hall voltage of the Hall elements when exposed to the magnetic field of the impeller magnets, and doubled, in which the influence of the external magnetic field voltage, thermoelectric power and the residual voltage of the Hall elements with its temperature dependence is excluded.

Компаратор 5 построен по типовой схеме компаратора с гистерезисом с единственным отличием - резистор обратной связи 6 цепи гистерезиса соединен с выходом микроконтроллера 7, который при подаче питания на компаратор устанавливает на резисторе 6 напряжение в зависимости от предыдущего состояния компаратора 5.The comparator 5 is built according to a typical comparator circuit with hysteresis with the only difference - the feedback resistor 6 of the hysteresis circuit is connected to the output of the microcontroller 7, which, when energized to the comparator, sets a voltage on the resistor 6 depending on the previous state of the comparator 5.

Микроконтроллер 7 по изменению сигналов компаратора 5, которые происходят при каждом полуобороте магнитов крыльчатки, считает прошедший объем воды в соответствии с установленным коэффициентом пересчета цены оборотов крыльчатки и выводит накопленный объем в тарированных единицах на жидкокристаллический индикатор 8. В области минимальных расходов микроконтроллер 7 компенсирует спад передаточной характеристики крыльчатки за счет коррекции коэффициента пересчета.The microcontroller 7 by changing the signals of the comparator 5, which occurs at each half-turn of the impeller magnets, considers the volume of water passed in accordance with the established coefficient of recalculation of the price of the impeller revolutions and displays the accumulated volume in calibrated units to the liquid-crystal indicator 8. impeller characteristics due to the correction of the conversion factor.

В целях снижения потребления тока электронным блоком питание датчиков Холла и схем обработки выходного сигнала осуществляется от выхода микроконтроллера по сигналам прерывания от встроенного таймера, при этом до срабатывания таймера микроконтроллер находится в спящем режиме - режиме минимального потребления. Питание на схемы подается на время, достаточное для установления выходных сигналов схемы и их опроса микроконтроллером. В отсутствии вращения крыльчатки устанавливается минимальная частота опроса датчиков. При обнаружении вращения крыльчатки устанавливается максимальная частота опроса датчиков, которая затем адаптивно подстраивается на частоту вращения крыльчатки. Кроме того, индикация показаний счетчика на ЖКИ осуществляется только по требованию в течении времени, достаточного для съема показаний счетчика.In order to reduce the current consumption by the electronic unit, the Hall sensors and output signal processing circuits are powered from the microcontroller's output by the interrupt signals from the built-in timer, while the microcontroller is in sleep mode, the minimum consumption mode, before the timer triggers. Power is supplied to the circuits for a time sufficient to establish the output signals of the circuit and interrogate them by the microcontroller. In the absence of rotation of the impeller is set the minimum frequency of the survey sensors. Upon detecting the rotation of the impeller, the maximum sampling frequency of the sensors is set, which then adaptively adjusts to the frequency of rotation of the impeller. In addition, the indication of the meter readings on the LCD is carried out only on request for a time sufficient to read the meter readings.

Использование двух датчиков Холла обеспечивает получение выходного сигнала с удвоенной чувствительностью и вдвое меньшем токе потребления, в котором компенсировано влияние внешнего магнитного поля и остаточное напряжения элементов Холла с их температурной зависимостью.The use of two Hall sensors provides an output signal with doubled sensitivity and half the current consumption, which compensates for the influence of an external magnetic field and the residual voltage of the Hall elements with their temperature dependence.

По сравнению с механическими счетными устройствами предлагаемое устройство имеет более высокую точность в области минимальных расходов за счет исключения сопротивления вращению крыльчатки, обусловленного сопротивлением механического счетного устройства, а также компенсации спада передаточной характеристики крыльчатки за счет коррекции коэффициента пересчета в области минимальных расходов воды.Compared with mechanical counting devices, the proposed device has higher accuracy in the area of minimum costs due to the elimination of resistance to rotation of the impeller due to the resistance of the mechanical calculating device, as well as compensation for the decline of the transfer characteristic of the impeller due to the correction of the conversion factor in the area of minimum water consumption.

Источники информации:Information sources:

1. Патент RU 2380713,1. Patent RU 2380713,

2. Патент RU 2347194,2. Patent RU 2347194,

3. Патент RU 2152128,3. Patent RU 2152128,

4. Патент RU 2337320 - прототип,4. Patent RU 2337320 - prototype

5. А.А. Голубев, В.К. Игнатьев, Цифровой нанотеслометр, Изв. Вузов. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, №1, с. 49-545. A.A. Golubev, V.K. Ignatiev, Digital nanoteslometer, Izv. Universities. Instrument making. 2010. T. 53, No. 1, p. 49-54

Claims

The wing water meter electronic unit containing the Hall sensor located above the path of the impeller magnets, the current-limiting resistor, the instrument amplifier of the output signal of the Hall sensor, a comparator with a feedback resistor in the hysteresis circuit, a microcontroller with a liquid crystal indicator, whose input is connected to the output of the comparator the fact that the second Hall sensor, located above the path of the magnets of the impeller, is diametrically opposed to The first Hall sensor, while the Hall sensors along the power circuit are serially connected to the microcontroller output and current limiting resistor, the first Hall sensor outputs are connected to each other, the second to the instrumentation amplifier inputs, the comparator hysteresis feedback resistor is connected to the microcontroller output, and the sensor power supply Hall and circuit elements are connected to the outputs of the microcontroller.