RU2602401C1

RU2602401C1 - Method of measuring fluid flow rate

Info

Publication number: RU2602401C1
Application number: RU2015137552/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Борисович Иванов; Александр Юрьевич Любко
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2016-11-20

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: invention relates to instrument making and can be used in water flow meters with independent power supply. Method of fluid flow rate measurement feature is that for its implementation a counter impellers are used with a disc fixed on it and half-coated with metal and an inductive sensor as part of an LC-circuit, a capacitor which is charged through the inductive sensor with output voltage of a D-trigger to the operating threshold of a logical Schmitt trigger forming pulses from damped oscillations on the LC-circuit, which via a feedback capacitor charge the LC-circuit and are used to release the D-trigger and extract turns of the disc.

EFFECT: higher sensitivity and accuracy of measuring water flow rate while reducing power consumption with protection against external magnetic fields.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в счетчиках расхода воды с автономным напряжением питания.The invention relates to the field of instrumentation and can be used in water flow meters with an autonomous supply voltage.

Известен способ измерения расхода жидкости (патент РФ №2152128, G01F 1/06, G01F 1/075, 2000 г.), основанный на вращении под воздействием потока жидкости крыльчатки счетчика с закрепленными на ней постоянными магнитами и формировании под воздействием вращающегося магнитного поля сигнала, частота которого пропорциональна скорости потока жидкости, с вычислением и интегрированием по времени расхода жидкости и с визуальным отображением результатов измерения расхода на индикаторе.A known method of measuring fluid flow (RF patent No. 2152128, G01F 1/06, G01F 1/075, 2000), based on the rotation under the influence of the fluid flow of the impeller of the counter with permanent magnets fixed to it and the formation of a signal under the influence of a rotating magnetic field, whose frequency is proportional to the speed of the fluid flow, with the calculation and integration of the fluid flow rate over time and with the visual display of the flow measurement results on the indicator.

Устройство, реализующее измерение расхода жидкости таким способом, содержит крыльчатку счетчика с закрепленными на ней постоянными магнитами и измерительный блок, подключенный к блоку индикации. Бесконтактная передача количества оборотов крыльчатки на измерительный блок основана на замыкании контакта геркона под действием вращающегося магнитного поля с частотой, пропорциональной скорости потока жидкости.A device that implements a measurement of fluid flow in this way contains a meter impeller with permanent magnets fixed to it and a measuring unit connected to the display unit. The non-contact transfer of the number of impeller revolutions to the measuring unit is based on the closure of the contact of the reed switch under the action of a rotating magnetic field with a frequency proportional to the fluid flow rate.

Недостатком данного способа является низкая надежность, обусловленная использованием механического контакта (геркона) с ограниченным эксплуатационным ресурсом, на работу которого также может влиять внешнее магнитное поле, что снижает его надежность и достоверность показаний при внешнем воздействии (например, при поднесении магнита к счетчику).The disadvantage of this method is the low reliability due to the use of mechanical contact (reed switch) with a limited operational resource, the operation of which can also be affected by an external magnetic field, which reduces its reliability and reliability of readings under external influence (for example, when the magnet is brought to the counter).

Известен также способ измерения расхода жидкости (патент РФ №2481559, G01F 1/075, 2013 г.), который включает вращение под воздействием потока жидкости крыльчатки счетчика с закрепленными на ней постоянными магнитами и формирование под воздействием вращающегося магнитного поля сигнала, частота которого пропорциональна скорости потока жидкости. Затем в измерительном блоке выполняют вычисление и интегрирование по времени текущего расхода жидкости с визуальным отображением общего расхода жидкости на цифровом индикаторе.There is also known a method of measuring fluid flow (RF patent No. 2481559, G01F 1/075, 2013), which includes rotation under the influence of a fluid stream of the impeller of the meter with permanent magnets fixed to it and the formation of a signal under the influence of a rotating magnetic field, the frequency of which is proportional to the speed fluid flow. Then, in the measuring unit, the calculation and integration over time of the current fluid flow rate is performed with a visual display of the total fluid flow rate on a digital indicator.

Устройство для измерения расхода жидкости этим способом содержит крыльчатку счетчика с закрепленными на ней постоянными магнитами, измерительный блок, блок индикации, высокочастотный генератор, блок коррекции, аккумулирующий блок и интерфейсный блок.A device for measuring fluid flow in this way comprises a meter impeller with permanent magnets fixed to it, a measuring unit, an indication unit, a high-frequency generator, a correction unit, a storage unit, and an interface unit.

Бесконтактное определение количества оборотов крыльчатки данным способом выполняется по изменению тока высокочастотного генератора, пропорционального моменту сопротивления на валу крыльчатки счетчика, с коррекцией результатов измерений по тарировочным характеристикам.The non-contact determination of the number of impeller revolutions in this way is performed by changing the current of the high-frequency generator, proportional to the moment of resistance on the counter impeller shaft, with the correction of the measurement results according to calibration characteristics.

Недостатком данного способа является сравнительно большое энергопотребление, обусловленное применением высокочастотного генератора, который также ограничивает точность измерения расхода жидкости, так как вращение магнитов в высокочастотном поле приводит к изменению момента сопротивления на валу крыльчатки счетчика, т.е. к замедлению скорости вращения крыльчатки и ее нелинейной зависимости от расхода жидкости.The disadvantage of this method is the relatively high energy consumption due to the use of a high-frequency generator, which also limits the accuracy of measuring fluid flow, since the rotation of the magnets in the high-frequency field leads to a change in the moment of resistance on the counter impeller shaft, i.e. to slow down the speed of rotation of the impeller and its non-linear dependence on the flow rate of the liquid.

Известен также способ измерения расхода жидкости с применением датчика Холла (патент РФ №2337320, G01F 1/075, 1999 г.), который включает вращение под воздействием потока жидкости крыльчатки с двумя диаметрально расположенными на ней магнитами. Для бесконтактного съема сигнала при вращении крыльчатки применяют датчик Холла, установленный на наружной части корпуса над траекторией прохождения магнитов, кроме которого в измерительном блоке используются блок импульсного питания датчика Холла, блок управления и вычисления на микроконтроллере, блок коэффициента пересчета, таймер и жидкокристаллический индикатор.There is also a method of measuring fluid flow using a Hall sensor (RF patent No. 2333320, G01F 1/075, 1999), which includes rotation under the influence of a fluid flow of the impeller with two diametrically located magnets on it. For non-contact signal pick-up during the rotation of the impeller, a Hall sensor is used mounted on the outer part of the casing above the path of the magnets, in addition to which the pulse power supply of the Hall sensor, the control and calculation unit on the microcontroller, the conversion factor block, the timer and the liquid crystal display are used in the measuring unit.

Недостатком данного способа является сравнительное высокое энергопотребление, обусловленное применением датчика Холла, на работу которого может влиять внешнее магнитное поле, что снижает его надежность и достоверность показаний (например, при поднесении магнита к счетчику).The disadvantage of this method is the relatively high energy consumption due to the use of a Hall sensor, the operation of which can be affected by an external magnetic field, which reduces its reliability and reliability of readings (for example, when the magnet is brought to the counter).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ измерения расхода жидкости, основанный на вращении под воздействием потока жидкости крыльчатки счетчика с закрепленным на ее торце диском, наполовину покрытым металлом, и применении индуктивного датчика в составе LC-контура, на который подают короткие импульсы для возбуждения затухающих колебаний (Thomas Kot. LC Sensor Rotation Detection With MSP430™ Extended Scan Interface. Application Report SLAA639-July 2014. http://www.ti.com/lit/zip/tidc583). Амплитуду затухающих колебаний сравнивают компаратором с пороговым уровнем напряжения и определяют число импульсов, соответствующих затухающим колебаниям с амплитудой, превышающей пороговый уровень напряжения. По изменению количества этих импульсов, зависящего от вихретоковых потерь в металле диска, фиксируют обороты крыльчатки счетчика и пересчитывают их в расход воды, значение которого интегрируют во времени, а полученный результат в объемных единицах отображают на жидкокристаллическом индикаторе.Closest to the proposed invention (prototype) is a method of measuring fluid flow, based on rotation under the influence of fluid flow of the impeller of the meter with a disk half-coated with metal fixed to its end, and the use of an inductive sensor as part of an LC circuit, to which short pulses are supplied for excitation of damped oscillations (Thomas Kot. LC Sensor Rotation Detection With MSP430 ™ Extended Scan Interface. Application Report SLAA639-July 2014. http://www.ti.com/lit/zip/tidc583). The amplitude of the damped oscillations is compared by a comparator with a threshold voltage level and the number of pulses corresponding to the damped oscillations with an amplitude exceeding the threshold voltage level is determined. By changing the number of these pulses, depending on the eddy current loss in the disk metal, the counter impeller rotations are recorded and converted into a water flow rate, the value of which is integrated over time, and the result obtained is displayed in volume units on a liquid crystal display.

В составе измерительного блока, реализующего такой способ, кроме LC-контура с индуктивным датчиком используют компаратор аналоговых сигналов, цифроаналоговый преобразователь, таймер, микроконтроллер, генератор тактовых импульсов и жидкокристаллический индикатор.As part of a measuring unit that implements this method, in addition to an LC circuit with an inductive sensor, an analog signal comparator, a digital-to-analog converter, a timer, a microcontroller, a clock pulse generator and a liquid crystal indicator are used.

При измерении расхода воды данным способом формируют короткие импульсы стабильной длительности (примерно 1 мкс) для возбуждения колебаний на параллельном LC-контуре с индуктивным датчиком. Ток заряда одновременно протекает через параллельно включенные конденсатор и индуктивный датчик, поэтому увеличение длительности зарядного импульса приводит к увеличению тока заряда, а его уменьшение - к недостаточному заряду конденсатора и, соответственно, к изменению начальной амплитуды затухающих колебаний. Однако, даже при постоянной длительности зарядного импульса температурные или временные изменения параметров LC-контура вызывают соответствующие изменения амплитуды затухающих колебаний, поэтому даже при постоянном уровне напряжения срабатывания компаратора количество импульсов на его выходе может изменяться от влияния внешних факторов (нестабильности напряжения питания и температуры), уменьшая достоверность результатов контроля расхода жидкости.When measuring water flow in this way, short pulses of stable duration (about 1 μs) are formed to excite oscillations on a parallel LC circuit with an inductive sensor. The charge current flows simultaneously through the parallel connected capacitor and inductive sensor, therefore, an increase in the duration of the charging pulse leads to an increase in the charge current, and its decrease leads to an insufficient charge of the capacitor and, accordingly, to a change in the initial amplitude of the damped oscillations. However, even with a constant duration of the charging pulse, temperature or temporary changes in the parameters of the LC circuit cause corresponding changes in the amplitude of the damped oscillations, therefore, even with a constant voltage level of the comparator, the number of pulses at its output can vary due to external factors (instability of the supply voltage and temperature), reducing the reliability of fluid flow control results.

Энергопотребление устройства, реализующего такой способ измерения расхода жидкости, наиболее существенно зависит от быстродействия аналогового компаратора, сравнивающего затухающие колебания на LC-контуре с пороговым уровнем напряжения, который задается цифроаналоговым преобразователем. В частности, при типовой частоте резонансных затухающих колебаний

для формирования выходных импульсов с погрешностью не более 5% от амплитуды затухающих колебаний задержка срабатывания компаратора не должно превышать значения Δt_зд≤0,2 мкс, которое обеспечивается при токе питания компаратора в сотни микроампер. Кроме того, необходимо подавать ток питания на таймер, задающий длительность возбуждающего импульса, и цифроаналоговый преобразователь, что в совокупности также повышает энергопотребление такого устройства.The energy consumption of a device that implements such a method of measuring fluid flow depends most significantly on the speed of an analog comparator, which compares the damped oscillations on the LC circuit with a threshold voltage level that is set by a digital-to-analog converter. In particular, at a typical frequency of resonant damped oscillations

for generating output pulses with an error of not more than 5% of the amplitude of the damped oscillations of the comparator must not exceed the trigger delay values Δt _zd ≤0,2 microseconds, which is provided with a current supply comparator hundreds microamperes. In addition, it is necessary to apply a supply current to a timer that sets the duration of the exciting pulse and a digital-to-analog converter, which together also increases the power consumption of such a device.

Задачей заявляемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерения расхода жидкости и уменьшение энергопотребления устройства при его реализации предлагаемым способом.The task of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measuring fluid flow and reduce power consumption of the device during its implementation by the proposed method.

Решение данной задачи предложенным способом измерения расхода жидкости достигается тем, что воздействие потока жидкости приводит к вращению крыльчатки счетчика с закрепленным на ее торце диском, наполовину покрытым металлом. Для определения скорости вращения крыльчатки счетчика применяют индуктивный датчик в составе LC-контура, на который подают короткие импульсы для возбуждения затухающих колебаний, амплитуду которых сравнивают с пороговым уровнем напряжения. Затем определяют число импульсов, соответствующих количеству затухающих колебаний с амплитудой, превышающей пороговый уровень напряжения, и по изменению числа этих импульсов, зависящего от вихретоковых потерь в металле диска, фиксируют обороты крыльчатки счетчика. После этого пересчитывают число оборотов диска в расход воды, значение которого интегрируют во времени, и полученный результат в объемных единицах отображают на жидкокристаллическом индикаторе. Затухающие колебания большой амплитуды выделяют логическим триггером Шмитта, вход которого подключают к LC-контуру через диодно-резистивную цепь. Для возбуждения затухающих колебаний индуктивный датчик подключают к выходу D-триггера, который периодически устанавливают в высокое состояние импульсами опроса состояния индуктивного датчика. Выходным напряжением D-триггера заряжают емкость LC-контура через индуктивный датчик до момента срабатывания логического триггера Шмитта, выходные импульсы которого подают через конденсатор обратной связи на LC-контур и на R-вход триггера для его сброса в нулевое состояние, а также используют для выделения поворота диска.The solution to this problem by the proposed method of measuring fluid flow is achieved by the fact that the influence of the fluid flow leads to rotation of the impeller of the meter with a disk half-coated with metal fixed to its end. To determine the speed of rotation of the impeller of the counter, an inductive sensor is used as part of the LC circuit, to which short pulses are supplied to excite damped oscillations, the amplitude of which is compared with the threshold voltage level. Then, the number of pulses corresponding to the number of damped oscillations with an amplitude exceeding the threshold voltage level is determined, and the counter impeller rotations are recorded by changing the number of these pulses, which depends on eddy current losses in the disk metal. After that, the number of revolutions of the disk is recalculated into the water flow, the value of which is integrated over time, and the result obtained in volume units is displayed on a liquid crystal display. Damped oscillations of large amplitude are isolated by a Schmitt logical trigger, the input of which is connected to the LC circuit through a diode-resistive circuit. To excite damped oscillations, the inductive sensor is connected to the output of the D-flip-flop, which is periodically set to a high state by the polling pulses of the state of the inductive sensor. The output voltage of the D-flip-flop charges the capacitance of the LC circuit through an inductive sensor until the Schmitt logic trigger is activated, the output pulses of which are fed through the feedback capacitor to the LC circuit and to the R-input of the trigger to reset it to zero, and also used to isolate turning the disc.

Заявляемый способ реализуется устройством, структурная схема которого приведена на фиг. 1, а работа его основных функциональных узлов поясняется временными диаграммами напряжений, показанными на фиг. 2.The inventive method is implemented by a device whose structural diagram is shown in FIG. 1, and the operation of its main functional units is illustrated by the temporary voltage diagrams shown in FIG. 2.

Устройство содержит диск 1, половина поверхности которого покрыта металлом. Диск закреплен на крыльчатке счетчика, размещенного внутри корпуса. Напротив этого диска на диэлектрической крышке корпуса размещен LC-контур 2, содержащий индуктивный датчик 3 и конденсатор 4, который через диод 5 подключен к входу логического триггера Шмитта 6 и через резистор 7 соединен с нулевой цепью. Выход логического триггера Шмитта 6 через конденсатор обратной связи 8 подключен к LC-контуру 2 и к R-входу сброса D-триггера 9, счетный С-вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 10. Выходы логического триггера Шмитта 6 и D-триггера 9 подключены соответственно к счетному С-входу и R-входу сброса первого счетчика 11, выход которого подключен к одному входу цифрового компаратора 12, на другой вход которого подан пороговый код N_ПОР. Выход цифрового компаратора 12 через второй счетчик импульсов 13 и дешифратор 14 подключен к жидкокристаллическому цифровому индикатору 15.The device contains a disk 1, half of the surface of which is coated with metal. The disk is mounted on the impeller of the counter located inside the housing. Opposite this disk, an LC circuit 2 is placed on the dielectric cover of the housing, containing an inductive sensor 3 and a capacitor 4, which is connected through an diode 5 to the input of a Schmitt logic trigger 6 and connected to a zero circuit through a resistor 7. The output of the Schmitt logic trigger 6 through the feedback capacitor 8 is connected to the LC circuit 2 and to the R-input of the reset of the D-trigger 9, the counting C-input of which is connected to the output of the clock generator 10. The outputs of the Schmitt logic trigger 6 and the D-trigger 9 connected respectively to the counting C-input and R-input of the reset of the first counter 11, the output of which is connected to one input of the digital comparator 12, to the other input of which a threshold code N _POR is applied. The output of the digital comparator 12 through the second pulse counter 13 and the decoder 14 is connected to a liquid crystal digital indicator 15.

Устройство, реализующее предложенный способ измерения расхода жидкости, работает следующим образом.A device that implements the proposed method for measuring fluid flow, works as follows.

Генератор 10 формирует тактовые импульсы для возбуждения LC-контура 2 с частотой

которая должна не менее чем в 6 раз превышать максимальную частоту вращения

диска 1, закрепленного на крыльчатке счетчика. Например, при частоте вращения диска

частота тактовых импульсов должна составлять

чтобы надежно фиксировать наличие на диске металлического или неметаллического покрытия. По фронту каждого тактового импульса, поступающего от генератора 10, D-триггер 9 устанавливается в высокое состояние, и его выходное напряжение через индуктивный датчик 3 подается на конденсатор 4. Такое соединение индуктивного датчика 3 с конденсатором 4 представляет собой последовательный колебательный контур с малым резонансным сопротивлением, поэтому напряжение на конденсаторе 4 быстро возрастает до тех пор, пока не достигнет порога напряжения срабатывания триггера Шмитта 6. При срабатывании триггера Шмитта 6 на его выходе появляется высокий уровень напряжения, который поступает через конденсатор обратной связи 8 на LC-контур 2 и обеспечивает дополнительный подзаряд конденсатора 4. Кроме того, высокий уровень выходного напряжения триггера Шмитта 6 подается на R-вход D-триггера 9 и устанавливает его в нулевое состояние. В результате этого индуктивный датчик 3 подключается параллельно конденсатору 4 и образует параллельный колебательный контур с высоким сопротивлением на резонансной частоте. Поэтому на LC-контуре 2 возникают затухающие гармонические колебания, максимальная амплитуда которых ограничивается напряжением питания триггера Шмитта 6, а на его выходе формируется последовательность импульсов, число которых зависит от добротности LC-контура 2.The generator 10 generates clock pulses for the excitation of the LC circuit 2 with a frequency

which must be at least 6 times the maximum speed

disc 1 mounted on the impeller of the counter. For example, at a rotational speed of a disk

clock frequency should be

to reliably fix the presence of a metal or non-metallic coating on the disk. On the front of each clock pulse coming from the generator 10, the D-trigger 9 is set to a high state, and its output voltage through the inductive sensor 3 is supplied to the capacitor 4. This connection of the inductive sensor 3 with the capacitor 4 is a series oscillatory circuit with a small resonant resistance , therefore, the voltage across the capacitor 4 increases rapidly until it reaches the threshold of the voltage of the Schmitt trigger 6. When the Schmitt trigger 6 is triggered, its output appears in soky voltage level, which enters through the feedback capacitor 8 for LC-circuit 2 and provides additional recharging of the capacitor 4. Moreover, the Schmitt trigger 6 output voltage high level is applied to R-input of D-flip-flop 9 and sets it to zero. As a result of this, the inductive sensor 3 is connected in parallel with the capacitor 4 and forms a parallel oscillatory circuit with a high resistance at the resonant frequency. Therefore, damped harmonic oscillations occur on the LC circuit 2, the maximum amplitude of which is limited by the supply voltage of the Schmitt trigger 6, and a sequence of pulses is formed at its output, the number of which depends on the quality factor of the LC circuit 2.

Если под торцом индуктивного датчика отсутствует металлическое покрытие диска, то при высокой добротности LC-контура 2 на выходе триггера Шмитта 6 формируется большое количество N≥10 импульсов. При наличии металлического покрытия под индуктивным датчиком возрастают потери электромагнитной энергии из-за протекания вихревых токов в металле диска. Это приводит к уменьшению добротности LC-контура 2, быстрому затуханию колебательного процесса и, соответственно, к уменьшению числа импульсов N≤4 на выходе триггера Шмитта 6 (фиг. 2).If there is no metal coating of the disk under the end of the inductive sensor, then with a high quality factor of the LC circuit 2, a large number of N≥10 pulses are generated at the output of the Schmitt trigger 6. In the presence of a metal coating under the inductive sensor, losses of electromagnetic energy increase due to the occurrence of eddy currents in the disk metal. This leads to a decrease in the quality factor of the LC-circuit 2, the rapid attenuation of the oscillatory process and, accordingly, to a decrease in the number of pulses N≤4 at the output of the Schmitt trigger 6 (Fig. 2).

Количество этих импульсов после каждого срабатывания D-триггера 9 определяется первым счетчиком 11 и сравнивается цифровым компаратором 12 с пороговым значением кода N_ПОР. При пороговом значении кода N_ПОР=8 и выходном коде счетчика 11 N₁>N_ПОР цифровой компаратор 12 формирует высокий уровень напряжения, а при выходном коде счетчика 11 N₂<N_ПОР на выходе цифрового компаратора 12 появляется низкий уровень напряжения, поэтому число его срабатываний соответствует количеству оборотов диска. Второй счетчик 13 непрерывно суммирует количество выходных импульсов, цифрового компаратора 12, которое после дешифратора 14 поступает на жидкокристаллический индикатор 17 и показывает общий расход жидкости.The number of these pulses after each operation of the D-flip-flop 9 is determined by the first counter 11 and compared by a digital comparator 12 with a threshold value of the N _POR code. When the threshold value of the code N _POR = 8 and the output code of the counter 11 N ₁ > N _{POR, the} digital comparator 12 generates a high voltage level, and with the output code of the counter 11 N ₂ <N _POR , a low voltage level appears at the output of the digital comparator 12, therefore, its number positives corresponds to the number of revolutions of the disk. The second counter 13 continuously sums the number of output pulses of the digital comparator 12, which, after the decoder 14, enters the liquid crystal indicator 17 and shows the total liquid flow rate.

Подключение диода 5 на входе триггера Шмитта 6 позволяет исключить влияние ограничителя амплитуды, применяемого в этом логическом элементе для защиты от перенапряжения по входу, на амплитуду отрицательных полуволн затухающих колебаний. Высокоомный резистор 7 применен для протекания входного тока триггера Шмитта 6 при закрытом диоде 5, и сравнительно мало влияет на высокую добротность LC-контура 2.Connecting a diode 5 at the input of a Schmitt trigger 6 eliminates the influence of the amplitude limiter used in this logic element to protect against input overvoltage on the amplitude of negative half-waves of damped oscillations. A high-resistance resistor 7 is used to flow the input current of the Schmitt trigger 6 with the diode 5 closed, and relatively little affects the high quality factor of the LC circuit 2.

Повышение чувствительности измерения расхода воды предложенным способом достигается за счет применения конденсатора 8 небольшой емкости С₈≤0,1С₄ в цепи положительной обратной связи. В этом случае выходными импульсами триггера Шмитта 6 происходит дополнительный подзаряд конденсатора 4 в каждом периоде затухающих колебаний, что позволяет увеличить эквивалентную добротность LC-контура и число импульсов на выходе триггера Шмитта 6 при отсутствии металлического покрытия под индуктивным датчиком.Increased flow measurement sensitivity of the present method is achieved by using a small capacitance capacitor C 8 ₈ ₄ ≤0,1S a positive feedback loop. In this case, the output pulses of the Schmitt trigger 6 are an additional charge of the capacitor 4 in each period of damped oscillations, which allows to increase the equivalent Q-factor of the LC circuit and the number of pulses at the output of the Schmitt trigger 6 in the absence of a metal coating under the inductive sensor.

Повышение точности измерения предложенным способом достигается за счет заряда конденсатора 4 до уровня срабатывания триггера Шмитта 6, изменение которого приводит к пропорциональному изменению амплитуды затухающих колебаний, поэтому количество импульсов на выходе триггера Шмитта 6 остается постоянным, в частности, даже при уменьшении напряжения батареи автономного питания устройства.Improving the measurement accuracy of the proposed method is achieved by charging the capacitor 4 to the trigger level of the Schmitt trigger 6, the change of which leads to a proportional change in the amplitude of the damped oscillations, therefore, the number of pulses at the output of the Schmitt trigger 6 remains constant, in particular, even when the battery voltage of the device’s autonomous power supply decreases .

Уменьшение энергопотребления при измерении расхода воды предложенным способом обусловлено двукратным снижением амплитуды импульсов зарядного тока при импульсном возбуждении колебаний в LC-контуре, применением вместо аналогового компаратора цифрового КМОП элемента "Триггер Шмитта" с пренебрежимо малым током покоя при обеспечении высокого быстродействия, а также сокращением общего количества функциональных узлов в схеме устройства.The decrease in energy consumption when measuring the water flow by the proposed method is due to a twofold decrease in the amplitude of the charging current pulses during pulsed excitation of oscillations in the LC circuit, instead of using an analog CMOS digital CMOS element, the Schmitt trigger element with a negligible quiescent current while ensuring high speed, as well as reducing the total number functional units in the device diagram.

Экспериментально установлено, что при использовании в LC-контуре индуктивного датчика на ферритовом стержне с индуктивностью L₃=1 мГн и конденсатора 4 с емкостью С₄=100 пФ частота резонансных затухающих колебаний составляет

. При напряжении питания U_ПИТ=3,6 В, получаемого от литиевой батареи, реализация триггера Шмитта 6 на микросхеме К561ТЛ1, D-триггера 9 на микросхеме К561ТМ2 с использованием диода 5 типа КД521Б и резистора 7 типа МЛТ-0,25-200 кОм позволяет уменьшить средний ток потребления измерительной части данного устройства до уровня I_ПИТ≈0,3 мкА (без учета энергопотребления микроконтроллера, выполняющего функции двух счетчиков, компаратора и дешифратора). Ток потребления измерительной схемы прототипа составляет I_ПИТ≈2,4 мкА при аналогичном напряжении питания U_ПИТ=3,6 В, т.е. в 8 раз выше.It was experimentally established that when using an inductive sensor in an LC circuit on a ferrite rod with an inductance L ₃ = 1 mH and a capacitor 4 with a capacitance C ₄ = 100 pF, the frequency of resonant damped oscillations is

. With a supply voltage of U _PIT = 3.6 V, obtained from a lithium battery, the implementation of Schmitt trigger 6 on a K561TL1 chip, D-trigger 9 on a K561TM2 chip using a diode 5 of type KD521B and a resistor of 7 type MLT-0.25-200 kOhm allows reduce the average current consumption of the measuring part of this device to I _PIT level ≈0.3 μA (without taking into account the power consumption of the microcontroller, which functions as two counters, a comparator and a decoder). The current consumption of the measuring circuit of the prototype is I _PIT ≈2.4 μA with a similar supply voltage U _PIT = 3.6 V, i.e. 8 times higher.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".The analysis of the prior art made it possible to establish that there are no analogues identical to the features of the claimed technical solution, which indicates the compliance of the claimed method with the condition of patentability "novelty".

Отличительные признаки: преобразование параллельного колебательного контура в последовательный контур для уменьшения тока заряда конденсатора, ограничение напряжения его заряда на уровне порога срабатывания логического триггера Шмитта для уменьшения влияния питающего напряжения на точность устройства, применение конденсатора обратной связи для повышения чувствительности, а также использование логического элемента "Триггер Шмитта" с диодно-резисторной цепью на входе вместо аналогового компаратора для уменьшения энергопотребления при сохранении высокого быстродействия, в них не встречаются. Следовательно, заявляемый способ удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".Distinctive features: the conversion of a parallel oscillatory circuit to a series circuit to reduce the charge current of the capacitor, limiting its charge voltage at the threshold of the Schmitt logic trigger to reduce the influence of the supply voltage on the accuracy of the device, the use of a feedback capacitor to increase sensitivity, as well as the use of a logic element " Schmitt trigger "with a diode-resistor circuit at the input instead of an analog comparator to reduce power consumption I, while maintaining high performance, are not found in them. Therefore, the claimed method meets the criterion of "inventive step".

Промышленная применимость предложенного способа обусловлена наличием элементной базы, на которой его можно реализовать с достижением указанного в изобретении назначения. В частности, генератор тактовых импульсов 10 и триггер Шмитта 6 можно реализовать на микросхеме К561ТЛ1, D-триггер 9 - на микросхеме К561ТМ2, а счетчики импульсов 11, 13 и цифровой компаратор 12 с дешифратором 14 - на микроконтроллере типа MSP430G2553 с током потребления менее 10 мкА при частоте 32,768 кГц.The industrial applicability of the proposed method is due to the presence of an elemental base on which it can be implemented to achieve the destination specified in the invention. In particular, clock generator 10 and Schmitt trigger 6 can be implemented on a K561TL1 chip, D-trigger 9 on a K561TM2 chip, and pulse counters 11, 13 and a digital comparator 12 with decoder 14 on a microcontroller like MSP430G2553 with a consumption current of less than 10 μA at a frequency of 32.768 kHz.

Таким образом, совокупность предложенных решений обеспечивает выполнение поставленной задачи изобретения.Thus, the totality of the proposed solutions ensures the fulfillment of the task of the invention.

Claims

A method of measuring fluid flow, based on rotation under the influence of a fluid flow of the impeller of the meter with a disk half-coated with metal fixed at its end, and the use of an inductive sensor as part of an LC circuit, to which short pulses are applied to excite damped oscillations, which are compared with a threshold level voltage, determine the number of pulses corresponding to damped oscillations with an amplitude exceeding the threshold voltage level, and by changing the number of these pulses, depending on the current losses in the metal of the disk, the counter impeller rotations are recorded and converted into a water flow rate, the value of which is integrated over time, and the result obtained in volumetric flow units is displayed on a liquid crystal display, characterized in that damped oscillations of large amplitude are isolated by a Schmitt logical trigger, which is connected to the LC circuit through a diode-resistive circuit, and damped oscillations are excited by connecting an inductive sensor to the output of the D-trigger, which is set to a high state with the sensor polling pulses, and the output voltage of the D-flip-flop, charge the capacitance of the LC circuit through the inductive sensor until the Schmitt logic trigger is activated, the output pulses of which are fed through the feedback capacitor to the LC circuit and to the R-input of the D-flip-flop to reset it to zero condition, and also used to highlight the rotation of the disk.