CC BY
12
Снижение минимального фиксируемого объема газа для счетного механизма диафрагменного прибора учета расхода природного газа
А.Н. Акользин, А.А. Легин, О.А. Харьянов Южный федеральный университет, г. Таганрог
Аннотация: Развитие современной электроники привело к усовершенствованию и модернизации приборов учета природного газа. Механические приборы все больше стали вытесняться электронными, которые позволяют обеспечить более высокую точность, разрешающую способность прибора и имеют ряд дополнительных возможностей, например, позволяют регистрировать события и осуществлять контроль показаний. Задачей таких приборов является обеспечить полностью автономную работу от батарейного элемента в период от 5 до 10 лет. Время автономной работы определяется количеством потребителей электроэнергии входящих в состав прибора учета и может быть снижено до очень малых значений за счет применения современных электронных компонентов с низким энергопотреблением. Дополнительно можно снизить энергопотребление путем реализации определенных алгоритмов работы устройства. В данной работе рассмотрены варианты построения измерительной мишени, и алгоритмы работы цифровой части, которые позволяют снизить энергопотребление. Ключевые слова: измерительные схемы, приборы учета природного газа, энергопотребление, измерительная мишень, энергоэффективность.
Введение
Приборы учета расхода газа очень широко распространены и используются как в бытовом хозяйстве, так и в промышленности. В их основную задачу входит измерение потребляемого абонентом объема природного газа и корректировка этих показаний с учетом температуры и давления. В качестве измерителя в основном используется диафрагма, которая совершает поступательные движения в результате давления, создаваемого проходящим через нее газом. Механическое движение диафрагмы через магнитную муфту преобразуется во вращательное движение мишени. Варианты исполнения мишени могут быть различными, это может быть мишень с прорезями для оптической системы, которая позволяет сформировать цифровой код или это может быть магнитная мишень, для магнитной системы с датчиком Холла. Основной задачей
измерительной схемы является пересчет вращательного движения мишени в объем газа. При этом минимальный фиксируемый объем будет зависеть от минимального углового перемещения, которое может зафиксировать измерительная схема, а это в свою очередь зависит как от исполнения мишени, так и от исполнения схемы измерения.
Основными потребителями в приборе учета выступают микроконтроллер, устройство индикации и электронная схема, которая позволяет регистрировать вращение мишени. Современные вычислительные процессоры позволяют добиться низкого энергопотребления от элемента питания в различных режимах порядка 4-30 мкА. Потребление устройства индикации так же может быть несущественным, так как существуют ЖКИ, которые потребляют порядка 10-20 мкА [1], что является подходящим для применения в приборах учета.
Задачей данной работы является разработка различных схем измерения поступательного движения мембраны с целью повышения разрешающей способности устройства в целом. А также разработка различных алгоритмов съема показаний с помощью измерительных схем, которые позволяют снизить среднее значение энергопотребления прибора учета.
Основная часть
Прибор учета природного газа представляет собой устройство, состоящее из схемы измерения, измерителя, устройства отображения и порта связи с внешними устройствами (опционально), как показано на рис. 1.
Рис. 1. - Внешний вид прибора учета природного газа
В приборах учета природного газа точность и разрешающая способность приборов определяется конструкцией измерительной схемы, которая содержит в себе электрическую и механическую составляющую. Необходимость повышения разрешающей способности связана с требованиями ГОСТ Р 8.915-2016. «Государственная система обеспечения единства измерений счётчики газа объемные диафрагменные. Общие технические требования, методы испытаний и поверки на электронные приборы учета». Для определения объема газа прошедшего через мембрану необходимо измерять угловое перемещение мишени с заданной точностью. Существует множество подходов к измерению вращения измерительной мишени[2,3]. В ходе разработки прибора учета природного газа были рассмотрены различные способы построения измерительной части схемы и предложены различные алгоритмы управления измерением.
Начнем рассмотрение с самой простой измерительной схемы, которая представляет собой диск, где световой поток от излучателя перекрывается
:
каждые полпериода, и измерительную схему с оптической парой, в которой используется один светодиод и один фотодиод, рис. 1. Такая схема измерения проста в реализации и положительно влияет на энергопотребление, а как следствие, и на время автономной работы прибора учета. Это обусловлено тем, что основным потребителем является светодиод, который потребляет порядка 10 мА[4]. Поскольку в схеме он всего один и работает в импульсном режиме, при этом частота импульсов должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты вращения мишени при максимальном расходе. Это позволяет обеспечить уровень среднего потребления тока схемы измерения менее10 мкА[5] и определяется по формуле:
I • £ +1 • £
с с р р
' ср = > (1)
ср
где ¡с - потребление в режиме «сна», ¡р - в активном режиме, - время потребления в активном режиме, tс - время потребления в режиме «сна».
На основе приведенной формулы (1) построим таблицу 1 зависимости среднего тока потребленияот времениработы в активном режиме. Измерение потребления среднего тока проводились для оптической пары с одним светодиодом и одним фототранзистором, ток через которую регулировался с помощью резисторов нагрузки.
Таблица № 1
Зависимость среднего тока потребления оптической пары
tр, мкс Rд, кОм 1д, мкА 1ср.диод, мкА 1ср.транзистор, мкА
10 0,105 20000 2 2,2
50 0,470 4200 2,1 0,41
100 2,6 749 0,749 0,47
Для расчета общего тока потребления прибора учета для одной оптической пары воспользуемся формулой:
:
^ р (1 ср.транзистор ^ 1 ср.диод ) П ^ 1 ср.инд ^ 1 ср.конт , (2)
где Iср.транзистор - среднее потребление тока фототранзистора, ¡ср.диод - среднее потребление тока светодиода, 1ср.инд - среднее потребление тока индикатора[1], tср.конт - среднее потребления тока микроконтроллера, ¡р -общее потребление тока всего прибора учета ип - количество оптических пар. Для расчета среднего потребления для каждого компонента воспользуемся формулой (1), где период импульсов подаваемых на светодиод будет равен tc = 10 мс, потребление микроконтроллера в режиме сна 4 =3.3мкА.[6], потребление микроконтроллера в активном режиме ¡р =1.85мА. [6], время работы микроконтроллера в активном режиме^указан в таблице 2.
Таблица № 2
Потребление прибора учета для одной оптической пары
tр, мкс Rд, кОм 1д, мкА 1ср.диод, мкА 1ср.транзи стор, мкА 1ср.инд, мкА 1ср.конт, мкА 1р., мкА
10 0,105 20000 2 2,2 5 5,14 14,34
50 0,470 4200 2,1 0,41 5 12,48 19,99
100 2,6 749 0,749 0,47 5 21,58 27,79
Экспериментально было установлено, что один полный оборот мишени соответствует объему 0,00119 м3. Согласно ГОСТ на индикаторе прибора учета показания должны отображаться с точностью четыре знака после запятой [2]. В рассматриваемом способе измерения получить значащую часть четвертого разряда сложно в связи с маленьким разрешением измерительной мишени.
Рассмотрим более сложную оптическую измерительную схему с мишенью, которая позволяет получить цифровой код Грея [7] рисунок 2. Особенностью кода Грея является то, что его цифровая комбинация отличается от предыдущих, только одной цифрой в двоичном разряде. Эта
особенность позволяет отследить и скорректировать ошибки в случае их появления. Другим преимуществом является то, что такая схема измерения может фиксировать четверть оборота мишени, в отличие от предыдущей реализации, где фиксируется пол оборота, это позволяет удвоить разрешающую способность оптической мишени и позволяет измерить минимальный объем газа, который равен 0,00029 м3. Такая схема измерения требует установки двух светодиодов, которые работают в импульсном режиме, что увеличивает энергопотребление, а для обеспечения требуемой точности измерений требуется увеличение частоты импульсной работы излучателей в четыре раза от максимальных оборотов мишени. Методы оптимизации потребления оптических схем приведены в[5].Воспользуемся данными из таблицы 1 и формулой 2, и составим таблицу 3, в которой будет потребление прибора учета в составе, которого две оптические пары.
Таблица № 3
Потребление прибора учета для двух оптических пар
ф, Яд, 1д, 1ср.диод 1ср.транзи 1ср.инд, 1ср.кон 1р.,
мкс кОм мкА , мкА стор, мкА мкА т, мкА
мкА
10 0,105 20000 2 2,2 5 5,14 18,54
50 0,470 4200 2,1 0,41 5 12,48 22,5
100 2,6 749 0,749 0,47 5 21,58 29,018
Такой вариант съема показаний имеет еще одну положительную особенность, по сравнению с предыдущим вариантом съёма, которая связана с возникновением ошибок на очень малых оборотах мишени. Эти ошибки появляются из-за дребезга, возникающего при переходе границы из области засветки в область тени. Можно повысить точность, если применить схему измерения с тремя оптическими парами и мишенью, которая позволяет выдавать трехбитный код. Такая схема измерения позволит регистрировать 1/8 периода оборота.
Рис. 2. - Плата газового счетчика с мишенью в коде Грея
Дальнейшее увеличение разрядности цифрового кода приведет к увеличению количество оптических излучателей, которые будут расположены на небольшом расстоянии друг от друга. В таком случае соседние излучатели будут давать паразитную засветку друг на друга. Альтернативным вариантом повышения точности, является увеличение детальности мишени, как показано на рис. 3. Минимальный измеряемый объём газа будет пропорционален 1/8 оборота мишени. Преимущество такого измерителя то, что у него по-прежнему остается всего два оптических излучателя, при этом минимально измеренный объем газа составит 0,00014875 м . Рассматриваемых метод также приведет к увеличению частоты следования импульсов светодиода, что скажется на энергоэффективности.
Для данной мишени воспользуемся значениями для расчетов указанные в таблице 2, количество светодиодов будет равное двум и период импульсов подаваемых на светодиод будет равен = 5 мс, так как разрешаемая
1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5026
способность мишени увеличилась в два раза. Полученное значение/^ показано в таблице 4.
Таблица № 4
Потребление прибора учета для мишени с 1/8 периода оборота
tр, Яд, 1д, 1ср.диод 1ср.транзи 1ср.инд, 1ср.кон 1р.,
мкс кОм мкА , мкА стор, мкА мкА т, мкА
мкА
10 0,105 20000 2 2,2 5 6,98 16,38
50 0,470 4200 2,1 0,41 5 21,58 31,6
100 2,6 749 0,749 0,47 5 39,50 46,93
Рис. 3. - Модифицированная мишень с двухбитным кодом Грея
Рассмотренные подходы к построению оптических схем и конструкции мишени были опытно проверены и могут применяться в конечных изделиях. В качестве альтернативы были рассмотрены еще два варианта построения схемы измерения. Первый заключается в реализации оптического энкодера [8], показанного на рис. 4. В этом случае схема измерения всегда будет состоять из двух оптических пар, а разрешение будет определяться шириной
1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5026
прорезей в оптической мишени. Преимуществом данной схемы является то, что можно реализовать требуемое разрешение путем модификации только самой мишени. Временные диаграммы на выходе оптической схемы с такой мишенью показаны на рис. 5.
Рис. 4. - Мишень для работы оптического энкодера.
Приемник А
Приемник В
- 1,С
Рис. 5. - Формы электрических сигналов с датчиков оптического энкодера.
Такая схема имеет право на существование, но имеет существенный недостаток, который заключается в том, что оптические излучатели должны работать в непрерывном режиме. Такой режим приведет к существенному увеличению энергопотребления. Потребление прибора учета в случае
использовании энкодера будет равно сумме потребления тока двух светодиодов и двух фототранзисторов включенных постоянно, ток потребления двух светодиодов /диод =3080мкА, ток потребления двух фототранзисторов 1транзистора =0,326мкА, общее потребление будет равно 1дт =3080,3мкА. При таком построении схемы измерения можно добиться снижения энергопотребления за счет такого алгоритма работы, при котором, пока мишень неподвижна, оптопары работают в импульсном режиме, а когда мишень начинает вращательные движения, включается режим непрерывной работы. Для определения положения вала можно использовать аппаратные ресурсы микроконтроллеров, предназначенные для работы с сигналами энкодера. Это позволит уменьшить время программной обработки сигналов и упростить разработку программного обеспечения. Алгоритм работы такой схемы измерения показан на рис. 6.
I III Инженерный вестник Дона, №2 (2018) В| ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/5026
Рис. 6. - Алгоритм работы устройства при реализации оптического энкодера
Второй вариант это использование диска с чередующимися магнитными полюсами [9, 10]. Диск представляет собой полимерный материал с тонкодисперсным магнитным наполнителем. Частицы наполнителя в секторах диска поочерёдно ориентированы в противоположных направлениях, как показано на рис. 7. При вращении
диска магнитное поле мишени воздействуют на датчик Холла, преобразующий изменения магнитного поля в электрический сигнал синусоидальной формы рис. 8 [11]. Для определения положения мишени можно воспользоваться аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера путем анализа уровня аналогового сигнала с датчика Холла. Разрешающая способность такой мишени будет определяться количеством полюсов магнитного диска.
Рис. 7. - Принцип измерения с использованием магнитного диска
и (О, В
Рис. 8. - Форма электрического сигнала с аналогового датчика Холла Из выше описанного можно подвести итоги. Наиболее подходящим вариантом реализации схем измерения являются оптические схемы, которые работают в импульсном режиме. Конфигурацию оптических пар и мишени необходимо выбирать из компромисса между точностью измерений и энергопотреблением. Оптимальной конфигурацией оптической пары и
1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5026
мишени является, использование мишени с 1/4 оборота и с двумя оптическими парами работающие по коду Грея. Схема измерения на основе энкодера имеет место быть, если применить алгоритм, который позволит снизить потребление в режиме простоя. Однако, когда счетчик будет находиться в активном режиме, такой вариант будет не самым удачным например в зимний период, когда устройство постоянно находится в режиме измерений. Реализация измерений с датчиком Холла так же требует выполнение постоянных измерений сигнала на выходе с помощью АЦП, что приводит к увеличению энергопотребления. Кроме того, такие схемы измерения чувствительны к воздействию внешнего магнитного поля.
Рассмотрим, как можно улучшить энергоэффективность прибора, который работает в импульсном режиме. Первое, что можно сделать - это существенно уменьшить частоту опроса оптической схемы в ждущем режиме. После того как будет обнаружено движение частота опроса увеличивается до максимального значения и происходит процесс измерения. В процессе измерения параллельно можно измерять частоту вращения мишени, как это показано на рис. 9. Если текущий расход находится в первом диапазоне, то частоту можно снизить, если во время работы расход увеличится, то и частота увеличивается.
Рис. 9. - Динамическое изменение частоты работы оптической схемы
Алгоритм работы устройства для представленного случая показан на рис. 10.
Повышаем частоту опроса
г4--
/ Считывание / значений с
/ оптической пары
-5--
Измеряем частоту
-6
Измеряем частоту опроса в зависимости от расхода
Увеличиваем счетчик ожидания остановки
Рис. 10. - Алгоритм динамического изменения частоты работы оптической
схемы в импульсном режиме
Выводы.
В ходе работы были рассмотрены варианты построения измерительных схем, устройства учета расхода природного газа. Показано, что изменяя как электронную часть измерительной схемы, так и механическую можно добиться повышения разрешающей способности приборов учета. Были рассмотрены варианты построения оптической и механической измерительной части устройства и представлены их геометрические модели, описаны их преимущества и недостатки. Представлен алгоритм работы устройства учета для оптического энкодера, который позволит снизить энергопотребление в режиме простоя и алгоритм динамического изменения частоты работы оптических пар в импульсном режиме [12].
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проекта «Разработка и создание высокотехнологичного производства инновационной системы комплексного учета, регистрации и анализа потребления энергоресурсов и воды промышленными предприятиями и объектами ЖКХ» по постановлению правительства №218 от 09.04.2010 г. Работа выполнялась во ФГАОУ ВО ЮФУ.
Литература
1. ОАО "ИНТЕГРАЛ" Индикаторы общего применения. URL:integral.by/ru/products/indikatory-obshchego-primeneniya?product=2223 (Дата обращения: 16.05.2018)
2. Беляев А.О., Ковтун Д.Г. Электронная температурная коррекция объема в приборах учета потребления природного газа // Инженерный вестник Дона, 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3837
3. Волков А. Ю. О состоянии и перспективах развития средств измерения углового перемещения // Проблемы автоматики и управления, 2014, №. 1. С. 160-168.
4. Infrared Emitting diode KP-3216F3C. URL: lib.chipdip.ru/195/doc000195243.pdf (Circulation date 02.06.2018).
5. Акользин А.Н., Ковтун Д.Г., Легин А.Н. Исследование методов снижения энергопотребления оптических схем измерения положения мишени. // Известия ЮФУ. Технические науки. Номер 6(191) - 2017. С. 159-168.
6. STM8L152x68-bit ultra-low-power MCU. URL: st.com/resource/en/datasheet/stm8l152k6.pdf (Circulation date: 02.06.2018).
7. Скляр Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. — М.: Вильямс, 2007. 1104 с.
8. Мосур А. А., Шведов А. П. Кодирующая последовательность для восьмиразрядного однодорожечного абсолютного оптического энкодера // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2016, №. 12-1, С. 214 - 225.
9. Гауф А., Гусева А. Магнитные датчики угла поворота (энкодеры) EcoTurn // Компоненты и технологии, 2012, №. 1. С. 38-41.
10.Смирнов Ю. С. и др. Аналого-цифровые преобразователи составляющих перемещения с применением микроэлектронных синусно-косинусных магнитных энкодеров //Измерительная техника, 2014, №. 1. С. 28-31.
11.Фигурнов Е. П. Расчет цепей с датчиками ЭДС Холла //Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 1963, №. 12. С. 1338-1338.
12.Семенистая Е.С., Анацкий И.Г., Бойко Ю.А. Разработка программного обеспечения автоматизированной системы контроля и учета энергоресурсов и воды // Инженерный вестник Дона, 2016. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3897.
References
1. OAO "INTEGRAL" Indikatory obshchego primeneniya [OAO INTEGRAL Indicators of general application] URL:integral.by/ru/products/indikatory-obshchego-primeneniya?product=2223 (Qrculation date: 16.05.2018)
2. Belyaev A.O., Kovtun D.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3837.
3. Volkov A.Yu. Problemy avtomatiki i upravleniya, 2014, №. 1. pp. 160-168.
4. Infrared Emitting diode KP-3216F3C. URL: lib.chipdip.ru/195/doc000195243.pdf (Circulation date 02.06.2018).
5. Akol'zin A.N., Kovtun D.G., Legin A.N. Izvestija JUFU. Tehnicheskie nauki. № 6(191). 2017. pp. 159-168.
6. STM8L152x68-bit ultra-low-power MCU. URL: st.com/resource/en/datasheet/stm8l152k6.pdf (Circulation date: 02.06.2018).
7. Sklyar B. Tsifrovaya svyaz': Teoreticheskiye osnovy i prakticheskoye primeneniye [Digital Communication: Theoretical Foundations and Practical Applications] M.: Vil'yams, 2007. 1104 p.
8. Mosur A.A., Shvedov A.P. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki, 2016, №. 12-1, pp. 214 - 225.
9. Gauf A., Guseva A. Komponenty i tekhnologii, 2012, №. 1. pp. 38-41.
10. Smirnov YU. S. i dr. Izmeritel'naya tekhnika, 2014, №. 1. pp. 28-31.
11. Figurnov Ye. P. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika, 1963, №. 12. pp. 1338-1338.
12. Semenistaya Ye.S., Anatskiy I.G., Boyko YU.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3897.
