Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 29 П Р И Б ОР ОС Т Р О Е Н И Е . И Н Ф О Р МА Т И К А УДК 681.518.5 НОВЫЙ МЕТОД ОРГАНИЗАЦИИ ВЫСОКОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И УЧЕТА РАСХОДА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ Докт. техн. наук, проф. ЗУЙКОВ И. Е., ПАСЬ Н. С., СЯКЕРСКИЙ В. С., канд. техн. наук, доц. РУСАКЕВИЧ Д. А. Белорусский национальный технический университет, НПО «Интеграл» В настоящее время стремительно развива- ются процессы электронизации и автоматиза- ции коммунальной сферы. Одной из актуаль- ных проблем является поиск новых методов построения электронных систем учета расхода жидкостей и газов, обеспечивающих мини- мальную погрешность измерения при их ис- пользовании в бытовых и промышленных устройствах. В данной работе представлены результаты разработки и промышленной реализации ново- го метода измерения количества жидкости (во- ды), пропускаемой через измерительные устройства непрерывным потоком с помощью вра- щающихся лопаток. Положенный в основу ме- тода алгоритм работы устройства может быть также использован для построения устройств учета и контроля расхода газов. Как известно, в широко применяемых в настоящее время крыльчатых одноструйных счет- чиках учета воду подводят к крыльчатке по ка- сательной к окружности, проходящей через центры лопаток крыльчатки. Вращение крыль- чатки передается на счетный механизм с по- мощью сальника, через который пропущена ось крыльчатки, или с помощью специальной маг- нитной муфты, состоящей из двух полумуфт – ведущей, насаженной на ось крыльчатки и находящейся в воде, а также ведомой, распо- ложенной в сухом пространстве счетного меха- низма. Каждый оборот крыльчатки соответ- ствует определенной дозе измеряемого объема воды. Число оборотов крыльчатки регистриру- ют и переводят в количество воды, прошедшей через счетчик [1]. Следует отметить, что этот метод имеет весьма существенные недостатки: • невозможность достижения высоких пара- метров счетчика на малых расходах жидкости из-за высокого сопротивления трения в шесте- ренчатом механизме; • необходимость регулировки счетчика в про- цессе его работы из-за изнашивания механиче- ского счетного блока, системы «сальник–ось крыльчатки» и налипания железосодержащих частиц на магнит полумуфты; • высокую погрешность измерений из-за существующей зависимости погрешности счет- чика от параметров подводящей и отводящей системы трубопроводов. Коэффициент пересчета между количеством оборотов крыльчатки и объемом проливаемой жидкости в механических счетчиках – величи- на постоянная. Поэтому, чтобы счетчик соот- ветствовал своему метрологическому классу, необходимо проводить его дополнительную ре- гулировку. Частично эти недостатки были устранены в модифицированных счетчиках холодной воды [2], в конструкции которых в верхней части крыльчатки устанавливается магнитное устрой- ство. Масштабирующий редуктор счетного ме- ханизма переводит число оборотов крыльчатки в значение количества воды, прошедшей через счетчик, а кинематическая связь между крыль- чаткой и счетным устройством осуществляется путем магнитного взаимодействия через герме- Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 30 тичную перегородку. Недостатки такого класса счетчиков: высокая трудоемкость регулировки и значительная погрешность счетчика на малых расходах жидкости из-за взаимодействия маг- нита крыльчатки и счетного механизма. Общими недостатками известных методов и устройств являются: высокая трудоемкость регулировки счетчика перед предъявлением госповерителю, относительно высокая погреш- ность счетчика из-за высокой зависимости гид- родинамических параметров нижнего корпуса с крыльчаткой от геометрических параметров подводящей и отводящей системы трубопрово- дов, а также большого разброса между счетчи- ками по зависимости частоты вращения крыль- чатки от скорости потока жидкости. В счетчиках с электронными счетными бло- ками соответствия счетчика метрологическому классу добиваются дополнительной регулиров- кой с помощью коэффициентов коррекции [3]: определением коэффициента коррекции на фиксированном расходе воды при настройке и последующим введением этого коэффициента коррекции в память электронного счетного блока [4]. Однако, так как гидродинамические харак- теристики счетчиков отличаются друг от друга, при групповом определении опорного коэффи- циента коррекции на фиксированном расходе жидкости опорный коэффициент коррекции для каждого счетчика будет определен с какой- то погрешностью, что скажется на погрешности счетчика в диапазоне расходов жидкости и по- требуется дополнительная регулировка счет- чиков. Цель данной работы – создание надежного метода измерения количества жидкости и устройства для его осуществления, базирующе- гося на использовании теории и способов по- строения микропроцессорных средств обработ- ки быстропротекающих процессов [5]. Разрабо- танное устройство должно обеспечивать минимальную трудоемкость регулировочных операций, минимальную погрешность счета в широком диапазоне измерений независимо от гео- метрических параметров как самого счетчи- ка, так и параметров подводящих и отводя- щих трубопроводов и соединений, а также должно обеспечить проведение калибровки счетчика в реальных условиях без примене- ния дополнительных сложных контрольных систем. Сущность предлагаемого метода заключает- ся в том, что поток жидкости направляют на крыльчатку и заставляют ее вращаться под дей- ствием этого потока, а число оборотов крыль- чатки регистрируют и переводят в количество проливаемой жидкости с помощью текущего коэффициента коррекции, который рассчиты- вается электронным счетным устройством для одного опорного коэффициента коррекции по формуле Кт = К1 при 0 < Fт < F1. Для трех опорных коэффициентов коррек- ции выражение имеет вид: 1 т 1 т 1 1 2 1 1 т 2 2 1 т т 2 2 3 2 2 т 3 3 2 3 3 т при 0 ; ( ) при ; ( ) при ; при . K F F F FK K K F F F F F K F FK K K F F F F F K F F < <  − + − < <  −=  − + − < <  −  < < ∞ (1) Для пяти опорных коэффициентов коррек- ции выражение имеет вид: 1 т 1 т 1 1 2 1 1 т 2 2 1 т 2 2 3 2 2 т 3 3 2 т т 3 3 4 3 3 т 4 4 3 т 4 4 5 4 4 т 5 5 4 5 5 т при 0 ; ( ) при ; ( ) при ; ( ) при ; ( ) при ; при . K F F F FK K K F F F F F F FK K K F F F F F K F FK K K F F F F F F FK K K F F F F F K F F < <  − + − < <  −  − + − < <  −=  − + − < <  −  − + − < < −  < < ∞ (2) где K1–K5 – опорные коэффициенты коррек- ции, определяемые экспериментально для каж- дого счетчика; F1–F5 – частоты вращения крыльчатки, на которых определяются опорные коэффициенты коррекции K1–K5 соответствен- но; Kт – текущий коэффициент коррекции; Fт – текущая частота вращения крыльчатки. Опорные коэффициенты коррекции и часто- ты вращения крыльчатки, на которых они из- Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 31 меряются, определяются автоматически элект- ронным счетным устройством на любом из же- лаемых режимов потока жидкости. Опорных коэффициентов коррекции и частот вращения крыльчатки, на которых они определяются, может быть один, три или пять в зависимости от конструктивных геометрических параметров подводящей и отводящей системы трубопро- водов. Определение опорных коэффициентов кор- рекции и частот вращения крыльчатки индиви- дуально для каждого счетчика позволяет суще- ственно сократить время и трудоемкость регу- лировочных операций в широком диапазоне измерений независимо от геометрических па- раметров счетчика и трубопроводов. Кроме того, данный способ позволяет минимизиро- вать погрешность измерений за счет автомати- ческого уточнения опорной частоты вращения крыльчатки индивидуально для каждого счет- чика. Применение одного, трех или пяти опорных коэффициентов коррекции позволяет снизить общую погрешность счетчика за счет более точной линеаризации кривой погрешности. На рис. 1 представлена блок-схема элек- тронного счетчика, реализующего описывае- мый метод. В состав вычислительного устрой- ства введены: определители частоты вращения крыльчатки и опорных коэффициентов коррек- ции, а также вычислитель текущего коэффици- ента коррекции, что позволяет проводить регу- лировочные операции с минимальной трудоем- костью и погрешностью за счет возможности точного определения коэффициентов коррек- ции. Рис. 1. Структура электронного устройства управления прибором учета количества протекающей жидкости Устройство регистрации вращения крыль- чатки формирует управляющие импульсы напряжения, поступающие на входы арифмети- ческо-логического устройства (АЛУ), кото- рое содержит определители частоты враще- ния крыльчатки и опорных коэффициентов коррекции, вычислители текущего коэффици- ента коррекции и количества жидкости. Вы- числительное устройство выполнено в виде одной микросхемы [6], оформленной в 24-вы- водной корпус, который размещен на корпусе счетчика. Рис. 2. Зависимость погрешности измерений электронного счетчика от частоты вращения крыльчатки На рис. 2 представлен график зависимости погрешности измерений от частоты вращения крыльчатки, поясняющий принцип уменьшения погрешностей при помощи пяти фиксирован- ных опорных коэффициентов коррекции и те- кущего коэффициента коррекции, вычисляемо- ЖК-индикатор Дешифратор ПЗУ ОЗУ Схема управления АЛУ Таймер Тактовый генератор Устройство регистрации вращения крыльчатки КП1 КП2 Вычислительное устройство П, % –5 –4 – –3 – Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 32 го электронным счетным устройством. Здесь приняты следующие обозначения: 1 – допусти- мая область погрешности; 2 – реальная по- грешность счетчика; 3 – погрешность счетчика с учетом текущего коэффициента погрешности. Рассмотрим более подробно алгоритм рабо- ты счетчика. Как правило, счетчик устанавли- вают в разрыв трубопровода, в котором изме- ряют расход жидкости, например воды. Вода под напором поступает на лопасти крыльчатки, поток воды закручивается и заставляет крыль- чатку вращаться. При этом устройство реги- страции вращения крыльчатки, посылая пачку импульсов с частотой 200 Гц и частотой следо- вания, например 200 кГц, через катушку индук- тивности, регистрирует факт появления и ис- чезновения металлического сектора на крыль- чатке, формирует импульс напряжения и по- дает эти импульсы в вычислительное устрой- ство. Последнее обрабатывает параметры по- ступающих на вход импульсов в части их ча- стоты следования и количества на единицу объема проливаемой воды, определяет опорные коэффициенты коррекции на данной частоте вращения крыльчатки и записывает в опера- тивную память. В случае режима определения количества проливаемой жидкости вычисли- тельное устройство обрабатывает параметры поступающих на его вход импульсов в части их частоты следования и количества, рассчитывает текущий коэффициент коррекции, который вы- числяется с использованием параметров посту- пающих на вход импульсов, опорных коэффи- циентов коррекции и заданного алгоритма их вычисления по формуле (1), преобразовывает количество поступающих импульсов в объем проливаемой жидкости с учетом текущего ко- эффициента коррекции и выводит полученную информацию на цифровой жидкокристалличе- ский индикатор. Рассматриваемое вычислительное устрой- ство имеет три режима работы: с одним опор- ным коэффициентом K1, с тремя коэффициен- тами K1–K3, с пятью коэффициентами K1–K5. Выбор количества опорных коэффициентов коррекции зависит от конструктивных геомет- рических параметров подводящей и отводящей системы трубопроводов и диапазона расхода проливаемой жидкости. Выбор режима осу- ществляется кнопками КП1, КП2. Вычислительное устройство электронного счетчика воды работает следующим образом. С помощью кнопки КП1 на корпусе счетчика выбирается номер опорного коэффициента, установка опорного коэффициента коррекции осуществляется кнопкой КП2. Нажатие и удер- жание в основном режиме кнопки КП1 более 3 с приводит к автоматическому последова- тельному определению и вводу в память опор- ных коэффициентов коррекции с учетом реаль- но проливаемых объемов воды Vn и опреде- ляемых фактических частот оборотов крыль- чатки Fn. В старшем (левом) разряде индикатора вы- свечивается номер устанавливаемого коэффи- циента, на 1–3-м разрядах высвечивается ми- гающее значение проливаемого объема воды (л), которое по умолчанию устанавливается равным 10 л для K1–K3 и 100 л – для K4 и K5 и может корректироваться кнопкой КП2 в диапа- зоне 1–999. Далее в данном режиме по фронту первого поступающего на счетный вход импульса в результате вращения крыльчатки происходят запуск электронного секундомера и отсчет времени с фиксацией значений для каждого поступившего в последующем им- пульса. Таким образом, после окончания про- лива фиксированного объема воды в регистре времени будет находиться значение общего времени пролива Тп установленного объема воды Vn. Также в отдельном регистре суммиру- ется общее количество поступивших за время Тп импульсов Nn. После этого в вычислитель- ном устройстве производится расчет численно- го значения полученной частоты вращения крыльчатки для первого опорного коэффициен- та коррекции по формуле Fn = Nn/Tn(n – 1), ко- торое выводится на индикатор счетчика. Также рассчитывается реальное значение коэффици- ента коррекции для полученной частоты по формуле Kn = Nn/Vn, которое также выводится на индикатор и записывается в оперативную память вычислительного устройства. Далее происходит автоматический переход к режиму автоматического определения и вводу в память следующего опорного коэффициента коррек- ции Kn+i. При отсутствии необходимости в ка- ком-либо опорном коэффициенте с помощью кнопки КП2 производится принудительный переход в режим следующего опорного коэф- Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 33 фициента и т. д. После установки K3 происхо- дит переход в основной счетный режим. Особенностью разработанного электронно- го счетчика является то, что электронное счет- ное устройство имеет три режима работы: А – автоматического определения опорных коэффициентов коррекции; В – ручного определения опорных коэффи- циентов коррекции; С – измерения количества проливаемой жид- кости (рабочий режим). Для пояснения сущности предложенного ме- тода в ручном В и рабочем С режимах рассмот- рим конкретный пример работы с прибором. Режим В. Счетчик воды устанавливается на проливной стенд, обезвоздушивается, проливной стенд выключается. Датчики автоматического отключения воды устанавливаются на 10 л для K1 и K2 и 100 л для K3. Нажатием кнопки КП2 устанавливается цифра 3. Это означает, что счетчик будет работать с коэффициентами K1–K3. Далее нажатием кнопки КП1 осуществ- ляется вход в режим автоматического опреде- ления коэффициентов коррекции и производит- ся пролив на расходах, например 30 л/ч – для K1, 120 л/ч – для K2 и 1500 л/ч – для K3. В ре- зультате в память вычислительного устройст- ва будут занесены опорные коэффициенты коррекции K1–K3 и частоты F1–F3. После вы- держки более 5 с счетчик переходит в счетный режим. Режим С. Счетчик устанавливается на про- ливной стенд, обезвоздушивается, определяют- ся опорные коэффициенты коррекции, после чего переходят в режим счета расходуемой во- ды. Опорные коэффициенты коррекции, опре- деленные вычислительным устройством и за- несенные в память, приведены в табл. 1. Таблица 1 Номер опор- ного коэф- фициента Расход воды, л/ч Параметры, записанные в память Частота, Гц Значение опорного ко- эффициента коррекции 1 30 0,233 28 2 90 0,75 30 3 3000 23,3 29 Рассмотрим особенности работы счетчика в режиме определения количества расходуемой воды. После автоматического определения ко- эффициентов коррекции, не снимая счетчик с проливного стенда, проливается 10 л воды. На расходе 30 л/ч на вход вычислительного устройства поступило 280 импульсов. Вычис- лительное устройство определило, что крыль- чатка вращалась с частотой Fт = = 0,233 Гц и текущий коэффициент кор-рекции на этой частоте Kт = 28. Объем пролитой воды вычислительное устройство определило, разде- лив количество поступивших импульсов N на коэффициент коррекции Kт. Тогда V = = N/K1 = 10 л. Погрешность прибора на этом режиме равна нулю. Далее изменили режим пролива на 65 л/ч и пролили 10 л. В результате на вход вычисли- тельного устройства поступило 292 импульса. Вычислительное устройство определило, что частота вращения крыльчатки на этом расходе – 0,5 Гц, а теку- щий коэффициент коррекции рассчитывался по формуле т 1 т 1 2 1 2 1 ( ) 0,5 0,233 28 (30 28) 29,3. 0,75 0,233 F FK K K K F F − = + − = − − = + ⋅ − = − Определив текущий коэффициент коррек- Таблица 2 Номер коэффи- циента Q, л/ч F, Гц K, ед. N, ед. V, л Погреш- ность, % Погрешность для постоянного ко- эффициента, % K1 30 0,233 28 280 10 0 0 65 0,5 29,3 292 9,97 0,3 4,3 K2 90 0,75 30 300 10 0 7,1 96 08 29,998 302 10,07 0,7 7,8 120 0,9 29,99 297 9,9 1,0 6,0 800 6 29,76 2960 100,13 0,13 6,4 1500 11,2 29,537 2930 99,1 0,9 4,6 1875 14 29,413 2910 98,9 1,1 3,9 K3 3000 23,7 29 2900 100 0 3,6 Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 34 ции, вычислительное устройство установило объем пролитой воды, разделив число посту- пивших на вход импульсов N = 292 на опреде- ленный коэффициент коррекции K = 29,3. По- лучаем: V = N/K = 9,97 л (табл. 2). Погрешность счетчика на этом расходе со- ставила 0,3 %. Обращаем внимание на тот факт, что если бы вычислительное устройство опре- деляло объем проливаемой воды, используя только один постоянный коэффициент коррек- ции, например равный 28, то погрешность на расходе 30 л/ч была бы равна 0, а на расходе 65 л/ч эта погрешность уже составила бы 4,3 %. Далее проводились измерения для объемов во- ды на 90; 96; 120; 800; 1500; 1875 и 3000 л/ч. Все экспериментальные данные представлены в табл. 2. В последней колонке таблицы приве- дена погрешность счетчика для случая исполь- зования только одного постоянного коэффици- ента коррекции, равного 28. Как видно из полученных эксперименталь- ных данных, погрешность счетчика во всем диапазоне расхода не превышала 1,1 %, при этом для постоянного коэффициента она соста- вила бы до 7,8 %, что далеко за пределами до- пустимой погрешности. Аналогичные исследования для случая ис- пользования пяти опорных коэффициентов коррекции показали, что погрешность счетчика во всем диапазоне расходов не превысила 1 %. В Ы В О Д Ы Представлены результаты разработки и про- мышленной реализации нового метода измере- ния количества жидкости (воды), пропускаемой через измерительные устройства непрерывным потоком с помощью вращающихся лопаток. Поскольку большинство потребляемых в на- стоящее время в Республике Беларусь анало- гичных приборов учета воды обеспечивают по- грешность от ±3 до ±5 % в диапазоне расхода до 20 л/ч и ±2 % в диапазоне свыше 120 л/ч, можно сделать вывод о том, что предложенный новый метод организации работы микропро- цессорного устройства позволяет обеспечить минимальную погрешность счета на любом из желаемых режимов потока жидкости при ми- нимальной трудоемкости регулировочных опе- раций. Данный метод реализован в электронном счетчике воды, разработанном на заводе «Элект- роника» НПО «Интеграл». Положенный в ос- нову метода алгоритм работы устройства мо- жет быть также использован для построения устройств учета и контроля расхода газов. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Филатов, В. И. Вопросы гидродинамики в расхо- домерах / В. И. Филатов // Измерительная техника. – 1995. – № 5. – С. 37–39. 2. Безменов, А. С. Системы автоматического дозиро- вания жидких компонентов / А. С. Безменов // Приборы и системы управления. – 1996. – № 3. – С. 16–21. 3. Кузнецов, В. П. Динамика нестационарных дис- кретных систем / В. П. Кузнецов. – М.: Наука, 1980. – С. 237–238. 4. Кругликов, В. В. Самонастраивающиеся системы с моделями / В. В. Кругликов. – Минск: Наука и техника, 1966. – С. 81–87. 5. Методы и микропроцессорные средства обработ- ки широкополосных и быстропротекающих процессов в реальном времени. – Минск: Наука и техника, 1988. – С. 172–175. 6. Белоус, А. И. Однокристальный микроконтроллер для электронных систем учета расхода жидкостей и га- зов / А. И. Белоус, В. И. Бакуменко, Ю. И. Попов // Элек- тронные компоненты. – 1999. – № 3. – С. 31–33. Поступила 09.06.2009 УДК 681.51.033.01 ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИЙ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ