ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01F1/58 

Изобретение относится к метрологическому обеспечению измерений расхода сред с ионной проводимостью (жидкости, растворы, пульпы и тд.) в трубопроводах.

Известные электромагнитные измерители расхода (расходомеры) [1 и 2] включают электромагнитные преобразователи, зондирующие измеряемый поток переменным магнитным полем. Возникающая при этом в движущейся среде в соответствии с явлением электромагнитной индукции электродвижущая сила (ЭДС), величина которой пропорциональна скорости потока и индукции магнитного поля в канале преобразователя, измеряется электронным измерительным блоком расходомера и регистрируется соответствующим индикатором.

Недостатком аналогов является невысокая точность измерения в случае, если напряжение и частота питающей электросети нестабильны. Это в первую очередь обусловлено использованием в цепи обратной связи фазосдвигающих устройств RC-элементов.

В качестве прототипа выбран электромагнитный расходомер, содержащий преобразователь расхода, повторитель напряжения, источник сигнала компенсации, включенный между выходом повторителя и входом преобразователя расхода, и измерительную схему, подключенную к выходу повторителя, преобразователь ток-напряжение, включенный между выходом повторителя и первым входом источника сигнала компенсации, двухкоординатная схема управления, включенная между вторым выходом преобразователя ток-напряжение и вторым и третьим входами источника сигнала компенсации, при этом четвертый вход и второй двухкоординатной схемы управления связаны между собой [3].

Недостатком прототипа является сравнительно низкая точность измерения. Это обусловлено следующими недостатками источника опорного сигнала измерителя расхода: во-первых, использование в качестве источника опорного напряжения обмотки, размещаемой в магнитной системе преобразователя расхода, приводит к тому, что это опорное напряжение отображает только некоторое среднее значение магнитного поля в канале преобразователя расхода. Вместе с тем, известно, что различные элементарные объемы движущейся по каналу преобразователя измеряемой среды вносит существенно неодинаковый вклад в ЭДС, снимаемую с измерительных датчиков преобразователя, т.е. изменение скорости течения (а значит в конечном счете и расхода) в различных зонах канала преобразователя приводит к различному по величине изменению сигнала преобразователя расхода и задающего напряжения, что и обуславливает значительные погрешности измерений. Очевидно, более правильно в качестве задающего напряжения использовать напряжение, формируемое в зонах, где индуцируется основная доля сигнала преобразователя расхода. Такими зонами являются области, непосредственно примыкающие к датчикам электромагнитных преобразователей, во-вторых, фазосдвигающие цепи на RC-элементах обеспечивают точность настройки электронной аппаратуры лишь в узком частотном диапазоне и в этой связи измерители расхода, использующие такие цепи, обеспечивают необходимую точность измерения лишь при малых вариациях частоты.

Целью изобретения является повышение точности измерений электромагнитных расходомеров за счет снижения влияния на их показания вариации частоты и напряжения питания. Это чрезвычайно актуально, в первую очередь, при использовании таких средств измерения в условиях, когда в качестве источников питания приходится использовать нестационарные, а передвижные маломощные электроустановки, в которых вариации частоты и напряжения выходных сигналов могут достигать значительных величин.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что в электромагнитный расходомер, содержащий измерительный преобразователь расхода, подключенный к входу повторителя, источник опорного сигнала, подключенный к источнику сигнала компенсации, и измеритель, дополнительно введены последовательно соединенные сумматор и усилитель разностного сигнала, при этом выход повторителя соединен с первым входом сумматора, соединенного вторым и третьим входами с первым и вторым выходами соответственно источника сигнала компенсации, подключенного вторым и третьим входами к выходу усилителя разностного сигнала, а источник опорного сигнала выполнен в виде двух последовательно соединенных опорных катушек, кроме того, источник сигнала компенсации выполнен в виде последовательно соединенного формирователя опорного сигнала и компенсатора сигнала, а также последовательно соединенных усилителя опорного сигнала квадратуры компенсатора помех, при этом входы формирователя опорного сигнала и усилителя опорного сигнала квадратуры объединены и подключены к первым входам компенсаторов сигнала и помехи, второй и третий входы которого соединены с вторыми входами компенсаторов сигнала и помехи соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым выходами источника сигнала компенсации.

На чертеже приведена структурная схема электромагнитного измерителя расхода.

Электромагнитный измеритель расхода содержит измерительный преобразователь 1, состоящий из непроводящего канала 2, выполненного в виде трубы, изготовленной из немагнитных материалов (пластмасса, керамика и др.). В случае, если канал 2 выполнен из электропроводящего материала, его внутренняя поверхность покрывается изоляционным материалом (резина, пластик и др.) магнитной системы 3 и датчиков 4. Магнитная система представляет собой две последовательно соединенные втулки, диаметрально размещенные на внешней стороне канала 2, а магнитное поле, создаваемое ею, перпендикулярно плоскости, соединяющей датчики 4. Для повышения индукции в канале измерителя катушки возбуждения магнитной системы 3 могут быть охвачены магнитопроводом. Датчики 4 представляют собой измерительные электроды, закрепленные на канале 2 и установленные заподлицо с внутренней стороной канала 2. ЭДС, индуцируемая в канале 2 от датчиков 4, подается к входному повторителю 5, представляющему собой усилитель измерительного блока, с выхода повторителя 5 сигнал поступает на один из выходов сумматора 6, в котором осуществляется алгебраическое суммирование сигналов, поступающих на его вход, с выхода сумматора 6 сигнал поступает на усилитель разностного сигнала 7, который является устройством, непосредственно усиливающим сигнал, поступающий на его вход и преобразующим этот сигнал в постоянный ток. Выход усилителя разностного сигнала 7 соединен с первым и вторым входами источника сигнала компенсации 8, включающего компенсаторы сигнала 9 и помехи (квадратуры) 10, а также формирователь 11 опорного сигнала 11 и усилитель 12 опорного сигнала квадратуры, а выходы подсоединены к вторым и третьим входам сумматора 6. Компенсаторы сигнала 9 и помехи 10 представляют собой устройства, подготавливающие сигналы для подавления помех измерения: амплитуда и фаза выходных сигналов этих устройств формируется в зависимости от полярности и величины входных напряжений. Источник 13 опорного сигнала, содержащий две последовательно соединенные катушки (индуктивные), расположенные на минимальном расстоянии от датчиков 4 и в плоскости; ортогональной магнитному полю магнитной системы 3, опорные катушки 13 с входами формирователя 11 и усилителем 12, выходы которых подключены к вторым входам компенсаторов сигнала 9 и помехи 10. Формирователь 10 представляет собой интегрирующий усилитель, а усилитель 12 - усилитель переменного тока. Индикатор 14 соединен с выходом усилителя 7 и представляет собой измерительный прибор постоянного тока, проградуированный в единицах расхода жидкости.

Работа предложенного электромагнитного измерителя расхода заключается в следующем.

При движении среды с ионной проводимостью по непроводящему каналу 2 в магнитном поле магнитной системы 3 преобразователя в ней индуцируется ЭДС. Индуцированная ЭДС, величина которой пропорциональна средней скорости среды, а поскольку площадь поперечного сечения канала 2 преобразователя расхода 1 известна и фиксирована, пропорциональна расходу, снимается посредством датчиков 4 и поступает на измерительный блок. Измерительный блок расходомера построен по принципу статистической системы автоматического регулирования. Сигнал с датчиков 4 поступает на входной повторитель 5, где происходит его предварительное усиление: затем на первый вход сумматора 6, потом на вход усилителя 7. Разностный сигнал, являющийся мерой расхода, регистрируется индикатором 14. Для организации обратной связи по расходу часть напряжения с выхода усилителя 7 подается на вход компенсатора 9, а затем - на второй вход сумматора 6. Для снижения влияния квадратурной помехи на результаты измерений расхода в измерительный блок расходомера введен компенсатор 10, управляемый выходным сигналом усилителя 7.

Опорные напряжения на компенсаторы 9 и 10 подаются с опорных катушек 13. На компенсатор 9 эти напряжения поступают через формирователь 11, в котором проводятся усиление опорного сигнала и его интегрирование с высокой точностью, на компенсатор 10 - через усилитель 12. С компенсаторов 9 и 10 сигналы поступают на второй и третий входы сумматора 6. Более высокая корреляция между флуктуациями расхода и задающим напряжением в предлагаемом измерителе расхода достигается за счет того, что опорные катушки 13, с которых снимается задающее напряжение, размещаются в областях, где формируется основная часть сигнала преобразователя расхода. Наличие этой более высокой корреляции позволяет с большей эффективностью осуществлять подавление квадратурных помех. Это реализуется посредством усилителя 12, где происходит усиление опорного напряжения и компенсатора 10.

Независимость показаний измерителя расхода от вариаций частоты и напряжения питания обусловлена тем, что сдвиг по фазе на 90^o задающего напряжения осуществляется посредством его интегрирования в формирователе 11. В этом случае при изменении частоты и напряжения питающей сети сигнал, снимаемый с датчиков 4 преобразователя, и проинтегрированное задающее напряжение в формирователе опорного напряжения 11, используемое как компенсирующее напряжение обратной связи, будут изменяться по одному закону, что делает процесс компенсации квадратурной помехи независящим от частоты и напряжения питания измерителя.

Последнее подтверждается следующими выкладками.

Изменение показаний предложенного электромагнитного измерителя расхода - изменение показаний индикатора 14, регистрирующего расход, поступает при изменении разностного сигнала И, являющегося мерой расхода и представляющего собой разность между сигналом Е, снимаемым с датчиков преобразователя расхода и сигналом обратной связи И_ос, т.е.

U_o = Е - U_ос (1)
Сигнал, снимаемый с датчиков 4 преобразователя электромагнитного измерителя расхода сред с ионной проводимостью, определяется следующим образом:
Е = J₁-J₂ = KBLV = Q (2) где J₁-J₂ - разность потенциалов, снимаемая с датчиков 4 преобразователя расхода,
К - безразмерный коэффициент, зависящий от геометрических и конструктивных параметров преобразователя расхода и определяемый при градуировке расходомера,
В - индукция магнитного поля в канале преобразователя расхода;
L и S - расстояние между электродами и площадь поперечного сечения канала преобразователя расхода соответственно;
V и Q = V˙S - скорость и объемный расход измеряемой среды.

Поскольку магнитная система преобразователя расхода запитывается от сети переменного тока
U = U_o˙sinωt, (3) то приложенное напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции в обмотке магнитной системы 3
U = -e = - WS*, (4) cоздавая в непроводящем канале 2 преобразователя расхода магнитное поле с индукцией
B = , (5) где U_o и ω- амплитуда и частота сети питания расходомера;
W - количество витков в обмотке магнитной системы 3 преобразователя;
S* - площадь сечения магнитной системы 3 преобразователя расхода.

В соответствии с полученным соотношением (5) сигнал, снимаемый с датчиков 3 преобразователя расхода (2), может быть определен следующим образом:
E = K₁· , (6) где K₁ = KL/W˙S˙S* - постоянный для конкретного преобразователя расхода коэффициент.

Сигнал обратной связи U_ос пропорционален величине задающего напряжения U_зм и разностному напряжению, которое в свою очередь также пропорционально расходу, т.е.

U_ос = K₂˙Q˙U_зн, (7) где K₂ - коэффициент усиления усилителя разностного сигнала.

Задающее напряжение выбирается источником задающего напряжения, состоящего из опорных катушек 13, размещенных в поле магнитной системы 3 преобразователя, запитываемой от сети переменного тока и введенного в измерительный блок расходомера формирователя опорного сигнала П. При этом сигнал, снимаемый с опорных катушек 13 и поступающий на формирователь опорного сигнала 11
U_кат = K₃˙U_o˙sinωt , (8) подвергается там интегрированию с высокой точностью, в результате чего приобретает следующий вид:
U_зн= K₄·K₃· , (9) где К₃ - постоянный для конкретного расходомера коэффициент, определяемый количеством витков, площадью и местом размещения катушек 13;
К₄ - коэффициент усиления формирователя опорного сигнала 11.

В соответствии с (9) сигнал обратной связи (7) представим в виде
U_ос= K₅· ·Q , (10) где К₅ = К₂˙К₃˙К₄
Полученные результаты (6) и (10) показывают, что сигнал измерительного преобразователя и проинтегрированное задающее напряжение в предложенном электромагнитном измерителе расхода изменяются по одному закону.

Таким образом, благодаря применению в качестве источника задающего сигнала двух последовательно соединенных опорных катушек, размещенных в магнитном поле на минимальном расстоянии от датчиков 4 в плоскости, ортогональной магнитному полю, а в измерительном блоке введению формирователя опорного сигнала 11, представляющего собой высокоточный интегрирующий усилитель задающего сигнала и усилитель опорного сигнала квадратуры 12, обеспечивается большая корреляция между флуктуациями расхода и задающим напряжением, а также идентичная фазочастотная характеристика компенсирующего сигнала и сигнала преобразователя при изменении частоты и напряжения питания расходомера, что позволяет снизить зависимость его показаний от нестабильности частоты и напряжения питания, т.е. повысить точность измерений.

Использование: в области метрологического обеспечения измерений расхода сред с ионной проводимостью в трубопроводах. Сущность изобретения: электромагнитный расходометр содержит один измерительный преобразователь 1, один непроводящий канал 2, одну магнитную систему 3, два датчика 4, один повторитель 5, один сумматор 6, один усилитель разностного сигнала 7, один источник сигнала компенсации 8, один компенсатор 9, один компенсатор помехи 10, один формирователь опорного сигнала 11, один усилитель опорного сигнала квадратуры 12, один источник опорного сигнала 13 и один индикатор 14. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР, содержащий измерительный преобразователь расхода, подключенный к входу повторителя, источник опорного сигнала, подключенный к источнику сигнала компенсации и измеритель, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные сумматор и усилитель разностного сигнала, при этом выход повторителя соединен с первым входом сумматора, соединенного вторым и третьим входами с первым и вторым выходами соответственно источника сигнала компенсации, подключенного вторым и третьим входами к выходу усилителя разностного сигнала, а источник опорного сигнала выполнен в виде двух последовательно соединенных опорных катушек. 2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что источник сигнала компенсации выполнен в виде последовательно соединенных формирователя опорного сигнала и компенсатора сигнала, а также последовательно соединенных усилителя опорного сигнала квадратуры и компенсатора помех, при этом входы формирователя опорного сигнала и усилителя опорного сигнала объединены и подключены к первому входу источника сигнала компенсации, второй и третий входы которого соединены с вторыми входами компенсатора сигнала и компенсатора помехи соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым выходами источника сигнала компенсации.