МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1998 года по МПК G01F1/84 

Изобретение относится к устройствам для измерения массового расхода жидкостей и газов и может быть применено в различных областях промышленности.

Известны вибрационные массовые расходомеры, действие которых основано на измерении усилий Кориолиса, возникающих при колебаниях консольно закрепленного участка трубопровода [1], также известны вибрационные массовые расходомеры, представляющие собой одну или две петлеобразные или U-образные трубки, закрепленные обоими концами в жестком корпусе, на трубках расположены узлы возбуждения колебаний и узлы съема сигнала с колеблющихся трубок (адаптеры), соединенные с электронным блоком, в котором осуществляется измерение промежутка времени между прохождением адаптерами нейтральной линии и индицирование расхода в именованных единицах [2, 3].

Известен также массовый вибрационный расходомер, содержащий две U-образные трубки, закрепленные в жестком корпусе, на трубках расположены узел возбуждения колебаний и адаптеры, первый и второй выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования сигнала Δt, последний блок соединен с показывающим блоком через блок преобразования сигнала Δt в частоту [4, 5].

U-образные трубки под действием узла возбуждения совершают колебания на собственной частоте в противофазе. При этом в жидкости, двигающейся в трубках, возникают ускорения Кориолиса и соответствующие им силы, действующие на трубки. Эти силы вызывают колебания трубок вокруг их оси симметрии, амплитуда этих колебаний прямо пропорциональна массовому расходу жидкости, а их фаза сдвинута относительно фазы собственных колебаний трубок на 90^o. Поэтому для измерения амплитуды полезного сигнала достаточно измерить разность фаз в виде интервала времени между сигналами адаптеров, которые представляют собой сумму напряжений, возникающих в адаптерах при колебаниях трубок на собственной частоте, и колебаний, вызванных силами Кориолиса. Для измерения разности фаз сигнал с первого и второго адаптеров подается на первый и второй входы блока формирования сигнала Δt, где эти сигналы интегрируются, усиливаются, компарируются и поступают на схему сравнения, где формируется сигнал Δt, причем компараторы имеют различный уровень уставки, что позволяет различать направление потока жидкости через датчик: при изменении направления потока сигнал Δt принимает отрицательное значение. С выхода блока формирования сигнала Δt этот сигнал поступает в блок преобразования сигнала Δt в частоту, где кроме самого преобразования сигнала Δt в частоту этот сигнал нормируется, то есть приводится в соответствие с измеряемым расходом жидкости, в него вводятся поправки на температуру трубки и нулевое значение сигнала Δt (то есть величину сигнала Δt при отсутствии расхода жидкости). Нормированный частотный сигнал поступает на вход показывающего блока, где индицируется в виде именованных величин.

Однако нестабильность и неидентичность характеристик элементов схемы обработки сигналов адаптеров приводит к нестабильности начальных нулевых (при отсутствии расхода) значений сигнала Δt или дрейфу нуля прибора, причем регулировка нуля прибора возможна только при отсутствии расхода жидкости через датчик, что приводит к ухудшению его метрологических характеристик, что выражается в увеличении погрешности в начале диапазона измерения расхода, причем, поскольку значение величины дрейфа нуля прибора не зависит от расхода жидкости, погрешность, вызванная дрейфом нуля, обратно пропорциональна измеряемому расходу.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности во всем диапазоне измерения массового расхода путем уменьшения дрейфа нуля прибора.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном массовом расходомере, содержащем жесткий корпус, U-образные трубки с размещенными на них узлом возбуждения колебаний, первым и вторым адаптерами, соединенными с первым и вторым входами блока формирования сигнала Δt, который через блок преобразования сигнала Δt в частоту связан с показывающим блоком, дополнительно адаптеры соединены с блоком формирования сигнала Δt через электронные двухпозиционные ключи с возможностью соединения соответственно первого адаптера с первым или вторым, а второго адаптера - со вторым или первым входами блока формирования сигнала Δt, блок преобразования сигнала Δt в частоту снабжен вторым дополнительным инвертирующим входом и соединен с выходом блока формирования сигнала Δt через двухпозиционный электронный ключ с возможностью соединения с его первым или вторым инвертирующим входом, управляющие входы электронных ключей через делитель частоты с переменным коэффициентом деления соединены с выходами адаптеров, а управляющий вход делителя частоты связан с выходом блока формирования сигнала Δt.
Наличие ключей на входах блока формирования сигнала Δt позволяет переключать адаптеры на этих входах, формируя сигнал Δt, имеющий положительное или отрицательное значение, поскольку при этом величина сдвига фаз в каналах блока остается практически постоянной за период переключения каналов (то есть период изменения этого сдвига фаз значительно больше периода переключения), то в дальнейшем при суммировании сигналов Δt величины сдвига фаз имеют разную полярность и взаимовычитаются. Третий электронный ключ совместно со вторым инвертирующим входом блока преобразования сигнала Δt в частоту обеспечивает правильное (соответствующее величине и направлению расхода жидкости) сложение сигналов Δt на входе блока преобразования сигнала Δt в частоту. Наличие делителя частоты с переменным коэффициентом деления позволяет, во-первых, уменьшить до необходимого уровня частоту переключений адаптеров и каналов блока формирования сигнала Δt, что необходимо, поскольку процесс переключения вызывает помехи, которые вносят погрешность, пропорциональную частоте переключений, во-вторых, за счет зависимости коэффициента деления частоты от величины расхода (сигнала Δt) достигается минимизация погрешности по всему диапазону, поскольку, например, при постоянном коэффициенте деления, выбранном из условия минимальной погрешности в начале диапазона расходов, в конце диапазона (при больших расходах жидкости) может оказаться, что относительная погрешность, вызванная процессом переключения, превысит погрешность от дрейфа нуля прибора, тогда как при предложенной зависимости коэффициента деления от расхода относительная погрешность от процесса переключения непрерывно уменьшается к концу диапазона, то есть изменяется так же, как и относительная погрешность от дрейфа нуля прибора, поэтому эффект от переключения адаптеров будет максимальным по всему диапазону измеряемых расходов массового расходомера. Последнее полностью соответствует заявленному техническому результату - повышению точности во всем диапазоне измеряемых расходов за счет уменьшения влияния дрейфа нуля прибора, причем все заявленные существенные признаки связаны с получаемым техническим результатом.

На чертеже представлена блок-схема массового расходомера, где обозначено: 1, 2 - адаптеры датчика массового расходомера, 3, 4 - электронные двухпозиционные ключи, 5, 6 - входы блока 7 формирования сигнала Δt, 8 - электронный двухпозиционный ключ, 9 - блок преобразования сигнала Δt в частоту, 10, 11 - прямой и инвертирующий входы блока 9, 12 - показывающий блок, 13 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления, 14 - управляющий вход делителя частоты.

Массовый расходомер состоит из жесткого корпуса с закрепленными в нем U-образными трубками, на которых размещены адаптеры 1, 2, соединенные через электронные двухпозиционные ключи 3, 4 с первым 5 и вторым 6 входами блока 7 формирования сигнала Δt, ключи 3, 4 выполнены с возможностью подключения адаптера 1 к первому 5 или второму 6 входам, а адаптера 2 соответственно ко второму 6 или первому 5 входам блока 7 формирования сигнала Δt, блок 7 соединен через электронный двухпозиционный ключ 8 к блоку 9 преобразования сигнала Δt в частоту, ключ 8 выполнен с возможностью подключения блока 7 к первому 10 или второму 11 инвертирующему входу блока 9, который соединен с показывающим блоком 12, управляющие входы всех электронных ключей 3, 4, 8 соединены через делитель частоты 13 с переменным коэффициентом деления с адаптерами 1, 2, а управляющий вход 14 делителя частоты 13 соединен с выходом блока 7 формирования сигнала Δt.

Массовый расходомер работает следующим образом. При колебаниях U-образных трубок, закрепленных в жестком корпусе, в адаптерах 1, 2 возникает сигнал синусоидальной формы с частотой, равной частоте собственных колебаний трубок (колебания трубок обеспечиваются схемой возбуждения резонансных колебаний, работа которой здесь не рассматривается), расход жидкости через трубки приводит к изменению фазы сигнала каждого адаптера за счет колебаний трубок вокруг их оси симметрии под действием сил Кориолиса, причем временной интервал между максимальными или нулевыми значениями сигналов адаптеров 1, 2 пропорционален массовому расходу жидкости. Для выделения полезного сигнала в цепи каждого адаптера 1 и 2 стоят ключи 3, 4, обеспечивающие синхронное периодическое подключение входов 5 и 6 блока формирования сигнала Δt (соответственно адаптера 1 к входу 5, адаптера 2 к входу 6 или адаптера 1 к входу 6, а адаптера 2 к входу 5). В блоке 7 сигналы адаптеров 1, 2 интегрируются, усиливаются и компарируются, причем компараторы имеют разный уровень уставки, что позволяет различать направление потока жидкости через датчик, формируя на выходе блока 7 соответственно положительный или отрицательный сигнал Δt в виде пачки импульсов, количество которых пропорционально массовому расходу. При переключении с помощью ключей 3, 4 адаптеров 1, 2 получается эффект, аналогичный изменению направления потока жидкости, причем, поскольку сдвиг фаз сигналов в каналах блока 7, вызванный неидентичностью и нестабильностью элементов схемы блока 7, за время, соизмеримое с несколькими периодами переключения, может считаться постоянным по величине и знаку, то сигнал ошибки суммируется с сигналом расхода при одном положении ключей 3, 4 и вычитается при другом; в дальнейшем при сложении сигналов Δt ошибки схемы блока 7 взаимовычитаются. Для обеспечения сложения сигналов Δt они поступают в блок 9 преобразования сигнала Δt в частоту через электронный двухпозиционный ключ 8, который синхронно с ключами 3, 4 обеспечивает сложение сигнала Δt на входе блока 9 путем его подачи через первый 10 и второй инвертирующий 11 входы блока 9. В блоке 9 преобразования сигнала Δt в частоту происходит преобразование сигнала Δt в частоту, его нормирование, то есть согласование с величиной расхода жидкости, вносятся поправки на температуру трубок и на значение дрейфа нуля прибора при отсутствии расхода, полученная частота поступает в показывающий блок 12, где индицируется в виде именованных величин. Управление ключами 5, 6 и 8 осуществляется через делитель частоты 13 с переменным коэффициентом деления путем деления частоты собственных колебаний датчика, снимаемой с адаптеров 1, 2, напряжение с которых поступает на высокоомный вход делителя частоты 13, а потом в виде кода - на управляющие входы ключей 5, 6 и 8. Управление коэффициентом деления делителя частоты 13 производится с помощью сигнала Δt, который в виде пачки импульсов, количество которых пропорционально расходу, поступает на управляющий вход 14 делителя частоты 13 с выхода блока 7 формирования сигнала Δt; это управление осуществляется таким образом, что коэффициент деления делителя частоты 13 пропорционален величине сигнала Δt, то есть при увеличении расхода период переключения также увеличивается. При этом относительная погрешность от процесса переключения уменьшается к концу диапазона, то есть изменяется так же, как относительная погрешность от нестабильности нуля прибора, чем достигается максимальный эффект от переключения адаптеров 1, 2 по всему диапазону рабочих расходов жидкости массового расходомера. Что касается возможности осуществления предложенного устройства массового расходомера, то датчик расходомера, включающий корпус, колеблющиеся U-образные трубки, адаптеры 1, 2, а также блок 7 формирования сигнала Δt, блок 9 преобразования сигнала Δt в частоту, показывающий блок 12 известны при идентичности выполняемых функций из прототипа. Электронные двухпозиционные ключи 3, 4, 8, а также инвертирующий вход блока 9 неизвестны, однако могут быть синтезированы со всеми необходимыми характеристиками с помощью известных методов, описанных в известной технической литературе [6]. Также неизвестен делитель частоты 13 с переменным коэффициентом деления, однако такой делитель частоты может быть синтезирован со всеми необходимыми характеристиками входного, выходного и управляющего сигналов с помощью известных методов, описанных в известной технической литературе [6].

Источники информации
1. Патент США N 4096746, 1978.

2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л.: Машиностроение, 1989, с. 358-359.

3. Патент США N 4422338, 1983.

4. Патент США N 4491025, 1985.

5. Micro-Motion Model D Mass Flow Meters (Instruction Manual - 1985).

6. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, с. 171, 173, 223.

Изобретение относится к устройствам для измерения массового расхода жидкостей и газов. Расходомер содержит U-образные трубки с расположенными на них узлом возбуждения колебаний и двумя адаптерами, три электронных двухпозиционных ключа, блок формирования сигнала Δt (интервал времени между сигналами адаптеров), блок преобразования сигнала Δt в частоту, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, пропорциональным расходу (сигналу Δt), и показывающий блок. Электронные ключи установлены на входе и выходе блока формирования сигнала. Изобретение позволяет повысить точность измерения массового расхода во всем рабочем диапазоне за счет уменьшения дрейфа нуля прибора. 1 ил.

Массовый расходомер, содержащий U-образные трубки, закрепленные с возможностью колебаний на собственной частоте, размещенные на них узел возбуждения колебания, первый и второй адаптеры, соединенные с первым и вторым входами блока формирования сигнала Δt, пропорционального массовому расходу, связанного через блок преобразования сигнала Δt в частоту с показывающим блоком, отличающийся тем, что первый и второй адаптеры соединены с входами блока формирования сигнала через электронные двухпозиционные ключи, выполненные с возможностью подключения первого адаптера к первому или второму входу, а второго адаптера - к второму или первому входу блока формирования сигнала, выход которого соединен с управляющим входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления и через двухпозиционный электронный ключ с прямым или инвертирующим входом блока преобразования сигнала в частоту, при этом делитель частоты соединен с управляющими входами электронных ключей и выходами адаптеров.