ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР С ДЕТЕКТОРОМ ПОРОЖНЕЙ ТРУБЫ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/58 G01F1/60 

Настоящее изобретение относится к электромагнитному расходомеру для измерения расхода жидкости. Более конкретно, настоящее изобретение относится к измерению полного сопротивления жидкости и контролю за порожним состоянием трубы с помощью электромагнитного расходомера.

В электромагнитном расходомере пульсирующий магнитный поток создается в направлении, по существу перпендикулярном направлению потока жидкости в измерительной трубе. Этот магнитный поток создает разность потенциалов (напряжение) в жидкости, которая изменяется в функции расхода жидкости. Разность потенциалов определяется с помощью двух электродов, расположенных в трубе. С помощью расходомера удобно определять полное сопротивление жидкости, текущей через измерительную трубу. Эта информация может быть использована для обнаружения порожнего состояния трубы. При одном методе обнаружения используется постоянный ток, протекающий между электродами и землей, и дополнительная схема обнаружения порожнего состояния трубы, но этот метод вызывает нежелательные осаждения на электродах, приводящие к необходимости их замены. В патенте США N 4969363 на "Электромагнитный расходомер для одновременного измерения расхода и проводимости жидкости" на имя Mochizuki, выданном 13 ноября 1990 г., описан детектор порожней трубы, который подает импульс тока к электродам для контроля полного сопротивления жидкости только при возрастании тока возбуждения обмотки. Поскольку большинство расходомеров имеют множество частот, при которых обмотки возбуждаются, так что время нарастания тока возбуждения обмотки изменяется, такой детектор должен иметь хронирующую схему, которая обеспечивает его срабатывание при разных значениях времени нарастания тока возбуждения. Кроме того, некоторые расходомеры имеют такую большую емкость силовых кабелей, которая затрудняет измерение полного сопротивления жидкости, когда частота возбуждения обмотки больше, чем примерно 35 Гц. В результате расходомер по патенту Mochizuki может быть использован только с малоемкостными кабелями, должен иметь дополнительную хронирующую схему и должен быть синхронизирован с пульсирующим магнитным потоком, поэтому он не может непрерывно контролировать удельную проводимость жидкости.

Следовательно, существует необходимость в создании расходомера с детектором для постоянного контроля за порожним состоянием трубы, который имеет простую схему и не зависит от частоты возбуждения обмотки, но который не поляризует электроды и работает с кабелями, имеющими большую емкость.

Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение предусматривает электромагнитный расходомер, содержащий схему для определения полного сопротивления жидкости, протекающей через измерительную трубу. Расходомер содержит средство для создания пульсирующего магнитного потока в измерительной трубе в направлении, по существу перпендикулярном потоку жидкости. В измерительной трубе закреплены первый и второй электроды, находящиеся в электрическом контакте с жидкостью. Расход жидкости определяется посредством измерения разности потенциалов между первым и вторым электродами вследствие созданного пульсирующего магнитного потока. Схема для определения полного сопротивления жидкости и, следовательно, порожнего состояния трубы содержит источник переменного тока, работающий асинхронно относительно схемы возбуждения обмотки, который подает синфазный ток к первому и второму электродам относительно земли. Суммирующая схема суммирует синфазные токи, по меньшей мере, от одного электрода и, в зависимости от полного сопротивления электрода, которое является функцией полного сопротивления жидкости, и, следовательно, указывает на порожнее или заполненное состояние трубы, синфазный ток разделяется на две части. Схема обработки сигналов определяет потенциал (напряжение) на измерительном полном сопротивлении, через которое протекает одна часть синфазного тока. Этот потенциал изменяется в функции полного сопротивления жидкости и, следовательно, указывает на то, является ли труба порожней или заполненной.

В другом примере осуществления изобретения переменный ток подается дифференциально между двумя электродами с частотой, которая меньше частоты электрического сигнала, пропорционального расходу жидкости. Делитель тока разделяет переменный ток на две части в функции полного сопротивления жидкости, и фильтрующая схема отфильтровывает сигнал меньшей частоты, характеризующий полное сопротивление жидкости (и следовательно, указывающий на порожнее состояние трубы) от сигнала, пропорционального расходу жидкости, который имеет большую частоту.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена блок-схема известного электромагнитного расходомера.

На фиг. 2 представлена электрическая принципиальная схема электромагнитного расходомера, содержащего детектор (схему обнаружения) порожней трубы, выполненный в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 показана упрощенная электрическая принципиальная схема детектора порожней трубы, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительных примеров осуществления изобретения
На фиг. 1 показана блок-схема известного электромагнитного расходомера 10. Известный расходомер 10 содержит измерительную трубу 12, связанную с землей. Рядом с измерительной трубой 12 расположена обмотка возбуждения 14. Внутри трубы 12 расположена пара электродов 16. С обмоткой 14 соединена схема возбуждения 18. С парой электродов 16 соединены входы дифференциального усилителя 20, выход которого соединен со схемой определения расхода жидкости 22. Схема определения расхода 22 соединена с выходной схемой 24.

В процессе функционирования известный расходомер 10 определяет расход жидкости, текущей через измерительную трубу 12. Обмотка 14 возбуждается импульсным током возбуждения, генерируемым схемой возбуждения 18, и создает пульсирующий магнитный поток в направлении, по существу перпендикулярном потоку жидкости через трубу 12. Магнитный поток наводит потенциал в жидкости. Электроды имеют разность потенциалов между ними. Дифференциальный усилитель 20 усиливает эту разность потенциалов и создает усиленный выходной сигнал, который подается на схему определения расхода 22. Схема определения расхода 22 градуирует выходной сигнал дифференциального усилителя 20 в единицах расхода и вырабатывает выходной сигнал, который подается на выходную схему 24. Выходная схема 24 выдает полезную информацию о расходе жидкости. Например, информация о расходе жидкости может быть передана по двум проводам слаботочного (4-20 мА) контура управления процессом.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается схема, которая добавляется к известному расходомеру 10, показанному на фиг. 1, чтобы определить полное сопротивление жидкости, текущей через трубу 12, без изменения измерений расхода жидкости, осуществляемых расходомером 10.

На фиг. 2 показана электрическая схема электромагнитного расходомера 26, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Электромагнитный расходомер 26 включает в себя часть той же схемы известного расходомера 10, которая вырабатывает выходные данные о расходе жидкости. Электромагнитный расходомер 26 содержит заземленную измерительную трубу 12, обмотку возбуждения 14 и два электрода 16 (каждый из которых обозначен как электрод 16A и электрод 16B). Полное сопротивление между электродами 16A, 16B относительно земли является небольшим, когда жидкость накрывает электроды, и значительно увеличивается, когда жидкость не накрывает электроды. Даже если проводимость жидкости может изменяться для разных расходомеров на несколько порядков величины, разница в полном сопротивлении между накрытыми и ненакрытыми электродами обычно в 10 раз, но может быть и в 1000 раз больше. Дифференциальный усилитель 20 усиливает разность напряжений между электродами 16A, 16B с помощью буферных усилителей 30A, 30B и вырабатывает выходной сигнал, который подается на схему определения расхода 22, соединенную с выходной схемой 24. Эта схема работает аналогично схеме известного расходомера 10, показанного на фиг. 1.

Электромагнитный расходомер 26 содержит генератор 28, усилители 30A, 30B с высоким входным импедансом, суммирующий усилитель 36 и схему обработки сигналов 38. Генератор 28 имеет источник прямоугольных импульсов 40, резистор 42 и конденсатор 48. Усилитель 30A с высоким импедансом соединен с электродом 16A через разделительный конденсатор 52A и содержит резисторы 44A, 56A, 58A, 40A, конденсатор 50A и операционный усилитель 54A, соединенный с отрицательной обратной связью. Часть схемы, элементы которой обозначены позициями с индексом "B", выполнена так же, как и часть схемы, элементы которой обозначены позициями с индексом "A". Выходы операционных усилителей 54A и 54B соединены соответственно с буферными усилителями 62A и 62B суммирующей схемы 34. Выходы операционных усилителей 54A и 54B соединены также с дифференциальным усилителем 20, при этом выходные сигналы операционных усилителей используются для определения расхода жидкости, как это описано со ссылкой на фиг. 1. Выходы буферных усилителей 62A и 62B объединены через резисторы 64 и 66, при этом точка соединения выходов буферных усилителей соединена с усилителем 36. Выход усилителя 36 соединен со схемой обработки сигналов 38.

На фиг. 3 показана упрощенная принципиальная схема детектора порожней трубы, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, представляющая собой упрощенную модель изобретения. На фиг. 3 показаны генератор 28 и разделительный конденсатор 52, соединенные с электродом 16. Полное сопротивление электрода 16 модулируется резистором 68. Высокий входной импеданс операционного усилителя 54A, показанного на фиг. 2, моделируется резистором 70. Конденсатор 72 моделирует емкость кабеля, соединяющего электрод 16 с расходомером. Генератор 28 вырабатывает ток треугольной формы с удвоенной амплитудой 2 нА и частотой 0,5 Гц, который подается к расходомеру. Частота тока не зависит от частоты возбуждения обмотки и выбирается такой, чтобы она была меньше, чем наименьшая ожидаемая частота электрического сигнала, пропорционального расходу жидкости. По этой причине настоящее изобретение пригодно для использования с расходомерами, работающими как на переменном, так и на постоянном токе. Типичными моделированными значениями для элементов схемы являются следующие: емкость разделительного конденсатора 52 равна 1.0 мкФ, сопротивление резистора 68 изменяется от 100 кОм (заполненная труба) до 10 МОм (порожняя труба), емкость конденсатора 72 равна 50 нФ для кабеля длиной 304,8 м и сопротивление измерительного резистора 70 равно 10⁹ Ом.

Фиг. 3 иллюстрирует основной режим работы схемы обнаружения (детектора) порожней трубы. Сопротивление резистора 68, который моделирует полное сопротивление жидкости, изменяется от 100 кОм для трубы, в которой уровень жидкости, текущей через нее, выше уровня электродов, до 10 МОм для порожнего состояния трубы, когда уровень жидкости в ней ниже уровня электродов. Поскольку эти значения намного меньше, чем входной импеданс усилителя 54, напряжение на резисторе 70 на входе усилителя 62 сильно зависит от сопротивления резистора 68. Поэтому выходной сигнал усилителя 62 связан с полным сопротивлением жидкости в трубе 12.

Параметры элементов схемы, показанной на фиг. 2, следующие: источник 40 генерирует прямоугольный сигнал с удвоенной амплитудой 14B и частотой 0,5 Гц, резистор 42 - 1,0 МОм, конденсатор 48 - 0,68 мкФ, резистор 44A - 10 МОм, конденсатор 50A - 47 пФ, разделительный конденсатор 52A - 1,0 мкФ, резистор 56A - 2,2 МОм, резистор 58A - 4,4 кОм, резистор 60A - 2,2 МОм. Резисторы 64 и 66 имеют по существу одинаковое значение сопротивления, равное, по меньшей мере, 100 кОм.

При работе генератор 28 вырабатывает по существу треугольный сигнал тока примерно I мкА_{дв.ампл.} и с частотой 0,5 Гц, который подается к узловой точке между резисторами 56A и 60A. Часть этого тока протекает между электродами 16A, 16B и землей. Это падение напряжения определяется как:
KI_{дв.ампл.}Z_E (1)
где Z_E - полное сопротивление параллельной цепи, содержащей один из электродов (например, Z_16A) и соответствующую емкость силового кабеля (которая моделируется как C₇₂ на фиг. 3), последовательно соединенную с входным разделительным конденсатором C₅₂ и K - коэффициент ослабления тока усилителей 54A, 54B, определяемый как:

В примере, показанном на фиг. 3, емкость кабеля равна 50 нф, а полное сопротивление измерительного резистора 70-10⁹ Ом. Поскольку R_58A,B < <R_60A,B коэффициент K может быть аппроксимирован как 4,41 кОм/2,2 МОм или 1/500. Поэтому для порожнего состояния трубы, при котором полное сопротивление жидкости R₆₈ является высоким (10 МОм), разность потенциалов определяется соотношением

которое может быть преобразовано и упрощено в следующем виде:

Для заполненного состояния трубы, при котором полное сопротивление R₆₈ равно I МОм, тот же метод расчета показывает, что потенциал относительно земли на выходе усилителей 54A,B примерно равен 2 мВ_{дв.ампл.}, т.е. в четыре раза меньше, чем потенциал относительно земли, когда труба является порожней. Другими словами, эффективное полное сопротивление Z_E примерно в четыре раза больше, когда труба является порожней, чем когда она заполнена жидкостью.

Сигналы на выходах операционных усилителей 54A и 54B вследствие полного сопротивления жидкости, текущей через трубу 12, являются синфазными, в то время как электрический сигнал, пропорциональный расходу жидкости, вследствие наведенного потенциала между электродами 16A и 16B, является дифференциальным сигналом. Когда потенциалы относительно земли на выходах усилителей 54A и 54B суммируются с помощью усилителей 62A, 62B и резисторов 64, 66, величины синфазных сигналов складываются вместе, в то время как сумма дифференциальных сигналов равна нулю. Следовательно, сигнал на входе усилителя 36 характеризует полное сопротивление жидкости и по существу не зависит от расхода жидкости. Схема обработки сигнала 38 вырабатывает сигнал тревоги, чтобы предупредить оператора о порожнем состоянии трубы, если потенциал относительно земли на выходе усилителя 36 падает ниже заданного минимального порогового значения. Схема обработки сигнала 38 вырабатывает также выходной сигнал, характеризующий полное сопротивление жидкости в трубе 12.

Генератор 28 вырабатывает сигнал переменного тока, чтобы предотвратить поляризацию электродов. В одном примере осуществления изобретения источником сигналов 40 является микропроцессор, управляющий расходомером 26, и схема обработки сигналов 38 осуществляет выборку выходного сигнала усилителя 36 по максимуму в треугольном сигнале. Такая синхронизация выборки уменьшает эффекты шума. Схема обработки сигналов осуществляет также выборку синфазной составляющей потенциала относительно земли, чтобы использовать действительную часть полного сопротивления.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные примеры его осуществления, для специалистов в данной области техники будет понятно, что могут быть внесены различные изменения, касающиеся формы и расположения элементов, в пределах существа, а также объема данного изобретения. Например, полное сопротивление жидкости может быть измерено дифференциально между двумя электродами. В этом случае сигнал переменного тока подается на один электрод и измеряется выходной сигнал на другом электроде. Частота поданного сигнала отличается от частоты электрического сигнала расхода жидкости и может быть отфильтрована от нее.

Изобретение предназначено для измерения полного сопротивления жидкости и контроля за порожним состоянием трубы с помощью электромагнитного расходомера. Электромагнитный расходомер для жидкостей содержит схему обнаружения порожней трубы. Схема обнаружения порожней трубы вырабатывает синфазный асинхронный сигнал, прикладываемый к двум электродам, расположенным внутри трубы. Полное сопротивление жидкости определяется путем измерения величины асинхронного сигнала между упомянутыми электродами и заземлением. Полное сопротивление жидкости используется для определения порожнего состояния трубы. Технический результат заключается в упрощении схемы расходомера с детектором для постоянного контроля за порожним состоянием трубы, который не зависит от частоты возбуждения обмотки, который не поляризует электроды и может работать с кабелями, имеющими большую емкость. 4 с. и 4 з.п.ф-лы. 3 ил.

1. Расходомер, содержащий соединенную с землей трубу для потока жидкости, обмотку возбуждения, расположенную рядом с трубой и ориентированную для создания магнитного потока в направлении, по существу перпендикулярном потоку жидкости через трубу, схему возбуждения, соединенную с обмоткой возбуждения, два электрода, расположенных внутри трубы, и средство для выработки выходного сигнала, пропорционального расходу жидкости в функции разности потенциалов между электродами, обусловленной созданным магнитным потоком, отличающийся тем, что содержит источник сигнала, соединенный по меньшей мере с одним электродом и измерительным резистором и работающий асинхронно относительно обмотки возбуждения для генерирования сигнала, разделяющегося между измерительным резистором и полным сопротивлением электрода относительно земли так, что потенциал на измерительном резисторе индицирует факт накрытия жидкостью электродов. 2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что источник сигнала содержит средство для генерирования треугольного импульса. 3. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что содержит средство обработки сигнала, предназначенное для выработки сигнала, характеризующего порожнее состояние измерительной трубы в функции потенциала на измерительном резисторе. 4. Расходомер, содержащий соединенную с землей трубу для потока жидкости, обмотку возбуждения для создания пульсирующего магнитного потока в направлении, по существу перпендикулярном направлению потока жидкости через трубу, первый и второй электроды, закрепленные в трубе, предназначенные для обнаружения потенциала, сформированного в жидкости пульсирующим магнитным потоком, средство для выработки выходного сигнала, пропорционального расходу жидкости в функции разности потенциалов между электродами, при этом сигнал расхода жидкости является дифференциальным сигналом между первым и вторым электродами, отличающийся тем, что содержит источник тока для выработки тока, разделяющегося для протекания по меньшей мере через один электрод и через измерительный резистор в функции полного сопротивления электродов так, что разность потенциалов на измерительном резисторе является функцией полного сопротивления жидкости. 5. Расходомер по п.4, отличающийся тем, что источник тока является асинхронным относительно обмотки возбуждения и предназначен для генерирования треугольного импульса. 6. Расходомер по п.4, отличающийся тем, что содержит средство для обработки сигнала, соединенное с измерительным резистором, предназначенное для выработки выходного сигнала, характеризующего порожнее состояние измерительной трубы в функции разности потенциалов на измерительном резисторе. 7. Расходомер, содержащий соединенную с землей трубу для потока жидкости, обмотку возбуждения для создания пульсирующего магнитного потока в направлении, по существу перпендикулярном направлению потока через трубу, первый и второй электроды, закрепленные в трубе, предназначенные для обнаружения потенциала, сформированного в жидкости пульсирующим магнитным потоком, и средство для выработки выходного сигнала, пропорционального расходу жидкости в функции разности потенциалов между электродами, при этом сигнал расхода жидкости является дифференциальным сигналом между первым и вторым электродами, отличающийся тем, что содержит работающее асинхронно пульсирующему магнитному потоку средство для подачи тока по меньшей мере к одному из электродов и для разделения тока на первую и вторую части в функции полного сопротивления жидкости, так что величина тока в одной из частей характеризует полное сопротивление жидкости. 8. Расходомер, соединенный с трубой для потока жидкости, через которую протекает жидкость, и обеспечивающий выработку выходного сигнала в функции расхода жидкости, содержащий обмотку, возбуждаемую для создания магнитного потока, индуцирующего потенциальное поле в жидкости, и два электрода, контактирующих с жидкостью для восприятия разности потенциалов, изменяющейся в функции расхода жидкости, отличающийся тем, что содержит асинхронный источник переменного тока, соединенный по меньшей мере с одним из электродов и измерительным резистором для разделения тока между измерительным резистором и полным сопротивлением электрода так, что разность потенциалов на измерительном резисторе характеризует полное сопротивление жидкости, и средство сравнения, соединенное с измерительным резистором для сравнения разности потенциалов на измерительном резисторе с опорным потенциалом и выработки выходного сигнала, индуцирующего порожнее состояние трубы в случае, когда измеренная разность потенциалов меньше опорного потенциала.