Настоящее изобретение относится к расходомерам, таким как вихревые расходомеры с телом обтекания или массовые вихревые расходомеры, воспринимающие поток текучей среды. В частности оно относится к электронной схеме таких расходомеров, позволяющей снизить влияние шумов в выходных сигналах потока.
Расходомеры воспринимают поток жидкости и газов в трубопроводах и выдают засоренный шумами характеризующий поток сигнал. При определенных условиях присутствие в канале потока препятствия или тела обтекания вызывает периодическое возникновение вихрей. Вихревой расходомер создает вихри, срывающиеся с плохо обтекаемого тела. Частота возникновения этих вихрей прямо пропорциональна скорости потока в расходомере. Срыв вихрей вызывает периодические колебания перепада давления по телу обтекания, происходящие с частотой срыва. Этот перепад давления преобразуют в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрических кристаллов иди иных устройств для измерения перепада давления. Величина перепада давления или электрического сигнала пропорциональна ρV2 , где ρ - плотность текучей среды, а V- скорость текучей среды. Когда соотношение диаметра трубы и размеров тела обтекания остается постоянным, сигнал пропорционален D2F2, где D - внутренний диаметр расходомера, а F - частота срыва. Расходомер выдает импульсы, частота которых пропорциональна расходу потока. Массовый вихревой расходомер выдает аналогичный сигнал, характеризующий поток, путем измерения частоты процессии завихрений, создаваемой закручиванием потока при его прохождении через находящиеся ниже по каналу сужение и расширение.
Сигнал вихревого расходомера состоит из основного сигнала, обладающего основной частотой, характеризующей поток, и связанного с ним шумового сигнала различной частоты, вызванного турбулентностью потока и другими не повторяющимися факторами, такими как вибрация трубы, изменения давления в целом и акустические шумы. Вибрация трубы, вызванная насосами, двигателями и отсутствием опор на отдельных участках трубы обычно находится в диапазоне от 0 до 100 Гц, а шум, связанный с давлением в целом, - в диапазоне от 10 до 1000 Гц, в то время как акустические шумы обычно превышают 100 Гц. Турбулентность потока ведет к возникновению шумов по обеим сторонам основной частоты. Поскольку обычно при увеличении скорости потока шум, связанный с турбулентностью, возрастает, особенно большие трудности возникают, когда связанный с турбулентностью низкочастотный шум, располагающийся ниже основной частоты, непропорционально усиливается электронными устройствами, обрабатывающими сигнал.
Расходомеры, такие как вихревые расходомеры с телом обтекания или массовые вихревые расходомеры, предназначены для самых различных сфер применения с широким диапазоном значений расхода, диаметров труб и плотности текучих сред. В связи с этим такие расходомеры работают в относительно широком динамическом диапазоне. При постоянной плотности текучей среды диапазон скоростей потока обычно составляет от 25 до 1. Даже при диапазоне скоростей от 25 до 1 амплитуда сигнала будет меняться в диапазоне от 625 до 1, поскольку сигнал пропорционален квадрату скорости. Если учесть различия плотности текучих сред, которые достигают от 1 до 800 при сравнении таких текучих сред, как атмосферный воздух и жидкости, при определенных размерах расходомера возможно изменение частоты в пределах от 100 к 1, что приведет к максимальному диапазону амплитуды сигнала от 10000 до 1. К сожалению, в рамках диапазонов происходят заметные изменения отношения сигнал-шум. Кроме того, модуляция амплитуды и частоты сигнала потока вызывает возникновение низко- и высокочастотного шума, что создает проблемы в некоторых системах обработки сигналов. В результате требуется единая система фильтрации, которая обеспечивает улучшение отношения сигнал-шум по широкому динамическому диапазону, охватывающему широкие диапазоны расходных показателей, плотности и диаметра и отделяет при этом сигнал расхода от нежелательного пума.
Для того чтобы обеспечить с помощью электронной схемы для улучшения отношения сигнал-шум по широкому динамическому диапазону, некоторые электронные устройства осуществляют регулирование амплитуды вихревого сигнала посредством обратной связи. В других системах применяется схема фазовой синхронизации, позволяющая усреднить фазовые ошибки. И системы регулирования амплитуды, и системы фазовой синхронизации имеют скорость срабатывания, установленную на самую низкую частоту или скорость передачи данных. В результате ухудшается срабатывание на верхних частотах.
Требуется единый комплекс электронных устройств, обладающий улучшенным срабатыванием на верхних частотах, который может при желании пропорционально усиливать низкие частоты. Существует также потребность в электронных устройствах, обладающих достаточно коротким временем срабатывания, чтобы не допустить утери импульсов во время переходных состояний потока.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к измерительному преобразователю, воспринимающему такой физический параметр как поток. Фильтрующее средство в преобразователе принимает загрязненный шумами входной сигнал, представляющий физический параметр и имеющий основную частоту, которая варьируется в соответствии с варьированием физического параметра. Фильтрующее средство фильтрует входной сигнал с помощью действующего фильтра верхних частот (ФВЧ), позволяющего получить отфильтрованный сигнал с частотой, представляющей физический параметр. Частотную характеристику фильтрующего средства верхних частот выбирают из семейства предварительно выбираемых ФВЧ с меняющимися сопрягающими частотами. Каждый фильтр верхних частот имеет присвоенное только ему особое значение повышающего и понижающего переключения. Электронная схема включает датчик времени, который выдает значение периода времени, представляющего величину времени между границами периода отфильтрованного сигнала, и выдает также значение периода времени, представляющего время, истекшее после последней границы периода отфильтрованного сигнала. Электронная схема включает также адаптивное средство срабатывания, которое осуществляет выбор конкретного фильтра верхних частот для использования в средстве фильтрации. Адаптивное средство применяет один способ выбора при нарастании потока и другой способ выбора при ослаблении потока. При нарастании потока выбирают сопрягающую частоту фильтра верхних частот, превышающую сопрягающую частоту действующего фильтра в случае, если значение периода, заданного датчиком времени меньше значения повышающего переключения, соответствующего фильтру с такой последующей более высокой сопрягающей частотой. При ослаблении потока выбирают сопрягающую частоту фильтра верхних частот, которая меньше сопрягающей частоты действующего фильтра в случае, если значение действующего периода, заданного датчиком времени, превышает значение понижающего переключения, соответствующего такой более низкой характеристике фильтра. Адаптивное срабатывание делает изобретение полезным для применения в приборах, регистрирующих квадрат скорости текучей среды, таких как вихревые расходомеры, или в приборах, которые должны воспринимать большой динамический диапазон поступающих частот. И, наконец, выходное средство преобразует сигнал, поступающий из фильтрующего средства, в выходной сигнал измерительного преобразователя, обычно в форме тока на выходе силой 4-20 мА или частотного выходного сигнала, отображающего такой физический параметр.
Фильтрующее средство может включать также фильтрующее средство нижних частот (НЧ) с переменной нижней сопрягающей частотой, которая задана в качестве функции диаметра трубы, по которой протекает текучая среда, и плотности текучей среды. Кроме того, предусмотрено средство в форме триггера Шмитта, принимающее отфильтрованный сигнал и расположенное между датчиком времени и средством адаптивного срабатывания с тем, чтобы обеспечить поступление на средство адаптивного срабатывания стабильного отфильтрованного сигнала. При автоматизированном режиме уставки нижней сопрягающей частоты средство адаптивного срабатывания понижает сопрягающую частоту фильтра нижних частот вплоть до достижения первой сопрягающей частоты, при которой выходной сигнал триггера Шмитта не превышает длины прямоугольного импульса, а затем повышает эту первую сопрягающую частоту до второй сопрягающей частоты, превышающей первую сопрягающую частоту.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана блок-схема вихревого расходомера, являющегося предметом настоящего изобретения.
На фиг. 2А и 2В графически показаны амплитудно-частотные характеристики двухполюсного фильтра нижних частот и четырехполюсного фильтра верхних частот с избираемыми частотными характеристиками в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 графически показана взаимозависимость уровня и частоты входного сигнала полосового фильтра, как бы действующего на входе комбинации фильтра и триггера Шмитта с наложенными на него двумя семействами кривых вихревого расходомера.
На фиг.4 графически показана взаимозависимость уровня и частоты входного сигнала комбинированного полосового фильтра с выбранной характеристикой нижней частоты 3 Гц, как бы действующего на входе фильтра и триггера Шмитта, с наложенной на него одной кривой расходомера.
На фиг. 5 показана блок-схема альтернативного варианта реализации вихревого расходомера в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
На фиг.1 показан вихревой расходомер 10, включающий электронную схему, в целом обозначенную позицией 20 и предназначенную для обработки сигнала 33 вихревого датчика. Электронная схема 20 повышает отношение сигнал-шум сигнала 33 и выдает как электрический ток силой 4-20 мА, характеризующий поток, так и выходной сигнал Fout в форме прямоугольных колебаний, частота которого пропорциональна частоте сигнала 33.
Электронная схема может применяться на смонтированных в производственных условиях контрольно-измерительных приборах, которые должны срабатывать в широком динамическом диапазоне поступающих на вход частот. Электронная схема 20 в особенности применима в измерительных приборах, воспринимающих физический параметр, зависящий от мощности той переменной, которую представляет выходной сигнал. Например, и вихревые расходомеры с телом обтекания, и массовые вихревые расходомеры измеряют расход текучей среды, воспринимая амплитудно-модулированный сигнал давления, частота которого пропорциональна расходу, и выдают сигнал, характеризующий величину расхода.
Жидкая или газообразная текучая среда 23 образует поток Q, идущий по трубе 22. В трубе 22 размещен кожух вихревого датчика 25 с помещенным в нем телом обтекания 26. Когда текучая среда 23 обтекает тело 26, возникают срывающиеся вихри 28, частота которых характеризует расход. Тело обтекания 26 или отдельные его части движутся под воздействием перепада давления на теле обтекания, вызванного возникновением вихрей. Движение воспринимается, например, пьезоэлектрическим датчиком, обозначенным позицией 29. Датчик 29 образован источником напряжения Es и последовательным конденсатором Сs. Амплитуда сигнала пьезоэлектрического датчика пропорциональна перепаду давления, которое пропорционально ρV2, где ρ - плотность текучей среды и V - скорость текучей среды 23, а также пропорционально ρD2F2 (когда соотношение размеров тела обтекания и диаметра трубы остается постоянным), где D - внутренний диаметр кожуха измерительного прибора 25 и F - частота возникновения завихрений.
Выход пьезоэлектрического датчика соединен с электрометрическим усилителем 32, который включает конденсатор С и сопротивление R и выдает сигнал 33 вихревого датчика. Регулируемый двухполюсный фильтр нижних частот (далее ФНЧ) 34 производит обработку сигнала с целью удаления нежелательного высокочастотного шума. Сопрягающая частота ФНЧ 34 установлена на уровне или несколько ниже самого низкого значения частоты потока, ожидаемой в конкретных условиях применения, и поэтому нуждается в установке только один раз для данных условий применения. На фиг.2А показаны амплитудно-частотные характеристики каждого из выбираемых заранее ФНЧ 34, заданные в этом варианте реализации изобретения для сопрягающих частот от 0,75 до 1536 Гц.
Поскольку амплитуда вихревого сигнала 33 изменяется по существу пропорционально квадрату скорости текучей среды 23 и фильтр 34 обеспечивает ослабление частот, превышающих нижнюю сопрягающую частоту фильтра в 1/F2, выходной сигнал фильтра 34 остается по существу постоянным, или сглаженным, при частотах, превышающих выбранную нижнюю сопрягающую частоту. Это явление сглаживания оказывается желательным, поскольку оно ослабляет шумы, возникающие при более высоких частотах и при более значительных амплитудах в большей степени, чем ослабляет сигнал вихревого датчика 33, обеспечивая при данном значении расхода большее постоянство отношения сигнал-шум. В результате ФНЧ 34 не допускает за счет явления сглаживания ненужного реагирования расходомера на шум с более значительными частотами и амплитудами, чем сигнал 33.
На фиг. 2В показаны амплитудно-частотные характеристики четырехполюсного фильтра верхних частот (далее ФВЧ) 36 для каждой устанавливаемой заранее верхней сопрягающей частоты. Подбор характеристик ФНЧ и ФВЧ производится с учетом максимального и минимального потока, плотности текучей среды и размеров измерительного прибора, который предполагается использовать вместе с электронной схемой 20. Фильтр 36 ослабляет низкочастотный шум, который не ослабляется ФНЧ 34, и выдает сигнал 41. Амплитудно-частотные характеристики фильтра 36 предусматривают наличие четырех полюсов из-за действительной потери двух полюсов фильтра 34 в диапазоне частот от сопрягающей частоты ФНЧ до сопрягающей частоты ФВЧ. Обычно сопрягающая частота ФВЧ больше сопрягающей частоты ФНЧ, что обеспечивает большую помехоустойчивость относительно низкочастотного шума. Без фильтра 36 этот низкочастотный шум, сохраняющийся в выходном сигнале ФНЧ 34, может причинять особенно большие неудобства при высоких значениях расхода, когда амплитуда низкочастотного шума превышает амплитуду вихревого сигнала.
Триггер Шмитта 42 осуществляет преобразование выходного сигнала ФВЧ 36, в результате чего получается прямоугольный импульс сигнала 44, частота которого по существу равна частоте сигнала вихревого датчика 33. Напряжение, при котором выход триггера 42 изменяет состояние, предпочтительно устанавливается на уровне приблизительно двадцати пяти процентов от уровня напряжения, замеренного на сигнале 41. Измерение должно выполняться на сглаженной части характеристики, полученной при частотах, превышающих нижнюю сопрягающую частоту фильтра 34 для того, чтобы получить оптимально стабильный выходной прямоугольный волновой сигнал.
Датчик периода времени 46, получающий сигналы от часов 48, выдает на логическую схему 40 выбора ФВЧ значение времени, истекшего после последней границы периода выходного сигнала 44. Истекшее время обычно соответствует времени, прошедшему после последнего фронта сигнала 44, но с другой стороны может превышать один период с целью понижения влияния флуктуаций на выбор ФВЧ. Флуктуации относятся к случайным изменениям основного частотного компонента вихревого сигнала 33. Усреднение нескольких периодов увеличивает время срабатывания в переходных состояниях потока.
На фиг. 3 показана группа предварительно устанавливаемых характеристик затухания в ФНЧ (сплошные линии) в диапазоне от 0,75 Гц до 1536 Гц. Семейство характеристик затухания в ФВЧ (пунктирные/прерывистые линии) представлено только для частотной характеристики ФНЧ 3 Гц. В этом примере частотная характеристика ФНЧ 3 Гц соответствует ФНЧ 34 и одна из характеристик семейства ФВЧ соответствует ФВЧ 36. Огибающая, образуемая нижней частотной характеристикой 3 Гц и любой выбранной верхней частотной характеристикой ограничивает участок, на котором сигнал 41 имеет амплитуду, достаточную для превышения порогового напряжения, необходимого для выдачи сигнала, изменяющего состояние триггера. На эти характеристики фильтра накладываются кривые расхода для двух семейств труб. Кривые L1-L8 относятся к трубам, по которым протекает жидкость плотностью 62,4 фунт/куб. фут (1 г/куб. см) при атмосферном давлении и в диапазоне диаметров труб от одного до восьми дюймов (25,4-203 мм). Кривые расхода А2-А6 относятся к семейству труб, по которым идет воздух под атмосферным давлением и диаметр которых составляет от одного до шести дюймов (25,4-152 мм). Возрастание плотности текучей среды вызывает при одинаковом диапазоне скоростей поворот кривых вертикально вверх, а увеличение диаметра вызывает при одинаковом диапазоне скоростей сдвиг кривых влево. Поскольку амплитуда выходного сигнала вихревого сигнала 33 пропорциональна ρD2 F2, каждый вариант применения будет обычно иметь отдельную кривую расхода. Возрастание расхода представляется все более высоко расположенными на одной и той же кривой расхода рабочими точками. Если кривая расхода для конкретного варианта применения по существу известна, можно подобрать нужную характеристику ФНЧ.
Требуется достаточное превышение амплитуды кривой расхода над характеристикой нижних частот, чтобы обеспечить устойчивую работу триггера Шмитта 42. Предпочтительным является соотношение между амплитудой сигнала 41 и напряжением, требующимся для переключения триггера Шмитта, равное 4:1, что допускает небольшие амплитудные модуляции и переходные процессы при переключении фильтра.
На фиг.4 показаны одна характеристика ФНЧ (частотная характеристика фильтра 3 Гц) и семейство характеристик ФВЧ (0,75 Гц, 1,5 Гц, 3,0 Гц и т.д.). На эти характеристики фильтра наложена рабочая кривая для трубы диаметром восемь дюймов (203 мм), по которой протекает жидкость плотностью 62,4 фунта/куб. фут (1 г/куб. см), обозначенная позицией 19. Точками A, B, C, D и E представлены различные рабочие точки на кривой 19. Точка А обозначает наиболее слабый из всех пяти точек расход, а точки В, С, D и E относятся к последовательно растущим значениям расхода. Как показано выше, огибающая, образуемая нижней частотной характеристикой 3 Гц и любой выбранной верхней частотной характеристикой, ограничивает участок, на котором сигнал 41 имеет амплитуду, достаточную для превышения порогового напряжения, необходимого для выдачи сигнала, изменяющего состояние триггера. Рассмотрим, например, применение сигнала 33 к сочетанию фильтров 34, 36 и триггера 42, когда в качестве характеристики фильтра 34 выбрана частота 0,75 Гц. Если сигнал 33 имеет амплитуду и частоту, представленные в точке А на кривой 19, сигнал 44 будет иметь постоянное напряжение, в то время как применение сигнала 33, представленного в точке С на кривой 19, приведет к получению прямоугольного волнового сигнала 44.
Логическая схема 40 выбора фильтра верхних частот распознает две точки переключения, соответствующие каждой из предварительно выбранных характеристик ФВЧ ("точка повышающего переключения" и "точка понижающего переключения"), и распознает, какая из характеристик ФВЧ используется в данный момент в ФВЧ 36 ("текущая характеристика фильтра"). Каждая точка переключения представляет заданное датчиком времени значение, представляющее частоту, по которой логическая схема 40 должна выбрать новую характеристику фильтра. Логическая схема 40 непрерывно отслеживает значение, выданное датчиком периода времени 46 ("настоящее значение датчика времени"). Точки повышающего и понижающего переключения для каждого предварительно избираемого фильтра создают жесткий режим срабатывания, который сводит к минимуму излишние переключения фильтра, вызванные флуктуацией частот в вихревом сигнале 33.
При возрастании потока в трубе 22 из не-текучего состояния сигнал 44 в точке В принимает форму прямоугольного колебания. Характеристика фильтра верхних частот 0,75 ГЦ устанавливается по умолчанию. Датчик периода времени 46 переводится в исходное положение границей периода сигнала 44 и после этого представляет время, прошедшее после прохождения последней границы периода сигнала 44. Когда настоящее значение датчика времени в конце периода сигнала 44 ("значение датчика периода") меньше, чем точка повышающего переключения, соответствующая характеристике ФВЧ со следующей наиболее высокой сопрягающей частотой, логическая схема 40 немедленно выбирает для использования в фильтре 36 фильтр со следующей наиболее высокой сопрягающей частотой. Например, когда расход возрастает до точки С, значение заданного датчиком времени периода в конце периода сигнала 44 ниже точки повышающего переключения, соответствующей частотной характеристике 1,5 ГЦ ФВЧ, показанной на линии U1, и логическая схема 40 немедленно выберет характеристику 1,5 Гц. При возрастании расхода до точки D значение заданного датчиком времени периода сигнала 44 ниже точки повышающего переключения, соответствующей частотной характеристике 3,0 Гц ФВЧ, показанной на линии U2, и логическая схема 40 немедленно выберет характеристику 3,0 Гц. При возрастании расхода до точки Е на кривой 19 с помощью того же процесса выбора выбирается частотная характеристика ФВЧ, равная 6,0 Гц, Время срабатывания электронной схемы 20 при выборе последовательно повышающейся сопрягающей частоты ФВЧ уменьшается при возрастании расхода. В общем логическая схема 40 выбирает частотную характеристику фильтра, имеющую следующую наиболее высокую сопрягающую частоту относительно сопрягающей частоты действующей характеристики фильтра, когда значение периода, заданного датчиком времени, ниже точки повышающего переключения такого фильтра следующей наиболее высокой сопрягающей частоты.
Такой процесс выбора обеспечивает выбор фильтра с сопрягающей частотой, отделенной по частоте на одну ступень от сопрягающей частоты действующего фильтра. Альтернативный процесс выбора может заключаться в выборе характеристики фильтра, отстоящей более чем на одну ступень от сопрягающей частоты действующего фильтра. При таком процессе выбора логическая схема 40 сравнивает значение периода, заданного датчиком времени в конце периода сигнала 44 с группой точек повышающего переключения и выбирает характеристику фильтра, имеющую сопрягающую частоту, соответствующую более высокой из точек повышающего переключения, ограничивающих значение периода, заданного датчиком времени.
Иной процесс выбора применяется в случае снижения расхода. Логическая схема 40 сравнивает имеющийся показатель датчика времени и точку понижающего переключения, присвоенную частотной характеристике ФВЧ со следующей более низкой сопрягающей частотой по сравнению с частотной характеристикой действующего фильтра, Когда расход уменьшается и точка на кривой 19 смещается от точки E через точку D в направлении точки С, продолжается использование в качестве верхней частотной характеристики фильтра 36 характеристики 6 Гц, пока действующее значение датчика времени не превысит значение понижающего переключения, присвоенное точке D3, после чего логическая схема 40 выбирает для немедленного использования в фильтре 36 верхнюю частотную характеристику 3 Гц. Этот же процесс продолжается по мере снижения расхода и настоящие значения датчика времени последовательно превышают более значительные значения понижающего переключения, присвоенные точкам понижающего переключения D2 и D1, соответственно, без получения границы периода для инициирования выбора.
В общем при снижении расхода логическая схема 40 выбирает характеристику фильтра со следующей более низкой сопрягающей частотой по сравнению с сопрягающей частотой действующего фильтра, когда настоящее значение датчика превышает точку переключения, соответствующую характеристике фильтра, имеющего такую следующую более низкую сопрягающую частоту. Иными словами, сопрягающая частота ФВЧ 36 устанавливается таким образом, чтобы срабатывать на частоту сигнала 44, и избирательная логическая схема 40 устанавливает сопрягающую частоту фильтра в достаточной степени ниже частоты сигнала 44. Этот способ выбора частотных характеристик фильтра продолжается без перенастраивания датчика времени 46 до тех пор, пока не произойдет изменение состояния сигнала 44 или до тех пор, пока не будет приведена в действие характеристика фильтра с наиболее низкой сопрягающей частотой, причем в этом случае датчик времени останавливается, чтобы избежать переполнения. Граница следующего периода производит повторное включение датчика времени 46. Из-за задержки в установке ФВЧ 36 до возврата в исходное состояние датчика времени 46 возникает небольшая погрешность в распределении интервалов времени, что компенсируется путем возврата датчика времени 46 в исходное состояние с задержкой вместо установки его на ноль, или путем применения фиксатора для сохранения значения счетчика 45 и повторного включения датчика времени.
Жесткий режим возбуждения, достигаемый с помощью этого способа выбора частотной характеристики фильтра, гарантирует, что выбранные в данный момент характеристики фильтра выбраны в широком диапазоне частот. Например, частоты сигнала 44, соответствующие значениям датчика времени между U5 и U4, подвергаются фильтрации с характеристикой ФВЧ 12 Гц. Аналогичным образом частоты сигнала 44, соответствующие значениям датчика времени между U2 и U3, подвергаются фильтрации с характеристикой ФВЧ 3 Гц. Эта особенность гарантирует, что флуктуация частоты вихревого сигнала 33 приведет к минимальным переключениям фильтра и, соответственно, уменьшению нежелательных шумов.
Хотя рассмотренные выше сопрягающие частоты фильтра выбираются чтобы быть разделенными по частоте на два, возможны иные решения. Предпочтительным является семейство ФВЧ с сопрягающими частотами, разделенными на корень четвертой степени из двух, поскольку оно обеспечивает меньшую чувствительность к шуму и удобно для цифровой реализации функции фильтрации.
Описанное выше адаптивное срабатывание фильтра рассматривается как разомкнутый контур, поскольку изменение сопрягающей частоты фильтра не оказывает влияния на размер периода, управляющий фильтром. Время адаптивного срабатывания поэволяет использовать одну электронную схему 20 при всех размерах измерительных приборов и значениях расхода, хотя динамический диапазон вихревого расходомера варьируется от 1 Гц для датчиков диаметром 8 дюймов (203 мм), пропускающих жидкость, до 6000 Гц до датчиков диаметром 1/2 дюйма (12,7 мм), пропускающих газы.
Альтернативные способы обработки вихревых сигналов имеют определенные недостатки. Способы автоматического контроля усиления предусматривают видоизменение характеристик фильтра исходя из амплитуды выходного сигнала вихревого датчика и могут в связи с этим прослеживать шум вместо сигнала потока. Эти способы с использованием фильтра отслеживания верхних частот сталкиваются с потерей импульсов при быстром уменьшении расхода потока. В такой электронной схеме уменьшение переходного состояния потока заставляет ФВЧ ослаблять сигнал расхода, поскольку время, требующееся фильтру отслеживания для выбора нового фильтра, превышает период изменения расхода. Временная постоянная по необходимости устанавливается с учетом наиболее низкой частоты расхода и поэтому оказывается слишком большой при высоких частотах расхода. Это влечет за собой потерю импульсов и, в связи с этим, выходных сигналов расхода в течение такого переходного периода. Если, с другой стороны, сопрягающая частота ФВЧ была слишком далека от частот вихревого потока, чтобы избежать ослабевания в переходный период ослабления потока, эффективность фильтра снижается. Настоящее изобретение позволяет избежать этих проблем, связанных с переходным периодом, как за счет уникальных возможностей самонастройки времени срабатывания, так и за счет способа выбора характеристик ФВЧ при отсутствии границы сигнала 44, поскольку время срабатывания электронной схемы уменьшается по мере возрастания частоты вихревого сигнала 33. Это означает, что электронная схема срабатывает быстрее при высоких значениях расхода, чем при его низких значениях.
Включенная пользователем логическая схема 38 выбора ФНЧ выбирает сопрягающую частоту ФНЧ 34 как функцию диаметра трубы 22 и плотности текучей среды 23. Этот выбор обычно осуществляется один раз в течение процесса измерений и нуждается в изменении, например, при изменении размеров измерительного прибора или когда значительно меняется плотность текучей среды. Сопрягающая частота может быть выбрана с помощью портативного приемопередатчика по токовому контуру с установкой оператором вручную микропереключателей в корпусе D1P, или же с помощью автоматического процесса, позволяющего расходомеру 10 выбрать нужную установку и обеспечить максимальную помехоустойчивость. При автоматической настройке в трубе 22 задается значение расхода, составляющее примерно половину от максимального значения расхода для расходомера 10. После этого оператор осуществляет запуск автоматического процесса выбора ФНЧ расходомера. Расходомер 10 осуществляет снижение сопрягающей частоты ФНЧ 34 до тех пор, пока длина сигнала 44 не превышает длины прямоугольного импульса. Сопрягающая частота ФНЧ 34 увеличивается затем на коэффициент, равный приблизительно двум, чтобы получить соотношение, равное четырем, между выходом триггера 42 и напряжением, требующимся для изменения состояния триггера Шмитта 42. Коэффициент, равный приблизительно двум, выбран в связи с ослаблением в 1/F2 раза на фильтре 34, что ведет к изменению амплитуды в четыре раза. При адекватной электронной связи выбор и настройка ФНЧ могут быть выполнены автоматически с командой запуска от оператора по двухпроводному токовому контуру, после установления среднего по величине расхода с адекватным отношением сигнал-шум.
Схема пересчета импульсов 50 преобразует прямоугольный волновой сигнал 44 в Fout, который представляет расход в соответствии с удобной единицей измерения, такой как количество импульсов на галлон. Схема 50 предпочтительно является цифровой, чтобы гарантировать точность, обеспечить широкий диапазон множителей и равномерно распределить импульсы на выходе. Выходная схема 52 преобразует прямоугольный волновой сигнал 44 в ток силой 4-20 мА, представляющий расход. Схема 52 соединена с токовым контуром, общепринятым в области осуществления контроля хода технологических процессов. Некоторые расходомеры имеют иной вариант реализации выходной схемы 52, которая выдает цифровую информацию, представляющую параметры состояния расходомера и расхода, наложенные на линию тока 4-20 мА или линию мощности.
Цифровой вариант реализации настоящего изобретения с применением цифровых фильтров обозначен в целом позицией 200 на фиг 5. Цифровое выполнение функции, описанной для расходомера 200, является предпочтительным, поскольку является более мощным и гибким, чем аналоговая фильтрация, и может осуществляться под непосредственным программным контролем микропроцессора в "разумном" преобразователе. Аналоговый, не допускающий смешивания сигналов фильтр 202 принимает аналоговый сигнал от датчика вихревого потока и усилителя 201. Фильтр 202 осуществляет фильтрацию сигнала датчика с целью удаления нежелательного высокочастотного шума и выполняет не допускающую смешивание сигналов фильтрацию.
Аналого-цифровой преобразователь (сигма-дельта) 204 принимает вихревой сигнал с частотой приблизительно 307,2 кГц и выдает однобитовый поток данных при 307,2 кГц, представляющий амплитуду и частоту выходного сигнала вихревого датчика и усилителя 201. В потоке данных отсутствуют границы слов. Относительное количество единиц и нулей, которое иногда называют плотностью бит, представляет амплитуду вихревого сигнала. Преобразователь 204, предпочтительно реализуемый в форме структуры CMOS/ASIC для того, чтобы свести к минимуму потребление энергии, себестоимость и размеры, особенно подходит для перевода в цифровую форму сигналов переменного тока в диапазоне от одного до десяти кГц, который является типичным диапазоном частот вихревых расходомеров. Аналого-цифровой (сигма-дельта) преобразователь обеспечивает упрощение электронной схемы, поскольку исчезает необходимость в схемах, синхронизирующих передачу слов данных или в схемах, подсчитывающих количество бит в слове. Предпочтительно, чтобы выходящий поток данных имел частоту, приблизительно в 100 раз превышающую типичную максимальную вихревую частоту, составляющую от 1 до 6 кГц. Средство передискретизации переводит шум квантования на более высокие частоты. Последующие цифровая фильтрация и прореживание упрощают требования к недопущению смешивания сигналов и поддерживают шум квантования, присущий аналого-цифровым преобразователям, на более высоких частотах, чем максимальная вихревая частота. Частота дискретизации выбирается настолько низкой, насколько возможно, чтобы понизить мощность и иметь все же низкую амплитуду шума в полосе вихревых частот. Этот последовательный высокочастотный формат идеален для передачи через электроизоляционный барьер 206, требующийся для датчиков, которые заземлены или имеют резистивную утечку на землю из-за высоких температурных потерь сопротивления изоляции. Такие датчики обычно используются в вихревых расходомерах для снижения затрат и упрощения соединений. Кроме того, однобитовый поток данных позволяет использовать в изоляторе 206 недорогой, компактный трансформатор или конденсатор. Возможно применение других изолирующих сред, таких как оптические, пьезоэлектрические/акустические и магнитострикционные изолирующие средства.
Через изоляцию 206 передаются два сигнала. Источник питания 207 подает энергию к часам 209, выходной сигнал которых проходит через изоляцию 206 и оттуда к источнику питания 205, который придает сигналу прямоугольную форму и передает в качестве сигнала синхронизации в схемы 201-204. Сигнал синхронизации, кроме того, выпрямляется и стабилизируется по напряжению, чтобы применяться в качестве источника питания в схемах 201-204. Такое устройство обеспечивает также синхронизацию часов с обеих сторон барьера 206. Во-вторых, последовательный поток бит от преобразователя 204 пропускается через изолятор 206 в другом направлении, к цифровому прореживающему фильтру 208. Изолятор 206 изолирует заземленный вихревой датчик от токового контура 4-20 мА расходомера, чтобы избежать шумов и токов в контурах заземления. Прореживающий фильтр увеличивает ширину слова данных с одного бита до десяти бит и уменьшает частоту дискретизации в десять раз до 30,72 хГц. Фильтр 208 уменьшает амплитуду шума квантования и предупреждает наложение спектров сигналов более высокой частоты, вызванное прореживанием. Коэффициент прореживания выбран таким образом, что частота дискретизации при прореживании в пять-восемь раз выше наибольшей частоты вихревого сигнала, что позволяет использовать на последующих стадиях простые цифровые фильтры. Выходной сигнал прореживающего фильтра 208 принимается фильтром нижних частот с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр) 210, выполненным двухлинейным преобразованием из аналоговой в цифровую область с использованием коэффициентов 1/2 и 1/4 для переключения регистра для замены схем умножения. БИХ-фильтр 210 имеет ноль в одной половине частоты дискретизации 30,72 и сопрягающую частоту 3,259 Гц, выбранную для нахождения в верхнем конце типичного частотного выходного сигнала для расходомера на один дюйм (25,4 мм). Таким образом, фильтр 210 не ослабляет сигнал расхода, но сводит к минимуму нежелательные высокочастотные шумы квантования, присутствующие в аналого-цифровом преобразователе. Прореживающий и двухлинейный фильтры не требуются при использовании других способов аналого-цифрового преобразования,
Фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр) 212 принимает выходной сигнал БИХ-фильтра 210. Фильтры 212-222 соединяются последовательно в следующем порядке: фильтр 212, фильтр 220, фильтр 214, фильтр 222, фильтр 216 и затем фильтр 218. Каждый фильтр является цифровым представлением однополюсного фильтра нижних частот или однополюсного фильтра верхних частот. Аналоговая реализация схемы должна также использовать два фильтра нижних частот и четыре фильтра верхних частот, каждый из которых имеет один полюс. ФВЧ и ФНЧ 212-222 размещаются таким образом для того, чтобы сократить переходные режимы, связанные с переключением характеристики ФВЧ микропроцессором 232, поскольку переходный режим ФВЧ включает высокочастотные компоненты, которые не ослабляются последующими ФВЧ. В противном случае цифровой эквивалент триггера Шмитта 224 может выдать дополнительные выходные импульсы. За счет чередования фильтров верхних и нижних частот достигается достаточное гашение этого переходного эффекта, позволяющее по существу исключить его. Триггер Шмитта 224 принимает выходной сигнал фильтра 218, который генерирует прямоугольный волновой вихревой сигнал 224, имеющий по существу такую же частоту, как частота выходного сигнала вихревого датчика и усилителя 201. Датчик времени и счетчик периодов 226 выдает данные о времени, истекшем после границы последнего периода сигнала 224 на блок управления фильтром 230, и время между границами периода сигнала 244. Функция счетчика 226 в отношении истекшего времени эквивалентна функции датчика времени 46 на фиг. 1.
Логическая схема 230 действует сходным образом с логической схемой 40 выбора фильтра верхних частот. Логическая схема 230 получает от микропроцессора 232 значения повышающего и понижающего переключения, соответствующие каждой из предварительно выбираемых высокочастотных характеристик, и распознает, какие характеристики ФВЧ в настоящий момент используются на каждом из ФВЧ 212, 214, 216, 218 ("текущая характеристика фильтра"). Как было показано выше в отношении фиг. 3, имеется значение повышающего и понижающего переключения, связанное с каждой характеристикой ФВЧ. Логическая схема 230 также непрерывно отслеживает значение, выданное датчиком периода времени и счетчиком 226 ("настоящее значение датчика времени"). При возрастании расхода логическая схема 230 направляет на микропроцессор 232 сигнал прерывания, когда характеристика фильтра, имеющего следующую более высокую сопрягающую частоту относительно сопрягающей частоты характеристики действующего фильтра при настоящем значении датчика времени, выбранная на границе периода сигнала 244, меньше точки повышающего переключения для такого последующего фильтра с более высокой сопрягающей частотой. При уменьшении расхода логическая схема 230 направляет на микропроцессор 232 сигнал прерывания, когда характеристика фильтра, имеющего следующую более низкую сопрягающую частоту относительно сопрягающей частоты характеристики действующего фильтра, если настоящее значение датчика времени превышает значение понижающего переключения, соответствующее характеристике фильтра, имеющего следующую более низкую сопрягающую частоту. Адаптивное фильтрующее срабатывание фильтров 212-218 является открытым контуром, поскольку изменение сопрягающей частоты фильтра не оказывает влияния на размеры периода, управляющего фильтром.
Для каждого фильтра является предпочтительным иметь один переменный полюс, так чтобы сопрягающая частота комбинированного выхода фильтра имела более тонкое разрешение по частоте, чем в случае выбора сопрягающей частоты отдельного х-полюсного фильтра. Так, например, четыре отдельных ФВЧ, каждый из которых имеет независимо переменные сопрягающие частоты, имеют комбинированную характеристику сопрягающей частоты, изменяющуюся как корень четвертой степени из двух, в то время как отдельный четырехполюсный фильтр будет иметь сопрягающую характеристику, изменение которой происходит с коэффициентом два. Применение сдвиговых регистров для выполнения умножения является другим способом упрощения конструкции, позволяющим снизить потребление энергии и количество цифровых элементов, необходимых для каждого фильтра. Поскольку выходной сигнал цифрового фильтра является суммой элементов первого порядка, каждый из которых представлен произведением коэффициента и переменной, коэффициенты для умножения переменных выбираются как множитель в одну вторую, и там, где в противном случае требовалось бы целое множительное устройство, требуются только сдвиговые регистры. По этой причине сопрягающие частоты регулируются только с коэффициентами два. Предпочтительным также является размещение фильтров и связанных с ними схем внутри отмеченного пунктиром блока 250 в ASIC для экономии энергии и облегчения сборки,
Микропроцессор 232 рассчитывает подходящие значения сопрягающих частот для фильтров 212-222 и направляет команды выбора сопряжений, представляющие нужную характеристику ФВЧ на схему управления фильтрами 230 и на защелку выбора фильтра 238. Схема защелки 238 распределяет значения выбора фильтра по фильтрам 212-222. Микропроцессор 232 выполняет также функции наблюдения, выборочную обработку выходных сигналов и обеспечивает требующуюся связь между расходомером и системой управления процессом, на которую поступают выходные сигналы расходомера. Примером функции наблюдения является отключение слежения за фильтром, в то время как примерами обработки выходных сигналов является установка пределов глушения и аварийной сигнализации, а также отключения при низком расходе, в зависимости от предпочтительной информации пользователя, помещенной в блоке данных по применению 234.
Сигнал 244 осуществляет управление датчиком времени и счетчиком периода 226, который прерывает микропроцессор 232 с данными, представляющими частоту сигнала 244. Прерывание происходит приблизительно через одну десятую секунды или один раз за каждый период сигнала 244, в зависимости от того, который из них представляет более длительный период времени. После прерывания микропроцессор 232 рассчитывает обновленную вихревую частоту и подает такой выходной сигнал в цифровой форме на выход 236. Преобразователь и модем 237 преобразуют цифровую информацию, закодированную на выходе 236, в ток силой 4-20 мА, представляющий расход.
Допускается также использование других выходных форматов, таких как Feldbus или других стандартных форматов связи в области управления технологическими процессами. Микропроцессор 232 выдает также сигнал для синхронизации схемы деления 228 выходного импульса, выдающей необходимые сигналы для управления преобразователем импульсов 242. Преобразователь импульсов 242 выдает электроизолированный сигнал на схему выхода 243. Схема 243 выдает частотный выходной сигнал F, представляющий расход.
Расходомер с телом обтекания содержит фильтрующее средство, осуществляющее фильтрацию шума выходного сигнала на основе частотной характеристики действующего фильтра верхних частот (ФВЧ) семейства предварительно выбираемых фильтров. Однополюсные ФВЧ семейства имеют меняющиеся сопрягаемые частоты и соответствующие им значения повышающего и понижающего переключения. Выбор конкретного фильтра проводит логическая схема, использующая определенный способ выбора при увеличении или уменьшении расхода. Отфильтрованный сигнал преобразуется в токовый или частотный сигнал, несущий информацию о расходе. Фильтрующее средство может содержать фильтр нижних частот (ФНЧ), выбранный из семейства ФНЧ. Изобретение имеет короткое время срабатывания, обеспечивает улучшение отношения сигнал-шум в широком динамическом диапазоне. 4 с. и 7 з.п.ф-лы, 6 ил.
| US 5005425 A, 09.04.91 | |||
| US 4966040 A, 30.10.90 | |||
| US 4545258 A, 08.10.85 | |||
| Вихревой расходомер | 1990 |
|
SU1789862A1 |
