Изобретение относится к измерительной технике, а именно к вибрационным преобразователям, и может быть использовано для непрерывного измерения расхода массы газа или жидкости, например, в нефтегазоперерабатывающей, химической, пищевой отраслях промышленности.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является устройство, содержащее изогнутую S-образно трубу, концы которой жестко закреплены на основании, жестко закрепленное на основании и предназначенное для взаимодействия со средней частью трубы электромагнитное устройство для возбуждения колебаний трубы и первое и второе устройства для измерения параметров колебаний трубы (1).
При возбуждении колебаний средней часты трубы устройства в направлении, перпендикулярном плоскости расположения колен S-образной трубы и одновременном протекании через трубу измеряемой среды, амплитудные значения скоростей колебаний трубы являются функциями двух переменных: сигнала возбуждения (т.е. угловой скорости колебаний трубы при отсутствии массового расхода измеряемой среды) и силы Кориолиса Fк, возникающей и действующей на трубу при наличии расхода Q измеряемой среды. Величиной, пропорциональной расходу Q измеряемой среды, является временной сдвиг между сигналами, снимаемыми первым и вторым устройством для измерения параметров колебаний трубы.
Недостатком устройства является косвенное измерение силы Кориолиса Fк, являющейся мерой расхода Q измеряемой среды, через временной сдвиг между двумя сигналами. Кроме того, измерение расхода Q по временному сдвигу двух сигналов допустимо только при малых углах колебаний трубы, так как при больших углах колебаний возрастает погрешность измерений, связанная с нелинейностью аппроксимации значений угла α колебаний трубы значениями tg α, т.е. устройство имеет небольшой динамический диапазон измерений значений массового расхода Qm. Указанные недостатки обусловливают снижение точности измерений устройства.
Технические результатом от использования изобретения является повышение точности измерений путем непосредственного измерения силы Кориолиса.
Это достигается тем, что в устройство для измерения расхода массы введены второе устройство для возбуждения колебаний трубы, содержащее неподвижную, закрепленную на основании, и подвижную части, датчик силы, смонтированный на кронштейне, и рама, жестко связанная с концами прямолинейного центрального участка трубы и через упругие шарниры прикрепленная к основанию с возможностью поворота вокруг оси, расположенной в плоскости S-образной трубы и перпендикулярно прямолинейному центральному участку трубы, причем к раме жестко прикреплена неподвижная часть первого устройства для возбуждения колебаний, подвижная часть второго устройства для возбуждения колебаний трубы и один конец кронштейна, второй конец кронштейна жестко прикреплен к прямолинейному центральному участку трубы, а второе устройство для возбуждения колебаний и датчик силы подключены к электронному блоку.
Совокупность элементов, содержащая раму, жестко связанную с концами прямолинейного центрального участка трубы, кронштейн с датчиком силы, первый и второй конец которого жестко прикреплены соответственно к раме и прямолинейному центральному участку трубы, первое устройство для возбуждения колебаний трубы, неподвижная и подвижная части которого жестко закреплены соответственно на раме и на прямолинейном центральном участке трубы, и электронный блок, обеспечивающий непосредственное измерение силы Кориолиса, действующей в процессе измерения массового расхода на прямолинейный центральный участок трубы, вследствие чего повышается точность измерений.
Совокупность элементов, включающая раму, жестко прикрепленную к концам прямолинейного центрального участка, упругие шарниры, связывающие раму с основанием с возможностью поворота вокруг оси, расположенной перпендикулярно прямолинейному центральному участку трубы и в плоскости S-образной трубы, второе устройство для возбуждения колебаний трубы, неподвижная и подвижная части которого закреплены соответственно на основании и раме, обеспечивает возможность синфазного перемещения прямолинейного центрального участка трубы (данный участок трубы является чувствительным элементом заявляемого устройства) и элементов (кронштейн с датчиком силы, первое устройство для возбуждения колебаний трубы), обеспечивающих построение компенсационной схемы измерений, вследствие чего повышается точность измерений.
Изобретение изображено на чертеже, где:
на фиг. 1 показана конструкция устройства для измерения расхода массы;
на фиг. 2 - функциональная схема заявляемого устройства, поясняющая обработку полезного сигнала в устройстве;
на фиг. 3 - конструкция крепления первого устройства для возбуждения колебаний трубы и датчика силы;
на фиг. 4 - фрагмент конструкции первого устройства для возбуждения колебаний трубы;
на фиг. 5 - упругий шарнир, являющийся фрагментом конструкции кронштейна для крепления датчика силы;
на фиг. 6 - фрагмент схемы блока 45, обеспечивающий съем из компенсационной цепи сигнала, пропорционального силе Кориолиса, действующей на измерительный участок трубы;
на фиг. 7 - схема первого электронного блока (синхронного детектора) для обработки сигнала, поступающего с датчика силы;
на фиг. 8 - схема второго детекторного блока для обработки сигнала с датчика скорости;
на фиг. 9 - схема блока, обеспечивающего нормирование сигнала, поступающего с датчика силы;
на фиг. 10 - схема интегрирующего блока;
на фиг. 11 - график, характеризующий форму колебаний рамы 8;
на фиг. 12 - график, характеризующий форму сигналов, поступающих с датчиков 34 и 35 в блок 16;
на фиг. 13 - график, характеризующий форму сигнала, поступающего в блок 16 с датчика силы 19 при отсутствии расхода Q массы измеряемой среды;
на фиг. 14 - график, характеризующий изменение текущего значения силы Кориолиса при наличии расхода Q массы измеряемой среды, изменяющегося по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 15 - график, характеризующий форму сигналов, поступающих в блок 16 с датчика силы 19 при наличии расхода Q массы измеряемой среды, изменяющегося по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 16 - график, характеризующий изменение текущего значения силы, с которой катушка 14 воздействует на измерительный участок 2 трубы 1 при наличии расхода Q массы измеряемой среды, по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 17 - графики U46 и U48, характеризующие изменение сигналов на выходах соответственно блоков 46 и 48 при наличии расхода Q массы измеряемой среды, изменяющегося по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 18 - график, характеризующий изменение сигнала на входе Вх 1 компаратора 63 при наличии расхода Q массы измеряемой среды, изменяющегося по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 19 - последовательность импульсов Uвх2, поступающая на вход Вх2 компаратора 63;
на фиг. 20 - последовательность импульсов, поступающая с выхода Вых1 блока 65 на вход Вх2 блока 64;
на фиг. 21 - последовательность импульсов, поступающая с выхода компаратора 63 на вход Вх1 блока 64;
на фиг. 22 - последовательность импульсов, поступающая с выхода Вых1 блока 67 на вход Вх3 блока 64;
на фиг. 23 - последовательность импульсов, поступающая с выхода Вых1 блока 64 на вход блока 62.
Заявляемое устройство содержит S-образную трубу 2 с прямолинейным центральным (измерительным) участком 2, который является первичным чувствительным элементом устройства. Концы трубы 1 жестко прикреплены кронштейнами 3 и 4 к весьма массивному основанию 5. Концы 6 и 7 измерительного участка 2 жестко связаны с рамой 8, кроме того с рамой 8 жестко связаны концы 9 и 10 петлевых участков трубы 1. Рама 8 связана с основанием 5 посредством упругих шарниров 11 и 12, которые представляют собой торсионные узлы, обеспечивающие поворот рамы 8 относительно основания 5 вокруг оси 0-0 на некоторый угол ±α. В средней части измерительного участка 2 трубы 1 смонтирован кронштейн 13. К кронштейну 13 жестко прикреплена электрическая катушка 14, выводы которой предназначены для подключения к электронному блоку 16 (фиг. 2). Катушка 14 размещена в воздушном зазоре, образованном полюсами Ш-образного магнитопровода 17 (фиг. 3, 4), а магнитопровод 17 жестко прикреплен к кронштейну 18, при этом кронштейн 18 является частью рамки 8. Катушка 14 и магнитопровод 17 - суть, соответственно, подвижная и неподвижная части первого устройства для возбуждения колебаний трубы 1. Первое устройство для возбуждения колебаний обеспечивает колебания трубы I в направлении оси M-М (фиг. 1, 4, 3). В кронштейн 13 вмонтирован датчик силы 19, ось чувствительности которого ориентирована в направлении оси М-М. Выводы 20 датчика 19 предназначены для подключения к электронному блоку 16. Кронштейн 13 снабжен двумя идентичными упругими шарнирами 21 и 22 (фиг. 3, 5), которые расположены по обе стороны датчика 19, а конец кронштейна 13, снабженный шарниром 22, жестко прикреплен к кронштейну 23 (фиг. 1, 3). Датчик силы 19 может быть выполнен, например, в виде пакета таблеток 24 из пьезокерамики, поджатых друг к другу посредством двух плоских упругих элементов 25 и 26 (фиг. 3), являющихся частью конструкции кронштейна 13. Шарниры 21 и 22 обеспечивают передачу усилий от измерительного участка 2 трубы 1 к датчику 19, действующих преимущественно вдоль оси М-М, и одновременно исключают передачу на датчик 19 моментов сил, действующих в плоскостях ОМ и OL. Кронштейн 23 по конструкции аналог кронштейна 18 и является частью рамы 8. Средние части кронштейнов 18 и 23 жестко связаны между собой посредством перемычек 27 и 28 (фиг. 1, 3). Частотные характеристики кронштейнов 18 и 23 в направлении оси М-М выбраны, исходя из условия равных перемещений измерительного участка 2 трубы 1 и совокупности элементов, образованной кронштейнами 18, 23 и перемычками 27 и 28, под воздействием внешних вибраций (рабочего диапазона частот), действующих в направлении оси М-М. Выполнение этого условия позволяет разгрузить датчик 19 от усилий, не связанных с силой Кориолиса, являющейся мерой расхода массы измеряемой среды, т.е. обеспечивает повышение точности измерений. К основанию 5 жестко прикреплен магнитопровод 29, снабженный обмоткой 30, выводы 31 которой предназначены для подключения к электронному блоку 16. К раме 8 жестко прикреплен якорь 32 (постоянный магнит). Магнитопровод 29, обмотка 30 и якорь 32 в совокупности образуют второе устройство для возбуждения колебаний трубы 1. На основании 5 посредством кронштейнов 33 (на фиг. 1 изображен условно только один кронштейн 33) закреплены датчики угловой скорости 34 и 35, каждый из которых включает, например, цилиндрический магнит 36 (37) и обмотки 38 (39), выводы которых 40 (41) предназначены для подключения к электронному блоку 16. К раме 8 жестко прикреплены якори 42, 43 (выполненные из магнитомягкого материала), предназначенные для взаимодействия соответственно с датчиками 34 и 35. Так как рама 8 жестко связана с концами 6 и 7 измерительного участка 2 трубы 1, то датчики 34 и 35 в совокупности соответственно с якорями 42 и 43 суть первое и второе устройства для измерений колебаний участков трубы 1 вокруг оси 0-0 (фиг. 1).
Концы трубы 1 снабжены фланцами 44 для подключения к трубопроводу (на фиг. 1 условно изображен только одни фланец). Выходы 20 датчика силы 19 подключены ко входу Вх1 блока 45 (блок компенсирующей системы). К выходу Вых1 блока 45 подключены выводы 15 катушки 14, а выход Вых2 блока 45 подключен ко входу Bx1 первого детекторного блока 46. Выход Вых1 блока 46 подключен ко входу Bx1 нормирующего блока 47.
Обмотки датчиков 34 и 35 угловой скорости соединены последовательно, это обеспечивает независимость значения скоростного сигнала от изменений зазоров между сердечниками 36, 37 и соответствующими якорями 42 и 43, вызываемыми взаимными перемещениями основания 5 и рамы 8 или деформациями, например, температурными, рамы 8 в плоскости O-L (фиг. 1, 2).
Выводы 40 и 41 датчиков 34 и 35 подключены ко входу Bx1 второго детекторного блока 48, ко входу Bx1 усилительного блока 49 и ко входу Вх2 первого детекторного блока 46. Выход Вых1 второго детекторного блока 48 подключен ко входу Вх2 нормирующего блока 47. Выход Вых1 блока 47 подключен ко входу Bx1 интегрирующего блока 50.
Блок 45 (блок компенсационной системы) представляет собой усилитель мощности, нагрузкой которого является обмотка 14 (первое устройство для возбуждения колебаний трубы 1). Сигнал на вход блока 45 поступает с пьезодатчика 19, поэтому значение входного сопротивления блока 45 весьма велико (десятки, сотни мегом). Фазовые характеристики блока 45 выбраны таким образов, что силовое воздействие трубы 1 на датчик 19 (сила Кориолиса) компенсируется силовым воздействием на трубу 1 (т.е. на датчик 19), катушки 14, другими словами, датчик 19, блок 45 и катушка 14 работают в контуре отрицательной обратной связи. Блок 45 может быть выполнен, например, на основе выпускаемых промышленностью и включенных последовательно усилителей У7-3 (усилитель мощности) и У7-1 (измерительный усилитель с высоким входным сопротивлением).
Конструктивно в состав блока 45 входит шунт 51 (постоянное сопротивление), который включен последовательно с обмоткой катушки 14 (фиг. 6). С шунта 51 (суть выход Вых2 блока 45) сигнал поступает на вход Вх1 блока 46.
Блок 49 представляет собой усилитель мощности с ограничением по амплитуде, т. е. блок 49 преобразует синусоидальный сигнал, амплитуда которого изменяется в определенных пределах, в трапециевидный сигнал, амплитуда которого постоянна во времени. Таким образом, совокупность элементов, включающая датчики скорости 34, 35, усилитель мощности 49, второе устройство для возбуждения колебаний трубы 1 (магнитопровод 29, обмотка 30, якорь 32) образуют колебательную систему, которая при выполнении условия баланса амплитуд (произведение коэффициента усиления усилителя на коэффициент передачи цепи обратной связи больше единицы) и условии баланса фаз (суммарный фазовый сдвиг всех звеньев равен нулю или целому числу периодов) функционирует в режиме автоколебаний.
Блок 46 представляет собой синхронный детектор и может быть выполнен по схеме, изображенной на фиг. 7. В состав блока 46 входит трансформатор 52, первичная обмотка 53 которого есть вход Вх1 блока 46, а две секции 54 и 55 вторичной обмотки подключены соответственно к управляемым ключам 56 и 57 (в качестве управляемых ключей могут быть использованы, например, полевые транзисторы). Управляемые ключи 56 и 57 подключены к RC-контуру 58, а средняя точка последнего "Д" подключена к выходу Вых1 блока 46. В состав блока 46 входит компаратор 59 (например, триггер Шмитта), вход которого - суть вход Вх2 блока 46.
Компаратор 59 преобразует синусоидальный сигнал, поступающий с датчиков 34 и 35, в последовательность управляющих знакопеременных прямоугольных импульсов. Выход компаратора 59 подключен к затвору управляемого ключа 57 и через инвертирующий блок 60 (схема "НЕ") к затвору управляемого ключа 56. Блок 46 обеспечивает формирование на собственном выходе Вых1 сигналов, пропорциональных среднеквадратичному значению сигнала, поступающего на вход Вх1, причем процесс формирования сигнала на выходе Вых1 синхронизируется сигналом, поступающим с датчиков 34 и 35 на вход Вх2 блока 46.
Второй детекторный блок 48 представляет собой выпрямитель (детектор), выполненный, например, по схеме, изображенной на фиг. 8.
Блок 47 обеспечивает нормирование сигнала, поступающего с выхода Вых1 блока 46, путем вычисления отношения двух сигналов, поступающих соответственно с выхода Вых1 блока 46 и с выхода Вых1 блока 48. Схема реализации блока 47 изображена на фиг. 9. Операция нормирования позволяет исключить из информационного сигнала, поступающего на вход Вх1 блока 47, погрешности, обусловленные нестабильностью амплитудного значения угловой скорости ωp колебаний рамы 8 (измерительного участка 2). После выполнения операции нормирования сигнал на выходе Вых1 блока 47 пропорционален скорости расхода массы измеряемой среды (Uвых47 = mсYс).
Блок 50 представляет собой интегратор, выполненный, например, по схеме, изображенной на фиг. 10. Блок 50 содержит аналого-цифровой преобразователь 61, а также счетчик импульсов 62. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 61 содержит компаратор 63, к первому входу Вх1 которого подключен выход Вых1 блока 47. Выход Вых1 блока 63 подключен ко входу Вх1 блока 64, выполняющего логическую функцию "И". В состав блока 61 входит также генератор 65 тактовых импульсов (прямоугольных по форме), выход Вых1 которого подключен ко входу Вх1 формирователя 66 импульсов пилообразной формы и ко второму входу Вх2 блока 64. Выход Вых1 формирователя 66 подключен ко входу Вх2 компаратора 63. Кроме того в состав блока 61 входит генератор 67 счетных импульсов, значение длительности которых значительно меньше, а значение частоты следования значительно больше соответственно значений длительности и значения частоты следования импульсов на выходе Вых1 генератора 65 (в 20-100 раз). Выход Вых1 генератора 67 подключен ко входу Вх3 блока 64.
Количество импульсов, прошедшее в единицу времени с генератора 67 на выход Вых1 блока 64, в данной схеме (фиг. 10) пропорционально значению напряжения на входе Вх1 компаратора 63, а суммарное количество импульсов, подсчитанное счетчиком 62, прямопропорционально интегралу от скорости изменения массового расхода, т.е. пропорционально значению расхода Qm измеряемой среды.
В состав блока 50 входит также блок 68 отображения информации (цифровое табло), на котором отображается цифровое значение массового расхода Qm. Блок 68 может быть выполнен, например, на элементах АЛС 324.
Устройство для измерения расхода массы работает следующим образом.
При включении электропитания блока 16 (фиг. 2) в колебательном контуре, образованном обмотками датчиков 34, 35 угловой скорости, блоком 49, вторым устройством (элементы 29, 30, 32, с. фиг. 1, 2) для возбуждения колебаний трубы 1 и рамой 8 с упругими элементами 10 и 11, возникают автоколебания, вследствие чего рама 8 совершает колебания с угловой скоростью ωp (фиг. 11) относительно основания 5 вокруг оси 0-0. Значение частоты ωp колебаний определяется преимущественно жесткостью упругих шарниров 11 и 12 и суммарной массой рамки 8 с присоединенными к ней элементами (частота колебаний реального устройства-макета расположена в области 30 Гц). Форма сигналов, поступающих в блок 16 с датчиков 34 и 35, изображена на фиг. 12.
При отсутствии расхода Qm измеряемой среды через трубу 1 к измерительному участку 2 трубы 1 приложены силы, обусловленные исключительно центростремительным ускорением элементов конструкции, прикрепленных к кронштейну 13 (датчик 19, катушка 14). Масса указанных элементов конструкции выбрана таким образом, что центростремительные силы, приложенные к измерительному участку 2 трубы 1, взаимно компенсируются, и сигнал на выходе датчика 19 равен нулю (U19 = 0, см. фиг. 13).
При наличии расхода Qm измеряемой среды (изменяющегося, например, по экспоненциальной кривой) на измерительный участок 2 трубы 1 действует сила Кориолиса Fk (фиг. 14), которая обусловлена переносным движением измеряемой среды с угловой скоростью ωp в плоскости ML и относительным движением измеряемой среды по направлению оси L-L. Сила Fk совпадает по фазе с угловой скоростью ωp (фиг. 11, 14) и направлена по оси M-М. Так как жесткость совокупности элементов 21, 24, 22, 18, 23, 27, 28 в направлении оси М-М весьма велика по сравнению с жесткостью измерительного участка 2 трубы 1 в направлении оси М-М, то сигнал, выделяемый датчиком силы 19 (U19, см. фиг. 15) пропорционален силе Кориолиса, действующей на измерительный участок 2. Сигнал с датчика 19 через блок 45 поступает на обмотку катушки 14, при этом со стороны катушки 14 к измерительному участку 2 прикладывается сила F14 (фиг. 16), инверсная по фазе силе Fk, т.е. компенсирующая последнюю. Сигнал, пропорциональный значению тока, протекающего через обмотку катушки 14, т.е. пропорциональный силе Кориолиса Fk, снимается с шунта 51 (выход Вых2 блока 45, см. фиг. 6) и поступает на вход Вх1 блока 46. Таким образом, совокупность элементов 8, 13, 21, 24, 22, 18, 23, 27, 28, 14, 17 обеспечивает совместно с блоком 45 непосредственное измерение силы Кориолиса.
Измерительный участок 2, датчик 19, блок 45 и первый возбудитель колебаний трубы 1 (включающий катушку 14 и магнитопровод 17) образуют компенсационный измерительный преобразователь, который обеспечивает высокую точность (как следствие высокой стабильности) измерений, так как в данном случае стабильность преобразователя определяется преимущественно стабильностью параметров катушки 14 и магнитопровода 17, малозависящих от внешних условий (температуры, давления и т.п.), а нестабильность других звеньев преобразователя (датчик 19, блок 45) незначительно влияет на точность преобразования.
Блок 46 выделяет среднеквадратичную составляющую сигнала, поступающего с датчика 19, причем эта операция синхронизируется сигналом, поступающим с датчиков угловой скорости 34 а 35, чем повышается точность измерений, за счет отсекания посторонних составляющих сигнала U19, асинхронных (т.е. не связанных с силой Fk) сигналу угловой скорости ωp. На выходе Вых1 блока 46 сигнал Uвых1 46 имеет вид, изображенный на фиг. 17.
На выходе Вых1 блока 48 сигнал пропорционален среднеквадратичному значению угловой скорости ωp (фиг. 17).
Отношение сигналов, присутствующих на выходах блоков 46 и 48 вычисляется блоком 47 (фиг. 18).
С выхода Вых1 блока 47 сигнал поступает на вход АЦП 61 блока 50. В АЦП 61 преобразуемый сигнал сравнивается по значению на компараторе 65 с линейно нарастающим фронтом пилообразных импульсов (фиг. 19), формируемых блоком 66 из импульсов прямоугольной формы, поступающих с выхода Вых1 блока 65 (фиг. 20). При UВх1>UВх2 на выходе Вых1 компаратора 63 сигнал находится на уровне логической "1" (фиг. 21). В момент прихода на вход Вх2 блока 64 очередного тактового импульса (фиг. 20) на выход блока 64 через его вход Вх3 начинают поступать счетные импульсы, формируемые блоком 67 (фиг. 23).
В момент равенства значений сигналов на входах Вх1 и Вх2 блока 63 уровень сигнала на выходе Вых1 блока 63 падает до уровня логического "0" (фиг. 21), вследствие чего прохождение счетных импульсов на выход Вых1 блока 64 прекращается. Таким образом, компаратор 63 обеспечивает преобразование напряжения, поступающего на его вход Вх1 в пропорциональный интервал времени, а продолжительность единичного состояния блока 64 (т.е. состояния, в течение которого счетные импульсы поступают на вход блока 64) и суммарное количество счетных импульсов, прошедшее на выход блока 64, пропорционально значению напряжения на входе Вх1 компаратора 63. Далее импульсы поступают на вход счетчика 62 (фиг. 10), а количество подсчитанных импульсов отображается на цифровом табло блока 68.
Рассмотренная конструкция устройства для измерения расхода массы обеспечивает высокую точность и широкий динамический диапазон измерений, что обеспечивается непосредственным измерением значения силы Кориолиса при работе устройства.
В заявленном устройстве динамический диапазон измерений (для варианта конструкции с внутренним диаметром трубы, равным 7 мм) составляет 2500 : 1 (порог чувствительности 0,4 г/с, максимальный расход 1000 г/с), при этом относительная погрешность измерений не превышает во всем диапазоне измерений 0,5%.
Использование в измерительной технике для непрерывного измерения расхода массы газа или жидкости в нефтедобывающей, химической, пищевой отраслях промышленности. Сущность изобретения: устройство содержит S-образную трубу, прямолинейный центральный участок, кронштейны, массивное основание, раму, петлевые участки с концами, упругие шарниры, электрическую катушку, электронный блок, катушку, магнитопроводы, датчик силы, упругие элементы, перемычки, обмотку магнитопровода, якори, датчики угловой скорости с цилиндрическими магнитами и обмотками, фланцы, блок компенсирующей системы, первый и второй детекторные блоки, нормирующий блок, усилительный и интегрирующий блоки. Технический результат - повышение точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 23 ил.
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| Патент США N 4422388, G 01 F 1/84, 1983. | |||
