СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01F1/58 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения расхода жидких сред с помощью электромагнитных расходомеров.

Известные способы определения расхода жидкости с использованием электромагнитных расходомеров включают возбуждение электромагнитного поля в потоке контролируемой жидкости, измерение наведенной ЭДС и формирование информационного сигнала, пропорционального расходу контролируемой жидкости (см. пат. США N 3479871, 73-194, 1969).

Недостатком известных способов определения расхода является их высокая энергоемкость, обусловленная тем, что величину напряженности возбуждаемого поля (величину тока возбуждения) выбирают из условия достижения максимально допустимой для данного прибора погрешности исходя из наихудших условий применения, т.е. максимальной.

Наиболее близким к предложенному является способ определения расхода жидкости, включающий возбуждение электромагнитного поля в потоке контролируемой жидкости, измерение наведенной на системе электродов ЭДС, формирование информационного (выходного) сигнала по измеренной величине ЭДС (этот сигнал пропорционален измеряемому расходу жидкости) и регулировку напряженности возбуждаемого электромагнитного поля в зависимости от интенсивности флуктуаций расхода из условия постоянства отношения сигнал/шум информационного сигнала (см. а.с. N 761838, G 01 F 1/58, 1978).

Недостатком известного способа также является невозможность минимизировать мощность, затрачиваемую на возбуждение электромагнитного поля в потоке контролируемой жидкости. Это объясняется тем, что отношение сигнал/шум информационного сигнала не является единственной составляющей погрешности способа и не является достаточно информативной величиной для определения минимально допустимого текущего значения тока возбуждения, поскольку на величину погрешности влияют также параметры измерительного тракта, контролируемой и окружающей среды, режимные параметры и т.п. Кроме того, в известном способе осуществляется стабилизация отношения сигнал/шум, но не учитывается зависимость допустимой погрешности от текущего значения расхода. Это означает, что величина тока возбуждения устанавливается исходя из наихудших условий измерения и максимальных значений расхода, т.е. всегда завышается.

Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования предлагаемого способа, является снижение затрат энергии на возбуждение электромагнитного поля в потоке контролируемой жидкости.

Указанный результат достигается тем, что в способе определения расхода жидкости, включающем возбуждение электромагнитного поля в потоке контролируемой жидкости, измерение наведенной на системе электродов ЭДС, формирование информационного сигнала по измеренной величине ЭДС и регулировку напряженности возбуждаемого электромагнитного поля, указанную регулировку величины напряженности возбуждаемого электромагнитного поля производят в зависимости от текущего значения скорости потока контролируемой жидкости, определяемого по полученным значениям ЭДС, из условия достижения минимума напряженности возбуждаемого электромагнитного поля при заданной для данного текущего значения скорости потока контролируемой жидкости величине погрешности информационного сигнала.

Кроме того, при определении минимума напряженности возбуждаемого электромагнитного поля учитывают динамику изменения скорости потока контролируемой жидкости, и/или параметры контролируемой жидкости, и/или параметры процесса измерения, и/или параметры, характеризующие условия измерения скорости потока контролируемой жидкости.

Кроме того, регулировку величины напряженности возбуждаемого электромагнитного поля осуществляют в заданном диапазоне.

При этом постоянные времени при регулировке напряженности возбуждаемого электромагнитного поля и/или задании величины погрешности информационного сигнала не превышают постоянной времени информационного сигнала.

Рекомендуется также, чтобы в процессе регулировки величины напряженности возбуждаемого электромагнитного поля его изменяли обратно пропорционально текущему значению скорости потока контролируемой жидкости.

Допускается также, чтобы в процессе регулировки величины напряженности возбуждаемого электромагнитного поля учитывали суммарную прогнозируемую величину погрешности информационного сигнала.

На фиг. 1 приведена блок-схема, поясняющая две возможных реализации устройства для осуществления предлагаемого способа, на фиг. 2 показаны зависимости погрешности и тока возбуждения от скорости потока контролируемой жидкости. Устройство, показанное на фиг.1 содержит систему 1 электродов (два и более электродов), входной преобразователь (АЦП) 2 (одно- или многоканальный), блок 3 обработки, интеграторы 4, 5, блок 6 задания погрешности, блок 7 памяти, функциональный преобразователь 8, выходной преобразователь (ЦАП) 9 (также одно- или многоканальный). Элементы 3-8 образуют процессор 10 с выходной шиной 11 и информационным входом (шиной) 12. Через корпус 13 измерителя протекает поток 14 контролируемой жидкости. Выход преобразователя 9 соединен со входом блока 15 возбуждения. Элементы 1-4 соединены последовательно и образуют измерительный канал. Выход блока 3 соединен также со входом интегратора 5, выход которого подключен к первому входу блока 6, второй вход которого соединен с шиной 12, а третий - с выходом блока 7. Вход преобразователя 8, последовательно соединенного с преобразователем 9 и блоком 15, подключен к выходу интегратора 5. Второй вход преобразователя 8 соединен с выходом блока 6.

Примеры осуществления способа рассмотрим при описании работы устройства. С помощью блока 15 в рабочем сечении корпуса 13 возбуждается электромагнитное поле. В результате, при протекании потока 14 на системе 1 возникает наведенная ЭДС, амплитуда которой зависит от скорости потока жидкости.

Код (или сигнал), пропорциональный величине ЭДС, поступает на вход процессора 10, где из него формируется величина, пропорциональная скорости потока q, и рассчитывается расход Q. Процессор 10 формирует также код (сигнал), поступающий на преобразователь 9 и определяющий напряженности возбуждающего поля (ток возбуждения). В этой части устройство работает как любой известный электромагнитный расходомер. Однако в отличие от известных решений в предложении производится регулировка (снижение) тока возбуждения до минимально возможного (с точки зрения затрат мощности) значения с учетом диапазона, в котором находится текущее значение q, функции, связывающей величину (амплитудное значение) тока и суммарную погрешность измерения, максимально допустимую для данного диапазона погрешность и внешней информации. Например, если процессор 10 определяет, что скорость потока в данный момент равна q₁, а расход соответственно Q₁, что соответствует диапазону "А", для которого суммарная погрешность не должна превышать в резервном режиме величины δ_pa, а в основном - δ_oa, из памяти извлекаются коэффициенты k₁, k₂, связывающие ток возбуждения и суммарную погрешность с величиной скорости потока, после чего ток устанавливается равным k₁/q при условии, что k₂/q не превышает величины δ_pa(δ_oa) для резервного (основного) режима (информация о режиме поступает на шину 12 извне).

Независимо от того, выполнен процессор 10 в виде микропроцессорного цифрового блока или аналоговым, его работа может быть описана с использованием блок-схемы, показанной на фиг.1 и отражающей в первом случае один из возможных алгоритмов, а во втором - блок-схему с соответствующими элементами. Поэтому рассмотрим работу устройства, изображенного на фиг.1, более подробно.

Информационная составляющая сигнала выделяется в блоке 3 и после масштабирования и интегрирования с постоянной времени t₁ поступает на выходную шину 11, определяя расход Q контролируемой жидкости. Тот же сигнал после интегрирования с меньшей постоянной времени t₂ (скорость потока q) поступает в блок 8, где в простейшем случае осуществляется формирование обратного сигнала, через преобразователь 9, управляющего током возбуждения блока 15. В результате при возрастании скорости потока напряженность возбуждаемого поля (а значит и затраты энергии на его возбуждение) снижаются, обеспечивая в то же время нахождение погрешности измерения в заданном диапазоне.

В более сложном случае при формировании тока возбуждения учитываются допустимые значения погрешности, хранящиеся в блоке 7 или поступающие на шину 12. В частности, если канал измерения расхода работает в составе более сложного устройства, требования к величине текущей погрешности измерения расхода могут формироваться исходя из вклада данной погрешности в суммарную.

Например, если упомянутое более сложное устройство переводится в режим ожидания, в котором допустимо контролировать расход с точностью в N раз меньшей, чем в рабочем режиме, величина N поступает на шину 12 и в блоке 6 формируется f(N)=M по заранее экспериментально определенной или рассчитанной зависимости погрешности измерения расхода от величины тока возбуждения, а в блоке 8 формируется уже не величина l/q, как в вышеприведенном примере, а величина l/q•М, что позволяет еще в М раз снизить затраты энергии. Помимо этого блок 6 может производить непрерывное сравнение текущего значения скорости потока q с значениями, хранящимися в блоке 7 и при достижении фиксированных значений скорости потока осуществлять дополнительное подиапазонное снижение управляющего сигнала в n_i раз, поступающего на вход преобразователя 9, так что коэффициент преобразования блока 8 примет вид l/q•M•n_i. Разумеется, в преобразователе 8 может происходить формирование и существенно более сложных зависимостей вида F(q,f,n_i), например, его выходной сигнал может иметь вид: k ∫ [1/(q)^2/3•M+bn2i

Преимущества предлагаемого способа иллюстрирует фиг.2, на которой показаны номинальное значение погрешности (ступенчатая функция), реальная зависимость погрешности от скорости потока (пунктирная линия) и зависимость тока возбуждения от скорости потока (жирная линия). Из рассмотрения фиг.2 явствует, что предлагаемый способ обеспечивает значительное снижение мощности, расходуемой на возбуждение электромагнитного поля, обеспечивая в то же время и повышение точности.

Как отмечено выше, наиболее целесообразно использовать в качестве преобразователей 2 и 9 соответственно аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП) преобразователи, а процессор 10 выполнить в виде цифрового сигнального процессора. В этом случае задача формирования необходимой зависимости тока возбуждения от текущего значения скорости потока и ее уточнения в процессе настройки прибора существенно упрощается.

Следует пояснить также, что формирование сигнала, пропорционального скорости потока, производится в блоке 3 по любому из известных алгоритмов, а интегратор 5 в устройстве может отсутствовать, если текущее значение выходного сигнала блока 3 с достаточной степенью точности пропорционально величине q.

В процессе регулировки тока целесообразно поддерживать его в заданном диапазоне, нижний предел которого определен исходя из величины максимально допустимой для данного прибора погрешности, а верхний - величиной максимально допустимой мощности.

Вышеприведенное соотношение постоянных времени (постоянные времени при регулировке напряженности возбуждаемого электромагнитного поля и/или задании или учете величины погрешности информационного сигнала не превышают постоянной времени информационного сигнала) обеспечивает устойчивость средств измерения при осуществлении способа. Реализуется это выбором быстродействия элементов 3,5,6,7 и 8 выше, чем интегратора 4.

Рассмотрение всех вышеприведенных примеров реализации предлагаемого способа позволяет сформулировать существо предложения и, соответственно, алгоритм работы процессора в самом общем виде следующим образом. Как и в известном способе, процессор 10 непрерывно (разумеется непрерывность в цифровом сигнальном процессоре не исключает квантования по уровню и времени) производит формирование выходного сигнала, пропорционального расходу контролируемой жидкости. Кроме того, как и в известном способе, процессор 10 непрерывно задает величину тока возбуждения. Однако в предложенном способе, в отличие от известных, эта величина тока возбуждения переменная и определяется как минимум функции от целого ряда аргументов, одним из которых является текущее значение скорости потока. Другими аргументами могут быть такие величины, как текущая скорость изменения скорости потока (определяется процессором 10 как величина приращения скорости потока), текущее значение проводимости среды (определяется процессором 10 по разности потенциалов между соответствующей парой электродов системы 1, на которые подается ток и которая поступает в процессор 10 через преобразователь 3, или поступает на шину 12), электрохимическая ЭДС (также вычисляется в процессоре 10 по разности потенциалов между соответствующей парой электродов системы 1 или поступает на шину 12), температура окружающей среды (вычисляется процессором по величине ЭДС соответствующего сенсора, поступающей через преобразователь 3, или поступает на шину 12), период дискретизации (квантования) по времени при измерении наведенной ЭДС (q) на системе электродов 1 (задается процессором 10 или является константой для данной реализации), режимные параметры (задаются по шине 12) и прочие факторы, характеризующие контролируемую среду, измерительный тракт и условия измерения и оказывающие влияние на текущую величину погрешности, например, номинальное (заданное) значение погрешности для соответствующего диапазона, требуемое быстродействие и т.д. Данная функция задает минимально допустимое (или близкое к таковому) значение тока возбуждения, позволяющее обеспечить заданную для каждого значения скорости потока величину суммарной погрешности измерения, в зависимости от комплекса текущих значений параметров контролируемого сигнала и процесса измерения. Таким образом, в предлагаемом способе в каждый данный момент времени, т.е. для каждого текущего значения скорости потока и всех прочих учитываемых параметров определяется текущее значение погрешности, сравнивается с заданным, после чего параметры измерительного тракта (шаг квантования по времени и/или ток возбуждения) корректируются до момента, когда погрешность измерения окажется меньше заданной, а ток минимальным. Указанную функцию от множества перечисленных аргументов определяют заранее расчетным или экспериментальным путем и заносят в память процессора 10 в виде таблицы или расчетного выражения. В простейшем случае это позволяет каждому текущему значению скорости потока поставить в соответствие минимальное значение тока возбуждения, при котором погрешность измерения еще не превышает заданную для данной точки. В более сложном случае это позволяет дополнительно снизить ток возбуждения за счет вариации периода квантования, учета динамики контролируемого сигнала, условий измерения, параметров контролируемой жидкости и прочих условий, измеренных или заданных извне. При этом следует пояснить, что поскольку величина тока возбуждения связывается в данном случае с величиной энергозатрат на возбуждение поля, т.е. некоторым средним, действующим значением тока, а погрешность измерения зависит от амплитудного значения тока в момент осуществления очередного отсчета, выше под термином "величина тока" понимается соответствующая из указанных величин: при расчете точности учитывают амплитуду тока, а при определении минимального значения тока исходят из его энергетических характеристик, среднего, действующего значения. Возможность такого подхода следует из наличия известной связи амплитудного и действующего значений тока при известности (заданности) формы его импульсов (временной диаграммы).

Из вышеприведенных примеров ясно, что под минимумом напряженности возбуждаемого поля понимается не абсолютный минимум, а относительный, достижимый при используемом алгоритме учета скорости потока, заданной погрешности и внешней информации. Однако при любом заданном алгоритме предлагаемый способ обеспечивает существенное снижение энергозатрат при определении расхода различных сред, что особенно важно при создании расходомеров с автономными источниками питания, приборов, предназначенных для работы в труднодоступных местах или миниатюрных измерителей расхода.

Изобретение может быть использовано для определения расхода диэлектрических и слабопроводящих жидких сред с помощью электромагнитных расходомеров с автономным источником питания. При определении расхода производят регулировку напряженности возбуждаемого электромагнитного поля в зависимости от текущего значения скорости потока контролируемой жидкости, а также динамики изменения скорости потока, параметров контролируемой жидкости или параметров, характеризующих условия измерения. Регулировку осуществляют из условия достижения минимума напряженности возбуждаемого электромагнитного поля при заданной для данного текущего значения скорости потока величине погрешности информационного сигнала. Изобретение обеспечивает значительное снижение энергозатрат. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения расхода жидкости, включающий возбуждение электромагнитного поля в потоке контролируемой жидкости, измерение наведенной на системе электродов ЭДС, формирование информационного сигнала по измеренной величине ЭДС и регулировку напряженности возбуждаемого электромагнитного поля, отличающийся тем, что указанную регулировку величины напряженности возбуждаемого электромагнитного поля производят в зависимости от текущего значения скорости потока контролируемой жидкости, определяемого по полученным значениям ЭДС, из условия достижения минимума напряженности возбуждаемого электромагнитного поля при заданной для данного текущего значения скорости потока контролируемой жидкости величине погрешности информационного сигнала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении минимума напряженности возбуждаемого электромагнитного поля учитывают динамику изменения скорости потока контролируемой жидкости, и/или параметры контролируемой жидкости, и/или параметры, характеризующие условия измерения скорости потока контролируемой жидкости. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в процессе регулировки величины напряженности возбуждаемого электромагнитного поля его изменяют обратно пропорционально текущему значению скорости потока контролируемой жидкости.