Изобретение связано с созданием фильтрационной системы, а более конкретно относится к созданию фильтрационной системы снижения шумов для расходомера Кориолиса.
Известно, что расходомеры на эффекте Кориолиса позволяют произвести измерение массового расхода и получить другую информацию относительно потока материала в трубопроводе. В настоящее время известны такие расходомеры, например, в соответствии с патентом США N 4109524 с приоритетом от 29 августа 1978 г. и с патентом США N 4491025 с приоритетом от 1 января 1985 г., а также с патентом США Re. 31450 с приоритетом от 11 февраля 1982 г., все на имя Дж. Е. Смита и др., в которых имеется одна или несколько расходных трубок (трубок Вентури) прямой или изогнутой конфигурации. Каждая конфигурация расходной трубки (трубки Вентури) в массовом расходомере Кориолиса имеет набор собственных вибрационных мод (режимов), который может относиться к типу простого изгиба, кручения или к смешанному (связанному) типу. Каждая расходная трубка приводится в колебательное движение в резонансе на одной из этих собственных мод. Жидкость втекает в расходомер из смежного трубопровода на стороне впуска, направляется в расходную трубку или трубки и вытекает из расходомера на выпускной стороне расходомера. Собственные вибрационные моды вибрирующей, наполненной жидкостью системы трубок определяются частично комбинированной массой расходных трубок и жидкости (материала) внутри расходных трубок.
Когда в расходной трубке нет потока, все точки вдоль расходной трубки колеблются в одинаковой фазе в результате приложенной движущей (возбуждающей) силы. Но как только начинает протекать поток материала, то ускорения Кориолиса приводят к появлению различных фаз для каждой точки вдоль расходной трубки. Фаза на стороне впуска расходной трубки имеет запаздывание относительно фазы возбуждения (движущей силы), в то время как фаза на стороне выпуска имеет опережение относительно фазы возбуждения. На корпусе расходной трубки могут быть помещены датчики для выработки синусоидальных сигналов, несущих информацию относительно движения расходной трубки. Разность фаз между двумя сигналами датчиков пропорциональна массовому расходу жидкости, протекающей через расходную трубку.
Осложняющим фактором при этом измерении является изменение плотности типичных обрабатываемых жидкостей. Изменения плотности вызывают изменение частот собственных мод. Так как система управления расходомера поддерживает резонанс, при изменении плотности происходит изменение частоты колебаний. В этой ситуации массовый расход пропорционален отношению разности фаз и частоты колебаний.
В указанном патенте США Re. 31450 на имя Смита раскрывается расходомер на эффекте Кориолиса, в котором удается избежать необходимости измерения как разности фаз, так и частоты колебаний. Разность фаз в этом расходомере определена путем измерения временной задержки между пересечениями уровня двух синусоидальных сигналов. При использовании такого метода измерения изменения в частоте колебаний устраняются, а скорость массового расхода становится пропорциональной измеренной временной задержке. Поэтому в последующем изложении этот метод измерения именуется как измерение временной задержки или как Δt измерение.
Информация, касающаяся характеристик материала, протекающего в массовом расходомере Кориолиса, обычно вырабатывается прибором при измерениях разности фаз или временной задержки между двумя выходными сигналами датчиков расходомера. Эти измерения должны быть произведены с высокой степенью точности, так как часто ставится требование, чтобы полученная информация о массовом расходе имела точность по меньшей мере 0,15% отсчета. Указанные выходные сигналы расходомера являются синусоидальными и смещены во времени или по фазе на величину, которая определена силами Кориолиса, генерируемыми (вырабатываемыми) измерителем (расходомером) при протекании материала. Блок обработки сигналов, на который поступают эти выходные сигналы датчиков, с высокой точностью измеряет разность фаз и вырабатывает желательные характеристики протекающего обрабатываемого материала с требуемой точностью, которая составляет по меньшей мере 0,15% отсчета.
Для достижения указанной точности необходимо, чтобы блок обработки сигнала с высокой точностью производил измерение фазового сдвига двух сигналов, которые поступают на него от расходомера. Так как фазовый сдвиг между двумя выходными сигналами измерительного прибора (измерителя) представляет собой информацию, которая используется в блоке обработки для получения характеристик материала, то необходимо, чтобы блок обработки не вводил никакого фазового сдвига, который мог бы маскировать информационный фазовый сдвиг, создаваемый выходными сигналами измерителя. На практике необходимо, чтобы этот блок обработки имел чрезвычайно малый собственный присущий ему фазовый сдвиг, так чтобы фаза каждого выходного сигнала сдвигалась менее чем на 0,001o, а в некоторых случаях даже менее чем на несколько миллионных градуса. Указанная точность измерения фазы требуется, если нужно достичь точности выше 0,15% для производной информации, касающейся обрабатываемого материала.
Частоты выходных сигналов расходомера Кориолиса лежат в частотном диапазоне, в котором находятся большинство промышленных шумов (индустриальных помех). Кроме того, амплитуда выходных сигналов измерителя часто является малой и, во многих случаях, не превышающей амплитуду шумовых сигналов. Это лимитирует чувствительность расходомера и делает извлечение полезной информации достаточно трудной задачей.
В указанной ситуации разработчик может только сдвинуть частоту выходного сигнала расходомера вне полосы шума или увеличить амплитуду выходного сигнала. Применяемые на практике датчики Кориолиса и конструкции расходомеров построены с использованием компромиссных решений, что приводит к выработке выходного сигнала, имеющего отличающиеся от оптимального отношение сигнал/шум и динамический диапазон. Это ограничение определяет характеристики расходомера и его технические параметры, в том числе минимальный и максимальный расходы, которые надежно могут быть получены (определены) с использованием выходных сигналов расходомера.
Величина минимальной временной задержки, которая может быть измерена между двумя выходными сигналами расходомера Кориолиса при заданной частоте возбуждения, ограничена различными факторами, в том числе отношением сигнал/шум, сложностью построения блока обработки сигнала и экономическими соображениями, которые ограничивают стоимость и сложность блока обработки сигнала. Кроме того, для производства экономически выгодного расходомера нижний предел измерения временной задержки должен быть настолько низким, насколько это возможно. Блок обработки, на который поступают два выходных сигнала, должен позволять производить надежное измерение временной задержки между двумя сигналами, что дает возможность создания измерителя, обладающего высокой чувствительностью, необходимой для измерения характеристик расхода материала, имеющего низкую плотность и массу, такого, например, как газ.
Имеются ограничения, касающиеся того объема, в котором известные схемные решения сами по себе позволяют осуществлять точные измерения временной задержки во всех возможных условиях работы расходомера Кориолиса. Эти ограничения вызваны собственными шумами, имеющимися в любом электронном оборудовании в результате несовершенства полупроводниковых элементов и шумов, генерируемых другими электронными компонентами. Эти ограничения вызваны также шумами окружающей среды, которые аналогичным образом ограничивают точность измерения; эти шумы в определенной степени могут быть уменьшены при использовании техники экранирования, защиты, заземления и т.п. Другое ограничение связано с отношением сигнал/шум самих выходных сигналов датчиков.
При умелом проектировании схемы можно решить некоторые из проблем, связанных с шумами электронного оборудования, а также с шумами окружающей среды. Однако улучшение отношения сигнал/шум выходных сигналов не может быть достигнуто без использования фильтров. Однако фильтры ухудшают амплитудные и фазовые характеристики подлежащих обработке сигналов. Это нежелательно, так как временная задержка между двумя сигналами является базовой информацией, используемой для выработки характеристик обрабатываемой жидкости. Использование фильтров с неизвестными или переменными амплитудными и/или фазовыми характеристиками может недопустимым образом изменять фазовый сдвиг между выходными сигналами двух датчиков и препятствовать получению точной информации относительно протекающего материала.
Сигнал возбуждения расходомера обычно вырабатывается из одного из выходных сигналов датчика после его формирования и фазового сдвига с последующим созданием синусоидального напряжения возбуждения для обмотки возбуждения измерителя. Недостатком такого решения является то, что присутствующие в сигнале датчика гармоники и компоненты шума усиливаются и прикладываются к обмотке возбуждения, с последующим созданием колебаний расходных трубок на их резонансной частоте. Однако нежелательный сигнал возбуждения может генерироваться некоторыми механическими вибраторами, при этом электрические помехи подаются по цепи обратной связи в контур возбуждения измерителя и усиливаются в замкнутом контуре таким образом, что они создают относительно высокую амплитуду сигналов помехи, что дополнительно ухудшает точность измерения временной задержки.
Успешные решения некоторых из указанных выше проблем предложены в патенте США 5231884 на имя М. Золока и в патенте США 5228327 на имя Брюка. В этих патентах описан блок обработки сигнала расходомера Кориолиса, в котором использованы три идентичных канала, имеющих прецизионные интеграторы в качестве фильтров. Первый из этих каналов постоянно подключен к одному из датчиков (тензодатчиков) сигнала, например, к левому. Остальные два канала (второй и третий) попеременно в последовательные временные интервалы подключаются к правому датчику сигнала. В то время, когда один из этих каналов, например, второй канал, подключен к правому датчику сигнала, третий канал подключен, вместе с первым каналом, к левому датчику сигнала. Собственный фазовый сдвиг между первым и третьим каналами измеряется в течение первого временного интервала путем сравнения временной задержки между выходными сигналами двух каналов, которые теперь оба подключены к левому датчику. После определения этой характеристики задержки на время второго временного интервала изменяется роль третьего канала и второго канала, подключенных к правому датчику сигнала. В этой новой конфигурации производится калибровка характеристик задержки второго канала, в то время как третий откалиброванный канал подключен к правому датчику сигнала. Роли второго и третьего каналов поочередно переключаются при помощи блока управления ориентировочно раз в минуту. В течение этого промежутка времени (от 30 до 60 с) старение, температура и другие эффекты оказывают пренебрежимое воздействие на фазовый сдвиг фильтров, поэтому их фазовые соотношения известны и могут считаться определенными.
Точно откалиброванные интеграторы, использованные Золоком, обеспечивают улучшение отношения сигнал/шум до спада около 6 дБ на октаву амплитудно-частотной характеристики интегратора. К несчастью, это улучшение 6 дБ на октаву является недостаточным для всех условий, при которых работают расходомеры Кориолиса. Причина этого заключается в том, что однополюсный фильтр, такой как интегратор Золока, имеет относительно широкую полосу частот. В результате, шумовые сигналы, генерируемые нежелательными вибрационными модами трубки Вентури, шумы окружающей среды, шумы потока материала, а также электромагнитные или радиочастотные помехи, не устраняются в том объеме, который требуется для достижения высокой чувствительности измерителя, необходимой для получения высокой точности. В зависимости от частоты шумов их амплитуда в некоторой степени уменьшается, однако эти шумы все еще могут влиять на точность измерения временной задержки между двумя выходными сигналами датчиков в случае измерения материалов с малой массой, таких как газов.
Имеется и другой источник погрешности в системе Золока или Брюка. Измерения временной задержки интегратора производятся в трех (3) точно определенных точках синусоидальных сигналов датчиков. Два сигнала датчика являются идеальными, только если они имеют одну и ту же форму и если они симметричны в районе их пиковых значений. Однако если два магнитных устройства (датчика), которые вырабатывают сигналы датчиков, не являются идентичными, то результирующие неидеальные колебания могут содержать различные количества гармоник с возможными неопределенными фазовыми условиями, которые могут изменять форму колебаний и потенциально изменять их симметричный характер. Результат таких вариаций приводит к тому, что когда, при нормальной работе, производят калибровку интегратора Золока при помощи одной формы колебаний, а затем этот интегратор используют для измерения другой формы колебаний, то различие в форме колебаний может приводить к неопределенной ошибке неизвестной величины, вызванной содержащимися в сигнале гармониками и их неопределенными и изменяющимися фазами.
В настоящее время разработана такая техника, как цифровая обработка сигнала и фильтрация, позволяющая решить обсуждавшиеся выше проблемы и одновременно улучшить отношение сигнал/шум для обрабатываемых сигналов. Однако такая альтернатива является сложной и дорогостоящей, причем в некоторых случаях она вызывает необходимость прибегать к компромиссу, который делает использование такой техники далеким от идеала. Поэтому существует необходимость в такой обработке выходных сигналов расходомеров Кориолиса, при которой сохраняется исходный фазовый сдвиг между двумя выходными сигналами, причем сам по себе блок обработки не должен создавать никакого неизвестного и нежелательного фазового сдвига или другого изменения сигнала, который может воздействовать на точность выходной информации, вырабатываемой блоком обработки и касающейся характеристик материала, протекающего через расходомер.
Указанная выше проблема в соответствии с настоящим изобретением разрешена за счет предусмотрения дополнительных и улучшенных устройств и способов фильтрации выходных сигналов расходомера Кориолиса, по сравнению с той техникой, которая использована Золоком и Брюком. Интегрирующие усилители Золока представляют собой относительно широкополосные фильтры 6 дБ на октаву, которые в первую очередь эффективны для фильтрации существенно более высоких частот, чем частоты выходных сигналов измерителя; такие фильтры сохраняют точное значение фазового сдвига только при незначительной вариации компонентов. Так как такие фильтры не имеют острой частоты среза, то они не являются эффективными для снижения уровня и устранения шумовых сигналов, которые имеют частоты, близкие к частотам выходных сигналов расходомера. Таким образом, несмотря на то, что возможность самокалибровки в интеграторе Золока позволяет устранить ошибки, вызванные долговременным фазовым сдвигом, нежелательные шумовые сигналы, непосредственно смежные с частотой выходных сигналов, остаются на выходе схемы Золока.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается многополюсный фильтр, например, фильтр, имеющий восемь или более полюсов, стоящий перед прецизионными интеграторами типа Золока. Так как использован многополюсный фильтр, то он имеет резкую характеристику спада, обеспечивает узкую полосу пропускания и эффективно устраняет все шумовые сигналы, частота которых лежит вблизи от частоты сигналов датчиков расходомера. Использование многополюсных фильтров совместно со схемами Золока позволяет осуществить лучшую фильтрацию нежелательных сигналов, при этом обработанные выходные сигналы расходомера имеют существенно сниженный уровень нежелательных шумовых составляющих. Поэтому эти сигналы могут быть использованы для получения информации с повышенной точностью, имеющей отношение к различным характеристикам обрабатываемого материала.
Даже при использовании многополюсного фильтра все еще необходимо выполнять требование поддержания стабильности фазового сдвига менее 0,001o, чтобы временная задержка между двумя сигналами датчиков могла быть измерена с требуемой точностью. Многополюсные фильтры могут иметь неопределенный и неизвестный фазовый сдвиг, который может доходить до нескольких сот градусов или более. Обычно является проблемой ввод фильтра, имеющего большой и неизвестный фазовый сдвиг, составляющий несколько сот градусов или более, в контур, который осуществляет измерение временной задержки между двумя сигналами с точностью 0,001o или лучше. Однако несмотря на то, что фазовый сдвиг многополюсного фильтра является значительным и неизвестным, он сохраняется относительно постоянным в течение промежутка времени несколько минут. Так как система Золока осуществляет обычное предусмотренное в ней переключение и калибровку каналов, то эффективно устраняются любые ошибки, связанные с фазовым сдвигом между каналами.
Использование в системе Золока многополюсных фильтров с острой частотой среза позволяет получить результирующую систему, имеющую очень высокие характеристики дБ на октаву спада АЧХ, так что образуется фильтр с резкой границей среза, что позволяет устранить практически все нежелательные шумы из обработанных сигналов датчиков расходомера. Фазовый сдвиг собственно многополюсного фильтра не создает проблемы, так как он изменяется медленно в течение относительно длительного периода времени, по мере старения его активных и пассивных компонентов. Любой фазовый сдвиг детектируется раз в минуту при помощи схемы калибровки Золока, когда состояние (статус) переключаемых каналов изменяется в течение каждого последующего интервала с активного на резервное для калибровки, и наоборот.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что в схеме возбуждения может быть использован отфильтрованный сигнал датчика, из которого устранены нежелательные компоненты в результате фильтрации в соответствии с настоящим изобретением. Результирующий улучшенный синусоидальный сигнал возбуждения сам не возбуждает и не генерирует дополнительные нежелательные моды, которые могут содействовать зашумлению сигналов датчиков.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения могут быть лучше поняты из последующего описания, приведенного со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показана система измерения расхода материала на эффекте Кориолиса.
На фиг. 2 показаны некоторые дополнительные детали измерительного электронного блока для системы, показанной на фиг. 1.
На фиг. 1 показан расходомер (измерительный блок) на эффекте Кориолиса 10 и измерительный электронный блок 20. Измерительный электронный блок 20 подключен к расходомеру на эффекте Кориолиса 10 при помощи проводов 100 для получения информации о плотности, массовом расходе, объемном расходе и об обобщенном массовом расходе на выходе 26.
Измерительный блок 10 включает в себя два патрубка 110 и 110', трубные элементы 150 и 150', две параллельные расходные трубки (трубки Вентури) 130 и 130', механизм возбуждения (привода) 180, а также два датчика скорости 170L и 170R. Расходные трубки 130 и 130' имеют две главным образом прямых входных ветви 131 и 131' и выходных ветви 134 и 134', которые сходятся друг с другом в элементах 120 и 120', имеющих поверхности 121 и 121'. Скрепляющие штанги 140 и 140' определяют оси W и W', вокруг которых колеблется каждая расходная трубка.
Боковые ветви 131 и 134 расходных трубок 130 и 130' жестко связаны с поверхностями 121 и 121' элементов 120 и 120', которые, в свою очередь, жестко связаны с элементами патрубков 150 и 150'. Это обеспечивает непрерывный замкнутый поток материала через измерительный блок 10. Когда измерительный блок 10, имеющий фланцы 103 и 103' с отверстиями для жидкости 101 и 101', соединяют через впускной конец 104 и выпускной конец 104' с системой трубопровода (не показана), в которой течет подлежащий измерению обрабатываемый материал, то этот материал поступает в измерительный блок 10 через отверстие 101 во фланце 103 впускного конца 104 и через патрубок 110 и проходит по каналу с постепенно изменяющимся поперечным сечением к элементу 120, имеющему поверхность 121. Здесь материал разделяется и направляется через входные ветви 131 и 131' расходных трубок 130 и 130' и выходные ветви 134 и 134'. После выхода из ветвей 134 и 134', материал объединяется в единый поток в элементе 120', имеющем поверхность 121, а затем идет к выходному патрубку 150'. Внутри выходного патрубка 150' материал проходит по каналу, имеющему аналогичное впускному патрубку 150 постепенно изменяющееся поперечное сечение, к отверстию 101' и к выпускному концу 104'. Выпускной конец 104' соединен при помощи фланца 103', имеющего отверстия 102' под болты, с системой трубопровода (не показана).
Расходные трубки 130 и 130' выбраны и соответствующим образом установлены на элементах 120 и 120', таким образом, чтобы иметь одинаковое распределение массы, моментов инерции и модулей упругости относительно осей изгиба W-W и W'-W', соответственно. Эти оси изгиба расположены вблизи скрепляющих штанг 140 и 140' и элементов 120 и 120'. Скрепляющие штанги 140 и 140' с их осями W и W' образуют несинфазные (расфазированные) оси изгиба для расходных трубок 130 и 130' при их возбуждении от возбудителя 180. Элементы 120 и 120' представляют собой синфазные оси изгиба для расходных трубок 130 и 130'. Расходные трубки выходят наружу из установочных блоков главным образом параллельно и имеют главным образом одинаковое распределение массы, моментов инерции и модулей упругости относительно их соответствующих осей изгиба.
Обе расходные трубки 130 и 130' приводятся в движение возбудителем 180 в противоположных направлениях относительно их соответствующих осей изгиба W и W', что именуется первой несинфазной частотой собственных колебаний расходомера. Этот режим вибрации также именуется несинфазным режимом изгиба. Обе расходные трубки 130 и 130' колеблются несинфазно, как ветви камертона. Указанный механизм возбуждения 180 может иметь любое известное построение, такое, например, как включающее в себя магнит, установленный на расходной трубке 130', и расположенную напротив него катушку, установленную на расходной трубке 130, через которую протекает переменный ток для создания вибраций обеих расходных трубок. Соответствующий сигнал возбуждения поступает на механизм возбуждения 180 от измерительного электронного блока 20 по проводам 185.
Элемент возбуждения 180 и возникающие силы Кориолиса вызывают периодические колебания расходных трубок 130 относительно осей изгиба W и W'. Во время первой половины периода колебаний расходных трубок 130, смежные боковые ветви 131 и 131' принуждаются сдвигаться ближе друг к другу, чем их дополняющие боковые ветви 134 и 134', причем конец их перемещения достигается при прохождении их скорости через нуль, ранее аналогичного для дополняющих боковых ветвей. Во время второй половины периода колебаний Кориолиса происходит противоположное относительное движение расходных трубок 130, при этом смежные боковые ветви 134 и 134' принуждаются сдвигаться ближе друг к другу, чем их дополняющие боковые ветви 131 и 131', поэтому в результате конец перемещения ветвей 134 достигается при прохождении их скорости через нуль ранее аналогичного для ветвей 131 и 131'. Указанный временной интервал (который также именуется здесь как фазовый сдвиг при определенной частоте или разность времени или просто величина "Δt" ), который протекает от того момента, когда одна пара смежных боковых ветвей достигает их концевой точки перемещения, до того момента, когда дополняющая пара ветвей (то есть тех ветвей, которые ранее принуждались раздвигаться) достигает их соответствующей концевой точки перемещения, главным образом пропорционален скорости массового расхода обрабатываемого материала, протекающего через измерительный блок 10. Концевые точки перемещения соответствующих расходных трубок являются удобными точками для осуществления измерения Δt. Одно и то же значение Δt между двумя расходными трубками существует в полном диапазоне перемещений расходных трубок.
Для измерения временного интервала Δt используются датчики 170L и 170R, закрепленные на расходных трубках 130 и 130' вблизи их свободных концов. Могут быть использованы датчики любого известного типа. Сигналы, вырабатываемые датчиками 170L и 170R, создают профиль скорости (или смещения или же ускорения) полного перемещения расходных трубок и могут быть обработаны измерительным электронным блоком 20 при помощи любого из хорошо известных способов для получения временного интервала Δt и, затем, массового расхода материала, проходящего через расходомер.
При помощи датчиков 170L и 170R создаются правый и левый сигналы скорости на соответствующих проводах 165L и 165R. Разность времени Δt дает информацию о фазовом сдвиге между правым и левым сигналами скорости.
Сигналы левой и правой скорости поступают на электронный измерительный блок 20 по проводам 165L и 165R, соответственно. Электронный измерительный блок 20 также вырабатывает сигнал возбуждения, который прикладывается по проводу 185 к элементу возбуждения 180, который создает колебания расходных трубок 130 и 130'. Электронный измерительный блок 20 обрабатывает принятые сигналы левой и правой скорости для получения скорости массового расхода, объемного расхода и плотности материала, проходящего через измерительный блок 10.
Характеристики обрабатываемого материала, который протекает через расходомер 10, вырабатываются измерительным электронным блоком 20, который измеряет фазовый сдвиг или временную задержку Δt между двумя выходными сигналами датчиков 165L и 165R. Указанные измерения временной задержки могут быть произведены с высокой степенью точности. Имеется требование, чтобы полученная на выходе 26 блока 20 выходная информация о расходе обрабатываемого материала имела точность по меньшей мере 0,15% расхода.
Для достижения указанной точности измерения выходных сигналов необходимо, чтобы схема обработки сигнала в измерительном электронном блоке 20 с высокой точностью определяла фазовый сдвиг между выходными сигналами датчиков. Так как фазовый сдвиг между выходными сигналами датчиков представляет собой исходную информацию, на основании которой схема обработки сигнала вырабатывает информацию о характеристиках материала, необходимо, чтобы схема обработки сигнала в измерительном электронном блоке 20 не вводила никакого фазового сдвига, который мог бы маскировать или изменять фазовый сдвиг между выходными сигналами датчиков от расходомера. Необходимо, чтобы схема обработки сигнала имела постоянный или очень стабильный фазовый сдвиг, так чтобы фаза сигналов датчиков 165L и 165R сдвигалась менее 0,001 градуса и даже, в некоторых случаях, менее чем на несколько миллионных градуса. Указанная фазовая точность требуется в том случае, когда в измерительном электронном блоке 20 обеспечивается точность выше 0,15% для сигналов на выходе 26.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 2, на которой показано построение измерительного электронного блока 20 фиг. 1. Измерительный электронный блок 20 включает в себя схему возбуждения 27, которая линией 185 связана с катушкой возбуждения 180. Схема возбуждения 27 по линии 185 подает на катушку возбуждения 180 сигналы необходимой амплитуды и частоты, чтобы создать несинфазные колебания изгиба расходных трубок 130 и 130'. Схема 27 хорошо известна сама по себе, и так как ее специфическое построение не является частью настоящего изобретения, то она не обсуждается более подробно. Однако читатель может почерпнуть более подробную информацию о построении возбудителя 27 в патенте США 5009109 на имя П. Кэлотей и др. от 23 апреля 1991 г.; в патенте США 4934196 на имя П. Романо от 19 июня 1990 г.; в патенте США 4876879 на имя Дж. Раша от 31 октября 1989 г. Все указанные патенты являются собственностью заявителя настоящей заявки и в них описаны различные варианты построения схем возбуждения колебаний расходных трубок.
Измерительный электронный блок 20 также включает в себя схему измерения расхода 23, которая в ее левой показанной на фиг. 2 части подключена к датчикам 170L и 170R по линиям 165L и 165R и получает от них выходные смгналы. Фазовый сдвиг между двумя выходными сигналами датчиков представляет собой исходную информацию, на основании которой схема 23 вырабатывает точную информацию, касающуюся обрабатываемого материала. Сигналы от датчиков по линиям 165L и 165R поступают на мультиплексор 31, выходы которого 45, 55 и 65 подключены соответственно ко входам каналов 44, 54 и 64 (каналы A, B и C). Эти каналы работают описанным далее образом так, что совершают обработку сигналов датчиков и управляют работой счетчиков 74 и 76, на выходе которых получают фазовый сдвиг между выходными сигналами датчиков.
Выходные сигналы счетчиков 74 и 76 подаются по линии 87 на микропроцессор 80, который работает указанным далее образом и вырабатывает нужную информацию об обрабатываемом материале. Информация с выхода микропроцессора по линии 91 поступает на выходную (оконечную) схему 90, с которой по проводникам 263 и 262 информация подается на линию 26. Работой счетчиков 74 и 76, так же как и мультиплексора 31, управляет описанным далее образом логическая схема управления 72.
Каждый из каналов A, B и C содержит многополюсный фильтр, интегрирующий усилитель и по меньшей мере один детектор уровня. Выходной сигнал с многополюсного фильтра в каждом канале подается на интегрирующий усилитель канала, выход которого, в свою очередь, подключен к детектору уровня, выходные сигналы которого подаются на счетчики 74 и 76, которые измеряют временные интервалы между соответствующими изменениями в выходных сигналах детектора в виде числа импульсов задающего генератора. Выходным сигналом счетчика является значение Δt, которое изменяется в соответствии с массовым расходом обрабатываемой жидкости (или газа). Результирующее значение Δt и результаты подсчета по линии 87 подаются на микропроцессор 80, который при поступлении этой информации вычисляет массовый и объемный расходы, а также плотность и другую желательную выходную информацию, касающуюся обрабатываемого материала.
Схемы, входящие в каналы 44, 54 и 64, могут вводить собственный фазовый сдвиг в информацию о массовом расходе, вырабатываемую процессором 80. Схема каждого канала не только обладает различным значением внутреннего фазового сдвига между входом многополюсного фильтра и выходом детекторов уровня, но этот фазовый сдвиг является зависящим от температуры и часто изменяется от одного канала к другому в результате воздействия температуры, старения и т. п. Эти изменения приводят к неконтролируемой разности фаз (сдвигу) между каналами, которая сама по себе может проявляться как компонент ошибки в измеренной величине Δt входных сигналов 165L и 165R. Так как величина Δt входных сигналов является относительно малой, то фазовая ошибка, вводимая электроникой каналов, может быть существенной.
Для устранения недостатков, связанных с электроникой каналов, в схему фиг. 2 включены элементы, указанные в упоминавшемся ранее патенте США 5231884 на имя Золока; этот патент включен в данное описание в качестве ссылки. Схема фиг. 2 включает в себя, в частности элементы, показанные на фиг. 3-A и 3-B патента Золока. В результате схема фиг. 2 включает в себя такие технические решения, которые делают значения массового расхода и скорости массового расхода, вырабатываемые расходомером, главным образом нечувствительными к фазовым ошибкам, вводимым схемами обработки каналов A, B и C фиг. 2. Показанные на фиг. 2 схемы не вводят никакого нежелательного фазового сдвига, который мог бы маскировать информацию о фазовом сдвиге, получаемую с выходов датчиков по линиям 165L и 165R. Информация о фазовом сдвиге, получаемая схемой измерения расхода 23 по линиям 165L и 165R, обрабатывается с высокой точностью и без введения нежелательных фазовых сдвигов от электронных схем каналов. В результате обработанные выходные сигналы, которые подаются от счетчиков 74 и 76 по линии 87 на микропроцессор 80, отображают информацию о таком же фазовом сдвиге, как и фазовый сдвиг от датчиков по линиям 165L и 165R. Это позволяет микропроцессору 80 вырабатывать точную информацию о характеристиках обрабатываемого материала, который протекает в трубках расходомера.
Схема фиг. 2 позволяет точно измерять и эффективно устранять собственный фазовый сдвиг в трех каналах A, B и C. Мультиплексор 31 подключает два выходных сигнала расходомера, поступающие по линиям 165L и 165R, одновременно ко входам двух из трех каналов. Канал C постоянно подключен к линии 165L. Входы двух других каналов A и B поочередно по одному подключаются в течение последующих временных интервалов к линии 165R. В положении, показанном на фиг. 2, сигнал правого датчика по линии 165R подключен через контакты f и e переключателя и через линию 65 ко входу канала B. В течение последующего временного интервала замкнуты контакты d и f переключателя и линия 165L подключена через линию 65 ко входу канала B. Переключаемый канал, такой как B, когда он подключен к линии 165L, то он является активным каналом. Другой переключаемый канал A является активным каналом, когда он подключен к линии 165R. Переключаемые каналы A и B находятся в состоянии калибровки, когда они переключаются и подсоединяются к линии 165L, к которой постоянно подключен канал C.
Выходные сигналы трех каналов A, B и C подключены проводниками 49, 69 и 59 ко входам счетчиков 74 и 76. По этим линиям на счетчик 74 подаются входные сигналы с выходов каналов A и C, а на счетчик 76 подаются входные сигналы с выходов каналов C и B. Это позволяет счетчику 74 измерять фазовый сдвиг между выходными сигналами каналов A и C, а счетчику 76 соответственно измерять фазовый сдвиг между выходными сигналами каналов C и B. Собственный фазовый сдвиг между каналами B и C, когда канал B находится в состоянии калибровки, измеряется при подключении входа канала B к линии 165L через контакты f и d, причем выходные сигналы каналов B и C подаются на счетчик 76, который и измеряет этот фазовый сдвиг. Так как оба канала подключены к одному и тому же входу, то измеренный фазовый сдвиг между выходными сигналами каналов B и C вызван внутренними элементами этих двух каналов. Собственный фазовый сдвиг между каналами A и C измеряется аналогичным образом, когда вход канала A через контакты c и b переключателя подключается к линии 165L. Фазовый сдвиг между выходными сигналами двух каналов подается по линиям 49 и 59 на счетчик 74 и измеряется им. Разность фаз, измеренная счетчиками 74 и 76, когда связанные с ними каналы A или B находятся в состоянии калибровки, передается по линии 87 на ЗУПВ 83 микропроцессора 80. Полученная калибровочная информация затем хранится в ЗУПВ 83.
Указанным образом фаза каждого неактивного канала измеряется путем сравнения выходного сигнала этого канала с выходным сигналом канала C. Соответственно, когда в течение последующего временного интервала не активный ранее канал переключается в активное состояние, то его собственный фазовый сдвиг, который теперь запомнен в ЗУПВ 83, алгебраически складывается с выходной информацией счетчиков 74 и 76, что позволяет определить истинный фазовый сдвиг между двумя входными сигналами 165L и 165R.
Для того временного интервала, в течение которого канал A является активным, выходной сигнал счетчика 74 отображает фазовый сдвиг между сигналами по линиям 165L и 165R, так же как и фазовую ошибку, вызванную собственным фазовым сдвигом между каналами A и C. Однако собственный фазовый сдвиг активного канала A по отношению к каналу B является известным и хранится в ЗУПВ 83. Затем микропроцессор 80 по линии 87 получает измеренную фазовую задержку от счетчика 74. Эта измеренная фазовая задержка от счетчика 74 алгебраически складывается с коэффициентом коррекции фазовой задержки от ЗУПВ 83, в результате чего микропроцессор 80 выдает информацию об истинном значении фазового сдвига между сигналами 165L и 165R. Канал B работает по отношению к счетчику 76 аналогичным образом. При этом счетчик 76 вводит информацию калибровки фазового сдвига для канала B в ЗУПВ 83, когда канал B находится в состоянии калибровки, и определяет фазовый сдвиг между сигналами 165L и 165R для временного интервала, в течение которого канал B находится в активном состоянии. Затем два сигнала комбинируются микропроцессором 80 таким образом, чтобы определить истинный фазовый сдвиг между сигналами 165L и 165R, когда канал B является активным.
Канал B работает аналогично по отношению к своему счетчику 76, таким образом, что информация о собственной фазовой задержке для канала B запоминается в ЗУПВ 83, когда канал B находится в состоянии калибровки, при этом истинный фазовый сдвиг между сигналами 165L и 165R определяется тогда, когда канал B находится в его активном состоянии.
Так как каждый из пары каналов изменяет свое состояние ориентировочно раз в минуту, то комбинированная информация о текущем фазовом сдвиге от счетчиков 74 и 76 отражает истинную фазовую информацию, поступающую с выхода датчиков по линиям 165L и 165R. В связи с тем, что результаты измерения величины Δt для каждой пары активных каналов скорректированы на текущее значение собственной фазовой задержки каналов, то значения Δt не содержат никаких существенных фазовых ошибок, введенных за счет элементов электроники каналов.
Суммируя, можно сказать, что в схеме измерения расхода фиг. 2 использованы три канала A, B и C, что позволяет измерять разности фаз между каналами раздельно для каждой пары активных каналов, например, для каналов A и C и для каналов B и C. Каналы A и B именуются переключаемыми каналами. Канал C всегда подключен к линии 165L и именуется опорным каналом. Линия 165L подключена через мультиплексор 31 ко входу канала A в течение одного временного интервала, а затем ко входу канала B в течение следующего временного интервала. В течение временного интервала, когда канал, например, канал B, находится в состоянии калибровки и не подключен к линии 165R, его вход подключен параллельно со входом канала C к линии 165L. В течение этого временного интервала калибровки производится измерение фазового сдвига между каналами C и B. Выходные сигналы каналов C и B при этом подаются на вход счетчика 76, на выходе которого получают сигнал, отражающий собственный фазовый сдвиг между каналами B и C.
Все три канала могут обладать различными и не постоянными внутренними фазовыми сдвигами. Тем не менее, так как фазовый сдвиг для каналов A и B измеряется по отношению к эталонному каналу C, любое различие в фазовых сдвигах между каналами A-C и B-C известно. По окончании временного интервала калибровки для одного из каналов, например, для канала B, в течение следующего временного интервала производится переключение входа канала B, так что он становится активным. При этом канал A становится каналом калибровки и его вход подключается на время этого интервала в параллель со входом канала C к линии 165L.
Когда одна пара каналов, например, B и C, находится в состоянии калибровки, то другая пара каналов A и C находится в состоянии измерения и производит измерение фазового сдвига между сигналами по линиям 165L и 165R. Для каждой пары каналов измеренное на выходе счетчика, например, счетчика 74, значение Δt, отражающее фазовый сдвиг между сигналами по линиям 165L и 165R, скорректировано за счет алгебраического суммирования этого значения Δt с полученной ранее информацией о собственном фазовом сдвиге для тех же самых двух каналов, которая запомнена в ЗУПВ 83.
Два счетчика 74 и 76 переключают свое состояние (статус) одновременно с переключением каналов, например, один раз в минуту. Так, например, в течение временного интервала, когда канал A активен и подключен к линии 165R, счетчик 74 является активным счетчиком и его входы подключены к выходам каналов A и C. В это время канал B является каналом калибровки и счетчик 76 является счетчиком калибровки, так как его входы подключены к выходам каналов B и C для измерения собственного фазового сдвига между двумя каналами. Соответственно, в течение следующего временного интервала, когда статус каналов A и B переключается так, что канал B становится активным каналом, то счетчик 76 становится активным счетчиком, так как его входы подключены к выходам каналов B и C для измерения фазового сдвига сигналов датчиков по линиям 165L и 165R. Тогда счетчик 74 становится счетчиком калибровки, так как его входы подключены к выходам каналов A и C, входы которых в это время при помощи мультиплексора подключены к линии 165L. Выходной сигнал счетчика 74 в это время представляет собой собственный фазовый сдвиг между каналами A и C, в то время как выходной сигнал счетчика 76 отображает фазовый сдвиг между выходными сигналами датчиков по линиям 165L и 165R совместно с фазовой ошибкой, вызванной собственным фазовым сдвигом между каналами B и C. Однако этот собственный фазовый сдвиг был ранее измерен в течение предыдущего временного интервала и информация о фазовой ошибке была запомнена в ЗУПВ 83 микропроцессора 80. Когда микропроцессор 80 получает от счетчика 74 информацию о разности фаз, то он алгебраически компенсирует измеренную фазовую информацию с учетом запомненной в ЗУПВ 83 информации о собственном фазовом сдвиге каналов, в результате чего устраняется любая ошибка, вызванная различием собственных фазовых сдвигов в каналах. Это позволяет на выходе микропроцессора получить информацию о характеристиках обрабатываемого материала, базируясь только на фазовом сдвиге между сигналами, полученными от расходомера по линиям 165L и 165R.
Каждый из каналов A, B и C содержит многополюсный фильтр, интегрирующий усилитель и детектор уровня. Канал A содержит многополюсный фильтр 41, интегрирующий усилитель 46 и детектор уровня 48. Многополюсным фильтром может быть любой фильтр высшего порядка с относительно резким спадом, граничная частота которого лежит слегка выше частоты выходных сигналов датчика. Однако характеристики отрезания фильтра являются достаточно острыми для того, чтобы шумовые сигналы с частотой выше или ниже частоты сигналов датчика существенно ослаблялись. Многополюсный фильтр может содержать активные или пассивные элементы и может иметь неопределенный фазовый сдвиг, составляющий порядка нескольких сот градусов. Никакие требования не предъявляются к снижению долговременного дрейфа фазового сдвига многополюсного фильтра. Однако его кратковременные фазовые характеристики, например, в течение нескольких минут, являются относительно стабильными и не изменяются в существенной степени. Выход многополюсного фильтра подключен к интегрирующему усилителю 46, который представляет собой однополюсный фильтр с наклоном 6 дБ на октаву. Этот интегрирующий усилитель 46 используется в первую очередь как средство устранения любого смещения постоянного уровня сигнала на линии 42, соединяющей многополюсный фильтр 41 и интегрирующий усилитель 46. Указанное устранение смещения постоянного уровня на выходе интегрирующего усилителя необходимо для обеспечения точной работы детектора уровня 48.
Детектор уровня 48 представляет собой двухпороговый компаратор, который обеспечивает изменение уровня на его выходе при любом превышении сигналом от интегрирующего усилителя фиксированного положительного уровня или снижении этого сигнала ниже фиксированного отрицательного уровня.
Каждый из каналов A, B и C осуществляет главным образом одинаковую функцию. Однако детектор уровня 58 канала C представляет собой скорее однопороговый, а не двухпороговый компаратор, позволяющий детектировать пересечение выходным сигналом интегрирующего усилителя 56 нулевого уровня напряжения.
Логическая схема управления 72 управляет работой счетчиков 74 и 76, а также функциями переключения мультиплексора 31. Элемент 72 представляет собой устройство, которое определяет периодичность и последовательность временных интервалов и сопровождающих состояний. В соответствии с обозначениями, принятыми в математике, физике и в других научных дисциплинах, указанные временные интервалы могут быть определены как последовательности ---, n-1, n, n+1---. Логическая схема управления 72 работает совместно со счетчиками 74 и 76 для определения временных характеристик соответствующих пар каналов A-C и B-C. Логическая схема управления 72 образована элементами комбинаторной логики и другими элементами. После осуществления инициализации в течение интервалов циклов калибровки и переключения расходной трубки, логическая схема управления 72 вырабатывает и выдает сигналы по линии 34 для управления при помощи элемента управления 32 работой мультиплексора 31, таким образом, чтобы направлять сигнал с датчика 170R по линии 165R на входы каналов A и B в последовательные интервалы времени, так чтобы происходило циклическое переключение каналов с состояния калибровки в активное состояние. Кроме того, логическая схема управления 72 вырабатывает и выдает соответствующие сигналы по линиям 79 и 77 на сброс счетчиков 74 и 76 в начале каждого временного интервала.
При переключении логической схемы управления 72 между ее различными состояниями, она записывает свое текущее состояние во внутренний регистр (не показан), к которому по линии 85 имеет доступ микропроцессор 80. Микропроцессор 80 считывает информацию внутреннего регистра, что позволяет ему обрабатывать результаты подсчета счетчиков 74 и 76. В зависимости от режима, в котором работает каждая пара каналов, на микропроцессор 80 поступают результаты измерения разности фаз между каналами, а также значение Δt для каждой пары каналов. Микропроцессор 80 также выдает соответствующие сигналы по линиям 82 и 84 для управления работой логической схемы управления 72.
Микропроцессор 80 по линии 91 подключен к хорошо известной оконечной схеме 90, которая выдает по линии 263 ряд стандартных выходных сигналов, таких как 4-20МА выходные сигналы, а также преобразованную частотную информацию по линии 262. Линии 262 и 263 совместно образуют единую выходную линию 26, которая идет на известные схемы (не показаны), которые используются для обработки информации, поступающей со схемы фиг. 2 и касающейся обрабатываемого материала.
Микропроцессор 80 представляет собой широко известный имеющийся в продаже микропроцессор с существенным объемом памяти с произвольной выборкой (ЗУПВ) 83 и только считываемой памяти (ПЗУ) 86. Так как в его программе используется приводимая в действие определенными событиями архитектура задач, то имеющаяся в микропроцессоре 80 база данных облегчает легкую передачу и разделение во времени процессов измерения и вычисления данных. Так как результаты измерения времени содержат внутренние фазовые различия между каналами и величины Δt для каждой пары активных каналов, то микропроцессор 80 должен корректировать измеренные значения Δt для каждой пары каналов с учетом измеренного внутреннего фазового сдвига между парой текущих активных каналов.
Наличие многополюсного фильтра в каждом канале значительно усиливает возможности обработки сигнала в схеме фиг. 2. Причиной этого является то, что наличие многополюсного фильтра в каждом канале приводит к образованию узкополосного фильтра с резкой границей среза, который позволяет существенно снизить амплитуду шумовых сигналов, которые присутствуют в линиях 165L и 165R. Если в каналах не использовать многополюсный фильтр в соответствии с настоящим изобретением, то рабочая чувствительность расходомера ограничивается амплитудой шумовых сигналов. Имеющиеся в каждом канале интегрирующие усилители, такие как усилитель 46, мало чем могут помочь в решении этой проблемы, так как они представляют собой однополюсные фильтры с ослаблением 6 дБ на октаву. Это ослабление 6 дБ на октаву недостаточно для устранения шумовых сигналов, которые непосредственно примыкают по частоте к сигналам датчиков. Добавка многополюсных фильтров перед интегрирующими усилителями позволяет разрешить проблему шумов за счет резкого среза фильтра и ступенчатого ослабления принятых шумовых сигналов, находящихся в области, примыкающей к частоте выходных сигналов датчика. Поэтому использование предложенных многополюсных фильтров позволяет значительно снизить амплитуду шумовых сигналов на входах интегрирующих усилителей и, соответственно, на входах детекторов уровня 48, 58 и 68. Так как на входах детекторов уровня теперь в основном нет шумов, то они могут работать с улучшенной точностью при определении временных задержек между выходными сигналами датчиков, поэтому они могут обрабатывать меньшие временные задержки, чем известные ранее устройства.
Однако для интегрирующих усилителей требуется применение на входе устройств (схем) устранения сдвига постоянного уровня, который может присутствовать на выходах многополюсных фильтров.
Для получения дополнительной информации относительно функционирования схемы, показанной на фиг. 2, в том числе и программы обработки, используемой для управления работой микропроцессора 80, следует обратиться к упомянутому выше патенту США 5231884 на имя Золока. Следует также обратиться к упомянутому выше патенту США 5228327 на имя Брука для получения дополнительной информации, касающейся работы микропроцессора 80 и связанных с ним элементов.
Следует специально указать, что заявляемое изобретение может включать в себя любые модификации и изменения, которые не выходят за объем его патентных притязаний и соответствуют его духу. Например, изобретение было описано применительно к расходомеру, показанному на фиг. 1, однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается применением только расходомеров, показанных на фиг. 1. Может быть использован любой тип расходомера, который работает на эффекте Кориолиса и в котором могут быть применены одинарные трубки, двойные трубки, прямые трубки и трубки сложной (неправильной) конфигурации, и т. п. Кроме того, расходомер, с которым может быть использовано изобретение, не обязательно должен иметь специфический фланец и определенную конфигурацию отверстия, показанные на фиг. 1; вместо этого он может быть смонтирован на трубопроводе при помощи любого подходящего средства. Показанные на фиг. 2 многополюсные фильтры 41, 51 и 61 были описаны как фильтры нижних частот с резкой границей среза. Однако это не является ограничивающим фактором. Эти фильтры могут представлять собой, если есть такое желание, псевдо полосовой фильтр, который имеет резкие границы, но обладает также фильтрующими способностями ниже центральной частоты полосы пропускания выходных сигналов датчиков. Это фильтр устраняет шумы не только над резонансной частотой расходной трубки, но и под ней, в результате чего улучшается точность, повышается отношение сигнал/шум и т.п. Так как этот фильтр представляет собой фильтр узкополосного типа, то он может отслеживать частоту расходной трубки, которая изменяется при изменении плотности и скорости массового расхода материала. Псевдо полосовые фильтры такого типа хорошо известны сами по себе и поэтому не нуждаются в дополнительном описании.
Изобретение предназначено для использования при измерении разности фаз между выходными сигналами в расходомере Кориолиса. Выходные сигналы расходомера поступают на устройство обработки сигнала, содержащее три измерительных канала, каждый из которых включает в себя имеющий относительно большой фазовый сдвиг многополюсный фильтр, обеспечивающий узкую полосу пропускания, а также операционный усилитель и детектор уровня. Пара каналов поочередно переключается в течение последовательных временных интервалов между режимом калибровки и рабочим режимом. В режиме калибровки на входы обоих каналов в течение одного временного интервала поступает один и тот же входной сигнал, благодаря чему при измерении выходных сигналов определяют собственный фазовый сдвиг между двумя каналами. В течение следующего временного интервала указанные каналы переключают в рабочий режим, в котором на вход каждого из каналов поступает соответствующий сигнал расходомера. Измерение фазового сдвига между выходными сигналами каналов осуществляют с помощью двух счетчиков. Микропроцессор вычисляет истинную разность фаз между входными сигналами каналов. Изобретения повышают точность измерения за счет устранения ошибок, связанных с фазовым сдвигом между каналами. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 2 ил.
| US 5231884 A, 03.08.1993 | |||
| US 4996871 A, 05.03.1991 | |||
| US 5321991 A, 21.06.1994 | |||
| Способ измерения массового расхода потока и устройство для его осуществления | 1987 |
|
SU1739204A1 |
