УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2002 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости или расхода жидкостей и газов.

Известен вихревой расходомер (авторское свидетельство СССР 1789862, опубл. 23.01.93, БИ 3, G 01 F 1/32) - [1], содержащий первичный преобразователь и схему обработки сигналов, включающую фильтр с регулирующим импедансным элементом, блок управления, дифференцирующую цепь на входе фильтра и интегрирующую цепь на входе блока управления. Выход блока управления соединен с регулирующим импедансным элементом фильтра, управляющий вход с выходом фильтра, а фильтр выполнен полосовым. Принцип действия основан на автоматической настройке совпадения фаз входного и выходного сигналов фильтра, благодаря которой фильтр настраивается на среднюю частоту полосы пропускания, соответствующую частоте срыва вихрей.

Известен также расходомер (патент США 5372046 от 13.12.94, G 01 F 1/32) - [2], содержащий наборы фильтров верхних и нижних частот с различными частотами среза и углами наклона характеристик. Адаптивная логика выбирает фильтры верхних нижних частот таким образом, чтобы выделить информационный сигнал в диапазоне измерения и скомпенсировать квадратичную зависимость уровня сигнала от скорости измеряемой среды.

Указанные аналоги имеют существенные недостатки, ограничивающие точность и помехозащищенность. После включения или перезапуска, а также вследствие быстрого изменения скорости потока измеряемой среды, на выходах расходомеров-аналогов формируются ложные сигналы, не содержащие информацию о расходе, до тех пор, пока следящая система не настроится на информационную гармонику, что приводит к значительным погрешностям. Кроме того, следящая система может захватить гармоническую составляющую, возникшую вследствие воздействия на первичный преобразователь периодических возмущений от вибрации трубопровода, пульсаций потока или акустических шумов, что приводит к параметрическому отказу (потере работоспособности) расходомеров.

Наиболее близким по достигаемому эффекту к заявляемому техническому решению является вихревой расходомер (патент США 5576497 от 19.11.96, G 01 F 1/32) - [3], содержащий последовательно включенные: первичный преобразователь, предусилитель, формирователь аналогового сигнала и микроконтроллер, причем управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу формирователя. Формирователь выполняет функции следящего полосового фильтра и содержит перестраиваемые фильтры верхних и нижних частот, генератор частоты для управления фильтрами и генератор прямоугольного сигнала, формирующий выходной сигнал формирователя. Фильтры верхних и нижних частот настраиваются таким образом, чтобы сформировать полосу пропускания для информационного сигнала. Сигнал с фильтров поступает на генератор прямоугольного сигнала, который формирует эквивалентную цифровую последовательность импульсов, поступающую на вход микроконтроллера. Контроллер вычисляет скорость потока и формирует управляющий сигнал для управления полосой пропускания фильтров. При измерении медленно меняющегося расхода, а следовательно, и медленно меняющейся вихревой частоты, полоса пропускания фильтров успевает перестраиваться, отслеживая изменение информативного сигнала. При измерении быстро меняющегося расхода, расходомер производит поиск сигнала вихревой частоты во всем диапазоне частот информативного сигнала и настраивается на периодический сигнал.

Недостатком расходомера-прототипа является отсутствие адаптации к уровню информативного сигала, изменяющемуся в широких пределах пропорционально изменению плотности и квадрату скорости потока измеряемой среды, что существенно ограничивает диапазон измеряемых сред и расходов. Кроме того, в этом расходомере для обеспечения высокой точности и помехозащищенности необходима реализация непрерывно перестраиваемых аналоговых фильтров высокого порядка, работающих в широком диапазоне частот. Практическая реализация таких фильтров с порядком, необходимым для получения высокой точности и помехозащищенности представляет собой сложное устройство с повышенным энергопотреблением, а при уменьшении порядка фильтров ухудшается точность и помехозащищенность.

Технический результат изобретения - расширение диапазона измеряемых сред, расширение диапазона измеряемых расходов, повышение точности и помехозащищенности.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение достигается тем, что в универсальном вихревом расходомере, содержащем первичный преобразователь и электрическую схему обработки сигнала первичного преобразователя, электрическая схема обработки сигнала первичного преобразователя содержит последовательно включенные первый нормирующий усилитель, фильтр, второй нормирующий усилитель и аналого-цифровой преобразователь. При этом вход первого нормирующего усилителя подключен к выходу первичного преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера, первый и второй управляющие выходы микроконтроллера подключены соответственно к управляющим входам первого и второго нормирующих усилителей, сигнальный выход микроконтроллера подключен к блоку формирования выходных сигналов. Функцию адаптивно перестраиваемых фильтров выполняет алгоритм цифровой адаптивной фильтрации, реализованный в микроконтроллере.

На чертеже представлена структурная схема универсального вихревого расходомера, который содержит первичный преобразователь 1, первый нормирующий усилитель 2, фильтр 3, второй нормирующий усилитель 4, аналого-цифровой преобразователь 5, микроконтроллер 6, блок 7 формирования выходных сигналов.

Выход первичного преобразователя 1 подключен к сигнальному входу первого нормирующего усилителя 2, выход которого через фильтр 3 подключен к сигнальному входу второго нормирующего усилителя 4, выход второго нормирующего усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 5, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера 6, первый управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу первого нормирующего усилителя, второй управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу второго нормирующего усилителя, сигнальный выход микроконтроллера подключен к блоку 7 формирования выходных сигналов, на выходах которого формируются стандартные выходные сигналы и интерфейсы расходомера.

Поток измеряемой среды, протекающий через проточную часть, вызывает формирование вихрей за телом обтекания, воздействующих на чувствительный элемент первичного преобразователя 1. Сигнал с первичного преобразователя 1 поступает на вход первого нормирующего усилителя 2 обеспечивающего предварительное усиление сигнала, фильтр 3 осуществляет подавление гармонических составляющих, находящихся вне диапазона измеряемого сигнала. Второй нормирующий усилитель 4 приводит сигнал в соответствие с диапазоном аналого-цифрового преобразователя 5. Аналого-цифровой преобразователь 5 производит выборку сигнала с частотой опроса, необходимой для восстановления сигнала в диапазоне измеряемых частот. Микроконтроллер 6 оценивает уровень входного сигнала и выполняет автоматическую регулировку коэффициентов усиления нормирующих усилителей 2 и 4, производя таким образом адаптацию к уровню сигнала. Микроконтроллер 6 производит поиск и выделение сигнала вихревой частоты в соответствии с алгоритмом цифровой адаптивной фильтрации, реализующим полосовой фильтр высокого порядка с перестраиваемой шириной и центральной частотой полосы пропускания, вычисляет текущее значение вихревой частоты, вычисляет значение расхода и выдает сигналы в блок 7 формирования выходных сигналов. Блок 7 формирует выходные сигналы в виде сигнала тока импульсного сигнала и обеспечивает работу цифрового интерфейса. В качестве микроконтроллера может быть применена микросхема PIC16C76 фирмы Microchip Technology Inc., электронная версия технического описания мисросхемы PIC16C76 (файл 30390e.pdf, printed in USA 11/99) - [4] доступна на сайте производителя www.microchip. com.

Благодаря введению адаптации к уровню сигнала и применению цифровой адаптивной фильтрации, расходомер универсален по отношению к жидким и газообразным средам с различной плотностью и обеспечивает точное измерение скорости или расхода в широком диапазоне, при воздействии возмущений в виде вибрации трубопровода, пульсаций потока и акустических шумов. Расходомер реализован на микромощных компонентах и рассчитан на питание от стандартного токового интерфейса 4-20 мA.

Использование: для измерения скорости или расхода жидкостей и газов. Расходомер содержит первичный преобразователь, сигнал с которого поступает на первый нормирующий усилитель. Выход нормирующего усилителя через фильтр подключен к сигнальному входу второго нормирующего усилителя. Выход второго нормирующего усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя. Выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера. Первый и второй управляющие выходы микроконтроллера подключены соответственно к управляющим входам первого и второго нормирующих усилителей. Сигнальный выход микроконтроллера подключен к блоку формирования выходных сигналов, на выходах которого формируются стандартные выходные сигналы и интерфейсы расходомера. Технический результат: точное измерение скорости или расхода в широком диапазоне, при воздействии возмущений в виде вибрации трубопровода, пульсаций потока и акустических шумов. 1 ил.

Универсальный вихревой расходомер, содержащий первичный преобразователь и электрическую схему обработки сигнала первичного преобразователя, отличающийся тем, что электрическая схема обработки сигнала первичного преобразователя содержит первый нормирующий усилитель, фильтр, второй нормирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок формирования выходных сигналов, причем выход первичного преобразователя подключен к сигнальному входу первого нормирующего усилителя, выход первого нормирующего усилителя через фильтр подключен к сигнальному входу второго нормирующего усилителя, выход второго нормирующего усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера, первый управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу первого нормирующего усилителя, второй управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу второго нормирующего усилителя, сигнальный выход микроконтроллера подключен к блоку формирования выходных сигналов.