СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ РАСХОДОМЕРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01F1/60 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике измерения расхода с помощью электромагнитных расходомеров.

Известен способ измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем, содержащим цилиндрический корпус, обмотку возбуждения и электрод, заключающийся в создании периодических импульсов тока в обмотке возбуждения, измерении и запоминании ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, через интервал времени, равный времени установления постоянства тока импульса, измерении и запоминании ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, между импульсами тока, вычитании друг из друга сохраненных ЭДС по окончанию импульса тока, результат которого пропорционален текущему расходу [Авторское свидетельство США №4137766 от 6.02.1979].

Данный способ требует для исключения погрешности постоянства значения тока импульса в момент измерения ЭДС. Однако это труднодостижимо вследствие параметрического задания значения тока. Ток зависит от значения напряжения источника импульсов, изменения параметров цепей от температуры, временных факторов изменения параметров элементов в цепи.

Недостатком данного способа является наличие погрешности измерения, обусловленной непостоянством тока обмотки возбуждения на интервале времени подачи импульса тока. Необходимость стабилизации тока обмотки возбуждения приводит к усложнению технической реализации прибора.

Целью изобретения является снижение погрешности измерения и упрощение технической реализации прибора.

Для этого в известном способе измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем, содержащим цилиндрический корпус, обмотку возбуждения и электрод, заключающемся в создании периодических импульсов тока в обмотке возбуждения, измерении во время действия импульса тока ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, измерении и запоминании во время между импульсами тока ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, измеряют значение тока обмотки возбуждения и интегрируют во время действия импульса тока на интервале времени между передним фронтом импульса тока и первым нулевым значением тока обмотки возбуждения, интегрируют разность электродвижущих сил во время действия импульса тока на интервале времени между передним фронтом импульса тока и первым нулевым значением тока обмотки возбуждения между ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, и запомненной ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, во время между импульсами тока, вычисляют отношение интеграла разности электродвижущих сил к интегралу значения тока в обмотке возбуждения, которое пропорционально значению расхода.

Принципиальным отличием предложенного способа измерения расхода электромагнитным расходомером является использование в качестве значения текущего расхода величины отношения интеграла разности электродвижущих сил к интегралу тока обмотки возбуждения, измеренных на интервале времени с момента подачи импульса тока до достижения током нулевого значения. При таком способе измерения показания расхода не зависят от изменения тока обмотки возбуждения, изменения параметров цепи обмотки возбуждения, что позволяет отказаться от стабилизации тока обмотки возбуждения, а следовательно устранить погрешность, связанную с непостоянством тока обмотки возбуждения, и упростить техническую реализацию.

Суть способа заключается в следующем. Информационная ЭДС, определяющая величину расхода, наведенная между корпусом и электродом, электромагнитного расходомера с концентрическим полем связана с текущим расходом соотношением [Шерклиф Д.А. Теория электромагнитного измерения расхода. М.: Мир, 1965, стр.35-41]:

где к₁ - коэффициент пропорциональности, постоянный для данного электромагнитного расходомера;

Q - текущий расход;

I - ток обмотки возбуждения.

На интервале времени подачи импульса тока обмотки возбуждения ток обмотки меняется во времени по закону I=I(t). При малой длительности импульса тока текущий расход на интервале времени подачи импульса тока постоянный, поэтому интеграл информационной ЭДС (1), на интервале времени действия импульса тока:

где I_U - интеграл информационной ЭДС;

I_I - интеграл тока обмотки возбуждения.

Выразив текущий расход как отношение значений интеграла информационной ЭДС к интегралу тока обмотки возбуждения, получим выражение:

которое показывает, что расход пропорционален отношению интеграла информационной ЭДС к интегралу тока обмотки возбуждения, причем относительное значение расхода не зависит от изменения тока обмотки возбуждения на интервале времени действия импульса тока.

Для электромагнитного расходомера с концентрическим полем при создании импульсов тока обмотки возбуждения полная ЭДС, наведенная между корпусом и электродом расходомера, на интервале времени подачи импульса тока, определяется как сумма нескольких составляющих [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - П.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 198.9, стр.413-418]:

где U_П(t) - информационная ЭДС;

U_Т(t) - трансформаторная ЭДС;

U_Г - гальваническая ЭДС.

Трансформаторная ЭДС, обусловленная изменением магнитного поля во времени и индуктируемая в контуре площадью S, равна:

где В - магнитная индукция;

к₂ - коэффициент пропорциональности, постоянный для данного электромагнитного расходомера.

Проинтегрировав разность между полной ЭДС (4) и гальванической ЭДС U_Г, запомненной по окончанию предыдущего импульса тока, на интервале времени с момента подачи импульса тока до достижения током первого нулевого значения, получим:

так как интеграл от трансформаторной ЭДС (5), зависящий от начального и конечного значения тока обмотки возбуждения на интервале времени интегрирования, на заданном интервале времени интегрирования равен нулю, а гальванический потенциал постоянен на каждом периоде повторения импульса тока.

Проинтегрировав значение тока обмотки возбуждения на интервале времени с момента подачи импульса тока до достижения током нулевого значения:

Используем полученные значения интеграла информационной ЭДС (6) и интеграла тока обмотки возбуждения (7) для оценки текущего расхода:

где к - коэффициент пропорциональности, определяемый на этапе калибровки.

Полученное значение расхода не зависит от изменения тока обмотки возбуждения и изменения параметров цепи обмотки возбуждения, что исключает погрешность, связанную с нестабильностью тока обмотки возбуждения.

Известно устройство измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем, содержащим цилиндрический корпус, обмотку возбуждения и электрод, состоящее из источника напряжения, соединенного с накопительным конденсатором и источником тока, подключенного к входу обмотки возбуждения расходомера, ключа силового, соединенного с выходом обмотки возбуждения, а также усилителя, входы которого соединены с корпусом и электродом расходомера, а выход к входам двух устройств выборки и хранении, ключа, соединенного с выходом первого устройства выборки и хранения, ключа соединенного с выходом второго устройства выборки и хранения, усилителя, входы которого соединены с ключами, генератора импульсов, соединенного со входом управления ключа силового, и трех блоков задержки, входы которых подключены к генератору импульсов, а выход первого блока задержки соединен со входом управления первого устройства выборки и хранения, выход второго блока задержки со входом управления второго устройства выборки и хранения, выход третьего блока задержки со входами управления ключами [Авторское свидетельство США №4137766 от 6.02.1979].

Недостатками устройства является сложность конструктивного исполнения, обусловленная применением источника тока для стабилизации тока обмотки возбуждения. Непостоянство тока обмотки возбуждения на интервале времени измерения приводит к низким точностным показателям.

Целью изобретения является повышение точностных показателей и упрощение конструкции устройства.

Предложенный способ осуществляется с помощью устройства измерения расхода электромагнитным расходомером, представленного на чертежах фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства измерения расхода электромагнитным расходомером, а на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства измерения расхода электромагнитным расходомером.

Устройство (фиг.1) измерения расхода включает в себя первичный электромагнитный преобразователь, состоящий из цилиндрического корпуса 1, электрода 2, обмотки возбуждения 3, схему питания обмотки возбуждения, состоящую из источника напряжения 4, накопительного конденсатора 5 и ключей силовых 6 и 7, а также измерительную схему, содержащую датчик тока 8, усилители 9 и 10, устройства выборки и хранения 11, 12, сумматор 13, интеграторы 14 и 15, делитель 16, генератор импульсов 17, инвертор 18, блок задержки 19, ключи 20, 21 и нуль-орган 22.

Положительный выход источника напряжения 4 через ключ силовой 6 соединен с первым входом накопительного конденсатора 5 и обмоткой возбуждения 3, выход которой через ключ силовой 7 подключен к входу токовому датчика тока 8. Отрицательный выход источника напряжения 4 соединен с выходом токовым датчика тока 8 и вторым входом накопительного конденсатора 5. Информационный выход датчика тока 8 через усилитель 10 подключен к интегратору 15, а также к входу нуль-органа 22. Корпус 1 и электрод 2 соединены со входами усилителя 9, выход которого непосредственно соединен с прямым входом сумматора 13 и через устройство выборки и хранения 11 - с инверсным входом. Выходы интеграторов 14 и 15 подключены к входам делителя 16, который соединен с устройством выборки и хранения 12, вход управления которого подключен к выходу нуль-органа 22. Генератор импульсов 17 соединен с входом управления ключа силового 7, а также через инвертор 18 подключен к блоку задержки 19, входу управления ключа силового 6 и входам управления ключами 20,21. Выход блока задержки 19 подключен к входу управления устройством выборки и хранения 11. Ключ 20 соединяет вход и выход интегратора 14, а ключ 21 соединяет вход и выход интегратора 15.

Принцип работы устройства измерения расхода поясняется структурной схемой (фиг.1) и временными диаграммами (фиг.2).

До подачи импульса тока обмотки возбуждения 3, накопительный конденсатор 5 заряжается через ключ силовой 6 от источника напряжения 4, при этом ЭДС, наведенная между корпусом 1 и электродом 2, усиливается усилителем 9 и полученное напряжение U_r1 запоминается в устройстве выборки и хранения 11 по сигналу от блока задержки 19 в момент времени t₁. В момент времени t₂ генератор импульсов замыкает ключ силовой 7 и через инвертор размыкает ключ силовой 6, тем самым разряжая накопительный конденсатор 5 через обмотку возбуждения 3. В этот же момент времени t₂ размыкается схема сброса интеграторов 14 и 15, выполненная на ключах 20 и 21. ЭДС, наведенная между корпусом 1 и электродом 2, усиливается усилителем 9 и из полученного сигнала U(t) в сумматоре 13 вычитается ЭДС U_г1, запомненная ранее в момент времени t₁, далее разностный сигнал поступает на вход интегратора 14 и интегрируется, после чего поступает на вход делителя 16. Сигнал с информационного выхода датчика тока 8 усиливается усилителем 2 и интегрируется интегратором 15, после чего поступает на второй вход делителя 16. Результат деления сигналов с интеграторов 14 и 15 поступает на вход устройства выборки и хранения 12. По сигналу с выхода нуль-органа 22 в момент времени достижения нулевого значения тока обмотки возбуждения t₃, в устройстве выборки и хранения 12, запоминается текущий результат деления сигналов интеграторов 14 и 15, принимаемый за меру текущего расхода. После окончания импульса тока в момент времени t₄ ключ силовой 7 размыкается, ключ силовой 6 замыкается и накопительный конденсатор начинает заряжаться от источника напряжения 4, при этом ключи 20 и 21 замыкаются и сбрасывают интеграторы 14 и 15. Через интервал времени, определяемый блоком задержки 19, в момент времени t₅ в устройстве выборки и хранения запоминается новое значение ЭДС U_г2. После поступления нового импульса в момент времени t₆ от генератора импульсов цикл измерения повторяется.

Создание импульса тока в обмотке возбуждения путем разряда накопительного конденсатора совместно с использованием предложенного способа измерения расхода упрощает конструкцию устройства и устраняет погрешность, связанную с нестабильностью тока обмотки возбуждения.

В процессе измерения расхода в обмотке возбуждения электромагнитного расходомера с концентрическим полем периодически по сигналу от генератора импульсов создают импульсы тока путем разряда накопительного конденсатора. Измеряют ЭДС, наведенную между корпусом и электродом расходомера, во время импульса тока, а также измеряют и запоминают ЭДС, наведенную между корпусом и электродом расходомера, во время между импульсами тока. Вычисляют разность между измеренными ЭДС и интегрируют во время импульса тока. Измеряют и интегрируют ток обмотки возбуждения во время импульса тока. Вычисляют отношение интеграла разности ЭДС к интегралу тока во время импульса тока. Полученное отношение пропорционально текущему расходу. Устройство измерения расхода включает в себя первичный электромагнитный преобразователь, состоящий из цилиндрического корпуса, электрода и обмотки возбуждения, схему питания обмотки возбуждения, состоящую из источника напряжения, накопительного конденсатора и двух ключей, а также измерительную схему, содержащую датчик тока, два усилителя, два устройства выборки и хранения, сумматор, два интегратора, делитель, генератор импульсов, инвертор, блок задержки, два ключа и нуль-орган. Изобретения снижают погрешность измерения, вызванную непостоянством тока обмотки возбуждения, при одновременном упрощении технической реализации. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем, содержащим цилиндрический корпус, обмотку возбуждения и электрод, заключающийся в создании периодических импульсов тока в обмотке возбуждения, измерении во время действия импульса тока ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, измерении и запоминании во время между импульсами тока ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, отличающийся тем, что измеряют значение тока обмотки возбуждения и интегрируют во время действия импульса тока на интервале времени между передним фронтом импульса тока и первым нулевым значением тока обмотки возбуждения, интегрируют разность электродвижущих сил во время действия импульса тока на интервале времени между передним фронтом импульса тока и первым нулевым значением тока обмотки возбуждения между ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, и запомненной ЭДС, наведенной между корпусом и электродом расходомера, во время между импульсами тока, вычисляют отношение интеграла разности электродвижущих сил к интегралу значения тока в обмотке возбуждения, которое пропорционально значению расхода.2. Устройство измерения расхода электромагнитным расходомером с концентрическим полем, содержащим цилиндрический корпус, обмотку возбуждения и электрод, состоящее из источника напряжения, накопительного конденсатора, соединенного с отрицательным выходом источника напряжения, двух устройств выборки и хранения, ключа силового, соединенного с выходом обмотки возбуждения, первого усилителя, входы которого подключены к корпусу и электроду расходомера, а выход к первому устройству выборки и хранений, генератора импульсов, соединенного со входом управления ключа силового, блока задержки, выход которого подключен ко входу управления первого устройства выборки и хранения, второго усилителя, двух ключей, отличающийся тем, что дополнительно введены дополнительный ключ силовой, датчик тока, нуль-орган, инвертор, сумматор, два интегратора и делитель, причем положительный выход источника напряжения через дополнительный ключ силовой соединен с накопительным конденсатором и входом обмотки возбуждения, вход токовый датчика тока соединен с выходом ключа силового, выход токовый датчика тока соединен с отрицательным выходом источника напряжения, выход первого усилителя подключен к прямому входу сумматора, инверсный вход сумматора соединен с выходом первого устройства выборки и хранения, вход первого интегратора соединен с выходом сумматора, информационный выход датчика тока через второй усилитель подключен к входу второго интегратора, выходы интеграторов соединены со входами делителя, который подключен к второму устройству выборки и хранения, вход нуль-органа соединен с информационным выходом датчика тока, а выход его подключен к входу управления второго устройства выборки и хранения, первый ключ соединяет вход и выход первого интегратора, а второй ключ соединяет вход и выход второго интегратора, генератор импульсов через инвертор подключен к входам управления ключами, входу управления второго ключа силового, а также к входу блока задержки, выход второго устройства выборки и хранения является выходом устройства.