УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАСХОДОМЕРА Российский патент 2006 года по МПК G01F1/60 

Изобретение относится к устройствам выделения и преобразования сигнала датчика расхода электромагнитного типа.

Известно устройство [патент US № 006853928 B1, MКл⁷ G 01 F 1/00, 2005], содержащее регулируемый и нерегулируемый стабилизаторы напряжения, управляемый источник тока, преобразователь измеренного сигнала и формирователь выходного сигнала. Данное устройство позволяет подключить датчик расхода к вторичному прибору по двухпроводной схеме с выходным сигналом 4-20 мА.

Однако в связи с низким энергопотреблением и учитывая, что значительная часть подводимой энергии теряется на управляемом источнике тока и формирователе выходного сигнала, данное устройство может быть использовано только с преобразователями расхода для трубопроводов малого диаметра при отсутствии внешних электромагнитных помех.

Кроме того, отсутствие числоимпульсного или кодированного (например, по принципу HART-протокола) выходного сигнала значительно затрудняет использование его в составе счетчика жидкости для коммерческого учета. Препятствием для организации передачи информации методом модуляции тока потребления в данном устройстве являются броски тока потребления в моменты переключения катушки возбуждения магнитного поля, которые практически невозможно снизить до необходимого уровня применением сглаживающего конденсатора.

Наиболее близким техническим решением-прототипом заявляемому объекту по совокупности существенных признаков является устройство ["Датчик расхода ЭРИС. В(Л)Т. Руководство по эксплуатации. 230.01.00.000 РЭ", Тюмень, ОАО ИПФ "Сибнефтеавтоматика", 2003, с.33], содержащее предусилитель, два узла выборки-хранения, разделительный конденсатор, усилитель, синхронный детектор, преобразователь напряжение-частота, формирователь сигналов управления, формирователь возбуждения, токосъемный резистор, сглаживающий конденсатор, преобразователь частота-ток и оптронный ключ. Данное устройство допускает его использование с энергоемкими преобразователями расхода для трубопроводов большого диаметра и в условиях значительных электромагнитных помех. Наличие аналогового и числоимпульсного выходных сигналов определяют универсальность использования данного устройства. Например, для индикации расхода, в системах регулирования расхода, в составе счетчика жидкости для коммерческого учета и т.д.

Недостатком данного устройства является невозможность подключения его по двухпроводной схеме. Объясняется этот недостаток также бросками тока по цепи питания в моменты переключения катушки возбуждения магнитного поля и необходимостью применения сглаживающего конденсатора большой емкости по цепи питания датчика расхода.

Кроме того, данное устройство имеет недостаточную стабильность выходного сигнала при значительных флуктуациях электрохимической составляющей сигнала, наводимого на электродах преобразователя расхода. Такая флуктуация появляется, например, при измерении загрязненных или неоднородных жидкостей. Нестабильность выходного сигнала объясняется тем, что для исключения электрохимической составляющей сигнала используется дифференцирующая RC-цепочка с большой постоянной времени.

Требуемый технический результат заявляемого устройства - повышение потребительских свойств за счет возможности подключения датчика расхода по двухпроводной схеме без ограничения по энергоемкости преобразователя расхода и повышение стабильности выходного сигнала при значительных флуктуациях электрохимической ЭДС.

Устройство-прототип содержит следующие существенные признаки, общие с признаками заявляемого объекта: предусилитель, два узла выборки-хранения, синхронный детектор, преобразователь напряжение-частота, формирователь сигналов управления, формирователь возбуждения, токосъемный резистор, сглаживающий конденсатор, преобразователь частота-ток и оптронный ключ, а к существенным отличительным признакам заявляемого объекта относятся: сумматор, стробируемый усилитель, стробируемый интегратор, узел компенсации тока возбуждения, демпфирующий узел и модулятор тока потребления, включая соответствующие связи между ними.

Отсюда следует - требуемый технический результат обеспечивается тем, что известное устройство, содержащее предусилитель, два узла выборки-хранения, синхронный детектор, преобразователь напряжение-частота, формирователь сигналов управления, формирователь возбуждения, токосъемный резистор, сглаживающий конденсатор, преобразователь частота-ток и оптронный ключ, снабжено сумматором, стробируемым усилителем, стробируемым интегратором, узлом компенсации тока возбуждения, демпфирующим узлом и модулятором тока потребления, при этом входом устройства в целом являются три входа предусилителя и два входа формирователя возбуждения, выход предусилителя соединен с неинвертирующим входом сумматора, выход сумматора соединен с входом стробируемого усилителя, выход стробируемого усилителя соединен с входом синхронного детектора и с входом стробируемого интегратора, выход стробируемого интегратора соединен с инвертирующим входом сумматора, выход синхронного детектора соединен с входом первого узла выборки-хранения, выход первого узла выборки-хранения соединен с первым входом преобразователя напряжение-частота, первый выход формирователя сигналов управления соединен с управляющими входами синхронного детектора и формирователя возбуждения, второй выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом стробируемого усилителя, третий выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом стробируемого интегратора, четвертый выход формирователя сигналов управления соединен с управляющими входами обоих узлов выборки-хранения, первый выход формирователя возбуждения соединен с первым выходом узла компенсации тока возбуждения, с первым выводом сглаживающего конденсатора и с входом демпфирующего узла, второй выход формирователя возбуждения соединен с первым выводом токосъемного резистора, с инвертирующим входом узла компенсации тока возбуждения и с входом второго узла выборки-хранения, выход второго узла выборки-хранения соединен с неинвертирующим входом узла компенсации тока возбуждения и со вторым входом преобразователя напряжение-частота, выход демпфирующего узла соединен с первым выходом модулятора тока потребления, второй вывод токосъемного резистора соединен со вторым выходом узла компенсации тока возбуждения, со вторым выводом сглаживающего конденсатора и со вторым выходом модулятора тока потребления, выход преобразователя напряжение-частота соединен с входом модулятора тока потребления, с входом преобразователя частота-ток и с входом оптронного ключа, при этом выходами устройства в целом являются первый и второй выходы модулятора тока потребления, первый и второй выходы преобразователя частота-ток и первый и второй выходы оптронного ключа.

Отметим, что из общеизвестных источников информации (в том числе и патентных) не выявлены устройства, идентичные предлагаемому, и/или устройства с совокупностью существенных признаков (в том числе и отличительных), эквивалентных совокупности признаков предлагаемого технического решения и проявляющих такие же новые свойства, позволяющие достичь требуемого технического результата при реализации. Это позволяет утверждать, что предлагаемое техническое решение ново, неочевидно, обладает "существенными" отличиями (и т.п.), то есть удовлетворяет "критериям" изобретения.

В графических материалах представлены:

- на фиг.1 функциональная схема заявляемого устройства;

- на фиг.2 временные диаграммы основных сигналов заявляемого устройства;

- на фиг.3 принципиальная схема узла компенсации тока возбуждения из фиг.1;

- на фиг.4 принципиальная схема демпфирующего узла 14 из фиг.1.

Устройство (см. фиг.1) состоит из предусилителя 1, сумматора 2, стробируемого усилителя 3, стробируемого интегратора 4, синхронного детектора 5, двух узлов 6 и 7 выборки-хранения, преобразователя 8 напряжение-частота, формирователя 9 сигналов управления, формирователя 10 возбуждения, токосъемного резистора 11, узла 12 компенсации тока возбуждения, сглаживающего конденсатора 13, демпфирующего узла 14, модулятора 15 тока потребления, преобразователя 16 частота-ток и оптронного ключа 17. Входом устройства в целом являются три входа предусилителя 1 и два входа формирователя 10 возбуждения, выход предусилителя 1 соединен с неинвертирующим входом сумматора 2, выход сумматора 2 соединен с входом стробируемого усилителя 3, выход стробируемого усилителя 3 соединен с входом синхронного детектора 5 и с входом стробируемого интегратора 4, выход стробируемого интегратора 4 соединен с инвертирующим входом сумматора 2, выход синхронного детектора 5 соединен с входом узла выборки-хранения 6, выход узла выборки-хранения 6 соединен с первым входом преобразователя 8 напряжение-частота, первый выход формирователя 9 сигналов управления соединен с управляющими входами синхронного детектора 5 и формирователя 10 возбуждения, второй выход формирователя 9 сигналов управления соединен с управляющим входом стробируемого усилителя 3, третий выход формирователя 9 сигналов управления соединен с управляющим входом стробируемого интегратора 4, четвертый выход формирователя 9 сигналов управления соединен с управляющими входами обоих узлов 6 и 7 выборки-хранения, первый выход формирователя 10 возбуждения соединен с первым выходом узла 12 компенсации тока возбуждения, с первым выводом сглаживающего конденсатора 13 и с входом демпфирующего узла 14, второй выход формирователя 10 возбуждения соединен с первым выводом токосъемного резистора 11, с инвертирующим входом узла 12 компенсации тока возбуждения и с входом узла 7 выборки-хранения, выход узла 7 выборки-хранения соединен с неинвертирующим входом узла 12 компенсации тока возбуждения и со вторым входом преобразователя 8 напряжение-частота, выход демпфирующего узла 14 соединен с первым выходом модулятора 15 тока потребления, второй вывод токосъемного резистора 11 соединен со вторым выходом узла 12 компенсации тока возбуждения, со вторым выводом сглаживающего конденсатора 13 и со вторым выходом модулятора 15 тока потребления, выход преобразователя 8 напряжение-частота соединен с входом модулятора 15 тока потребления, с входом преобразователя 16 частота-ток и с входом оптронного ключа 17, при этом выходами устройства в целом являются первый и второй выходы модулятора 15 тока потребления, первый и второй выходы преобразователя 16 частота-ток и первый и второй выходы оптронного ключа 17. В графических материалах на фиг.1 (для пояснения принципа работы устройства) дополнительными позициями 18...40 обозначены номера соответствующих участков электрических цепей.

Устройство работает следующим образом.

При описании работы устройства приняты следующие условные обозначения:

U_xx - значение напряжения в участке цепи хх;

I_xx - значение тока в участке цепи хх;

F_xx - значение частоты сигнала в участке цепи хх;

Т_хх - значение периода сигнала в участке цепи хх,

где хх - номер участка цепи на фиг.1.

Формирователь 9 сигналов управления вырабатывает следующие логические сигналы:

- U₁₈ (см. фиг.2), представляющий собой меандр с периодом T₁₈ переключения направления индукции магнитного поля преобразователя расхода (см. фиг.1 слева, отдельной позицией не обозначен);

- U₁₉, активный первую четверть (t₀) каждого полупериода T₁₈ для управления коэффициентом усиления стробируемого усилителя 3;

- U₂₀, активный последнюю четверть (t₃) каждого полупериода T₁₈ для управления стробируемым интегратором 4;

- U₂₁, активный третью четверть (t₂) каждого полупериода T₁₈ для управления узлами 6 и 7 выборки-хранения.

Формирователь 10 возбуждения, выполненный по общеизвестной мостовой схеме (например, микросхема L6201 производства "SGS-THOMSON Microelectronics"), производит переключение направления тока I₂₂ в катушке возбуждения и, соответственно, направление индукции магнитного поля в преобразователе расхода по сигналу U₁₈.

ЭДС, возникающая на электродах преобразователя расхода относительно корпуса, подается на предусилитель 1, выполненный в виде инструментального усилителя, где производится его предварительное усиление (сигнал U₂₃).

Сигнал U₂₃ через сумматор 2 поступает на стробируемый усилитель 3, который в период времени t₀ (по сигналу U₁₉) имеет коэффициент усиления, равный нулю. Таким образом исключается воздействие импульсной помехи, наводимой на электродах преобразователя расхода в момент переключения тока возбуждения на точность преобразования.

Стробируемый интегратор 4 в период времени t₃ (по сигналу U₂₀) устанавливает нулевой уровень сигнала U₂₄ на выходе стробируемого усилителя 3. Все остальное время он находится в режиме хранения. Этим исключается воздействие помехи, вызванной флуктуацией электрохимической ЭДС на электродах преобразователя расхода на стабильность выходного сигнала датчика расхода.

Синхронный детектор 5 по сигналу U₁₈ преобразует двухполярный сигнал U₂₄ в однополярный сигнал U₂₅.

Узел 6 выборки-хранения в установившемся режиме (период времени t₂) по сигналу U₂₁ осуществляет выборку сигнала U₂₅ и хранение этого уровня в остальное время. Таким образом, уровень сигнала U₂₆ на выходе узла 6 выборки-хранения определяется только ЭДС, наводимой на электродах преобразователя расхода при движении электропроводящей жидкости в магнитном поле, и пропорционален скорости движения измеряемой среды.

На токосъемном резисторе 11 выделяется сигнал U₂₇, пропорциональный текущему абсолютному значению тока I₂₂ в катушке возбуждения.

Узел 7 выборки-хранения по сигналу U₂₁ выделяет амплитудное значение сигнала U₂₇ в установившемся режиме (период времени t₂) и удерживает это значение (сигнал U₂₈) до следующего момента выборки. Т.е. уровень сигнала U₂₈ пропорционален току возбуждения и, соответственно, значению магнитной индукции во время выборки.

Сигналы U₂₆ и U₂₈ подаются на преобразователь 8 напряжение-частота, выполненный по схеме двойного интегрирования и выполняющий функцию

F₂₉=К×U₂₆/U₂₈

где:

F₂₉ - частота сигнала U₂₉;

К - коэффициент пропорциональности, определяемый при тарировке датчика расхода.

Применение такой функции преобразования позволяет исключить влияние нестабильности индукции магнитного поля на частоту сигнала U₂₉ вследствие температурных изменений параметров катушки возбуждения. Таким образом, частота сигнала U₂₉ пропорциональна расходу измеряемой среды и не зависит от внешних факторов (например, изменение температуры, электромагнитные помехи и т.п.).

Модулятор 15 тока потребления формирует пачки импульсов тока по цепи 30 (I₃₀) с несущей частотой F_нес и частотой модуляции F₂₉, причем

F_нес≫F_29мaкc,

где:

F_29макс - частота сигнала U₂₉ при максимальном расходе измеряемой среды.

Основными моментами, препятствующими передаче импульсов тока из цепи 30 в цепь питания 31, являются:

- броски тока потребления I₃₁ в моменты переключения катушки возбуждения преобразователя расхода;

- наличие сглаживающего конденсатора большой емкости по цепи питания датчика расхода.

Решение данной проблемы, отсутствующее в известных аналогичных устройствах, выполнено следующим образом.

Сигналы U₂₇ и U₂₈ подаются на узел 12 компенсации тока возбуждения, выполненный, например, по схеме, представленной на фиг.3.

Параметры узла 12 компенсации тока возбуждения выбраны таким образом, чтобы выполнялось условие:

I₃₂=(U₂₈-U₂₇)/R₁₁+I_см,

где:

I₃₂ - ток потребления узла 12 компенсации тока возбуждения;

R₁₁ - номинал токосъемного резистора 11;

U₂₈ - текущий уровень сигнала 28;

U₂₇ - текущий уровень сигнала 27;

I_см - минимальный ток потребления, необходимый для линейной работы узла 12 компенсации тока возбуждения, и реально составляет 1...3% от общего тока потребления устройством.

Учитывая, что текущее значение тока I₂₂ в катушке возбуждения определяется формулой:

I₂₂=U₂₇/R₁₁,

суммарный ток I₃₃ потребления устройством по цепи питания, учитывая ничтожность энергопотребления остальных частей устройства, можно определить следующей формулой

I₃₃=I₂₂+I₃₂=U₂₇/R₁₁+(U₂₈-U₂₇)/R₁₁+I_см=U₂₈/R₁₁+I_см.

Таким образом, ток потребления устройством по цепи 33 остается стабильным в любой момент времени вне зависимости от параметров (или изменений этих параметров) катушки возбуждения преобразователя расхода и не искажает форму импульсов тока, создаваемых модулятором 15 тока потребления.

Сглаживающий конденсатор 13 фильтрует короткие "выбросы" тока I₃₃, связанные с ограниченным быстродействием узла 12 компенсации тока возбуждения.

Демпфирующий узел 14 ограничивает скорость нарастания-спада тока I₃₄ при заряде-разряде сглаживающего конденсатора 13 и может быть выполнен, например, по схеме, представленной на фиг.4. Постоянная времени τ₁₄ демпфирующего узла 14 (см. фиг.4) выбрана из условия

τ₁₄=R₅×С₁≫1/F_нес,

где:

R₅, C₁ - номиналы соответствующих элементов.

Таким образом, импульсы тока I₃₀, создаваемые модулятором 15 тока потребления и несущие информацию о текущем расходе измеряемой среды, не шунтируются сглаживающим конденсатором 13 по цепи 35-34, что дает возможность выделения и обработки их вторичным прибором по цепи 31-36 при подключении к датчику расхода по двухпроводной схеме.

Преобразователя 16 частота-ток формирует в цепи 37-38 гальванически развязанный стандартный выходной токовый сигнал 4-20 мА, соответствующий расходу измеряемой среды и предназначенный для использования в системах регулирования и индикации текущего расхода.

Оптронный ключ 17 предназначен для согласования импульсного выходного сигнала датчика расхода по цепи 39-40 с различными типами счетно-индицирующих вторичных устройств при подключении к датчику расхода по четырехпроводной схеме.

Таким образом, совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) предлагаемого устройства обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует критериям "изобретения" и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.

Изобретение относится к устройствам выделения и преобразования сигнала датчика расхода электромагнитного типа. Сущность: устройство содержит предусилитель, сумматор, стробируемый усилитель, стробируемый интегратор, синхронный детектор, два узла выборки-хранения, преобразователь напряжение-частота, формирователь сигналов управления, формирователь возбуждения, токосъемный резистор, узел компенсации тока возбуждения, сглаживающий конденсатор, демпфирующий узел, модулятор тока потребления, преобразователь частота-ток, оптронный ключ. Выход предусилителя соединен с неинвертирующим входом сумматора. Выход сумматора соединен со входом стробируемого усилителя. Выход стробируемого усилителя соединен со входом синхронного детектора и со входом стробируемого интегратора. Выход стробируемого интегратора соединен с инвертирующим входом сумматора. Выход синхронного детектора соединен со входом первого узла выборки-хранения. Выход первого узла выборки-хранения соединен с первым входом преобразователя напряжение-частота. Первый выход формирователя сигналов управления соединен с управляющими входами синхронного детектора и формирователя возбуждения. Второй выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом стробируемого усилителя. Третий выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом стробируемого интегратора. Четвертый выход формирователя сигналов управления соединен с управляющими входами обоих узлов выборки-хранения. Первый выход формирователя возбуждения соединен с первым выходом узла компенсации тока возбуждения, с первым выводом сглаживающего конденсатора и со входом демпфирующего узла. Второй выход формирователя возбуждения соединен с первым выводом токосъемного резистора, с неинвертирующим входом узла компенсации тока возбуждения и со входом второго узла выборки-хранения. Выход второго узла выборки-хранения соединен с неинвертирующим входом узла компенсации тока возбуждения и со вторым входом преобразователя напряжение-частота. Выход демпфирующего узла соединен с первым выходом модулятора тока потребления. Второй вывод токосъемного резистора соединен со вторым выходом узла компенсации тока возбуждения, со вторым выводом сглаживающего конденсатора и со вторым выходом модулятора тока потребления. Выход преобразователя напряжение-частота соединен со входом модулятора тока потребления, со входом преобразователя частота-ток и со входом оптронного ключа. Входом устройства являются три входа предусилителя и два входа формирователя возбуждения. Выходами устройства являются первый и второй выходы модулятора тока потребления, первый и второй выходы преобразователя частота-ток и первый и второй выходы оптронного ключа. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства. 4 ил.

Устройство преобразования сигнала электромагнитного расходомера, содержащее предусилитель, два узла выборки-хранения, синхронный детектор, преобразователь напряжение-частота, формирователь сигналов управления, формирователь возбуждения, токосъемный резистор, сглаживающий конденсатор, преобразователь частота-ток и оптронный ключ, отличающееся тем, что оно снабжено сумматором, стробируемым усилителем, стробируемым интегратором, узлом компенсации тока возбуждения, демпфирующим узлом и модулятором тока потребления, при этом входом устройства в целом являются три входа предусилителя и два входа формирователя возбуждения, выход предусилителя соединен с неинвертирующим входом сумматора, выход сумматора соединен с входом стробируемого усилителя, выход стробируемого усилителя соединен с входом синхронного детектора и с входом стробируемого интегратора, выход стробируемого интегратора соединен с инвертирующим входом сумматора, выход синхронного детектора соединен с входом первого узла выборки-хранения, выход первого узла выборки-хранения соединен с первым входом преобразователя напряжение-частота, первый выход формирователя сигналов управления соединен с управляющими входами синхронного детектора и формирователя возбуждения, второй выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом стробируемого усилителя, третий выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом стробируемого интегратора, четвертый выход формирователя сигналов управления соединен с управляющими входами обоих узлов выборки-хранения, первый выход формирователя возбуждения соединен с первым выходом узла компенсации тока возбуждения, с первым выводом сглаживающего конденсатора и с входом демпфирующего узла, второй выход формирователя возбуждения соединен с первым выводом токосъемного резистора, с инвертирующим входом узла компенсации тока возбуждения и с входом второго узла выборки-хранения, выход второго узла выборки-хранения соединен с неинвертирующим входом узла компенсации тока возбуждения и со вторым входом преобразователя напряжение-частота, выход демпфирующего узла соединен с первым выходом модулятора тока потребления, второй вывод токосъемного резистора соединен со вторым выходом узла компенсации тока возбуждения, со вторым выводом сглаживающего конденсатора и со вторым выходом модулятора тока потребления, выход преобразователя напряжение-частота соединен с входом модулятора тока потребления, с входом преобразователя частота-ток и с входом оптронного ключа, при этом выходами устройства в целом являются первый и второй выходы модулятора тока потребления, первый и второй выходы преобразователя частота-ток и первый и второй выходы оптронного ключа.