ПАРЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК РАСХОДА Российский патент 2008 года по МПК G01F1/56 G01D1/10 

Изобретение относится к областям электроники и измерительной техники и может быть использовано в различных устройствах или системах измерения неэлектрических величин электрическими способами с использованием дифференциальных датчиков, в частности для измерения расхода жидкости или газа.

Известен датчик расхода, основной принцип которого заключается в подсчете количества порций вещества, прошедшего через него [1]. Такой датчик расхода во многих случаях удовлетворяет требованиям прикладных задач.

Однако в ряде случаев, когда с выходов датчика поступают низкие уровни сигналов (датчики, используемые во взрывоопасных условиях либо в условиях ограничения расхода электроэнергии), либо выходные сигналы этих датчиков имеют сдвиг фаз относительно переменного напряжения питания датчика (опорного напряжения), последующая обработка разностного сигнала становится затруднительной и приводит к погрешностям.

В таких случаях применяются устройства, выполненные с использованием корреляционных методов обработки сигналов [2].

Однако они сложны, на их точность влияют температура, разность фаз сигнала и опорного напряжения.

Известно устройство из описания изобретения к патенту РФ №2153650 G01D 1/00 [3], содержащее генератор переменного напряжения, дифференциальный электромагнитный (индуктивный) датчик, содержащий излучающую катушку L1, приемные катушки L2, L3, дифференциальный (разностный) и суммирующий усилители, синхронный детектор. Это устройство может быть использовано в качестве парциального датчика расхода жидкости или газа.

По количеству признаков, общих с предложением, по выполнению и их назначению оно может быть признано прототипом. При этом из числа признаков этого устройства эквивалентными и существенными с точки зрения предложения являются источник (генератор) переменного напряжения, дифференциальный датчик, например, электромагнитный (индуктивный), разностный (дифференциальный) и суммирующий усилители и синхронный детектор. При этом источник переменного напряжения связан с входом дифференциального датчика, выходы которого подключены к входам разностного и суммирующего усилителей, выходы которых подключены к входам синхронного детектора.

Однако такое устройство, будучи использовано в качестве парциального датчика расхода, в целом обладает недостатком, заключающимся в том, что при медленном перемещении подвижного элемента датчика вблизи чувствительного элемента (катушки; при малом расходе вещества), когда его выходной сигнал флюктуирует, последующей аппаратурой это может восприниматься как полезный сигнал. Особенно это заметно в условиях внешних механических воздействий - вибрации, ударов, и усугубляется в процессе длительной эксплуатации за счет «старения» элементов, увеличения зазоров в конструкции датчика и т.п. Это приводит к ошибкам в определении суммарного расхода в сторону увеличения.

Задача предложения - увеличение точности измерения и эксплуатационной надежности за счет увеличения помехоустойчивости при одновременном увеличении быстродействия.

Эта цель достигается тем, что в парциальный датчик расхода, содержащий источник переменного напряжения, дифференциальный датчик, разностный и суммирующий усилители и синхронный детектор, при этом источник переменного напряжения связан с входом дифференциального датчика, выходы которого подключены к входам разностного и суммирующего усилителей, выходы которых подключены к входам синхронного детектора, введены нуль-орган, блок положительной обратной связи, вход которого соединен с выходом нуль-органа, а выход - с его неинвертирующим входом, а выход синхронного детектора соединен с входом нуль-органа.

Решение задачи дополнительно обеспечивается тем, что уровень положительной обратной связи нуль-органа близок к половине максимального значения амплитуды выходного сигнала синхронного детектора.

На чертежах приведены блок-схема предложенного парциального датчика расхода (фиг.1) и осциллограммы его выходных сигналов в процессе измерения расхода вещества (фиг.2).

Цифрами на чертежах обозначены:

1 - источник переменного напряжения, предназначенный для питания дифференциального датчика;

2 - дифференциальный датчик, например электромагнитный (индуктивный), содержащий излучающую катушку L1 и приемные катушки L2, L3 (чувствительные элементы);

3 - разностный усилитель;

4 - суммирующий усилитель;

5 - синхронный детектор;

6 - выход синхронного детектора;

7 - нуль-орган;

8 - блок положительной обратной связи.

9 - выход нуль-органа и парциального датчика расхода;

10 - вход нуль-органа 9;

11, 12 и 13, 14 - входы разностного и суммирующего усилителей.

На фиг.2 обозначения u₆ и u₉ - напряжения на выходе синхронного детектора 5 и выходе нуль-органа 9. Напряжения u₀ и -u₀ - пороги срабатывания нуль-органа 9, охваченного обратной связью через блок положительной обратной связи 8.

Выполнено устройство следующим образом.

Выход источника 1 переменного напряжения подключен к входу дифференциального датчика 2 (к излучающей катушке L1 или, как вариант - непосредственно к чувствительным катушкам L2 и L3, включенным последовательно; на фиг.1 показана пунктиром). Выходы дифференциального датчика 2 (те же чувствительные катушки L2, L3) подключены к входу 11 разностного 3 и к входам 13, 14 суммирующего 4 усилителей. При этом на вход 11 разностного усилителя 3 подается напряжение с выходной диагонали моста, образованного чувствительными катушками L2 и L3 и половинами потенциометра R1, а на вход 12 - напряжение отрицательной обратной связи. На входы 13 и 14 суммирующего усилителя 4 поступает суммарное переменное напряжение с катушек L2 и L3. Разностный и суммирующий усилители для увеличения помехоустойчивости выполняются с дифференциальными выходами, как условно показано на фиг.1 (хотя это и не обязательно). Для этого обычно используется по две микросхемы операционных усилителей, включенных последовательно - усилитель как таковой и инвертор. Коэффициент усиления первой микросхемы суммирующего усилителя 4 может составлять несколько единиц, поскольку сигналы на его входе и выходе достаточно большие (порядка долей вольта на входе и единиц вольт на выходе), поэтому к этому усилителю жесткие требования не предъявляются. В предельном режиме он может работать как компаратор. На вход 11 разностного усилителя 3 поступает очень слабый выходной сигнал с диагонали моста. Поэтому коэффициент усиления первой микросхемы должен быть достаточно большим. Коэффициент усиления разностного усилителя 3 (и его выходное напряжение) задается делителем напряжения R2 и R3 в цепи отрицательной обратной связи. Любой усилитель с большим коэффициентом усиления обладает большим смещением нуля (почти неуправляемым выходным напряжением при входном напряжении, равном нулю). Это напряжение и напряжение, инвертированное второй микросхемой разностного усилителя в виде смещения нуля противоположной полярности, поступают на вход синхронного детектора, на выходе которого даже при отсутствии сигнала на входе разностного усилителя появляется паразитная переменная составляющая, пропорциональная напряжению смещения первой микросхемы разностного усилителя 3. Ее амплитуда может быть соизмерима с полезным сигналом.

Выходы усилителей 3 и 4 подключены к входам синхронного детектора 5 (на чертеже показан синхронный детектор на двух ключах, имитирующих полевые транзисторы, но может быть и иное исполнение). Выход 6 синхронного детектора 5 соединен с входом 10 нуль-органа 7. Блок положительной обратной связи 8 нуль-органа представляет собой пассивный делитель напряжения на резисторах R4 и R5, включенный между выходом 9 нуль-органа 7 и его неинвертирующим входом относительно общей шины 0. Такое построение нуль-органа превращает его в двухпозиционное устройство с зоной неопределенности (фиг.2,а).

Рассмотренное построение парциального датчика расхода входит в состав конструкции, выполненной, например, в виде «улитки», сквозь которую проходит поток жидкости, а внутри нее в тороидальном желобе вращается ферромагнитный шарик, проходящий поочередно мимо катушек L2 и L3, установленных по периметру тороидального желоба. Прохождение ферромагнитного шарика мимо любой катушки изменяет ее индуктивность (или коэффициент связи с излучающей катушкой), в результате чего на этих катушках изменяются абсолютные значения напряжения, изменяется разность этих напряжений и фаза разностного напряжения на выходной диагонали моста и на выходах разностного усилителя. На входе и выходе суммирующего усилителя напряжения практически не изменяются. Сигнал u₆ на выходе синхронного детектора представляется в виде серий полусинусоидальных импульсов, изменяющихся по амплитуде и по знаку (фиг.2,б). Нуль-орган 7, охваченный положительной обратной связью, по факту перехода очередного импульса напряжения на его входе 10 через значения u₀ или -u₀ в моменты времени t1, t2, t3 (фиг.2,в), переключается из одного состояния в другое и обратно. Количество таких переключений служит мерой прошедшей через датчик жидкости.

Нуль-орган 7 может быть выполнен также только с одним неинвертирующим входом. В этом случае выход синхронного детектора может быть подключен к этому входу через резистор (на схеме не показано), принцип действия предложенного парциального датчика расхода сохраняются, изменяется только полярность («фаза») выходного напряжения u₉ на фиг.2, в зависимости от положения подвижного элемента датчика относительно чувствительных катушек.

Напряжения срабатывания u₀ и -u₀ нуль-органа 7 необходимо выбирать примерно 50% от максимального мгновенного значения (амплитуды) выходного напряжения на выходе синхронного детектора 5, чтобы все помехи, в том числе - паразитные, возникающие за счет смещения нуля разностного усилителя (см. выше), были значительно меньше этих порогов срабатывания. При этом смещение нуля, иные помехи, изменения коэффициентов усиления усилителей в течение срока службы датчика и от внешних воздействующих факторов могут достигать (допустимо их изменение) почти такого же значения (т.е. до 50% от максимума u₆), а датчик при этом сохранит свою работоспособность. Уменьшение порогов срабатывания уменьшит устойчивость к помехам, т.е. может привести к подрабатываниям нуль-органа и кажущемуся увеличению расхода вещества, а их увеличение - к потере работоспособности (не переключение нуль-органа 7) при значительном снижении выходного напряжения синхронного детектора 5. А это практически может произойти из-за снижения уровня выходного сигнала источника переменного напряжения, чувствительности дифференциального датчика, уменьшения коэффициентов усиления усилителей 3 и 4.

Значение порога срабатывания близкого к 50% принято в определенной степени произвольно. В основу этого положено предположение, что уровень помех в выходном сигнале u₆ синхронного детектора 5 во всех наихудших условиях эксплуатации в конце гарантийного срока службы может достигнуть 25% от максимального амплитудного значения u₆. Исходя из этого целесообразно выбрать порог срабатывания вдвое больше этого значения и тогда максимальное амплитудное выходное напряжение u₆ будет также вдвое больше порога срабатывания. Эти соотношения обеспечивают максимальную помехоустойчивость парциального датчика расхода в процессе эксплуатации.

Предложенный парциальный датчик обеспечивает максимальную точность, практически не требует настройки, кроме установки движка потенциометра R1 в среднее положение: генератор переменного напряжения может работать практически на любой частоте, сигналы с катушек дифференциального датчика всегда в фазе между собой, опорный сигнал всегда в фазе с сигналами катушек датчика, помехи, возникающие от электромагнитных и механических воздействий, составляют обычно единицы процентов, а гистерезис, обеспечиваемый положительной обратной связью, может достигать 50% от амплитудного значения выходного сигнала синхронного детектора. В результате, при всех самых неблагоприятных сочетаниях внешних воздействующих факторов (температуры окружающей среды, влажности, механических воздействий и т.д.), в том числе - старения за время длительной эксплуатации, выходной сигнал синхронного детектора обеспечивает надежное срабатывание нуль-органа, охваченного положительной обратной связью, при каждом прохождении подвижного элемента мимо чувствительных катушек датчика. Более того, такая схема построения парциального датчика обеспечивает его максимальное быстродействие: для переключения нуль-органа из одного состояния в другое достаточно всего одного периода переменного напряжения (одного-двух импульсов с выхода синхронного детектора) пока ферромагнитный шарик проходит мимо чувствительного органа датчика - катушки L2 или L3. При этом амплитуда импульсов на выходе 6 синхронного детектора 5 остается неизменной как при нулевой скорости движения этого шарика, так и при максимально допустимой.

Совокупность признаков, подобная рассмотренной автором в данном предложении, не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна " и "изобретательский уровень".

В настоящее время предложенный датчик находится на стадии разработки конструкторской документации.

Изобретение может быть использовано на изделиях предприятия в составе системы управления его исполнительными органами для контроля за расходом горючего.

Использованная литература

1. Автоматизация производства и промышленная электроника в четырех томах. М., 1962, Том 1, с.276, рис. в.

2. Справочник по радиоэлектронике в трех томах. Под ред. А.А.Куликовского, Том 1. М., "Энергия", 1967 г., с.128, 129, рис.3-1.

3. Патент РФ №2153650, МПК ⁷: G01D 1/00 (прототип).

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода и может быть использовано, в частности, для измерения расхода жидкости или газа. Сущность: устройство содержит источник переменного напряжения, дифференциальный датчик, разностный и суммирующий усилители, синхронный детектор. Источник переменного напряжения связан с входом дифференциального датчика. Выходы дифференциального датчика подключены к входам разностного и суммирующего усилителей. Выходы разностного и суммирующего усилителей подключены к входам синхронного детектора. Дополнительно в устройство введены нуль-орган и блок положительной обратной связи. Вход блока положительной обратной связи соединен с выходом нуль-органа, а выход - с его неинвертирующим входом. Выход синхронного детектора соединен с входом нуль-органа. Технический результат: повышение точности измерений и эксплуатационной надежности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Парциальный датчик расхода, содержащий источник переменного напряжения, дифференциальный датчик, разностный и суммирующий усилители и синхронный детектор, при этом источник переменного напряжения связан с входом дифференциального датчика, выходы которого подключены к входам разностного и суммирующего усилителей, выходы которых подключены к входам синхронного детектора, отличающийся тем, что в него введен нуль-орган, блок положительной обратной связи, вход которого соединен с выходом нуль-органа, а выход - с его неинвертирующим входом, выход синхронного детектора соединен с входом нуль-органа.2. Парциальный датчик расхода по п.1, отличающийся там, что уровень положительной обратной связи нуль-органа близок к половине максимального значения амплитуды выходного сигнала синхронного детектора.