СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОГО И МАССОВОГО ПОТОКА Российский патент 2010 года по МПК G01F1/60 G01F1/58 

Изобретение относится к способу и устройству для измерения объемного или массового потока среды, протекающей через магнитоиндуктивный расходомер с заданным номинальным внутренним диаметром.

Калибровка магнитоиндуктивного расходомера обычно выполняется с использованием воды в качестве эталонной среды. Вода является умеренно диамагнитной средой, при этом магнитная проводимость или магнитная восприимчивость воды относительно мала. Если через калиброванный соответствующим образом расходомер или калиброванный соответствующим образом типовой прибор в последующий момент применения в поле протекает среда, имеющая хорошую магнитную проводимость, например, когда среда содержит ферромагнитные частицы и, следовательно, имеет очень высокую восприимчивость - то измеряемые значения в значительной степени искажаются, так как магнитопроводящая среда сильно влияет на магнитное сопротивление измерительного устройства. Под магнитопроводящей средой подразумевается, например, вода с частицами магнетита. При таких измерениях появление ошибок измерения достигает 100% случаев. Надежное и воспроизводимое измерение объемного и массового потока при таком большом количестве ошибок, конечно, не представляется возможным.

Техническим результатом изобретения является достижение точного измерения объемного и массового потока магнитопроводящей среды.

Данный технический результат достигается в изобретении тем, что на расходомер подается периодически изменяющееся магнитное поле, что определено фактическое время нарастания до достижения постоянного значения измерительного магнитного поля, что фактическое время нарастания сравнивается с заданным временем нарастания, определяемым при протекании эталонной среды через расходомер, и на основании разницы фактического времени нарастания и заданного времени нарастания определяется ошибка измерения, и фактически измеренный объемный или массовый поток магнитопроводящей среды корректируется таким образом, чтобы компенсировать погрешность измерения. Разница между фактическим и заданным временем нарастания, превышающая заданные границы, интерпретируется таким образом, что через расходомер протекает среда с высокой магнитной проводимостью.

В способе согласно данному изобретению учитывается то обстоятельство, что существует четкая функциональная зависимость между временем нарастания магнитного поля и магнитной проводимостью протекающей через расходомер среды. Если среда магнитопроводна, то время нарастания магнитного поля или тока катушки до достижения постоянного магнитного поля, при котором производят измерение объемного или массового потока, увеличивается вследствие растущего магнитного сопротивления. В первом приближении время нарастания пропорционально магнитной проводимости среды: чем больше магнитная проводимость, тем больше время нарастания.

Кроме того, для повышения точности измерения может быть предусмотрено, что определяется функциональная зависимость магнитной проводимости и времени нарастания для каждого типа устройства. Согласно изобретению соответствующая функциональная зависимость определяется заранее; на основании измеренной разницы фактического и заданного времени нарастания до достижения постоянного магнитного поля определяется ошибка измерения; затем выдается соответствующее скорректированное измеряемое значение.

В соответствии с преимущественным вариантом способа согласно изобретению заданное время нарастания определяется во время этапа калибровки. В частности, заданное время нарастания определяется на этапе калибровки в зависимости от слабо магнитопроводящей среды и/или в зависимости от системы расходомера, состоящей из измерительной трубы и системы магнитов. В то время как в первом случае определение заданного времени нарастания зависит только от среды, во втором случае при известных условиях также зависит от типа устройства. Существенными размерами типа устройства являются номинальный внутренний диаметр, материал, из которого изготовлена измерительная труба, а также используемая система магнитов.

Способ регулирования, используемый для переключения магнитного поля, в принципе может быть любым. Разумеется, экономически выгодно применять способ, при котором заданное время нарастания и последующее фактическое время нарастания как можно более малы, так как в этом случае относительно большой измерительный интервал. Самый простой способ состоит в том, чтобы подать напряжение на систему магнитов и определять заданное время нарастания посредством временного интервала до тех пор, пока магнитное поле или текущий через систему магнитов ток катушки не примет, по меньшей мере, приблизительно постоянное значение. В случае идеальной магнитной системы или в случае идеальной системы катушек, например, прямоугольная токовая характеристика соответствовала бы характеристике создаваемого данной конструкцией катушек магнитного поля. Обычно система катушек, применяемых в расходомерах, имеет сердечники и/или полюсные наконечники. Блок регулирования/обработки подает на обе системы катушек периодически изменяющийся ток, который в идеальном случае постоянен, имеет противоположное направление и равен по значению в двух полупериодах. Однако из-за возникающих в полюсных наконечниках и сердечниках вихревых токов постоянным является регулируемый ток, но не создаваемое магнитное поле. Поэтому требуется определенное время, так называемое время нарастания до достижения магнитным полем требуемой постоянной величины. Только после этого можно выполнять точное измерение объемного или массового потока. Как уже было упомянуто, для точного измерения является предпочтительным, когда для каждого переключения существует как можно большее время измерения. С этой точки зрения важно минимизировать время нарастания.

В этой связи в известном методе регулирования предлагается при переключении магнитного поля кратковременно подавать увеличенный ток через магнитное устройство. Ток в идеальном случае измеряется таким образом, что возникающие вихревые токи компенсируются. Кроме того, стал известен тот факт, как ускорить последующее асимптотическое приближение к постоянному измерительному магнитному полю посредством создания кратковременного обратного напряжения на системе катушек.

В соответствии со способом данного изобретения предлагается преимущественный улучшенный вариант, при котором на основании фактического и заданного времени нарастания вычисляется поправочный коэффициент, с помощью которого корректируется фактически определенный объемный и массовый поток.

Как было упомянуто выше, в качестве эталонной среды преимущественно используется среда со слабой магнитной проводимостью. В частности, в случае применяемой эталонной среды речь идет о воде.

Улучшенный вариант способа согласно изобретению предусматривает, что фактическое время нарастания усредняется в течение нескольких периодов периодически изменяющегося магнитного поля. Преимущественно среднее значение вычисляется из n значений.

В соответствии с изобретением возможно сообщать пользователю наряду с верным средним значением объемного и массового потока среды через расходомер также информацию о доле магнитопроводящего материала в среде. Итак, путем сравнения фактического времени нарастания до достижения постоянного магнитного поля с соответствующим заданным временем нарастания определяют и выдают значение доли магнитного материала в протекающей через расходомер среде.

Вывод производится, например, на экран, принтер, или данные передаются через шину данных в канал передачи данных.

Лежащая в основе изобретения задача решается в устройстве за счет следующих систем:

- системы магнитов, создающей пронизывающее измерительную трубу протекающее в основном поперек оси измерительной трубы и периодически меняющее направление магнитное поле;

- по меньшей мере, одного контактирующего со средой измерительного электрода, расположенного в зоне измерительной трубы;

- блока регулирования/обработки, определяющего данные об объемном или массовом потоке среды согласно данному способу на основании измерительного напряжения, индуцированного, по меньшей мере, одним измерительным электродом, как описано в, по меньшей мере, одном из пунктов формулы изобретения 1-8. Непосредственно магнитоиндуктивные расходомеры очень хорошо известны. Способ в соответствии с изобретением может применяться в общем случае в сочетании с любым расходомером.

Изобретение подробно раскрыто с помощью следующих чертежей, на которых изображены:

фиг.1 схема магнитоиндуктивного расходомера для осуществления способа согласно данному изобретению.

фиг.2 характеристика функциональной зависимости времени нарастания от магнитной проводимости от протекающей через расходомер среды и

фиг.3 блок-схема, описывающая важнейшие этапы способа в соответствии с данным изобретением.

На фиг.1 изображена схема первого варианта устройства 1 в соответствии с данным изобретением. Через измерительную трубу 2 в направлении оси 3 измерительной трубы протекает среда 11. Среда 11 является электропроводной как минимум в небольшой степени. Сама измерительная труба 2 изготовлена из непроводящего материала, или как минимум ее внутренняя поверхность облицована непроводящим материалом.

С помощью диаметрально расположенных систем 6, 7 катушек или двух электромагнитов генерируется магнитное поле В, перпендикулярное направлению потока среды 11. Под воздействием магнитного поля В находящиеся в среде 11 носители заряда перемещаются в соответствии с их полярностью к одному из двух противоположно поляризованных измерительных электродов 4, 5.

Создаваемое на измерительных электродах 4, 5 измерительное напряжение пропорционально скорости потока среды 11, движущегося через поперечное сечение измерительной трубы 2, т.е. является мерой объемного потока среды 11 в измерительной трубе 2. Измерительная труба 2 в свою очередь соединена с помощью соединительных элементов, например, фланцев, не изображенных на чертеже, с системой труб, через которые протекает среда 11.

В обоих показанных случаях измерительные электроды 4, 5 непосредственно контактируют со средой 11; как было упомянуто выше, взаимодействие может быть также емкостным.

С помощью соединительных линий 12, 13 измерительные электроды 4, 5 связаны с блоком 8 регулирования/обработки. Связь систем 6, 7 катушек и блока 8 регулирования/обработки осуществляется с помощью соединительных линий 14, 15. Блок 8 регулирования/обработки соединен с помощью соединительной линии 16 с блоком 9 ввода/вывода. Блок 8 регулирования/обработки сопряжен с запоминающим устройством 10.

На фиг.2 изображена характеристика функциональной зависимости времени τ_ist нарастания от магнитной проводимости от протекающей через расходомер 1 среды 11.

Как уже было упомянуто выше, переключение магнитного поля B(t) обычно регулируется с помощью текущего через системы 6, 7 катушек тока I(t). Токовая характеристика в показанном случае является прямоугольной. В идеальном случае магнитное поле B(t) должно соответствовать токовой характеристике, чего не происходит из-за возникающих в полюсных башмаках и сердечниках катушек вихревых токов. Кроме того, требуется определенное время нарастания до достижения магнитным полем желаемой постоянной величины B_const для проведения измерений. На фиг.2 показано время τ_soll нарастания. Этот временной промежуток определяется во время калибровки расходомера 1 посредством используемого способа регулирования для переключения магнитного поля B(t). Калибровка осуществляется таким образом, что в расходомере создаются, по меньшей мере, два отличающихся определенных объемных потока. В качестве калибровочной среды обычно применяют воду. Если расходомер 1 впоследствии используется для измерения объемного или массового потока магнитопроводящих сред, измерительный прибор 1 выдает сильно искаженные измеренные величины. Это обосновывается тем, что магнитное сопротивление расходомера 1 при протекании магнитопроводящей среды 11 может значительно изменяться. Как показано на фиг.2, фактическое время τ_ist нарастания значительно превышает заданное время τ_soll нарастания. Разница объясняется системой магнитов, изменяющейся под воздействием магнитопроводяшей среды. Цикл измерения стартует только после истечения фактического времени нарастания.

В соответствии с изобретением разница между фактическим временем τ_ist нарастания и заданным временем τ_soll нарастания, превышающая заданные границы, интерпретируется таким образом, что через расходомер 1 протекает среда с высокой магнитной проводимостью, и необходима соответствующая корректировка. Говоря более подробно, фактическое время τ_ist нарастания сравнивается с заданным временем τ_soll нарастания, которое определяется при протекании потока Ф_Ref эталонной среды Ref через расходомер 1. Затем на основании разницы Δτ между фактическим временем τ_ist нарастания и заданным временем τ_soll нарастания определяется погрешность F измерения и измеренный текущий объемный или массовый поток Ф_ist магнитопроводящей среды 11 корректируется таким образом, чтобы компенсировать погрешность F измерения. Здесь используется то обстоятельство, что погрешность F измерения функционально зависит от времени τ_ist нарастания.

Обычно в, по меньшей мере, первом приближении существует линейная зависимость между погрешностью измерения и временем нарастания. Способ в соответствии с изобретением понятен из представленной на фиг.3 блок-схемы.

Во время калибровки магнитоиндуктивного расходомера 1 определяется заданное время τ_soll нарастания при протекании потока Ф_Ref эталонной среды через расходомер 1 (метка 21). Затем в ходе нормальных эксплуатационных измерений с помощью расходомера 1 определяется фактическое время τ_ist нарастания до достижения постоянного значения B_const измерительного магнитного поля (метка 23). Если существует разница Δτ между фактическим временем τ_ist нарастания и заданным временем τ_soll нарастания, то на основании этой разницы определяется погрешность F измерения (метка 24, метка 25). Это возможно, так как показано, что между погрешностью F измерения и изменением фактического времени τ_ist нарастания до заданного времени τ_soll нарастания существует функциональная зависимость. Далее измеренные текущий объемный или массовый поток Ф_ist магнитопроводящей среды 11 корректируются таким образом, что погрешность F измерения компенсируется (метка 26). Таким образом, с помощью расходомера 1 согласно настоящему изобретению представляется возможным верно определять объемный или массовый поток среды 11, когда эта среда 11 имеет такие свойства, что оказывает значительное влияние на магнитное сопротивление измерительной системы. Как уже было сказано, это возможно в том случае, когда среда 11 обладает магнитной проводимостью, сильно отличающейся от магнитной проводимости эталонной среды - воды.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1. Магнитоиндуктивный расходомер

2. Измерительная труба

3. Ось измерительной трубы

4. Измерительный электрод

5. Измерительный электрод

6. Система магнитов

7. Система магнитов

8. Блок регулирования/обработки

9. Блок ввода/вывода

10. Запоминающее устройство

11. Измеряемая среда

12. Соединительная линия

13. Соединительная линия

14. Соединительная линия

15. Соединительная линия

16. Соединительная линия

Изобретение предназначено для измерения расхода магнитопроводящей среды (например, воды с частицами магнетита). На магнито-индуктивный расходомер подают периодически изменяющееся магнитное поле B(t). Определяют фактическое время (τ_ist) нарастания до достижения постоянного значения (B_const) измерительного магнитного поля. Сравнивают фактическое время (τ_ist) нарастания с заданным временем (τ_soll) нарастания, определяемым при протекании потока (Ф_Rеf) эталонной среды (воды) через расходомер. На основании разницы (Δτ) между фактическим временем (τ_ist) нарастания и заданным временем (τ_soll) нарастания определяют погрешность (F) измерения и корректируют измеренный фактический объемный или массовый поток (Ф_ist) магнито-проводящей среды (11) таким образом, чтобы компенсировать погрешность (F). Изобретение повышает точность измерения расхода среды, содержащей ферромагнитные частицы, а также позволяет определить долю магнитного материала в протекающей через расходомер среде. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения объемного или массового потока среды (11), протекающей через магнитоиндуктивный расходомер (1) с заданным номинальным внутренним диаметром (DN), причем на расходомер (1) подают периодически изменяющееся магнитное поле (B(t)), причем определяют фактическое время (τ_ist) нарастания до достижения постоянного значения (B_const) измерительного магнитного поля, причем фактическое время (τ_ist) нарастания сравнивают с заданным временем (T_soll) нарастания, определяемым при протекании потока (Ф_Ref) эталонной среды (Ref) через расходомер (1), при этом разницу между фактическим временем (τ_ist) нарастания и заданным временем (τ_soll) нарастания интерпретируют как индикатор протекания магнитопроводящей среды (11), и на основании разницы (Δτ) между фактическим временем (τ_ist) нарастания и заданным временем (τ_soll) нарастания определяют зависимую от этой разницы погрешность (F) измерения и корректируют измеренный текущий объемный или массовый поток (Ф_ist) магнитопроводящей среды (11) для компенсирования погрешности (F) измерения.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что заданное время (τ_soll) нарастания определяют во время этапа калибровки.

3. Способ по п.1 или 2, характеризующийся тем, что заданное время (τ_soll) нарастания определяют на этапе калибровки в зависимости от магнитонепроводящей среды (11) и/или в зависимости от системы расходомера, состоящей из измерительной трубы (2) и системы магнитов (6, 7).

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что на основании фактического времени (τ_ist) нарастания и заданного (τ_soll) времени нарастания вычисляют поправочный коэффициент, с помощью которого корректируют измеренный текущий объемный и массовый поток (Ф_ist).

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве эталонной среды (Ref) используют магнитонепроводящую среду.

6. Способ по п.5, характеризующийся тем, что в качестве эталонной среды (Ref) используют воду.

7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что фактическое время нарастания усредняют на протяжении нескольких периодов периодически изменяющегося магнитного поля (B(t)).

8. Способ по п.1, характеризующийся тем, что путем сравнения фактического времени (τ_ist) нарастания до достижения постоянного магнитного поля (B_const) c соответствующим заданным временем (T_soll) нарастания определяют и выдают значение доли магнитного материала в протекающей через расходомер (1) среде (11).

9. Устройство для измерения объемного или массового потока среды (11), протекающей через измерительную трубу (2) в направлении оси (3) измерительной трубы, с системой магнитов (6, 7), генерирующей пронизывающее измерительную трубу (2) магнитное поле (B(t)), в основном поперек оси (3) измерительной трубы, с, по меньшей мере, одним измерительным электродом (4, 5), контактирующим со средой (11), расположенной в зоне измерительной трубы (2), и с блоком (8) регулирования/обработки, который на основании измерительного напряжения (U), наведенного в, по меньшей мере, одном измерительной электроде (4, 5), предоставляет информацию об объемном или массовом потоке (Ф) магнитопроводящей среды (11) согласно способу по одному из пп.1-8.