СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ СРЕДЫ Российский патент 2010 года по МПК G01F1/64 

Изобретение относится к способу измерения скорости течения среды в пронизанном магнитным полем объеме, причем в среде за счет его движения течения индуктируется электрическое поле. Изобретение относится, в частности, к развязке сигналов в магнитно-индуктивном датчике расхода.

Большинство имеющихся сегодня на рынке магнитно-индуктивных датчиков потока и расхода работают с гальванической развязкой сигналов и требуют минимальной электрической проводимости среды. Измерение индуктированного напряжения сводится здесь практически к измерению тока, которое тем сложнее, чем выше внутреннее сопротивление среды. Кроме того, этот вид связи требует переменного во времени магнитного поля, чтобы устранить мешающие электрохимические потенциалы на металлически проводящих электродах.

Также имеющиеся на рынке системы с предпочтительной по многим причинам емкостной развязкой сигналов не могут отказаться от минимальной проводимости, поскольку и в них происходит измерение тока. В противоположность гальванически связывающим системам в них по принципиальным причинам необходимо переменное во времени магнитное поле, чтобы создать протекание длительного переменного тока.

Одна альтернатива представлена в DE 10221677 С1, где переменное во времени магнитное поле заменяется переменными во времени переходными емкостями. Это открывает возможность использования постоянных магнитов и уменьшения до нуля значительной потребной мощности для вырабатывания переменного магнитного поля. Однако эта альтернатива, как и описанные выше системы, зависит от минимальной проводимости среды, поскольку и здесь измеряется вызванный переменными емкостями ток.

Другой подход к решению задачи использования магнитно-индуктивных способов измерения для непроводящих сред описан в DE 19843808 А1, где в качестве измеряемой величины используется не непосредственно индуктированное напряжение, а возникающий диэлектрический поляризационный заряд. В этом случае не требуется минимальной проводимости среды. Однако и этот способ сводится в конце концов к измерению тока смещения, вызванного переменным во времени поляризационным зарядом. Из-за небольшой величины этого поляризационного заряда измерение протекает с трудом.

Далее в качестве уровня техники следует привести описанное в DE 19922311 С2 устройство для определения пространственного распределения скорости в электропроводящих жидкостях, описанное в JP 01178822 A устройство для измерения скорости потока с помощью полупроводникового устройства, описанное в DE 2401641 A электродное устройство для электромагнитного измерителя потока и статью Tewodros Amare „Design of an electromagnetic flowmeter for insulating liquids“ в Meas. Sci. Technol. 10(1999), стр.755-758.

Кроме последнего противопоставления соответствующие способы приводят к успеху исключительно только с помощью измерения тока, что предполагает в практически имеющихся сегодня в распоряжении измерительных системах минимальную проводимость среды. Поэтому имеющиеся системы ограничены применением водных сред.

Статья Tewodros Amare „Design of…“ предполагает, что измеряется сопротивление или протекание тока между электродом и экранирующим электродом для установления их емкости. При этом частотой магнитного поля и устанавливающимся электростатическим полем трудно управлять.

Желателен емкостной способ измерения, использующий непосредственно действие индуцированного электрического поля и независимый от протекания тока в среде.

Из электрохимии известно, что в последнее время был достигнут значительный практический прогресс при лишенной мощности (электростатической) регистрации электрохимических сигналов. Так, сегодня на рынке имеются электроды с интегрированными полевыми транзисторами для измерения электрохимических параметров жидких сред (например, измерение рН-значения). Этот прогресс позволяет регистрировать сигналы, вызванные не только электрохимически, но и физически.

Задачей изобретения является создание способа емкостной развязки сигналов при магнитно-индуктивном измерении расхода или потока, который позволил бы устранить названные, связанные с предполагаемым протеканием тока недостатки известных сегодня способов.

Эта задача решается посредством отличительных признаков п.1 формулы в сочетании с его ограничительной частью. Предпочтительные варианты способа приведены в зависимых пунктах.

Согласно изобретению для измерения скорости течения среды в пронизанном магнитным полем объеме на ограничительной поверхности объема предусмотрен, по меньшей мере, один полупроводник с управляемыми проводящими свойствами, на который электрическое поле, индуктированное в среде за счет ее движения течения во взаимодействии с магнитным полем, воздействует так, что на концентрацию его носителей зарядов идеальным образом оказывает влияние только это электрическое поле, т.е. без тока и поэтому без мощности. По связанному с этим изменению сопротивления делают вывод о напряженности индуктированного электрического поля, а по ней - о скорости течения среды.

Известно, что практически не потребляющее управление проводящими свойствами полупроводников лучше всего достигается в полевых транзисторах (FET).

Если предположить здесь лишь в качестве примера особенно простое устройство для описания способа, то такой FET размещен на граничной поверхности среды так, что только его затвор через находящийся на нем изолирующий слой находится в непосредственном контакте со средой. При этом изолирующий слой должен иметь минимальную диэлектрическую постоянную, чтобы минимизировать экранирование индуцированного поля.

Индуцированное за счет движения течения среды электрическое поле через изолятор затвора оказывает емкостное воздействие на проводящий канал FET и изменяет его сопротивление, которое можно измерить, используя выводы истока-стока. По этому изменению сопротивления можно прежде всего сделать вывод о напряженности индуктированного электрического поля, а по ней - о скорости течения.

В части способа следует особенно подчеркнуть, что описанное в качестве примера изменение с помощью этого устройства сопротивления канала полупроводника происходит за счет только действия электрического поля без протекания тока, так что имеет место управление - без.

Преимущества связанного с таким обесточенным управлением сопротивлением полупроводника измерения напряженности индуцированного электрического поля предложенным в изобретении способом очевидны: за счет отсутствия требования к минимальной проводимости среды способ по-прежнему пригоден для обладающих не только минимальной проводимостью, но и для очень слабопроводящих и даже непроводящих сред.

Предпочтительно способ осуществляется с постоянными магнитами. В этом случае оказываются несостоятельными почти все известные из уровня техники способы с емкостной развязкой сигналов при измерении установившегося состояния, имеющего место за счет наличия постоянной скорости течения, поскольку они предполагают изменение электрического поля, возникающее только при изменении скорости течения. Только способ по DE 10221677 C1 рассчитан на использование постоянных магнитов. Однако измерительный сигнал регистрируется там в виде тока при вынужденном изменении переходных емкостей, которое подразумевает постоянную перезарядку конденсаторов. Это приводит к постоянным смещениям зарядов вследствие электрической индукции. Только при достаточной проводимости среды следует поэтому ожидать четкого измерительного сигнала.

При осуществлении емкостных способов в уровне техники со средой совершаются действия для определения состояния ее текучести.

В противоположность этому предложенный в изобретении способ отличается именно своей способностью регистрации установившегося состояния всей измерительной системы за счет того, что используемое для измерения установление плотности носителей зарядов в полупроводнике за счет измеряемого электрического поля практически безыинерционно следует за изменением скорости течения и тем самым за изменением этого поля.

При осуществлении способа принципиально не создается никакого целенаправленного изменения электрического или магнитного поля, которое должно восприниматься средой. Во время измерения со средой не совершается никаких действий.

Другое преимущество заключается в полной гальванической развязке между проложенным в среде измерительным трактом и проводящим каналом полупроводника. Полученный через проводящий канал выходной сигнал вследствие связанной с этим импедансной развязки может быть гибко привязан к требованиям внешней обрабатывающей схемы и передаваться без информационных потерь по линиям большой длины.

Способ поясняется ниже на примере принципиальной схемы.

На чертеже изображена блок-схема возможного устройства с двумя противоположными друг другу полевыми транзисторами (FET1, FET2 - показаны в сильно увеличенном виде) одного типа с находящейся между ними средой. Контакты истоков S и стоков D соединены с источниками UDS1 и UDS2 напряжения, так что протекают токи ID1 и ID2 стоков. Области истоков и стоков отделены от среды изолирующими слоями IS. Индуктированное напряжение U0, которое возникает вследствие взаимодействия протекающей со скоростью v среды с магнитным полем с индукцией В, распределяется за счет соединения выводов подложки (на чертеже обозначены Sub) пополам на напряжения затворов на их изоляторах GI1 и GI2. На этом примере хорошо видно, что напряжения затворов имеют вверху и внизу разную полярность по отношению к соответствующим FET, так что они приводят к противоположным друг другу изменениям токов стоков, разность которых является мерой напряжения U0 и тем самым скорости v.

Как уже сказано, в случае изображенного на чертеже устройства речь идет только о примере. В зависимости от вида применяемой полупроводниковой структуры, свойств среды, вида магнитного поля - постоянного или переменного во времени - и вида измерительной задачи - измерение потока или расхода - возможно большое число измерительных устройств, что обеспечивает гибкую привязку к практическим требованиям.

Изобретение относится к обеспечению развязки сигналов в магнитно-индуктивном расходомере. На стенке трубы располагают два полупроводника (полевые транзисторы FET1, FET2) так, что линия их соединения лежит перпендикулярно направлению течения среды и перпендикулярно направлению магнитного поля. Измеряют электрическое сопротивление полупроводника и с помощью вычислительного устройства определяют по нему скорость течения среды. Изменение электрического сопротивления полупроводника происходит только за счет действия электрического поля, индуктированного в потоке среды за счет ее взаимодействия с магнитным полем. Изобретение обеспечивает измерение потока в т.ч. слабо проводящих и непроводящих сред при полной гальванической развязке электрического измерительного контура. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения скорости течения среды в пронизанном магнитным полем объеме, отличающийся тем, что измеряют на основании обнаруженного изменения концентрации носителей зарядов в по меньшей мере одном полупроводнике электрическое сопротивление расположенного рядом с упомянутым объемом полупроводника и с помощью вычислительного устройства определяют по нему скорость течения среды, причем изменение электрического сопротивления полупроводника происходит только за счет действия электрического поля, индуктированного в среде за счет ее движения течения во взаимодействии с магнитным полем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объем представляет собой внутреннее пространство участка трубы, а полупроводник расположен на стенке трубы.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на стенке трубы, по существу, в попарно противоположных друг другу местах расположены, по меньшей мере, два полупроводника, так что линия соединения двух полупроводников лежит перпендикулярно направлению течения среды и, по существу, перпендикулярно направлению магнитного поля.

4. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что среда является непроводящей и подвержена электрической поляризации.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что между полупроводником и средой расположен изоляционный слой, препятствующий обмену зарядами между средой и полупроводником.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что изоляционный слой имеет минимальную диэлектрическую постоянную.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют постоянное магнитное поле.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что полупроводник выполнен в виде электрода затвора полевого транзистора, причем полевой транзистор расположен, по меньшей мере, на одной ограничительной поверхности объема.

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что подложки, по меньшей мере, двух расположенных противоположно друг другу полевых транзисторов подключают к одинаковому электрическому потенциалу.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что подложки, по меньшей мере, двух расположенных противоположно друг другу полевых транзисторов подключают к одинаковому электрическому потенциалу.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что определенный за счет переменного сопротивления полупроводника электрический измерительный контур гальванически развязывают от лежащего в среде измерительного тракта и используют для импедансного согласования с внешней измерительно-обрабатывающей схемой.