ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР И СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧИХ СРЕД Российский патент 2014 года по МПК G01F1/58 

Назначение и область применения

Изобретение относится к приборостроению, в частности к электромагнитным устройствам для измерения расхода (расходомерам) электропроводящих сред, и может быть использовано, в частности, в приборах измерения расхода электропроводной жидкости и теплоносителя в напорных трубопроводах, а также в счетчиках воды, кислот, щелочей, молока, пива и иных текучих сред.

Предшествующий уровень техники

Известны электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных сред, содержащие один измерительный преобразователь, один непроводящий трубопровод, одну магнитную систему, два электрода для снятия сигнала, пропорционального расходу, преобразователи сигналов.

Известен также электромагнитный расходомер, содержащий первичный преобразователь расхода, предварительный усилитель, микроконтроллер, формирователь тока, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), источник опорного напряжения, индикатор, формирователь сигнала интерфейса [RU 12240 U1].

К числу недостатков данного устройства можно отнести влияние электромагнитного поля, создаваемого катушками магнитной системы первичного преобразователя расхода на работу одного или более расходомеров, расположенных в непосредственной близости друг к другу, а также влияние вешних магнитных полей, что обусловливает увеличение погрешности измерений

Известен электромагнитный расходомер, содержащий первичный электромагнитный преобразователь расхода, включающий индуктор с катушками, в зазоре которого установлены трубопровод с электродами, расположенными с противоположных сторон трубопровода и подсоединенными к измерительной схеме, соединенной со схемой контроля для управления током питания магнитной системы, и дополнительный трубопровод с электродами, расположенными с противоположных сторон дополнительного трубопровода и подсоединенными ко входу измерительной схемы, при этом дополнительный трубопровод с измерительной схемой образуют измерительный канал с постоянным расходом измеряемой среды, создающий со схемой контроля для управления током питания магнитной системы отрицательную обратную связь, позволяющую компенсировать влияние изменения параметров измеряемой среды, магнитной системы и измерительной схемы на результат измерения, измерительный резистор, индикатор отображения, соединенный с измерительной схемой. Кроме того, измерительная схема содержит последовательно соединенные коммутатор аналоговых сигналов, со входами которого соединены электроды, расположенные на трубопроводах, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, управляющий коммутатором, а схема контроля включает в себя источник тока питания катушек магнитной системы, управляемый микропроцессором совместно с широкополосным импульсным регулятором, и АЦП, служащий для передачи на вход микропроцессора напряжения, полученного преобразованием тока питания измерительным резистором. При этом в начале работы расходомера инициируют возбуждение на электродах первичного преобразователя расхода знакопеременного напряжения, пропорционального скорости измеряемой среды в измерительном канале, пересекающей при движении магнитное поле индуктора, и осуществляют далее измерение величины электрического параметра измерительным АЦП, а преобразование измеряемой величины в единицы расхода жидкости в микроконтроллере. [RU 2295706 С2].

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатком этого устройства и представленного в нем способа осуществления и контроля измерений является сложность конструктивного исполнения и большая чувствительность к внешним помехам с частотой, близкой к частоте питания катушек магнитной системы при невысоком уровне достоверности измерений в присутствии внешних магнитных полей, отличных от указанных.

Сущность заявленного решения

Технической задачей, решаемой заявленным решением, является предложение электромагнитного расходомера и способа контроля измерений, обеспечивающих контроль условий работы измерительного прибора и влияния окружающей среды на его работоспособность.

Техническим результатом заявленного устройства электромагнитного расходомера и способа контроля измерений расхода текучих сред является повышение достоверности распознавания влияния внешних помех на точность измерений и, как следствие, повышение точности измерений, расширение диапазона измерений и спектра применения устройства.

Указанный технический результат достигают тем, что используют способ контроля измерения расхода текучих сред, включающий возбуждение на электродах первичного преобразователя расхода знакопеременного напряжения, пропорционального скорости измеряемой среды в измерительном канале, пересекающей при движении магнитное поле индуктора, измерение величины электрического параметра измерительным АЦП и преобразование программно-аппаратным образом в микроконтроллере измеряемой величины в единицы расхода жидкости, отличающийся от прототипа тем, что дополнительно измеряют напряжения, пропорциональные току через индуктор и напряжению на индукторе, и определяют величину отклонения текущих значений активного и индуктивного сопротивлений, определенных в микроконтроллере программно-аппаратным образом по указанным значениям напряжений на индукторе от предустановленных в памяти их эталонных значений.

Кроме того, указанный технический результат достигается также тем, что используют электромагнитный расходомер, содержащий первичный электромагнитный преобразователь расхода, включающий индуктор с катушками, в зазоре которых расположен трубопровод с электродами, подсоединенными к измерительной схеме, содержащей измерительный АЦП, вход которого соединен с электродами, а выход со схемой управления и контроля тока питания индуктора, содержащей источник тока питания катушек индуктора, управляемый микроконтроллером, соединенным, по меньшей мере, с индикатором отображения, отличающийся от прототипа тем, что схема контроля управления содержит дополнительный АЦП, один вход которого выполнен, с возможностью измерения напряжения, пропорционального току через индуктор, а второй вход с возможностью измерения напряжения, пропорционального напряжению на индукторе, при этом выход дополнительного АЦП соединен с микроконтроллером, с возможностью передачи измеренных величин напряжений с каждого входа на микроконтроллер, и расчета микроконтроллером программно-аппаратным образом текущих значений активного и индуктивного сопротивлений индуктора, их сравнения с предустановленными в энергонезависимой памяти микроконтроллера эталонными значениями и фиксации наличия внешнего магнитного поля, искажающего результаты измерения при отклонении текущих расчетных значений от эталонных, с возможностью вывода результата, по меньшей мере, на индикатор отображения. При этом схема контроля управления может дополнительно содержать питающийся от источника тока и снабженный датчиком тока мостовой коммутатор тока, выходы которого соединены со входами индуктора, а вход с микроконтроллером, при этом один вход дополнительного АЦП соединен с датчиком тока с возможностью измерения напряжения, пропорционального току через индуктор, а второй вход с последовательно соединенными мостовым коммутатором и источником тока, с возможностью измерения напряжения пропорционального напряжению на индукторе. А энергонезависимая память может содержать предустановленные пороговые значения отклонения текущих значений активного и индуктивного сопротивлений индуктора, а микроконтроллер при этом может быть выполнен с обеспечением возможности фиксации превышения пороговых значений сопротивления индуктора при сравнении программно-аппаратным образом текущих значений с эталонными.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения выход измерительного АЦП соединен со входом микроконтроллера с возможностью передачи текущих значений измерения напряжения, пропорционального скорости измеряемой среды, проходящей через трубопровод первичного преобразователя. При этом измерительный АЦП может быть соединен со входом микроконтроллера через гальваническую развязку, а дополнительный АЦП выполнен встроенным в микроконтроллер.

Микроконтроллер может быть соединен, по меньшей мере, с импульсным выходом и/или выходом коммуникации, с возможностью представления результатов измерений и/или диагностической информации на внешние устройства посредством унифицированных выходных сигналов. Вместе с тем, в еще одном варианте осуществления изобретения выходы микроконтроллера могут быть также соединены со входами внешних и/или периферийных устройств с возможностью передачи, и/или представления результатов измерений и/или диагностической информации на внешние устройства, и/или накопления и архивирования результатов измерений, и/или записи ее на машиночитаемые носители информации, и/или вывода на печать. Причем микроконтроллер может быть выполнен с возможностью формирования блокирующего управляющего сигнала на схему управления питания расходомера при превышении времени, в течение которого осуществляется фиксация наличия внешнего магнитного поля, искажающего результаты измерения и/или числа измерений, фиксирующих наличие указанного магнитного поля, пороговые значения которых предустановлены в энергонезависимой памяти

Краткое описание чертежей.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема заявленного решения электромагнитного расходомера.

Следует отметить, что прилагаемый чертеж иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения изобретения и поэтому не может рассматриваться в качестве ограничений содержания изобретения, которое включает другие варианты выполнения

Осуществление изобретения

Как следует из функциональной схемы, представленной на фиг.1, электромагнитный расходомер включает первичный электромагнитный преобразователь 1 расхода с индуктором 2 и катушками, в зазоре которых расположен трубопровод с электродами, подсоединенными к измерительной схеме, содержащей измерительный аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП), выход которого непосредственно или через гальваническую развязку соединен с микроконтроллером 5. При этом схема контроля управления также содержит питающийся от источника 4 тока и снабженный датчиком 11 тока мостовой коммутатор 6 тока, выходы которого соединены со входами индуктора 2, а вход с микроконтроллером 5 вход которого, в свою очередь, соединен с выходом дополнительного АЦП 7, выполненного, например, встроенным в микроконтроллер 5. Причем, один из входов дополнительного АЦП 7 соединен с датчиком 11 тока, а второй - с последовательно соединенными мостовым коммутатором 6 и источником 4 тока. Микроконтроллер 5 также может быть снабжен встроенной энергонезависимой памятью, содержащей, в частности, предустановленные эталонные значения активного и индуктивного сопротивлением индуктора расходомера. Возможны также реализации решения, в которых энергонезависимая память является самостоятельным элементом схемного решения, подключаемым и управляемым микроконтроллером 5.

Микроконтроллер 5, являясь основой схемы контроля и управления, реализует программно-аппаратным образом основные функции управления работоспособностью измерительного комплекса и системой питания заявленного решения, и в частности, используется для:

проведения вычислений и управления всеми периферийными устройствами,

вывода информации на индикатор 8,

вывода информации на импульсные выходы 9,

вывода информации на выходы 10 коммуникации,

управления мостовым коммутатором 6 тока питающегося от источника 4 тока, снабженного датчиком 11 тока (R)

В конкретной реализации устройства в качестве измерительного АЦП 3 может быть использована интегральная схема ADS1292, в качестве микроконтроллера 5 - интегральная микросхема EFM32F222G, а в качестве дополнительного АЦП 7 - внутренний АЦП микроконтроллера 5, оставшаяся же часть схемы реализована на дискретных компонентах.

При этом устройство и способ контроля измерений расхода текучих сред работают следующим образом:

Индуктор 2 первичного преобразователя 1 расхода запитывается знакопеременным током с выхода мостового коммутатора 6 тока, управляемого микроконтроллером 5. При этом величина тока через индуктор определяется источником 4 тока.

При движении электропроводящей измеряемой среды, пересекающей магнитное поле индуктора 2, на электродах (выходах) первичного преобразователя 1 расхода возникает знакопеременное напряжение, пропорциональное скорости измеряемой среды, поступающее на вход измерительного АЦП 3, выходы которого напрямую или через барьеры гальванической развязки соединены со входами микроконтроллера 5, вычисляющего расход на основании измеренного на электродах напряжения.

Согласно заявленному техническому решению, вариант осуществления которого представлен на фиг.1, один из входов дополнительного АЦП 7, в качестве которого в приведенном используется встроенный АЦП микроконтроллера 5, подается напряжение V₁ с датчика 11 тока, пропорциональное току I через индуктор 2. При этом, согласно схеме, напряжение на втором входе V₂ является суммой напряжения на индукторе V_L и напряжения на первом входе V₁, отсюда напряжение на индукторе

$$V_L=V_2-V_1(1)$$

Программно управляя посредством микроконтроллера 5 включением тока в индукторе, в режиме установившегося тока на основании измеренных величин обоих напряжений программно-аппаратным образом в микроконтроллере вычисляются текущие значения активного сопротивления индуктора R по формуле:

$$R=V_L/I(2)$$

и индуктивного сопротивления (индуктивность) индуктора L по формуле

$$L=V_L/(dI/dt),(3)$$

где dI/dt - скорость нарастания тока непосредственно после момента включения тока.

На основании рассчитанных вышеуказанных текущих значений активного и индуктивного сопротивлений индуктора далее, программным образом, осуществляют в микроконтроллере сравнение указанных величин с предустановленными в энергонезависимой памяти, определенными на стадии производства расходомера индивидуальными для каждого прибора эталонными значениями активного и индуктивного сопротивление индуктора. Поскольку под влиянием внешнего магнитного поля активное и индуктивное сопротивление индуктора изменяются относительно значений, полученных при производстве расходомера, то по факту фиксации наличия изменений сравниваемых значений делают вывод о наличии внешнего магнитного поля, искажающего результаты измерения. Оценку изменений значений сопротивлений индуктора относительно эталонных предпочтительно осуществляют относительно пороговых значений допустимых изменений, например, исчисляемых в виде процентного соотношения, или предустановленного диапазона, или каким-либо иным способом, известным из уровня техники, позволяющим осуществлять контроль допустимых отклонений диагностируемых величин. Так, при превышении заданного порога изменения, установленного в энергонезависимой памяти микроконтроллера в виде процентного соотношения (например 1%), микроконтроллер может диагностировать наличие внешнего поля, искажающего метрологические характеристики прибора. При этом микроконтроллер может сформировать сообщение предустановленного образца для вывода его на индикаторное устройства расходомера, и/или передать информациею на импульсный выход, и/или на внешние или периферийные подключаемые устройства, подключаемые посредством коммутационных разъемов, с возможностью распознавания информации, ее обработки, отображения, вывода на печать, записи на машиночитаемые носители, архивирования и т.д Для исключения случайно ошибки выявления полей, оказывающих влияние на достоверность осуществляемых расходомером измерений, в микроконтроллере программно-аппаратным образом могут быть предустановленны таймер и/или счетчик измерений, отслеживающих повторяемость выявления отклонений текущих значений активного и индуктивного сопротивления индуктора от эталонных. Таймер и счетчик могут быть реализованы программно-аппаратным способом. При этом микроконтроллер может быть выполнен с возможностью формирования блокирующего управляющего сигнала на схему управления питания расходомера при превышении времени, в течение которого осуществляется фиксация наличия внешнего магнитного поля, искажающего результаты измерения и/или числа измерений, фиксирующих наличие указанного магнитного поля, пороговые значения которых предустановлены в энергонезависимой памяти микроконтроллера.

Таким образом, очевидно, что предложенное решение электромагнитного расходомера и способа контроля измерений расхода текучих сред позволяет с высокой степенью вероятности осуществлять распознавание влияния внешних магнитных полей на точность измерений с возможностью оповещения о полученных результатах контроля измерений и блокировки работы прибора при отсутствии устранения причин искажения, что повышает достоверность осуществляемых расходомером измерений, а также, в свою очередь, повышает точность измерения, расширяет диапазон измерений и спектр применения устройства.

Технические решения заявленного решения могут быть использованы в промышленных системах контроля текучих сред, в системах управления различными технологическими процессами, в химической, пищевой промышленности, топливно-энергетическом комплексе, при организации проверки метрологических характеристик расходомерного оборудования, а также при исследованиях в области расходометрии и электромагнитного измерения расхода электропроводящих сред, в частности, и т.д.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к электромагнитным устройствам для измерения расхода (расходомерам) электропроводящих сред. Способ контроля измерений расхода текучих сред заключается в том, что дополнительно к измерению величины расхода жидкости при преобразовании в микроконтроллере измеренной измерительным АЦП напряжения, пропорционального скорости измеряемой среды в измерительном канале, измеряют напряжения, пропорциональные току через индуктор, и напряжению на индукторе и определяют величину отклонения текущих значений активного и индуктивного сопротивлений, определенных в микроконтроллере программно-аппаратным образом по указанным значениям напряжений на индукторе от предустановленных в памяти их эталонных значений. Электромагнитный расходомер, содержит первичный преобразователь расхода, измерительную схему, содержащую, по меньшей мере, измерительный АЦП и схему управления, содержащую, по меньшей мере, микроконтроллер, соединенный с измерительным АЦП и снабженный дополнительным АЦП, выполненным с возможностью измерения напряжения, пропорционального току через индуктор, и напряжению на индукторе. Технический результат - повышение достоверности распознавания влияния внешних помех на точность измерений и, как следствие, повышение точности измерений, расширении диапазона измерений и спектра применения устройства. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля измерения расхода текучих сред, включающий возбуждение на электродах первичного преобразователя расхода знакопеременного напряжения, пропорционального скорости измеряемой среды в измерительном канале, пересекающей при движении магнитное поле индуктора, измерение величины электрического параметра измерительным АЦП и преобразование программно-аппаратным образом в микроконтроллере измеряемой величины в единицы расхода жидкости, отличающийся тем, что дополнительно измеряют напряжения, пропорциональные току через индуктор, и напряжению на индукторе и определяют величину отклонения текущих значений активного и индуктивного сопротивлений, определенных в микроконтроллере программно-аппаратным образом по указанным значениям напряжений на индукторе от предустановленных в памяти их эталонных значений.

2. Электромагнитный расходомер, содержащий первичный электромагнитный преобразователь расхода, включающий индуктор с катушками, в зазоре которых расположен трубопровод с электродами, подсоединенными к измерительной схеме, содержащей измерительный АЦП, вход которого соединен с электродами, а выход со схемой управления и контроля тока питания индуктора, содержащей источник тока питания катушек индуктора, управляемый микроконтроллером, соединенным, по меньшей мере, с индикатором отображения, отличающийся тем, что схема контроля управления содержит дополнительный АЦП, один вход которого выполнен с возможностью измерения напряжения, пропорционального току через индуктор, а второй вход с возможностью измерения напряжения, пропорционального напряжению на индукторе, при этом выход дополнительного АЦП соединен с микроконтроллером с возможностью передачи измеренных величин напряжений с каждого входа на микроконтроллер, и расчета микроконтроллером программно-аппаратным образом текущих значений активного и индуктивного сопротивлений индуктора, их сравнения с предустановленными в энергонезависимой памяти микроконтроллера эталонными значениями и фиксации наличия внешнего магнитного поля, искажающего результаты измерения при отклонении текущих расчетных значений от эталонных, с возможностью вывода результата, по меньшей мере, на индикатор отображения.

3. Электромагнитный расходомер по п.2, отличающийся тем, что энергонезависимая память содержит предустановленные пороговые значения отклонения текущих значений активного и индуктивного сопротивлений индуктора, а микроконтроллер выполнен с обеспечением возможности фиксации превышения пороговых значений сопротивления индуктора при сравнении программно-аппаратным образом текущих значений с предустановленными пороговыми значениями.

4. Электромагнитный расходомер по любому из пп.2 или 3, отличающийся тем, что схема контроля управления дополнительно содержит питающийся от источника тока и снабженный датчиком тока мостовой коммутатор тока, выходы которого соединены со входами индуктора, а вход с микроконтроллером, при этом один вход дополнительного АЦП соединен с датчиком тока с возможностью измерения напряжения пропорционального току через индуктор, а второй вход с последовательно соединенными мостовым коммутатором и источником тока с возможностью измерения напряжения пропорционального напряжению на индукторе.

5. Электромагнитный расходомер по п.2, отличающийся тем, что выход измерительного АЦП соединен со входом микроконтроллера с возможностью передачи текущих значений измерения напряжения, пропорционального скорости измеряемой среды, проходящей через трубопровод первичного преобразователя.

6. Электромагнитный расходомер по п.2, отличающийся тем, что измерительный АЦП соединен со входом микроконтроллера через гальваническую развязку.

7. Электромагнитный расходомер по п.2, отличающийся тем, что дополнительный АЦП выполнен встроенным в микроконтроллер.

8. Электромагнитный расходомер по п.2, отличающийся тем, что микроконтроллер соединен, по меньшей мере, с импульсным выходом и/или выходом коммуникации с возможностью представления результатов измерений и/или диагностической информации на внешние устройства посредством унифицированных выходных сигналов.

9. Электромагнитный расходомер по п.2, отличающийся тем, что выходы микроконтроллера соединены со входами внешних и/или периферийных устройств с возможностью передачи, и/или представления результатов измерений и/или диагностической информации на внешние устройства, и/или накопления и архивирования результатов измерений, и/или записи ее на машиночитаемые носители информации, и/или вывода на печать.

10. Электромагнитный расходомер по п.2, отличающийся тем, что микроконтроллер выполнен с возможностью формирования блокирующего управляющего сигнала на схему управления питания расходомера при превышении времени, в течение которого осуществляется фиксация наличия внешнего магнитного поля, искажающего результаты измерения и/или числа измерений, фиксирующих наличие указанного магнитного поля, пороговые значения которых предустановлены в энергонезависимой памяти.