Кондукционный электромагнитный расходомер Советский патент 1987 года по МПК G01F1/58 

Изобретение относится к приборо- строению, в частности к кондукцион- ным электромагнитным расходомерам для измерения скорости сред с электронной и ионной проводимостями, и может.быть использовано в металлургической и химической промышленности, атомной энергетике, а также других отраслях, где используются жидкие металлы в качестве теплоносителей или хладагентов,

Цель изобретения - повьппение точности расходомера и его надежности.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого расходомера.

Расходомер содержит магнитную систему (МС) 1, охватьшающую трубопровод 2, на котором диаметрально расположены электроды 3 для.снятия скоростного сигнала и электроды 4, расположенные на образующей трубопровода , проходящей через один из электродов 3 для снятия вихревого сигнала, а также прибор для питания МС 1 и измерения обработки сигналов с электродов 3 и 4. Прибор содержит микропроцессорное устройство (ШУ) 5,первый частотный выход 6 которого соединен с входом 7 дешифратора адреса (ДА) 8, Выход 9 последнего соединен с входом 10 постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 11, а также первым входом 12 сравнивающего устройства (СрУ) 13, второй вход 14 которого соединен с вторым выходом 15 МПУ 5. Выход 1 & ПЗУ 11 соединен с входом 17 цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 18, выход 19 которого соединен с входом 20 усилителя мощности (УМ) 21, а его выход 22 соединен с МС 1„ Скоростные 3 и вихревые 4 электроды соединены соответственно с входами 23 и 24 первого управляемого коммутатора (УК1) 25, третий вход 26 которого заземлен. Выходы 27 и 28;УК1 25 соединены соответственно с входом 29 первого селективного усилителя (СУ1) ЗО и с

fO

в совокупности выполняют функции ге нератора синусоидального напряжения

Выход 43 СВХ1 36 соединен с перв входом 44 второго управляемого коммутатора (УК2) 45, а выход 46 СВХ2 38 соединен с вторым входом .47 УК2 4 Вькод 48 УК2 45. соединен с входом 49 аналого-цифрового преобразовател (АЦП) 50,выход 51 которого соединен с первым входом 52 МПУ 5. Третий вы ход 53 МПУ 5 соединен с управляющими входами 54 УК1, 25, 55 УК2 А5 и 56 АДП 50. Четвертый выход 57 МПУ 5 соединен с входом 58 блока подстрой ки усиления (БПУ) 59, выход 60 кото рого соединен с входом Подстройки усиления: 61 СУ2 32. Пятый выход 62 МПУ 5 соединен с входом 63 блока подстройки нуля (БПН) 64, выходы 65 и 66 которого соединены с входами подстройки нуля 67 и 68 соответстве но С21 30 и СУ2 32. Выход 34 СУ2-32 соединен также с сигнальным входом 69 преобразователя сдвига фазы (ПСФ 70. Вход управления 71 ПСФ 70 соеди нен с выходом 41 СрУ 13, а тактовый вход 72 ПСФ 70 соединен с выходом 6 МПУ 5. Выход 73 МСФ 70 соединен с входом 74 МПУ 5. Шестой выход 75 МПУ 5 соединен с входом 76 блока ин дикации (И) 77.

Устройство работает следующим об разом.

20

25

30

35

40

45

Синусоидальное напряжение для пи тания МС 1 преобразователя расхода расходомера стабильное по частоте и амплитуде с малыми нелинейными иска жениями (до 0,2%) получается при по мощи цифрового метода формирования синусоидального напряжения. Для это го в ПУЗ 11 с дискретностью и f (например 0,5 ) записывается в двоичном коде значение синуса. МПУ 5 по выходу 6 вырабатывает тактовые импульсы f,которые поступают на вход 7 дешифратора адреса ДА 8, на выходе 9 которого периодически формирувходом 31 второго селективного усили- о ется двоичный код, срответствующий

теля (СУ2) 32. Выход 33 СУ1 30 соединен с первым входом 35 первой, схемы выборки и хранения (CBXi) 36, а выход 34 СУ2 32 - с первым входом 37 второй схемы выборки и хранения (СВХ2) 38, Вторые входы 39 и 40 СВХ1 36 и СВХ2 38 соединены с выходом 41 СрУ 13, который одновременно соединен с входом 42 МПУ 5. Блоки 8, 11 и 18

порядковому номеру ячейки памяти от О до N. Полученный двоичный код поступает на вход 10 ПЗУ 11, на выходе 16 которого появляется значени j синуса в двоичном коде, поступающее на вход 17 ЦАП 18. На выходе 19 ЦАП 18 таким образом формируется цифровым методом синусоидальное напряжение с частотой

в совокупности выполняют функции генератора синусоидального напряжения.

Выход 43 СВХ1 36 соединен с первьш.. входом 44 второго управляемого коммутатора (УК2) 45, а выход 46 СВХ2 38 соединен с вторым входом .47 УК2 45. Вькод 48 УК2 45. соединен с входом 49 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 50,выход 51 которого соединен с первым входом 52 МПУ 5. Третий выход 53 МПУ 5 соединен с управляющими входами 54 УК1, 25, 55 УК2 А5 и 56 АДП 50. Четвертый выход 57 МПУ 5 соединен с входом 58 блока подстрой- ки усиления (БПУ) 59, выход 60 которого соединен с входом Подстройки усиления: 61 СУ2 32. Пятый выход 62 МПУ 5 соединен с входом 63 блока подстройки нуля (БПН) 64, выходы 65 и 66 которого соединены с входами подстройки нуля 67 и 68 соответственно С21 30 и СУ2 32. Выход 34 СУ2-32 соединен также с сигнальным входом 69 преобразователя сдвига фазы (ПСФ) 70. Вход управления 71 ПСФ 70 соединен с выходом 41 СрУ 13, а тактовый вход 72 ПСФ 70 соединен с выходом 6 МПУ 5. Выход 73 МСФ 70 соединен с входом 74 МПУ 5. Шестой выход 75 МПУ 5 соединен с входом 76 блока индикации (И) 77.

Устройство работает следующим образом.

0

5

0

Синусоидальное напряжение для питания МС 1 преобразователя расхода расходомера стабильное по частоте и амплитуде с малыми нелинейными искажениями (до 0,2%) получается при помощи цифрового метода формирования синусоидального напряжения. Для этого в ПУЗ 11 с дискретностью и f (например 0,5 ) записывается в двоичном коде значение синуса. МПУ 5 по выходу 6 вырабатывает тактовые импульсы f,которые поступают на вход 7 дешифратора адреса ДА 8, на выходе 9 которого периодически формирупорядковому номеру ячейки памяти от О до N. Полученный двоичный код поступает на вход 10 ПЗУ 11, на выходе 16 которого появляется значение j синуса в двоичном коде, поступающее на вход 17 ЦАП 18. На выходе 19 ЦАП 18 таким образом формируется цифровым методом синусоидальное напряжение с частотой

f - ic.

P N

Напряжение с частотой „ усиливается УМ 21 и подается на МС 1 преобразователя расхода.-

Встроенное в расходомер МПУ 5 выполняет арифметические действия и управляет работой прибора по заданной программе, записанной в постоянной памяти МПУ 5. Расходомер начи- нает работать при включении с режима Настройка измерительного прибора, после чего переходит в режим Измерение. Программа составлена так, что расходомер периодически возвра- щается в режим Настройка. Периодичность режима Настройка определяется и записьтается в программу, исходя из реальных условий работы расходомера. Длительность режима не превышает одного цикла измерения и во время этой операции на индикаторах сохраняются предыдущие показания расходомера.

Расходомер в режиме Настройка работает следующим образом.

Режим Настройка включает в себя компенсацию постоянных напряжений дрейфа нуля трактов прохождения скоростного и вихревого сигналов, со- держащих СУ 30, СУ2 32, CBXl 36, СВХ2 38, УК2 45, АЦП 50 определе- ние суммарного разового сдвига, вносимого усилителем мощности, магнитной системой, вихревыми токами в измерительном канале, а также СУ1 30 скоростного сигнала на рабочей частоте относительно фазы синусоидального напряжения генератора fp для последующего учета при определении расхо- да; вьфавнивание коэффициентов усиления по амплитуде трактов прохожде- ния скоростного и вихревого сигналов

Для компенсации постоянных состав ляющих трактов прохождения скоростного и вихревого сигналов МПУ 5 по выходу 53 вьщает команду на переключение УК1 25. По этой команде УК1 25 соединяет вход 26 с выходами 27 и 28 Таким образом, входы 29 и 31 СУ1 30 и СУ2 32 оказьгоаются заземленньгми, На входах 33 СУ1 30 и 34 СУ2 32 присутствует постоянное напряжение, которое подается на входы 35 и 37 СВХ1 36 и СВХ 2 38 соответственно. МПУ 5 по выходу 15 выдает код, соответствующий О, поступает на вход 14 (СрУ) 13, на второй вход 12

которого поступает текущий код с ДА 8. Когда коды равны, СрУ 13 по выходу 41 вырабатошает импульс, который поступает на управляющие входы 39 и 40 СВХ1 36 и СВХ2 38, а также на вход МПУ 3. По приказу этого импульса обе СВХ запоминают величины напряжений, которые присутствовали на их входах, а МПУ 5 по выходу 53 вьщает команду на вход 55 УК2 45 и вход 56 АЦП 50. По этой команде УК2 45 соединяет вход 44 с выходом 48 и запускает АЩ1 50 и хранимая в СВХ1 36 величина напряжения поступает на вход 49 АЦП 50. Последний преобразовывает напряжение в цифровой код, который поступает на вход 52 МПУ 5. Последнее принимает этот код и через выход 62 передает его на вход 63 БПН 64, На выходе 65 которого появляется постоянное напряжение, поступающее на вход подстройки нуля 67 СУ1 30. Затем №У 5 по выходу 53 вырабатывает команду на переключение УК2 45 и запуск АУП 50. По.приходу этой команды УК2 45 соединяет вход 46 с вы- ходом 48 и запускает АЦП 50. При этом на вход 49 АЦП 50 поступает хранимое в СВХ2 38 напряжение, которое преобразовывается в цифровой код, поступающий через вход 52 в МПУ 5 и через выход 62 МПУ 5 на БПН 64. При этом на-выходе 66 появляется постоянное напряжение, которое поступает на вход подстройки нуля 68 СУ2 32t Таким образом происходит компенсация постоянных напряжений дрейфа нуля, трактов прохождения скоростного и вихревого сигналов.

Определение суммарного фазового сдвига тракта прохождения скоростного сигнала на рабочей частоте для -дальнейшего учета производится после выполнения компенсации постоянных напряжений дрейфа нуля. Для этого МПУ 5 по выходу 53 -вьщает команду на УК1 25. По этой команде УК1 25 соединяет вход 24 с выходом 28. Таким образом, на вход 31 СУ2 32 поступает вихревой сигнал с электродов 4 преобразователя расхода 2, усиливается и подается на вход 69 ПСФ 70. На вход 71 ПСФ 70 поступают импульсы. Соответствующие переходу синусоиды генератора через точку О, а на вход 72 поступают тактовые импульсы fp с выхода 6 ШУ 5. На выходе 73 ПСФ 70 получается двоичный код, соответствующий фазовому сдвигу напряжения с выхода 34 СУ2 32 относительно синусоиды генератора (блоки 8, 11 и 18) с точностью ЛС. Так как вихревой сигнал сдвинут относительно напряжения генератора примерно на 90°, на выходе 73 ПСФ 70 присутствует в коде величина 90 t лу , где Л - суммарный фазовый сдвиг сигнала расхода отнрсительно фазы генератора, так как при R : I сигнал расхода сдвинут по фазе относительно вихревого сигнала на 90, где Rg - магнитное число Рейнольдса.

на преобразование. На вьгходе АЛЛ 30 появляется код, который соответствует величине мгновенного значения напряжения синусоиды на вьгходе 33 СУ1 30

в момент прохождения напряжения генератора через О Этот код через вход 52 поступает на МПУ 5, которое запоминает абсолютное значение синусоиды. Затем МПУ 5 по выхо- 0 ду 53 вьщает команду на УК2 45 на соединение входа 47 с выходом 48. После этого МПУ 5 по выходу 15 выдает на СрУ 13 код следующей точки обратотки сигналов через Aoi напря-

в точке напряжения генератора uoi про исходит аналогично описанной обработке сигналов в точке напряжения генератора 0°. Результаты обработки сигналов в точке Л ос суммируются по (ао) абсолютной величине в МПУ 5 с результатами обработки соответствую0

щих сигналов в точке О , которые хранятся в памяти ЖУ 5. Таким образом, обработка и

водится в К точках, где К

i МПУ 5 по входу 74 принимает этот код, - жения генератора. Обработка сигналов

вычисляет фазовый сдвиг

и запоминает его с соответствующим знаком.

Таким образом, МПУ 5 запоминает 20 суммарный фазовый сдвиг тракта скоростного сигнала, относительно напряжения генератора синусоидального напряжения, который в дальнейшем учитывается при определении расхода. 25 Выравнивание коэффициентов усиления основано на принципе амплитудного детектирования одного периода вихревого напряжения, подаваемого на оба селективных усилителя, сравнения 30 продетектированных напряжений и введения коррекции по коэффициенту усиления в один из селективных усилителей. Дискретность обработки синусоидального напряжения выбирается д р 35 (например 5) из условий обеспечения необходимой точности выравнивания коэффициентов усиления за один период и должна быть кратной периоду.

На выходе 15 МПУ 5 сохраняется 40 код О, который поступает на вход 14 СрУ 13. При прохождении напряжения генератора через 0° на выходе 41 СрУ 13 появляется импульс, который переводит СВХ1 З б и СВХ2 38 в режим 45 запоминания и поступает на вход 42 МПУ 5. Последнее по выходу 53 выдает команду АЗТТ 50 на преобразование. На выходе ЛУП 50 появляется код, который соответствует величине мгно- 50 венного значения напряжения синусои- дь: на выходе 34 СУ2 32 в момент прохождения Напряжения генератора через 0°

суммирование произ360°

т,е. за полный период рабочей частоты. Затем МПУ 5 делит накопленную величину сигнала, поступившего по скоростному тракту на накопленную величину сигнала, поступившего по вихревому тракту. Полученное отношение в виде кода через выход 57 посту пает на вход 48 БПУ 59. На выходе 60 этого блока получается напряжение, которое поступает на вход регулировки усиления 61 СУ2 32 так, что коэффициент усиления трактов прохождения скоростного и вихревого сигналов выравнивается.

Расходомер в режиме Измерение работает следующим образом.

После режима Настройка прибор переходит в режим Измерение по программе, который основан на сравнении фазового продектированного скоростного сигнала, с учетом фазового сдвига t й/з тракта прохождения скоростного сигнала и aмпJштyднo продектированного вихревого сигнала за время нескольких периодов рабочей частоты с дискретностью i oi.

Этот код через вход 52 поступает на МПУ 5, которое запоминает 55 При этом МПУ 5 по выходу 52 выдает абсолютное значение напряжения си- команду на УК1 25 и на УК2 45, По Нусоиды. После этого МПУ 5 по выходу 53 выдает команду УК2 45 на соединеэтой команде УК1 25 соединяет вход

выходом

24 с выходом 27 вход 23 - с

24 с выходом 27 вход 23 - с

ние входа 44 с выходом 48, а АЦП 50 - 28, УК2 45 соединяет вход 44 с выхо

900756

на преобразование. На вьгходе АЛЛ 30 появляется код, который соответствует величине мгновенного значения напряжения синусоиды на вьгходе 33 СУ1 30

в момент прохождения напряжения генератора через О Этот код через вход 52 поступает на МПУ 5, которое запоминает абсолютное значение синусоиды. Затем МПУ 5 по выхо- 0 ду 53 вьщает команду на УК2 45 на соединение входа 47 с выходом 48. После этого МПУ 5 по выходу 15 выдает на СрУ 13 код следующей точки обратотки сигналов через Aoi напря-

i , - жения генератора. Обработка сигналов

в точке напряжения генератора uoi происходит аналогично описанной обработке сигналов в точке напряжения генератора 0°. Результаты обработки сигналов в точке Л ос суммируются по (ао) абсолютной величине в МПУ 5 с результатами обработки соответствую0

щих сигналов в точке О , которые хранятся в памяти ЖУ 5. Таким обра

зом, обработка и

водится в К точках, где К

суммирование произ360°

т,е. за полный период рабочей частоты. Затем МПУ 5 делит накопленную величину сигнала, поступившего по скоростному тракту на накопленную величину сигнала, поступившего по вихревому тракту. Полученное отношение в виде кода через выход 57 поступает на вход 48 БПУ 59. На выходе 60 этого блока получается напряжение, которое поступает на вход регулировки усиления 61 СУ2 32 так, что коэффициент усиления трактов прохождения скоростного и вихревого сигналов выравнивается.

Расходомер в режиме Измерение работает следующим образом.

После режима Настройка прибор переходит в режим Измерение по программе, который основан на сравнении фазового продектированного скоростного сигнала, с учетом фазового сдвига t й/з тракта прохождения скоростного сигнала и aмпJштyднo продектированного вихревого сигнала за время нескольких периодов рабочей частоты с дискретностью i oi.

При этом МПУ 5 по выходу 52 выдает команду на УК1 25 и на УК2 45, По

При этом МПУ 5 по выходу 52 выдает команду на УК1 25 и на УК2 45, По

этой команде УК1 25 соединяет вход

выходом

24 с выходом 27 вход 23 - с

28, УК2 45 соединяет вход 44 с выходом 48. Таким образом, на вход 29 СУ1 30 поступает вихревой сигнал, а на вход 31 СУ2 37 - скоростной сигнал, в котором присутствует трансформаторная помеха. Эти сигналы усиливаются и поступают на СВХ1 36 и СВХ2 38. Затем МПУ 5 по выходу 15 выдает код первой точки обработки сигнала (0°). При прохождении синусоиды напряжения генератора через 0° СрУ 13 вырабатывает импульс сравнения, который переводит СВХ1 36 и СВХ2 38 в режим Запоминание. Таким.образом, на выходах 43 и 46 появляются постоянные напряжения, соответствующие мгновенной величине напряжения в точке 0°. Импульс сравнения поступает так же на вход 42 МПУ 5, которое-по выходу 53.выдает команду АЦП 50 на преобразование, после чего на выходе 51 АЦП 50 появляется код, соответствующий величине вихревого сигнала в течение 0° генератора синусоидального напряжения. Этот код через вход 52 поступает на МПУ 5, где его абсолютное значение заносится в память. Затем МПУ 5 по выходу 53 выдает команду УК2 45 на соединение входа 47 с выходом 48. Таким образом на вход 49 АЦП 50 поступает постоянное напряжение, соответствующее мгновенной величине сиг- нала расхода в присутствии трансформаторной памяти. МПУ 5 по выходу 53 вьщает команду АЩ1 50 на преобразование и полученный код поступает по входу 52 на МПУ 5, которое опреде- . ляет знак функции (пйсС°±0(з ) , где п 0-К;

U о. - дискретность обработки

сигналов;

UP°- фазовый сдвиг тракта прохождения скоростного сигнала.

Если знак f положительный, то код заносится в памяти МПУ 5 со знаком плюс, а если отрицательный, то код заносится .в памяти со знаком минус. После этого МПУ 5 по выходу 53 вы- дает команду УК2 45 на соединение входа 44 с выходом 48. Затем по вы- ходу 15 МПУ 5 выдает на СВУ 13 код I следующей точки обработки сигналов через напряжения генератора.

Обработка сигналов в точке напряжения генератора а ef. происходит аналогично описанной обработке сигналов

5

0

в точке напряжения генератора 0°. Результат обработки вихревого сигнала суммируется по абсолютной величине с результатом обработки этого

сигнала в точке 0°, а результат обработки скоростного сигнала, суммируется с результатом обработки этого сигнала в точке 0° с учетом знака функции f. Таким образом, происходит обработка и суммирование К 360 /Аог раз за период рабочей частоты. В зависимости от необходимого быстродействия и точности выбирается количество полных периодов обработки информации в режиме Измерение , Когда обработано заданное количество периодов рабочей частоты, МПУ 5 делит накопленную величину по скоростному тракту на величину накопленную по вихревому тракту, результат умножается на калибровочное число и вьщается на И 77, в котором индицируется числовое значение расс хода до конца следующего цикла измерения. После вывода результата на И 77 МПУ 5 по программе возвращается к началу цикла измерения.

Формула изобретения 0

Кондукционный злектромагнитньш

расходомер, содержащий преобразователь расхода с магнитной системой переменного магнитного поля и измерительным каналом со скоростными и вихревыми электродами, усилителем мощности-, селективные усилители скоростного и вихревого-сигналов и блок индикации, отличающийся

д тем, что, с целью повышения точности измерения и надежности, он снабжен двумя управляемыми коммутаторами, двумя схемами выборки и хранения, аналого-цифровым преобразователем,

с- постоянным запоминающим устройством, микропроцессорным устройством, циф- роаналоговым преобразователем, блоком компенсации дрейфа нуля, блоком подстройки усиления, преобразовате лем сдвига фазы, сравнивающим устройством, причем первый частотный выход микропроцессорного устройства соединен с входом дещифратора адреса, выход которого соединен с вхоf дами сравнивающего устройства и постоянного запоминающего устройства, выход которого через последовательно включенные цифроаналоговый преоб- Разоват ель и усилитель мощности сое5

динен с магнитной системой, скоростные и вихревые электроды измерительного канала через первый управляемый коммутатор, третий вход которого заземлен, подключены соответственно к входам первого и второго селективных усилителей, выходы которых через соответственно первую и вторую схемы выборки и хранения подключены к первому и.второму входам второго управляемого коммутатора, входы управления первой и второй схем выборки и хранения объединены и соединены с выходом сравнивающего устройства, выход второго управляемого коммутатора через аналого -циф- ровой преобразователь соединен с первым входом микропроцессорного устройства, второй вход которого соединен с выходом сравнивающего уст ройства, а второй выход микропроцессорного устройства соединен с управляющими входами первого, второго управляемых коммутаторов и аналого-цифрового преобразователя, треРедактор Т.Митейко

Составитель А.Ишков

Техред Л.Олейник Корректор В.Бутяга

Заказ 7888/35 Тираж. 714 Подписное ВНЮШИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

тий выход микропроцессорного устройства соединен с входом блока подстройки усиления, выход которого соединен с входом подстройки усиления

второго селективного усилителя вихревого сигнала, четвертый выход микропроцессорного устройства соединен с входом блока компенсации дрейфа нуля, первый и второй выходы

Ш которого соединены с входами компенсации нуля соответственно первого и второго селективных усилителей, вход второго селективного усилителя подключен к первому входу преобразова- .

15 теля сдвига фазы, два других входа которого соединены соответственно с выходом сравнивающего устройства и первым частотным выходом микропроцессорного устройства, а выход преобра- 20 зователя сдвига фазы соединен с

третьим входом микропроцессорного устройства, пятый выход микропроцессорного устройства соединен с входом . бло- ка индикации.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в металлургической и химической про- мьшшенности, атомной энергетике, где используются жидкие металлы в качестве теплоносителей или хладагентов. Цель изобретения - повьшение точности расходомера и его надежности. На образующей трубопровода расположены электроды 3 и 4 для снятия соответственно скоростного и вихревого сигналов. Режим Настройка измерительного прибора включает операции компенсации постоянных напряжений дрейфа нуля трактов прохождения скоростного и вихревого сигналов, включающих в себя селективные усилители 30 и 32, схемы 36 и 38 выборки и хранения, управляемый коммутатор 45 и аналого-цифровой преобразователь 50, определения суммарного разового сдвига, вносимого усилителем 21 мощности, магнитной системой 1, вихревыми токами в измерительном канале и селективным усилителем 30, вырав- -нивания коэффициентов усиления по амплитуде трактов прохождения скоростного и вихревого сигналов. 1 ил. с