Электромагнитный расходомер Советский патент 1989 года по МПК G01F1/58 

(Л

Изобретение относится к технике измере;пш расхода и количества жидкости электромагнитным способом и может бытг) использовано для создания цифровых электромагнитных измерителей расхода.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повьш1е ние экономичности.

На чертеже изображена схема электромагнитного расходомера.

Расходомер содержит датчик 1, к электродам которого подсоединен усилитель 2 сигнала датчика, выходом подключенный к TpeTbeNiy входу усилителя сумматора 3 непосредственно, а к четвертому, вычитающему, входу - через устройство 4 выборки-хранения. Выход усилителя - сумматора 3 соединен с первым входом первого компаратра 5, второй вход - с выходом последнего вместе с входом интегратора 6 и дополнительным входом схемы 7 сравнения, первый вход - с выходом интег- ратора 6 вместе с основным входом схемы 7 сравнения и через ключ 8с входом преобразователя 9 напряжения- ток, к выходу которого подсоединена катушка 10 формирователя магнитного поля. Схема 7 сравнения состоит из второго компаратора 11, первый вход которого является основным входом схемы сравнения, а второй вход соединен с нулевой шиной устройства вместе с вторым входом первого компаратора, логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12, первого 13 и второго 14 диодных ограничителей уровня и одно- вибратора 15. Вход последнего соединен с выходом логической схемы ИС- 1СЛЮЧА10ЩЕЕ ИЛИ 12, первый вход которой через первый 13 диодный ограничитель уровня соединен с выходом, второго 11 компаратора, а второй вхо/д через второй 14 ограничитель уровня с дополнительным входом схемы 7 сравнения. Выход одновибратора 15 является выходом последней и соединен с управляющим входом устройства 4 выборки-хранения, счетным входом второго 16 счетчика импульсов и первым входом формирователя 17. Последний содержит логическую схему ,И-НЕ 18, первый 19 и второй 20 RS-тригге- ры, логическую схему И 21, логическую схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 22 и счетчик 23 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом логической

0

5

0

5

0

5

0

5

схемы И 21, выход переполнения, являющийся третьим выходом формирователя 17, с R-входом, RS-триггера 20, а вход сброса вместе с первым входом логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 22 составляет второй вход формирователя 17, соединенный с выходом устройства 24 внешнего сброса вместе с входом сброса счетчика 25 импульсов. С выходом последнего соединен второй вход логической схемы ИС1СЛЮЧА10ЩЕЕ ИЛИ 22, который является третьим входом формирователя 17, а выход последней подключен к S-входу триггера t9. Неинвертирующий выход триггера 19 соединен с первым входом логической схемы И-НЕ 18 и является пятым выходом формирователя 17, который подключен к входу сброса счетчика 26 импульсов. Инвертирующий выход триггера 19 является четвертым, а инвертирующий выход триггера 20 первым выходами формирователя 17, и соединенными соответственно с третьим и первым входами логической схемы И 27. R-вход триггера 19 и S-вкод триггера 20 соединены с выходом логической схемы И-НЕ 18, второй вход которой составляет первый вход формирователя 17 вместе с вторым входом логической схемы И 21, первый вход которой с оединен с неинвертирующим выходом триггера 20, который является вторым выходом формирователя 17 и подключен к первому входу логической схемы И 28. Третий выход формирователя 17 соединен с первым входом логической схемы И 29, второй вход которой соединен с выходом одновибратора 30 вместе с счетным входом счетчика 25 и входом записи счетчика 16, а выход - с входом записи вычитающего счетчика 31 импульсов, счетный вход которого подсоединен к выходу логической схемы 27, информационные входы - к информационным выходам счетчика 26, а выход переполнения - к входам одно- вибратора 30 и входу записи регистра 32, информационные входы которого соединены с информационными выходами счетчика 16. К вторым входам логических схем 27 к 28 подключен выход генератора 33 импульсов .стабильной частоты, а к счетному входу счетчика 26 выход логической схемы 28.

Цикл работы расходомера состоит из двух режимов: калибровки и измерения.Режим измерения является основным.

5

Он задается 1 на инвертирующих выходах RS-триггеров 19 и 20. При этом ключ 8 замкнут, а логическая схема И 27 открыта для импульсов, генерируемых генератором 33.

Пусть только что сработал первый компаратор 5 и на его выходе присутствует напряжение - Е. Напряжение на выхоДе интеграт ора 6 линейно возрастает с определенного отрицательного значения. Пока это напряжение отрицательно, то отрицательно и выходное напряжение второго компаратора 11, На выходах обоих диодных огра- ничителей 13 и 14 уровня присутствуют О, поэтому О действует и на выходе логической схемы ИСКЛЮЧЛ10ЩЕЕ ИЛИ 12,

Ток возбуждения магнитного поля датчика на выходе преобразователя 9 напряжение-ток тоже растет с некоторого отрицательного значения. В момент равенства напряжения U на- выходе интегратора 6 равен нулю ток воз- бужде|ния магнитного поля, поэтому полезный сигнал датчика отсутствует. В этот момент срабатывает компаратор 11, на его выходе появляется положительное напряжение на вьгходе диодного ограничителя уровня Н появляется 1, вызывая 1 на вьгходе логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12, Фронт перехода с О в 1 последней вызывает срабатывание одновибратора 15. Короткий импульс, появившийся на выходе последнего, переводит в режим выборки устройству 4 выборки-хранения, В последнем запоминается напряжение йи, которое присутствует на выходе усилителя 2 в момент выборки. Это напряжение пропорционально сумме пара- :зитной разности электродных потенциалов датчика и напряжения дрейфа усилителя 2,

Импульс с выхода одиовибратора 15 также увеличивает на единицу содержание счетчика 16, Содержание счетчика 23 не меняется, так как в режиме измерения логическая схема И 21 закрыта нулем на неинвертирующем выходе триггера 20.

Напряжение на выходе интегратора 6 и ток возбуждения, став положительными, продолжают возрастать до тех пор пока полярность напряжения Uj на первом входе компаратора 5, а следовательно, на выходе усилителя-сум- мйтора 3 не изменится на обратное.

15

10

20

- J5

й5220416

Напряжение U,Kj,U2. , где и„, U, и,-напряжения,действующие на выходах, соответственно 2,4,5 и 6, а Kg,. ,, , коэффициенты усиления по тем входам усилителя-сумматора 3, к которым подключены напряжения Uj, .,, ,Ug..Напряжение V K j-B-V + UU, где Kj - коэффициент, учитывающий коэффициент передачи датчика и коэффициент усиления усилителя 2J В - индукция магнитного поля датчика; Vjj - скорость потока в активной зоне датчика.

Индукция магнитного поля датчика пропорциональна току возбуждения 1, . протекающему в катушке 10, а ток I

пропорционален напряжению U,-

-б (где Г, - постоянная интегрирования

интегратора 6), действующему на входе преобразователя 9, Поэтому 11,

К„ -X- V,

D

j( t+ iUj ,где K-j учитывает

5

0

К 1 и коэффициент пропорциональности между индукцией В и напряжением Ug,

Напряжение V. при условии неизменности ди в течение четверти периода удовлетворяет равенству U,j. fiU. Напряжение. Е, Поэтому

. Е,

и,,к,

о

с.,- +

5

К

ли, -KS-E +

Е

Kj Л и, 0

Для подавления обеспечить

Е

а - 4Ли необходимо

Тогда

и, К,-К 7Г- V,.t - Кс-Е,

Кб Т Л)

б

t.

45

Изменяет свой знак из отрицательного на положительный в момент равенства .

.

+ К.

(K V-r- V,

о

.c;)t

Me

50

55

; В ЭТОТ момент срабатывает компаратор 5, напряжение на его выходе ста- новится равным +Е, интегратор 6 начинает интегрировать в противоположном направлении и напряжение U на его выходе начинает убывать. Так как на выходах обоих ограничителей 13 и 14 уровня с того момента действуют полйжительные напряжения, на их выходах имеются 1 и на выходе логической схемы ИСКШОЧАЮЩЁЕ ИЛИ 12 устанавливается О.

В момент перехода напряжения .на вькоде интегратора 6 через нуль напряжение на выходе компаратора 11 станонится отрицательным, на выходе ограничителя уровня 14 появляется О и на выходе логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ШТИ 12 возникает 1. При этом вновь срабатывает одновибратор 15. Содержание счетчика 16 возрастает на единицу, а устройство 4 выборки-хранения делает очередную выборку, запоминая 4U, в этот момент.

Напряжение U и ток возбузкдения убывают до тех пор, пока напряжение и не поменяет знак с положительного на отрицательный, заставляя сработать компаратор 5. Это случается в момент равенства .

(К, Kjj

Е« -,--,

+ К.

y-)t - .

25

3 меняется на величину ug .

2Ks Ej,. При этом в каждом из полупериодов на выходе одновибратора 15 появляются импульсы. Период повторения Т; этих импульсов можно определить из равенства:

Таким образом, в каждом из полупериодов сигнал Uj на выходе усилителя

2КгЕо

К,- Ь

я TK IL

6

а частоту появления можно выразить так: К,

этих импульсов

Kj

1-6 K.-KO

г с

2К,

const;

К

« 2Ks

-7Г-- const.

Из этого вьфажения видно, что час- тора f; пропорциональна не только скорости потока, но и сомножителю

стабильность которого обеспе1

чить сложно. Для этого и вводится режим автоматической коррекции.. Перед тем, как выяснить, каким образом в регисторе 32 появляется цифра N, пропорциональная расходу жидкости, рассмотрим, как расходомер работает

0

5

0

5

0

5

0

в режиме коррекции. Этот режим может быть вызван либо устройством 24 внешнего запуска, либо импульсом на выходе счетчика 25. Нормально, при отсутствии импульсов, на выходе устройства 24 присутствует О, а на выходе счетчика 25 - 1. При этом на выходе логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 присутствует 1. В момент срабатывания устройства 24 на его выходе появляется импульс амплитуда которого соответствует 1. При этом на вьпсоде схемы 22 появляется отрицательный по отношению к 1 импульс, т.е. во время действия импульса на ее входе, на выходе устанавливается О. В момент переполнения счетчика 25 на его выходе появляется импульс, отрицательный по отношению к 1, вызывающий такой же импульсj на выходе схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12. И в том и в другом случае импульс, появившийся на выходе схемы 22, попадает на S-вход триггера 19, устанавливая 1 на неинвертирующем и 0 на инвертирующем выходах последнего. Логическая схема И 27 закрывается, логическая схема И-НЕ 18 открывается, а содержание счетчика 26 сбрасывается -в . Первый импульс, пришедший с одновибратора 15 после срабатывания триггера 19, попадает через открытую . схему И-НЕ 18 на S-вход триггера 20, вызывая его срабатывание. Одновременно этот же импульс возвращает триггер 19 в исходное положение. На неинвертирующем выходе триггера 20 устанавливается 1, .на инвертирующем - О. Схема 27 остается закрытой, ключ 8 размыкается, а логические схемы И 21 и 28 открываются.

В части схемы, состоящей из блоков 1-15 происходит периодический процесс, описанный выше, за исключением того, что ток возбуждения из-за разомкнутого ключа 8 все время равен нулю, полезньй сигнал на выходе усилителя 2 отсутствует и U АU. Поэтому- период повторения импульсов на выходе одновибратора 15 определяется выражением

5

т

ZKjE,

2К.

К.

Ед 6

г.

.t..

It

к

Импульсы с таким периодом поступают на вход счетчика 23.

Режим коррекции продолжается до тех пор, пока не появится импульс на , выходе переполнения счетчика 23. Если емкость счетчика 23 равна п, то продолжительность режима коррекции n c g

k к

Все это время на счетчик 26 посту- jn пают импульсы частотой ff. с генератора 33, Поэтому в счетчике 26 записываj

ется число

NK

п

% К,7

сИмпульс с выхода счетчика 23 попадает на вход триггера 20 и через логическую схему И 29 на вход записи счетчика 31, На неинвартирующем выходе триггера 20 устанавливается О, закрывая схемы 21 и 28 и замыкая ключ 8, а на инвертирующем выходе триггера 20 устанавливается 1., открывая схему,27 для импульсов, с генератора 33. Вновь начинается режим измерения. Импульс, попавший на вход записи счетчика 31, переписывает содержимое счетчика 26, равное N| в счетчик 31. Так как появление импульса перепол- нения соответствует установлению содержимого суммирующего счетчика в нуль, то такое содержимое счетчика 23 и остается, пока будет продолжаться режим измерения.

Рассмотрим, каким образом формируется число N в регистре 32. Импульсы частотой fj, все время вычитают содержимое счетчика 31 до тех пор, пока оно станет равным нулю. Так как первоначально там находится число N, то вычитание занимает время N, ,

К

в -f;

п

,

ir

Когда содержимое счетчика 31 становится равным нулю,- импульс, попавший на вход, на выходе переполнения последнего вызывает импульс, который, попадая на вход записи регистра 32, переписывает содержимое счетчика 16 в регистр. Тсзт же импульс запускает одновибратор 30, импульс на выходе которого записывает в счетчик 16 код, набранный на его информационных входах, и, попадая через логическую схему И на вход записи счётчика 31, вновь переписывает в него содержимое счетчика 26. Выходной

импульс одновибратора 30 увеличивает содержимое счетчика 25 на единицу, За время Т в счетчик 16 попадает

количество импульсов

f;

KI

7С -6

tT

V «-6

7г-)п --- t-fi Kjj

-- n Vy + п.

1

II

Если на информационных входах счетчика 16 будет набран код п, инверсный числу п, то предварительно в счетчике 16 записывается число - п. Поэто- му по истечении времени Т„ в счетчике

16 окажется

N,

записанным число

KI

н (-п) --- n.V, KJJ

0

5

0

5

0

5

0

5

которое пропорционально расходу или скорости потока жидкости и не зависит от постоянной времени интегратора. Это число и переписывается в регистр 32, в котором хранится выходной информационный сигнал расходомера.

В начале режима измерения содержимое счетчика 25 равно нулю. Поэтому следующий импульс переполнения, если не будет запущено устройство внешнего запуска 24, появится через время

Т mTg, где m - емкость счетчика 25..

Таким образом, при отсутствии внешнего запуска режим коррекции будет автоматически повторяться через вре- мя Т„.

В момент включения расходомера устройство внешнего запуска 24 срабатывает обязательно, поэтому после включения расходомера сначала обязательно выполняется режим коррекции и лишь затем расходомер переходит в режим измерения. Дополнительная схема сравнения вьшолнена так, что незави симо от того, какие напряжения установятся на выходах компараторов 5 и 11 в момент включения, сразу же срабатывает устройство выборки-хранения, запоминая значение /iU, в момент включения.

Если на выходе одного из компараторов установится высокий уровень, а на выходе другого - низкий, то на выходе первой логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ liTQi 12 сразу устанавливается логическая единица и срабатывает второй одновибратор 15., запоминая uU, - в устройстве выборки-хранения. Пусть

в момент включения на выходах обоих компараторов установились высокие уровни. Тогда интегратор 6 начинает интегрировать в отрицательном направлении. Так как выходное его напряжение в момент включения бьшо равно нулю, то очень быстро на выходе компаратора 11 установится низкий уровень и на выходе схемь ИСКШИАКЩЕЕ ИЛИ 12 установится 1, вызывая срабатывание одновибратора 15. Если на выходе компараторов установились низкие уровни, то интегратор б начинает интегрировать в положительном направлении, переведя компаратор 11 в высокий уровень и опять, в конечном итоге, вызывая срабатывание одно вибратора 15.

Таким образом, мощность, подводи- мая к датчику расходомера, уменьшена вдвое. Наличие устройства выборки- хранения позволяет эффективно отделить разность электродных потенциалов от полезного сигнала.

формула изобретения

1. Электромагнитный расходомер,содержащий датчик, к электродам которо го подключен усилитель, формировател магнитного поля, .первый компаратор, усилитель-сумматор, ключ, первую и вторую схемы И, первый, второй и третий счетчики импульсов, вычитающий счетчик импульсов, генератор импуль сов, регистр, информационные входы которого соединены с выходами первого счетчика, вход ,записи которого

-

соединен с выходом первого одновиб

ратора, устройство внешнего запуска, выход которого соединен с первым входом формирователя, второй вход которого соединен с выходом второго счетчика, третий вход - с Fлходом схемы сравнения, первый формирователя соединен с управляющим входо ключа, выход усилителя - сумматора - с первым входом первого компаратора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно бведаны интегратор, преобразователь напряжение - ток, третья схема И и устройство выборки-хранения, вход которого соединен с выходом усилителя и первым входом усилителя-сумматора, а выход - с инвертирующим входом усилителя- сумматора, второй вход которого сое

5

Q

5

0

.

0

5

динен с первым входом схемы сравнения, выходом первого компаратора и через интегратор - со своим третьим входом, вторым входом схемы сравнения, входом ключа, выход которого через преобразователь напряжение - ток соединен с формирователем магнитного поля, выход схемы сравнения соединен с тактовым входом первого счетчика, выход устройства внещнего запуска - с входом сброса второго счетчика и четвертым входом формирователя, второй и третий выходы которого соединены с первым и вторьм входами первой схемы И, третий вход которой соединен с выходом генератора импульсов и первым входом второй схемы И, второй вход которой соединен с первым выходом формирователя, четвертый выход которого соединен с первым входом третьей схемы И, второй вход которой соединен с выходом одновибратора и тактовым входом второго счетчика, выход третьей схемы И, соединен с входом записи вычитающего счетчика, тактовьй вход которого соединен с выходом первой схемы И, информационные входы вычитающего счетчика соединены с выходами третьего счетчика, тактовый вход которого соединен с выходом второй схемы И, а вход сброса - с пятым выходом фор- .мирователя, вход одновибратора соединен с входом записи регистра, второй вход первого компаратора - с нулевой шиной.

2,Расходомер поп.1,отлича- ю щи и с я тем, что схема сравне- . НИН содержит последовательно соединенные второй компаратор, первый диодный ограничитель, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и одновибратор, выход которого является выходом схемы сравнения, второй вход которой соединен с первым входом второго компаратора, второй вход которого соединен с нулевой шиной, первый вход схемы сравнения через второй диодньй ограничитель сое-, динен с вторым входом схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

3.Расходомер по п.1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что формирователь содержит схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы которой являются соответственно первым и вторым входами формирователя, третий вход которого через схему И-НЕ соединен с R- входом первого триггера и S-входом второго триггера, а через схему И 13152204114

с тактовым входом счетчика, входсхемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, третий выход сброса которого является четвертымформирователя соединен с инверсным входом формирователя, первый выходвыходом второго триггера, вход евро-| которого соединен с выходом второгоса которого соединен с выходом счет- триггера и вторым входом схемы И,чика и четвертым выходом формирова- второй выход формирователя соединентеля, пятый выход которого соединен с инверсным выходом первого триггера, с выходом первого триггера и вторым S-вход которого соединен с выходомвходом схемы И-НЕ.

Изобретение касается измерения расхода жидкости электромагнитным методом и может быть использовано для создания цифровых электромагнитных измерителей расхода. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение экономичности. Расходомер содержит датчик 1, к выходу которого подключен усилитель 2. Электронная схема расходомера содержит усилитель-сумматор 3, устройство выборки-хранения 4, компаратор 5, интегратор 6, схему сравнения 7. Кроме того, в состав расходомера входят счетчики, триггеры, регистр, логические схемы И, И-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. В процессе работы расходомера периодически осуществляется калибрование. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.