Устройство для измерения расхода жидких и газообразных сред Советский патент 1991 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода различных сред в трубопроводах любого сечения из не- магнитных и неэлектропроводных материалов.

Целью изобретения является расширение рабочего диапазона измеряемых расходов жидких и газообразных сред и повышение точности измерений.

На чертеже приведена схема устройства.

Устройство состоит из поплавка 1 в измерительном канале 2 с торцовыми мембранами -3, двумя соленоидами 4 и 5, охватывающими корпус 6 из немагнитного материала, дифференциальной катушки 7, переменного резистора 8 и генератора 9 переменного гармонического напряжения, включенного в диагональ питания образованного мостового электромагнитного узла 10 съема сигнала, дифференциального усилителя 11 сигнала разбаланса, усилителя 12 перемен- ного напряжения, синхродетектора 13 и регулируемого источника 14 опорного напряжения, включенных на входы дифференциального усилителя 15, двух выпрямителей 16 и 17, соединенных с уп- равляющими входами двух генераторов . 18 и 19 тока, прецизионных резисторов 20 и 21, регистратора 22, дифференциального усилителя 23, управляемых переключателей 24 - 26, источника 27 питания, а также схемы 28 И и управляемого делителя 29 гармонического напряжения.

Расходомер работает следующим образом

Когда питание расходомера отключено, поплавок 1 занимает в рабочем канале 2 крайнее нижнее положение, ограниченное мембраной 3, в отсутствие расхода или малом расходе, либо край- нее верхнее положение при высоком -. уровне расхода среды. В этом положении магнитная часть поплавка полностью перекрывает одну из обмоток дифференциальной катушки.

При включении электропитания расходомера в измерительной диагонали моста 10 появляется максимальный сигнал разбаланса в соответствии с положением поплавка 1 в одном из крайних положений в канале 2..

По мере роста тока в обмотках соленоидов 4 и 5 с постоянной времени определяемой длительностью нарастания

0

5 0 5 Q

с

5

0

выходного сигнала выпрямителей 16 и 17, усиливается магнитное поле каждого соленоида, перемещая поплавок 1 в положение, промежуточное между крайним и центрированным - симметричным обеим секциям дифференциальной катушки 7.

При этом разбаланс моста 10 умень-- шается и фиксируется на значении, при котором на выходе дифференциального усилителя 15 выходное напряжение станет равным нулю. Положение поплавка 1 соответствует значениям падений напряжений на резисторах 20 и 21 от токов в соленоидах 4 и 5, создающих магнитные поля, воздействия которых уравновешивают вес поплавка 1 (при нулевом расходе), либо действие на попла. вок набегающего потока среды со скоростью V и Архимедову силу (в случае расхода жидкой среды).

Рассмотрим настройку расходомера в случае отсутствия расхода среды (V 0). В этом случае поплавок 1 удерживается в центрированном положении по отношению к секциям дифференциальной катушки 7 магнитным полем катушек 4 и 5, электрические токи, протекающие через которые, равны. Равенство токов обеспечивается следующим.

При отсутствии расхода (V 0) на поплавок 1 действуют две силы: сила тяжести (вес поплавка) и Архимедова сила (в случае жидкой среды). Под действием разности этих сил поплавок 1 уходит кз положения равновесия. Изменение положения поплавка приводит к разбалансу моста 10, образованного секциями дифференциальной катушки 7,} встречно включенными, и резистором 8, на выходе которого появляется сигнал

им

2 UCQ RH -АХд (К + Хь)

(D

где U.i - напряжение питания моста

JQ R,

10, В;

сопротивление нагрузки, про- «порциональное ШШ, Ом;

ЛУ - Y ub 1 л ХЬ - хь -г

1 +

1-

D4

(|мэ-1

-

приращение индуктивного сопротивления с измерением положения поплавка; сопротивленце активное плеча моста 10, образованного частью резистора 8, Ом;

- индуктивное сопротивление

секции дифференциальной катушки 7 при среднем положении магнитного поплавкаi

- смещение якоря поплавка (фер- ромагнит) из среднего положения, м;

- длина хода якоря поплавка, определяющая изменение индуктивного сопротивления, м;

- длина дифференциальной катушки, м;

D,,. Drt « t

Iй/.

средний диаметр дифференциальной катушки и якоря. ,м.

0 /Ц

г - эффективная магнитная

+ |Mj| у проницаемость цепи индуктивного сопротивления.

Из соотношения (1) следует пропорциональность изменения индуктивного сопротивления и перемещения поплавка 1. Поэтому соотношение (1) перепишем в виде

и

SM- &b

Зм

SM

RH х. 2 иса

1 +

1 D

ъ0Й2Ф9НУ (1 х

чувствительность преобразования перемещения поплавка в электрический сигнал, В/К. Сигнал разбаланса моста 10 преобразуется по двум каналам в электрические токи, питающие катушки соленоидов 4 и 5.

Первый образован управляемым коммутатором 24, усилителем 12, выпрямителем 17 и генератором тока 19

к,г. к,.,.

vu

где KtЈ, К , К - соответственно коэффициенты преобразования усилителя 12, выпрямителя 17, генератора тока 19.

В связи с тем, что вход усилителя 12 подсоединен только к одному плечу моста 10, образованного частью сопротивления резистора 8, в соотношение (3) введен коэффициент 0,5.

Второй образован дифференциальным усилителем 11, выпрямителем 16 и генератором тока 18

- соответг1 веяно

5

где К, , К16, коэффициенты преобразования усипитслн 11, выпрямителя 16 и генератора тока 18.

При опускании поплавка 1 увепичи- вается индуктивность нижней секции катушки 7 и среднее значение выходного сигнала дифференциального усилителя 11 смещается в область отрицательных напряжений, при выпрямлении в блоке 16 обеспечивается отрицательное управляющее напряжение, уменьшающее значение тока, задаваемого по катушке соценоида 5 генератором тока 18.

В это же время на выходе выпрямителя 17 формируется всегда положительное напряжение, управляющее током 1 через катушку соленоида 4 в сторону его возрастания. В результате поплавок 1 возвращается, притягиваясь соленоидом 4 к среднему положению, сигнал разбаланса уменьшается и в некоторый момент наступает равенство то

25 ков

4 и

15 в обмотках соленоидов. На

выходе дифференциального усилителя 23 формируется нулевой уровень, который в виде логического нуля поступает через прерыватель 27 на вход элемента зо И 28 через управляемый переключатель

25. Если на втором входе элемента 28 присутствует логический нуль, то на выходе элемента 28 формируется управляющий сигнал Е. Условие, при котором на выходе дифференциального усилителя 15 формируется нулевой уровень

(. - U,3)-Kis- 0(5)

40

где U

- регулируемое опорное напряжение, Б;

U

45

50

& СО К 49 К съ выпрямленное напряжение на выходе управляемого делителя напряжения 29;

Kja, - коэффициенты деления управляемого делителя 29 и синхродетектора 13. Принимая опорный сигнал пропорциональным начальному току удержания поплавка в среднем положении 10 и осуществляя подстановку значений U получим

13

1о

т 4. К

Ki3

г

(6)

Изобретение относится к опреде лению расхода жидкостей и газов и позволяет расширить рабочий диапазон измеряемых расходов и повысить точность. Фиксируется отклонение поплавка от начального положения в зависимости от расхода среды, протекающей по измерительному каналу. Это отклонение преобразуется в пропорциональный электрический сигнал, который формирует противодействие, возвращающее поплавок к начальному положению. По величине этого сигнлпя. определяют расход. Устройство содержит дополнительные измерительные цепи, содержащие синхродетектор 13, делитель 29 напряжения, источник 14 опорного напряжения, с помощью которых в отсутствие расхода центрируется положение попла вка в зависимости от его веса, плотности и температуры среды. Создание возвращающегося усилия осуществляется вторым соленоидом 5. Разность токов первого и второго соленоидов 4 и 5, фиксируемая дифференциальным усилителем 23, пропорциональна расходу ере- . ды. 1 ил. Z7 15 а (Л О5 to о 00 Јъ Јъ

К

и

К

5

К

18

U

м

(4)

Состояние, при котором поплавок занимает среднее положение, устойчивое,

10

так как основное удержание поплавка в этом состоянии осуществляется малым разнонаправленным изменением токов 1 и I,- при минимальном сигнале разбаланс

са j-юста 10. В этом состоянии нулевой 3 сигнал на выходе дифференциального усилителя определяется соотношением задаваемых напряжений: на выходе управляемого делителя и опорного. При этом выходное напряжение делителя 29 изменяется до тех пор, пока на его управляющий вход перестанет поступать сигнал с выхода дифференциального усилителя 15 через управляемый ключ 26. Таким образом, на вход элемента И 28, соединенного с выходом усилителя 15, логический нуль будет формироваться всегда и определяться уровнем опорного напряжения. Если оно выставлено неверно, тогда при переключении управляемого переключателя 24 на вход усилителя 12 поступает неравный сигналу разбаланса моста 10 сигнал, который изменяет скачком силу тока в обмотке соленоида 4 и ведет к нарушению положения поплавка 1, а следовательно, на выходе дифференциального усилителя 23 формируется напряжение, соответствующее логической единице, поступающей на вход элемента И 28. При этом на его выходе сигнал управления пропадает. Цикл регулирования положения поплавка 1 в измерительном канале повторяется до тех пор, пока опорное напряжение не будет выставлено таким, при котором сигнал с выхода управляемого делителя не будет равен сигналу разбаланса моста 10, соответствующего устойчивому положению поплатзка 1. Каждый цикл настройки опорного напряжения наблюдается по включению - отключению регистратора 22.

16208448

Из соотношений (5) и (6) установим зависимость между напряжениями разба20

25

30

35

40

С учетом (8) значение выходного напряжения иг дифференциального усилителя 23 получим

U23 Um Sw- . (К,,, х

x Ktg - К

и при условии и R2f R запишется

-i

К,ч) О

49

16

К ,7 К

Аб

и R

U23 U

- к

АА

L

SM

К

к

19

),

R (К„- К(в следовательно, для равенства необходимо выполнить условие

20

(9) О

К41 К

12

К

(9

(Ю)

При изменении расхода V 0 на поплавок 1 воздействует усилие набегающего потока Fy. Смещение поплавка приводит к разбалансу моста

S

(и изменению тока в катушке соленоида 5

(12)

U5

М

К16 к(й

10 ит,11

s

м

К,, К

t6

К

18

и

СО I

При

соответствии U0 уровню удержи- Лс

ваклцего тока 1 сигнал управления на выходе элемента И 28 не пропадает. Управляемый переключатель 25 закорачивает один вход И на землю,на второй вход элемента 28 подается логический нуль.

На выходе дифференциального усилителя 23 в этом случае выходное напряжение должно быть равно

50

55

23

2Л

1

Ra,

SW- К,, - Uw- К„п - К

У1 К

R 16

20

К,

29

О

х

(7)

3 0

5

0

С учетом (8) значение выходного напряжения иг дифференциального усилителя 23 получим

U23 Um Sw- . (К,,, х

x Ktg - К

и при условии и R2f R запишется

-i

К,ч) О

49

16

К ,7 К

Аб

и R

U23 U

- к

АА

L

SM

К

к

19

),

R (К„- К(в следовательно, для равенства необходимо выполнить условие

20

(9) О

К

12

К

(9

(Ю)

3 5

0

При изменении расхода V 0 на поплавок 1 воздействует усилие набегающего потока Fy. Смещение поплавка приводит к разбалансу моста

S

(и изменению тока в катушке соленоида 5

(12)

U5

М

К16 к(й

10 ит,11

s

м

К,, К

t6

К

18

и

СО I

который формирует приращение магнитного поля с усилием ДГд, возвращающим поплавок в прежнее положение

л v - х

Д -

Sfl. г-П2

/IVR

AI2. (13)

где и 12

(J5 Ц)2 приращение тока в соленоиде 5, А. С учетом (7) получим

fi.n J-UJL-T. i SI / V (« Ре К А5 51з,

14)

S гi n

2 x

-- - чувствитель- ГК0, f) R

| Iеность преобразования расходомера, л/мин

Таким образом, расход среды через калиброванный измерительньй канал 2 расходомера пропорционален изменению тока через обмотку соленоида, удержи- ,« вающего усилием, создаваемым магнитным полем соленоида, поплавок в определенном постоянном положении, отклонение от которого в результате изменения расхода формирует уравновешивающее сило- | вое воздействие.

Расходомер обеспечивает определение расходов различных сред жидких или газообразных в обоих направлениях с единой градуировкой, так как начальное.,,, усилие в отсутствие расхода среды, выставляемое с помощью опорного напряжения 14, пропорционально плотности среды, присутствующей в общей чувствительности расходомера в соотноше- 25 нии (9).

В силу встречного включения обмоток дифференциальной измерительной катушки погрешности от возмущающих внешних факторов и изменения параметров ее 0 исключаются. Остаются нескомпенсированные погрешности, вызванные изменением параметров ферромагнитной вставки в поплавок 1 от температуры среды в связи с изменением ее магнитной проницаемости.

Температурное изменение магнитной проницаемости, например феррита мар- ганцево-цинкового марки 150ВЧ, определяется значением об/ид и перепадом температуры воды

oi|uft -4 AT -4-1СГ6 MS -72- 10 0,0072%

35

Температурное изменение плотности f t, например, для воды составляет

ДТ (+26 - +8)9С;

Ре., -Ре ., Ш

Подстановка этих значений в подкоренное выражение чувствительности расходомера дает значение погрешности

0,1524%,

V

72-10

гТ

0,31

«

,,, 5

0

5

5

0

5

т.е. практически очень мала. Остальную погрешность составляют погрешности измерения тока и напряжения (на уровне вольт и сотен миллиампер), составляющие , точность сравнения в дифференциальных усилителях сигналов, точности выставления опорного напряжения и деление управляемым делителем сигнала, которые составляют цепи прямого и обратного преоброзова- ния и не превышают 0,1%.

Формула изобретения

Устройство для измерения расхода жидких и газообразных сред, содержащее корпус с калиброванным каналом, узел электромагнитного съема сигнала, состоящий из размещенного в измерительном канале поплавка, дифференци. альной катушки и переменного резистора, отличающееся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона измеряемых расходов различных сред и повышения точности измерений, в него введены последовательно соединенные регулируемьй источник опорного напряжения, первый дифференциальный усилитель, первый управляемый переключатель, управляемый делитель гармонического напряжения и синхродетектор, подключенный выходом к второму входу первого дифференциального -усилителя, последовательно соединенные элемент И, второй управляемый переключатель, второй дифференциальный усилитель, первый выпрямитель, первый генератор тока, первая обмотка соленоида, третий дифференциальный усилитель, третий управляемый переключатель, выходом подключенный к входу элемента И, последовательно соединенные усилитель переменного напряжения, второй выпрямитель, второй генератор тока, вторая обмотка соленоида и первый прецизионный резистор, генератор гармонического напряжения, второй прецизионный резистор и регистратор, входом объединенный с управляющими входами первого, второго и третьего управляемых переключателей, и подключенный к выходу элемента И, вторым входом подключенного к выходу первого дифференциального усилителя, второй вход регистратора подключен к выходу третьего дифференциального усилителя, вторым входом подключенного к первому выводу

первого прецизионного резистора, вторым выводом подключенного к общей шине, к которой через второй прецизионный резистор подключен первый вход третьего дифференциального усилителя, начало и конец дифференциальной катушки подключены - соответственно к первому и второму входам второго дифференциального усилителя, между кото- рыми включен переменный резистор, подвижный контакт которого подключен к выходу генератора гармонического напряжения, второй выход которого

подключен к синхродетектору, а вход - к средней точке дифференциальной катушки и второму входу управляемого делителя гармонического напряжения, причем корпус представляет собой трубку из немагнитного материала с двумя мембранами на торцах измерительного канала, на трубке размещены два соленоида, между которыми располагается дифференциальная катушка, состоящая из двух секций, включенных встречно, а поплавок выполнен в виде капсул с магнитными вставками внутри.