Электромагнитный расходомер Советский патент 1993 года по МПК G01F1/58 

W

с

Использование: при измерении расхода жидкостей электромагнитным методом. Сущность изобретения: электромагнитный расходомер содержит один первичный преобразователь 1, два электрода 2, один электромагнит 3, две обмотки электромагнита 4, один блок питания 5, детектор опорного сигнала 6, один интегратор 7, один аналого- цифровой преобразователь 8, один усилитель 9. один делитель напряжения 11, один операционный усилитель 12, один цифро-аналоговый преобразователь 13, один индикатор 14, два запоминающих устройства 15, 16, один дифференциальный усилитель 17 и один генератор 18. 2 ил.

К

оо

(А О

05 СЛ

ы

Изобретение относится к измерению расхода жидкостей электромагнитным методом с применением низкочастотного импульсного магнитного поля.

Цель изобретения заключается в повышении точности измерений путем устранения зависимости выходного сигнала от вариаций магнитных свойств электромагнита.

С этой целью в предлагаемом электромагнитном расходомере, содержащем первичный преобразователь, включающий измерительный участок трубопровода с встроенными в его стенку изолированными электродами, электромагнит, блок питания электромагнита и детектор опорного сигнала, а также вторичный преобразователь, включающий последовательно соединенные усилитель, демодулятор и блок индикации, образующие каналы обработки полезного и опорного сигналов, детектор опорного сигнала выполнен в виде схемы, состоящей из обмоток, размещенных в зазоре между трубопроводом и полюсами электромагнита, интегратора с.аналого-цифровым преобразователем и делителя напряжение/цифровой код, причем вход интегратора соединен с концами обмотки, а выход через аналого- цифровой преобразователь с кодовым входом делителя напряжение/цифровой код, вторым входом и выходом соединенного, соответственно, с демодулятором и блоком индикации. Кроме того расходомер снабжен генератором управляющих импульсов, выходы которого подключены к управляющим входам аналого-цифрового преобразователя, блока питания электромагнита, к первому, второму и третьему входам интегратора, первому и второму входам демодулятора.

Применение опорного сигнала в расходомере с целью повышения точности известно и используется довольно широко.

Принцип использования опорного сигнала в известных расходомерах заключается в следующем: выделение полезного сигнала расхода с электродов первичного преобразователя с помощью синхронного детектирования и компенсация полезного сигнала расхода сигналом, пропорциональным опорному сигналу в автокомпенсационных схемах.

Требования к параметрам опорного сигнала следующие: опорный сигнал должен быть в фазе с полезным сигналом, в электромагнитных расходомерах опорный сигнал выбирают в фазе с магнитным полем, а также должен быть пропорциональным индукции магнитного поля в активной зоне первичного преобразователя.

Организация опорного сигнала в известных расходомерах с импульсным низкочастотным магнитным полем осуществляется следующим образом. Опорный сигнал снимается с резистора, включенного последовательно с возбуждающей катушкой магнитного поля. В этом случае опорный сигнал не удовлетворяет требованию 2, так как он пропорционален току возбуждения

магнитного поля.

Опорный сигнал снимается с термисто- ра, включенного последовательное возбуждающей катушкой и имеющего тепловой контакт с сердечником электромагнита. При

этом температурная зависимость магнитного поля корректируется по изменению сопротивления термистора, возможность применения дополнительных обмоток для опорного сигнала вообще отрицается. Там

же указывается на возможность применения двух датчиков Холла, один из которых контактирует с сердечником электромагнита. Опорный сигнал пропорционален индукции магнитного поля в первичном преобразователе.

Опорный сигнал снимается с помощью трансформатора тока, первичная обмотка которого включена последовательно с катушкой возбуждения магнитного поля, для

уменьшения габаритов трансформатора опорный сигнал до подачи на трансформатор с помощью электронного ключа преобразуется в высокочастотный сигнал, огибающая которого является опорным сигналом. Опорный сигнал получается пропорциональным току возбуждения магнитного поля.

Применение опорного сигнала, пропорционального току возбуждения магнитного

поля, устраняет зависимость сигнала расходомера только от нестабильности тока возбуждения.

Так если уровеньтока равен, то магнитное поле в первичном преобразователе представляется в виде известного выражения, а опорное напряжение с учетом этого выражения

., 1-в

МТЖМА)

(D

При компенсационном способе измерения имеют

иэл «Uon,

где а-переменный параметр.

С учетом выражения известного и (ij далее находят

К

)T(N,A)Q

(2)

Мера расхода «, таким образом не зависит от уровня тока I, но зависит от температуры Т (к постоянные величины).

В случае применения опорного сигнала, пропорционального индукции магнитного поля в активной зоне преобразователя расхода этот недостаток устраняется полностью.

При Uon /3 В с учетом известного выражения

,

(3)

Как видно из выражения (3) сигнал расходомера не зависит от /z (Т), как и вообще от изменения характеристик электромагнита .

Данным свойством могут обладать расходомеры, в которых для коррекции изменений индукции магнитного поля применяются тер- мисторы или элементы Холла.

Однако, технически очень сложно осуществлять такую организацию опорного сигнала, в котором коррекция осуществляемая с помощью термистора или датчика Холла точно бы совпадала с зависимостью I (Т), что снижает существенно точность расходомера при практической реализации.

Схема: катушка в магнитном поле-интегратор - АЦП - делитель напряжения/код в предложенном расходомере в совокупности позволяет получить опорный сигнал, строго пропорциональный магнитному полю в активной зоне преобразователя расхода, а также осуществить точную операцию деления двух аналоговых сигналов иэл/Uon (с точностью 0,1%) сравнительно простыми средствами без сложных работ по настройке и отладке схемы и, в конечном итоге, существенно повысить точность расходомера.

В электромагнитных расходомерах с

неоднородным магнитным полем сигнал

расхода выражается еще более сложным

образом. Упрощенно сигнал расхода можно

представить в виде

Уэл KB р (О) Q ,

(4).

где р- функция, зависящая от профиля скорости измеряемого потока,

В - среднее значение индукции в активной зоне преобразователя.

Напряжение на катушках детектора магнитного поля определяется именно

средним значением индукции В в зазоре электромагнита

Uon /J В ,

(5)

Мера расхода о. с учетом (4) и (5) равна

а -К-ОДО).

(6)

10

Таким образом применение детектора магнитного поля в виде катушки в сочетании с интегратором, АЦП и делителем аналог- код дает возможность получить выходной

сигнал расходомера, не зависящий не только от изменений величины магнитного поля в зазоре электромагнита, но и практически обеспечивает независимость показаний расходомера от изменений распределения

магнитного поля.

На фиг.1 приведена блок-схема расходомера: на фиг.2 - временная диаграмма управляющих импульсов.

Расходомер (см. фиг.1) содержит первичный преобразователь, включающий измерительный участок трубопровода 1 с встроенными в него изолировано электродами 2, электромагнит 3, обмотки 4 которого подключены к импульсному блоку питания

5, в зазоре между трубопроводом 1 с полюсными наконечниками электромагнита 3 размещены обмотки детектора опорного сигнала 6 (производной магнитного поля по времени). Витки обмоток детектора 6 для

повышения чувствительности расположены в плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям электромагнита 3.

Вторичный преобразователь расходомера содержит канал обработки опорного сигнала, включающий последовательно соединенные интегратор 7, входом подключенный к обмоткам детектора 6, и аналого-цифровой преобразователь 8. Канал

обработки полезного сигнала содержит последовательно соединенные усилитель 9, демодулятор 10 и делитель напряжение/код 11, последний, в свою очередь, состоит из операционного усилителя 12, охваченного

через цифроаналоговый преобразователь 13 обратной связью. Один из входов цифро- аналогового преобразователя 13 подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя 8, а выход операционного усилителя 12

нагружен на блок индикации 14. Демодулятор 10 включает запоминающие устройства 15 и 16, на входы которых нагружен усилитель 9, а выходы подключены к дифференциальному усилителю 17, выход последнего соединен с входом операционного усилителя 12 делителя 11 напряжение/цифровой код.

Вторичный преобразователь содержит также генератор 18 управляющих импульсов, выходы которых соединены с управляющими входами интегратора 7, аналого-цифрового преобразователя 8, запоминающих устройств 15 и 16 и блока питания 5.

Расходомер работает следующим образом. При протекании через трубопровод 1 измеряемого расхода на электродах 2, находящихся в поле электромагнита 3, возникает ЭДС - полезный сигнал пропорциональный измеряемому расходу, который обрабатывается последовательно усилителем 9, демодулятором 10, делителем 11, после чего подается на блок индикации 14. Одновременно с обмоток детектора 6 снимается опорный сигнал как производная магнитного поля по времени и обрабатывается последовательно интегратором 7, аналого-цифровым преобразователем 8 и делителем 11, информация о расходе как частное от деления величин полезного сигнала на величину опорного сигнала поступает на блок индикации, где она может быть показана в именноеанных единицах. Генератор 18 генерирует семь управляющих импульсов, управляющих работой расходомера, расположение которых во времени приведено на фиг.2,

где Uynp - 1 - импульс управления блоком питания 5 электромагнита 3. под действием которого обмотка А электромагнита 5 возбуждается импульсами постоянного тока;

УЗУ - 2 - импульс запоминания напряжения на выходе усилителя 9 в конце изме- рительного цикла после окончания переходных процессов;

Uavo - 3 - импульс запоминания напряжения на выходе усилителя 9 при выключенном магнитном поле после окончания переходных процессов;

UCBP - 4 - импульс сброса интегратора на нуль после окончания цикла интегрирования;

Узи - 5 - импульс запоминания напряжения на выходе интегратора 7 в конце цикла интегрирования;

Usi/io - 6 - импульс запоминания напряжения на выходе интегратора 7 перед циклом интегрирования;

издп - 7 - импульс управления АЦП 8.

Импульс Uynp длительностью 0,64 с организуется путем деления частоты сети в 64 раза и поступает на вход импульсного блока питания 5, который, соответственно, вырабатывает импульсы постоянного тока. Примерный вид возбуждаемого при этом

магнитного поля показан на фиг.2 пунктирной линией.

После окончания переходного процесса при включении магнитного поля напряжение с выхода усилителя 9 запоминается запоминающим устройством (ЗУ) 15 импульсом Узу, имеющим длительность 0,32 с. Для исключения смещения нуля усилителя 9 при выключенном магнитном поле напряжение

с его выхода запоминается устройством ЗУ 16 под действием импульса ОЗУО, имеющего длительность 0,32 с. Усилитель 9 охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току, что предохраняет насыщение

его выходного напряжения от действия электрохимической разности потенциалов электродов 2, которая имеет величину порядка 0,01-0,1 В, и обеспечивает работу усилителя 9 в линейной области. Демодуляцию

сигнала расхода осуществляют дифференциальным усилителем 17, подключенным к выходу запоминающих устройств ЗУ 15 и ЗУ 16.

Пусть сигнал на электродах при включенном магнитном поле равен

1)эл к 8 Q + U0

(7)

где ) смешение нулевого уровня, вызван- ное электрохимическим потенциалом электродов 2.

Сигнал (7) запоминается устройством ЗУ 15. При выключении магнитного поля (В 0) ЗУ 16 запоминает значение напряжения с вы- хода усилителя 9.

Дифференциальный усилитель 17 выделяет разность сигналов с ЗУ 15 и ЗУ 16

40

1)ду к В Q.

(8)

Канал опорного сигнала работает следующим образом. Напряжение на выходах обмоток детектора 6 пропорционально производной магнитного потока охватыва- ющего катушкой обратной связи 6

11 дОФ ясмСШ

(9)

где ft- векторная постоянная величина;

S - площадь витка обмотки;

N - количество витков обмотки катушки;

Ф-магнитный поток; t - время.

Интегратор 7 интегрирует выражение (9) по времени, на выходе которого получается напряжение, пропорциональное индукций магнитного поля:

B°j В,

(10)

Для исключения ошибки смещения нуля интегратора 7 перед циклом запоминается напряжение на его выходе Уио под действием импульса 11зио.

В конце цикла интегрирования сигнал на выходе интегратора 7 будет равен (который запоминается импульсом)

Dm -j В + иио.

(11)

Вычитающее устройство в составе интегратора 7 организует выходной сигнал в виде разности

Uon.Um -Uno J В,

(12).

т.е. интегратор 7 в конце измерительного цикла выдает опорное напряжение, пропорциональное магнитной индукции в зазоре электромагнита 3 преобразователя расхода, которое подается на АЦП 5, а он в свою очередь под действием импульса превращает опорный сигнал в цифровой код NA

NA Кд j В,

(13).

где Кд - коэффициент преобразования АЦП 5. На выходе делителя 11 аналог/код получается сигнал, зависящий только от измеряемого расхода О

UA

К

,(14)

NA

где Ко - коэффициент преобразования делителя 11.

Таким образом сигнал на выходе расходомера не зависит от вариаций уровня магнитного поля В в активной зоне первичного преобразователя, т.е. действие влияющих факторов, связанных с изменением магнитных свойств электромагнита устраняется.

Точность измерения увеличивается за счет следующих факторов: опорное напряжение точно пропорционально величине индукции магнитного поля в активной зоне первичного преобразователя; градуировоч- ная характеристика расходомера постоян5 ная и зависит только от геометрических параметров первичного преобразователя и характеристик АЦП и делителя напряжение/цифровой код, которые не зависят от характеристики первичного преобразовате0 ля.

Формула изобретения

Электромагнитный расходомер, содер5 жащий первичный преобразователь, включающий в себя расположенный между полюсами электромагнита измерительный участок трубопровода с встроенными в его противоположные стенки изолированными

0 электродами, подключенными к входу усилителя, соединенному выходом с входом демодулятора, блок питания электромагнита, соединенный с его обмоткой, детектор опорного сигнала, а также генератор управ5 ляющих импульсов и блок индикации, о т- личающийся тем. что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные интегратор, аналого-цифровой преобразователь

0 и делитель, соединенный вторым входом с выходом демодулятора, а выходом подключенный к блоку индикации, при этом входы интегратора подключены к детектору опорного сигнала, выполненному в виде

5 размещенных в зазоре между трубопроводом и полюсами электромагнита обмоток, первый выход генератора управляющих импульсов подключен к входу управления блока питания электромагнита, второй и третий

0 выходы соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами демодулятора, четвертый, пятый и шесто выходы подключены, соответственно, к пер вому, второму и третьему управляющим вх

5 дам интегратора, седьмой выход соединен управляющим входом аналого-цифрово преобразователя.

v .

s

t u& .-..2