CZ32490U1 - Indukční měřič průtoku kapalin - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

Indukční měřič průtoku kapalin

Oblast techniky

Technické řešení se týká indukčního měřiče průtoku kapalin, měřícího objemový průtok pomocí střední rychlosti proudění, a vyhodnocovacích obvodů umožňujících provádět výpočet celkového proteklého množství, měřit velikost proteklého množství kapaliny v daném časovém intervalu, ovládat elektromagnetické ventily, případně stykače pro řízení dávkování apod.

Dosavadní stav techniky

Indukční měřič průtoku kapalin je založen na Faradayově indukčním zákonu. Čidlo se skládá z nemagnetické a elektricky nevodivé trubky, v níž jsou kolmo na směr magnetických siločar zabudovány dvě měřicí elektrody pro snímání indukovaného napětí. Pro vytvoření magnetického pole jsou na trubce umístěny dvě cívky rovnoběžně s rovinou snímacích elektrod. Pohybem vodivé tekutiny, která tvoří vodič elektrického proudu v magnetickém poli o velikosti magnetické indukce B, vzniká na měřicích elektrodách indukované napětí U, které je úměrné rychlosti proudění v a délce vodiče I. Indukované napětí U = B x 1 x v, U je indukované napětí. B je magnetická indukce, 1 je vzdálenost měřicích elektrod, v je rychlost proudění kapaliny. Magnetická indukce B a vzdálenost měřících elektrod 1 je konstantní pro danou dimenzi čidla. Indukované napětí na snímacích elektrodách je přímo úměrné rychlosti proudění kapaliny v trubici. Objemový průtok Q je násobkem rychlosti proudění a průřezu trubice Q = v x S.

Jedním z hlavních prvků indukčních průtokoměrů je budicí cívka, která je umístěna diametrálně k trubici a zároveň kolmo k ose elektrod. Důležité pro přesnost měření je způsob, jak a jakým průběhem budícího (napájecího) signálu je napájena, tedy jaké měřící magnetické pole generuje. Obvyklé je připojení cívky na signálový konvertor, který řídí napětí/proud cívkou. Z pohledu průběhu napěťového signálu prakticky připadá v úvahu, buď buzení harmonickým střídavým AC napětím (dříve často síťovou frekvencí 50 Hz), které se však dnes prakticky nevyužívá, nebo pulzním (obdélníkovým) stejnosměrným DC napětím, což využívá většina současných moderních indukčních průtokoměrů. Ke generování magnetického pole obdélníkového nebo lichoběžníkového průběhu se používá spínaný stejnosměrný zdroj, který je spínači připojován k cívce. Střídavé rušení na násobcích síťové frekvence se dá snadno odstranit filtry a číslicové zpracování signálů na digitálně signálním procesoru DSP umožňuje prakticky oddělit veškeré rušení od signálového průběhu. Díky tomu jsou takové indukční průtokoměry prakticky bezúdržbové a i levnější. Jednou z jejich mála nevýhod je pomalejší reakce.

Indukční průtokoměr závisí na napětí generovaném tokem vodivé kapaliny skrze magnetické pole. Musí být zajištěna integrita tohoto nízkonapěťového signálu (v řádu stovek mikrovoltů), aby byla zajištěna dostatečná přesnost měření i v průmyslovém prostředí. Ze snímacích elektrod se odebírá, na hodnotě průtoku závislý, napěťový signál v řádu desetin až jednotek mV, který se přivádí na tzv. signálový konvertor, který jej primárně převádí na standardní elektrický signál, snadno dále vyhodnotitelný dle potřeb uživatele. Signálový konvertor obvykle zesiluje signál zesilovačem s velmi vysokým vstupním odporem, aby na měření neměl vliv odpor snímacích elektrod. Dále převod analogového napěťového signálu na digitální a digitální filtraci a eliminaci superponovaných rušivých napětí, které mohou být i větší než průtokem generovaný signál, se provádí v digitálně signálním procesoru DSP. V případě elektromagnetického pole s obdélníkově generovaným magnetickým polem má signálový konvertor rovněž funkci přesného řízení napájení a vytváří zpětnou řídící vazbu pro regulaci budícího signálu/proudu cívky generující měřící magnetické pole. Toto je princip funkce indukčního průtokoměrů v ideálním stavu. V praxi se k indukovanému napětí musí přičíst elektrochemické potenciály vznikající mezi kovovými elektrodami a měřenou kapalinou. Toto napětí je mnohdy větší než vlastní napětí indukované. I toto napětí se mění v čase a je také závislé na průtoku měřené kapaliny.

- 1 CZ 32490 U1

Nevýhodou měření průtoku kapalin pomocí indukčních průtokoměrů v současnosti jsou výše uváděné skutečnosti, které snižují využitelnost signálu a přesnost měření. Využitelný signál často bývá součástí šumu a samotné měření je velmi obtížné.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje do značné míry indukční měřič průtoku kapalin podle technického řešení, sestávající z dvou budících cívek a dvou měřících elektrod, pevně namontovaných na měřící trubku tak, aby směr magnetické indukce byl kolmý na osu elektrod a zároveň na směr proudění kapaliny. Jeho měřící elektrody jsou připojeny na prvý a druhý vstup zesilovače, připojeného přes filtr a A/D převodník na prvý vstup procesoru, propojeného se sběrnicí pro připojení vstupů a výstupů nadřízeného systému. Procesor je prvým výstupem spojen s obvodem buzení, spojeným, jednak prvým a druhým výstupem s oběma budícími cívkami, a jednak třetím výstupem s filtrem, připojeným přes A/D převodník, s druhým vstupem procesoru. Podstata technického řešení spočívá v tom, že druhý výstup procesoru je připojen k řídícímu napětí a přes D/A převodník je připojen na třetí vstup zesilovače.

Indukční měřič průtoku kapalin podle technického řešení má tu výhodu, že přináší lépe využitelný měřící signál, který zajišťuje lepší měřící parametry, zvláště při nepříznivých provozních podmínkách.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže osvětleno pomocí výkresu, na kterém je na obr. 1 znázorněno blokové schéma indukčního měřiče průtoku kapalin.

Příklad uskutečnění technického řešení

Praktické provedení indukčního měřiče průtoku kapalin podle technického řešení je formou blokového schéma znázorněno na přiloženém obr. 1.

Na obr. 1 je zobrazena měřící trubka 13, na kterou jsou pevně namontovány dvě budící cívky 1 a dvě elektrody 2 tak, aby směr magnetické indukce byl kolmý na osu elektrod 2 a zároveň na směr proudění kapaliny. Měřící elektrody 2 jsou připojeny na prvý a druhý vstup zesilovače 3, připojeného přes filtr 4 a A/D převodník 5 na prvý vstup procesoru 6, propojeného se sběrnicí 7 pro připojení vstupu a výstupů nadřízeného systému. Procesor 6 je prvým výstupem spojen s obvodem buzení 8, spojeným jednak prvým a druhým výstupem s oběma budícími cívkami 1 a jednak třetím výstupem s filtrem 9, připojeným přes A/D převodník 10 s druhým vstupem procesoru 6. Druhý výstup procesoru 6 je připojen na řídící napětí 11 a přes D/A převodník 12 na třetí vstup zesilovače 3.

Na elektrody 2 navazuje zesilovač 3 rozdílového signálu. Takto zpracovaný signál po průchodu dolnopásmovým filtrem 4 přichází na A/D převodník 5, převádějící analogový signál na digitální, a jednočipový procesor 6, který provádí na získaném souboru dat digitální filtraci.

Z takto upravených dat vyhodnotí výslednou rychlost proudění, potažmo proteklý objem za časovou jednotku. Tato data jsou na výstupu sběrnice 7 předávána nadřízenému systému. O buzení cívek 1 se stará opět procesor 6 přes obvod buzení 8. Pro snímání hodnoty budícího proudu slouží jednoduchý filtr 9, následovaný A/D převodníkem 10 pro převod analogových signálů do digitální podoby. Data jsou opět zpracovávána procesorem 6 a je vyhodnocována případná chyba. Ve standardním procesu v současnosti se problém s elektrochemickým napětím na elektrodách řeší oddělením pomocí kondenzátorů. Toto řešení je jednoduché, ale pro velmi dlouhé časové konstanty RC článkuje problematické. Proto technické řešení používá vynulování elektrochemických potenciálů pomocí přivedeného napětí a sečtení s původním. K tomu slouží obvod výpočtu řídícího napětí 11, provádějící výpočet tohoto napětí a D/A převodník 12. zajišťující převod digitálního signálu na analogový. Takto

-2CZ 32490 U1 získané napětí se přivádí do zesilovače 3 a tím se nuluje napěťový offset, včetně elektrochemických složek.

Průmyslová využitelnost

Indukčním měřičem podle technického řešení lze měřit kromě klasických kapalin i kapaliny v chemickém, případně potravinářském průmyslu. Zařízení je schopno rozlišit směr proudění kapaliny a má technické a programové prostředky pro komunikaci s nadřazenými systémy.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (1)

1. Indukční měřič průtoku kapalin sestávající z dvou budících cívek (1) a dvou měřících elektrod (2), pevně namontovaných na měřící trubku (13) tak, aby směr magnetické indukce byl kolmý na osu elektrod a zároveň na směr proudění kapaliny, přičemž měřící elektrody (2) jsou připojeny na prvý a druhý vstup zesilovače (3), připojeného přes filtr (4) a A/D převodník (5) na prvý vstup procesoru (6), propojeného se sběrnicí (7) pro připojení vstupů a výstupů nadřízeného systému, zatím co procesor (6) je prvým výstupem spojen s obvodem buzení (8), spojeným jednak prvým a druhým výstupem s oběma budícími cívkami (1) a jednak třetím výstupem s filtrem (9), spojeným přes A/D převodník (10) s druhým vstupem procesoru (6), vyznačující se tím, že druhý výstup procesoru (6) je připojen na řídící napětí (11) a přes D/A převodník (12) je připojen na třetí vstup zesilovače (3).