PL187953B1

PL187953B1 - Sposób i układ do kontroli stanu wibracyjnego przepływomierza typu coriolisa

Info

Publication number: PL187953B1
Application number: PL33842498A
Authority: PL
Inventors: Paul J. Hays; Michael J. Zolock
Original assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 2004-11-30
Also published as: AU7714498A; US5929344A; AU745920B2; KR100357330B1; DE69816995D1; AR012510A1; JP4025504B2; PL338424A1; BR9811489A; WO1999005480A1; EP1000324B1; EP1000324A1; BR9811489B1; CN1195970C; RU2213329C2; CN1265190A; KR20010022376A; HK1028807A1; JP2001511549A; DE69816995T2

Abstract

11. Uklad do kontroli stanu wibracyjnego przeplywo- mierza typu coriolisa, zawierajacy w urzadzeniu pomiarowym z drgajaca rura uklad czujnikowy, który zawiera czujniki rezy- stancyjne polaczone szeregowo, pierwszy przewód jest dolaczo- ny do pierwszego konca czujników polaczonych szeregowo, drugi przewód jest dolaczony do drugiego konca czujników polaczonych szeregowo i uklad czujnikowy jest dolaczony do masy przez rezystor odniesienia, a trzeci przewód jest dolaczo- ny do polaczenia miedzy para sasiednich czujników oraz ka2dy przewód ma dana rezystancje i do przewodów jest dolaczony miernik elektroniczny, znam ienny tym, ze do pierwszego przewodu (308) jest dolaczony przelacznik (F0) wlaczony w m iern iku elektronicznym (20), przez który to przelacznik (F0) napiecie zasilania jest selektywnie dolaczone lub odlaczone od pierwszego konca ukladu czujnikowego przez pierwszy przewód (308) oraz do pierwszego przewodu (308) jest dolaczony proce- sor (401, 406, 409) do pomiaru rezystancji (Rc) przewodu (308) przy odlaczeniu napiecia zasilania od pierwszego konca przez przelacznik (F0) oraz do drugiego przewodu (310) i trzeciego przewodu (309) jest dolaczony procesor (401, 406, 409) do pomiaru rezystancji kazdego czujnika rezystancyjnego (109, 110) przy napieciu zasilania dolaczonym do pierwszego konca, dla okreslania stanu przeplywomierza typu coriolisa ze zmie- rzonej rezystancji (Rc) przewodu i zmierzonej rezystancji kazdego czujnika (109, 110). FIG. 4 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do kontroli stanu wibracyjnego przepływomierza typu coriolisa, zwłaszcza do pomiaru temperatury przy zastosowaniu więcej niż jednego czujnika temperatuiy.

187 953

Znane są przepływomierze typu coriolisa do pomiaru masowego natężenia przepływu i innych informacji o materiale przechodzącym przez przewód rurowy, jak to przedstawiono na przykład w opisie patentowym USA nr 4 491 025. Te przepływomierze mają jedną lub więcej rur przepływowych o kształcie zakrzywionym lub prostym, którym odpowiadają stany drgań własnych wywoływanych siłą gnącą, skręcającą, promieniową lub złożoną. Każda rura przepływowa wykonuje drgania rezonansowe w jednym lub więcej ze stanów drgań własnych. Stany drgań własnych układu wypełnionego materiałem są określone częściowo przez łączną masę rur przepływowych i materiału w tych rurach. Materiał wpływa do przepływomierza z przewodu rurowego dołączonego do wlotu przepływomierza i następnie płynie poprzez rurę przepływową lub rury przepływowe oraz wypływa z przepływomierza do przewodu rurowego dołączonego do wylotu.

Siłę wywołującą drgania rury przepływowej zapewnia sterownik. Gdy nie ma żadnego przepływu przez przepływomierz, wszystkie punkty wzdłuż rury przepływowej drgają z identyczną fazą. Gdy materiał zaczyna przepływać, przyspieszenia coriolisa powodują^ że każdy punkt wzdłuż rury przepływowej ma różną fazę względem innych punktów wzdłuż tej rury. Faza po stronie wlotu rury przepływowej jest opóźniona względem działania sterownika, natomiast faza po stronie wylotu wyprzedza działanie sterownika. W rurze przepływowej są umieszczone czujniki przesunięcia do wytwarzania sygnałów sinusoidalnych, reprezentujących ruch w rurze przepływowej. Czujniki przesunięcia są czujnikami położenia, prędkości lub przyspieszenia. Różnica faz pomiędzy dwoma sygnałami czujników przesunięcia jest proporcjonalna do masowego natężenia przepływu materiału przepływającego przez rurę przepływową lub rury przepływowe.

Przepływ płynu przez rurę przepływową wywołuje tylko nieznaczną różnicę faz, rzędu kilku stopni, pomiędzy wlotem i wylotem drgającej rury, a wyrażając to w czasie, różnica faz jest rzędu dziesiątek mikrosekund do nanosekund. Techniczny pomiar natężenia przepływu powinien mieć błąd mniejszy niż 1%, zatem przepływomierz coriolisa musi być zaprojektowany właściwie do dokładnego pomiaru tych nieznacznych różnic faz.

Charakterystyki oscylacyjne konstrukcji drgającej przepływomierza typu coriolisa zmieniają się wraz ze zmianami temperatury. Drgające rury przepływowe są zwykle wykonane z metalu o określonym module Younga, który zmienia się wraz z temperaturą. W celu zachowania dużej dokładności pomiaru, mierzona jest temperatura konstrukcji drgającej i dokonywana jest kompensacja dla zmiany modułu Younga wraz ze zmianami temperatury.

Układ wibracyjnego przepływomierza typu coriolisa jest wykonany z dwóch elementów: elementu pomiarowego i nadajnika. Element pomiarowy jest czujnikiem zawierającym rurę drgającą, przez którą przepływa płyn, natomiast nadajnik jest przetwornikiem sygnałów, który odbiera i przetwarza sygnały z elementu pomiarowego. Połączenia elektryczne pomiędzy elementem pomiarowym i nadajnikiem są wykonane przez kabel wdeloprzewodowy. Kabel ekranowany składa się z pierwszej ekranowanej pary przewodów do dostarczania sygnału sterującego do sterownika, drugiej i trzeciej ekranowanej pary przewodów do przesyłania sygnałów z czujników przesunięcia oraz ekranowanej trójki przewodów do przesyłania sygnału z czujnika temperatury umieszczonego na drgającej rurze przepływowej. Zwykle jest stosowany trój przewodowy czujnik temperatury, ponieważ umożliwia on kompensację rezystancji w kablu pomiędzy elementem pomiarowym i tranzystorem przepływomierza. Ten specjalny, niestandardowy, 9-przewodowy kabel przepływomierza typu coriolisa, przebiegający pomiędzy elementem pomiarowym i nadajnikiem, komplikuje konstrukcję przepływomierza typu coriolisa. ... .

W znanych przepływomierzach typu coriolisa, w związku z wynikami i zmianami geometrii drgającej rury przepływowej, dokonuje się pomiarów temperatury w wielu punktach przepływomierza. Mierzona jest temperatura struktury drgającej, na przykład rury przepływowej i temperatura struktury niedrgającej. Alternatywnie mierzona jest temperatura zwilżonej części konstrukcji drgającej i temperatura niezwilżonej części konstrukcji drgającej. W każdym przypadku, gdy jest stosowany więcej niż jeden czujnik temperatury w znanych konstrukcjach wibracyjnego przepływomierza typu coriolisa, wymagane są przewody dodatkowe względem dostępnych w typowym kablu 9-przewodowym. Jednak jest korzystne zmniejszenie

187 953 do minimum liczby wymaganych przewodów, szczególnie do zastosowań samoistnie bezpiecznych.

Znane konstrukcje wibracyjnych przepływomierzy typu coriolisa wymagają zastosowania jednego przewodu dla każdej końcówki rezystancyjnego czujnika temperatury i co najmniej jednego dodatkowego przewodu, aby rezystancja kabla była mierzona i kompensowana.

Sposób według wynalazku polega na tym, że selektywnie dołącza się napięcie zasilania lub odłącza się napięcie zasilania od pierwszego końca układu czujnikowego przez pierwszy przewód, mierzy się rezystancję przewodu, gdy napięcie zasilania jest selektywnie odłączone od pierwszego końca układu czujnikowego, mierzy się rezystancję każdego czujnika, gdy napięcie zasilania jest selektywnie dołączone do pierwszego końca układu czujnikowego i uzyskuje się skompensowaną wartość rezystancji przewodu dla stanu odpowiadającego zmierzonej rezystancji przewodu i zmierzonej rezystancji każdego czujnika.

Korzystnie za pomocą procesora okresowo otwiera się przełącznik dla odłączenia napięcia zasilania od pierwszego końca czujników, mierzy się napięcia przewodu miedzy pierwszym końcem czujników i trzecim przewodem czułym na napięcie zasilania odłączone od układu czujnikowego, mierzy się napięcia odniesienia na rezystorze odniesienia i określa się rezystancję przewodu z napięcia przewodu i napięcia odniesienia.

Korzystnie za pomocą procesora określa się rezystancję przewodu przez podział napięcia przewodu przez napięcie odniesienia dla uzyskania współczynnika napięcia i mnoży się ten współczynnik napięcia przez wartość odniesienia równą wartości rezystora odniesienia w omach, korzystnie 100 omów.

Korzystnie za pomocą procesora mierzy się pierwsze napięcie przewodu między pierwszym końcem czujników i drugim końcem trzeciego przewodu, mierzy się napięcie odniesienia na rezystorze odniesienia i określa się pierwszą rezystancję czujnika z pierwszego napięcia przewodu i napięcia odniesienia, przy czym pierwsza rezystancja czujnika zawiera rezystancję pierwszego czujnika na jednym końcu czujników i rezystancję pierwszego przewodu.

Korzystnie za pomocą procesora określa się pierwszą rezystancję czujnika przez podział pierwszego napięcia przewodu przez napięcie odniesienia dla uzyskania pierwszego współczynnika napięcia i mnoży się pierwszy współczynnik napięcia przez wartość odniesienia równą wartości rezystora odniesienia w omach, korzystnie 100 omów:

Korzystnie za pomocą procesora mierzy się drugie napięcia czujnika między drugim końcem następnego przewodu i drugiego przewodu, mierzy się napięcie odniesienia na rezystorze odniesienia i określa się drugą rezystancję czujnika z drugiego napięcia przewodu i napięcia odniesienia, przy czym druga rezystancja czujnika zawiera rezystancję drugiego czujnika, sąsiedniego względem pierwszego czujnika i rezystancję drugiego przewodu.

Korzystnie za pomocą procesora określa się drugą rezystancję czujnika przez podział drugiego napięcia przewodu przez napięcie odniesienia dla uzyskania drugiego współczynnika napięcia i mnoży się drugi współczynnik napięcia przez wartość odniesienia równą wartości rezystora odniesienia w omach, korzystnie 100 omów.

Korzystnie za pomocą procesora określą się drugą rezystancję czujnika przez to, że odejmuje się rezystancję przewodu od pierwszej rezystancji czujnika dla określenia pierwszej skompensowanej rezystancji czujnika, odejmuje się rezystancję przewodu od drugiej rezystancji czujnika dla określenia drugiej skompensowanej rezystancji czujnika i przetwarza się pierwszą skompensowaną rezystancję czujnika i drugą skompensowaną rezystancję czujnika odpowiednio do wartości pierwszego stanu i wartości drugiego stanu.

Korzystnie za pomocą procesora okresowo otwiera się przełącznik dla odłączania napięcia zasilania od pierwszego końca wielu czujników, mierzy się pierwsze napięcie między drugim końcem trzeciego przewodu i drugim końcem drugiego przewodu przy odłączeniu układu czujnikowego od napięcia zasilania przez przełącznik, mierzy się pierwsze napięcie odniesienia na rezystorze odniesienia przy odłączeniu układu czujnikowego od napięcia zasilania przez przełącznik i określa się pierwszą rezystancję czujnika z pierwszego napięcia i pierwszego napięcia odniesienia, przy czym pierwsza rezystancja czujnika zawiera rezystancję pierwszego czujnika na jednym końcu czujników, rezystancję trzeciego przewodu i rezystancję drugiego przewodu, mierzy się drugie napięcie między drugim końcem trzeciego

187 953 przewodu i drugim końcem drugiego przewodu przy dołączeniu układu czujnikowego do napięcia zasilania przez przełącznik, mierzy się drugie napięcie odniesienia na rezystorze odniesienia przy dołączeniu układu czujnikowego do napięcia zasilania, określa się drugą rezystancję czujnika z drugiego napięcia i drugiego napięcia odniesienia, przy czym druga rezystancja czujnika zawiera rezystancję pierwszego czujnika i rezystancję dmgiego przewodu i w odpowiedzi na pierwszą rezystancję czujnika i drugą rezystancję czujnika oraz rezystancję przewodu oblicza się średnią rezystancję przewodu.

Korzystnie za pomocą procesora oblicza się średnią rezystancję przewodu przez odjęcie drugiej rezystancji czujnika od pierwszej rezystancji czujnika dla otrzymania ocenianej rezystancji przewodu i dodaje się zmierzoną rezystancję przewodu do ocenianej rezystancji przewodu i dzieli się przez dwa dla uzyskania średniej rezystancji przewodu.

W układzie według wynalazku do pierwszego przewodu jest dołączony przełącznik włączony w mierniku elektronicznym, przez który to przełącznik napięcie zasilania jest selektywnie dołączone lub odłączone od pierwszego końca układu czujnikowego przez pierwszy przewód oraz do pierwszego przewodu jest dołączony procesor do pomiaru rezystancji przewodu przy odłączeniu napięcia zasilania od pierwszego końca przez przełącznik oraz do drugiego przewodu i trzeciego przewodu jest dołączony procesor do pomiaru rezystancji każdego czujnika rezystancyjnego przy napięciu zasilania dołączonym do pierwszego końca, dla określania stanu wibracyjnego przepływomierza typu coriolisa ze zmierzonej rezystancji przewodu i zmierzonej rezystancji każdego czujnika.

Korzystnie trzeci przewód ma pierwszy koniec dołączony do połączenia czujników i drugi koniec dołączony do miernika elektronicznego.

Korzystnie jeden z czujników rezystancyjnych jest czujnikiem temperatury i stan jest temperaturą.

Zaletą wynalazku jest opracowanie przepływomierza typu coriolisa, który ma wiele czujników temperatury, lecz zmniejszoną do minimum liczbę przewodów. Wynalazek zapewnia zastosowanie w przepływomierzu wibracyjnym typu coriolisa dwóch czujników temperatury, przy wykorzystaniu istniejącego, stosowanego zwykle kabla 9-przewodowego.

Dzięki wynalazkowi wielokrotne czujniki temperatury są połączone szeregowo i tylko punkty węzłów połączenia szeregowego wymagają zastosowania przewodów. Nie jest stosowany żaden dodatkowy przewód do pomiaru rezystancji kabla. Liczba przewodów wymaganych do pomiaru temperatury, pomiędzy czujnikami temperatury i nadajnikiem, jest równa jeden plus liczba czujników temperatury.

Wynalazek zapewnia wielokrotne pomiary temperatury, z kompensacją długości kabla, przy zastosowaniu minimalnej liczby przewodów. W przypadku dwóch czujników temperatury są wymagane tylko trzy przewody do dokonania dwóch oddzielnych pomiarów temperatury i kompensacji długości kabla. Zatem kabel 9-przewodowy, stosowany szeroko w przepływomierzach typu coriolisa, zostaje dostosowany do dwóch pomiarów temperatury.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w przekroju poprzecznym wibracyjny przepływomierz typu coriolisa z prosta rurą wykorzystujący podwójne czujniki temperatury, fig. 2 - schemat przykładu wykonania układu pojedynczego czujnika temperatury, stosowanego w znanych przepływomierzach typu coriolisa, fig. 3 - schemat przykładu wykonania układu podwójnego czujnika temperatury według wynalazku, fig. 4 - szczegółowy schemat układu podwójnego czujnika temperatury według wynalazku, fig. 5 - sieć działań przy przetwarzaniu sterowanym przez mikroprocesor dla określania temperatury wielokrotnych czujników temperatury według wynalazku i fig. 6 - schemat układu trzech czujników temperatury według wynalazku.

Figura 1 przedstawia przepływomierz typu coriolisa 5 zawierający element pomiarowy 10 i nadajnik stanowiący miernik elektroniczny 20, który jest dołączony do elementu pomiarowego 10 przez wieloprzewodowy kabel 100. Miernik elektroniczny 20 dostarcza dane o gęstości, masowym natężeniu przepływu, objętościowym natężeniu przepływu i temperaturze materiału przepływającego przez przewód 26 do elementów użytkowych (nie pokazanych). Opisana jest konstrukcja wibracyjnego przepływomierza typu coriolisa, chociaż wynalazek może być zastosowany do gęstościomierza z rurą drgającą.

187 953

Element pomiarowy 10 zawiera parę kołnierzy 101 i 101' oraz rury rozgałęźne 102 i 102'. Płyn wpływa do elementu pomiarowego 10 przez jeden z kołnierzy 101 lub 101' oraz przechodzi przez rurę przepływową 103, opuszczając element pomiarowy 10 przez inny z kołnierzy 101 lub 101'. Rura przepływowa 103 jest otoczona przez rurę wyrównawczą 104 i jest dołączona do rury wyrównawczej 104, która jest z kolei dołączona do końców 105 i 105' obudowy, tworzących część końcową obudowy 106.

Figura 1 przedstawia prostą rurę przepływową 103, chociaż wynalazek może być zastosowany do przepływomierza mającego rurę przepływową o dowolnej geometrii lub wiele rur przepływowych.

Sterownik 107 jest dołączony do rury wyrównawczej 104 w jej środkowym punkcie. Czujniki przesunięcia 108 i 108' są dołączone do rury wyrównawczej 104 i rury przepływowej 103. W jednym przykładzie wykonania wynalazku każdy z czujników przesunięcia 108 i 108' zawiera cewkę dołączoną do rury wyrównawczej 104 i magnes dołączony do rury przepływowej 103, przesuwane w polu magnetycznym, które jest wytwarzane, gdy do cewki jest dostarczany sygnał okresowy. Możną zastosować dowolne czujniki przesunięcia, na przykład mierniki przyspieszenia lub potencjomeńy.

Do rury wyrównawczej 104 jest dołączony element równoważący 115 przeciwległe względem członu napędzającego 107. Masa elementu równoważącego 115 jest określona przez gęstość płynu stosowanego w procesie, mierzoną przez przepływomierz typu coriolisa 5. Czujnik temperatury 109 rury przepływowej jest zamocowany do rury przepływowej 103 i czujnik temperatury 110 rury wyrównawczej jest zamocowany do rury wyrównawczej 104.

Kabel 100 jest wykonany z przewodu 111, który doprowadza sygnał sterujący z miernika elektronicznego 20 do sterownika 107, z przewodów 112-113, które doprowadzają sygnały przesunięcia z lewych i prawych czujników przesunięcia 108 i 108' do miernika elektronicznego 20 i z przewodu 114, który doprowadza sygnał z czujnika temperatury 109 do miernika elektronicznego 20. Przewody 111-113 zawierają każdy po dwa przewody, a przewód 114 zawiera trzy oddzielne przewody, co oznacza, że kabel 100 zawiera 9 przewodów.

Pozostały opis dotyczy układu zawierającego czujnik temperatury 109 rury przepływowej, czujnik temperatury 110 rury wyrównawczej, przewód 114 i związane z nimi obwody w mierniku elektronicznym 20.

Przepływomierz wibracyjny typu coriolisa 5 jest podobny w konstrukcji do gęstościomierza z rurą drgającą, który wykorzystuje rurę drgającą, przez którą przepływa płyn. W przypadku przepływomierza typu próbkującego, w którym płyn jest utrzymywany, gęstościomierz z rurą drgającą stosuje także sterownik do wzbudzania drgań rury przepływowej. Gęstościomierze z rurą drgającą zwykle wykorzystują tylko pojedynczy sygnał sprzężenia zwrotnego, to jest z pojedynczego przesunięcia, ponieważ pomiar gęstości wymaga tylko pomiaru częstotliwości i nie jest potrzebny pomiar fazy.

Figura 2 przedstawia układ pomiarowy temperatury, występujący w elemencie pomiarowym 10 przepływomierza, zawierający pojedynczy czujnik temperatury 109. W odniesieniu do fig. 1, fig. 2 pokazuje przewody potrzebne do wykorzystania tylko czujnika temperatury 109 rury przepływowej. Przewód 114, który jest częścią kabla 100, jest wykonany z trzech przewodów 201-203. Przewód 114 ma ekran uziemiony przez przewód 210. Trzy przewody 211-213 czujnika temperatury 109 są dołączone do trzech końcówek 204-206 elementu pomiarowego 10. Przewody 201-203 są dołączone do końcówek 204-206 jednymi końcami i do końcówek 207-209 miernika elektronicznego 20 pozostałymi końcami. Każdy z przewodów 201-203 ma rezystancję przedstawioną jako rezystancja R_f. Przewody 201-203 są zasadniczo równe co do długości i grubości, więc ich rezystancje są przedstawione jako równe, chociaż nie są stałe. Wartość rezystancji Rc jest określona przez długość kabla 100 i temperaturę kabla 100. Przy danym umieszczeniu długość kabla 100 jest stała, chociaż jest ona rzadko znana w czasie wzorcowania przepływomierza 5 w fabryce. Jednak, gdy temperatura zmienia się w czasie, wartość rezystancji R_c zmienia się i musi być kompensowana przy pomiarze temperatury przez czujnik temperatury 109.

Napięcie odniesienia jest dostarczane poprzez rezystor zasilania R_SUp i wynosi na przykład 5V. Rezystor R_SUp, rezystor odniesienia Rref i rezystor przesunięcia Roff są wybrane tak,

187 953 że napięcie V3-V2 na normalnie działającym czujniku temperatury 109 nie przekracza napięcia odcięcia diody Dj i podobnie jest dla diody D2. Czujnik temperatury 109 reprezentuje typowy trój przewodowy, rezystancyjny detektor temperatury. Temperatura oddziałująca na czujnik temperatury 109 jest mierzona przez określenie rezystancji czujnika temperatury 109, kompensację tej rezystancji dla rezystancji Rc i wstawienie wartości tej rezystancji do standardowego równania, jak to omówiono poniżej.

Równanie 1 wykorzystuje pomiary dokonane w istniejących przepływomierzach typu coriolisa dla obliczenia rezystancji czujnika temperatury 109:

['WV(^^) - V,),_RV1)= RTD- (!) ^V1 *0

Równanie 1 reprezentuje różnice pomiędzy napięciem )3-)2 na czujniku temperatury 109 i napięciem V2-Vx na rezystancji Rc. Typowym rezystancyjnym elementem temperaturowym RTD jest rezystor 100 Ω, który jest mierzony przez porównanie rezystancji czujnika temperatury 109 z rezystorem odniesienia Ref 100 Ω. Po poznaniu rezystancji RTD, można obliczyć temperaturę przy zastosowaniu charakterystycznego równania dla określonego typu rezystancyjnego elementu temperaturowego RTD.

Równanie 2 jest przykładem charakterystycznego równania dla RTD. Wartość określona przez równanie 1 jest wstawiana do równania 2 w celu obliczenia temperatury wykrywanej przez czujnik temperatury 109:

Temperatura=[ (RTD-100) * 2,56]+1,25 ((RTD-100)* 2,56)²j°92 (2)

V,-V.

* 10)Ω = R,₁₀ + R_c Q?rzewód 308)

Każdy typ rezystancyjnego elementu temperaturowego RTD ma unikalne charakterystyczne równanie, takie jak równanie 2. W ten sposób znane przepływomierze typu coriolisa mierzą temperaturę rury przepływowej. Przewód 203 jest przeznaczony przez cały czas do pomiaru rezystancji Rc kabla. .

Figura 3 przedstawia układ pomiarowy temperatury według wynalazku w przepływomierzu typu coriolisa z podwójnym czujnikiem temperatury. Układ z fig. 3 jest podobny do układu z fig. 2, oprócz tego, że występują tu dwa czujniki temperatury 109-110 i tranzystor połowy F0 do odłączania czujnika temperatury 110 od napięcia odniesienia 5V. Napięcie V3 jest mierzone od tej strony tranzystora polowego F0, która jest dołączona do czujnika temperatury 110. Czujniki temperatury 109, 110 mają rezystancje R109, R110, które zmieniają się zgodnie z temperaturą wykrywaną przez każdy czujnik.

Przewód sterujący 307 jest dołączona do mikroprocesora (nie pokazanego) i określa, kiedy tranzystor połowy F0, jest otwarty i kiedy jest zamknięty. Gdy tranzystor połowy F0 jest zamknięty, prąd płynie od napięcia odniesienia 5V przez tranzystor połowy F0 i przewód 308, który ma rezystancję Rc, przez czujniki temperatury 110 i 109 i z powrotem do miernika elektronicznego 20 przez przewód 310, który ma rezystancję Rc. Prąd płynie dalej przez rezystor odniesienia Rref i przez rezystor przesunięcia Rorr do uziemienia. Rezystor odniesienia R_rer jest na przykład rezystorem 100 Ω. Gdy tranzystor połowy F0 jest zamknięty, równanie 4 jest stosowane do obliczenia rezystancji czujnika temperatury 109 plus rezystancja Rc przewodu 310:

[V -V .

V,-F. * 1 0), = R₁₀₉ + R _c (przewód 31 d) (4)

V, ^_())

Natomiast równanie 3 jest stosowane do obliczania rezystancji R110 czujnika temperatury 110 plus rezystancja Rc przewodu 308.

Wyniki równań 3 i 4 nie mogą być wprowadzane bezpośrednio do równania 2 dla określania temperatur, ponieważ każdy wynik równań 3 i 4 zawiera wartość rezystancji równą

187 953 rezystancji Rc przewodu. Okresowy pomiar rezystancji Rc przewodu jest dokonywany przez otwarcie tranzystora polowego Fo oraz dokonanie pomiarów i obliczeń, jak to opisano poniżej.. Przy tranzystorze polowym Fo otwartym, prąd płynie przez diodę D>, przez przewód 309 mający rezystancję Rc i czujnik temperatury 109 oraz z powrotem do masy przez przewód 310 mający rezystancję Rc, rezystor odniesienia Ref i rezystor przesunięcia Rofr. Gdy rezystor połowy F0 jest otwarty, równania 5 i 6 są stosowane do obliczenia poszczególnych rezystancji:

(^Vi -V.)

V -V ^vi ^vo * 100Ω = R_c (przewód 309) (5) (V_;-V|)

V,-V, * 100Ω = R₁₀₉ + R_c (przewód309) + R_c (przewód310) (6)

Jeżeli żaden prąd nie płynie przez czujnik temperatury 110, gdy tranzystor połowy F0 jest otwarty, napięcie V2-V3 reprezentuje spadek napięcia związany tylko z przepływem prądu przez przewód 309 mający rezystancję Rc. Gdy to napięcie jest dzielone przez napięcie na rezystorze odniesienia Rref i wynik jest mnożony przez wartość rezystora odniesienia R_ref 100 Ω uzyskuje się wartość rezystancji Rc Jak wzmiankowano powyżej, przewody 308-310 mają wszystkie zasadniczo jednakową długość i grubość oraz są wszystkie poddawane działaniu takiej samej temperatury, zatem zakłada się, że mierzona rezystancja jednego z przewodów jest równa rezystancji każdego z pozostałych przewodów. W jednym przykładzie wykonania wynalazku wynik równania 1 jest odejmowany od wyników równań 3 i 4 dla określania rezystancji czujnika temperatury 110 i czujnika temperatury 109. Te wartości są następnie wprowadzane w danym czasie jako wartości rezystancyjnego elementu temperaturowego RTD do równania 2 dla określania temperatury wykrywanej przez każdy z czujników temperatuiy·.

W innym przykładzie wykonania wynalazku przeprowadzono dalsze obliczenia dla zapewnienia drugiej oceny rezystancji Rc i dwie wartości Rc zostały uśrednione dla określenia wartości Rc, jak to opisano powyżej. Wynik równania 4 jest odejmowany od wyniku równania 6, dając ocenę rezystancji Rc przewodu 109. Zatem w tym przykładzie wykonania rezystancja Rc jest obliczana na podstawie równania 7:

(rów. 6-rów. 4) +rów. 5 - — K_f ^c (7)

Ten sposób określania rezystancji Rc jest dokładniejszy niż proste zastosowanie wyniku równania 5, ponieważ równanie 7 wykorzystuje średnią dwóch różnych pomiarów rezystancji Rc przewodu 109. Ta wartość średnia rezystancji Rc, otrzymywana z równania 7, jest następnie odejmowana od równań 3 i 4 dla otrzymania wartości rezystancji dla czujników temperatury 110 i 109.

Figury 3 i 4 przedstawiają układy podwójnych czujników temperatury, a elementy wspólne na obu figurach są oznaczone wspólnymi odnośnikami.

Figura 4 przedstawia układ z fig. 3 w połączeniu z miernikiem elektronicznym 20. Przewód sterujący 307, który steruje działaniem tranzystora polowego F0, jest dołączony do wyjścia sterującego 412 mikroprocesora 409. Mikroprocesor 409 ma konfigurację przystosowaną do okresowego przełączania tranzystora polowego F0 w stan otwarty, jak to opisano powyżej. W jednym przykładzie wykonania wynalazku tranzystor połowy F0 jest przełączany w stan otwarty na około 0,8 sekund co 10 minut w celu dokonania wymaganego pomiaru rezystancji Rc. Tranzystor polowy F0 reprezentuje przyrząd przełączający, na przykład tranzystor innego typu. Rezystory buforowe 414-418 zapewniają, że układ miernika elektronicznego 20 nie wpływa na pomiary rezystancji czujników temperatury 109-110. W jednym przykładzie wykonania rezystory 414-418 mają wartości 10 kΩ, a rezystory R_silp, Rref i Rof mają wartości 1,74 kΩ, 100 Ω i 3,01 kΩ. Rezystor odniesienia Rref jest bardzo dokładny, na przykład do 1% i 10 części na milion na stopień C.

Cztery napięcia V0-V3 są odczytywane na wejściach I0-13 multipleksera 401. Multiplekser 401 jest przełączany pomiędzy wejściami I0-I3 dla wytwarzania w danym czasie jednego

187 953 z napięć Vo-V3 na wyjściu 403. Napięcie na wyjściu 403 jest transmitowane przez przewód 404 do przetwornika napięciowo-częstotliwościowego 406, który przetwarza sygnał napięciowy na wejściu 405 na sygnał częstotliwościowy na wyjściu 407. Sygnał częstotliwościowy na wyjściu 407 jest transmitowany przez przewód 408 do mikroprocesora 409 i odczytywany na wejściu częstotliwościowym 4l0 mikroprocesora 409. Działanie multipleksera 40l jest sterowane przez sygnał w przewodzie 420 z wyjścia sterującego 411 mikroprocesora 409 dla dostarczania kolejno każdego z napięć V0-V3 na wyjściu 403 multipleksera 401. Mikroprocesor 409 odbiera sygnał częstotliwościowy reprezentujący każdy pomiar sygnału napięciowego na wejściu 410 i pamięta wartość każdej częstotliwości w pamięci 419. Jednostka centralna 421 stosuje następnie wartości zapamiętane w pamięci 419 do obliczania wszystkich równań 3-7 w celu dostarczenia na wyjściu w przewodzie 413 sygnałów temperatury wykrywanej przez czujnik temperatury 109 i temperatury wykrywanej przez czujnik temperatury 110.

Figura 5 przedstawia sieć działań przedstawiającą kroki procesu wykonywane przez mikroprocesor 409 dla dostarczania sygnałów temperatury czujników temperatury 109-110. Po początku 500 procesu występuje krok 501, podczas którego następuje dostarczanie napięcia odniesienia do połączenia szeregowego wielokrotnych czujników temperatury. Na fig. 4 napięcie odniesienia 5V jest włączane, jeżeli tranzystor polowy F0 jest zamknięty podczas kroku 501. Proces przechodzi następnie do kroku 502.

Podczas kroku 502 następuje pomiar napięcia w każdym węźle połączenia szeregowego czujników temperatury. Dla przykładu, właściwy sygnał sterujący jest przesyłany do wejścia sterującego 402 multipleksera 401 w celu przełączenia napięć Vo-V3 na przetwornik napięciowo-częstotliwościowy 406. Na fig. 4 mikroprocesor 409 odbiera sygnał częstotliwościowy odpowiadający każdemu z napięć V0-V3 i pamięta tę wartość w pamięci 419. Proces przechodzi następnie do kroku 503.

Podczas kroku 503 następuje określanie rezystancji w każdym czujniku temperatury. W pomiarach dotychczas dokonanych rezystancja w każdym czujniku temperatury zawiera także rezystancję przewodu, na którym są mierzone wymagane napięcia. Obliczenia wykonane podczas kroku 503 odpowiadają równaniom 3 i 4. Proces przechodzi następnie do kroku 504.

Podczas kroku 504 przełącznik jest otwierany dla odłączania jednego czujnika temperatury od napięcia odniesienia z jednego końca połączenia szeregowego czujników temperatury. Na fig. 4 tranzystor połowy F0 jest otwierany w odpowiedzi na sygnał sterujący w przewodzie 307 z wyjścia sterującego 412 mikroprocesora 409. Proces przechodzi następnie do kroku 505.

Podczas kroku 505 następuje pomiar napięcia w każdym węźle połączenia szeregowego czujników temperatury. Dla przykładu, właściwy sygnał sterujący jest przesyłany do wejścia sterującego 402 multipleksera 401 dla kolejnego przełączania napięć V0-V3 na przetwornik napięciowo-częstotliwościowy 406. Na fig. 4 mikroprocesor 409 odbiera sygnał częstotliwościowy odpowiadający każdemu z napięć V0-V3 i pamięta tę wartość w pamięci 419. Proces przechodzi następnie do kroku 506.

Podczas kroku 506 następuje określanie rezystancji w pojedynczym przewodzie w celu umożliwienia następnej kompensacji rezystancji przewodu. Na fig. 4 rezystancja przewodu jest określana albo z równania 5 albo z obliczeń dla fig. 5-7 w celu określania wartości średniej rezystancji Rc Proces przechodzi następnie do kroku 507.

Podczas kroku 507 następuje odejmowanie rezystancji przewodu, obliczonej podczas kroku 506, od każdej mierzonej rezystancji czujnika temperatury', obliczonej podczas kroku 503. W tym kroku jest wytwarzana wartość kompensowanej rezystancji dla każdego połączonego szeregowo czujnika temperatury. Proces przechodzi następnie do kroku 508.

Podczas kroku 508 następuje przetwarzania każdej kompensowanej rezystancji czujników dla odczytu temperatury, przy zastosowaniu na przykład równania 2. Postać równania 2 zależy od modelu czujnika temperatury. Proces przechodzi następnie do kroku 509.

Figura 6 przedstawia układ trzech czujników temperatury, wykorzystujący trzeci czujnik temperatury Rn, który jest dołączony do miernika elektronicznego 20 przez przewód 601 mający rezystancję R_c. Czujnik Rn jest na przykład czujnikiem temperatury zamontowanym w obudowie 106 z fig. 1. Przy zamkniętym tranzystorze polowym F0 są mierzone napięcia

187 953

V0-V₃ i Vn Równania 8, 9 i 10 są stosowane do obliczenia rezystancji w czujnikach temperatury i przewodach:

(V,-V,)

V_N-V„ *100Q = R₁₎₀ + R_c (przewód 308) (8 ) (v₂-v,)

V -V ^VN ^v0 *100Q = R₁₀₉ (9) (V,-Vn)

V_N-V₀ * 100Ω = R_N + R_c (przewód 601) (10)

W przypadku równania 10, rezystancja czujnika temperatury 109 jest mierzona bezpośrednio, bez jakiejkolwiek składowej rezystancji przewodu. Jednak w celu określenia rezystancji czujnika temperatury 110 i czujnika temperatury Rn jest konieczne dalsze przetwarzanie. Tranzystor połowy F0 jest otwierany przez sygnał sterujący w przewodzie 307. Napięcia Vo-V₃ i Vn są mierzone i równanie 11 jest stosowane do obliczenia rezystancji Rc przewodu:

fe· * 100Ω = R_c (przewód309) (11)

Równanie 11 zapewnia bezpośredni pomiar rezystancji Rc przewodu 309. Wartość średnia rezystancji Rś przewodu jest obliczana zgodnie z równaniami 12 i 13:

(V,-V|).

V_N-V₀

100Ω = R_c (przewód309)+R₁₀₉ ( rów,12-rów.9 + rów.l P l 2 _y (12) (13)

Równanie 12 zawiera rezystancję czujnika temperatury R109. Otrzymywana jest wartość średnia Rś rezystancji przewodu 309. Zakłada się, że każdy z przewodów 308-310 i 601 ma taką samą rezystancję, ponieważ mają one zasadniczo taką samą długość i grubość oraz wyczuwają zasadniczo taką samą temperaturę. Rezystancja Rś jest następnie odejmowaną od równania 8 i równania 10 dla otrzymania kompensowanych wartości R110 i Rn, a R109 jest mierzone bezpośrednio.

Figura 6 i obliczenia według równań 8-13 pokazują, że wynalazek znajduje zastosowanie w dowolnej liczbie czujników temperatury przez umieszczenie N czujników szeregowo i zapewnienie przełącznika do odłączania jednego z czujników od zasilania napięciowego dla pomiaru rezystancji przewodu.

Zamiast czujnika temperatury może być zastosowany dowolny typ czujnika rezystancyjnego. Dla przykładu, można zastosować czujnik tensometryczny, który wskazuje odkształcenie w postaci zmiennej rezystancji zamiast temperatury. Ogólnie wynalazek może być zastosowany z dowolnym czujnikiem, który wskazuje dany stan przez zmianę jego rezystancji.

187 953

109

FIG. 2

210

110

109

FIG.3

187 953

ο σ>

ο

187 953

POCZĄTEK

500

FIG. 5


	ODEJMOWANIE REZYSTANCJI PRZEWODU OD KAŻDEJ .MIERZONEJ REZYSTANCJI CZUJNIKA TEMPERATURY

	PRZETWARZANIE KAŻDEJ KOMPENSOWANEJ REZYSTANCJI DLA ODCZYTU TEMPERATURY

507

508

187 953

FIG. 6

187 953

Ο

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób kontroli stanu wibracyjnego przepływomierza typu coriolisa, zwłaszcza stanu każdego z czujników rezystancyjnych, połączonych szeregowo i tworzących układ czujnikowy w urządzeniu pomiarowym z drgającą rurą, w którym mierzy się parametr materiału przepływającego przez urządzenie i za pomocą rezystancji każdego czujnika wskazuje się stan, na który czujniki są czułe, poprzez pierwszy przewód dołączony do pierwszego końca układu czujnikowego, drugi przewód dołączony do drugiego końca układu czujnikowego i co najmniej jeden następny przewód dołączony do połączenia między parą sąsiednich czujników, znamienny tym, że selektywnie dołącza się napięcie zasilania lub odłącza się napięcie zasilania od pierwszego końca układu czujnikowego przez pierwszy przewód, mierzy się rezystancję przewodu, gdy napięcie zasilania jest selektywnie odłączone od pierwszego końca układu czujnikowego, mierzy się rezystancję każdego czujnika, gdy napięcie zasilania jest selektywnie dołączone do pierwszego końca układu czujnikowego i uzyskuje się skompensowaną wartość rezystancji przewodu dla stanu odpowiadającego zmierzonej rezystancji przewodu i zmierzonej rezystancji każdego czujnika.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że za pomocą procesora okresowo otwiera się przełącznik dla odłączenia napięcia zasilania od pierwszego końca czujników, mierzy się napięcia przewodu między pierwszym końcem czujników i trzecim przewodem czułym na napięcie zasilania odłączone od układu czujnikowego, mierzy się napięcia odniesienia na rezystorze odniesienia i określa się rezystancję przewodu z napięcia przewodu i napięcia odniesienia.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że za pomocą procesora określa się rezystancję przewodu przez podział napięcia przewodu przez napięcie odniesienia dla uzyskania współczynnika napięcia i mnoży się ten współczynnik napięcia przez wartość odniesienia równą wartości rezystora odniesienia w omach, korzystnie 100 omów'.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że za pomocą procesora mierzy się pierwsze napięcie przewodu między pierwszym końcem czujników i drugim końcem trzeciego przewodu, mierzy się napięcie odniesienia na rezystorze odniesienia i określa się pierwszą rezystancję czujnika z pierwszego napięcia przewodu i napięcia odniesienia, przy czym pierwsza rezystancja czujnika zawiera rezystancję pierwszego czujnika na jednym końcu czujników i rezystancję pierwszego przewodu.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że za pomocą procesora określa się pierwszą rezystancję czujnika przez podział pierwszego napięcia przewodu przez napięcie odniesienia dla uzyskania pierwszego współczynnika napięcia i mnoży się pierwszy współczynnik napięcia przez wartość odniesienia równą wartości rezystora odniesienia w omach, korzystnie 1θ0 omów.
6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że za pomocą procesora mierzy się drugie napięcia czujnika między drugim końcem następnego przewodu i drugiego przewodu, mierzy się napięcie odniesienia na rezystorze odniesienia i określa się drugą rezystancję czujnika z drugiego napięcia przewodu i napięcia odniesienia, przy czym druga rezystancja czujnika zawiera rezystancję drugiego czujnika, sąsiedniego względem pierwszego czujnika i rezystancję drugiego przewodu.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że za pomocą procesora określa się drugą rezystancję czujnika przez podział drugiego napięcia przewodu przez napięcie odniesienia dla uzyskania drugiego współczynnika napięcia i mnoży się drugi współczynnik napięcia przez wartość odniesienia równą wartości rezystora odniesienia w omach, korzystnie 100 omów'.
8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że za pomocą procesora określa się drugą rezystancję czujnika przez to, że odejmuje się rezystancję przewodu od pierwszej rezystancji czujnika dla określenia pierwszej skompensowanej rezystancji czujnika, odejmuje się rezy187 953 stancję przewodu od drugiej rezystancji czujnika dla określenia drugiej skompensowanej rezystancji czujnika i przetwarza się pierwszą skompensowaną rezystancję czujnika i drugą skompensowaną rezystancję czujnika odpowiednio do wartości pierwszego stanu i wartości drugiego stanu.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że za pomocą procesora okresowo otwiera się przełącznik dla odłączania napięcia zasilania od pierwszego końca wielu czujników; mierzy się pierwsze napięcie między drugim końcem trzeciego przewodu i drugim końcem drugiego przewodu przy odłączeniu układu czujnikowego od napięcia zasilania przez przełącznik, mierzy się pierwsze napięcie odniesienia na rezystorze odniesienia przy odłączeniu układu czujnikowego od napięcia zasilania przez przełącznik i określa się pierwszą rezystancję czujnika z pierwszego napięcia i pierwszego napięcia odniesienia, przy czym pierwsza rezystancja czujnika zawiera rezystancję pierwszego czujnika na jednym końcu czujników, rezystancję trzeciego przewodu i rezystancję drugiego przewodu, mierzy się drugie napięcie między drugim końcem trzeciego przewodu i drugim końcem drugiego przewodu przy dołączeniu układu czujnikowego do napięcia zasilania przez przełącznik, mierzy się drugie napięcie odniesienia na rezystorze odniesienia przy dołączeniu układu czujnikowego do napięcia zasilania, określa się drugą rezystancję czujnika z drugiego napięcia i drugiego napięcia odniesienia, przy czym druga rezystancja czujnika zawiera rezystancję pierwszego czujnika i rezystancję drugiego przewodu i w odpowiedzi na pierwszą rezystancję czujnika i drugą rezystancję czujnika oraz rezystancję przewodu oblicza się średnią rezystancję przewodu.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że za pomocą procesora oblicza się średnią rezystancję przewodu przez odjęcie drugiej rezystancji czujnika od pierwszej rezystancji czujnika dla otrzymania ocenianej rezystancji przewodu i dodaje się zmierzoną rezystancję przewodu do ocenianej rezystancji przewodu i dzieli się przez dwa dla uzyskania średniej rezystancji przewodu.
11. Układ do kontroli stanu wibracyjnego przepływomierza typu coriolisa, zawierający w urządzeniu pomiarowym z drgającą rurą układ czujnikowy, który zawiera czujniki rezystancyjne połączone szeregowo, pierwszy przewód jest dołączony do pierwszego końca czujników połączonych szeregowo, drugi przewód jest dołączony do drugiego końca czujników połączonych szeregowo i układ czujnikowy jest dołączony do masy przez rezystor odniesienia, a trzeci przewód jest dołączony do połączenia między parą sąsiednich czujników oraz każdy przewód ma daną rezystancję i do przewodów jest dołączony miernik elektroniczny, znamienny tym, że do pierwszego przewodu (308) jest dołączony przełącznik (Fo) włączony w mierniku elektronicznym (20), przez który to przełącznik (Fo) napięcie zasilania jest selektywnie dołączone lub odłączone od pierwszego końca układu czujnikowego przez pierwszy przewód (308) oraz do pierwszego przewodu (308) jest dołączony procesor (401, 406, 409) do pomiaru rezystancji (Rc) przewodu (308) przy odłączeniu napięcia zasilania od pierwszego końca przez przełącznik (F0) oraz do drugiego przewodu (310) i trzeciego przewodu (309) jest dołączony procesor (401, 406, 409) do pomiaru rezystancji każdego czujnika rezystancyjnego (109,110) przy napięciu zasilania dołączonym do pierwszego końca, dla określania stanu przepływomierza typu coriolisa ze zmierzonej rezystancji (Rc) przewodu i zmierzonej rezystancji każdego czujnika (109,110).
12. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że trzeci przewód (309) ma pierwszy koniec dołączony do połączenia czujników (109, 110) i drugi koniec dołączony do miernika elektronicznego (20).
13. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że jeden z czujników rezystancyjnych (109,110) jest czujnikiem temperatury i stan jest temperaturą.