RU1830135C - Электромагнитный расходомер - Google Patents

Abstract

Использование: при измерении расхода жидкостей электромагнитным методом. Сущность изобретени : электромагнитный расходомер содержит один первичный преобразователь 1, два электрода 2, один электромагнит 3, две обмотки электромагнита 4, один блок питани  5, детектор опорного сигнала 6, один интегратор 7, один аналого- цифровой преобразователь 8, один усилитель 9. один делитель напр жени  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.

Description

W

с

К

оо

(А О

05 СЛ

ы

Изобретение относитс  к измерению расхода жидкостей электромагнитным методом с применением низкочастотного импульсного магнитного пол .

Цель изобретени  заключаетс  в повышении точности измерений путем устранени  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 питани  электромагнита и детектор опорного сигнала, а также вторичный преобразователь, включающий последовательно соединенные усилитель, демодул тор и блок индикации, образующие каналы обработки полезного и опорного сигналов, детектор опорного сигнала выполнен в виде схемы, состо щей из обмоток , размещенных в зазоре между трубопроводом и полюсами электромагнита, интегратора с.аналого-цифровым преобразователем и делител  напр жение/цифровой код, причем вход интегратора соединен с концами обмотки, а выход через аналого- цифровой преобразователь с кодовым входом делител  напр жение/цифровой код, вторым входом и выходом соединенного, соответственно, с демодул тором и блоком индикации. Кроме того расходомер снабжен генератором управл ющих импульсов, выходы которого подключены к управл ющим входам аналого-цифрового преобразовател , блока питани  электромагнита, к первому, второму и третьему входам интегратора , первому и второму входам демодул тора .

Применение опорного сигнала в расходомере с целью повышени  точности известно и используетс  довольно широко.

Принцип использовани  опорного сигнала в известных расходомерах заключаетс  в следующем: выделение полезного сигнала расхода с электродов первичного преобразовател  с помощью синхронного детектировани  и компенсаци  полезного сигнала расхода сигналом, пропорциональным опорному сигналу в автокомпенсационных схемах.

Требовани  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 пол  в активной зоне первичного преобразовател .

Организаци  опорного сигнала в известных расходомерах с импульсным низкочастотным магнитным полем осуществл етс  следующим образом. Опорный сигнал снимаетс  с резистора, включенного последовательно с возбуждающей катушкой магнитного пол . В этом случае опорный сигнал не удовлетвор ет требованию 2, так как он пропорционален току возбуждени 

магнитного пол .

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

этом температурна  зависимость магнитного пол  корректируетс  по изменению сопротивлени  термистора, возможность применени  дополнительных обмоток дл  опорного сигнала вообще отрицаетс . Там

же указываетс  на возможность применени  двух датчиков Холла, один из которых контактирует с сердечником электромагнита. Опорный сигнал пропорционален индукции магнитного пол  в первичном преобразователе .

Опорный сигнал снимаетс  с помощью трансформатора тока, первична  обмотка которого включена последовательно с катушкой возбуждени  магнитного пол , дл 

уменьшени  габаритов трансформатора опорный сигнал до подачи на трансформатор с помощью электронного ключа преобразуетс  в высокочастотный сигнал, огибающа  которого  вл етс  опорным сигналом . Опорный сигнал получаетс  пропорциональным току возбуждени  магнитного пол .

Применение опорного сигнала, пропорционального току возбуждени  магнитного

пол , устран ет зависимость сигнала расходомера только от нестабильности тока возбуждени .

Так если уровеньтока равен, то магнитное поле в первичном преобразователе представл етс  в виде известного выражени , а опорное напр жение с учетом этого выражени 

., 1-в

МТЖМА)

(D

При компенсационном способе измерени  имеют

иэл «Uon,

где а-переменный параметр.

С учетом выражени  известного и (ij далее наход т

К

)T(N,A)Q

(2)

Мера расхода «, таким образом не зависит от уровн  тока I, но зависит от температуры Т (к посто нные величины).

В случае применени  опорного сигнала, пропорционального индукции магнитного пол  в активной зоне преобразовател  расхода этот недостаток устран етс  полностью .

При Uon /3 В с учетом известного выражени 

,

(3)

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

Данным свойством могут обладать расходомеры , в которых дл  коррекции изменений индукции магнитного пол  примен ютс  тер- мисторы или элементы Холла.

Однако, технически очень сложно осуществл ть такую организацию опорного сигнала, в котором коррекци  осуществл ема  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 напр жени /код в предложенном расходомере в совокупности позвол ет получить опорный сигнал, строго пропорциональный магнитному полю в активной зоне преобразовател  расхода , а также осуществить точную операцию делени  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 выражаетс  еще более сложным

образом. Упрощенно сигнал расхода можно

представить в виде

Уэл KB р (О) Q ,

(4).

где р- функци , завис ща  от профил  скорости измер емого потока,

В - среднее значение индукции в активной зоне преобразовател .

Напр жение на катушках детектора магнитного пол  определ етс  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 пол  в виде катушки в сочетании с интегратором, АЦП и делителем аналог- код дает возможность получить выходной

сигнал расходомера, не завис щий не только от изменений величины магнитного пол  в зазоре электромагнита, но и практически обеспечивает независимость показаний расходомера от изменений распределени 

магнитного пол .

На фиг.1 приведена блок-схема расходомера: на фиг.2 - временна  диаграмма управл ющих 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 питани 

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

повышени  чувствительности расположены в плоскости, перпендикул рной магнитным силовым лини м 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, демодул тор 10 и делитель напр жение/код 11, последний, в свою очередь, состоит из операционного усилител  12, охваченного

через цифроаналоговый преобразователь 13 обратной св зью. Один из входов цифро- аналогового преобразовател  13 подключен к выходу аналого-цифрового преобразовател  8, а выход операционного усилител  12

нагружен на блок индикации 14. Демодул тор 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 усилител  12 делител  11 напр жение/цифровой код.

Вторичный преобразователь содержит также генератор 18 управл ющих импульсов , выходы которых соединены с управл ющими входами интегратора 7, аналого-цифрового преобразовател  8, запоминающих устройств 15 и 16 и блока питани  5.

Расходомер работает следующим образом . При протекании через трубопровод 1 измер емого расхода на электродах 2, наход щихс  в поле электромагнита 3, возникает ЭДС - полезный сигнал пропорциональный измер емому расходу, который обрабатываетс  последовательно усилителем 9, демодул тором 10, делителем 11, после чего подаетс  на блок индикации 14. Одновременно с обмоток детектора 6 снимаетс  опорный сигнал как производна  магнитного пол  по времени и обрабатываетс  последовательно интегратором 7, аналого-цифровым преобразователем 8 и делителем 11, информаци  о расходе как частное от делени  величин полезного сигнала на величину опорного сигнала поступает на блок индикации, где она может быть показана в именноеанных единицах. Генератор 18 генерирует семь управл ющих импульсов , управл ющих работой расходомера, расположение которых во времени приведено на фиг.2,

где Uynp - 1 - импульс управлени  блоком питани  5 электромагнита 3. под действием которого обмотка А электромагнита 5 возбуждаетс  импульсами посто нного тока;

УЗУ - 2 - импульс запоминани  напр жени  на выходе усилител  9 в конце изме- рительного цикла после окончани  переходных процессов;

Uavo - 3 - импульс запоминани  напр жени  на выходе усилител  9 при выключенном магнитном поле после окончани  переходных процессов;

UCBP - 4 - импульс сброса интегратора на нуль после окончани  цикла интегрировани ;

Узи - 5 - импульс запоминани  напр жени  на выходе интегратора 7 в конце цикла интегрировани ;

Usi/io - 6 - импульс запоминани  напр жени  на выходе интегратора 7 перед циклом интегрировани ;

издп - 7 - импульс управлени  АЦП 8.

Импульс Uynp длительностью 0,64 с организуетс  путем делени  частоты сети в 64 раза и поступает на вход импульсного блока питани  5, который, соответственно, вырабатывает импульсы посто нного тока. Примерный вид возбуждаемого при этом

магнитного пол  показан на фиг.2 пунктирной линией.

После окончани  переходного процесса при включении магнитного пол  напр жение с выхода усилител  9 запоминаетс  запоминающим устройством (ЗУ) 15 импульсом Узу, имеющим длительность 0,32 с. Дл  исключени  смещени  нул  усилител  9 при выключенном магнитном поле напр жение

с его выхода запоминаетс  устройством ЗУ 16 под действием импульса ОЗУО, имеющего длительность 0,32 с. Усилитель 9 охвачен отрицательной обратной св зью по посто нному току, что предохран ет насыщение

его выходного напр жени  от действи  электрохимической разности потенциалов электродов 2, котора  имеет величину пор дка 0,01-0,1 В, и обеспечивает работу усилител  9 в линейной области. Демодул цию

сигнала расхода осуществл ют 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 уровн , вызван- ное электрохимическим потенциалом электродов 2.

Сигнал (7) запоминаетс  устройством ЗУ 15. При выключении магнитного пол  (В 0) ЗУ 16 запоминает значение напр жени  с вы- хода усилител  9.

Дифференциальный усилитель 17 выдел ет разность сигналов с ЗУ 15 и ЗУ 16

40

1)ду к В Q.

(8)

Канал опорного сигнала работает следующим образом. Напр жение на выходах обмоток детектора 6 пропорционально производной магнитного потока охватыва- ющего катушкой обратной св зи 6

11 дОФ  смСШ

(9)

где ft- векторна  посто нна  величина;

S - площадь витка обмотки;

N - количество витков обмотки катушки;

Ф-магнитный поток; t - врем .

Интегратор 7 интегрирует выражение (9) по времени, на выходе которого получаетс  напр жение, пропорциональное индукций магнитного пол :

B°j В,

(10)

Дл  исключени  ошибки смещени  нул  интегратора 7 перед циклом запоминаетс  напр жение на его выходе Уио под действием импульса 11зио.

В конце цикла интегрировани  сигнал на выходе интегратора 7 будет равен (который запоминаетс  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 напр жение, пропорциональное магнитной индукции в зазоре электромагнита 3 преобразовател  расхода , которое подаетс  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 преобразовани  АЦП 5. На выходе делител  11 аналог/код получаетс  сигнал, завис щий только от измер емого расхода О

UA

К

,(14)

NA

где Ко - коэффициент преобразовани  делител  11.

Таким образом сигнал на выходе расходомера не зависит от вариаций уровн  магнитного пол  В в активной зоне первичного преобразовател , т.е. действие вли ющих факторов, св занных с изменением магнитных свойств электромагнита устран етс .

Точность измерени  увеличиваетс  за счет следующих факторов: опорное напр жение точно пропорционально величине индукции магнитного пол  в активной зоне первичного преобразовател ; градуировоч- на  характеристика расходомера посто н5 на  и зависит только от геометрических параметров первичного преобразовател  и характеристик АЦП и делител  напр жение/цифровой код, которые не завис т от характеристики первичного преобразовате0 л .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

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

   0 электродами, подключенными к входу усилител , соединенному выходом с входом демодул тора , блок питани  электромагнита, соединенный с его обмоткой, детектор опорного сигнала, а также генератор управ5 л ющих импульсов и блок индикации, о т- личающийс  тем. что, с целью повышени  точности измерени , в него введены последовательно соединенные интегратор , аналого-цифровой преобразователь

   0 и делитель, соединенный вторым входом с выходом демодул тора, 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 управл ющих импульсов подключен к входу управлени  блока питани  электромагнита, второй и третий

   0 выходы соединены соответственно с первым и вторым управл ющими входами демодул тора , четвертый, п тый и шесто выходы подключены, соответственно, к пер вому, второму и третьему управл ющим вх

   5 дам интегратора, седьмой выход соединен управл ющим входом аналого-цифрово преобразовател .

   v .

   s

   t u& .-. .2