RU2490611C1 - Устройство для измерения давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения давления газообразных и жидких сред в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала, в частности из стали. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости измерений давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала. Устройство для измерения давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала, содержит разомкнутый магнитный сердечник из материала с магнитной проницаемостью, обмотку возбуждения, две измерительные обмотки, соединенные последовательно и согласно между собой, являющиеся элементами магнитоупругого преобразователя давления, и источник питания. Устройство также содержит второй магнитоупругий преобразователь давления, состоящий из второго разомкнутого магнитного сердечника, второй обмотки возбуждения, второй пары измерительных обмоток, соединенных последовательно и согласно между собой, и второй источник питания. При этом устройство содержит симметрирующий трансформатор, содержащий входную, выходную и дополнительную обмотки, узкополосный фильтр, усилитель, детектор и источник компенсации начального уровня выходного сигнала. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения давления газообразных и жидких сред в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала, в частности из стали.

Известны различные устройства для измерения давления, которые по способу преобразования подразделяются на две основные группы. К первой группе относятся те устройства, в которых давление среды воспринимается механическими упругими элементами, например, мембранами. Ко второй - устройства, в которых в зависимости от давления, приложенного к чувствительному элементу, изменяются его физические свойства, например, электрические или магнитные. Устройства второй группы считаются более надежными из-за отсутствия в их составе движущихся частей. Из устройств второй группы наибольшее применение нашли устройства с магнитоупругими чувствительными элементами, по совокупности характеристик обладающие большей универсальностью в сравнении с пьезоэлектрическими, ионизационными, электронными и термоэлектрическими преобразователями.

Известен магнитоупругий датчик давления [1] с анизотропным магнитным сердечником, заключенным в металлический корпус, имеющий две группы обмоток - намагничивающую и измерительную, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу, который для достижения требуемых точности и линейности показаний снабжен регулируемым клиновым механизмом. Его недостатком является сложность изготовления магнитного сердечника и клинового механизма, а также неудобство в эксплуатации.

Известен также магнитоупругий преобразователь давления [2], который по отношению к [1] обладает тем преимуществом, что использует обычный магнитопровод с изотропной структурой сердечника, а для обеспечения чувствительности к измеряемому давлению анизотропность преобразователя создается схемотехнически - применением дополнительной обмотки, нагруженной на резистор. Однако данный преобразователь для своего функционирования требует непосредственного контакта со средой, в которой измеряется давление.

Существует способ измерения давления жидкостной среды [3], при котором магнитоупругий преобразователь давления имеет принципиальную конструктивную анизотропию, заключающуюся в том, что давление жидкостной среды воздействует только на часть магнитопровода преобразователя, которая одновременно отделяет измеряемую среду от остальной части его конструкции. Недостатком данного способа является использование специальной трубы в качестве чувствительного к давлению участка магнитопровода, заполняемой средой и магнитоупругой жидкостью.

Наиболее близким по своей технической сущности устройством (прототипом) является устройство, основанное на способе измерения давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала [4], содержащее разомкнутый магнитный сердечник, обмотку возбуждения, две измерительные обмотки, являющиеся элементами магнитоупругого преобразователя давления, причем полюса разомкнутого магнитного сердечника создают магнитный поток по двум взаимноперпендикулярным направлениям на участках трубопровода равной длины, а также источник возбуждения. Разомкнутый магнитопровод представляет собой трехмерную конструкцию выполненную из двух одинаковых П-образных сердечников, образующих вместе трехполюсную магнитную систему, проекция полюсов которой на плоскость дает три точки, являющиеся вершинами равнобедренного прямоугольного треугольника. При этом трубопровод замыкает указанный разомкнутый сердечник магнитоупругого преобразователя. Давление P по этому способу связано с параметрами трубопровода соотношением

$$P=\frac{h}{0.75D{S}_{к}}\left(1-\frac{R_{б}}{R_{нач}}\right)$$

где h - толщина стенки трубопровода;

D - диаметр трубопровода;

S_к - магнитоупругая чувствительность материала трубопровода;

R_б - магнитное сопротивление участков трубопровода при измеряемом давлении;

R_нач - начальное магнитное сопротивление участков трубопровода.

Недостатком прототипа является его слабая помехоустойчивость, поскольку в реальных условиях эксплуатации работоспособность устройства нарушается из-за наличия вибраций трубопровода, вызванных неламинарностью потока измеряемой среды. Вибрации трубопровода лежат в широком диапазоне частот от единиц герц до сотен килогерц и, модулируя магнитный поток в магнитоупругом преобразователе устройства, создают на выходе устройства помехи, соизмеримые по величине с полезным сигналом.

Техническим результатом является повышение помехоустойчивости измерений давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала, содержащее разомкнутый магнитный сердечник из материала с магнитной проницаемостью, многократно превышающей магнитную проницаемость материала трубопровода, обмотку возбуждения, две измерительные обмотки, соединенные последовательно и согласно между собой, являющиеся элементами магнитоупругого преобразователя давления, причем полюса разомкнутого магнитного сердечника расположены в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника, а также источник питания, замкнутый на обмотку возбуждения, содержит второй магнитоупругий преобразователь давления, состоящий из второго разомкнутого магнитного сердечника, второй обмотки возбуждения, второй пары измерительных обмоток, соединенных последовательно и согласно между собой, причем расстояние между полюсами разомкнутого магнитного сердечника второго магнитоупругого преобразователя давления не равно расстоянию между полюсами разомкнутого магнитного сердечника первого магнитоупругого преобразователя давления, и второй источник питания, замкнутый на вторую обмотку возбуждения, а также симметрирующий трансформатор, содержащий входную, выходную и дополнительную обмотки, узкополосный фильтр, усилитель, детектор и источник компенсации начального уровня выходного сигнала, причем измерительные обмотки первого и второго магнитоупругих преобразователей давления дифференциально подключены к входной обмотке симметрирующего трансформатора, к дополнительной обмотке симметрирующего трансформатора подключен источник компенсации начального уровня выходного сигнала, а выходная обмотка симметрирующего трансформатора соединена с узкополосным фильтром, который в свою очередь соединен с последовательно включенными усилителем и детектором.

В результате с помощью симметрирования двух магнитоупругих преобразователей, выделения разностного сигнала на симметрирующем трансформаторе и создания канала фильтрации, усиления и детектирования разностного сигнала удается подавить как помехи, обусловленные вибрациями трубопровода, так и помехи, присущие индустриальной электромагнитной обстановке.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства.

На чертеже приняты следующие обозначения:

1 - первый магнитоупругий преобразователь давления;

2 - второй магнитоупругий преобразователь давления;

3 - обмотки возбуждения;

4 - измерительные обмотки;

5 - источники возбуждения;

6 - симметрирующий трансформатор;

7 - источник компенсации начального уровня выходного сигнала;

8 - узкополосный фильтр;

9 - усилитель;

10 - детектор.

Устройство для измерения давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала, содержит первый и второй магнитоупругие преобразователи давления 1 и 2 соответственно, выполненные на основе разомкнутых магнитных сердечников из материала с магнитной проницаемостью, многократно превышающей магнитную проницаемость материала трубопровода, с полюсами, создающими магнитный поток во взаимно перпендикулярных направлениях на участках трубопровода равной длины, в состав каждого из которых входят обмотка возбуждения 3, две измерительные обмотки 4, соединенные последовательно и согласно между собой, источники возбуждения 5, каждый из которых замкнут на соответствующую обмотку возбуждения 3 магнитоупругих преобразователей давления 1 и 2, а также симметрирующий трансформатор 6, к входной обмотке которого дифференциально подключены измерительные обмотки 4 магнитоупругих преобразователей давления 1 и 2, выходная обмотка симметрирующего трансформатора 6 соединена с узкополосным фильтром 8, который в свою очередь соединен с последовательно включенными усилителем 9 и детектором 10, а дополнительная обмотка симметрирующего трансформатора 6 подключена к источнику компенсации начального уровня выходного сигнала 7.

Устройство работает следующим образом.

При подаче переменного напряжения от источников возбуждения 5 на обмотки возбуждения 3 магнитоупругие преобразователь давления 1 и 2 приходят в активное состояние. В результате на выходе преобразователей 1 и 2 появляются напряжения, снимаемые с последовательно и согласно включенных измерительных обмоток 4. Эти два напряжения в противофазе подаются на вход симметрирующего трансформатора 6, где вычитаются друг из друга так, что на выходе симметрирующего трансформатора 6 появляется напряжение, пропорциональное разности расстояний между полюсами магнитопроводов преобразователей 1 и 2 или иначе разности магнитных сопротивлений участков магнитопровода, заключенных между указанными полюсами и в свою очередь пропорциональных давлению измеряемой среды внутри трубопровода. Магнитные сопротивления разомкнутых участков магнитопровода из состава магнитоупругих преобразователей 1 и 2 в силу высокой магнитной проницаемости материала, из которого они изготовлены, практически, в сравнении с участками трубопровода не оказывают влияния на выходное напряжение симметрирующего трансформатора 6. В то же время, влияние на это напряжение магнитного сопротивления переходных контактов между разомкнутыми магнитопроводами преобразователей 1 и 2 и трубопроводом, являющемся при наличии вибраций источником прямых магнитных помех, вследствие идентичности исполнения указанных полюсов полностью взаимно компенсируется противофазным подключением напряжений с магнитоупругих преобразователей 1 и 2 на входе симметрирующего трансформатора 6. Далее, разностный сигнал, сформированный на выходе симметрирующего трансформатора 6 и зависящий от давления измеряемой среды, подается на узкополосный фильтр 8, который выделяет несущую частоту, соответствующую частоте источников возбуждения 5, и отстраивает тем самым полезный сигнал от электромагнитных помех, присущих индустриальному оборудованию. После фильтра 8 сигнал усиливается усилителем 9 и детектируется детектором 10, выделяющим его огибающую, форма которой зависит от поведения величины давления во времени. Для обнуления начального уровня выходного сигнала устройства, соответствующего отсутствию давления в трубопроводе, предусмотрен источник 7, работающий на той же частоте, что и источники 5, и подключенный к дополнительной обмотке симметрирующего трансформатора 6, магнитный поток которой компенсирует начальный магнитный поток входной обмотки симметрирующего трансформатора 6.

Количественная оценка полученного технического результата может быть проведена следующим образом.

Напряжение, снимаемое с последовательно и согласно включенных измерительных обмоток первого и второго магнитоупругих преобразователей U₁ и U₂ равны

$$U_1=\frac{d{\Psi }_1}{dt}=\frac{d}{dt}\left({Ф}_1{w}_{u1}\right),$$

$$U_2=\frac{d{\Psi }_2}{dt}=\frac{d}{dt}\left({Ф}_2{w}_{u2}\right),$$

где Ψ₁, Ψ₂ - потокосцепление измерительных обмоток в первом и втором магнитоупругих преобразователях, соответственно;

Ф₁, Ф₂ - магнитные потоки в магнитопроводах первого и второго магнитоупругих преобразователей соответственно;

w_u1, w_u2 - суммарное количество витков измерительных обмоток первого и второго магнитоупругих преобразователей соответственно.

Выражая магнитные потоки через магнитодвижущие силы, действующие в магнитопроводах магнитоупругих преобразователей, и магнитные сопротивления магнитопроводов R_м1 и R_м2

$${Ф}_1=\frac{i_{b1}{w}_{b1}}{R_{м1}},$$

$${Ф}_2=\frac{i_{b2}{w}_{b2}}{R_{м2}},$$

где i_b1, i_b2 - токи в цепях возбуждения первого и второго магнитоупругих преобразователей соответственно;

w_b1, w_b2 - числа витков в обмотках возбуждения первого и второго магнитоупругих преобразователей соответственно;

и в силу аналогичности первого и второго магнитоупругих преобразователей, принимая w_u1=w_u2=w_u, w_b1=w_b2=w_b,

а также при необходимо одинаковом возбуждении этих преобразователей, считая

i_b1=i_b2=i_b,

получаем

$$U_1=\frac{d}{dt}\left(w_u{w}_b\frac{i_b}{R_{м1}}\right)и$$

$$U_2=\frac{d}{dt}\left(w_u{w}_b\frac{i_b}{R_{м2}}\right).$$

В итоге разность этих напряжений ΔU, выделяемая на входной обмотке симметрирующего трансформатора, представляется в виде

$$\Delta U=U_1-U_2=w_u{w}_b\frac{d}{dt}\left[\frac{i_b\left(R_{м2}-R_{м1}\right)}{R_{м1}{R}_{м2}}\right].\left(1\right)$$

Магнитные сопротивления магнитопроводов первого и второго магнитоупругих преобразователей R_м1 и R_м2 состоят из магнитных сопротивлений трех значимых участков

$$R_{м1}=R_{м1}^{сер}+R_{м1}^{труб}+R_{м1}^{конт},$$

$$R_{м2}=R_{м2}^{сер}+R_{м2}^{труб}+R_{м2}^{конт},$$

где $$R_{м1}^{сер},$$

$$R_{м2}^{сер}$$

- магнитные сопротивления разомкнутых магнитных сердечников преобразователей;

$$R_{м2}^{труб},$$

$$R_{м2}^{труб}$$

- магнитные сопротивления участков трубопровода, охватываемых преобразователями;

$$R_{м1}^{конт},$$

$$R_{м2}^{конт}$$

- магнитные сопротивления контактов между полюсами разомкнутых магнитных сердечников преобразователей и трубопроводом.

Магнитное сопротивление участка магнитопровода определяется его физическими параметрами по соотношению

$$R_{м}=\frac{l}{\mu S},$$

где l и S - длина и площадь поперечного сечения участка магнитопровода соответственно;

µ - магнитная проницаемость материала участка магнитопровода.

Для заявляемого устройства µ_сер>>µ_труб, например, сердечник изготавливается из специального аморфного железа, а трубопровод - из стали, поэтому при примерно одинаковой длине и площади участков разомкнутого сердечника и трубопровода, по которым замыкается магнитный поток, можно записать

$$R_{м1}\simeq R_{м1}^{труб}+R_{м1}^{конт},$$

$$R_{м2}\simeq R_{м2}^{труб}+R_{м2}^{конт}.$$

С учетом того, что в заявляемом устройстве магнитные контакты в обоих преобразователях идентичны друг другу, справедлива также запись

$$R_{м1}\simeq R_{м1}^{труб}+R_{м}^{конт},$$

$$R_{м2}\simeq R_{м2}^{труб}+R_{м}^{конт},$$

после чего видно, что магнитные сопротивления магнитопроводов первого и второго магнитоупругих преобразователей различаются только магнитными сопротивлениями соответствующих участков трубопровода. Первое слагаемое в R_м1 и R_м2 зависит от давления P внутри трубопровода, а второе - от амплитуды А_виб и частоты f_виб вибраций трубопровода.

Из [4] следует, что зависимости R_м1 и R_м2 от давления Р одинаковы с точностью до сомножителя

$$R_{м1}^{труб}=R_{м1нач}^{труб}\left(1+S_{к}\frac{\mathrm{0,75}PD}{h}\right)=R_{м1нач}^{труб}\left[1+k\left(P\right)\right],$$

$$R_{м2}^{труб}=R_{м2нач}^{труб}\left(1+S_{к}\frac{\mathrm{0,75}PD}{h}\right)=R_{м2нач}^{труб}\left[1+k\left(P\right)\right],$$

где сомножители $$R_{м1нач}^{труб}=\frac{l_1}{{\mu }_{труб}S},$$

$$R_{м2нач}^{труб}=\frac{l_2}{{\mu }_{труб}S}$$

есть начальные значения магнитных сопротивлений участков трубопровода для первого и второго магнитоупругих преобразователей, соответствующих нулевому давлению, а l₁ и l₂ - длины этих участков трубопровода, определяемые расстояниями между соответствующими полюсами разомкнутых магнитных сердечников каждого из преобразователей.

В результате магнитные сопротивления R_м1 и R_м2 функционально представляются в виде

$$\begin{array}{l}{R}_{м1}\simeq \frac{l_{\text{1}}}{{\mu }_{\text{труб}}S}\left[1+k\left(P\right)\right]+R_{м}^{конт}\left({А}_{виб},f_{виб}\right),\\ R_{м2}\simeq \frac{l_{\text{2}}}{{\mu }_{\text{труб}}}\left[1+k\left(P\right)\right]+R_{м}^{конт}\left({А}_{виб},f_{виб}\right)\end{array}\}\left(2\right)$$

с равными (до некоторой конструктивной неточности) вторыми слагаемыми.

Для дальнейшего анализа сравним по величине между собой слагаемые в выражениях (2). С этой целью возьмем соотношение

$$\frac{R_{м\max }^{конт}}{R_{мнач}^{труб}}=\frac{d_{\max }/{\mu }_{0}S}{l_{хар}/{\mu }_{труб}S}=\frac{d_{\max }}{l_{хар}}\frac{{\mu }_{труб}}{{\mu }_0}$$

где d_max - максимальная величина зазора между контактной площадкой полюса разомкнутого магнитного сердечника и поверхностью трубопровода, определяемая шероховатостью этой поверхности;

l_хар - характерное расстояние между полюсами разомкнутого магнитного сердечника;

µ₀, µ_труб - магнитные проницаемости воздуха и материала трубопровода (например, стали), соответственно.

Принимая d_max~5·10^-5 м, l_хар~5·10^-2 м, $$\frac{{\mu }_{труб}}{{\mu }_0}\sim \left({10}^2÷5\cdot {10}^2\right)$$

, получаем $$\frac{R_{м\max }^{конт}}{R_{мнач}^{труб}}\sim \left(\mathrm{0,1}÷\mathrm{0,5}\right)$$

, т.е. магнитное сопротивление контакта полюса разомкнутого магнитного сердечника с трубопроводом составляет меньшую, но заметную часть магнитного сопротивления, чувствительного к давлению.

Подставляя выражения (2) в (1), с учетом проведенной оценки соотношения $$R_{м}^{конт}/R_{м}^{труб}$$

имеем

$$\Delta U\simeq w_u{w}_b{\mu }_{труб}S\frac{\Delta l}{l^2\left[1+k\left(p\right)\right]}\frac{d{i}_b}{dt}\simeq \frac{w_u}{w_b}\frac{{\mu }_{труб}{l}_{сер}}{{\mu }_{сер}l}\frac{\Delta l}{l\left[1+k\left(p\right)\right]}{U}_b,\left(3\right)$$

где $$\Delta l=l_2-l_1,l=\frac{l_1+l_2}{2},\Delta l<<l;$$

l_сер - средняя длина разомкнутого сердечника;

U_b - напряжение источников возбуждения.

Замечая, что величина $$k\left(p\right)=S_{к}\frac{\mathrm{0,75}PD}{h}$$

из-за малости магнитоупругой чувствительности материала трубопровода S_к мала по сравнению с единицей, перепишем выражение (3) в виде

$$\Delta U\simeq \frac{w_u}{w_b}\frac{{\mu }_{труб}{l}_{сер}}{{\mu }_{сер}l}\frac{\Delta l}{l}\left[1-k\left(p\right)\right]U_b.\left(4\right)$$

Работа источника компенсации начального уровня выходного сигнала устройства сводится к тому, что неизменная составляющая напряжения, не зависящая от давления Р, в выражении (4) обнуляется, т.е. после симметрирующего трансформатора зависимость между разностными сигналами ΔU и давлением P приобретает вид прямой пропорциональности

$$\left|\Delta U\right|\simeq \frac{w_u}{w_b}\frac{{\mu }_{труб}{l}_{сер}}{{\mu }_{сер}l}\frac{\Delta l}{l}k\left(P\right)U_b.\left(5\right)$$

Соотношение (5) отражает простую трансформаторную связь между источниками возбуждения первого и второго магнитоупругих преобразователей давления, которое обычно представляет собой периодически изменяющуюся функцию времени, и разностным напряжением в канале формирования выходного сигнала, промодулированным величиной давления в трубопроводе и свободным от влияния вибрационных помех.

С учетом того, что скорость изменения во времени периодически изменяющегося напряжения возбуждения во много раз превосходит скорость изменения давления, последующая узкополосная фильтрация очищает разностный сигнал от быстропеременных помех электромагнитного характера, сопутствующих работе индустриального оборудования. Дальнейшее усиление и детектирование разностного сигнала формируют на выходе устройства напряжение, изменяющееся только с изменением во времени давления измеряемой среды, транспортируемой по трубопроводу

$$U_{вых}\simeq \frac{w_u}{w_b}\frac{{\mu }_{труб}{l}_{сер}}{{\mu }_{сер}l}\frac{\Delta l}{l}{\widehat{U}}_{b}k\left(P\right),$$

где $${\widehat{U}}_b=\left[U_{b\max },{\overline{U}}_b^2\right]$$

- в зависимости от типа применяемого детектора максимальное или среднеквадратичное значение напряжения возбуждения. Величина подавления вибрационных помех в предлагаемом устройстве определяется в основном идентичностью механических контактов полюсов магнитопроводов первого и второго магнитоупругих преобразователей с трубопроводом и без дополнительной подшлифовки составляет не менее 20 дБ. Дополнительная подшлифовка поверхности трубопровода позволяет значительно повысить это значение. Характерная величина подавления электромагнитных помех в дефференциальном канале устройства в диапазоне частот, не превышающем 10 МГц, составляет не менее 40 дБ.

Таким образом, в устройстве измерения давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала, благодаря симметрированию двух магнитоупругих преобразователей, выделению разностного сигнала на симметрирующем трансформаторе и созданию помехозащищенного канала детектирования разностного сигнала подавляются как помехи, обусловленные вибрацией трубопровода, так и помехи, создаваемые в результате наличия индустриальной электромагнитной обстановки, и тем самым повышается помехоустойчивость устройства.

Литература

1. Олефир Ф.Ф., Радченко К.М., Лауэр В.В. Магнитоупругий датчик давления. Авторское свидетельство СССР №155316, 1963.

2. Столбун М.И., Ведерников В.А. и др. Магнитоупругий преобразователь давления. Авторское свидетельство СССР №575515, 1977.

3. Гладченко В.А. Способ измерения давления жидкостной среды. Авторское свидетельство СССР №885846, 1981.

4. Заболотнов И.Н., Избадиров С.Н. Способ измерения давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала. Авторское свидетельство СССР №1539551, 1990.

Claims (1)

1. Устройство для измерения давления в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала, содержащее разомкнутый магнитный сердечник из материала с магнитной проницаемостью, многократно превышающей магнитную проницаемость материала трубопровода, обмотку возбуждения, две измерительные обмотки, соединенные последовательно и согласно между собой, являющиеся элементами магнитоупругого преобразователя давления, причем полюса разомкнутого магнитного сердечника расположены в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника, а также источник питания, замкнутый на обмотку возбуждения, отличающееся тем, что содержит второй магнитоупругий преобразователь давления, состоящий из второго разомкнутого магнитного сердечника, второй обмотки возбуждения, второй пары измерительных обмоток, соединенных последовательно и согласно между собой, причем расстояние между полюсами разомкнутого магнитного сердечника второго магнитоупругого преобразователя давления не равно расстоянию между полюсами разомкнутого магнитного сердечника первого магнитоупругого преобразователя давления, и второй источник питания, замкнутый на вторую обмотку возбуждения, а также симметрирующий трансформатор, содержащий входную, выходную и дополнительную обмотки, узкополосный фильтр, усилитель, детектор и источник компенсации начального уровня выходного сигнала, причем измерительные обмотки первого и второго магнитоупругих преобразователей давления дифференциально подключены к входной обмотке симметрирующего трансформатора, к дополнительной обмотке симметрирующего трансформатора подключен источник компенсации начального уровня выходного сигнала, а выходная обмотка симметрирующего трансформатора соединена с узкополосным фильтром, который, в свою очередь, соединен с последовательно включенными усилителем и детектором.