Результат интеллектуальной деятельности: ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТИПА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ КОРИОЛИСОВА РАСХОДОМЕРА

Область техники

Данное изобретение относится к электронным компонентам для управления сигналом возбуждения в устройстве, которое измеряет свойства вещества, текущего через, по меньшей мере, один вибрирующий трубопровод в этом устройстве. В частности, данное изобретение относится к системе, которая определяет параметры для генерирования сигнала возбуждения от частоты колебаний вибрирующего трубопровода.

Предшествующий уровень техники

Известно использование массовых расходомеров, основанных на эффекте Кориолиса, для измерения массового расхода и иной информации для веществ, текущих через трубопровод в расходомере. Примеры кориолисовых расходомеров раскрыты в патентах США №4109524 от 29 августа 1978, 4491025 от 1 января 1985 и Re. 31450 от 11 февраля 1982, все выданы на имя J.E. Smith et al. Эти расходомеры имеют один или более трубопроводов прямой или искривленной конфигурации. Каждая конфигурация трубопровода в кориолисовом массовом расходомере имеет набор естественных режимов вибрации, которые могут быть простого изгибного, крутящего или спаренного типа. В каждом трубопроводе возбуждаются колебания при резонансе в одном из этих естественных режимов. Вещество течет в расходомер из присоединенной магистрали на впускной стороне расходомера, оно направляется через трубопровод или трубопроводы и покидает расходомер через выпускную сторону расходомера. Естественные режимы вибрации вибрирующей, заполненной веществом системы определяются частично объединенной массой трубопроводов и вещества, текущего внутри этих трубопроводов.

Когда через расходомер нет потока, все точки вдоль этого трубопровода колеблются из-за приложенной силы возбуждения с одинаковой фазой или малым начальным зафиксированным фазовым сдвигом, который можно скорректировать. Когда же вещество начинает течь, кориолисовы силы вынуждают каждую точку вдоль трубопровода иметь отличную фазу. Фаза на впускной стороне трубопровода отстает от возбудителя, тогда как фаза на выпускной стороне трубопровода опережает возбудитель. Тензочувствительные датчики на трубопроводе(ах) вырабатывают синусоидальные сигналы, представляющие движение трубопровода(ов). Сигналы, выводимые из этих тензочувствительных датчиков, обрабатываются, чтобы определить разность фаз между тензочувствительными датчиками. Эта разность фаз между двумя сигналами тензочувствительных датчиков пропорциональна скорости массового расхода вещества через трубопровод(ы).

Проблема состоит в том, что иногда поток является спорадическим и содержит вовлеченный в него воздух. Этот вовлеченный воздух заставляет вибрации труб менять амплитуду. Это может вызвать ошибки в измеренных свойствах протекающего вещества, таких как массовый расход. Это особенно справедливо в прямых конфигурациях расходомерных трубок, потому что прямые расходомерные трубки должны возбуждаться для вибрации на гораздо более высокой частоте, чем расходомерные трубки искривленной конфигурации, и любой срыв вибрации в прямых расходомерных трубках может более неблагоприятно повлиять на вычисления этих свойств.

Передатчик генерирует сигнал возбуждения, чтобы заставить работать возбудитель, и определяет скорость массового расхода и иные свойства вещества из сигналов, принятых от тензочувствительных датчиков. Традиционный передатчик построен на аналоговой схеме, которая рассчитана генерировать сигнал возбуждения и обнаруживать сигналы от тензочувствительных датчиков. Аналоговые передатчики оптимизированы за долгие годы и стали относительно дешевыми для производства. Желательно поэтому сконструировать кориолисовы расходомеры, которые могут использовать традиционные передатчики.

Проблема состоит в том, что традиционные передатчики должны работать с сигналами в узком диапазоне рабочих частот. Этот диапазон рабочих частот лежит обычно между 20 и 200 Гц. Это ограничивает разработчиков передатчиков в генерировании узкого диапазона сигналов возбуждения, которые будут вызывать резонанс расходомерных трубок на этих частотах. Поэтому невозможно использовать традиционные передатчики, чтобы генерировать сигналы возбуждения для некоторых расходомеров, таких как прямотрубный кориолисов расходомер, которые работают в более высокочастотном диапазоне, 300-800 Гц. Поэтому традиционный передатчик не может использоваться для генерирования сигнала возбуждения для прямотрубных расходомеров.

Патент США №5321991 раскрывает кориолисов расходомер для измерения массового расхода вещества в трубопроводе. Элементы этого измерителя закреплены непосредственно на существующей магистрали или ином трубопроводе без отвода потока. Этот измеритель содержит возбудитель, такой как магнитострикционный возбудитель, чтобы вызывать колебания части магистрали между двумя опорами. Этот возбудитель устанавливается на части магистрали на или около антиузла режима второй гармоники естественной частоты этой части магистрали. Датчик, такой как акселерометр, устанавливается на часть магистрали в узловой точке режима второй гармоники естественной частоты части магистрали во время нулевого расхода (узловая точка нулевого расхода). Второй датчик измеряет амплитуду смещения узловой точки нулевого расхода, обусловленного силами эффекта Кориолиса от массы вещества, протекающего через колеблющуюся магистраль. Данное измерение указывает скорость массового расхода вещества, протекающего через колеблющуюся магистраль. Измеритель не зависит от направления фазового сдвига, не восприимчив к постороннему шуму и не требует усложненного монтажа.

Специалисты в области кориолисовых расходомеров хотели бы сконструировать передатчик, который можно использовать с несколькими типами расходомеров. Это позволило бы изготовителям получить преимущества от экономии масштаба в производстве менее дорогих передатчиков для расходомеров. Желателен процессор цифровых сигналов, потому что более высокое требование к разрешению и точности измерений, налагаемое на аналоговые электронные компоненты расходомерами, работающими на более высоких частотах, такими как прямотрубные конструкции, выполняется путем оцифровки сигналов от тензодатчиков, когда эти сигналы принимаются передатчиком. Далее, команды на процессор цифровых сигналов могут видоизменяться для работы на нескольких различных частотах как для определения свойств вещества, так и для генерирования сигналов возбуждения.

Раскрытие изобретения

Вышеуказанная и другие проблемы разрешаются и улучшение в существующем уровне техники достигается путем обеспечения системы, которая инициализирует параметры сигнала возбуждения в передатчике кориолисова расходомера. Система согласно данному изобретению состоит из способов, которые хранятся в памяти и выполняются процессором для того, чтобы генерировать сигналы возбуждения для возбудителя вибрирующего трубопровода. Альтернативно, способы согласно данному изобретению могут выполняться аналоговыми схемами. Способы согласно данному изобретению позволяют передатчику определять тип конфигурации расходомерной трубки, которая прикреплена к передатчику, а затем устанавливать параметры, необходимые для генерирования сигналов возбуждения. Данное изобретение использует также третий параметр интегрального усиления возбуждения, чтобы обеспечить лучшее управление сигналом возбуждения, чтобы получить более устойчивое управление вибрацией расходомерных трубок.

В предпочтительном варианте выполнения данного изобретения эта система снабжена таким процессором сигналов, как Texas Instruments TM3205xx, Analog Devices ADSP21xx или Motorola 5306x. Способы согласно данному изобретению хранятся в качестве команд в памяти, подключенной к процессору цифровых сигналов. Этот процессор цифровых сигналов считывает и выполняет эти команды, чтобы осуществлять способы согласно данному изобретению.

Способ начинается с того, что расходомерной трубке сообщается вибрация начальным сигналом возбуждения. Затем определяется частота вибрации расходомерной трубки. По частоте вибрации определяется тип расходомерной трубки. Затем устанавливается заранее сохраненный набор параметров в качестве параметров, используемых для генерирования сигнала возбуждения.

Эти параметры включают в себя компонент интегрального усиления возбуждения. Компонент интегрального усиления управляет ошибками между заданной точкой и действительной целью. Это обеспечивает более устойчивое управление сигналом возбуждения, что позволяет сделать амплитуду вибрации более точной. Это позволяет подавать оптимальную мощность на датчик даже при неблагоприятных условиях расхода.

В соответствии с данным изобретением аспектом изобретения является работа передатчика кориолисова расходомера, имеющего, по меньшей мере, одну расходомерную трубку, возбудитель, который заставляет колебаться упомянутую, по меньшей мере, одну расходомерную трубку, и датчики, прикрепленные к упомянутой, по меньшей мере, одной расходомерной трубке, которые вырабатывают тензометрические сигналы, представляющие движение упомянутой, по меньшей мере, одной расходомерной трубки, при этом данный способ содержит следующие шаги: приложение начальных сигналов возбуждения к возбудителю, вызывающих вибрации расходомерной трубки; и определение частоты колебаний расходомерной трубки на основании тензометрических сигналов; способ отличается следующими шагами: определение типа расходомерной трубки в ответ на тензометрические сигналы, указывающие частоту колебания расходомерной трубки; и установка параметров для генерирования сигнала возбуждения в ответ на определение упомянутого типа расходомерной трубки.

Другой аспект данного изобретения состоит в том, что шаг определения типа расходомерной трубки содержит следующие шаги: сравнение частоты колебания с пороговой частотой и определение того, что тип расходомерной трубки является прямой расходомерной трубкой, реагирующей на частоту колебания, большую, чем пороговая частота.

Другой аспект данного изобретения состоит в том, что шаг определения типа расходомерной трубки содержит далее шаг определения того, что тип расходомерной трубки является изогнутой расходомерной трубкой, реагирующей на частоту колебания, меньшую, чем упомянутая пороговая частота, или равную ей.

Еще одним аспектом данного изобретения является передатчик, соединенный с кориолисовым расходомером, имеющим, по меньшей мере, одну расходомерную трубку, возбудитель, генерирующий колебания, по меньшей мере, в одной расходомерной трубке, и датчики, прикрепленные к, по меньшей мере, одной расходомерной трубке, которые вырабатывают тензометрические сигналы, представляющие собой движение, по меньшей мере, одной расходомерной трубки, при этом передатчик содержит процессор, выполненный с возможностью генерирования начальных сигналов возбуждения для возбудителя для вызывания колебаний расходомерной трубки с возможностью подачи сигналов возбуждения к возбудителю, вызывающему колебания расходомерной трубки, и с возможностью определения частоты колебаний расходомерной трубки из тензометрических сигналов; упомянутый передатчик отличается тем, что процессор выполнен с возможностью определения типа расходомерной трубки в ответ на тензометрические сигналы от датчиков, указывающие частоту колебаний расходомерной трубки, и с возможностью установки параметров для генерирования сигнала возбуждения в ответ на определение типа расходомерной трубки.

Следующий аспект данного изобретения состоит в том, что передатчик определяет, что расходомерная трубка является изогнутой расходомерной трубкой, реагирующей на частоту колебания, меньшую, чем пороговая частота, или равную ей.

Другой аспект данного изобретения состоит в том, что передатчик определяет, что расходомерная трубка является прямой расходомерной трубкой, реагирующей на частоту колебания, большую, чем пороговая частота.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение может быть понято из нижеследующего подробного описания и следующих чертежей:

Фиг.1 иллюстрирует двухтрубный кориолисов расходомер, имеющий цифровой передатчик, который выполняет способы для инициализации параметров согласно данному изобретению;

Фиг.2 иллюстрирует прямотрубный кориолисов расходомер, имеющий цифровой передатчик, который выполняет способы для инициализации параметров согласно данному изобретению;

Фиг.3 иллюстрирует блок-схему передатчика цифровых сигналов и

Фиг.4 иллюстрирует блок-схему алгоритма операций, выполняемых цифровым передатчиком для инициализации параметров.

Подробное описание

Настоящее изобретение описывается здесь более полно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показаны варианты выполнения изобретения. Специалисты поймут, что это изобретение может быть воплощено во многих различных формах, и его не следует истолковывать как ограниченное приведенными здесь вариантами выполнения; до некоторой степени эти варианты выполнения представлены так, что данное описание является основательным и завершенным и полностью передает объем изобретения для специалистов. На всех чертежах одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам.

Кориолисов расходомер в целом - Фиг.1

Фиг.1 показывает кориолисов расходомер 5, содержащий узел 10 кориолисова расходомера и передатчик 20. Передатчик 20 соединен с измерительным узлом 10 выводами 100, чтобы обеспечить информацию о плотности, скорости массового расхода, скорости объемного расхода, обобщенного массового расхода и иную по тракту 26. Описывается кориолисов расходомер 5, хотя специалистам ясно, что настоящее изобретение могло бы использоваться вместе с любым устройством, имеющим вибрирующий трубопровод для измерения свойств вещества. Второй пример такого устройства представляет собой денситометр с вибрирующей трубкой, который не имеет дополнительной способности измерения, обеспечиваемой кориолисовым расходомером.

Узел 10 расходомера включает в себя пару фланцев 101 и 101’, патрубок 102 и трубопроводы 103А и 103В. Возбудитель 104, тензометрический датчик 105 и тензометрический датчик 105' соединены с трубопроводами 103А и 103В. Крепежные планки 106 и 106' служат для определения осей W и W', вокруг которых колеблется каждый трубопровод.

Когда расходомер 10 вводится в магистральную систему (не показана), которая переносит измеряемое технологическое вещество, это вещество входит в измерительный узел 10 через фланец 101, проходит через патрубок 102, где это вещество направляется для введения в трубопроводы 103А и 103В, протекает через трубопроводы 103А и 103В и обратно в патрубок 102, из которого оно покидает измерительный узел 10 через фланец 101'.

Трубопроводы 103А и 103В выбираются и соответственно устанавливаются на патрубке 102 так, чтобы иметь практически одни и те же распределение масс, моменты инерции и модули эластичности относительно изгибных осей W-W и W'-W' соответственно. Эти трубопроводы проходят снаружи от патрубка практически параллельно.

Трубопроводы 103А-103В возбуждаются возбудителем 104 в противоположных направлениях относительно своих изгибных осей W-W и W'-W' и, как отмечено, в первом несинфазном изгибном режиме расходомера. Возбудитель 104 может содержать любое из множества общеизвестных устройств, таких как магнит, установленный на трубопроводе 103А, и противоположную ему катушку, установленную на трубопроводе 103В, через которую пропускается переменный ток для возбуждения вибрации в обоих трубопроводах. Подходящий сигнал возбуждения прикладывается измерительной электроникой 20 через вывод 110 к возбудителю 104.

Передатчик 20 принимает левый и правый сигналы скорости, появляющиеся соответственно на выводах 111 и 111'. Передатчик 20 вырабатывает сигнал возбуждения, появляющийся на выводе 110 и заставляющий возбудитель 104 возбуждать вибрацию в трубах 103А и 103В. Передатчик 20 обрабатывает левый и правый сигналы скорости для вычисления скорости массового расхода и плотности вещества, проходящего через измерительный узел 10. Эта информация подается к тракту 26.

Специалистам из уровня техники известно, что кориолисов расходомер 5 совершенно подобен по конструкции денситометру с вибрирующей трубкой. Денситометры с вибрирующей трубкой также используют вибрирующую трубу, через которую протекает текучая среда или, в случае денситометров пробного типа, в которой удерживается текучая среда. Денситометры с вибрирующей трубкой также используют систему возбуждения для возбуждения колебаний трубопровода. Денситометры с вибрирующей трубкой, как правило, используют лишь единственный сигнал обратной связи, поскольку измерение плотности требует лишь измерения частоты, а измерение фазы не нужно. Описание настоящего изобретения в данной части применимо и к денситометрам с вибрирующей трубкой.

Прямотрубный кориолисов расходомер - Фиг.2

Фиг.2 раскрывает прямотрубный кориолисов расходомер 25. Прямотрубный кориолисов расходомер 25 состоит из кориолисова датчика 200 и связанной с ним измерительной электроники 20. Расходомерная трубка 201 включает в себя ее левую концевую часть, обозначенную 201L, и ее правую концевую часть, обозначенную 201R. Расходомерная трубка 201 и ее концевые части вытянуты на всю длину расходомера от входного конца 207 расходомерной трубки 201 до выходного конца 208 расходомерной трубки. Уравновешивающая планка 220 присоединена на своих концах к расходомерной трубке 201 крепежной планкой 221.

Левая концевая часть 201L расходомерной трубки 201 прикреплена к впускному фланцу 202, а правая концевая часть 201R прикреплена к выпускному фланцу 202'. Впускной фланец 202 и выпускной фланец 202' соединяют кориолисов датчик 210 с магистралью.

Возбудитель 204, левый тензодатчик 205 и правый тензодатчик 205' связаны с расходомерной трубкой 201 и уравновешивающей планкой 220 общеизвестным образом. Возбудитель принимает сигналы по тракту 210 от измерительной электроники 20, чтобы заставить возбудитель возбуждать вибрацию расходомерной трубки 201 и уравновешивающей планки 220 в противоположных фазах на резонансной частоте вещества, заполнившего расходомерную трубку 201. Колебания вибрирующей расходомерной трубки 201 вместе с протекающим внутри нее веществом наводят кориолисовы отклонения в расходомерной трубке общеизвестным образом. Эти кориолисовы отклонения обнаруживаются тензодатчиками 205 и 205', выходные сигналы которых передаются по проводникам 211 и 211' на измерительную электронику 20.

Цифровой передатчик 20 - Фиг.3

Фиг.3 иллюстрирует компоненты цифрового передатчика 20. Тракты 111-111'/211-211' передают сигналы левой и правой скорости от узла 10/200 расходомера к передатчику 20. Эти сигналы скорости принимаются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) 303-303' в измерительной электронике 20. АЦП 303-303' преобразуют сигналы левой и правой скорости в цифровые сигналы, пригодные для блока 301 обработки, и передают эти цифровые сигналы по трактам 310-310'. Хотя они и показаны в качестве отдельных компонентов, АЦП 303-303' могут быть преобразователем сигналов, таким как кристалл 16-разрядного кодека CS4218 Stereo, изготавливаемый Crystal Semi Inc. Цифровые сигналы передаются трактами 310-310' к процессору 301. Специалист поймет, что к процессору 301 можно присоединить любое число тензодатчиков и другой датчик, такой как датчик RTD, для определения температуры расходомерной трубки.

Сигналы возбудителя передаются по тракту 312, который подает сигналы к цифроаналоговому преобразователю (ЦАП) 302. ЦАП 302 также принимает напряжение от одного из тензодатчиков 105-105'/205-205' по тракту 340. Сигналы возбуждения включают в себя команды для изменения напряжения, принимаемого по тракту 340 для генерирования аналогового сигнала возбуждения. ЦАП 302 представляет собой общий ЦАП, такой как кристалл AD7943, выпускаемый Analog Devices. Аналоговые сигналы от ЦАП 302 подаются к усилителю 305 по тракту 391. Усилитель 305 генерирует сигнал возбуждения должной амплитуды и подает сигнал возбуждения на возбудитель 104-204 по тракту 110-210.

Усилитель 305 может быть усилителем тока или усилителем напряжения. Сигнал либо тока, либо напряжения, генерируемый ЦАП 302, зависит от типа усилителя 305.

Блок 301 обработки представляет собой микропроцессор, процессор или группу процессоров, который считывает команды из памяти и выполняет эти команды для выполнения различных функций расходомера. В предпочтительном варианте выполнения процессор 301 представляет собой микропроцессор ADSP-2185L, производимый Analog Devices. Выполняемые функции включают в себя - но не ограничиваются ими - вычисление скорости массового расхода вещества, вычисление объемного расхода вещества и вычисление плотности вещества из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) (ROM) 320 по тракту 321. Данные, как и команды для выполнения различных функций сохраняются в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) (RAM) 330. Процессор 301 выполняет операции считывания или записи в память 330 ОЗУ по тракту 331.

Порядок работы, выполняемой цифровым передатчиком 20, - Фиг.4

Фиг.4 представляет собой порядок способа, выполняемого цифровым передатчиком 20 для инициализации параметров сигналов возбуждения кориолисова расходомера 5/25. Выше приведено описание цифрового передатчика 20 для кориолисова расходомера 5/25, а нижеследующее является описанием способа, выполняемого цифровым передатчиком 20, чтобы обеспечить систему для инициализации параметров. Специалист поймет, что те же самые способы можно получить с помощью аналоговой схемы.

Способ 400 начинается на шаге 401 цифровым передатчиком 20, генерирующим начальный сигнал возбуждения. Этот начальный сигнал возбуждения подается к схеме возбуждения, которая в свою очередь подает начальный сигнал возбуждения к возбудителю 104/204. Возбудитель 104/204 вызывает вибрацию расходомерных трубок 103А-В/201. Вибрация расходомерных трубок измеряется тензодатчиками 105-105'/205-205', которые подают сигналы на провода 111-111'/211-211'. Эти сигналы принимаются затем передатчиком 20 на шаге 402. Передатчик 20 определяет частоту колебания расходомерной трубки на шаге 403. Один возможный способ определения частоты колебаний состоит в использовании метода адаптивной линейной оценки узкополосным режекторным фильтром, который подробно описан в патентной заявке, озаглавленной "Система для определения свойств вещества, протекающего через трубопровод, с помощью цифрового передатчика", которая подана в один день с данной заявкой и права на которую принадлежат Micro Motion Inc. из Боулдера, Колорадо. Другой возможный способ определения частоты сигналов предложен в патенте США №5555190, озаглавленном "Способ и устройство для адаптивного линейного улучшения в измерении кориолисовым массовым расходомером", выданном на имя Derby et al. 10 сентября 1996 года, права на который принадлежат Micro Motion Inc. из Боулдера, Колорадо.

На шаге 404 определяется тип расходомерной трубки по частоте колебаний этой расходомерной трубки. Один из способов для этого состоит в определении того, больше ли эта частота, чем пороговая частота. Если частота колебаний выше пороговой частоты, расходомер имеет прямотрубную конфигурацию. Если частота колебаний меньше пороговой частоты или равна ей, то расходомер имеет расходомерные трубки изогнутой конфигурации.

Это известно из конструкционного анализа и проверено с помощью экспериментов над расходомерными трубками.

На шаге 405 управляющие параметры для сигналов возбуждения устанавливаются в ответ на определение типа расходомера. В таблице представляем пример набора параметров.

Милливольты/Гц представляют собой систему мер заданной величины возбуждения или установочной точки. Заданная величина коэффициента усиления пропорционального возбуждения является величиной в мВ/Гц, необходимой для возбуждения расходомерных трубок. Коэффициент усиления интегрального возбуждения представляет собой отклонение в мВ/Гц, которое допустимо для сигнала. В примере предпочтительного выполнения коэффициент усиления интегрального возбуждения совпадает для расходомера с прямой трубой и с двойной трубой.

Способ 400 заканчивается после шага 405. Передатчик 20 теперь способен генерировать и поддерживать стабильное управление возбуждением расходомерных трубок 103А-103В или 201 на основании типа датчика, который определяется в способе 400. Стабильное управление возбуждением поддерживается на основании уникальной структурной динамики расходомера и обеспечивает оптимальное время отклика для посторонних входных возмущений в расходомере.

Выше приведено описание системы для инициализации параметров схемы возбуждения. Ожидается, что другие создадут альтернативные системы и способы, которые посягнут на данное изобретение, как изложено в приведенной формуле изобретения, либо буквально, либо через доктрину эквивалентов.