Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНО-ИНДУКТИВНЫМ РАСХОДОМЕРОМ И МАГНИТНО-ИНДУКТИВНЫЙ РАСХОДОМЕР

Изобретение относится к способу управления магнитно-индуктивным расходомером для измерения скорости потока или объемного расхода текучей среды в измерительной трубке, а также к магнитно-индуктивному расходомеру.

Магнитно-индуктивные расходомеры давно известны и их применяют для измерения расхода разных текучих сред в измерительной трубке. Принцип измерения основан на разделении подвижных носителей заряда текучей среды в магнитном поле, что создает зависимое от потока электрическое напряжение, регистрируемое с помощью измерительных электродов и на основе которого делают вывод о характере потока текучей среды через измерительную трубку.

На это зависимое от потока электрическое напряжение воздействуют также электрохимические возмущения на границах раздела фаз измерительный электрод – текучая среда, затрудняющие измерение потока, так как в отдельных случаях возмущения создают электрическое напряжение более высокое по величине, чем электрическое напряжение, зависимое от потока текучей среды. Измерение потока большинством приборов включает в себя измерение разности значений напряжения на электродах (далее – электродное напряжение), проводимое при двух разных магнитных полях. Для обеспечения корректного измерения этих электродных напряжений необходимо, чтобы электродные напряжения оставались в пределах рабочего диапазона схемы, характеризующей электродное напряжение. Без корректировки возмущений приходится выбирать очень широкий рабочий диапазон, при котором точность измерения электродного напряжения низкая, а ошибка измерения параметров потока большая. Для решения этой проблемы в DE3537752A1 предложена аналоговая электронная схема, корректирующая сигналы измерительных электродов посредством обратной связи. Однако известное техническое решение требует создания компенсационных интервалов, которые отрицательно влияют на производительность расходомеров. Альтернативное решение предложено в DE102012106926A1. В этом решении с помощью компенсирующего напряжения переводят сигналы с измерительных электродов в рабочий диапазон схемы, характеризующей сигналы, причем компенсирующее напряжение выбирают из небольшого количества заданных дискретных значений напряжения. Однако такой порядок действий работает только в случае флуктуации возмущений в довольно ограниченном диапазоне напряжения. Кроме того, техническое решение предполагает, что временные интервалы изменений возмущенного напряжения больше интервалов измерения напряжения.

Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы создать способ управления магнитно-индуктивным расходомером, и сам расходомер, которые позволяют более эффективно проводить измерения потока и обеспечивать улучшенное, более полное компенсирование возмущений.

Эту задачу решают посредством способа по независимому пункту 1 формулы изобретения и посредством расходомера по независимому пункту 11 формулы изобретения.

В способе по настоящему изобретению для измерения скорости потока или объемного расхода текучей среды в измерительной трубке на текучую среду в фазе питания накладывают магнитное поле первой полярности, посредством по меньшей мере одной системы катушек индуктивности магнитной системы, по существу, перпендикулярно оси измерительной трубки,

магнитное поле создают посредством подачи напряжения на систему катушек индуктивности, а фаза питания включает в себя фазу измерения, по существу, с постоянным магнитным полем;

зависимое от потока электродное напряжение, индуцированное в текучей среде магнитным полем, регистрируют по меньшей мере двумя измерительными электродами, и выводят в выходной блок;

магнитное поле в следующей, в частности, примыкающей фазы питания имеет вторую полярность, противоположную первой полярности;

причем электродное напряжение подают на усилитель, а усиленное электродное напряжение подают на аналого-цифровой преобразователь;

электродное напряжение во время фазы измерения используют для определения возмущающего напряжения, и возмущающее напряжение компенсируют;

причем возмущающее напряжение определяют посредством цифровой вычислительной схемы и компенсацию выполняют для каждой фазы питания.

В одном из вариантов осуществления способа для определения возмущающего напряжения используют электродное напряжение в фазе измерения предшествующей или последующей фазы питания, в частности ближайшей предшествующей или ближайшей последующей фазы питания.

Комбинация значений нескольких электродных напряжений, в частности электродных напряжений фаз питания с магнитными полями разной полярности, обеспечивает возможность более точного определения возмущающего напряжения.

В одном из вариантов осуществления способа коэффициент усиления усилителя можно регулировать, причем после компенсирования возмущающего напряжения величина разности между усиленным электродным напряжением фазы питания и усиленным электродным напряжением последующей фазы питания составляет по меньшей мере 10%, в частности, по меньшей мере 20%, предпочтительно, по меньшей мере 30% диапазона входного напряжения первого аналого-цифрового преобразователя.

Увеличение разности между усиленным электродным напряжением по меньшей мере на 10%, или, в частности, по меньшей мере на 20%, или, предпочтительно, по меньшей мере на 30% входного диапазона первого аналого-цифрового преобразователя, снижает помехи квантования выводимых первым аналого-цифровым преобразователем цифровых величин напряжения.

В одном из вариантов осуществления способа электродное напряжение перед подачей на усилитель компенсируют посредством суммирующего блока, имеющего первый сигнальный вход для электродного напряжения и второй сигнальный вход для величины указанного определенного (оцененного) возмущающего напряжения.

В одном из вариантов осуществления способа цифровая вычислительная схема имеет низкочастотный фильтр. Низкочастотный фильтр предназначен для отделения медленно изменяющегося возмущающего напряжения от электродного напряжения, быстро изменяющегося за счет изменения магнитного поля при смене фаз питания. Цифровой низкочастотный фильтр оценивает число, в частности четное число, электродных напряжений последовательных фаз измерения для определения мгновенного возмущающего напряжения. Низкочастотный фильтр является, например, фильтром усреднения. Например, может быть вычислено среднее взвешенное, причем кривая значений ядра низкочастотного фильтра соответствует кривой функции или распределения, причем указанная функция или распределение являются функцией Гаусса, биномиальным распределением. Техническая операция фильтрации соответствует свертке серии электродных напряжений с ядром фильтра используемой функции фильтра.

В одном из вариантов осуществления способа при определении возмущающего напряжения используют электродные напряжения по меньшей мере четырех, в частности, по меньшей мере шести, предпочтительно, по меньшей мере восьми фаз питания.

В одном из вариантов осуществления способа при определении возмущающего напряжения используют электродные напряжения максимально двадцати, в частности, максимально шестнадцати, предпочтительно максимально двенадцати фаз питания.

В одном из вариантов осуществления способа при определении возмущающего напряжения можно регулировать число учитываемых электродных напряжений. В частности, при быстром изменении возмущающего напряжения предпочтительно уменьшать число для обеспечения более быстрой регулировки компенсации возмущающего напряжения.

В одном из вариантов осуществления способа в вычислительную схему подают электродное напряжение, оцифрованное первым аналого-цифровым преобразователем.

В одном из вариантов осуществления способа в вычислительную схему подают электродное напряжение, выведенное выходным блоком и оцифрованное вторым аналого-цифровым преобразователем.

В одном из вариантов осуществления способа выходной сигнал вычислительной схемы, характеризующий возмущающее напряжение, подают на цифро-аналоговый преобразователь, соединенный со вторым сигнальным входом суммирующего блока.

Магнитно-индуктивный расходомер по изобретению для осуществления способа включает:

измерительную трубку;

магнитную систему по меньшей мере с одной системой катушек индуктивности для создания в измерительной трубке магнитного поля, причем магнитное поле ориентировано, по существу, перпендикулярно оси измерительной трубки;

по меньшей мере два измерительных электрода для регистрации индуцированного магнитным полем зависимого от потока электродного напряжения;

электронную схему измерения и управления, предназначенную для управления магнитной системы и для оценки электродного напряжения,

электронная схема измерения и управления включает цифровую вычислительную схему, предназначенную для определения возмущающего напряжения,

причем схема измерения и управления предназначена для компенсирования возмущающего напряжения.

В одном из вариантов выполнения расходомера схема измерения и управления содержит усилитель и первый аналого-цифровой преобразователь,

усилитель предназначен для усиления электродного напряжения и подачи его в первый аналого-цифровой преобразователь,

первый аналого-цифровой преобразователь предназначен для оцифровывания электродного напряжения и подачи для в цифровую вычислительную схему и на блок обработки данных измерений.

В одном из вариантов выполнения расходомера схема измерения и управления включает блок усилителя и первый аналого-цифровой преобразователь, а также второй аналого-цифровой преобразователь,

причем блок усилителя предназначен для усиления электродного напряжения и его заведения на первый аналого-цифровой преобразователь,

причем первый аналого-цифровой преобразователь предназначен для оцифровывания электродного напряжения и для его подачи в блок обработки данных измерений,

второй аналого-цифровой преобразователь предназначен для оцифровывания электродного напряжения, выведенного выходным блоком, и его подачи в цифровую вычислительную схему.

В одном из вариантов выполнения расходомера вычислительная схема включает низкочастотный фильтр.

В одном из вариантов выполнения расходомера схема измерения и управления включает суммирующий блок с первым сигнальным входом для электродного напряжения и со вторым сигнальным входом для параметра определенного возмущающего напряжения для компенсирования возмущающего напряжения,

причем выход суммирующего блока соединен с входом усилителя.

В одном из вариантов выполнения расходомера между суммирующим блоком и вычислительной схемой установлен аналого-цифровой преобразователь.

В одном из вариантов выполнения расходомера схема измерения и управления включает блок более высокого уровня, предназначенный для усиления электродного напряжения блоком усилителя, а также для уменьшения возмущающего напряжения аттенюатором,

блок более высокого уровня предназначен также для передачи коэффициента усиления в цифровую расчетную схему и в блок обработки данных измерений.

Далее изобретение описано на основе примеров его осуществления.

Фиг. 1 –схема кривой электродного напряжения;

фиг. 2 – схема осуществления способа управления расходомера по настоящему изобретению;

фиг. 3 – схема выполнения электронной схемы измерения и управления расходомера по изобретению;

фиг. 4 – альтернативный вариант выполнения электроники для измерения и управления;

фиг. 5 – примерная схема поперечного сечения магнитно-индуктивного расходомера по изобретению.

На фиг. 1 в увеличенном виде показан фрагмент примерной кривой электродного напряжения, зарегистрированного двумя измерительными электродами магнитно-индуктивного расходомера. Магнитно-индуктивный расходомер, как правило, включает измерительную трубку, магнитную систему, по меньшей мере с одной системой катушек индуктивности для создания в измерительной трубке магнитного поля, направленного, главным образом, перпендикулярно оси измерительной трубки, по меньшей мере два измерительных электрода для регистрации электродного напряжения, индуцированного магнитным полем и зависимого от потока, и электронную схему измерения и управления, предназначенную для управления магнитной системой и обработки электродного напряжения, чтобы получить из обработанных данных электронного напряжения измеренные параметры потока. Как правило, созданное магнитное поле меняет свою полярность с изменением фаз питания.

Показанная на фиг. 1 кривая в последующей фазе питания имеет другую электродного напряжения отдельных фаз питания сильно упрощена и не учитывает наличие у фазы питания фазы перенапряжения и фазы измерения, причем в фазе перенапряжения на систему катушек накладывают перенапряжение, чтобы быстрее перевести флуктуации, главным образом, постоянного магнитного поля в заданный режим, являющийся основой фазы измерения. При смене фаз питания электродное напряжение меняет свою величину, если магнитное поле величину или другую полярность, причем различают три примера электродных напряжений последовательных фаз загрузки E_n-1, E_n и E_n+1. Расчет измеренных параметров потока основан на обработке данных перепада между измеренными электродными напряжениями двух, в частности, последовательных фаз питания.

В идеальном случае, когда электродное напряжение зависит исключительно от магнитного поля и потока, электродное напряжение колеблется около нулевой точки.

Однако на практике возникают возмущения, вызванные, например, электрохимическим воздействием на пограничные поверхности. Эти возмущения вызывают возмущающее напряжение StS, которое от двух до пяти раз превышает разность электродных напряжений между двумя последовательными фазами питания. Например, в первом диапазоне разность напряжений составляет от нуля до нескольких mV, а возмущающие напряжения во втором диапазоне составляют от нуля до нескольких сотен mV. Возмущающее напряжение может колебаться во всем втором диапазоне за временной промежуток, который больше продолжительности отдельных фаз питания. Как правило, продолжительность фазы питания составляет от нескольких миллисекунд до одной секунды. Возмущения затрудняют измерение потока из-за величины напряжения, потенциально более высокой по сравнению с разностью напряжений. Как правило, в магнитно-индуктивном расходомере электродное напряжение передается в первый аналого-цифровой преобразователь для цифровой обработки сигнала.

Аналого-цифровые преобразователи имеют со стороны входа диапазон входных напряжений, которые преобразуются на выходной стороне в определенное количество дискретных значений напряжения. Таким образом, аналоговые электродные напряжения представлены цифровыми значениями напряжения. Для измерения потока учитывается разность электродных напряжений фаз измерения последовательных фаз питания. Аналого-цифровой преобразователь, в котором во входном диапазоне напряжения имеется полный диапазон возможных электродных напряжений, имеет плохое разрешение для небольших разностей напряжения, что приводит к возмущению помех квантования при регистрации разностей напряжений.

На фиг. 2 схематично показан способ 100, в котором снижены помехи квантования, причем на первом этапе 101 способа определяют величину вызванного возмущениями напряжения StS, а на втором этапе 102 способа возмущающее напряжение компенсируют, и на третьем этапе 103 способа разность между электродными напряжениями последовательных фаз измерения синхронизируют с диапазоном входного напряжения первого аналого-цифрового преобразователя. Возмущающее напряжение определяют посредством цифровой вычислительной схемы, имеющей низкочастотный фильтр. Цифровой низкочастотный фильтр оценивает число, в частности четное число, электродных напряжений последовательных фаз измерения, чтобы определить мгновенную величину возмущающего напряжения. Низкочастотный фильтр является, например, фильтром усреднения. Например, рассчитывают среднее взвешенное, причем кривая величин ядра низкочастотного фильтра соответствует кривой функции или распределения, а функция или распределение являются функцией Гаусса, биномиальным распределением.

После определения возмущающего напряжения указанное возмущающее напряжение, наложенное на электродное напряжение, или его часть, компенсируют, так чтобы электродное напряжение после усиления в усилителе подавалось на вход первого аналого-цифрового преобразователя. Таким образом, компенсирование осуществляют посредством обратной связи по возмущению, наложенному на электродное напряжение.

На фиг. 3 показано выполнение блока 50 электроники для измерения и управления, включающего выходной блок 51 для фиксирования и выдачи электродного напряжения, блок 52 суммирования/вычитания, усилитель 53, первый аналого-цифровой преобразователь 54.1, цифровую вычислительную схему 55 с цифровым низкочастотным фильтром 55.1, цифро-аналоговый преобразователь 56, аттенюатор 57 блок 58 обработки данных измерений и блок 59 высшего порядка. Выходной блок 51 через провода 34 и 35 получает электрический потенциал показанных на фиг. 4 измерительных электродов 31, 32 и регистрирует разность потенциалов в качестве электродного напряжения, к которому суммируют или из которого вычитают возмущающий сигнал. Блок 35 усилителя предназначен для усиления выведенного блоком 52 суммирования/вычитания модифицированного электродного напряжения таким образом, чтобы величина разности между усиленным электродным напряжением фазы питания и усиленным электродным напряжением последующей фазы питания составляла по меньшей мере 10% и, в частности, по меньшей мере 20%, предпочтительно, по меньшей мере 30% диапазона входного напряжения первого аналого-цифрового преобразователя. Выбранный коэффициент усиления остается при этом, по меньшей мере, на всей фазе питания постоянным. Первый аналого-цифровой преобразователь 54.1 преобразует аналоговое электродное напряжение в цифровую величину напряжения, поступающую в блок 58 обработки данных измерений и в цифровую вычислительную схему 55. В альтернативном варианте цифровая вычислительная схема является также частью блока 58 обработки данных. После определения величины возмущающего напряжения посредством цифрового низкочастотного фильтра 55.1 цифровая величина возмущающего напряжения посредством цифро-аналогового преобразователя 56 преобразуется в аналоговое напряжение и через аттенюатор 57 понижается с коэффициентом ослабления, инверсным коэффициенту усиления. Ослабленное возмущающее напряжение подают на блок 52 суммирования/вычитания, который корректирует поданный из выходного блока 51 электродный сигнал с помощью ослабленного возмущающего напряжения. При изменении потока необходимо изменить коэффициент усиления, чтобы величина разности между усиленным электродным напряжением фазы питания и усиленным электродным напряжением последующей фазы питания оставалась, с одной стороны, в диапазоне входного напряжения первого аналого-цифрового преобразователя и, с другой стороны, составляла по меньшей мере 10%, в частности, по меньшей мере 20% и, предпочтительно, по меньшей мере 30% диапазона входного напряжения. Блок 59 высшего порядка регулирует коэффициент усиления усилителя 53 и передает коэффициент усиления на блок 58 обработки данных измерений, в цифровую вычислительную схему 55 и на аттенюатор 57 для корректной интерпретации цифровой величины напряжения. Для упрощения графики на фиг. 3 не показаны электронные соединения между блоком 59 высшего уровня и соединенными с ним элементами. Блок обработки данных измерений определяет мгновенную измеренную величину потока на основе разности между электродным напряжением двух фаз измерения, что обеспечивает известность фактического коэффициента усиления при интерпретации соответствующих цифровых величин напряжения. Блок 58 обработки данных измерений имеет полосовой фильтр, по меньшей мере, для частичного компенсирования остаточных, не скомпенсированных вычислительной схемой частей возмущающего напряжения. Таким же образом цифровая вычислительная схема 55 при вычислении возмущающего напряжения учитывает коэффициент усиления входящих цифровых величин напряжения. При вычислении возмущающего напряжения посредством цифрового низкочастотного фильтра используют определенное число цифровых величин напряжения с учетом соответствующих коэффициентов усиления. В одном из вариантов выполнения количество используемых цифровых величин напряжения регулируют, чтобы обеспечить, например, при быстром изменении возмущающего напряжения сокращение времени реагирования при компенсировании возмущающего напряжения путем сокращения количества используемых величин напряжения. Блок 59 высшего порядка предназначен также для управления магнитной системой.

На фиг. 4 показан альтернативный вариант выполнения блока 50 электроники измерения и управления, причем схема измерения и управления в отличие от варианта по фиг. 3 имеет второй аналого-цифровой преобразователь 54.2; в вычислительную схему 55 подается электродное напряжение с выходного блока 51 и оцифрованное вторым аналого-цифровым преобразователем 54.2.

На фиг. 5 схематично показано поперечное сечение магнитно-индуктивного расходомера, содержащего измерительную трубку 10; магнитную систему 20 с системой 21 катушек индуктивности, соответственно с сердечником 27 катушки индуктивности, полюсным наконечником 25; и также измерительные электроды 31 и 32 для регистрации индуцированного в текучей среде напряжения. Магнитная система создает в текучей среде в измерительной трубке 10 магнитное поле, ориентированное по стрелке 23. Магнитное поле и поток среды в измерительной трубке обеспечивают возникновение тока электронного напряжения по стрелке 33. Магнитно-индуктивный расходомер содержит также устройство 40 обратной связи по полю. Измерительные электроды 31, 32 и система 21 катушек индуктивности соединены проводами 34, 35, 36 с схемой 50 измерения и управления, предназначенной для управления магнитной системой и измерительными электродами. Полюсный наконечник 25 предназначен для максимально равномерного распределения магнитного поля по поперечному сечению измерительной трубки.

Перечень условных обозначений

1 магнитно-индуктивный расходомер

10 измерительная трубка

20 магнитная система

21 система катушек индуктивности

23 направление магнитного поля

25 полюсный наконечник

27 сердечник катушки индуктивности

31, 32 измерительный электрод

33 направление электродного напряжения

34, 35 соединение измерительного электрода со схемой измерения и управления

36 соединение магнитной системы со схемой измерения и управления

40 контур обратной связи по полю

50 схема измерения и управления

51 выходной блок

52 блок суммирования и вычитания

53 усилитель

54.1 первый аналого-цифровой преобразователь

54.2 второй аналого-цифровой преобразователь

55 цифровая вычислительная схема

55.1 цифровой фильтр

56 цифро-аналоговый преобразователь

57 аттенюатор

58 блок обработки данных измерений

59 блок высшего уровня

100 способ

101 первый этап способа

102 второй этап способа

103 третий этап способа

E_n электродное напряжение в фазе питания

E_n+1 электродное напряжение в последующей фазе питания

E_n-1 электродное напряжение в предыдущей фазе питания.