Результат интеллектуальной деятельности: Цифровой преобразователь расхода электропроводной жидкости

Изобретение относится к измерительной технике и электронному приборостроению и может быть использовано в расходометрии электропроводных жидкостей, например воды и водных растворов солей, щелочей и кислот, электропроводных органических и неорганических химических соединений.

Цифровые преобразователи расхода электропроводной жидкости (ЦПРЖ) следует считать особо перспективными для измерения расхода и количества электропроводной жидкости в цифровых автоматических системах управления производственными процессами в химической и пищевой промышленности, для использования в составе счетчика количества теплоты в водяных системах производства и потребления тепловой энергии.

Из уровня техники не выявлен ЦПРЖ, в котором бы оцифровывание величины расхода жидкости происходило непосредственно в проточной части преобразователя расхода. Во всех известных преобразователях расхода жидкости в первичном преобразователе формируется аналоговый электрический сигнал, которых затем подвергается аналого-цифровому преобразованию во вторичном электронном преобразователе с использованием интегрального аналого-цифрового преобразователя того или иного типа.

Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент на изобретение RU №2471154 С1, кл. G01F 1/05, опубликован 27.12.2012 г.] и известен универсальный электрошариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент на изобретение RU №2566428 С1, кл. G01F 1/06, утвержден 28.10.2015 г.]. В первом из них в проходном канале корпуса расходомера, изготовленного из диэлектрического материала, расположены два электрода, во втором - три электрода заподлицо с их внутренней поверхностью. В корпусе расходомера располагается струенаправляющий аппарат со ступицей, кольцевой канал и шар.

Наиболее близким к предложенному ЦПРЖ является электромагнитный первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. 4-е изд. Л.: Машиностроение, 1989 - 408 с.].

Общими конструктивными признаками известного электромагнитного первичного преобразователя и заявленного ЦПРЖ являются:

- во-первых, чистый, то есть не содержащий никаких элементов или деталей, проходной для жидкости канал корпуса преобразователя, поэтому не создающий никакого гидравлического сопротивления потоку жидкости, что является несомненным достоинством расходомера жидкости;

- во-вторых, в проходном канале установлены электроды заподлицо с внутренней поверхностью канала, расположенные напротив друг другу и в перпендикулярной потоку жидкости плоскости.

Однако известный электромагнитный первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости имеет недостатки:

1. Данный преобразователь расхода жидкости является аналоговым измерительным прибором, так как его выходным сигналом является постоянное напряжение или постоянный ток, если нормирующий дифференциальный усилитель имеет токовый выход. Поэтому его непосредственное использование в автоматических цифровых системах управления невозможно или возможно, но после преобразования аналогового выходного сигнала в цифровой код посредством аналого-цифрового преобразователя. Необходимость оцифровки аналогового сигнала и применение с этой целью аналого-цифрового преобразователя увеличивает погрешность преобразования, снижает помехоустойчивость и увеличивает стоимость расходомера.

2. В корпусе преобразователя должен находиться источник магнитного поля, генерирующий стабильный по температуре и во времени магнитный поток. Нестабильность индукции магнитного поля при воздействии тех или иных дестабилизирующих факторов является источником погрешности преобразования расхода жидкости в электрический сигнал. Более того, генератор магнитного поля значительно усложняет конструкцию корпуса прибора и увеличивает его стоимость.

3. Выходным сигналом преобразователя является очень низкое напряжение, возникающее между двумя его электродами, тем более, при низких значениях расхода жидкости. Поэтому в клеммной коробке электромагнитного преобразователя должен располагаться прецизионный дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления по напряжению и нормированным выходным сигналом, пригодным для передачи по проводам во вторичный электронный преобразователь. Использование чувствительного дифференциального усилителя, необходимость нормирования его выходного сигнала приводит к существенному снижению помехоустойчивости и повышению стоимости прибора.

Задачей изобретения является: расширение области применения расходомера за счет возможности непосредственного включения преобразователя расхода жидкости в цифровую систему автоматического управления без использования дополнительного аналого-цифрового преобразователя.

Техническим результатом изобретения является: повышение точности преобразования за счет сокращения числа источников нестабильности функции преобразования расхода жидкости в выходной сигнал.

Поставленная задача решается и технический результат достигается преобразователем расхода электропроводной жидкости, состоящим из корпуса, изготовленного из диэлектрика, и установленных заподлицо с его внутренней поверхностью электродов, отличающимся тем, что в корпусе установлены два ряда электродов, расположенных в одной плоскости напротив друг друга, в каждом из которых количество электродов определяется требуемым числом разрядов выходного двоичного кода, электронная часть включает в себя набор резисторов, источник стабильного опорного тока, резистивный делитель напряжения, набор компараторов и преобразователь позиционного двоичного кода в натуральный двоичный код, причем, электроды одного из двух рядов соединены с положительным выводом источника опорного тока, электроды другого ряда через резисторы набора резисторов присоединены к отрицательному выводу того же источника опорного тока, чтобы перераспределяющиеся между электродами токи, сумма которых всегда равна опорному току, создали падения напряжений на резисторах в порядке позиционного кода, затем, нормировались по величине набором компараторов, неинвертирующие и инвертирующие входы которых присоединены соответственно к резисторам набора резисторов и резистивному делителю напряжения, и при необходимости преобразователь позиционного двоичного кода в обычный двоичный код или код другого вида, например, для управления семисегментными индикаторами.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 представлена конструкция проточной части ЦПРЖ, в плоскости которого находятся ряды электродов 2 и 3.

На Фиг. 2 показана электронная часть ЦПРЖ, выходным сигналом которого в показанном случае технической реализации является трехразрядный двоичный код.

На Фиг. 3 упрощенно иллюстрируется распределение опорного тока I_O в виде траекторий движения носителей электрического заряда между рядами электродов 2 и 3 при четырех значениях скорости (а, б, в, г) протекания (расхода) электропроводной жидкости.

На Фиг. 4 представлена функция преобразования трехразрядного ЦПРЖ D=f(G), где D=d₃d₂d₁ - выходной двоичный трехразрядный код; G - расход жидкости.

Проточная часть ЦПРЖ включает в себя (Фиг. 1) корпус 1 в виде участка трубопровода, изготовленного из любого диэлектрического материала (стекла, различных пластмасс), и двух одинаковых рядов электродов 2 и 3, расположенных на противоположных сторонах корпуса и заподлицо с его внутренней поверхностью, в одной плоскости и напротив друг друга, как это показано на поперечном сечении корпуса ЦПРЖ.

В рядах электродов 2 и 3 количество электродов одинаково и равно 2ⁿ + 1, где n - требуемое число разрядов выходного кода D ЦПРЖ. В рассматриваемом случае технической реализации ЦПРЖ число разрядов n=3, поэтому в рядах 2 и 3 должно быть по 9 электродов, расположенных с шагом, найденным расчетным путем с учетом требуемой разрядности прибора, заданного диапазона изменения расхода жидкости и внутреннего диаметра корпуса преобразователя 1. Все электроды одного из двух рядов электродов должны быть соединены между собой, как показано на Фиг. 2.

Электронная часть трехразрядного ЦПРЖ, рассматриваемого как пример, состоит из набора 4 девяти резисторов R₁ - R₉, источника опорного тока I_O 5, резистивного делителя напряжения 6, служащего для формирования опорного напряжения U_O=(U_ПR₁₀)/(R₁₀+R₁₁), где U_П - стабилизированное напряжение питания, набора 7 восьми компараторов K₁ - K₈ в интегральном исполнении, преобразователя 8 позиционного кода K=k₁k₂k₃k₄k₅k₆k₇k₈, являющегося выходным сигналом набора компараторов 7 в трехразрядный двоичный код D=d₃d₂d₁ - цифровой трехразрядный эквивалент величины скорости протекания (расхода) жидкости через проточную часть ЦПРЖ.

Преобразователь кода 8 представляет собой логическое комбинационное цифровое устройство в интегральном исполнении, реализуемое на основе логических элементов типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ или ПЛИС (программируемой логической интегральной схемы).

Компараторы K₁ - K₈ имеют инвертирующий и неинвертирующий входы и выход с нормированным выходным напряжением. Если на неинвертирующем входе напряжение более положительно, чем напряжение на инвертирующем входе (обозначен кружком ), то на выходе компаратора напряжение имеет высокий уровень, соответствующий логической единице в двоичной системе счисления. Когда же напряжение на неинвертирующем входе менее положительно по сравнению с напряжением на инвертирующем входе, тогда выходное напряжение компаратора низкое относительно общей шины (отрицательного потенциала напряжения питания - U_П) и соответствует логическому нулю.

Как показано на Фиг. 2, на все восемь инвертирующих входов компараторов K₁ - K₈ подается опорное напряжение U_O, на неинвертирующих входах компараторов действуют напряжения, равные падениям напряжений на соответствующих резисторах (R₁ - R₈,) при протекании через них токов, вытекающих из электродов через контакты 1-8. Принципиально важно, что в рассматриваемом ЦПРЖ сумма вытекающих из электродов 1-9 токов I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, I₆, I₇, I₈ и I₉ всегда равна опорному току I_O и, следовательно, не зависит от вида электропроводной жидкости, ее физико-химических особенностей и температуры. Например, если из электрода 1 вытекает ток I₁, то напряжение, действующее на неинвертирующем входе компаратора K₁, будет равно R₁I₁, аналогично, на неинвертирующих входах других компараторов напряжения относительно общей шины электропитания будут иметь значения: R₂I₂, R₃I₃, R₄I₄, R₅I₅, R₆I₆, R₇I₇, R₈I₈.

Если в наборе резисторов 4 R₁=R₂=R₃=R₄=R₅=R₆=R₇=R₈=R₉, то напряжения на неинвертирующих входах компараторов трехразрядного ЦПРЖ будут определяться токами I₁ - I₈ и будут сравниваться компараторами K₁ - K₈ с опорным напряжением U_O. Значит, в заявленном ЦПРЖ набор компараторов 7 фактически осуществляет сравнение токов I₁ - I₈, вытекающих из электродов 1-8 ряда электродов 3, с некоторой эталонной величиной, заданной в виде опорного напряжения U_O. Результатом сравнения напряжений I_iR_i, где i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, с эталоном (опорным напряжением U_O) является выходной сигнал i-го компаратора: если I_iR_i > U_O, то выходной сигнал K_i=1; если же I_iR_i ≤ U_O, то выходной сигнал K_i=0. Результатом сравнения напряжений на электродах 1-8 с опорным напряжением U_O является восьмиразрядный позиционный код K=k₁k₂k₃k₄k₅k₆k₇k₈, в котором аргументы k_i могут соответствовать логическим единице или нулю.

Пусть в трехразрядном ЦПРЖ, рассматриваемом как простой пример технической реализации многоразрядного цифрового первичного преобразователя расхода, жидкость неподвижна (скорость ее движения V=0), то есть расход G=0. Тогда, как показано на Фиг. 3-а, опорный стабилизированный ток I_O, втекая в гидравлическую часть через электроды 10-18, равномерно распределится по электродам 1-9, так как электрические сопротивления неподвижной жидкости между находящимися напротив друг друга электродами равны: R₁=R₂=R₃=R₄=R₅=R₆=R₇=R₈=R₉.

На Фиг. 3-а равномерное распределение тока по электродам 1-9 упрощенно показано траекториями движения носителей заряда электропроводной жидкости (положительных и отрицательных ионов), которые симметрично распределены в направлении девяти электродов.

Итак, при неподвижной жидкости (G=0) напряжения на электродах 1-9; U₁=U₂=U₃=U₄=U₅=U₆=U₇=U₈=U₉=RI_O/9, где R=R₁=R₂=R₃=R₄=R₅=R₆=R₇=R₈=R₉, и при U_O ≤ RI_O/9 выходной код набора компараторов K=k₁k₂k₃k₄k₅k₆k₇k₈=11111111.

Если жидкость начнет движение с некоторой скоростью и ее расход G=G₁, то произойдет перераспределение опорного тока между электродами 1-9. Как видно по положению траекторий движения носителей заряда в жидкости на Фиг. 3-б, ток I₁ уменьшится на некоторую величину, а сумма токов I₂, I₃, I₄, I₅, I₆, I₇, I₈ и I₉ на столько же увеличится.

Пусть при скорости протекания жидкости V₁ ее расход G_x=1/8 G_MAX, тогда ток I₁, вытекающий из электрода 1, снизится от начального значения I_O/9 до некоторого значения (I_O/9 - ΔI) и, следовательно, напряжение на неинвертирующем входе компаратора K₁ уменьшится с U₁=R₁ I_O/9 до U₁=R₁ (I_O/9 - ΔI). Так как при этом вытекающие из электродов 2-9 токи увеличатся, то напряжения на этих же электродах и, значит, на неинвертирующих входах компараторов K₂ - K₈ увеличатся. Если посредством резистивного делителя напряжения 6 установлено опорное напряжение U_O=U_ПR₁₀/(R₁₀+R₁₁), равное U₁=R₁(I_O/9 - ΔI), то на выходе компаратора K1 напряжение упадет до минимального значения, соответствующего логическому нулю (k₁=0). Компараторы K₂ - K₈ как были в состояниях логической единицы, так и останутся в единичном состоянии. Таким образом, при скорости протекания жидкости V₁ и ее расходе G₁=1/8 G_MAX, на выходе набора компараторов 7 код K=k₁k₂k₃k₄k₅k₆k₇k₈=01111111.

Пусть теперь скорость протекания жидкости V увеличится до значения V₂ (Фиг. 3-в) и ее расход примет значение G₂=1/4 G_MAX, тогда ток I₁ станет еще меньше, уменьшится и ток I₂, вытекающий из электрода 2, ток I₃ уменьшится, но не на столько, что падение напряжения на резисторе R₃ станет равным или меньше опорного напряжения U_O. В этом режиме работы ЦПРЖ опрокинутся в нулевое состояние компараторы K₁ и K₂, и на выходе набора компараторов 7 код K=k₁k₂k₃k₄k₅k₆k₇k₈=00111111.

На Фиг. 3-г показан режим работы ЦПРЖ при скорости потока жидкости V₃, при которой ее расход G₃=3/8 G_MAX, и опрокидываются в состояние логического нуля первые три компаратора (k₁=k₂=k₃=0). На выходе набора компараторов 7 позиционный код K=k₁k₂k₃k₄k₅k₆k₇k₈=00011111.

Аналогично рассуждая, можно показать, что при достижении расхода жидкости дискретных значений 1/2 G_MAX, 5/8 G_MAX, 3/4 G_MAX, 7/8 G_MAX и G_MAX в выходном коде набора компараторов увеличивается количество логических нулей, как видно в нижеследующей таблицы состояний трехразрядного ЦПРЖ:

Разряд d₄ выходного двоичного кода D трехразрядного ЦПРЖ служит лишь для фиксации достижения расхода жидкости максимального значения G_MAX в ЦПРЖ с конкретным типоразмером проточной части. Взаимозависимость восьмиразрядного позиционного кода K и выходного двоичного кода ЦПРЖ D, представленная в таблице, позволяет записать четыре переключательные функции и после их преобразования (с учетом заданной элементной базы) составить принципиальную электрическую схему преобразователя кода 8.

Итак, в рассмотренном ЦПРЖ реализуется задача непосредственного преобразования расхода электропроводной жидкости в двоичный код без использования микроэлектронного аналого-цифрового преобразователя, что по сравнению с прототипом уменьшает погрешность преобразования за счет неиспользования в ЦПРЖ генератора стабильного магнитного поля и прецизионного усилителя напряжения с нормированным выходным сигналом.

Неизбежный технологический разброс сопротивлений R₁ - R₉ и R₁₀, R₁₁, сдвиг нулей выходных напряжений компараторов K₁ - K₈ и их температурный дрейф являются источниками погрешности преобразования ЦПРЖ, но все они могут быть подавлены за счет правильного выбора типов резисторов и интегральных компараторов, а также начальной регулировкой схемы.

Простая конструкция ЦПРЖ, минимальное количество используемых конструктивных элементов и деталей позволяют снизить себестоимость изделия в условиях их серийного производства.