Способ измерения расхода электропроводящих сред и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике измерения расхода жидкостей электромагнитным методом и позволяет уменьшить потери мощности. Сигнал электродов перед усреднением дифференцируют и коммутируют его знак в квадратуре с низкочастотной составляющей магнитного поля. Составляющие индукции магнитного поля определяются математическим выражением. Генератор 1 формирует сигнал, поступающий на вход дифференциального усилителя 2, с выхода которого поступает на обмотку возбуждения преобразователя 3 расхода. В активную зону преобразователя 3 расхода встроен преобразователь индукции магнитного поля, на выходе которого формируется опорный сигнал. Этот сигнал через повторитель 4 поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 2, образуя сигнал обратной связи этого усилителя. Коэффициент передачи усилителя не зависит от эквивалентных параметров цепи возбуждения преобразователя расхода и определяется только цепью обратной связи. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения расхода жидкости электромагнитным методом.

Целью изобретения является уменьшение потерь мощности.

На фиг.1 приведена структурная схема расходомера; на фиг.2 временные диаграммы работы расходомера.

Расходомер содержит последовательно соединенные генератор 1, дифференциальный усилитель 2, преобразователь 3 расхода и повторитель 4, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя 2. Кроме того, расходомер содержит дифференциатор 5, вход которого соединен с вторым выходом преобразователя 3 расхода, и фазочувствительный измеритель 6 отношения, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора 5, второй вход с выходом повторителя 4, а третий с вторым выходом генератора 1.

Сущность способа поясняется на примере работы расходомера.

Генератор 1 генерирует сигнал, поступающий на вход дифференциального усилителя 2. Структура сигнала определяется выражением: U₇(t)≈S˙sin(ωt)-(S+r)˙sin(ω(1+2r)t)+r˙sin(ω(1+2r+2S)t). (1) Этот сигнал через дифференциальный усилитель 2 поступает на обмотку возбуждения преобразователя 3 расхода, при помощи которой в активной зоне преобразователя генерируется магнитное поле. В активную зону преобразователя 3 расхода встроен преобразователь индукции магнитного поля, на выходе которого под действием магнитного поля генерируется опорный сигнал. Этот сигнал через повторитель 4 поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 2, образуя сигнал обратной связи этого усилителя. При глубокой отрицательной обратной связи коэффициент передачи усилителя не зависит от эквивалентных параметров цепи возбуждения преобразователя расхода и определяется только цепью обратной связи, состоящей из преобразователя индукции магнитного поля и повторителя 4. Связь между индукцией магнитного поля и напряжением на входе дифференциального усилителя определяется выражением: k(jω) WS (2) где В индукция магнитного поля в активной зоне преобразователя расхода, U₇ напряжение на входе дифференциального усилителя, S,W площадь и количество витков обмотки преобразователя индукции.

Тогда индукция магнитного поля определяется выражением: ( o+ (3) В этом выражении для определения выбрано S r 1. Под действием этого поля на электродах преобразователя расхода вырабатывается основной сигнал, имеющий структуру: (4) где Q расход жидкости; a₁ коэффициент, учитывающий влияние составляющей остаточного сигнала, не зависящей от частоты питания преобразователя расхода. Наличие этой составляющей наиболее характерно для трансформаторной помехи;
a₂ коэффициент, учитывающий влияние составляющей остаточного сигнала, пропорциональной частоте питания преобразователя расхода. Наличие этой составляющей наиболее характерно для емкостной помехи.

Составляющая основного сигнала, зависящая от расхода, проиллюстрирована диаграммой 8 на фиг.2.

Тогда с учетом коэффициента передачи дифференциатора сигнал на выходе дифференциатора будет иметь структуру:
U(t) ≈ QB_m˙(sinωt 2sin3ωt + sin5ωt) + a₁ωB˙(sinωt 6sin3ωt +
+ 5sin5ωt) + a₂ω²B_m˙(sinωt 18sin3ωt + 25sin5ωt). (5)
Этот сигнал поступает на вход основного сигнала фазочувствительного измерителя 6 отношения, на вход опорного сигнала которого поступает сигнал с выхода повторителя 4. Опорный сигнал имеет такую же структуру, как и сигнал на выходе генератора 1 в соответствии с выражением (1). На вход управления синхронным детектором фазочувствительного измерителя отношения поступает цифровой знаковый сигнал 9 с выхода цифрового сигнала генератора 1. Знаковый сигнал имеет период, равный периоду низкочастотной составляющей аналогового выходного сигнала генератора 1 в соответствии с выражением (1), и по фазе точно совпадает с этой составляющей. Временные диаграммы приведены на фиг.2. Фазочувствительный измеритель отношения 6 измеряет отношение средневыпрямленных значений основного сигнала к опорному. Средневыпрямленные значения сигналов получают путем коммутации знака сигналов синфазно со знаковым сигналом и последующего усреднения. Средневыпрямленное значение основного сигнала определяется выражением:
g + +a₁·ω·B_m· (1-2+1)+ (6)
Из этого выражения видно, что в средневыпрямленное значение основного сигнала нe входят составляющие остаточного сигнала, не зависящие и пропорционально зависящие от частоты питания преобразователя расхода.

Потеря мощности происходит в преобразователe расхода 3 и дифференциальном усилителе 2. Эквивалентная схема цепи возбуждения преобразователя расхода 3 содержит параллельно соединенные индуктивность и резистор R_Fe, последовательно с которыми включен резистор R_сu. Резисторы R_Fe и R_сu учитывают потери в стали и меди преобразователя расхода 3 соответственно. Ток намагничивания, протекающий через индуктивность, пропорционален магнитной индукции и может быть представлен в виде:
I_M= I_m·(cosωt- ·cos3ωt+ ·cos5ωt) (7) Тогда напряжение на индуктивности имеет вид:
U_L U_m ˙(sin ω t 2˙ sin 3ω t + sin 5ω t) (8) Мощность потерь в меди преобразователя расхода 3 определяется выражением:
P_cu= RI+)+)= 1+ + 0,742I²_m·R_cu (9) что в 4,04 раза меньше, чем у прототипа.

Мощность потерь в стали преобразователя расхода 3 определяется выражением:
P_Fe= ++= ·(1+4+1)= 3 (10) что в 10,3 раз меньше, чем у прототипа.

В дифференциальном усилителе мощность рассеивается в основном выходным каскадом. Если выходной каскад работает в режиме В, а реактивная мощность преобразователя расхода 3 много больше активной мощности, то мощность, рассеиваемая дифференциальным усилителем 2, определяется выражением
P 10,09· (11) что в 3,57 раза меньше, чем у прототипа.

Таким образом, применение предложенного способа измерения расхода и устройства для его осуществления позволяет уменьшить потери мощности в контуре возбуждения преобразователя расхода 3.

Формула изобретения

1. Способ измерения расхода электропроводящих сред путем создания в контролируемой зоне суммы трех гармонических составляющих периодического магнитного поля и измерения средневыпрямленного значения сигнала преобразователя расхода, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь мощности, выходной сигнал преобразователя расхода перед усреднением дифференцируют и коммутируют его знак в квадратуре с низкочастотной составляющей магнитного поля, причем составляющие индукции магнитного поля определяются выражением

× cos(ω(1+2γ)t) +

где B(t) индукция магнитного поля преобразователя расхода;
ω частота низкочастотной составляющей индукции магнитного поля;
t время;
S, r константы.

2. Устройство для измерения расхода электропроводящих сред, содержащее генератор, дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с первым выходом генератора, преобразователь расхода, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, повторитель, вход которого соединен с первым выходом преобразователя расхода, а выход с вторым входом дифференциального усилителя, и измеритель отношения, первый вход которого соединен с вторым выходом генератора, отличающееся тем, что, с целью уменьшения потерь мощности, в него введен дифференциатор, вход которого соединен с вторым выходом преобразователя расхода, а выход с вторым входом фазочувствительного измерителя отношения, третий вход которого соединен с выходом повторителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2