Способ измерения расхода электропроводящих сред

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерению расхода электропроводящих сред кондукционными расходомерами, и может быть использовано при периодической метрологической поверке расходомеров, в промышленности и в научных исследованиях. Способ измерения расхода электропроводящих сред заключается в измерении напряжения, пропорционального скорости движения среды, и напряжения, пропорционального токам в среде, причем напряжение, пропорциональное токам в среде, сравнивают с эталонным напряжением и разницу между ними поддерживают равной нулю путем регулирования тока питания магнитной системы преобразователя, а о расходе судят по величине напряжения, пропорционального скорости движения измеряемой среды, при этом измеряют напряжения, пропорциональные скорости движения среды в основном и дополнительном измерительных каналах, расположенных в единой магнитной системе преобразователя, причем в дополнительном измерительном канале поддерживают постоянный расход среды, а с эталонным напряжением сравнивают напряжение, пропорциональное скорости движения среды в дополнительном измерительном канале, о расходе судят по величине напряжения, пропорционального скорости движения среды в основном измерительном канале. Предложенный способ позволяет учесть все мультипликативные погрешности измерения, вносимые изменениями параметров измеряемой среды и магнитной системы, что повышает точность и диапазон измерений. 2 ил.

 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерению расхода электропроводящих сред кондукционными расходомерами, и может быть использовано при периодической метрологической поверке расходомеров, в промышленности и в научных исследованиях.

Известны устройства - кондукционные расходомеры для измерения расхода электропроводных сред, содержащие один измерительный преобразователь, один непроводящий канал, одну магнитную систему, два электрода для снятия сигнала, пропорционального расходу, преобразователи сигналов.

Известен электромагнитный расходомер (а.с. №1656328, кл. G 01 F 1/58, опубл. 1991 г.), содержащий в измерительной цепи первичный преобразователь расхода, коммутатор, преобразователь сигнала, регулятор коэффициента передачи, имеющий в режиме измерения постоянный коэффициент передачи, два устройства выборки и хранения аналоговых сигналов, схему сравнения, источник образцового напряжения и индикатор, в котором для уменьшения погрешности измерения расхода из-за нестабильности тока возбуждения происходит периодическая калибровка регулятора коэффициента передачи с использованием контрольного сигнала, в результате выходное напряжение схемы сравнения через второе устройство выборки-хранения изменяет коэффициент передачи до равенства выходного напряжения образцовому.

Недостатком данного расходомера является коррекция тока питания катушек только по источнику стабильного напряжения, поэтому здесь не учитываются параметры измеряемой среды и магнитной системы, что уменьшает точность измерения расхода.

Известен расходомер (а.с. №1826708, кл. G 01 F 1/60, опубл. 1996 г.), содержащий электромагнитный преобразователь расхода, блок управления, генератор, усилители сигналов, мультиплексоры, преобразователь отношений сигналов, суммирующий усилитель, отсчетное устройство, который позволяет повысить точность измерения за счет коррекции аддитивной погрешности, возникающей при движении жидкости через электромагнитный преобразователь расхода, путем сравнения отношений преобразованных сигналов.

Недостатком этого устройства является невозможность коррекции мультипликативной погрешности измерения расхода и отсутствие коррекции зависимости свойств магнитной системы от свойств окружающей и измеряемой среды, что снижает точность измерения расхода.

Из известных способов измерения расхода электропроводящих сред наиболее близким по технической сущности является способ (авторское свидетельство СССР №1649279, кл. G 01 F 1/56, опубл 1991), в котором в процессе измерения расхода среды измеряют напряжение, пропорциональное вихревым токам в среде, и напряжение, пропорциональное скорости движения среды. Напряжение, пропорциональное вихревым токам в среде, сравнивают с эталонным напряжением от источника напряжения и разность между ними поддерживают равной нулю путем регулирования тока питания магнитной системы преобразователя. О расходе судят по величине напряжения, пропорционального средней скорости движения измеряемой среды в измерительном канале. В данном способе в тракт питания током обмоток магнитной системы введена отрицательная обратная связь по усиленному вихревому сигналу для регулирования тока питания магнитной системы преобразователя.

Поэтому коррекция погрешности измерений осуществляется по косвенной характеристике, по вихревым токам, пропорциональным величине и распределению магнитной индукции, а не по конечному результату, то есть по расходу. Тем самым снижается точность измерения.

Таким образом, данный способ не учитывает влияние параметров измеряемой среды на точность измерения.

Недостатком этого способа также является использование переменного магнитного поля, которое может внести дополнительные помехи в подводящих к электродам проводниках, а следовательно, снизить точность измерения.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа измерения расхода электропроводящих сред, который учитывает влияние параметров измеряемой среды и магнитной системы на точность измерения, так как коррекцию осуществляют по конечному результату, а именно по расходу.

Техническим результатом заявленного нового способа измерения расхода электропроводящих сред является повышение точности измерения.

Поставленный технический результат достигается в способе измерения расхода электропроводящих сред, заключающийся в измерении напряжения, пропорционального скорости движения среды, отличающийся тем, что в магнитную систему преобразователя расхода кроме основного измерительного канала введен дополнительный измерительный канал, в котором поддерживается постоянный расход измеряемой среды, причем напряжение, пропорциональное расходу в дополнительном измерительном канале, сравнивают с эталонным и разницу между ними поддерживают равной нулю путем регулирования тока питания магнитной системы преобразователя, а о расходе судят по величине напряжения, пропорционального скорости движения измеряемой среды в основном измерительном канале.

Скорость движения среды при постоянном сечении канала пропорциональна расходу, поэтому напряжение, пропорциональное скорости движения среды в дополнительном измерительном канале, должно быть постоянным. Отклонение напряжения, пропорционального скорости движения среды в дополнительном измерительном канале, от эталонного напряжения означает изменение параметров магнитной системы и измеряемой среды. Поэтому разность между напряжением, пропорциональным скорости движения среды в дополнительном измерительном канале, и эталонным напряжением поддерживают равной нулю, изменяя ток питания магнитной системы пропорционально этой разнице напряжений.

Таким образом производится регулирования тока питания магнитной системы с помощью отрицательной обратной связи по величине скорости движения среды в дополнительном измерительном канале, в котором поддерживают постоянный расход среды.

Так как основной и дополнительный измерительные каналы находятся в единой магнитной системе преобразователя, то благодаря этому изменение тока питания магнитной системы одинаково влияет на изменение напряжений, пропорциональных скорости движения измеряемой среды в основном и дополнительном измерительных каналах, следовательно, в основном измерительном канале происходит коррекция значения расхода.

В результате регулирования тока питания магнитной системы преобразователя значение и распределение магнитной индукции поддерживается на постоянном уровне. Благодаря этому напряжение, пропорциональное скорости движения среды в основном измерительном канале, получается не зависящим от изменений параметров магнитной системы преобразователя, от температуры измеряемой и окружающей среды. проводимости среды, а также от других параметров измеряемой среды, что, в свою очередь, повышает точность измерения расхода.

Таким образом, преимуществом данного способа является коррекция значения выходного сигнала не по косвенному, а по прямому параметру, то есть по расходу, что повышает точность измерения.

Также преимуществом данного способа является использования переменного прямоугольного, а не синусоидального тока питания, что позволяет уменьшить помехи от переменного тока, следовательно, повысить точность измерения расхода.

На фиг.1 представлена функциональная схема, реализующая предлагаемый способ измерения расхода электропроводящих сред.

На фиг.2 представлена временная диаграмма сигнала питания катушек магнитной системы, вырабатываемого цифровым генератором.

Схема, реализующая предлагаемый способ измерения расхода электропроводящих сред, представляет собой магнитную систему 1 с катушками 2, в зазоре которой расположены основной измерительный канал 3 с электродами 4 для измерения напряжения, пропорционального скорости движения среды, и дополнительный измерительный канал 5 с постоянным расходом с электродами 6 для измерения напряжения, пропорционального постоянной скорости движения среды, а следовательно, расходу. Напряжение, пропорциональное скорости движения среды в дополнительном измерительном канале 5, используется для регулирования тока питания катушек 2.

Катушки 2 магнитной системы 1 соединены с усилителем мощности 7, питающим катушки 2. Усилитель мощности 7 в свою очередь соединен с выходом 8 цифрового генератора 9 прямоугольных сигналов. Электроды 6 дополнительного измерительного канала 5 с постоянным расходом соединены с предварительным усилителем 10 дополнительного измерительного канала 5, выход которого соединен с входом 11 схемы 12 выборки и хранения аналогового сигнала (СВХ). Другой вход 13 СВХ 12 соединен с выходом 14 цифрового генератора 9 прямоугольных сигналов. Выход 15 СВХ 12 соединен с инвертирующим входом 16 суммирующего усилителя 17 для регулировки тока питания катушек 2. Прямой вход 18 суммирующего усилителя 17 соединен с источником эталонного напряжения 19. Выход суммирующего усилителя 17 соединен с входом 20 цифрового генератора 9 прямоугольных сигналов.

Электроды 4 основного измерительного канала 3 соединены с предварительным усилителем 21 напряжения, пропорционального скорости движения среды основного измерительного канала 3. Выход предварительного усилителя 21 соединен со схемой 22 преобразования усиленного аналогового сигнала, которая, в свою очередь, соединена с входом индикатора 23.

Способ измерения электропроводящих сред осуществляется с помощью предлагаемой схемы следующим образом.

В режиме измерения эталонное напряжение источника 19 подается на вход 18 суммирующего усилителя 17, усиливается и поступает на управляющий вход 20 цифрового генератора 9 прямоугольных сигналов. Генератор прямоугольных сигналов 9 вырабатывает двуполярный прямоугольный сигнал, изображенный на фиг.2, скважинностью, равной 2, который поступает с выхода 8 цифрового генератора 9 на вход усилителя мощности 7, который питает катушки 2 магнитной системы 1 двуполярным сигналом силы тока. Двуполярный сигнал необходим для исключения эффекта поляризации электродов, что, в свою очередь, уменьшает погрешность измерения.

В схеме, реализующей способ измерения электропроводящих сред, имеются два канала: основной измерительный канал 3 и дополнительный измерительный канал 5, в котором поддерживают постоянный расход. Существует несколько способов поддержания постоянного расхода. Одним из которых является способ поддержания постоянного давления измеряемой среды в канале с постоянным сечением. Постоянное давление поддерживается с помощью поддержания постоянной высоты столба измеряемой среды в емкости, из которой выходит дополнительный канал, а уровень поддерживается с помощью подпиточного канала, расход которого больше расхода дополнительного канала, причем излишки измеряемой среды должны переливаться через край емкости для задания расхода в слив. Таким образом, постоянный расход поддерживается высотой столба измеряемой среды, ограниченного верхней кромкой емкости. Основной и дополнительный измерительные каналы охвачены единой магнитной системой 1. В движущейся измеряемой среде в основном измерительном канале 3 под действием магнитного поля, создаваемого магнитной системой 1 с катушками 2, возникают токи, пропорциональные скорости движения измеряемой среды, величине и распределению магнитного поля. Напряжение, пропорциональное возникающим в среде токам, снимается с электродов 4 основного измерительного канала 3 и поступает на предварительный усилитель 21 с определенным коэффициентом усиления для определения значения расхода. Затем усиленный сигнал, пропорциональный скорости движения измеряемой среды, поступает на вход схемы 22 преобразования сигнала в цифровой сигнал для вывода значения расхода на индикатор 23. Вследствие того, что питание катушек 2 магнитной системы 1 осуществляется двуполярным сигналом, напряжение, снимаемое в первый и во второй полупериоды питания катушек 2, имеют также разные полярности, поэтому схема 22 преобразования сигнала для индикации 23 должна иметь в себе прецизионный выпрямитель.

Аналогично основному измерительному каналу в движущейся измеряемой среде в дополнительном измерительном канале 5 с постоянным расходом под действием магнитного поля, создаваемого магнитной системой 1 с катушками 2, возникают токи, пропорциональные скорости движения измеряемой среды, величине и распределению магнитного поля. Напряжение, пропорциональное возникающим в среде токам, снимается с электродов 6 дополнительного измерительного канала 5 с постоянным расходом и поступает на предварительный усилитель 10. Усиленный сигнал поступает на вход 11 схемы 12 выборки и хранения аналогового сигнала (СВХ).

Вследствие того, что питание катушек 2 магнитной системы 1 осуществляется двуполярным сигналом, напряжение, снимаемое в первый и во второй полупериоды питания катушек 2, имеют также разные полярности, поэтому схема 12 выборки и хранения аналогового сигнала должна хранить два аналоговых значения для каждого из полупериодов. Выбор необходимого значения осуществляется управляющим сигналом, поступающим с выхода 14 цифрового генератора 9 прямоугольных сигналов на вход 13 СВХ 12. В результате на выходе 15 СВХ 12 будет присутствовать напряжение, равное значению усиленного сигнала, пропорционального скорости движения среды в дополнительном измерительном канале 5 с постоянным расходом. Это напряжение с выхода 15 СВХ 12 подается на инверсный вход 16 суммирующего усилителя 17. Так как на положительный вход 18 суммирующего усилителя 17 подается эталонное напряжение источника 19, то с выхода усилителя 17 на вход 20 цифрового генератора 9 прямоугольных импульсов будет поступать разница между усиленным напряжением, измеряемым в дополнительном измерительном канале 5 с постоянным расходом, и эталонным напряжением источника 19. Эта разность поддерживается равной нулю благодаря отрицательной обратной связи, входом которой является суммирующий усилитель 17. Таким образом, введена отрицательная обратная связь по усиленному сигналу, пропорциональному скорости движения среды в дополнительном измерительном канале 5 с постоянным расходом, включающая в себя предварительный усилитель 10, СВХ 12 и суммирующий усилитель 17.

В результате значение и распределение магнитной индукции поддерживается на постоянном уровне путем регулирования тока питания катушек 2 магнитной системы 1 устройства. Благодаря этому напряжение, снимаемое с электродов 4 основного измерительного канала 3, получается не зависящим от изменений параметров катушек 2 и самой магнитной системы 1 в целом, от температуры измеряемой и окружающей среды, проводимости среды, а также от других параметров измеряемой среды, что, в свою очередь, повышает точность измерения расхода.

При использовании заявленного способа измерения расхода электропроводящих сред повышается точность измерения, так как предложенный способ измерения производит коррекцию погрешности измерений по конечному результату измерений, а именно по расходу.

Предложенный способ позволяет учесть все мультипликативные погрешности измерения, вносимые изменениями параметров измеряемой среды и магнитной системы, что также повышает точность измерения, а следовательно, и диапазон измерений.

Таким образом, способ позволяет создавать расходомеры с повышенной точностью измерений для использования при проверке метрологических характеристик расходомерного оборудования для электропроводящих сред, а также при исследованиях в области расходометрии и кондукционного измерения расхода электропроводящих сред, в частности.

Способ измерения расхода электропроводящих сред, заключающийся в измерении напряжения пропорционального скорости движения среды, отличающийся тем, что в магнитную систему преобразователя расхода кроме основного измерительного канала введен дополнительный измерительный канал, в котором поддерживается постоянный расход измеряемой среды, причем напряжение пропорциональное расходу в дополнительном измерительном канале сравнивают с эталонным и разницу между ними поддерживают равной нулю путем регулирования тока питания магнитной системы преобразователя, а о расходе судят по величине напряжения, пропорционального скорости измеряемой среды в основном измерительном канале.