Парциальный датчик расхода

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода и может быть использовано, в частности, для измерения расхода жидкости или газа. Сущность: устройство содержит источник переменного напряжения, дифференциальный датчик, разностный и суммирующий усилители, синхронный детектор. Источник переменного напряжения связан с входом дифференциального датчика. Выходы дифференциального датчика подключены к входам разностного и суммирующего усилителей. Выходы разностного и суммирующего усилителей подключены к входам синхронного детектора. Дополнительно в устройство введены нуль-орган, блок положительной обратной связи, фильтр нижних частот. Вход блока положительной обратной связи соединен с выходом нуль-органа, а выход - с его неинвертирующим входом. Фильтр нижних частот включен между выходом синхронного детектора и входом нуль-органа. Технический результат: повышение точности измерений и эксплуатационной надежности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относятся к областям электроники и измерительной техники и может быть использовано в различных устройствах или системах измерения неэлектрических величин электрическими способами с использованием дифференциальных датчиков, в частности, для измерения расхода жидкости или газа.

Известен датчик расхода, принцип работы которого заключается в подсчете количества порций вещества, прошедшего через него [1]. Такой датчик расхода во многих случаях удовлетворяет требованиям прикладных задач.

Однако в ряде случаев, когда с выходов датчика поступают низкие уровни сигналов (датчики, используемые во взрывоопасных условиях либо в условиях ограничения расхода электроэнергии), либо выходные сигналы этих датчиков имеют сдвиг фаз относительно переменного напряжения питания датчика (опорного напряжения), последующая обработка разностного сигнала становится затруднительной и приводит к погрешностям.

В таких случаях применяются устройства, выполненные с использованием корреляционных методов обработки сигналов [2].

Однако они сложны, на их точность влияют температура, дрейф разности фаз сигнала и опорного напряжения.

Известно устройство из описания изобретения к патенту №2153650 РФ, G01D 1/00 [3], содержащее генератор переменного напряжения, дифференциальный электромагнитный (индуктивный) датчик, содержащий излучающую катушку L1, приемные катушки L2, L3, дифференциальный (разностный) и суммирующий усилители, синхронный детектор. Это устройство может быть использовано в качестве парциального датчика расхода жидкости или газа.

По количеству признаков, общих с предложением, по выполнению и их назначению оно может быть признано прототипом. При этом из числа признаков этого устройства эквивалентными и существенными с точки зрения предложения являются источник (генератор) переменного напряжения, дифференциальный электромагнитный (индуктивный) датчик, разностный (дифференциальный) и суммирующий усилители и синхронный детектор. При этом источник переменного напряжения связан с входом дифференциального электромагнитного (индуктивного) датчика, выходы которого подключены к входам разностного и суммирующего усилителей, выходы которых подключены к входам синхронного детектора.

Однако такое устройство, будучи использовано в качестве парциального датчика расхода, в целом обладает недостатком, заключающимся в том, что при медленном перемещении подвижного элемента датчика вблизи чувствительной катушки (при малом расходе вещества), когда его выходной сигнал флюктуирует, последующей аппаратурой это может восприниматься как полезный сигнал. Особенно это заметно в условиях внешних механических воздействий - вибрации, ударов и усугубляется в процессе длительной эксплуатации за счет «старения» элементов, увеличения зазоров в конструкции датчика и т.п. Это приводит к ошибкам в определении суммарного расхода в стону увеличения.

Задача предложения - увеличение точности измерения и эксплуатационной надежности за счет увеличения помехоустойчивости.

Эта цель достигается тем, что в парциальный датчик расхода, содержащий источник переменного напряжения, дифференциальный датчик, разностный и суммирующий усилители и синхронный детектор, при этом источник переменного напряжения связан с входом дифференциального датчика, выходы которого подключены к входам разностного и суммирующего усилителей, выходы которых подключены к входам синхронного детектора, введены нуль-орган, блок положительной обратной связи, вход которого соединен с выходом нуль-органа, а выход - с его неинвертирующим входом, и низкочастотный фильтр, включенный между выходом синхронного детектора и входом нуль-органа.

Решение задачи дополнительно обеспечивается том, что уровень положительной обратной связи нуль-органа близок к одной трети от максимального значения входного сигнала нуль-органа.

На чертежах приведены блок-схема предложенного парциального датчика расхода (фиг.1) и осциллограммы его выходных сигналов в процессе измерения расхода вещества (фиг.2).

Цифрами на чертежах обозначены:

1 - источник переменного напряжения, предназначенный для питания дифференциального электромагнитного (индуктивного) датчика;

2 - дифференциальный датчик, например, электромагнитный (индуктивный), содержащий излучающую катушку L1 и приемные катушки L2, L3 (чувствительные элементы);

3 - разностный усилитель;

4 - суммирующий усилитель;

5 - синхронный детектор;

6 - фильтр нижних частот;

7 - нуль-орган;

8 - блок положительной обратной связи;

9 - выход нуль-органа и парциального датчика расхода;

10 - вход нуль-органа 9;

11, 12 и 13, 14 - входы разностного и суммирующего усилителей.

На фиг.2 обозначения u₆ и u₉ - напряжения на выходах низкочастотного фильтра 6 и на выходе нуль-органа 9 и на выходе парциального датчика расхода. Напряжения u₀ и -u₀ - пороги срабатывания нуль-органа 9, охваченного положительной обратной связью через блок 8.

Выполнено устройство следующим образом.

Выход источника 1 переменного напряжения подключен к входу дифференциального датчика (к излучающей катушке L1 или, как вариант - непосредственно к чувствительным катушкам L2 и L3, включенным последовательно, как показано на фиг.1 пунктиром; в этом случае излучающая катушка L1 не требуется). Выходы дифференциального датчика 2 (те же чувствительные элементы - катушки L2, L3) подключены к входу 11 разностного 3 и к входам 13, 14 суммирующего 4 усилителей. При этом на вход 11 разностного усилителя 3 подается напряжение с выходной диагонали моста, образованного катушками L2 и L3 дифференциального датчика 2 и половинами потенциометра R1, а на вход 12 - напряжение отрицательной обратной связи с выхода этого усилителя, на входы 13 и 14 суммирующего усилителя 4 поступает суммарное переменное напряжение с катушек L2 и L3 дифференциального датчика. Разностный и суммирующий усилители для увеличения помехоустойчивости выполняются с дифференциальными выходами, как условно показано на фиг.1 (хотя это и не обязательно). Для этого обычно используется по две микросхемы операционных усилителей, включенных последовательно - усилитель как таковой и инвертор. Коэффициент усиления первой микросхемы суммирующего усилителя 4 может составлять несколько единиц, поскольку сигналы на его входе и выходе достаточно большие (порядка долей вольта на входе и единиц вольт на выходе), поэтому к этому усилителю жесткие требования не предъявляются. В предельном режиме он может работать как компаратор. На вход 11 разностного усилителя 3 поступает очень слабый выходной сигнал с диагонали моста. Поэтому коэффициент усиления первой микросхемы должен быть достаточно большим. Коэффициент усиления разностного усилителя 3 (и его выходное напряжение) задается делителем напряжения R2 и R3 в цепи отрицательной обратной связи. Любой усилитель с большим коэффициентом усиления обладает большим смещением нуля (почти неуправляемым выходным напряжением при входном напряжении равном нулю). Это напряжение и напряжение, инвертированное второй микросхемой разностного усилителя в виде смещения нуля противоположной полярности, поступают на вход синхронного детектора 5, на выходе которого даже при отсутствии сигнала на входе разностного усилителя появляется паразитная переменная составляющая, пропорциональная напряжению смещения первой микросхемы разностного усилителя 3. Ее амплитуда может быть соизмерима с полезным сигналом. Фильтр нижних частот 6, включенный после синхронного детектора, эту переменную составляющую должен подавлять. Фильтр должен подавлять и переменную составляющую, всегда присутствующую в полезном сигнале на выходе синхронного детектора 5.

Выходы усилителей 3 и 4 подключены к входам синхронного детектора 5 (на чертеже показан синхронный детектор на двух ключах, имитирующих полевые транзисторы, но может быть и иное исполнение). Выход синхронного детектора 5 через фильтр нижних частот 6 (R6C1) соединен с входом 10 нуль-органа 7. Блок положительной обратной связи 8 нуль-органа представляет собой пассивный делитель напряжения на резисторах R4 и R5, включенный между выходом 9 нуль-органа 7 и его неинвертирующим входом относительно общей шины 0. Такое построение нуль-органа превращает его в двухпозиционное устройство с зоной неопределенности (фиг.2,а).

Рассмотренное построение парциального датчика расхода входит в состав конструкции, выполненной в виде «улитки», сквозь которую проходит поток жидкости, а внутри нее в тороидальном желобе вращается ферромагнитный шарик, проходящий поочередно мимо катушек L2 и L3, установленных по периметру тороидального желоба. Прохождение ферромагнитного шарика мимо любой катушки изменяет ее индуктивность (или коэффициент связи с излучающей катушкой), в результате чего на этих катушках изменяются абсолютные значения напряжения, изменяется разность этих напряжений и фаза разностного напряжения на выходной диагонали моста и на выходах разностного усилителя. На входе и выходе суммирующего усилителя напряжения практически не изменяются. На выходе синхронного детектора 5 и после фильтра нижних частот 6 изменяется выходное напряжение и его знак (выходной сигнал переходит через ноль). Нуль-орган 7, охваченный положительной обратной связью, по факту перехода напряжения на его входе 10 через значения u₀ или -u₀ в моменты времени t1, t2, t3 (фиг.2,в) переключается из одного состояния в другое и обратно. Количество таких переключений служит мерой прошедшей через датчик жидкости.

Нуль-орган 7 может быть выполнен также только с одним неинвертирующим входом. В этом случае выход фильтра нижних частот 6 может быть подключен к этому входу через резистор (на схеме не показано). В этом случае принцип действия предложенного парциального датчика расхода сохраняется, изменяется только полярность («фаза») выходного напряжения 119 на фиг.2,в, в зависимости от положения подвижного элемента датчика относительно чувствительных катушек.

Напряжения срабатывания u₀ и -u₀ нуль-органа 7 целесообразно выбирать ближе к одной трети от максимального мгновенного значения выходного напряжения на выходе низкочастотного фильтра 6, чтобы все помехи были значительно меньше этих порогов срабатывания. При этом в процессе эксплуатации парциального датчика расхода реальные помехи, например, за счет механических воздействий на датчик, изменения коэффициентов усиления усилителей в течение срока службы датчика и от внешних воздействующих факторов (температуры окружающей среды, влажности, механических воздействий и т.д.) могут достигать почти такого же значения (до 30% от максимума u₆), а датчик при этом сохранит свою работоспособность. Уменьшение порогов срабатывания уменьшит устойчивость к помехам, что приведет к подрабатываниям, а увеличение - может привести к потере работоспособности (не переключение нуль-органа) при значительном снижении выходного напряжения на входе нуль-органа 7. Это может произойти из-за снижения уровня выходного сигнала источника 1 переменного напряжения, чувствительности дифференциального датчика 2, уменьшения коэффициентов усиления усилителей 3 и 4 и даже - из-за увеличения расхода измеряемого вещества, когда амплитуда напряжения u₆ после фильтра нижних частот 6 быстро уменьшается в связи с увеличением частоты полезного сигнала на его входе.

Значение порога срабатывания, близкого к 30%, рассчитано в определенной степени произвольно. В основу этого расчета положено предположение, что уровень помех в выходном сигнале u₆ после фильтра нижних частот 6 во всех наихудших условиях эксплуатации в конце гарантийного срока службы не может быть более 10% от максимального значения U₆. Исходя из этого, целесообразно выбрать пороги срабатывания u₀ и -u₀ втрое больше этого значения помехи и тогда максимальное выходное напряжение после низкочастотного фильтра будет также примерно втрое больше порога срабатывания. Эти соотношения будет обеспечивать максимальную помехоустойчивость.

В принципе, возможно дополнительное снижение помех на входе 10 нуль-органа 7 за счет увеличения постоянной времени фильтра нижних частот 6. Но в этом случае при больших расходах и большой скорости вращения ферромагнитного шарика внутри тороидального желоба датчика будет уменьшаться амплитуда полезного сигнала после фильтра нижних частот 6, что может привести к сбоям в срабатывании (см. выше).

Предложенный парциальный датчик обеспечивает максимальную точность, практически не требует настройки, кроме установки движка потенциометра R1 в среднее положение: жестких требований к генератору переменного напряжения не предъявляется, сигналы с катушек дифференциального датчика 2 всегда в фазе между собой, опорный сигнал всегда в фазе с сигналами катушек датчика, помехи подавляются фильтром нижних частот 6. В результате, при всех самых неблагоприятных сочетаниях внешних воздействующих факторов, в том числе - старения за время длительной эксплуатации, выходной сигнал синхронного детектора 5 после фильтра нижних частот 6 обеспечивает надежное срабатывание нуль-органа 7 при каждом прохождении подвижного элемента датчика мимо его чувствительных катушек.

Совокупность признаков, подобная рассмотренной автором в данном предложении, не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

В настоящее время предложенный датчик находятся на стадии разработки конструкторской документации.

Изобретение может быть использовано на изделиях предприятия в составе системы управления его исполнительными органами для контроля за расходом горючего.

Литература

1. Автоматизация производства и промышленная электроника в четырех томах. М., 1962, Том 1, с.276, рис. в.

2. Справочник по радиоэлектронике в трех томах. Под ред. А.А.Куликовского, Том 1. М.: Энергия, 1967 г., с.128, 129, рис.3-1.

3. Патент РФ №2153650, МПК 7: G01D 1/00 (прототип).

1. Парциальный датчик расхода, содержащий источник переменного напряжения, дифференциальный датчик, разностный и суммирующий усилители и синхронный детектор, при этом источник переменного напряжения связан с входом дифференциального датчика, выходы которого подключены к входам разностного и суммирующего усилителей, выходы которых подключены к входам синхронного детектора, отличающийся тем, что в него введен нуль-орган, блок положительной обратной связи, вход которого соединен с выходом нуль-органа, а выход - с его неинвертирующим входом, и фильтр нижних частот, включенный между выходом синхронного детектора и входом нуль-органа.

2. Датчик расхода по п.1, отличающийся там, что уровень положительной обратной связи нуль-органа близок к одной трети максимального значения уровня входного сигнала нуль-органа.