ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР

Назначение и область применения
Полезная модель относится к приборостроению, в частности к электромагнитным устройствам для измерения расхода (расходомерам) электропроводящих сред, и может быть использована, в частности, в приборах измерения расхода электропроводной жидкости и теплоносителя в напорных трубопроводах, а также в счетчиках воды, кислот, щелочей, молока, пива и иных текучих сред.
Предшествующий уровень техники
Известны электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных сред, содержащие один измерительный преобразователь, один непроводящий трубопровод, одну магнитную систему, два электрода для снятия сигнала, пропорционального расходу, преобразователи сигналов.
Известен также электромагнитный расходомер, содержащий первичный преобразователь расхода, предварительный усилитель, микроконтроллер, формирователь тока, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), источник опорного напряжения, индикатор, формирователь сигнала интерфейса [RU 12240 U1].
Известно также решение электромагнитного расходомера, содержащее первичный преобразователя расхода, выходы которого соединены со входами предварительного усилителя, соединенного через аналого-цифровой преобразователь с управляющим микроконтроллером, соединенным с источником тестового напряжения, связанным с формирователем тестового напряжения, вызоды котрого соединены с усилителем. При этом уиулитель и АЦП соединены с незавивисимым источником питания. Тестовое напряжение генерируется с предустановленной периодичностью, таким образом, что с выхода усилителя на вход АЦП поступает периодически измеренное напряжение первичного преобразователя и напряжение состоящее из наложенных измеренного сигнала и тестового, что позволяет осуществлять калибровку устрой путем сравнения выходных характеристик с предустановленными в микроконтроллере [US 7114400].
К числу недостатков вышеуказанных устройств можно отнести существенное влияние вешних магнитных полей на точность и достоверность измерений, что обусловливает увеличение погрешности измерений, а также громоздкость конструкции и относительно высокое энергопотребление, что ограничивает возможности применения электромагнитного расходомера указанной конструкции.
Известен электромагнитный расходомер, содержащий первичный электромагнитный преобразователь расхода, включающий индуктор с катушками, в зазоре которых расположен трубопровод с электродами, подсоединенными к измерительной схеме, содержащей измерительный АЦП вход которого соединен с электродами, а выход со схемой управления, выполненной с обеспечением возможности управления и контроля тока питания индуктора, содержащей источник тока питания катушек индуктора, управляемый микроконтроллером соединенным, по меньшей мере, с индикатором отображения. Расходомер также содержит дополнительный трубопровод с электродами, расположенными с противоположных сторон дополнительного трубопровода и подсоединенными ко входу измерительной схемы, при этом дополнительный трубопровод с измерительной схемой образуют измерительный канал с постоянным расходом измеряемой среды, создающий со схемой контроля для управления током питания магнитной системы отрицательную обратную связь, позволяющую компенсировать влияние изменения параметров измеряемой среды, магнитной системы и измерительной схемы на результат измерения, измерительный резистор, индикатор отображения, соединенный с измерительной схемой. Кроме того, измерительная схема содержит последовательно соединенные коммутатор аналоговых сигналов, со входами которого соединены электроды, расположенные на трубопроводах, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, управляющий коммутатором, а схема контроля включает в себя источник тока питания катушек магнитной системы, управляемый микропроцессором совместно с широкополосным импульсным регулятором, и АЦП, служащий для передачи на вход микропроцессора напряжения, полученного преобразованием тока питания измерительным резистором. При этом, в начале работы расходомера инициируют возбуждение на электродах первичного преобразователя расхода знакопеременного напряжения, пропорционального скорости измеряемой среды в измерительном канале, пересекающей при движении магнитное поле индуктора, и осуществляют далее измерение величины электрического параметра измерительным АЦП, а преобразование измеряемой величины в единицы расхода жидкости в микроконтроллере. [RU 2295706 C2]. Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
Недостатком этого устройства и представленного в нем способа осуществления и контроля измерений, является сложность конструктивного исполнения и большая чувствительность к внешним помехам с частотой, близкой к частоте питания катушек магнитной системы при невысоком уровне достоверности измерений в присутствии внешних магнитных полей отличных от указанных, существенное энергопотребление. Сущность заявленного решения
Технической задачей, решаемой заявленным решением является предложение электромагнитного расходомера, обеспечивающего контроль условий работы измерительного прибора и влияния окружающей среды на его работоспособность.
Техническим результатом заявленного устройства электромагнитного расходомера является повышение достоверности измерений, распознавания влияния внешних помех на точность измерений и, как следствие, повышение точности измерений, расширении их диапазона и спектра применения устройства, снижение энергопотребления.
Указанный технический результат достигают тем, что используют электромагнитный расходомер, содержащий первичный электромагнитный преобразователь расхода, включающий индуктор с катушками, в зазоре которых расположен трубопровод с электродами, подсоединенными к измерительной схеме, содержащей измерительный АЦП вход которого соединен с электродами, а выход со схемой управления, выполненной с обеспечением возможности управления и контроля тока питания индуктора, содержащей источник тока питания катушек индуктора, управляемый микроконтроллером соединенным, по меньшей мере, с индикатором отображения отличающийся от прототипа тем, что схема контроля управления содержит дополнительный АЦП, встроенный в микроконтроллер, один вход которого выполнен с возможностью измерения напряжения, пропорционального току через индуктор, и передачи измеренных величин напряжений на микроконтроллер, при этом, один из выходов микроконтроллера соединен с управляющим входом источника тока индуктора с возможностью управления величиной тока индуктора и расчета микроконтроллером программно-аппаратным образом на выборке из нескольких различных значений тока индуктора усредненного отношения сигнала с выхода первичного преобразователя расхода к току индуктора, их сравнения с предустановленными в энергонезависимой памяти микроконтроллера эталонными значениями и фиксации наличия нелинейности магнитной системы расходомера при отклонении текущих значений расчетных параметров от эталонных, с возможностью вывода результата, по меньшей мере, на индикатор отображения.
При этом, энергонезависимая память содержит предустановленные эталонные значения усредненного отношения сигнала с выхода первичного преобразователя расхода к току индуктора, а микроконтроллер выполнен с обеспечением возможности фиксации превышения текущих значений расчетных параметров от эталонных при их сравнении программно-аппаратным образом. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения схема контроля управления может дополнительно содержать питающийся от источника тока и снабженный датчиком тока мостовой коммутатор тока, выходы которого соединены со входами индуктора, а вход с микроконтроллером, при этом, один вход дополнительного АЦП соединен с датчиком тока, с возможностью измерения напряжения пропорционального току через индуктор, а второй вход с последовательно соединенными мостовым коммутатором и источником тока, с возможностью измерения напряжения пропорционального напряжению на индукторе. А энергонезависимая память может содержать предустановленные пороговые значения отклонения текущих значений активного и индуктивного сопротивлений индуктора, при этом микроконтроллер может быть выполнен с обеспечением возможности фиксации превышения пороговых значений сопротивления индуктора при сравнении программно-аппаратным образом текущих значений с эталонными.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения выход измерительного АЦП соединен со входом микроконтроллера с возможностью передачи текущих значений измерения напряжения пропорционального скорости измеряемой среды проходящей через трубопровод первичного преобразователя. При этом, измерительный АЦП может быть соединен со входом микроконтроллера через гальваническую развязку, а дополнительный АЦП выполнен встроенным в микроконтроллер.
Микроконтроллер может быть соединен, по меньшей мере, с импульсным выходом и/или выходом коммуникации, с возможностью представления результатов измерений и/или диагностической информации на внешние устройства посредством унифицированных выходных сигналов. Вместе с тем, в еще одном варианте осуществления изобретения, выходы микроконтроллера могут быть также соединены со входами внешних и/или периферийных устройств, с возможностью передачи, и/или представления результатов измерений и/или диагностической информации на внешние устройства, и/или накопления и архивирования результатов измерений, и/или записи ее на машиночитаемые носители информации, и/или вывода на печать. Причем, микроконтроллер может быть выполнен с возможностью формирования блокирующего управляющего сигнала на схему управления питания расходомера при превышении времени в течение которого осуществляется фиксация наличия внешнего магнитного поля искажающего результаты измерения и/или числа измерений фиксирующих наличие указанного магнитного поля, пороговые значения которых предустановленных в энергонезависимой памяти
Краткое описание чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема заявленного решения электромагнитного расходомера.
Следует отметить, что прилагаемый чертеж иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели, и поэтому не может рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое включает другие варианты выполнения
Осуществление полезной модели
Как следует из функциональной схемы, представленной на фиг. 1 электромагнитный расходомер включает первичный электромагнитный преобразователь 1 расхода, с индуктором 2 и катушками, в зазоре которых расположен трубопровод с электродами, подсоединенными к измерительной схеме, содержащей измерительный аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП), выход которого непосредственно или через гальваническую развязку соединен с микроконтроллером 5. При этом, схема управления также содержит питающийся от источника 4 тока и снабженный датчиком 11 тока мостовой коммутатор 6 тока, выходы которого соединены со входами индуктора 2, а вход с микроконтроллером 5 вход которого, в свою очередь, соединен с выходом дополнительного АЦП 7, выполненного, в частности, встроенным в микроконтроллер 5. Причем, один из входов дополнительного АЦП 7 соединен с датчиком 11 тока. Микроконтроллер 5 также может быть снабжен встроенной энергонезависимой памятью, содержащей, в частности, предустановленные эталонные значения зависимости напряжения с выхода первичного преобразователя расхода к току индуктора. Возможны также реализации решения в которых энергонезависимая память является самостоятельным элементом схемного решения, подключаемым и управляемым микроконтроллером 5.
Микроконтроллер 5, являясь основой схемы управления, реализует программно-аппаратным образом основные функции управления работоспособностью измерительного комплекса и системой питания заявленного решения, и в частности, используется для:
- проведения вычислений и управления всеми периферийными устройствами,
- вывода информации на индикатор 8,
- вывода информации на импульсные выходы 9,
- вывода информации на выходы 10 коммуникации,
- управления мостовым коммутатором 6 тока питающегося от источника 4 тока, снабженного датчиком 11 тока (R)
В конкретной реализации устройства в качестве измерительного АЦП 3 может быть использована интегральная схема ADS1292, в качестве микроконтроллера 5 - интегральная микросхема EFM32F222 или EFM32LG232, а в качестве дополнительного АЦП 7 - внутренний АЦП микроконтроллера 5, оставшаяся же часть схемы реализована на дискретных компонентах.
При этом, устройство контроля измерений расхода текучих сред работает следующим образом:
Индуктор 2 первичного преобразователя 1 расхода, запитывается знакопеременным током с выхода мостового коммутатора 6 тока, управляемого микроконтроллером 5. При этом величина тока через индуктор определяется источником 4 тока.
При движении электропроводящей измеряемой среды, пересекающей магнитное поле индуктора 2, на электродах (выходах) первичного преобразователя 1 расхода возникает знакопеременное напряжение, пропорциональное скорости измеряемой среды, поступающее на вход измерительного АЦП 3, выходы которого напрямую или через барьеры гальванической развязки соединены со входами микроконтроллера 5, вычисляющего расход на основании измеренного на электродах напряжения.
1
Согласно заявленному техническому решению, вариант осуществления которого представлен на фиг. 1, один из входов дополнительного АЦП 7, в качестве которого в приведенном варианте используется встроенный АЦП микроконтроллера 5, подается напряжение V с датчика 11 тока, пропорциональное току I через индуктор 2.
1
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
Программно-аппаратным образом, посредством микроконтроллера 5, управляя величиной тока индуктора через управляющий вход Iset источника 4 тока, дополнительно, с помощью встроенного дополнительного АЦП 7 микроконтроллера 5, осуществляют контроль его точного значения измерением пропорционального току через индуктор напряжения с датчика 11 тока (R),. При этом для N значений тока индуктора от I до I на выходе АЦП 3 осуществляют измерение соответствующего напряжения V пропорционального величине расхода и программно-аппаратным образом на различных значениях тока индуктора в микроконтроллере вычисляют усредненное отношение Q сигнала V с выхода первичного преобразователя расхода к току индуктора I. На основании анализа зависимости этого отношения (Q=V/I) от тока индуктора диагностируют нарушение линейности магнитной системы расходомера. При этом, полученную зависимость Q от I сравнивают с предустановленной в памяти микроконтроллера 5 эталонной зависимостью, а нелинейность магнитной системы расходомера, искажающую метрологические характеристики прибора диагностируют на основании превышения значения отклонения значений указанной зависимости Q от порогового значения установленного в энергонезависимой памяти микроконтроллера, определенного на стадии производства расходомера.
N
N
N
N
Поскольку под влиянием внешнего магнитного поля изменяется характер намагниченности стального сердечника магнитной системы от напряженности магнитного поля, изменяются и значения измеренного отношения Q от I относительно значений, полученных при производстве расходомера, Таким образом, по факту фиксации отличия сравниваемых значений может быть сделан вывод о наличии внешнего магнитного поля, искажающего результаты измерения. Оценку изменений значений зависимости Q относительно эталонных предпочтительно осуществляют относительно пороговых значений допустимых изменений, например, исчисляемых в виде процентного соотношения, или предустановленного диапазона, или каким-либо иным способом, известным из уровня техники, позволяющим осуществлять контроль допустимых отклонений диагностируемых величин. Так, при превышении заданного порога изменения, установленного в энергонезависимой памяти микроконтроллера в виде процентного соотношения (например, 1%), микроконтроллер может диагностировать наличие внешнего поля, искажающего метрологические характеристики прибора. При этом, микроконтроллер может сформировать сообщение предустановленного образца для вывода его на индикаторное устройство расходомера, и/или передать информацию на импульсный выход, и/или на внешние или периферийные, подключаемые посредством коммутационных разъемов, устройства, с возможностью распознавания информации, ее обработки, отображения, вывода на печать, записи на машиночитаемые носители, архивирования и т.д. Для исключения случайной ошибки выявления полей, оказывающих влияние на достоверность осуществляемых расходомером измерений, в микроконтроллере программно-аппаратным образом могут быть предустановленны таймер и/или счетчик измерений, отслеживающих повторяемость выявления отклонений текущих значений Q от эталонных. Таймер и счетчик могут быть реализованы программно-аппаратным способом. При этом, микроконтроллер может быть выполнен с возможностью формирования блокирующего управляющего сигнала на схему управления питания расходомера при превышении времени в течение которого осуществляется фиксация наличия внешнего магнитного поля искажающего результаты измерения и/или числа измерений фиксирующих наличие указанного магнитного поля, пороговые значения которых предустановленных в энергонезависимой памяти микроконтроллера.
Таким образом, очевидно, что предложенное решение электромагнитного расходомера позволяет с высокой степенью вероятности осуществлять распознавание влияния внешних магнитных полей на точность измерений, с возможностью оповещения о полученных результатах контроля измерений и блокировки работы прибора при отсутствии устранения причин искажения, что повышает достоверность осуществляемых расходомером измерений, а также, в свою очередь, повышает точность измерения, расширяет диапазон измерений и спектр применения устройства. Устройство содержит один источник питания, а параметры работы всего устройства контролируются программно-аппаратным образом микроконтроллером, связанным с двумя АЦП, один из которых является встроенным в микроконтроллер, что обеспечивает снижение энергопотребления за счет возможности оптимизации работы всех модулей устройства.
Технические решения заявленного решения могут быть использованы в промышленных системах контроля текучих сред, в системах управления различными технологическими процессами, в химической, пищевой промышленности, топливно-энергетическом комплексе, при организации проверки метрологических характеристик расходомерного оборудования, а также при исследованиях в области расходометрии и электромагнитного измерения расхода электропроводящих сред, в частности, и т.д.