ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА
ELECTROMAGNETIC FLOW CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах учета количества теплоты, переносимой электропроводящими жидкостями, их объема и массы, а также контроля и регулирования объемного и массового расхода.
Известен электромагнитный расходомер [1], в котором уменьшение погрешности измерения при нестабильном токе возбуждения индуктора достигается за счет стабилизации коэффициента передачи измерительного тракта. Расходомер попеременно работает в режимах измерений и автоматической калибровки. В режиме измерений сигнал с выхода первичного преобразователя расхода через коммутатор, преобразователь сигнала, регулятор и первое устройство выборки хранения поступает на индикатор. В режиме автоматической калибровки опорный сигнал с выхода преобразователя тока в контрольный сигнал через коммутатор, преобразователь и регулятор поступает на вход схемы сравнения, на другой вход которой поступает образцовое напряжение с источника опорного напряжения. Напряжением с выхода схемы сравнения через второе устройство выборки-хранения регулируется коэффициент передачи регулятора коэффициента передачи.
Недостатком этого устройства является сложность конструктивного исполнения. Известен электромагнитный, преобразователь расхода [2], в состав которого входит первичный преобразователь, содержащий индуктор и электроды, и вторичный измерительный преобразователь, который, в свою очередь, содержит предварительный усилитель, формирователь тока питания индуктора, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, индикатор, источник опорного напряжения, формирователь модулирующего сигнала и модулятор опорного напряжения. Задачей этого преобразователя является уменьшение погрешности измерения расхода за счет устранения взаимного влияния электромагнитного поля индукторов расходомеров, расположенных вблизи друг от друга.
Недостатком устройства является зависимость погрешности измерения от нестабильности тока питания индуктора, которая обусловлена отклонением активного и индуктивного сопротивления индуктора под воздействием внешних факторов, что приводит также к снижению динамического диапазона измерения расхода.
Известен электромагнитный расходомер [3], который содержит первичный электромагнитный преобразователь расхода, включающий магнитную систему, в зазоре которой установлены трубопроводы с электродами, подсоединенными к измерительной схеме. Один из трубопроводов совместно с измерительной схемой образует 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 среды, магнитной системы и измерительной схемы на результат измерения. Измерительная схема содержит последовательно соединенные коммутатор аналоговых сигналов, со входами которого соединены электроды, расположенные на трубопроводах, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессор, управляющий коммутатором. Схема контроля включает в себя источник тока питания катушек магнитной системы, управляемый микропроцессором совместно с ШИМ-регулятором, и дополнительный АЦП, служащий для передачи на вход микропроцессора напряжения, полученного преобразованием тока питания измерительным резистором.
Недостатком расходомера является сложность конструктивного исполнения первичного преобразователя расхода и технической реализации дополнительного измерительного канала с постоянным расходом.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электромагнитный расходомер [4], в состав которого входит первичный преобразователь, содержащий индуктор и электроды, измерительный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, мостовой коммутатор тока, схема управления мостовым коммутатором, датчик тока и дополнительный аналого-цифровой преобразователь, служащий для контроля тока через индуктор и напряжения на индукторе, что обеспечивает определение величины отклонения текущих значений активного и индуктивного сопротивления индуктора, определенных программно-аппаратным образом по указанным значениям напряжений на индукторе от предустановленных в памяти их эталонных значений.
Недостатком приведенного электромагнитного расходомера является наличие раздельных АЦП для измерения сигналов с электродов первичного преобразователя и для контроля тока через индуктор, нестабильность трактов преобразования которых и опорных напряжений вносит дополнительную погрешность в результат измерения расхода.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности.
Указанная цель достигается тем, что в электромагнитный преобразователь расхода, содержащий первичный преобразователь расхода с индуктором и электродами, источник тока, датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и мостовой коммутатор тока, входы управления которого соединены с первым и вторым выходами микроконтроллера, а выходы с индуктором, введены цифро-аналоговый преобразователь, информационный вход которого соединен с третьим выходом микроконтроллера, а опорный вход с выходом опорного сигнала аналого-цифрового преобразователя, первый и второй аналоговые ключи, входы которых соединены с электродами первичного преобразователя, а выходы с сигнальными входами аналого-цифрового преобразователя, третий и четвертый ключи, выходы которых соединены с сигнальными входами аналого-цифрового преобразователя, а входы с общей точкой источника тока и датчика тока и общей точкой схемы, причем объединенные входы управления первого и второго ключей соединены с четвертым выходом микроконтроллера, а объединенные входы управления третьего и четвертого ключей с пятым выходом микроконтроллера.
На рис. 1 приведена структурная схема электромагнитного преобразователя расхода, на рис. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.
Электромагнитный преобразователь расхода содержит первичный преобразователь 1, включающий индуктор 2 и трубопровод 3 с электродами 4, соединенными через первый ключ 5 и второй ключ 6 с сигнальными входами аналого-цифрового преобразователя 7, информационный выход 1 которого соединен со входом микроконтроллера 8. Схема содержит также мостовой коммутатор тока 9, выходы которого соединены с индуктором 2, а входы управления с первым и вторым выходами микроконтроллера 8. Мостовой коммутатор тока 9 питается от источника тока 10, одним из выходов соединенным с мостовым коммутатором тока 9, а другим выходом с одним из концов датчика тока 11, другой конец которого соединен с общей точкой схемы.
Сигнальные входы аналого-цифрового преобразователя 7 соединены также через третий ключ 12 с концом датчика тока 11, соединенным с выходом источника тока 10, и через четвертый ключ 13 с общей точкой схемы.
Входы управления первого 5 и второго 6 ключей соединены с четвертым выходом микроконтроллера 8, а третьего 12 и четвертого 13 ключей с пятым выходом микроконтроллера 8.
Вход управления источника тока 10 соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя 14, информационный вход которого соединен с третьим выходом микроконтроллера 8, а вход опорного напряжения с выходом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 7.
Устройство работает следующим образом.
вх
Микроконтроллер 8 выдает на выходах 1 и 2 сдвинутые относительно друг друга тактирующие импульсы, поступающие на входы управления мостового коммутатора тока 9 (см. диаграммы U1 и U2), а на выходах 4 и 5 - сигналы управления ключами 5, 6, 12 и 13 (см. диаграммы U4 и U5), которые обеспечивают попеременное подключение на сигнальный вход АЦП 7 напряжения с электродов 4 и напряжения с датчика тока 11 (см. диаграмму U).
nu
R
В соответствии с тактирующими импульсами на индукторе формируются двуполярные импульсы (см. диаграмму U), а на конце датчика тока 11, соединенным с источником тока 10, - импульсы одной полярности (см. диаграмму U).
R
Сигнал U определяется следующей формулой:
, где
инд
I - ток питания индуктора,
R - сопротивление датчика тока.
инд
Ток питания индуктора I задается кодом, поступающим на информационный вход цифро-аналогового преобразователя 14 с третьего выхода микроконтроллера 8, и определяется следующим выражением:
, где
m - разрядность ЦАП 14,
- напряжение на выходе опорного напряжения АЦП 7,
цап
N - код, загружаемый в ЦАП 14 для задания тока питания индуктора 2.
цап
Код N определяется при настройке преобразователя расхода и заносится в память микроконтроллера 8 как контрольный код для определения ухода параметров индуктора под воздействием внешних факторов.
эл
Напряжение на электродах U имеет ту же форму, что и сигнал на индукторе, а амплитуда пропорциональна расходу и току питания индуктора и определяется следующей формулой:
, где
Q - объемный расход,
- коэффициент преобразования первичного преобразователя.
При подключении на сигнальный вход АЦП 7 напряжения с электродов микроконтроллер 8 считывает код, пропорциональный расходу. Значения  и  при протекании тока через индуктор в положительном и отрицательном направлениях имеют вид:
, где
n - разрядность АЦП
- опорный сигнал АЦП.
После подстановки в (4) и (5) выражения (2) получим следующие формулы для значений кодов АЦП при протекании тока через индуктор в положительном и отрицательном направлениях:
, где
+
Q - объемный расход при протекании тока через индуктор в положительном направлении
, где
-
Q - объемный расход при протекании тока через индуктор в отрицательном направлении.
Из выражений (6) и (7) следует, что значения кода  и  и, следовательно, и объемный расход зависят от кода, загружаемого в ЦАП, и от сопротивления датчика тока, определяющих ток питания индуктора, и не зависят от опорного напряжения АЦП, нестабильность которого может вносить дополнительную погрешность в результат измерения расхода.
Для устранения зависимости результатов измерения расхода от изменения параметров индуктора и сопротивления датчика тока под воздействием внешних факторов напряжение с датчика тока подключается к сигнальному входу АЦП, проводится преобразование напряжения с датчика тока в код, который сравнивается с контрольным кодом, записанным в памяти микроконтроллера. В случае отклонения полученного кода от контрольного проводится корректировка кода, загружаемого в ЦАП, осуществляется регулирование тока питания индуктора.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение точности измерения расхода путем регулирования тока питания индуктора для устранения влияния внешних факторов, причем преобразование сигналов с электродов и с датчика тока одним и тем же АЦП и преобразование кода в напряжение ЦАП, вход опорного напряжения которого подключен к выходу опорного напряжения АЦП обеспечивает независимость результата измерения расхода от нестабильности опорного напряжения.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Электромагнитный расходомер. Изобретение RU 1656328.
2. Электромагнитный расходомер. Патент РФ №2489684.
4. Электромагнитный расходомер. Патент РФ №2295706.
3. Электромагнитный расходомер и способ контроля измерения расхода текучих сред. Патент РФ №2529595.