РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ УСТРОЙСТВА И СПОСОБ АДАПТИВНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ВЫХОДНОГО ТОКА, КОТОРЫЕ СОВМЕСТНО ПОДДЕРЖИВАЮТ, ПО СУЩЕСТВУ, ПОСТОЯННУЮ ВЫХОДНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ МОЩНОСТЬ
DEVICE POWER CONTROLLER AND METHOD OF ADAPTIVE PROVISION OF OUTPUT VOLTAGE AND OUTPUT CURRENT, WHICH TOGETHER SUPPORT SUBSTANTIALLY PERMANENT OUTPUT ELECTRIC POWER

Область техники
O
O
O
Настоящее изобретение относится к регулятору мощности устройства и способу и, в частности, к регулятору мощности устройства и способу для адаптивного обеспечения выходного напряжения V и выходного тока I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P.
Предшествующий уровень техники
Расходомеры используются для измерения массового расхода, плотности и других характеристик текучих веществ. Текучие вещества могут содержать жидкости, газы, смеси жидкостей и газов, твердые вещества, взвешенные в жидкостях, жидкости, включающие в себя газы и взвешенные твердые вещества, и т.д. Расходомер можно использовать для измерения расхода (т.е. для измерения массового расхода через расходомер) и можно дополнительно использовать для определения относительных пропорций компонентов потока.
Во многих измерительных или промышленных автоматизированных установках шинный контур или инструментальная шина используется для подключения к различным типам устройств, например расходомерам. Шинный контур обычно используется для подачи электрической мощности на различные присоединенные приборы или устройства. Кроме того, шинный контур также часто используется для передачи данных на и от датчика или устройства. Поэтому шинный контур подключен к главному устройству, которое может обеспечивать регулируемое электрическое напряжение по шине и которое может обмениваться данными по шине. Главное устройство может подавать команды и/или программы, данные, калибровки и другие настройки и т.д. на различные подключенные устройства. Главное устройство также может принимать от подключенных устройств данные, в том числе данные идентификации, данные калибровки, данные измерения, рабочие данные и т.д.
Главное устройство может дополнительно содержать источник питания, который подключен к источнику электрической мощности. Главное устройство обычно обеспечивает электрическую мощность по шинному контуру, который ограничен по току, ограничен по напряжению и ограничен по мощности.
В ходе нормальной работы вибрационного расходомера, например денсиметра или кориолисова расходомера, требования к потреблению тока и напряжению относительно стабильны. Однако при первоначальном включении расходомера частота и амплитуда колебаний проточных трубок расходомера постепенно увеличиваются. В силу конструкции и материала проточных трубок и в силу добавленной массы текучего вещества в проточных трубках проточные трубки не могут сразу же достичь заданной амплитуды колебаний. Следовательно, на фазе запуска требуется более сильный электрический ток, чем при нормальной работе. Поэтому потребление электрического тока при запуске выше, чем потребление тока в ходе нормальной работы.
Шинный контур может содержать, например, шинный контур, рассчитанный на 4-20 миллиампер (мА). Шина 4-20 мА отвечает стандарту двухпроводной инструментальной шины, которая обычно используется для подключения к одному устройству и которую дополнительно можно использовать для обеспечения обмена данными между устройством и главным устройством. Альтернативно, шинный контур может содержать другие шинные протоколы или стандарты.
Согласно требованиям способов защиты Intrinsic Safety (внутренней безопасности) электрическая мощность, доставляемая главным устройством/источником питания, строго ограничена в целях безопасности. Например, протокол шины 4-20 мА может ограничивать электрический ток величиной 20 мА и может дополнительно ограничивать напряжение величиной 16-32 вольта (В). Таким образом, электрическая мощность, доступная устройству на шине, ограничивается.
В некоторых условиях работы запуск проточных трубок может быть затруднен. Один результат ограничения по мощности во время запуска состоит в том, что значительно увеличивается время запуска проточных трубок ввиду отсутствия возможности обеспечения повышенного тока для повышения амплитуды колебания проточной трубки или проточных трубок.
Краткое изложение существа изобретения
O
O
O
I
O
L
I
I
L
O
O
I
I
L
O
I
O
O
L
O
Согласно изобретению предложен регулятор мощности устройства для адаптивного обеспечения выходного напряжения V и выходного тока I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P. Регулятор мощности устройства содержит входы для приема входной мощности P, выходы для вывода, по существу, постоянной выходной мощности P на нагрузку L с изменяющимся импедансом и линию связи для приема напряжения V на нагрузке от нагрузки L. Регулятор мощности устройства сконфигурирован для определения входного напряжения V и входного тока I, определения действующего сопротивления R нагрузки L и задания выходного напряжения V и выходного тока I на основании входного напряжения V, входного тока I и действующего сопротивления R. Выходное напряжение V, по существу, не зависит от входного напряжения V. Выходное напряжение V и выходной ток I изменяются для максимизации мощности P нагрузки, передаваемой нагрузке L с изменяющимся импедансом при поддержании, по существу, постоянной выходной электрической мощности P.
O
O
O
I
L
O
O
I
I
L
O
I
O
O
L
O
Согласно изобретению предложен способ управления электрической мощностью для адаптивного обеспечения выходного напряжения V и выходного тока I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P. Способ содержит этапы, на которых определяют входное напряжение V и входной ток и определяют действующее сопротивление R нагрузки L с изменяющимся импедансом. Способ дополнительно содержит этап, на котором задают выходное напряжение V и выходной ток I на основании входного напряжения V, входного тока I и действующего сопротивления R. Выходное напряжение V, по существу, не зависит от входного напряжения V. Выходное напряжение V и выходной ток Iизменяются для максимизации мощности на нагрузке P, передаваемой нагрузке L с изменяющимся импедансом при поддержании, по существу, постоянной выходной электрической мощности P.
O
O
O
I
L
L
O
O
I
I
L
L
O
I
O
O
L
O
Согласно изобретению предложен способ управления электрической мощностью для адаптивного обеспечения выходного напряжения V и выходного тока I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P. Способ содержит этапы, на которых определяют входное напряжение V и входной ток и определяют действующее сопротивление R нагрузки L с изменяющимся импедансом. Способ дополнительно содержит этап, на котором определяют, находится ли действующее сопротивление R в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне. Способ дополнительно содержит этап, на котором задают выходное напряжение V и выходной ток I на основании входного напряжения V, входного тока I и действующего сопротивления R, если действующее сопротивление R не находится в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне. Выходное напряжение V, по существу, не зависит от входного напряжения V. Выходное напряжение V и выходной ток I изменяются для максимизации мощности на нагрузке P, передаваемой нагрузке L с изменяющимся импедансом при поддержании, по существу, постоянной выходной электрической мощности P.
I
I
В одном аспекте регулятора мощности устройства входное напряжение Vсодержит, по существу, фиксированное входное напряжение V.
L
L
1
L
В другом аспекте регулятора мощности устройства действующее сопротивление Rсодержит R=CV.
O
Согласно еще одному аспекту регулятора мощности устройства выходное напряжение Vсодержит
.
I
I
Согласно еще одному аспекту регулятора мощности устройства входное напряжение V и входной ток I согласуются со стандартом шинного контура.
I
I
Согласно еще одному аспекту регулятора мощности устройства входное напряжение V и входной ток I согласуются со стандартом безопасности (IS).
L
Согласно еще одному аспекту регулятора мощности устройства нагрузка L содержит вибрационный расходомер и напряжение на нагрузке V связано с амплитудой колебаний одной или нескольких проточных трубок вибрационного расходомера.
L
Согласно еще одному аспекту регулятора мощности устройства нагрузка L содержит кориолисов расходомер и напряжение на нагрузке V связано с амплитудой колебаний одной или нескольких проточных трубок кориолисова расходомера.
L
Согласно еще одному аспекту регулятора мощности устройства нагрузка L содержит вибрационный денситометр и напряжение на нагрузке V связано с амплитудой колебаний одной или нескольких проточных трубок вибрационного денситометра.
L
O
O
I
I
L
L
Согласно еще одному аспекту регулятор мощности устройства дополнительно сконфигурирован для определения, находится ли действующее сопротивление R в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне, и задания выходного напряжения V и выходного тока I на основании входного напряжения V, входного тока I и действующего сопротивления R, если действующее сопротивление R не находится в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне.
O
O
Согласно еще одному аспекту регулятор мощности устройства дополнительно содержит источник напряжения, сконфигурированный для задания выходного напряжения V, и источник тока, сконфигурированный для задания выходного тока I.
O
O
O
O
O
Согласно еще одному аспекту регулятор мощности устройства дополнительно содержит преобразователь напряжения возбуждения, сконфигурированный для задания выходного напряжения V, источник тока возбуждения, сконфигурированный для обеспечения выходного тока I, и устройство управления, соединенное с преобразователем напряжения возбуждения, нагрузкой L и устройством управления током контура, причем устройство управления сконфигурировано для управления преобразователем напряжения возбуждения и источником тока возбуждения для генерации, по существу, постоянной выходной мощности P при задании выходного напряжения V и выходного тока I.
I
I
Согласно одному аспекту способа входное напряжение V содержит, по существу, фиксированное входное напряжение V.
L
L
1
L
Согласно другому аспекту способа действующее сопротивление R содержит R=CV.
O
Согласно еще одному аспекту способа выходное напряжение V содержит
.
I
I
Согласно еще одному аспекту способа входное напряжение V и входной ток I согласуются со стандартом шинного контура.
I
I
Согласно еще одному аспекту способа входное напряжение V и входной ток I согласуются со стандартом внутренней безопасности (IS).
L
Согласно еще одному аспекту способа нагрузка L содержит вибрационный расходомер и напряжение V на нагрузке связано с амплитудой колебаний одной или нескольких проточных трубок вибрационного расходомера.
L
Согласно еще одному аспекту способа нагрузка L содержит кориолисов расходомер и напряжение V на нагрузке связано с амплитудой колебаний одной или нескольких проточных трубок кориолисова расходомера.
L
Согласно еще одному аспекту способа нагрузка L содержит вибрационный денситометр и напряжение V на нагрузке связано с амплитудой колебаний одной или нескольких проточных трубок вибрационного денситометра.
O
O
I
I
L
L
Согласно еще одному аспекту способа способ дополнительно содержит этапы, на которых определяют, находится ли действующее сопротивление RL в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне, и задают выходное напряжение V и выходной ток I на основании входного напряжения V, входного тока I и действующего сопротивления R, если действующее сопротивление R не находится в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает расходомер, содержащий сборку расходомера и электронный блок измерения;
Фиг.2 изображает шинную систему согласно изобретению;
Фиг.3 изображает регулятор мощности устройства согласно варианту воплощения изобретения.
emf
L
L
emf
L
O
Фиг.4 изображает диаграмму абсолютного значения напряжения катушки возбуждения V, напряжения V на нагрузке (где V содержит V плюс напряжение на сопротивлении R нагрузки/возбудителя) и выходной ток I;
O
O
O
Фиг.5 изображает логическую блок-схему этапов способа для адаптивного обеспечения выходного напряжения V и выходного тока I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P, согласно изобретению;
O
O
O
Фиг.6 изображает блок-схему последовательности этапов способа адаптивного обеспечения выходного напряжения V и выходного тока I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P, согласно изобретению;
Фиг.7 изображает блок-схему мощности устройства согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов
воплощения изобретения
На Фиг.1-7 представлены конкретные примеры, демонстрирующие специалистам в данной области техники конструкцию и использование предпочтительных вариантов воплощения изобретения. Для представления принципов изобретения некоторые традиционные аспекты были упрощены или опущены. Специалисты в данной области техники могут предложить различные альтернативы этих примеров, которые отвечают объему изобретения. Специалистам в данной области техники очевидно, что описанные ниже признаки можно по-разному объединять для формирования различных вариантов изобретения. Таким образом, изобретение ограничивается не описанными ниже конкретными примерами, но только формулой изобретения и ее эквивалентами.
На Фиг.1 показан расходомер 5, содержащий сборку 10 расходомера и электронный блок 20 измерения. Электронный блок 20 измерения подключен к сборке 10 расходомера проводниками 100 и сконфигурирован для обеспечения измерений одного или нескольких из плотности, массового расхода, объемного расхода, суммарного массового расхода, температуры и другой информации по линии 26 связи. Специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение можно использовать в кориолисовом расходомере любого типа независимо от количества возбудителей, тензодатчиков, проточных трубок или рабочего режима колебания. Кроме того, следует понимать, что расходомер 5 может альтернативно содержать вибрационный денситометр.
Сборка 10 расходомера включает в себя пару фланцев 101 и 101', коллекторы и 102', возбудитель 104, тензодатчики 105-105' и проточные трубки 103A и 103B. Возбудитель 104 и тензодатчики 105 и 105' подключены к проточным трубкам 103A и 103B.
Фланцы 101 и 101' присоединены к коллекторам 102 и 102'. Коллекторы 102 и 102' могут крепиться к противоположным концам распорки 106. Распорка 106 поддерживает разделение между коллекторами 102 и 102' во избежание нежелательных вибраций в проточных трубках 103A и 103B. Когда сборка 10 расходомера вставлена в трубопроводную систему (не показана), которая переносит текучее вещество, характеристики которого измеряются, текучее вещество поступает в сборку 10 расходомера через фланец 101, проходит через впускной коллектор 102, где полное количество текучего вещества направляется в проточные трубки 103A и 103B, протекает через проточные трубки 103A и 103B и достигает выпускного коллектора 102', где оно выходит из сборки 10 расходомера через фланец 101'.
Проточные трубки 103A и 103B выбирают и соответствующим образом устанавливают на впускной коллектор 102 и на выпускной коллектор 102' для обеспечения, по существу, одинаковых распределений массы, моментов инерции и модулей упругости относительно осей изгиба W--W и W'--W' соответственно. Проточные трубки 103A и 103B выходят наружу из коллекторов 102 и 102' и располагаются, по существу, параллельно.
Проточные трубки 103A и 103B приводятся в движение возбудителем 104 в противоположных направлениях относительно соответствующих осей изгиба W и W' в так называемом первом режиме изгиба расходомера 5. Возбудитель 104 может содержать одну из многих общеизвестных компоновок, например, в виде магнита, установленного на проточной трубке 103A, и противостоящей катушки, установленной на проточной трубке 103B. Переменный ток пропускается через противостоящую катушку, чтобы вызвать колебание трубок. Электронный блок 20 измерения подает надлежащий сигнал возбуждения на возбудитель 104 по проводнику 110.
Электронный блок 20 измерения принимает сигналы датчиков по проводникам 111 и 111' соответственно. Электронный блок 20 измерения создает на проводнике 110 сигнал возбуждения, который заставляет возбудитель 104 колебать проточные трубки 103A и 103B. Электронный блок 20 измерения обрабатывает левый и правый сигналы скорости от тензодатчиков 105 и 105' для вычисления массового расхода. Линия 26 связи обеспечивает средства ввода и вывода, которые позволяют электронному блоку 20 измерения взаимодействовать с оператором или другими электронными системами. На Фиг.1 показан лишь пример работы кориолисова расходомера, и настоящее изобретение не ограничивается этим режимом работы.
O
O
O
O
На Фиг.2 показана шинная система 200 согласно варианту воплощения изобретения. Шинная система 200 включает в себя источник 110 питания контура, подключенный к шинному контуру 112. Окружение 100 расходомера может дополнительно включать в себя регулятор 120 мощности устройства, подключенный к шинному контуру 112. В некоторых вариантах воплощения регулятор 120 мощности устройства адаптивно обеспечивает выходное напряжение V и выходной ток I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P. Выходная мощность P может поступать на нагрузку L с изменяющимся импедансом, например вибрационный расходомер 5 или другое шинное устройство 5.
Источник 110 питания контура может иметь фиксированное или ограниченное выходное напряжение и фиксированный или ограниченный выходной ток. В источнике питания IS выдаваемая электрическая мощность (в том числе выдаваемый электрический ток) ограничивается во избежание возгорания или взрыва при использовании в опасной среде. В некоторых вариантах воплощения источник 110 питания контура содержит (взрывобезопасный Intrinsically Safe (IS)) источник питания. Поэтому источник 110 питания контура может согласовываться с конкретным стандартом безопасности.
Различные устройства, подключенные к шинному контуру 112, могут передавать данные на и иначе осуществлять связь с источником 110 питания контура. Когда источник 110 питания контура находится за IS перегородкой, источник 110 питания контура может, например, передавать данные и другую информацию на другие устройства, включая устройства мониторинга и/или записи, передатчик для связи с другими устройствами, дисплей оператора и т.д.
Шинный контур 112 может принимать один или несколько шинных устройств 5 и может выдавать электрическую мощность на один или несколько шинных устройств 5. Шинный контур 112 может передавать информацию между источником 110 питания контура и одним или несколькими шинными устройствами 5. Шинный контур 112 может включать в себя шины для подключения многих устройств (например, основная полевая шина (Foundation Fieldbus)), а также контуры с одним устройством (например, шину 4-20 мА).
Регулятор 120 мощности устройства имеет входы 121 и выходы 122. Регулятор 120 мощности устройства принимает электрическую мощность на входах 121 от источника 110 питания контура через шинный контур 112. Регулятор 120 мощности устройства выдает электрическую мощность на один или несколько подключенных шинных устройств 5 на выходах 122, а также может передавать информацию между подключенным шинным устройством 5 и источником 110 питания контура. Регулятор 120 мощности устройства выдает, по существу, постоянную электрическую мощность на один или несколько подключенных шинных устройств 5.
В показанном варианте воплощения подключенное шинное устройство 5 содержит вибрационный расходомер, который подключен к регулятору 120 мощности устройства. Шинное устройство 5 может включать в себя сборку 10 расходомера и электронный блок 20 измерения, рассмотренные выше. Однако следует понимать, что к регулятору 120 мощности устройства можно подключать другие шинные устройства 5.
L
Регулятор 120 мощности устройства включает в себя линию 126 связи. Регулятор 120 мощности устройства обменивается информацией с источником 110 питания контура по шинному контуру 112. Кроме того, линия 126 связи обеспечивает обмен информацией между шинным устройством 5 и регулятором 120 мощности устройства. Это позволяет регулятору 120 мощности устройства передавать информацию между источником 110 питания контура и шинным устройством 5. Кроме того, регулятор 120 мощности устройства может преобразовывать передаваемую информацию. Например, если электронный блок 20 измерения генерирует цифровые сигналы связи, регулятор 120 мощности устройства может преобразовывать цифровые сигналы измерения в аналоговые уровни тока, которые применимы к току I контура.
L
L
L
L
Связь по шинному контуру 112 согласно некоторым протоколам позволяет изменять электрический ток I контура, текущий по шинному контуру 112. Согласно, по меньшей мере, одному протоколу инструментальной шины ток I контура изменяется от 4 миллиампер (мА) до 20 мА, когда шинное устройство 5 работает, и, таким образом, образует аналоговый сигнал измерения. Электронный блок 20 измерения будет управлять током I контура посредством сигналов, передаваемых на регулятор 120 мощности устройства и согласно измеренному массовому расходу текучего вещества через сборку 10 расходомера. В отсутствие потока через сборку 10 расходомера или когда шинное устройство 5 не находится в рабочем режиме, ток I контура может удерживаться на уровне менее 4 мА согласно соответствующему протоколу инструментальной шины.
Однако шинный протокол, согласующийся с IS, ограничивает общую мощность, которая может доставляться на шинное устройство 5, например расходомер 5. Шинное устройство 5 не может принимать больше мощности (P), чем доступно на шинном контуре 112. Электрическая мощность (P) определяется как напряжение (V), умноженное на ток (I), или:
P=V·I
(1)
Вибрационные расходомеры, например кориолисовы расходомеры и вибрационные денситометры, колеблются благодаря подаче электрического тока на катушку возбуждения, установленную на одной трубке, которая создает магнитное поле, которое приводит в движение магнит на противоположной трубке. Сила (F) между катушкой и магнитом пропорциональна напряженности магнитного поля магнита (B), току (i) в катушке и длине (L) катушки, что выражается уравнением:
F=BiL
(2)
При увеличении амплитуды трубки в катушке наводится напряжение (т.е. ЭДС). Напряжение пропорционально амплитуде колебаний проточной трубки. Для поддержания определенной амплитуды возбуждения напряжение возбуждения должно быть, по меньшей мере, также велико, как напряжение ЭДС катушки, связанное с этой амплитудой. Однако на практике напряжение возбуждения должно быть больше ЭДС катушки для преодоления падения напряжения на последовательном сопротивлении катушки.
Средняя мощность, потребляемая сборкой 10 расходомера, вычисляется как произведение тока возбуждения катушки и ЭДС возбуждения катушки. Кориолисовы расходомеры обычно сконструированы так, чтобы катушка возбуждения обеспечивала напряжение ЭДС в дипазоне от 2 В до 5 В и потребляла ток возбуждения от 1 до 10 мА на заданной амплитуде колебаний. Напротив, типичный передатчик для расходомера предназначен для обеспечения напряжения 10 В и тока 100 мА на возбудителе 104. Избыточное напряжение возбуждения позволяет максимальному напряжению ЭДС датчика плюс превышение согласовываться с последовательным сопротивлением. Избыточный ток возбуждения обеспечивает систему дополнительной энергией, когда неблагоприятные условия технологического потока потребляют дополнительную мощность возбуждения, например при появлении вовлеченного воздуха. Избыточный ток возбуждения также служит для преодоления инерции сборки 10 расходомера при запуске, что позволяет сравнительно быстро достигать заданной амплитуды, возможно, за одну-две секунды.
Ограничение по напряжению и току, доступному для IS шины, представляет ряд проблем для вибрационного расходомера. Ограничения по мощности, присущие шинному устройству, получающему питание из контура, обуславливают максимальный ток возбуждения, что снижает способность поддерживать заданную амплитуду колебаний в неблагоприятных условиях потока.
Таким образом, в неблагоприятных условиях потока удовлетворительное поддержание колебаний проточных трубок может оказаться невозможным. Например, когда в текучем веществе присутствует вовлеченный воздух, собственная частота колебаний проточных трубок повышается. Вовлеченный воздух может содержать, например, пузырьки, расслоенное течение или пробковое течение. В режиме пробкового течения частота колебаний может быстро меняться.
Другая значительная проблема для IS шины состоит в подаче электрической мощности на сборку 10 расходомера в ходе запуска. Колебание сборки 10 расходомера от состояния покоя до, по существу, резонансной частоты требует времени и электрического тока для завершения. Время запуска для колебания проточной трубки или трубок увеличивается по мере снижения допустимой токовой нагрузки. Ограничение по току возбуждения неизбежно удлиняет время, необходимое для достижения заданной амплитуды при запуске, которое в стандартной конфигурации может достигать четырех минут, в зависимости от размера проточной трубки и других факторов. Поэтому время запуска для сборки расходомера может значительно увеличиваться в связи с ограничением электрического тока вследствие соображений IS. Значительное увеличение времени запуска расходомера нежелательно или даже неприемлемо для большинства пользователей расходомера.
O
O
O
O
O
O
В ходе запуска расходомера выходное напряжение V можно поддерживать чуть выше уровня напряжения отклика от нагрузки (т.е. шинного устройства 5). Соответственно, выходной ток I может достигать максимума в начале запуска расходомера, поскольку более низкое выходное напряжение V позволяет регулятору 120 мощности устройства генерировать более сильный выходной ток I. По мере увеличения амплитуды колебаний сборки 10 расходомера выходное напряжение V может увеличиваться и выходной ток I может уменьшаться.
O
O
O
В предшествующем уровне техники эти недостатки приводили к тому, что мощность, подаваемая на возбудитель, оказывалась значительно меньше доступной мощности. Типичный подход предшествующего уровня техники состоит просто в ограничении выходного тока I, поступающего на шинное устройство 5, при отсутствии ограничения выходного напряжения V. Однако выходное напряжение V может быть значительно выше необходимого, в особенности когда сборка 10 расходомера имеет амплитуду колебаний ниже заданной. Следовательно, подаваемая мощность значительно меньше доступной мощности, особенно в периоды, когда требуется большой ток.
O
O
O
O
O
O
O
O
Регулятор 120 мощности устройства согласно изобретению обеспечивает, по существу, постоянную выходную мощность P на подключенное шинное устройство 5. Регулятор 120 мощности устройства изменяет подаваемое напряжение и подаваемый ток. В некоторых вариантах воплощения регулятор 120 мощности устройства увеличивает выходной ток I путем снижения выходного напряжения V. Таким образом, регулятор 120 мощности устройства оптимизирует электрическую выходную мощность P, подаваемую на подключенное шинное устройство 5. Регулятор 120 мощности устройства может поддерживать выходное напряжение V чуть выше, например, амплитуды колебательного отклика. Более низкое выходное напряжение V позволяет регулятору 120 мощности устройства обеспечивать более высокий выходной ток I. Следовательно, при поддержании, по существу, постоянной выходной электрической мощности P регулятор 120 мощности устройства может сокращать время запуска расходомера и может увеличивать способность расходомера адаптироваться к изменяющимся условиям потока, в том числе к условиям многофазного потока.
O
O
O
O
В некоторых вариантах воплощения выходное напряжение V и выходной ток I могут изменяться между фиксированными, дискретными уровнями. Альтернативно, выходное напряжение V и выходной ток I могут изменяться непрерывно.
Регулятор 120 мощности устройства изображен в виде отдельного компонента. Однако следует понимать, что регулятор 120 мощности устройства может альтернативно содержать компонент или часть подключенного шинного устройства 5, например интегральную часть электронного блока 20 измерения.
O
O
O
O
На Фиг.3 показан регулятор 120 мощности устройства согласно варианту воплощения изобретения. В некоторых вариантах воплощения регулятор 120 мощности устройства адаптивно обеспечивает выходное напряжение V и выходной ток I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P. Выходная мощность P может поступать на нагрузку L с изменяющимся импедансом, например вибрационный расходомер 5 или другое шинное устройство 5.
O
O
В показанном варианте воплощения регулятор 120 мощности устройства содержит регулятор 310 напряжения и регулятор 320 тока. Регулятор 310 напряжения может изменять выходное напряжение V. Регулятор 320 тока может изменять выходной ток I. Линия 126 связи (не показана) может быть соединена с регулятором напряжения 310 и/или регулятором тока 320. Линия 126 связи может передавать информацию об уровне напряжения отклика на регулятор 310 напряжения и регулятор 320 тока. Кроме того, линия 126 связи может передавать другую информацию на регулятор 310 напряжения и регулятор 320 тока.
O
O
O
O
Регулятор 310 напряжения и регулятор 320 тока подключены к линии 126 связи. Следовательно, регулятор 310 напряжения и регулятор 320 тока могут, по необходимости, изменять выходное напряжение V и выходной ток I. Альтернативно, регулятор 120 мощности устройства согласно этому варианту воплощения может включать в себя устройство обработки или управления (не показано), которое управляет регулятором 310 напряжения и регулятором 320 тока для изменения выходного напряжения V и выходного тока I.
O
O
I
O
I
Регулятор 310 напряжения может выдавать, при необходимости, изменяющееся выходное напряжение V. Выходное напряжение V может быть меньше или больше входного напряжения V. Следовательно, в некоторых вариантах воплощения регулятор 310 напряжения содержит преобразователь постоянного тока, который может повышать выходное напряжение V до величины, превышающей входное напряжение V. Преобразователь постоянного тока также можно именовать генератором подкачки напряжения или заряда, вольтодобавочным преобразователем и т.д.
O
V
current
L
O
current
L
O
L
CC
Регулятор 320 тока, при необходимости, может регулировать и выводить изменяющийся выходной ток I. Регулятор 320 тока в некоторых вариантах воплощения может содержать переменное сопротивление R. Регулятор 320 тока будет генерировать падение напряжения V. Нагрузка L может содержать устройство переменного импеданса любого типа. Например, нагрузка L может содержать расходомер 5, в том числе вибрационный расходомер 5. Например, нагрузка L может содержать кориолисов расходомер 5 или вибрационный денситометр 5. Нагрузка L будет генерировать напряжение V на нагрузке. Выходное напряжение V содержит напряжение V управления током плюс напряжение V на нагрузке. Аналогично выходная мощность P содержит мощность P нагрузки плюс мощность регулировки тока P.
emf
L
L
emf
L
O
L
PO
На Фиг.4 показана диаграмма абсолютного значения напряжения катушки возбуждения V, напряжения V на нагрузке (где V содержит V плюс напряжение, падающее на сопротивлении R нагрузки/возбудителя) и выходного тока I. Напряжение V на нагрузке можно получать как напряжение V на датчике, когда нагрузка L содержит вибрационный расходомер 5. График показывает изменяющийся характер вибрационного расходомера, являющегося нагрузкой, в ходе запуска колебаний сборки 10 расходомера.
Импеданс нагрузки L, когда нагрузка L содержит вибрационный расходомер 5, имеет минимальное значение в момент запуска расходомера 5 (т.е. когда сборка 10 расходомера не вибрирует или вибрирует с относительно небольшой амплитудой). Напротив, когда сборка расходомера 10 приближается к нужной амплитуде колебаний или достигает ее, импеданс увеличивается и, следовательно, ток, необходимый для поддержания вибрации, снижается. Поэтому более высокие уровни электрического тока необходимы при запуске расходомера 5 или при возникновении неблагоприятных условий потока. Например, в случаях высоких уровней вовлеченного воздуха или пробкового течения колебания сборки 10 расходомера испытывают сильное затухание и амплитуда колебаний может заметно снижаться. В результате в ходе нормальной работы могут возникать периоды времени, когда необходимый ток значительно увеличивается и, соответственно, может потребоваться увеличение выходного тока для восстановления или поддержания надлежащих уровней вибрации.
Напротив, напряжение, необходимое для запуска вибрации или восстановления надлежащих уровней вибрации в сборке 10 расходомера, сравнительно низко. Необходимое выходное напряжение возрастает, когда сборка 10 расходомера приближается к заданной амплитуде колебаний и когда катушка возбуждения требует более высоких уровней напряжения для изменения направления при поддержании частоты возбуждения.
O
O
O
I
I
I
I
I
I
I
На Фиг.5 показана логическая блок-схема 500 этапов способа адаптивного обеспечения выходного напряжения V и выходного тока I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P согласно варианту воплощения изобретения. На этапе 501 определяются входное напряжение V и входной ток I. Входное напряжение V и входной ток I можно получать, например, из шинного контура 112. Входное напряжение V и входной ток I содержат доступную входную мощность P.
I
O
O
В некоторых вариантах воплощения шинный контур 112 содержит шинный контур, отвечающий стандарту безопасности (IS). Следовательно, входная мощность P, доступная от шинного контура 112, обычно является ограниченной, и выходной ток I невозможно увеличивать до нужной величины по мере необходимости, по меньшей мере, не снижая выходное напряжение V.
L
1
L
L
На этапе 502 определяется действующее сопротивление R нагрузки L с изменяющимся импедансом. Множитель C содержит коэффициент преобразования, и напряжение V на нагрузке в некоторых вариантах воплощения содержит напряжение на датчике тензодатчика вибрационного расходомера. В некоторых вариантах воплощения действующее сопротивление R составляет:
R<sub>L</sub>=C<sub>1</sub>V<sub>L</sub>
(3)
L
L
Действующее сопротивление R может изменяться с течением времени. Как рассмотрено выше, когда нагрузка L содержит, например, вибрационный расходомер, импеданс может изменяться в соответствии с вибрацией сборки расходомера. Вибрация может изменяться в ходе запуска и также может изменяться в неблагоприятных или аномальных условиях потока, например потока газа в жидкости (в том числе в виде пузырьков, расслоенного течения, пробкового течения, и т.д.) или других многофазных потоков, в случае изменений плотности текучего вещества и т.д. Таким образом, определяемое действующее сопротивление R может содержать, по существу, мгновенный импеданс или может содержать, по меньшей мере, частично усредненный импеданс.
O
O
O
I
O
На этапе 503 задают выходное напряжение V и выходной ток I. Предполагая стопроцентный КПД, т.е. отсутствие потерь в регуляторе 120 мощности устройства, получаем, что выходная мощность P равна входной мощности P, где мощность P=V·I. В результате выходное напряжение V можно определить согласно формуле:
<img file="00000002.tif" he="7" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
(4)
O
I
Следует понимать, что выходная мощность P на самом деле не равна входной мощности P, поскольку регулятор мощности устройства потребляет некоторую электрическую мощность.
O
В некоторых вариантах воплощения выходное напряжение V определяется как:
<img file="00000001.tif" he="7" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
(5)
2
O
I
O
L
O
O
L
O
O
L
O
O
Здесь множитель C содержит коэффициент потери мощности в неидеальных условиях или КПД (т.е. V<V). Уравнения 4 и 5 позволяют задать выходное напряжение V согласно рабочим условиям нагрузки L. Уравнения 4 и 5 дополнительно позволяют поддерживать выходную мощность на, по существу, постоянном уровне, даже когда действующее сопротивление R изменяется с течением времени. Следовательно, выходное напряжение V можно снижать, одновременно увеличивая выходной ток I, и наоборот. Например, если действующее сопротивление R падает в ходе работы вибрационного расходомера, то выходное напряжение V можно соответственно снижать, чтобы увеличивать выходной ток I. Напротив, если действующее сопротивление R увеличивается, то выходной ток I можно соответственно снижать, чтобы увеличивать выходное напряжение V.
O
O
Затем способ возвращается к этапу 501 и итерационно управляет выходным напряжением V и выходным током I.
O
O
O
I
I
На Фиг.6 показана блок-схема 600 этапов способа для адаптивного обеспечения выходного напряжения V и выходного тока I, которые совместно поддерживают, по существу, постоянную выходную электрическую мощность P согласно варианту воплощения изобретения. На этапе 601 определяются входное напряжение V и входной ток I, как рассмотрено выше.
L
На этапе 602 определяется действующее сопротивление R, как рассмотрено выше.
L
L
L
O
На этапе 603, если действующее сопротивление R находится в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне, то способ возвращается к началу, в противном случае способ переходит к этапу 604. Заранее определенный нормальный рабочий диапазон соответствует оптимальной или ожидаемой вибрации сборки 10 расходомера и оптимальной или ожидаемой амплитуде колебаний. Заранее определенный нормальный рабочий диапазон может изменяться согласно модели расходомера и согласно текучему веществу. Если действующее сопротивление R находится в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне, то можно считать, что нагрузка L работает удовлетворительно, и никаких дополнительных действий не требуется в этой итерации цикла управления. В противном случае если действующее сопротивление R не находится в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне, то выходное напряжение V нужно установить (т.е. изменить). Сравнение обычно не удается в ходе запуска или в случае какой-либо аномалии потока, например при наличии вовлеченного газа в текучем веществе.
O
O
L
На этапе 604 устанавливаются выходное напряжение V и выходной ток I, если действующее сопротивление R не находится в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне, как рассмотрено выше.
I
На Фиг.7 показан регулятор 120 мощности устройства согласно варианту воплощения изобретения. В этом варианте воплощения регулятор 120 мощности устройства включает в себя устройство 710 управления током контура, преобразователь 715 напряжения возбуждения, регулятор 720 и устройство 725 управления током возбуждения. Устройство 710 управления током контура может содержать необязательный компонент (обозначенный пунктирной линией), и он может быть включен в варианты воплощения, где входной ток I модулируется для передачи данных через входы 121. Преобразователь 715 напряжения возбуждения соединен с регулятором 720 по линии 755 и соединен с устройством 710 управления током контура по линии 751. Устройство 710 управления током контура соединено с регулятором 720 по линии 757, соединено с устройством 725 управления током возбуждения по линии 754 и соединено с преобразователем 715 напряжения возбуждения по линии 751. Устройство 725 управления током возбуждения соединено с регулятором 720 по линии 756. Линии 751 и 754 дополнительно содержат входы 121.
Регулятор 120 мощности устройства в этом варианте воплощения подключен к датчику 730 расходомера. Датчик 730 расходомера может включать в себя сборку расходомера 10. Кроме того, датчик 730 расходомера может включать в себя электронный блок 20 измерения. Датчик 730 расходомера соединен с преобразователем 715 напряжения возбуждения по линии 752, соединен с устройством 725 управления током возбуждения по линии 753 и соединен с регулятором 720 по линии связи 126. Линии 752 и 753 дополнительно содержат выходы 122. Датчик 730 расходомера принимает электрическую мощность по линиям 752 и 753. Один или несколько сигналов измерения (возможно, другие характеристики датчиков) поступают на регулятор 720 по линии 126 связи. Например, массовый расход и/или плотность может поступать на регулятор 720 по линии 126 связи.
I
O
I
O
I
O
I
I
O
I
Преобразователь 715 напряжения возбуждения может принимать входное напряжение V и может генерировать выходное напряжение V, которое не зависит от входного напряжения V. Выходное напряжение V может быть меньше, равно или больше входного напряжения V. Преобразователь 715 напряжения возбуждения может создавать выходное напряжение V, которое больше входного напряжения V, выдаваемого шинным контуром 112 или другим источником питания. Преобразователь 715 напряжения возбуждения может содержать, например, преобразователь постоянного тока. Преобразователь 715 напряжения возбуждения может преобразовывать входное напряжение V постоянного тока в напряжение переменного тока, может повышать напряжение переменного тока и также может преобразовывать напряжение переменного тока обратно в напряжение постоянного тока. Таким образом, выходное напряжение V можно генерировать так, чтобы оно было больше входного напряжения V.
O
O
O
O
O
В ходе работы преобразователь 715 напряжения возбуждения может обеспечивать заранее определенное выходное напряжение V на датчик 730 расходомера. Кроме того, преобразователь 715 напряжения возбуждения может изменять выходное напряжение V в заранее определенном диапазоне напряжения, например в диапазоне напряжения, отвечающем IS. Выходное напряжение V можно изменять для максимизации выходного тока I при поддержании, по существу, постоянной выходной мощности P, как рассмотрено выше.
I
I
O
O
I
O
I
O
O
I
Устройство 710 управления током контура может регулировать величину входного тока I, который поступает на датчик 730 расходомера. Следовательно, устройство 710 управления током контура может преобразовывать, по меньшей мере, часть входного тока I в выходной ток I. Выходной ток I может быть меньше или равен входному току I. В некоторых вариантах воплощения выходной ток I может быть даже больше входного тока I. Однако в других вариантах воплощения в отличие от выходного напряжения V выходной ток I не может превышать входной ток I.
L
L
L
O
O
Регулятор 720 принимает информацию обратной связи от датчика 730 расходомера по линии 126 связи. Информация обратной связи может включать в себя рассмотренное выше напряжение на нагрузке V. Кроме того, регулятор 720 может принимать другую информацию, в том числе частоту отклика, фазовую задержку или временную задержку между сигналами тензодатчиков и т.д. Напряжение на нагрузке V связано с амплитудой колебательного отклика на датчике 730 расходомера. Напряжение на нагрузке V может содержать напряжение на датчике в некоторых вариантах воплощения. Регулятор 720 соединен с преобразователем 715 напряжения возбуждения и устройством 710 управления током контура и сконфигурирован с возможностью изменения выходного напряжения V и выходного тока I.
O
O
O
L
O
O
O
L
L
Регулятор 720 может быть сконфигурирован с возможностью управления преобразователем 715 напряжения возбуждения и устройством 710 управления током контура для генерации, по существу, постоянной выходной мощности P, подаваемой на датчик расходомера 730 при изменении выходного напряжения V и выходного тока I относительно напряжения V на нагрузке, принимаемого от датчика 730 расходомера. Альтернативно, регулятор 720 может быть сконфигурирован с возможностью управления преобразователем 715 напряжения возбуждения и устройством 710 управления током контура для увеличения выходного тока I и соответственного снижения выходного напряжения V для поддержания, по существу, постоянной выходной мощности P, если напряжение V на нагрузке ниже заранее определенного рабочего порога (т.е. если эффективный импеданс R не находится в заранее определенном нормальном рабочем диапазоне).