СПОСОБ КОНТРОЛЯ МАГНИТНО-ИНДУКТИВНОГО РАСХОДОМЕРА
METHOD OF CONTROLLING MAGNETO-INDUCTIVE FLOW RATE METRE

Изобретение относится к способу контроля магнитно-индуктивного расходомера, содержащего измерительную трубку для пропускания измеряемой текучей среды и систему магнитного поля, содержащую, по меньшей мере, одну полевую катушку, через которую, по меньшей мере, периодически протекает ток возбуждения и которая служит для создания магнитного поля, по меньшей мере, частично пронизывающего текучую среду перпендикулярно направлению течения.
Для измерения электропроводящих текучих сред нередко используются расходомеры с магнитно-индуктивным измерительным преобразователем расхода. Ниже, в случае необходимости, для простоты говорится только об измерительных преобразователях расхода или расходомерах. Магнитно-индуктивные расходомеры позволяют, как известно, измерять объемный расход протекающей в трубопроводе электропроводящей жидкости и отображать в виде соответствующего измеренного значения; следовательно, по определению, измеряют протекающий в единицу времени через сечение трубы объем жидкости. Конструкция и принцип действия магнитно-индуктивных расходомеров специалисту известны и подробно описаны, например, в DE-A 4326991, ЕР-А 1275940, ЕР-А 1273892, ЕР-А 1273891, ЕР-А 814324, ЕР-А 770855, ЕР-А 521169, US-A 6031740, US-A 5487310, US-A 5210496, US-A 4410926, US-A 2002/0117009 или WO-А 01/90702.
Измерительные преобразователи расхода описанного рода содержат обычно неферромагнитную измерительную трубку, помещаемую в трубопровод герметично, например, посредством фланцев или резьбовых соединений. Электрическое напряжение, выработанное посредством ориентированного поперек направления течения измеряемой текучей среды магнитного поля в протекающей текучей среде на основе рассеяний заряда, снимают посредством, по меньшей мере, двух измерительных электродов в виде измерительного напряжения и обрабатывают в электронном устройстве измерительного прибора в соответствующее измеренное значение, например измеренное значение объемного расхода. Касающаяся текучей среды часть измерительной трубки, как правило, не является электропроводящей, с тем, чтобы измерительное напряжение, индуцируемое согласно закону электромагнитной индукции Фарадея пронизывающим, по меньшей мере, частично измерительную трубку магнитным полем в текучей среде, не было замкнуто накоротко. Поэтому металлические измерительные трубки покрыты обычно внутри электронепроводящим слоем, например из эбонита, полифторэтилена и т.д., и, как правило, не являются ферромагнитными; у измерительных трубок, состоящих полностью из пластика или керамики, в частности из алюминийоксидной керамики, электронепроводящий слой, напротив, не требуется.
У магнитно-индуктивных измерительных преобразователей расхода необходимое для измерения магнитное поле вырабатывают посредством соответствующей системы, содержащей имеющее индуктивность L катушечное устройство, по меньшей мере, с двумя в большинстве случаев полевыми катушками, соответствующие сердечники и/или полюсные башмаки для полевых катушек и, при необходимости, магнитно-проводящие направляющие пластины, которые соединяют сердечники катушек вне измерительной трубки. Известны также системы магнитного поля с одной полевой катушкой. Сердечники катушек и/или полюсные башмаки магнитной системы состоят в большинстве случаев из мягкомагнитного материала. Однако уже описаны магнитные системы с ферромагнитными сердечниками катушек. Система магнитного поля расположена обычно непосредственно в измерительной трубке.
Для создания магнитного поля генерированный соответствующим электронным устройством измерительного прибора ток заставляют течь через катушечное устройство. Чтобы созданное системой магнитное поле было максимально однородным, полевые катушки в самом распространенном и простейшем случае идентичны друг другу и равнонаправленно включены последовательно, так что через них при работе протекает один и тот же ток возбуждения. Однако уже было описано, что через катушки попеременно одно- или встречно-направленно пропускают ток возбуждения, чтобы определить за счет этого, например, вязкость жидкостей и/или степень турбулентности течения (см. также ЕР-А 1275940, ЕР-А 770855 или DE-A 4326991. Названный ток возбуждения вырабатывают посредством рабочего электронного устройства; его регулируют до постоянного значения, например 85 мА, а его направление периодически реверсируют. Реверсирование направления тока достигается тем, что катушки включены в так называемую Т- или Н-образную схему; в отношении регулирования и реверсирования направления тока, см. US-A 4410926 или US-A 6031740, или US А 6031740 и ЕР 0969268А. Катушечный ток в современных измерительных преобразователях расхода представляет собой тактовый биполярный прямоугольный переменный ток, который в первом полупериоде длительности периода является положительным с постоянным первым конечным значением, а затем за счет переключения во втором полупериоде длительности периода - отрицательным с постоянным, в основном, равным по величине первому конечному значению вторым конечным значением. Катушечное устройство может быть, например, отдельной катушкой, если магнитно-индуктивный измерительный преобразователь расхода служит в качестве зонда течения (US-A 3529591), или может состоять, например, из двух частичных катушек, расположенных на измерительной трубке диаметрально противоположно друг другу. В US-B 6763729, US-A 6031740 или US-A 4410926 описана схема для вырабатывания такого катушечного тока. Эта схема включает в себя генерирующий катушечный ток, источник энергоснабжения, а также Н-образную мостовую схему для модуляции катушечного тока, причем катушечное устройство включено в поперечное плечо мостовой схемы. Далее в US-A 6031740 и US-A 4410926 описана схема для вырабатывания катушечного тока, которая вместо Н-образной мостовой схемы содержит Т-образную мостовую схему для катушечного устройства. Далее в US-A 4404240 описано катушечное устройство со встроенным источником энергоснабжения для вырабатывания катушечного тока магнитно-индуктивного измерительного преобразователя расхода, которая отдает напряжение, начальное значение которого в каждом упомянутом полупериоде в течение времени возрастания катушечного тока в качестве первого частичного периода выше, чем конечное значение в течение второго частичного периода в качестве остатка полупериода.
Упомянутое индуцированное напряжение возникает между, по меньшей мере, двумя гальваническими, т.е. смоченными жидкостью, или между, по меньшей мере, двумя емкостными, т.е. расположенными, например, внутри стенки измерительной трубки, измерительными электродами, причем каждый из электродов снимает для себя потенциал. В наиболее распространенном случае измерительные электроды расположены диаметрально противоположно друг другу так, что их общий диаметр перпендикулярен направлению магнитного поля и, тем самым, перпендикулярен диаметру, на котором лежат катушечные устройства. Индуцированное напряжение усиливают и посредством схемы оценки преобразуют в измерительный сигнал, который регистрируют, отображают или подвергают дальнейшей обработке. Соответствующие измерительные электронные устройства также известны специалисту, например из ЕР-А 814324, ЕР-А 521169 или WO-А 01/90702.
Помимо собственно измерительной функции современные магнитно-индуктивные расходомеры нередко обладают также более важными диагностическими функциями, посредством которых расходомер при работе может быть подвергнут самотестированию. Подобные диагностические функции описаны, например, в уже упомянутых публикациях US-A 6763729 или ЕР-А 1217337.
При таком самотестировании, во-первых, может происходить контроль того, все ли компоненты измерительного прибора являются полностью функционально-способными, а, во-вторых, протекает ли измерительный режим в соответствии с правилами. Если результат такого самотестирования положительный, т.е. измерительный прибор или измерительный режим не имеет сбоев, то выданный измерительным прибором результат измерения, конечно, в пределах заданных допустимых погрешностей соответствует фактическому значению. В частности, в рамках такого самотестирования отдельные компоненты и детали измерительного прибора, например посредством измерений импеданса или омического сопротивления или проводимости, могут быть проверены на их функциональную способность. Далее на достоверность при вводе могут быть проверены, например, также установочные данные. При этом введенные данные, лежащие вне допустимого диапазона, отклоняются. Независимо от контроля установочных данных при вводе данные, вычисленные по установочным данным и управляющие непосредственно измерительным режимом измерительного прибора, еще раз проверяют на их допустимые пределы. Этот контроль осуществляют до начала измерительного режима, так что при возникновении ошибки в установочных данных может быть выдано соответствующее сообщение об ошибке, а измерение может быть соответственно прервано.
У описанного в ЕР-А 1217337 измерительного прибора предложено изменять силу тока возбуждения, измерять соответствующее току возбуждения измерительное напряжение и на основе превышающего пороговое значение отклонения измеренных при различной силе тока величин измерительного напряжения от величины измерительного напряжения, ожидаемой за счет функции между током возбуждения и измерительным напряжением, определять сбой измерительного режима измерительного прибора. Следовательно, для контроля измерительного режима используют предполагаемую в качестве известной и положенную в его основу функцию между током возбуждения и измерительным напряжением. В простейшем случае эта функция между током возбуждения и измерительным напряжением может представлять собой линейную функцию, так что сбой измерительного режима измерительного прибора можно определить просто за счет отклонения величин измерительного напряжения, достигнутых при различной силе тока более чем на одно пороговое значение от линейной характеристики.
В противоположность этому у описанного в US-B 6763729 расходомера контроль осуществляют за счет того, что после изменения направления тока определяют, по меньшей мере, один параметр возрастания тока и сравнивают его с эталонным значением. При этом в качестве параметра используют промежуток времени между двумя заданными значениями тока. Поскольку возрастание тока отвечает заданной физической закономерности, как правило, экспоненциальной функции, достаточно определить время возрастания между двумя значениями, чтобы получить надежную информацию о возрастании тока. В качестве альтернативы или дополнительно к этому можно использовать в качестве параметра промежуток времени между переключением направления тока и достижением заданного значения тока. Момент переключения следует определить очень точно. Например, это позволяет использовать сигнал переключения также в качестве возбуждающего сигнала для счетчика времени. Заданное значение тока может лежать, например, близко к максимальному значению тока, т.е. близко к силе тока, которая после размаха магнитного поля устанавливается на подходящее для измерения постоянное значение. Далее в US-B 6763729 после переключения используют повышенное напряжение. Как уже раскрыто в US-A 6031740, такое перенапряжение ускоряет создание магнитного поля, поскольку оно повышает возрастание тока и обеспечивает, тем самым, ускорение собственно измерения.
Пороговое или эталонное значение, при превышении которого можно установить сбой измерительного режима измерительного прибора, может быть определено в самом расходомере в более ранний момент. Например, при пуске в работу можно определить желаемый параметр и в качестве эталонного значения записать в предусмотренном в электронном устройстве измерительного прибора микрокомпьютере в виде цифрового значения так, чтобы оно было в распоряжении для будущих процессов контроля. Таким образом, каждый расходомер получает индивидуальное эталонное значение. Эталонное значение отклонения может быть определено различным образом, например в виде постоянного абсолютного значения. Далее пороговое значение можно определить в виде процентной доли от конечного значения диапазона измерений для измерительного напряжения. Таким образом, за счет одноразового определения порогового значения, а именно в виде процентной доли от конечного значения диапазона измерений для исходной величины, можно достичь настройки измерительного прибора, применимой для любых настраиваемых диапазонов измерений измерительного прибора.
При определении сбоя измерительного режима измерительного прибора возможны, в остальном, различные процессы. Например, может быть закончен измерительный режим измерительного прибора, поскольку больше нельзя достичь надежных результатов измерений. В качестве альтернативы или дополнительно к этому при определении сбоя измерительного режима могут быть выданы также оптические и/или акустические предупредительные сообщения.
В ЕР 1108988 А раскрыт способ автоматического обнаружения сбоя, в частности, образования налета на измерительных электродах магнитно-индуктивного расходомера. Для этого на измерительные электроды подается тестовый сигнал. С его помощью измеряется время релаксации, представляющее собой отрезок времени, который проходит до превышения порогового значения, и зависящее от степени образования налета на измерительных электродах.
Несмотря на эти уже известные из уровня техники методы самотестирования измерительных приборов существует потребность разработки дополнительных методов самотестирования, с помощью которых можно было еще точнее определить, имеет ли место сбой измерительного режима или самого измерительного прибора. В частности, может наступить такой случай, когда отдельные компоненты измерительного прибора лишь незначительно отклоняются от своих заданных значений, так что каждый отдельный компонент в рамках самотестирования считается полностью функционально способным, однако при взаимодействии компонентов возникает такой измерительный режим, который является ошибочным и в котором указанная точность измеренных значений не может быть обеспечена.
Кроме того, оказалось, что из-за того, что в магнитной системе в результате переключения и возрастания катушечного тока индуцируются вихревые токи, которые, как сказано также в US-A 6031740, препятствуют тому, чтобы возрастание магнитного поля точно следовало за возрастанием катушечного тока, как это произошло бы без сердечников катушек и/или без полюсных башмаков. Напротив, возрастание магнитного поля замедляется и уплощается по сравнению с возрастанием катушечного тока.
В идеальном случае характеристика тока в катушечном устройстве соответствует характеристике магнитного поля. Из-за вихревых токов, возникающих во время переключения магнитного поля в полюсных башмаках и сердечниках катушечного устройства, в действительности возникают отклонения от идеального случая. Измеренный вне катушечного устройства катушечный ток соответствует поэтому сумме тока, протекающего в катушке, и тока, выработанного вихревыми токами. Если измеренный вне катушечного устройства ток используют в качестве регулируемой величины, то, следовательно, постоянным является ток, а не магнитное поле. Это действует до тех пор, пока вихревые токи не затухнут.
Это отрицательное действие вихревых токов возникает также при упомянутом превышении напряжения и несмотря на него. Действие вихревых токов можно проиллюстрировать тем, что предполагается, что параллельно индуктивности катушки включен источник вихревых токов, ток которого не суммируется с током в индуктивности в общий ток возбуждения. Таким образом, падение напряжения на резисторе, включенном последовательно с индуктивностью полевой катушки, является, правда, мерой тока возбуждения, однако не фактически соответствующего магнитному полю, действительного тока возбуждения в индуктивности. Однако это, как сказано также в ЕР-А 1460394, необходимо для точного регулирования магнитного поля и, следовательно, является предпочтительным для контроля системы магнитного поля.
Поэтому задачей изобретения является разработка способа, с помощью которого можно было проверить расходомер описанного рода во время его текущего измерительного режима, следовательно, очень точно и простым образом определить сбои измерительного прибора и, при необходимости, также локализовать их.
Для решения этой задачи изобретение заключается в способе контроля магнитно-индуктивного расходомера, содержащего измерительную трубку для пропускания измеряемой текучей среды и систему магнитного поля, содержащую, по меньшей мере, одну полевую катушку, через которую, по меньшей мере, периодически протекает ток возбуждения и которая служит для создания магнитного поля, по меньшей мере, частично пронизывающего текучую среду перпендикулярно направлению течения, включающего в себя следующие этапы:
- изменение, по меньшей мере, периодически возбуждающего ток возбуждения напряжения в первый момент с первой величины в данный момент, в частности отличной от нуля, до, в частности, постоянной или отрегулированной постоянной второй величины для повышения силы возбуждаемого напряжением и протекающего, по меньшей мере, в одной полевой катушке тока возбуждения до максимального значения, причем вторую величину напряжения выбирают большей, чем первая величина напряжения;
- изменение возбуждающего в данный момент ток возбуждения напряжения во второй момент со второй величины до, в частности, постоянной или отрегулированной постоянной третьей величины для снижения силы протекающего в данный момент, по меньшей мере, в одном полевой катушке тока возбуждения с максимального значения до заданного для тока возбуждения, в частности постоянного, конечного значения, причем третью величину напряжения выбирают меньшей, чем вторая величина напряжения;
- по меньшей мере, периодическую регистрацию тока возбуждения для определения третьего момента, соответствующего достижению конечного значения тока;
- определение первой временной постоянной для системы магнитного поля, соответствующей промежутку времени между вторым и третьим моментами, и/или определение второй временной постоянной для системы магнитного поля, соответствующей промежутку времени между первым и третьим моментами;
- сравнение полученной первой временной постоянной с заданным первым эталонным значением и/или сравнение полученной второй временной постоянной с заданным вторым эталонным значением для определения диагностического значения, представляющего рабочее состояние расходомера в данный момент.
В первом варианте способа предусмотрено, что третью величину напряжения выбирают меньшей, чем первая величина напряжения.
Во втором варианте способа предусмотрено, что, по меньшей мере, периодически возбуждающее ток возбуждения напряжение изменяют таким образом, что его вторая величина в течение лежащего между первым и вторым моментами промежутка времени, по меньшей мере, периодически, в частности также непосредственно перед вторым моментом, является, в основном, постоянной.
В третьем варианте способа предусмотрено, что, по меньшей мере, одну полевую катушку катушечного устройства для настройки напряжения на третью величину, по меньшей мере, периодически замыкают накоротко.
Основная идея изобретения заключается в том, чтобы третий момент описанного выше способа настройки тока возбуждения или магнитного поля, признанный как в очень сильной степени зависимый от рабочего состояния расходомера в данный момент, в частности, однако, от состояния системы магнитного поля в данный момент и, следовательно, как реагирующий очень восприимчиво на изменения в системе магнитного поля, здесь имеется в виду момент, измеренный от подходящего эталонного момента, использовать для контроля расходомера, в частности системы магнитного поля. Изобретение основано при этом, в том числе, на том факте, что ошибка в системе магнитного поля оказывает значительное влияние на оба упомянутых промежутка времени регулирования тока возбуждения.
Способ и другие преимущества более подробно поясняются с помощью изображенных на чертежах временных диаграмм и схем магнитно-индуктивного расходомера.
На фиг.1, 2 представлены блок-схемы измерительного прибора процессов, подходящего для осуществления способа и выполненного здесь в виде магнитно-индуктивного расходомера;
на фиг.3 - блок-схема первого примера выполнения с Н-образной схемой;
на фиг.4 - блок-схема второго примера выполнения с Н-образной схемой;
на фиг.5 - блок-схема первого примера выполнения с Т-образной схемой;
на фиг.6 - блок-схема второго примера выполнения с Т-образной схемой;
на фиг.7 - графическое представление временной характеристики катушечного тока и временной характеристики магнитного поля в решении из уровня техники;
на фиг.8 - графическое представление временной характеристики приложенного к катушечному устройству напряжения в решении из уровня техники;
на фиг.9 - эквивалентная блок-схема катушечного устройства;
на фиг.10 - графическое представление временной характеристики приложенного к катушечному устройству напряжения в в устройстве согласно изобретению;
на фиг.11 - графическое представление временной характеристики приложенного к катушечному устройству напряжения в устройстве согласно изобретению;
на фиг.12 - блок-схема используемого в изобретении микропроцессора.
На фиг.1 схематично и частично в виде блок-схемы изображен пригодный для осуществления способа магнитно-индуктивный расходомер, посредством которого могут быть созданы измеренные значения, по меньшей мере, одного физического параметра протекающей в трубопроводе (не показан) среды, в частности текучей среды. Например, расходомер может быть использован для измерения объемного расхода и/или скорости течения электропроводящей жидкости.
Изображенный здесь расходомер включает в себя измерительный преобразователь А1 расхода для создания измерительных потенциалов, соответствующих измеряемому физическому параметру, содержащее микрокомпьютер электронное устройство измерительного прибора с реализованной, в частности, также, по меньшей мере, периодически посредством микрокомпьютера измерительно-рабочей схемой А2 для регистрации измерительных потенциалов и для формирования, по меньшей мере, одного соответствующего физическому параметру измерительного сигнала и реализованную, в частности, посредством микрокомпьютера обрабатывающую схему A3, которая служит для управления измерительно-рабочей схемой А2 и, тем самым, также измерительным преобразователем А1 расхода, а также для получения представляющих физические параметры измеренных значений с использованием, по меньшей мере, одного измерительного сигнала. Измерительно-рабочая схема А2 и, при необходимости, также некоторые компоненты измерительного преобразователя А1 расхода могут быть размещены, например, как схематично обозначено также на фиг.2, в корпусе А10 электронного устройства расходомера.
К измерительному преобразователю А1 расхода относится помещаемая в упомянутый трубопровод измерительная трубка А11, которая имеет стенку и через которую при работе в направлении продольной оси измерительной трубки пропускают измеряемую текучую среду.
Во избежание короткого замыкания индуцированных в текучей среде напряжений касающаяся текучей среды внутренняя часть измерительной трубки A11 выполнена электронепроводящей. Металлические измерительные трубки обычно покрыты для этого внутри электронепроводящим слоем, например из эбонита, полифторэтилена и т.д., и являются, как правило, неферромагнитными; у измерительных трубок, состоящих полностью из пластика или керамики, в частности из алюминийоксидной керамики, электронепроводящий слой, напротив, не требуется.
Катушечное устройство системы магнитного поля расходомера, управляемое предусмотренным в измерительно-рабочей схеме А2 возбуждающим электронным устройством А21, содержит в изображенном примере расположенные на измерительной трубке A11 первую А12 и вторую А13 полевые катушки. Полевые катушки А12, А13 лежат на первом диаметре измерительной трубки A11. Система магнитного поля служит для создания во взаимодействии с электронным устройством измерительного прибора магнитного поля В, пронизывающего стенку трубки и протекающую текучую среду. Оно возникает, когда через включенные здесь последовательно полевые катушки А12, А13 пропускают возбужденный возбуждающим электронным устройством А21 ток I возбуждения. Биполярный, в частности, ток I возбуждения может быть при этом, например, в основном, прямоугольным или, по меньшей мере, аналогичным прямоугольному.
На фиг.3 полевые катушки А12, А13 не содержат сердечников, т.е. являются так называемыми воздушными катушками. Полевые катушки А12, А13, однако, как это принято у подобных катушечных устройств, могут быть намотаны на сердечники, которые является мягкомагнитным, причем сердечники могут взаимодействовать с полюсными башмаками (US-A 5540103).
Изображенное в данном примере катушечное устройство выполнено так, в частности обе полевые катушки А12, А13 выполнены и рассчитаны так, что созданное им или ими магнитное поле Н внутри измерительной трубки А11 является симметричным, в частности вращательно-симметричным, по меньшей мере, относительно перпендикулярного первому диаметру второго диаметра.
Согласно одному варианту изобретения посредством возбуждающего электронного устройства А21 вырабатывают отрегулированный, в частности, на постоянную амплитуду постоянный ток, который затем посредством соответствующего, выполненного, например, в виде Н- или Т-образной схемы переключающего устройства периодически переключают и модулируют таким образом в переменный ток отрегулированной амплитуды. Вследствие этого ток I возбуждения пропускают через катушечное устройство так, что через катушки А12, А13 во время первой фазы коммутации ток протекает в первом направлении, а во время следующей за первой фазой коммутации второй фазы коммутации - во встречном первому направлению втором направлении, см. в отношении регулирования и переполюсовывания тока, например, также US-A 4410926 или US-A 6031740.
За второй фазой коммутации следует третья фаза коммутации, тогда как ток I возбуждения снова течет в первом направлении. За третьей фазой коммутации следует четвертая фаза коммутации, тогда как ток I возбуждения снова течет во встречном направлении. За ней следует соответствующая фаза коммутации и т.д. В отношении реверсирования направления тока I возбуждения каждые две следующие друг за другом фазы коммутации образуют период переключения и т.д. В соответствии с переполюсовыванием протекающего через катушечное устройством тока I возбуждения, за исключением возможного сдвига фаз коммутации, в основном, синхронно с этим, также магнитное поле Н снова переполюсовывают.
14
15
Для формирования, по меньшей мере, одного соответствующего измеряемому параметру электрического измерительного сигнала на измерительной трубке или, по меньшей мере, вблизи нее в измерительном преобразователе предусмотрено сенсорное устройство. Согласно одному варианту осуществления изобретения сенсорное устройство содержит размещенные практически прямо на измерительной трубке электроды. Расположенный на внутренней стороне стенки измерительной трубки A11 первый электрод А14 служит при этом для снятия индуцированного магнитным полем Н первого потенциала е, расположенный таким же образом второй электрод А15 служит для снятия индуцированного магнитным полем Н второго потенциала e. Измерительные электроды А14, А15 лежат на перпендикулярном первому диаметру и продольной оси измерительной трубки втором диаметре последней, однако могут лежать, например, на параллельной второму диаметру хорде измерительной трубки A11 (US-A 5646353).
14
15
На фиг.1 измерительные электроды А14, А15 изображены в виде гальванических электродов, т.е. таких, которые касаются текучей среды. Однако могут быть использованы и два емкостных измерительных электрода, т.е. расположенных, например, внутри стенки измерительной трубки А11. Каждый из измерительных электродов А14, А15 снимает свой электрический потенциал е, e, индуцированный при работе в протекающей текучей среде на основе закона Фарадея.
14
15
14
15
Как показано на фиг.1, измерительные электроды А14, А15 при работе, по меньшей мере, временно соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 22. Таким образом, образуется служащая в качестве измерительного сигнала и разность обоих снятых измерительными электродами А14, А15 потенциалов е, e, которая соответствует созданному в протекающей текучей среде напряжению и, тем самым, также измеряемому физическому параметру. Приложенные к измерительным электродам А14, А15 потенциалы е, e лежат обычно в диапазоне 10-100 мВ. Здесь следует, однако, упомянуть, что потенциалы могут быть сняты также через отдельные измерительные каналы, в частности также по отдельности оцифрованными (US-A 5907103). Измерительный сигнал u, приложенный в изображенном примере к выходу дифференциального усилителя А22, подают, как схематично показано на фиг.1, 2, к предусмотренной в расходомере обрабатывающей схеме A3.
На фиг.3 и 4 изображен выполненный в виде мостовой схемы коммутационный аппарат. В первом плече моста находится управляемая цепь первого транзистора 13, во втором плече - управляемая цепь тока второго транзистора 14, в третьем плече - управляемая цепь тока третьего транзистора 15, а в четвертом плече - управляемая цепь тока четвертого транзистора 16. За счет этой конструкции образуются четыре угловых точки 2а, 2b, 2c, 2d Н-образной схемы: транзисторы 13, 14 соединены между собой угловой точкой 2c, транзисторы 14, 16 - угловой точкой 2b, транзисторы 15, 16 - угловой точкой 2d, а транзисторы 15, 16 - угловой точкой 2а. Первая диагональ моста лежит между угловыми точками 2а, 2b, а вторая диагональ моста - между угловыми точками 2c, 2d. Во вторую диагональ моста включено содержащее, по меньшей мере, одну полевую катушку катушечное устройство 1 системы магнитного поля измерительного преобразователя расхода, т.е. первый и второй выводы катушечного устройства соединены с угловыми точками 2c, 2d соответственно.
При работе схемы, которая во взаимодействии с катушечным устройством действует как прямоугольный модулятор, либо первый 13 и четвертый 16 транзисторы, либо второй 14 и третий 15 транзисторы отпирают одновременно. Таким образом, в первом случае (транзисторы 13, 16 отперты) (предполагаемый положительным) ток может течь от угловой точки 2а к угловой точке 2b через катушечное устройство 1 в направлении, обозначенном сплошной стрелкой. Если же, напротив, отперты транзисторы 14, 15, то тот же ток течет через катушечное устройство 1 в обратном направлении, как это обозначено штриховой стрелкой.
Катушечное устройство 1 имеет индуктивность L и является частью создающей магнитное поле магнитной системы магнитно-индуктивного измерительного преобразователя расхода, который не показан, поскольку механическая конструкция таких измерительных преобразователей специалисту давно известна (US-A 4204240). Для изобретения интерес представляет лишь то, что магнитная система содержит сердечник катушки и/или полюсный башмак.
Специалисту также давно известно, что ток возбуждения или катушечный ток вырабатывают посредством попеременного отпирания транзисторов 13, 16 и 14, 15 так, что он в первом полупериоде длительности периода является положительным с постоянным первым конечным значением, а во втором полупериоде - отрицательным с постоянным, равным по величине первому конечному значению вторым конечным значением. Под конечным значением тока следует понимать то постоянное значение катушечного тока, например 85 мА, который перед переключением течет в другом направлении.
Угловая точка 2 с на фиг.3 через резистор 10 подключена к нулевой точке SN схемы. Резистор 10 образует с Н-образной схемой 2 сериесную схему, через которую течет катушечный ток.
На фиг.3 далее изображен управляемый источник 7 напряжения, который имеет выход 7с и определяет предполагаемое здесь положительным напряжение, лежащее над сериесной схемой, т.е. между угловой точкой 2а и нулевой точкой SN (см. знак «+» на выходе 7с). Управляемый источник 7 напряжения через два вывода 7а, 7b питается от сети; он подключен также через выход 7d к нулевой точке SN. Напряжение на выходе 7с приложено через промежуток анод-катод диода 9 к угловой точке 2а. К нулевой точке SN от катода диода 9 и угловой точки 2а ведет конденсатор 12, имеющий емкость С.
На фиг.4 катушечное устройство и резистор в сериесной схеме поменялись местами: угловая точка 2b Н-образной схемы 2 подключена к нулевой точке SN; напротив, резистор включен в виде резистора 10' между выходом 7 с управляемого источника 7 напряжения и анодом диода 9. Это дает то преимущество, что возможное короткое замыкание между угловыми точками 2с, 2d, т.е., например, в катушечном устройстве 1, не может разрушить как раз отпертые транзисторы 13, 16; 14, 15, поскольку катушечный ток через резистор 10' ограничен.
На фиг.5 и 6 изображены примеры с Т-образными схемами 3 и 3'. Резистор 22, 22' образует с катушечным устройством 1 сериесную схему 4, 4'. Она выполнена в схеме на фиг.3 так, что катушечное устройство 1 через резистор 22 подключено к нулевой точке SN и через него течет катушечный ток. По сравнению с этим на фиг.4 к нулевой точке SN подключен первый вывод сериесной схемы 4'.
Первый вывод управляемой цепи тока первого коммутирующего транзистора 25 соединен со вторым выводом сериесной схемы 4, 4'. Второй вывод этой цепи тока подключен к первому выходу 30 с управляемого источника 30 напряжения, определяющему лежащее над сериесной схемой положительное напряжение (знак «+» на выходе 30с). Первый вывод управляемой цепи тока второго коммутирующего транзистора 26 соединен со вторым выводом сериесной схемы 4, 4'. Второй вывод этой цепи тока подключен ко второму выходу 30d управляемого источника 30 напряжения, определяющему лежащее над сериесной схемой отрицательное напряжение (знак «-» на выходе 30d). Коммутирующие транзисторы 25, 26 отпирают попеременно, так что катушечный ток попеременно реверсирует свое направление, как это обозначено двумя стрелками в катушечном устройстве 1. Также здесь катушечный ток в первом полупериоде длительности периода является положительным с постоянным первым конечным значением, а во втором полупериоде - отрицательным с постоянным, равным по величине первому конечному значению вторым конечным значением.
На фиг.5 и 6 положительное напряжение на выходе 30 с источника 30 напряжения через промежуток анод-катод первого диода 31 приложено ко второму выводу коммутирующего транзистора 25. От этого вывода и катода диода 31 к нулевой точке SN ведет первый конденсатор 33, имеющий емкость С1. Отрицательное напряжение на выходе 30d источника 30 напряжения через промежуток катод-анод второго диода 32 приложено ко второму выводу коммутирующего транзистора 26. От этого вывода и катода диода 33 к нулевой точке SN ведет второй конденсатор 34, имеющий емкость С2.
В примерах на фиг.3, 4; 5, 6 упомянутая индуктивность L образует с емкостью С конденсатора 12 или с емкостями С1, С2 соответствующий резонансный контур. За счет него напряжение над сериесной схемой резонансно-превышено, и катушечный ток во время возрастания в начале каждого полупериода имеет более крутой фронт, чем если бы резонансный контур отсутствовал.
Оцифровывание. Подаваемый измерительный сигнал и преимущественно оцифровывают и соответственно, по меньшей мере, отрезками хранят в виде блока цифровых данных, так что для определения также диагностического значения поддерживают в распоряжении информацию о временной характеристике отрезка измерительного сигнала и в цифровом виде.
Согласно изобретению обрабатывающая схема 3 служит также для создания служащего для контроля магнитно-индуктивного расходомера диагностического значения, которое представляет рабочее состояние расходомера в данный момент, в частности, однако, рабочее состояние системы магнитного поля в данный момент. Например, диагностическое значение может быть использовано для подачи соответствующей тревоги, если из-за отклонений диагностического значения от соответствующего, предварительно полученного эталонного или порогового значения обнаружена неисправность магнитной системы. Такими неисправностями могут быть, например, обусловленные вибрацией обрывы электрических проводов или ослабление смонтированных элементов системы магнитного поля. Кроме того, также значительные, в частности резкие, колебания температуры текучей среды могут привести к термически обусловленным сбоям системы магнитного поля или, по меньшей мере, изменениям в отношении ее калибрования.
rev
drv
cont
cont
rev
cont
cont
cont
m
Для этого в показанном примере источником напряжения, как уже описано в US-A 6031740, управляют сначала так, что он в каждом полупериоде в течение первого частичного периода катушечного тока, называемого ниже время t возрастания, вырабатывает начальное значение U, которое, например, в несколько раз выше отрегулированного постоянным конечного значения U в течение второго частичного периода, называемого ниже остаточное время t (фиг.7, 8). Далее падение напряжения на резисторах 10, 10'; 22, 22' используют для того, чтобы компенсировать действие вихревых токов, индуцируемых во время возрастания катушечного тока в сердечниках катушек и/или в полюсных башмаках и замедляющих фронт возрастания магнитного поля по сравнению с фронтом возрастания катушечного тока. Это достигается тем, что в каждый полупериод на время t возрастания катушечного тока и на величину положительного или отрицательного конечного значения U напряжения влияют или регулируют их таким образом, что, с одной стороны, по достижении максимума тока дальнейшего возрастания катушечного тока не происходит, так что магнитное поле уже достигает соответствующего постоянному конечному значению катушечного тока постоянного конечного значения, когда катушечный ток достигает максимума, фиг 7, а, с другой стороны, величина положительного или отрицательного конечного значения U напряжения всегда обуславливает постоянное конечное значение I тока, например 85 мА. Это достигается тем, что из характеристики падения напряжения на резисторе, возникающей в течение одного полупериода после максимума I катушечного тока до достижения конечного значения тока за счет, по меньшей мере, трехкратного последовательного сканирования образуют корректировочную величину напряжения над Н-образной или Т-образной схемой в следующий полупериод.
На фиг.3-6 транзисторы 13-16 Н-образной схемы и коммутирующие транзисторы 25, 26 Т-образной схемы обозначены с неподключенным управляющим электродом. Это лишь показывает, что управление этими транзисторами достаточно описано в уровне техники, например в уже упомянутой публикации US-A 4410926, и специалист, таким образом, знает, чем и как ему следует управлять. Далее управляемая цепь тока транзисторов 13-16; 25, 26 перекрыта безынерционным диодом 17-20; 27, 28. Упомянутые транзисторы выполнены, правда, в виде биполярных транзисторов, однако могут быть использованы, конечно, и полевые транзисторы, в частности полевые транзисторы с изолированным затвором.
rev
cont
rev
м
cont
m
rev
cont
rev
a
На фиг.7 на ординате времени t в виде абсциссы нанесены характеристики катушечного тока I и индукции В магнитного поля для всей длительности периода. В первом полупериоде положительным катушечным током I обозначено, что длительность полупериода складывается из времени t возрастания и остаточного времени t; оно равно тому времени, в течение которого индукция В магнитного поля постоянная. В течение времени t возрастания катушечный ток I круто возрастает, затем по достижении максимума снова падает и лишь позднее, чем индукция В, достигает своего постоянного конечного значения I (см. лишь постепенное падение катушечного тока после максимума). Это поведение катушечного тока объясняется поясненными выше вихревыми токами, индуцированными в сердечниках катушек и/или в полюсных башмаках. Момент достижения максимума I определяет граничную линию между временем t возрастания и остаточным временем t. В течение времени t возрастания индукция В возрастает сначала с крутизной, почти с идентичной крутизне катушечного тока, однако возрастание позднее становится более плоским и достигает уже в конце времени t возрастания, как и планировалось, постоянного конечного значения.
cont
m
Стрелки, нанесенные в течение убывающей части остаточного времени t над кривой катушечного тока, поясняют, что характеристика катушечного тока, убывающая до конечного значения I, сканируется, по меньшей мере, трижды, например каждую миллисекунду; в примере на фиг.7 убывающая часть катушечного тока сканируется четырежды. Из значений сканирования формируют управляющий сигнал для управляемого источника напряжения, что подробно поясняется ниже.
s
drv
rev
a
cont
cont
drv
cont
На фиг.8 на ординате времени t в виде абсциссы нанесена характеристика напряжения, действующего в сериесной схеме с Н- или Т-образной схемой. Первый пик U объясняется резонансным превышением в катушечном устройстве. Следующим за ним постоянным значением является упомянутое начальное значение U напряжения, способствующее увеличению крутизны возрастания катушечного тока. Без превышения напряжения в течение всего времени t возрастания имело бы место только начальное значение U напряжения. В течение остаточного времени t возникает постоянное конечное значение U напряжения. Из фиг.8 видно, что, как уже сказано, начальное значение U напряжения больше конечного значения U.
На фиг.3-6 посредством контроллеров 41, 42, 43, 44, включенных между резистором 10, 10', 22, 22' и управляющим входом 7е, 30е управляемого источника 7, 30 напряжения, поясняется управление последним. Далее соответствующий контроллер управляет транзисторами 13-16 Н-образной схемы или транзисторами 25, 26 Т-образной схемы. Контроллер 41, 42, 43, 44, по меньшей мере, частично реализован посредством уже упомянутого, соответственно запрограммированного микрокомпьютера или микропроцессора. Ему предвключен аналого-цифровой преобразователь, который оцифровывает падение напряжения на резисторе 10, 10', 22, 22'. Микропроцессор и аналого-цифровой преобразователь тактированы, конечно, тактовым осциллятором.
м
н
m
1
cont
drv
В способе согласно изобретению, как и у описанного в US-B 6763729 и US-A 6031740 расходомера, сначала, по меньшей мере, периодически возбуждающее ток I возбуждения напряжение U для повышения силы I возбужденного напряжением и протекающего, по меньшей мере, в одной полевой катушке ток I возбуждения до максимального значения повышают в первый момент t с установленной в предыдущий полупериод отличающейся от нуля первой величины U в данный момент до, в частности, постоянной или отрегулированной постоянной второй величины U.
cont
м
м
drv
rev
м
cont
cont
rev
drv
м
cont
rev
rev
м
Как уже сказано, протекающий в течение промежутка времени t катушечный ток I, по меньшей мере, отрезками сканируют, оцифровывают и соответственно хранят в упомянутом микрокомпьютере. Измеренные и хранящиеся в цифровом виде значения тока могут быть теперь вполне использованы для расчета профиля напряжения, по которому позднее должно быть установлено возбуждающее ток возбуждения I напряжение, на следующий полупериод магнитного поля В. Таким образом, применяется практически приближенный метод, осуществляемый в течение нескольких измерительных циклов итеративно или рекурсивно. Перенапряжение U, приложенное в течение промежутка времени t к катушечному устройству, от полупериода к полупериоду или от измерительного цикла к измерительному циклу последовательно согласовывают так, что катушечный ток I в течение остаточного промежутка времени t каждого полупериода непрерывно падает до постоянного конечного значения I. Таким образом, важно, что промежуток времени t, в течение которого к катушечному устройству приложено перенапряжение U, рассчитан так, что измеренный катушечный ток I в течение промежутка времени t больше не возрастает. Если намечается возрастание, то это является признаком того, что промежуток времени t был выбран слишком коротким. Вследствие этого измерительно-рабочая схема А2 будет увеличивать промежуток времени t в течение последующих полупериодов на подходящие величины до тех пор, пока измеренный ток возбуждения I не будет иметь желаемую характеристику.
m
m
Микрокомпьютер может быть запрограммирован, например, в соответствии с изображенной на фиг.12 блок-схемой, на которой показаны подходящие функциональные и логические блоки. Строчными буквами обозначены цифровые сигналы, важные для блок-схемы. Посредством уже упомянутого аналого-цифрового преобразователя оцифровывают падение напряжения на резисторе, в результате чего возникает представляющий катушечный ток I цифровой сигнал i. Он подается к входу детектора 61 максимального значения и к входу вентильного каскада 62, запитанного также происходящим из детектора 61 максимальным сигналом i. Вентильный каскад 62 направляет дальше только те доли представляющего катушечный ток I цифрового сигнала i в виде выборок s тока, которые лежат в виде возникновения максимального сигнала i.
a
cont
Первый логический каскад 63 проверяет следующие друг за другом соседние выборки s тока по критерию, является ли более поздняя выборка больше, чем более ранняя, т.е. возрос ли катушечный ток между двумя выборками, и в случае подтверждения подает к входу «JA» Y (да) управляющий сигнал у, а в случае неподтверждения подает к выходу «NEIN» N (нет) управляющий сигнал n. Управляющий сигнал у побуждает каскад 64 длительности импульсов увеличить время возрастания t, а управляющий сигнал n побуждает каскад 64 длительности импульсов увеличить остаточное время t. Выход каскада длительности импульсов ведет к источнику 7 или 30 напряжения.
r
cont
a
Второй логический каскад 65 непрерывно проверяет выборки s тока по критерию, является ли выборка s тока большей, равной или меньшей, чем эталонное значение i тока, пропорциональное конечному значению I, и фиксирует его. В случае подтверждения логический каскад 65 подает на выходе «GRÖSSER» G (больше) управляющий сигнал g, на выходе «GLEICH» GL (равен) - управляющий сигнал gl или на выходе «KLEINER» К (меньше) - управляющий сигнал k. Эти управляющие сигналы g, gl, k, подаваемые к источнику 7 или 30 напряжения, при необходимости с вводом цифроаналогового преобразователя воздействуют на выданное им в одной длительности периода катушечного тока начальное значение U напряжения таким образом, что управляющий сигнал g увеличивает его в следующей длительности периода или управляющий сигнал gl оставляет его без изменения в следующей длительности периода или управляющий сигнал k уменьшает его в следующей длительности периода.
м
Во время собственно измерения объемного потока напряжение над катушечным устройством и протекающий в нем ток возбуждения I должны быть постоянными, поскольку на стабильность измерительного сигнала негативно влияет, в том числе, также индуктивная связь катушечного устройства с измерительными электродами.
L
cont
cont
м
L
eddy
Идеальным образом в обоих полупериодах конечное значение фактического катушечного тока I, в основном, постоянное, встречное и равно по величине. Практически в описанном в US-B 6763729 и US-А 6031740 расходомере это происходит только тогда, когда после начала промежутка времени t пройдет значительное время. Таким образом, временное окно для возможных в течение промежутка времени t точных измерений ограничено практически почти половиной одного полупериода. Из-за возникающих в полюсных башмаках и сердечниках катушек вихревых токов этот идеальный случай в действительности не возникает. Напротив, измеряемый вне катушечного устройства ток возбуждения I всегда соответствует сумме фактического катушечного тока I и вихревого тока I. Поскольку, однако, в качестве регулируемой величины измерительно-рабочей схемой 2 используется только ток возбуждения 1 м, постоянным является, правда, он, однако не обязательно поддерживаемое постоянным собственно для измерения магнитное поле В, пронизывающее измерительную трубку. Соответствующая эквивалентная блок-схема катушечного устройства изображена на фиг.9.
rev
2
1
м
drv
м
rev
cont
rev
short
3
2
м
short
cont
short
cont
cont
hort
G
cont
rev
short
short
cont
short
short
cont
hort
short
В способе согласно изобретению индуцированные в системе магнитного поля вихревые токи минимизируют далее за счет того, что к катушечному устройству в течение предварительно полученного эталонного промежутка времени t=t-t до достижения заданного максимума I тока прикладывают перенапряжение U, причем перенапряжение рассчитано так, что протекающий через катушечное устройство ток возбуждения I по истечении эталонного промежутка времени t непрерывно уменьшается до, в основном, постоянного конечного значения I, а после предварительно установленного, по меньшей мере, приблизительно истечения эталонного промежутка времени t в течение заданного, в частности, равномерно-итеративно полученного эталонного промежутка времени t=t-t к катушечному устройству прикладывают встречное напряжение, быстрее снижающее ток возбуждения I и, тем самым, также магнитное поле, причем промежуток времени t рассчитан так, что влияние индуцированных в процессе переключения вихревых токов приблизительно компенсируется, по меньшей мере, однако, значительно уменьшается. Эффект этого способа показан на фиг.10, где сплошной линией обозначена характеристика измерительного тока, возникающая в решении согласно изобретению; напротив, точечная линия обозначает временную характеристику тока возбуждения в решении из уровня техники. В решении согласно изобретению постоянное конечное значение I тока достигается практически по истечении промежутка времени t; в известном решении постоянное конечное значение I тока достигается только в намного более поздний момент в течение промежутка времени t. Во время первого процесса переключения измерительно-рабочая схема А2, как уже сказано, прикладывает к катушечному устройству в течение актуально заданного промежутка времени t соответствующее встречное напряжение U. Затем измерительно-рабочая схема в течение заданного промежутка времени t регистрирует несколько измеряемых значений тока. Например, при работе посредством, в частности, итеративного приближенного метода могут быть последовательно оптимизированы промежутки времени t и t. В случае, если по истечении актуально действующего промежутка времени t конечное значение I тока не достигнуто, промежуток времени t соответственно увеличивают, например, на предварительно определенную подходящую величину шага; в случае, если до истечения промежутка времени t конечное значение I тока уже достигнуто, промежуток времени t может быть, при необходимости, снова немного уменьшен. За счет переменного цикла приложенного перенапряжения и кратковременно приложенного впоследствии встречного напряжения U можно эффективно компенсировать вихревые токи и, тем самым, значительно сократить время их затухания. Здесь следует упомянуть, что релевантные промежутки времени
rev
short
cont
м
t, t, t, как уже сказано, могут быть получены как с помощью выборки цифровых данных, так и непосредственно с помощью схем измерения времени, соответственно запущенных током возбуждения I и/или возбуждающим его напряжением.
h
м
м
м
м
Встроенный в микрокомпьютер третий логический каскад, предполагая, что напряжение U поддерживается в данный момент постоянным, непрерывно проверяет выборки s тока по критерию, сигнализируют ли следующие друг за другом выборки s тока о постоянном токе возбуждения I или нет. В случае, если предположение о постоянном напряжении представляется сомнительным, допустимо включить в решение его фактическую временную характеристику в данный момент, например также в виде цифровых выборок. В случае подтверждения логический каскад подает к выходу KONSTANT (постоянный) управляющий сигнал, соответственно сигнализирующий о постоянном токе возбуждения I, до тех пор, пока не будет обнаружено дальнейшее снижение тока возбуждения I ниже предельного значения изменения, установленного для постоянства тока возбуждения I.
cont
На основе описанного способа, оптимизирующего промежуток времени t, максимально имеющийся в распоряжении в течение каждого полупериода для вырабатывания собственно измеренных, а также диагностических значений, для повышения информативности также диагностического значения предложены далее следующие методы.
м
н
2
drv
м
m
м
czu
short
cont
3
cont
м
short
2
3
3
2
rev
short
1
3
3
1
short
1ref
rev
short
Возбуждающее ток возбуждения I в данный момент напряжение U во второй момент t изменяют со второй величины U до третьей, в частности постоянной или отрегулированной постоянной, величины, чтобы достичь уменьшения силы тока возбуждения I, протекающего в данный момент, по меньшей мере, в одной полевой катушке, с максимального значения I до заданного для тока возбуждения I, в частности постоянного, конечного значения I. При этом третья величина напряжения U выбрана меньшей, чем вторая величина напряжения U. Для определения третьего момента t, соответствующего достижению конечного значения тока I, по меньшей мере, периодически регистрируют ток возбуждения I. На основе этого определяют первую временную постоянную t для системы магнитного поля, соответствующую лежащему между вторым t и третьим tмоментами промежутку времени t-t, и/или вторую временную постоянную t+t для системы магнитного поля, соответствующую лежащему между первым t третьим t моментами промежутку времени t-t. Для определения диагностического значения, представляющего рабочее состояние расходомера в данный момент, полученную первую временную постоянную t сравнивают с заданным первым эталонным значением t и/или полученную вторую временную постоянную t+t сравнивают с заданным вторым эталонным значением.
short
short
Согласно одному варианту осуществления изобретения предусмотрено, что измерительно-рабочая схема замыкает накоротко катушечное устройство в течение промежутка времени t. В качестве альтернативы предложено, что измерительно-рабочая схема снова реверсирует направление протекающего через катушечное устройство тока в течение промежутка времени t.
short
short
cont
Согласно другому варианту осуществления изобретения предусмотрено, что измерительно-рабочая схема рассчитывает промежуток времени t так, что протекающий через катушечное устройство ток возбуждения по истечении промежутка времени t, по меньшей мере, приблизительно достигает постоянного конечного значения I.