ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАСХОДОМЕРА
MEASURING DEVICE OF ELECTROMAGNETIC FLOWMETER

Область техники, к которой относится изобретение
.
Данное изобретение относится к области приборостроения, в частности к измерению расхода жидкости электромагнитным расходомером, а именно к измерительным устройствам электромагнитных расходомеров, содержащим электрически соединенные между собой блок питания, коммутатор питания катушек первичного преобразователя расхода, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер и интерфейс внешней связи и выдачи результатов измерений, и может быть использовано для измерения расхода токопроводящей жидкости.
Уровень техники.
Известно измерительное устройство электромагнитного расходомера, входящее в состав электромагнитного расходомера, содержащего первичный преобразователь расхода, выход которого соединен через последовательное соединение усилителя и АЦП с микроконтроллером, выход которого соединен с интерфейсом, в состав микроконтроллера входят фильтр, блок вычисления расхода и формирователь модулирующего сигнала, источник опорного напряжения, формирователь тока, вход которого соединен с формирователем модулирующего сигнала, а выходы соединены со входами первичного преобразователя, см. патент на полезную модель №130069, опубл. в 2013 году.
Недостатком этого измерительного устройства является наличие значительного смещения нуля, то есть наличие сигнала на входе АЦП при отсутствии расхода измеряемой жидкости. Считается, что это смещение устраняется при градуировке прибора, которая обеспечивает учёт этого смещения в формуле вычисления величины расхода. Но проблема состоит в том, что величина этого смещения нуля не стабильна, со временем непредсказуемо изменяется и «нуль уходит». Это приводит к весьма значительному возрастанию погрешности измерения средних и особенно малых расходов и, как следствие, к резкому сокращению диапазона измеряемых расходов. Кроме того, это приводит к невысокой достоверности результатов измерений и снижению надёжности работы устройства.
Известно измерительное устройство электромагнитного расходомера, содержащее электрически соединенные между собой блок питания, коммутатор питания катушек электромагнитного преобразователя расхода, АЦП, микроконтроллер и интерфейс внешней связи и выдачи результатов измерений, см. патент на изобретение №2489684, опубл. в 2013 году.
Это измерительное устройство имеет те же недостатки, что и аналог, описанный выше.
Данное  измерительное устройство является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбрано за прототип предлагаемого изобретения.
Раскрытие изобретения.
В ходе длительных и кропотливых исследований, в том числе теоретических и экспериментальных, была выявлена ранее не известная или, по крайней мере, не принимаемая разработчиками во внимание, весомая причина возникновения смещения нуля электромагнитного расходомера. Причина и способ избавления от неё оказались простыми и в то же время не очевидными, так как считается, что после завершения переходных процессов, вызванных индукционными импульсами тока, возникающими при включении катушек, сигнал расхода, поступающий на вход АЦП, не имеет паразитной составляющей, обусловленной этими индукционными токами.
Исследования показали, что это мнение ошибочно. Причиной возникновения смещения нуля являются паразитные импульсы тока, индуцируемые в цепи электродов и входных цепях АЦП при коммутации тока катушек, которые и формируют на входе АЦП паразитный сигнал смещения нуля. После завершения импульса индукционного тока этот сигнал длительное время сохраняется на электрических ёмкостях входных цепей измерительного устройства, включая первичный преобразователь расхода (ППР). Этот сигнал смещения нуля является не стабильным, так как его величина сильно зависит от нескольких независимых (а также и зависимых) параметров, которые могут изменяться непредсказуемо под воздействием внутренних и внешних причин. Поэтому его учёт при градуировке прибора оказывается не эффективным.
Настоящее изобретение имеет целью - повышение точности измерения и расширение диапазона измеряемых расходов при одновременном повышении достоверности результатов измерений и надежности работы устройства.
Для достижения цели настоящего изобретения устройство включает в себя электронные аналоговые ключи подключения электродов первичного преобразователя расхода, установленные на входе измерительного устройства, входы управления которыми подключены к выходу микроконтроллера, который выполнен с возможностью управления электронными аналоговыми ключами.
Эти ключи разрывают цепь протекания индукционных токов, возникающих при коммутации напряжения питания катушек, на время, достаточное для завершения переходного процесса установления тока катушек.
Благодаря этому отличительному признаку исключается возможность возникновения индукционных токов, которые могли бы возникнуть при коммутации напряжения питания катушек и, как следствие, исключается формирование паразитного сигнала смещения нуля на входе АЦП, что повышает точность измерений, расширяет диапазон измерений и одновременно повышает достоверность результатов измерений и надежность работы устройства.
Существует вариант изобретения, в котором устройство содержит датчик тока питания катушек, выход которого подключен к измерительному входу АЦП, причём датчик тока может быть включен либо между коммутатором питания катушек и общим проводом питания, либо между катушками.
Первый вариант включения датчика тока выгоден тем, что катушки соединяются внутри ППР и подключаются к измерительному устройству двумя проводами, но так как диапазон входных напряжений многих АЦП начинается не от нуля, а от 0,15…0,3 В, то требуется дополнительный резистор R1 для того, чтобы приподнять сигнал с датчика тока до уровня 0,15…0,3 В. При этом на эту величину снижается напряжение питания катушек, и на резисторе R1 теряется часть мощности блока питания. При питании катушек напряжением 12 В эти потери относительно малы и ими можно пренебречь, но для приборов с автономным питанием от батарей, при низком напряжении питания катушек, эти  потери становятся значительными. Второй вариант включения катушек не имеет этого недостатка, но для его реализации катушки должны быть подключены четырьмя проводами.
Благодаря наличию датчика тока, появляется возможность корректировать результаты измерения сигнала с электродов в зависимости от тока катушек, что повышает точность измерения расхода, а  кроме этого позволяет обнаруживать обрыв или замыкание в цепи питания катушек.
Существует вариант изобретения, в котором устройство содержит интегратор сигнала, выполненный с возможностью подключения к датчику магнитного потока первичного преобразователя расхода, причем вход управления интегратором подключен к выходу микроконтроллера, а выход интегратора подключен к измерительному входу АЦП.
Интегратор сигнала датчика магнитного поля формирует выходное напряжение, пропорциональное индукции магнитного поля в измерительном канале, которое подаётся на вход АЦП и преобразуется в цифровой код. При  вычислении расхода сигнал с электродов делится на напряжение, полученное с выхода интегратора, что обеспечивает независимость полезного сигнала от изменения индукции магнитного поля в измерительном канале расходомера.
Это обеспечивает высокую стабильность и точность измерения расхода при изменении температуры и магнитных характеристик ферромагнитных материалов магнитной системы устройства.
Существует также альтернативный предыдущему вариант изобретения, в котором устройство содержит интегратор сигнала, выполненный с возможностью подключения к одной из катушек первичного преобразователя расхода, причем блок питания выполнен со средней точкой, которая выполнена с возможностью подключения к точке соединения между собой катушек первичного преобразователя расхода.
Благодаря этому одна из катушек первичного преобразователя расхода может выполнять функцию датчика магнитного потока, что исключает потребность в дополнительной катушке (датчике магнитного потока). Для этого перед измерением расхода коммутатор питания катушек подаёт питание сначала на одну катушку, а интегратор интегрирует сигнал, индуцируемый в другой катушке. После этого интегратор отключается от катушки и на неё также подаётся питание, а АЦП выполняет измерение напряжения, сформированного на выходе интегратора, которое используется при вычислении расхода так же, как и в предыдущем варианте изобретения, и обеспечивает тот же эффект повышения стабильности и точности измерения расхода.
Существует также вариант изобретения, в котором устройство содержит формирователь потенциала измеряемой жидкости, выход которого подключен к контакту измерительного устройства, предназначенному для подключения трубы первичного преобразователя расхода.
Формирователь потенциала трубы подаёт на корпус трубы, а через неё и на измеряемую жидкость, потенциал, который выше нуля на величину, необходимую для обеспечения нормальных уровней напряжений на электродах и, как следствие, входах АЦП. Это обеспечивает правильность работы входных цепей АЦП и точность преобразования разности напряжений на электродах в цифровой код, что обеспечивает точность измерения расхода.
Существует еще один вариант изобретения, в котором блок питания и интерфейс внешней связи и выдачи результатов измерений выполнены гальванически изолированными.
Благодаря данной выгодной характеристике исключается возможность протекания токов помех между электродами и внешними электрическими цепями, электрические потенциалы которых могут отличаться от электрического потенциала измеряемой жидкости в измерительном канале преобразователя расхода, а следовательно, и от потенциалов электродов. Благодаря гальванической изоляции исключаются выше указанные токи помех, что повышает точность измерения расхода.
Существует также вариант изобретения, в котором устройство включает в себя преобразователь сигналов протечки электродов, чувствительный вход которого подключен к входу подключения резистивного датчика протечки электродов, выход подключен к измерительному входу АЦП, а вход управления соединен с выходом микроконтроллера.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность обнаруживать протечку измеряемой жидкости через уплотнения электродов и информировать пользователя о возможном ухудшении метрологических характеристик устройства.
Существует вариант изобретения, в котором устройство включает в себя блок преобразования в напряжение сопротивления измеряемой жидкости в цепи электродов, вход которого подключен к входам измерительного устройства, предназначенным для подключения электродов первичного преобразователя расхода, выход подключен к АЦП, а вход управления соединён с выходом микроконтроллера.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность обнаруживать снижение уровня измеряемой жидкости ниже уровня электродов и информировать об этом пользователя.
Существует и такой вариант изобретения, в котором устройство включает в себя усилитель, входы которого соединены с выходами электронных аналоговых ключей подключения электродов через разделительные конденсаторы, между выходами которых установлен аналоговый ключ, вход управления которым соединён с выходом микроконтроллера, а выход усилителя соединён с входом АЦП.
Усилитель необходим в тех случаях, когда применяемый ППР имеет низкий коэффициент преобразования расхода в электрический сигнал и, как следствие, низкий уровень сигнала на электродах. Кроме того, усилитель необходим, когда разрядность применённого АЦП не достаточна для того, чтобы шумом дискретизации АЦП можно было пренебречь. Применение усилителя в выше указанных случаях повышает соотношение сигнал/шум и, как следствие, повышает точность измерения расхода. Благодаря разделительным конденсаторам исключается разность электрохимических потенциалов электродов, которые всегда немного различаются. Ключ между выходами разделительных конденсаторов позволяет сократить время зарядки разделительных конденсаторов до напряжения, соответствующего разности потенциалов электродов.
Существует также и такой вариант изобретения, в котором устройство включает в себя модуль электроочистки электродов, вход управления которым соединен с выходом микроконтроллера, а выход соединен с входами измерительного устройства, предназначенными для подключения электродов первичного преобразователя расхода.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность предотвращения образования и роста различных отложений на электродах, которые являются одной из существенных причин увеличения погрешности измерения расхода.
Существует еще один вариант изобретения, в котором измерительное устройство включает в себя дисплейно-клавиатурную панель, которая подключена к микроконтроллеру, что позволяет выбирать и читать результаты измерений непосредственно на измерительном приборе.
Отличительные признаки изобретений, соответствующие зависимым пунктам 2-11 формулы изобретения применимы к изобретению по пункту 1 формулы изобретения в любой их комбинации, в том числе и все одновременно, кроме признаков по пунктам 3 и 4, которые могут быть применены альтернативно.
Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения, а так как проблема, которую решает данное изобретение, давно не могла быть решена, причем предлагаемое решение выводит измерения расхода жидкостей на качественно новый уровень, что показывает неочевидность данного решения для специалиста в данной области, что, в свою очередь свидетельствует о соответствии критерию «наличие изобретательского уровня» для изобретения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
- фигура 1 изображает схему измерительного устройства электромагнитного расходомера в минимальном варианте, согласно изобретению по пункту 1 формулы изобретения;
- фигуры 2 и 3 схематично изображают схемы вариантов измерительного устройства электромагнитного расходомера по пункту 2 формулы изобретения;
- фигура 4 схематично изображает схему измерительного устройства электромагнитного расходомера по пункту 3 формулы изобретения;
- фигура 5 схематично изображает схему измерительного устройства электромагнитного расходомера по пункту 4 формулы изобретения
- фигура 6 схематично изображает схему включения остальных элементов, соответствующих отличительным признакам по пунктам 5-11 формулы изобретения применительно к изобретению по пункту 2, но которые применимы в любой комбинации так же и к изобретениям по пунктам 1, 3 и 4.
Пункты 3 и 4 могут быть применены к пункту 1 альтернативно.
Отличительные признаки изобретений, соответствующие зависимым пунктам 3 и 4 формулы изобретения применимы к изобретению по пункту 1 альтернативно.
На фигурах обозначено:
1 – блок питания (БП),
2 – коммутатор питания катушек (КПК),
3 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
4 – микроконтроллер (МК), являющийся управляющим устройством измерительного устройства,
5 – интерфейс внешней связи (Инт),
6 – ключи подключения электродов ППР к измерительному устройству (К1),
7 – датчик тока катушек (ДТК),
8 – резистор (R1),
9 – интегратор сигнала (ИС),
10 - формирователь потенциала трубы и измеряемой жидкости (ФПТ),
11 - модуль электроочистки электродов (МОЭ),
12 – преобразователи сигналов датчиков протечки электродов (ПСДПЭ),
13 – преобразователь сопротивления измеряемой жидкости (ПСЖ),
14 – усилитель (У),
15 – дисплейно-клавиатурная панель (ДКП),
16 – электромагнитный  первичный преобразователь расхода (ППР),
17 – катушки возбуждения магнитного поля в измерительном канале ППР (Кат1 и Кат2),
18 - электроды ППР (Э1 и Э2),
19 – труба.
20 – датчик магнитного поля (ДМП),
21 - датчики протечки уплотнений электродов (ДПЭ1 и ДПЭ2).
Согласно фигуре 1 измерительное устройство электромагнитного преобразователя расхода, содержит электрически соединенные между собой блок питания 1, коммутатор питания катушек 2 электромагнитного преобразователя расхода, аналогово-цифровой преобразователь 3, микроконтроллер 4 и интерфейс 5 внешней связи и выдачи результатов измерений.
Устройство включает в себя электронные аналоговые ключи 6 подключения электродов первичного преобразователя расхода 18, установленные на входе измерительного устройства, входы управления которыми подключены к выходу микроконтроллера 4, который выполнен с возможностью управления электронными аналоговыми ключами 6.
Также на фигуре 1 показан  первичный преобразователь расхода 16, состоящий из двух катушек 17 возбуждения магнитного поля в измерительном канале ППР, двух электродов 18 и собственно трубы 19, по которой протекает жидкость, расход которой требуется измерить.
Согласно фигуре 2 устройство опционально включает в себя также датчик тока катушек 7, включенный в цепь питания катушек 17  и подключенный к измерительному входу АЦП 3.
Согласно фигуре 3 датчик тока 7 включен между катушками.
Согласно фигуре 4 устройство опционально включает в себя также интегратор сигнала 9 датчика магнитного потока 20, вход управления которым подключен к выходу микроконтроллера 4, а выход подключен к измерительному входу АЦП 3.
Согласно фигуре 5 блок питания 1 опционально выполнен со средней точкой, которая подключена к средней точке соединения катушек 17, а интегратор сигнала 9 подключен к одной из катушек 17.
На фигуре 6 показано расположение и подключение других опциональных устройств согласно изобретениям по пунктам 5-11 формулы изобретения.
Устройство включает в себя формирователь 10 потенциала измеряемой жидкости, выход которого имеет подключение к трубе 19 электромагнитного преобразователя расхода 16.
Устройство включает в себя преобразователь сигналов протечки электродов 12, чувствительные входы которого подключены к резистивным датчикам 21 протечки уплотнений электродов, выход подключен к измерительному входу АЦП 3, а вход управления соединен с выходом микроконтроллера 4.
Устройство включает в себя устройство 12 преобразования в напряжение сопротивления измеряемой жидкости в цепи электродов, вход которого подключен к входам измерительного устройства, предназначенным для подключения электродов электромагнитного преобразователя расхода, выход подключен к АЦП 3, а вход управления соединён с выходом микроконтроллера 4.
Устройство включает в себя усилитель 14, входы которого соединены с выходами электронных аналоговых ключей 6 подключения электродов 18, а выход соединён с входом АЦП 3.
Устройство включает в себя модуль электроочистки электродов 11, вход управления которым соединен с выходом микроконтроллера 4, а выход соединен с входами измерительного устройства, предназначенными для подключения электродов 18 электромагнитного преобразователя расхода 16.
Блок питания 1 и интерфейс 5 внешней связи и выдачи результатов измерений выполнены гальванически изолированными.
Осуществление изобретения.
Измерительное устройство электромагнитного преобразователя расхода работает следующим образом. Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения. Имея ввиду, что данный пример не ограничивает применения изобретения.
Предварительно перед подключением питания катушек 17 ключи 6 размыкают, после чего включают питание катушек 17 и выдерживают паузу необходимой  длительности, достаточной для установления тока катушек 17.
После этого ключи 6  замыкают, сигнал расхода с электродов 18 поступает на вход АЦП 3, который выполняет измерения сигнала расхода и других сигналов.
После этого питание катушек 17 отключают, а микроконтроллер 4, используя результаты выше указанных измерений, вычисляет расход и выдаёт его по интерфейсу 5 внешнему устройству, например вычислителю или счётчику, которые на фигурах не показаны.
Таким образом, исключается возникновение индукционных токов во входных цепях ФЦП и цепи электродов ППР при коммутации напряжения питания катушек 17 и, как следствие, исключается формирование паразитного сигнала смещения нуля на входе АЦП.
Промышленная применимость.
Измерительное устройство электромагнитного расходомера может быть осуществлено специалистом на практике и при осуществлении обеспечивают реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.
В соответствии с предложенным изобретением изготовлен опытный образец измерительного устройства электромагнитного расходомера.
Испытания опытного образца измерительного устройства электромагнитного расходомера показали, что он обеспечивает:
- повышение точности измерения расхода жидкости,
- расширение измеряемых диапазонов,
- повышение надежности работы устройства.
Дополнительным полезным техническим результатом заявленного изобретения является то, что оно обеспечивает:
- повышение стабильности метрологических характеристик (обеспечивается формирователем потенциала трубы, устройством электроочистки электродов, датчиком тока и датчиком магнитного потока);
- расширение функционального самоконтроля измерительного устройства (ток катушки, датчик протечки электродов, датчик пустой трубы);
- повышение стабильности работы измерительного устройства (формирователь потенциала трубы, разделительные конденсаторы, ключи на выходах разделительных конденсаторов, фильтры электромагнитных помех).
Экспериментальные исследования опытных образцов устройств, содержащих предлагаемое техническое решение, показали, что смешение нуля уменьшается в 5-10 раз и более, в зависимости от конкретной конструкции и характеристик ППР. Реально авторами достигнут диапазон измерений 10000 при погрешности измерения на минимальном расходе (1/10000 от максимального) 5%,
на расходе 1/1000 от максимального – 0,7%, а в диапазоне расходов от 1 до 1/100 максимального погрешность не превышала 0,3…0,4%. Испытания измерительного устройства выполнялись в составе с ППР различных производителей. Наилучшие результаты получены при использовании ППР, разработанного и изготовленного авторами настоящего изобретения.
На основании полученных результатов испытаний можно с уверенностью считать данное техническое решение «прорывным» в области повышения точности измерения средних и особенно малых расходов при одновременном значительном расширении диапазона измерений.
Таким образом, в данном изобретении достигнута поставленная задача – повышение точности измерения и расширение диапазона измеряемых расходов при одновременном повышении достоверности результатов измерений и надежности работы устройства.