СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИСПРАВНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАСХОДОМЕРА И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР С ФУНКЦИЕЙ САМОКОНТРОЛЯ
METHOD OF CONTROL OF FIXED ELECTROMAGNETIC FLOWMETER AND ELECTROMAGNETIC FLOWMETER WITH SELF-CONTROL FUNCTION

Изобретение относится к приборостроению, в частности к электромагнитным устройствам для измерения расхода (расходомерам) электропроводящих сред.
Известен прототип US 9163968 (В2) «Электромагнитный расходомер с диагностикой сигнала индуктора».
Способ диагностики отказов в электромагнитном расходомере, заключающийся в подаче на обмотку тока через первую и вторую цепь, измерения тока через первую и вторую цепь и выполнения диагностики на основе переходных процессов тока, когда ток переключается с первой цепи на вторую. Данный способ позволяет определять всевозможные отказы в цепи, включая параллельную цепь тока, отказы переключающих ключей и короткие замыкания внутри катушки.
Дополнительно определяется асимметрическое изменение переходного процесса при переходе протекания тока с первой цепи на вторую и наоборот.
Недостатками известного способа являются: в нем не предусмотрена диагностика изменения индуктивности катушки, связанная с воздействием внешнего магнитного поля и при реализации этого способа для регистрации переходного процесса требуется быстродействующие аналого-цифровые преобразователи. А также то, что переходной процесс фактически состоит из двух: затухание тока через катушку в одном направлении и нарастании в другом. При отсутствии бестоковой паузы эти два процесса сливаются во времени и разделить их практически невозможно. Это делает невозможным диагностировать некоторые виды отказов, например связанных с асимметрией магнитных цепей.
Известен электромагнитный расходомер с бестоковой паузой US 3783687. Целью введения бестоковой паузы в данном изобретении является уменьшение требований к быстродействию ключей.
Недостатком известного способа является то, что отсутствует контроль исправности.
Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является способ и устройство согласно RU 2529598 С1 «Электромагнитный расходомер и способ контроля измерения расхода текучих сред».
Сутью известного способа является измерение напряжения, пропорциональные току через индуктор, и напряжения на индукторе и определение величин активного и индуктивного сопротивлений, отклонения текущих значений от предустановленных в памяти их эталонных значений.
При осуществлении данного способа текущее значение активного сопротивления индуктора R вычисляется по формуле:
l
где V напряжение на индукторе а I ток через индуктор.
А индуктивного сопротивления (индуктивности) индуктора L по формуле:
где dI/dt - скорость нарастания тока непосредственно после момента включения тока.
Поскольку под влиянием внешнего магнитного поля активное и индуктивное сопротивление индуктора изменяются относительно значений, полученных при производстве расходомера, то по факту фиксации наличия изменений сравниваемых значений делают вывод о наличии внешнего магнитного поля, искажающего результаты измерения.
Также согласно RU 2529598 известно устройство, реализующий данный способ, сутью которого является то, что схема контроля управления содержит дополнительный АЦП, один вход которого выполнен с возможностью измерения напряжения, пропорционального току через индуктор, а второй вход с возможностью измерения напряжения, пропорционального напряжению на индукторе, при этом выход дополнительного АЦП соединен с микроконтроллером с возможностью передачи измеренных величин напряжений с каждого входа на микроконтроллер.
Недостатками известного способа являются: для определения скорости нарастания тока в индукторе на АЦП накладываются жесткие требования по времени выполнения изменений. Также имеется необходимость измерять скорость нарастания тока в катушке, а для этого необходимо сделать, по крайней мере, два замера через небольшой промежуток времени и шумы в соседних изменениях оказывают большое влияние на точность.
Задачей изобретения является выявление неисправности в магнитной системе и электронной схеме электромагнитного расходомера и влияние воздействия окружающей среды на его работоспособность и точность.
Сущность изобретения поясняется рисунками:
На рисунке 1 изображены осциллограммы напряжения и тока во время переходного процесса при включении тока в индуктор и при выключении подачи тока и изменения полярности подключения катушки индуктора.
Т1 - момент включения стабилизатора тока;
Т2 - момент времени, когда ток через катушку достигает заданного тока стабилизации;
Т3 - момент выключения стабилизатора тока и изменения полярности подключения катушки индуктора;
Т4 - момент времени, когда прекращается ток через катушку;
ΔТн - время переходного процесса при включении тока;
ΔТс - время переходного процесса при выключении тока;
U1 - напряжение на индукторе во время переходного процесса при включении тока;
U2 - напряжение на индукторе в установившемся режиме;
U3 - напряжение на индукторе во время переходного процесса при выключении тока.
До времени Т1 продолжается бестоковая пауза. Напряжение на катушке индуктора и ток через катушку равны нулю.
Между моментами времени Т1 и Т2 переходной процесс при включении тока.
Между моментами времени Т2 и Т3 стабилизатор тока работает в установившемся режиме. Величина тока равна заданному току стабилизации и напряжение равно току стабилизации, умноженному на омическое сопротивление.
Между моментами времени Т3 и Т4 переходной процесс при выключении тока. Энергия магнитного поля из катушки возвращается в цепь питания. Ток через катушку плавно уменьшается, а величина напряжения определяется напряжением питания.
После момента времени Т4 снова начинается бестоковая пауза.
Сначала рассмотрим вариант использования, когда переходным процессом, по которому судят об исправности расходомера, является переходной процесс при включении тока.
При этом предлагается использование двух различных критериев окончания переходного процесса по напряжению и по току.
В первом варианте напряжение на индукторе сравнивают с пороговым, превышающим установившееся значение напряжения на индукторе, и время переходного процесса определяют по времени превышения напряжения порогового.
При включении стабилизатора тока длительность переходного процесса определяется индуктивностью катушки, сопротивлением катушки и напряжением питания. В моменты времени Т1 включается источник тока. Пока ток через катушку не достиг заданного тока стабилизации, источник тока подает на катушку индуктора максимальное возможное напряжение U1, определяемое напряжением источника питания.
Стабилизатор тока содержит схему сравнения тока с заданным. После достижения заданного тока, в момент времени Т2, стабилизатор тока переходит в установившийся режим и напряжение на индукторе снижается до величины U2. Резкое изменение напряжения на катушке индуктора с U1 до U2 сигнализирует об окончании переходного процесса. Для измерения длительности данного переходного процесса необходимо самое простое устройство - компаратор, сравнивающий напряжение на индукторе с пороговым напряжением, и таймер. Также возможно в качестве критерия окончания переходного процесса использовать факт достижения значения тока с заданным током стабилизации. При этом в отличие от способа, предложенного в прототипе, нет необходимости измерять значение тока. Достаточно только сравнения тока с пороговым.
Рассмотрим второй вариант, когда переходным процессом, по которому судят об исправности расходомера, является переходной процесс при выключении тока. При этом также предлагается использование двух различных критериев окончания переходного процесса по напряжению и по току. Напряжение на индукторе сравнивают с пороговым, превышающим установившееся значение напряжения на индукторе, и время переходного процесса определяют по времени превышения напряжения порогового. Необходимо отметить, что механизм возникновения превышения напряжения на катушке индуктора совершенно другой, чем при включении тока.
В момент времени Т3 выключается стабилизатор тока и ключи коммутатора меняют полярность подключения катушки к источнику тока. Катушка индуктора имеет индуктивность и ток через нее не может измениться мгновенно. Поскольку в момент времени Т3 катушка подключается в противоположной полярности, в течение индуктивного выброса ток из катушки течет в источник питания.
Для того чтобы появился данный индуктивный выброс недостаточно просто выключить источник тока. Также необходимо переключить катушки индуктора в противоположную полярность. Напряжение на индукторе во время индуктивного выброса U3 определяется напряжением питания схемы стабилизатора тока. Время индуктивного выброса определяется величиной магнитной индукции, напряжением индуктивного выброса и омическим сопротивлением катушки. Индуктивный выброс происходит в начале бестоковой паузы, когда источник тока выключен, поэтому его влияние на время индуктивного выброса исключено. В момент времени Т4 индуктивный выброс заканчивается.
Осциллограмма согласно рисунку 1 имеет крутые фронты и это позволяет легко измерить время переходного процесса при выключении тока ΔТс.
Также возможно в качестве критерия окончания переходного процесса использовать факт прекращения прохождения тока через катушку. При этом время переходного процесса определяют как время прекращения протекания тока индуктор.
Также предлагаются различные критерии определения исправности расходомера по времени переходного процесса.
В одном из вариантов во время градуировки расходомера необходимо запомнить время переходного процесса в качестве эталонного. В процессе эксплуатации расходомера измеряют время и в случае отклонения измеренного времени от эталонного более чем на какую-то определенную величину выдать сигнал об ошибке.
При этом можно использовать любое из измеренных времен переходных процессов: при включении и при выключении. А также можно использовать оба этих времени совместно.
Напряжение питания во время эксплуатации может отклоняться от того, при котором проводилась градуировка. Соответственно длительность переходного процесса в связи с этим изменится.
Также омическое сопротивление катушек может изменяться в широких пределах. Например, сопротивление меди - наиболее распространенного материала для обмоток катушек практически пропорционально температуре выраженной в градусах Кельвина. Данное изменение также приведет к изменению времени переходного процесса. Для того, чтобы это не вызывало ложных срабатываний предложен вариант исполнения контроля исправности расходомера. Измерение напряжения на индукторе во время переходного процесса во время градуировки расходомера и запоминание его в качестве эталонного. Во время работы ожидаемое время переходного процесса необходимо пересчитать относительно эталонного в соответствии с отличием напряжения от эталонного. По какой конкретно формуле производится пересчет, не является существенным отличием. Можно пользоваться точными формулами, а можно и приближенными, аппроксимирующие зависимости от напряжения.
Также для оценки омического сопротивления катушек предлагается замерять напряжение на индукторе в установившемся режиме. Запоминать в качестве эталонного это напряжение во время градуировки расходомера и пересчитать ожидаемое время переходного процесса.
В случае если не проводить учет отличий реальных напряжений на индукторе, для исключения ложных срабатываний необходимо расширить допуск на отличие времен переходного процесса. Предложенный вариант позволит обнаруживать ошибки с лучшей точностью.
Рисунок 2 поясняет возникновение асимметрии магнитной индукции при наличии внешнего магнитного поля. На рисунке изображена кривая намагничивания магнитопровода.
Нвн - внешнее магнитное поле;
ΔН1; ΔН2 - магнитодвижущая сила, вызванная током, протекающим через катушку индуктора положительной и отрицательной полярности;
ΔВ1; ΔВ2 - изменение магнитной индукции, вызванное током, протекающим через катушку индуктора положительной и отрицательной полярности;
Наличие внешнего магнитного поля Нвн приводит к неравенству изменений магнитной индукции ΔВ1 и ΔВ2.
Как видно из рисунка, при наличии внешнего магнитного поля величины изменения магнитной индукции ΔВ1 и ΔВ2 не будут равны. Следовательно, даже при равенстве токов величина магнитной индукции будет искажена, что приведет к неравенству переходных процессов при положительной и отрицательной полярности тока.
Также к неравенству времен переходных процессов при разном направлении тока кроме внешнего магнитного поля могут привести всевозможные отказы. При отказе или деградация параметров ключей коммутатора токи катушки индуктора положительной и отрицательной полярности перестанут быть равны. Также при появлении утечек на корпус крайне маловероятно, что они будут симметричны относительно разных концов катушки. Это тоже приведет к не симметрии токов.
Все эти причины приводят к одному и тому же результату - неравенству величины магнитной индукции при положительной и отрицательной полярности тока через катушку и могут быть обнаружены одним и тем же способом.
Соответственно предлагается вариант исполнения способа контроля исправности электромагнитного расходомера.
Сравнивая величину переходного процесса при положительной и отрицательной полярности тока через катушку, можно обнаружить все из перечисленных дефектов. Так как величина напряжения питания и сопротивление катушек одинаковы при обоих направлениях тока, то нет необходимости в измерении напряжений.
Предлагаются два варианта исполнения способа контроля исправности электромагнитного расходомера по равенству времени переходного процесса при положительном и отрицательном направлении тока в индукторе. В одном используется время переходного процесса при включении тока. В другом используют время переходного процесса после выключения подачи тока и изменения полярности подключения индуктора.
Также предложен электромагнитный расходомер, реализующий контроль своей исправности путем измерения времени переходного процесса по превышению напряжения на индукторе
На рисунке 3 приведена функциональная схема предлагаемого расходомера, реализующего контроль своей исправности путем измерения времени переходного процесса по превышению напряжения на индукторе.
1 - первичный электромагнитный преобразователь расхода, включающий трубопровод с электродами;
2 - индуктор с катушками;
3 - измерительная схема;
4 - стабилизатор тока питания катушек индуктора;
5 - ключи коммутатора, обеспечивающего изменение направления тока;
6 - компаратор;
7 - таймер;
8 - управляющий микроконтроллер;
9 - АЦП.
Всей работой управляет микроконтроллер. Стабилизатор тока 4 имеет вход управления, позволяющий включать и выключать его. Во время бестоковой паузы стабилизатор находится в выключенном состоянии. Ключи коммутатора, обеспечивающего изменение направления тока, управляется микроконтроллером. Ток, протекающий через индуктор, вызывает магнитное поле. Это магнитное поле прилагается к измерительному трубопроводу и по закону Фарадея на электродах, расположенных в измерительном трубопроводе, появляется ЭДС, пропорциональная величине расхода. Эта ЭДС поступает на измерительную схему, содержащую АЦП. На основании измеренной ЭДС микроконтроллер вычисляет расход жидкости, протекающей через измерительный трубопровод. После завершения измерения ЭДС при одной полярности тока, микроконтроллер выключает стабилизатор тока 4 и одновременно переключает состояние ключей коммутатора 5 для изменения полярности подключения катушки индуктора.
Отличием от известных ранее технических решений является то, что предлагаемый расходомер содержит компаратор 6, который сравнивает напряжение на индукторе (см. рис. 1) во время включения тока с некоторым пороговым напряжением, величина которого лежит между напряжением на индукторе во время переходного процесса U1 и напряжением на индукторе в установившемся режиме U2. Компаратор может быть подключен к катушкам индуктора непосредственно либо через коммутатор 5, как показано на рис. 2. Это не является существенным отличием, так как результат будет одинаковым.
Сигнал с выхода компаратора подается на таймер 7, который измеряет время переходного процесса ΔТ между моментом включения стабилизатора тока Т1 и моментом времени, когда ток через катушку достигает заданного тока стабилизации Т2. Также возможна реализация, когда таймер 7 состоит из двух таймеров: один из которых засекает время Т1 а другой Т2 и разность ΔТ вычисляет микропроцессор. Микроконтроллер содержит в себе запоминающее устройство, которое хранит эталонное значение времени переходного процесса. В качестве времени переходного процесса ΔТ можно использовать как ΔТн - время переходного процесса при включении тока в соответствии с рисунком 1, так и ΔТс - время переходного процесса при выключении тока. Предлагаемый расходомер может контролировать как любое из них, так и одновременно оба.
Имеются выпускаемые серийно микроконтроллеры, содержащие в своем составе компараторы, таймеры и АЦП: например серии MSP430 производства Texas Instruments.
Также расходомер может содержать ряд дополнительных устройств, таких как индикатор, канал связи в последовательном коде, частотные и токовые выходы.
Также предложен вариант расходомера, дополнительно содержащий АЦП 9. Данное АЦП позволит измерять напряжения U1, U2 и U3 и в микроконтроллере пересчитывать отличие ожидаемых ΔТ от эталонных.
На рисунке 4 приведена функциональная схема предлагаемого расходомера, реализующего контроль своей исправности путем измерения времени переходного процесса по току.
1 - первичный электромагнитный преобразователь расхода, включающий трубопровод с электродами;
2 - индуктор с катушками;
3 - измерительная схема;
4 - стабилизатор тока питания катушек индуктора;
5 - ключи коммутатора, обеспечивающего изменение направления тока;
6 - схема сравнения значений тока;
7 - таймер;
8 - управляющий микроконтроллер;
9 - АЦП.
Работа этого расходомера полностью аналогична описанному выше за исключением того, что расходомер содержит схему сравнения значений тока.
Схема сравнения может быть подключена в любом месте в цепь прохождения тока: между стабилизатором 4 и ключами коммутатора 5 как показано на рис. 3, между ключами коммутатора 5 и общим проводом или между источником питания и стабилизатором 4. Это не является существенным отличием, так как результат будет одинаковым.
В случае когда измеряют время переходного процесса при включении тока, схема сравнивает ток через катушки с заданным током стабилизации и выдает сигнал на таймер, когда они сравняются. В случае когда измеряют время переходного процесса при выключении тока, схема сравнивает ток через катушки с нулем.
Многие микросхемы, предназначенные для источников питания, имеют в своем составе устройство сравнения действительного выходного сигнала с заданным и способными выдавать внешний сигнал, свидетельствующий об окончании переходного процесса. Это может быть использовано в предлагаемом расходомере.
Как известно, принцип действия электромагнитного расходомера основан на законе Фарадея и ЭДС, индуцированной на электродах, и определяется величиной магнитной индукции, скоростью движения среды и геометрическими размерами. Для различия ЭДС, индуцированной на электродах, от электрохимической ЭДС применяют знакопеременный ток в катушках индуктора. Для увеличения точности работы расходомера ток, проходящий через катушку индуктора, стабилизирован стабилизатором тока.
Главным источником погрешности измерения расхода является нестабильность магнитной индукции. Этим объясняется необходимость простого и надежного способа контроля отличия величины индукции от того, при котором проводилась градуировка расходомера. Величина магнитной индукции может измениться по множеству причин:
а) отказ источника тока питания катушек индуктора, приведший к изменению тока стабилизации;
б) отказ или деградация параметров ключей коммутатора, обеспечивающего изменение направления тока;
в) при наличии токов утечки параллельно катушкам индуктора;
г) при наличии токов утечки с катушек индуктора на корпус прибора;
д) межвитковые короткие замыкания внутри катушек;
е) воздействие сильного внешнего магнитного поля, приводящего к изменению параметров магнитопровода.
Отказы частей электромагнитного расходомера в том числе.
Изменение магнитной индукции также приводит к изменению длительности переходного процесса тока в индукторе. Таким образом, измерение времени этого переходного процесса позволяет выявить широкий спектр отказов электромагнитного расходомера. При этом отпадает необходимость в измерении тока во время переходного процесса.
Особо необходимо пояснить роль бестоковой паузы при осуществлении предлагаемого технического решения. Известны электромагнитные расходомеры без бестоковой паузы. В этих расходомерах переходной процесс при выключении тока, который связан с потоком магнитной индукции в одной полярности и переходной процесс при включении тока в другой полярности сливаются. В этих расходомерах нет возможности простым способом разделить их.
Применительно к предлагаемому способу введением бестоковой паузы достигается неожиданный для такого дополнения технический результат: разделение переходных процессов при выключении тока и при включении во времени. К моменту включения стабилизатора тока предыдущий переходной процесс закончился и ток в катушках индуктора будет равен нулю. Это позволит измерить длительности этих переходных процессов раздельно и диагностировать большее число неисправностей с большей достоверностью.
Таким образом, предлагается два варианта осуществления контроля исправности электромагнитного расходомера: в одном варианте предлагается использовать время переходного процесса при включении тока после бестоковой паузы. В другом варианте предлагается использовать время переходного процесса после выключения подачи тока и изменения полярности подключения индуктора после установившегося режима работы стабилизатора тока до начала бестоковой паузы.