ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА
ELECTROMAGNETIC FLOW CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах учета количества теплоты, переносимой электропроводящими жидкостями, их объема и массы, а также контроля и регулирования объемного и массового расхода.
Известен электромагнитный расходомер [1], в котором уменьшение погрешности измерения при нестабильном токе возбуждения индуктора достигается за счет стабилизации коэффициента передачи измерительного тракта. Расходомер попеременно работает в режимах измерений и автоматической калибровки. В режиме измерений сигнал с выхода первичного преобразователя расхода через коммутатор, преобразователь сигнала, регулятор и первое устройство выборки хранения поступает на индикатор. В режиме автоматической калибровки опорный сигнал с выхода преобразователя тока в контрольный сигнал через коммутатор, преобразователь и регулятор поступает на вход схемы сравнения, на другой вход которой поступает образцовое напряжение с источника опорного напряжения. Напряжением с выхода схемы сравнения через второе устройство выборки-хранения регулируется коэффициент передачи регулятора коэффициента передачи.
Недостатком этого устройства является сложность конструктивного исполнения и снижение быстродействия за счет попеременного измерения сигнала с преобразователя расхода и автоматической калибровки измерительного тракта.
Известен электромагнитный преобразователь расхода [2], в состав которого входит первичный преобразователь, содержащий индуктор и электроды, и вторичный измерительный преобразователь, который, в свою очередь, содержит предварительный усилитель, формирователь тока питания индуктора, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, индикатор, источник опорного напряжения, формирователь модулирующего сигнала и модулятор опорного напряжения. Задачей этого преобразователя является уменьшение погрешности измерения расхода за счет устранения взаимного влияния электромагнитного поля индукторов расходомеров, расположенных вблизи друг от друга.
Недостатком устройства является зависимость погрешности измерения от нестабильности тока питания индуктора, которая обусловлена отклонением активного и индуктивного сопротивления индуктора под воздействием внешних факторов, что приводит также к снижению динамического диапазона измерения расхода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электромагнитный расходомер [3], в состав которого входит первичный преобразователь, содержащий индуктор и электроды, измерительный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, мостовой коммутатор тока, схема управления мостовым коммутатором, датчик тока и дополнительный аналого-цифровой преобразователь, служащий для контроля тока через индуктор и напряжения на индукторе, что обеспечивает определение величины отклонения текущих значений активного и индуктивного сопротивления индуктора, определенных программно-аппаратным образом по указанным значениям напряжений на индукторе от предустановленных в памяти их эталонных значений.
Недостатком приведенного электромагнитного расходомера является зависимость мгновенного значения измеряемого расхода от отклонения текущих значений активного и индуктивного сопротивления индуктора и, как следствие, нестабильность тока питания индуктора и увеличение погрешности измерения. Контроль параметров индуктора и сравнение с предустановленными в памяти эталонными значениями может повысить точность, если включить его в измерительный цикл и проводить непрерывную коррекцию результатов измерения расхода с учетом полученных значений параметров индуктора. Однако при этом удлиняется измерительный цикл и снижается быстродействие, а в погрешность измерения расхода будет входить погрешность преобразования дополнительного аналого-цифрового преобразователя. Кроме того, увеличение активного сопротивления индуктора под воздействием температуры окружающей среды может привести к выходу источника тока из режима стабилизации, что также приведет к увеличению погрешности и уменьшению динамического диапазона измерения расхода.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности без снижения быстродействия и ухудшения динамического диапазона измерения.
Указанная цель достигается тем, что в электромагнитный преобразователь расхода, содержащий первичный преобразователь расхода, измерительный аналого-цифровой преобразователь, мостовой коммутатор, источник тока, датчик тока, микроконтроллер, введен усилитель напряжения с датчика тока, выходом соединенный с входом внешнего опорного сигнала аналого-цифрового преобразователя.
На рис. 1 приведена структурная схема электромагнитного преобразователя расхода (ЭПР), на рис. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.
Электромагнитный преобразователь расхода содержит первичный преобразователь 1, включающий индуктор 2 и трубопровод 3 с электродами 4, соединенными с сигнальными входами аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого соединен с входом микроконтроллера 6. Схема содержит также мостовой коммутатор тока 7, выходы которого соединены с индуктором 2, а входы управления с выходами микроконтроллера 6. Мостовой коммутатор тока 7 питается от источника тока 8, одним из выходов соединенного с мостовым коммутатором 7, а другим выходом с одним из концов датчика тока 9 и входом усилителя 10, выход которого соединен с входом внешнего опорного сигнала аналого-цифрового преобразователя 5, причем другой конец датчика тока 9 соединен с общей точкой схемы.
Устройство работает следующим образом.
пи
oп
Микроконтроллер 6 выдает на выходах 1 и 2 сдвинутые относительно друг друга тактирующие импульсы, поступающие на входы управления мостового коммутатора тока 7 (см. диаграммы U1 и U2). В соответствии с тактирующими импульсами на индукторе формируются двуполярные импульсы (см. диаграмму U), а на конце датчика тока 9, соединенном с входом усилителя 10, импульсы одной полярности, которые после усиления до номинального значения опорного сигнала АЦП (см. диаграмму U) поступают на вход внешнего опорного сигнала АЦП 5, относительно которого происходит нормирование измеряемого сигнала.
oп
Сигнал U определяется следующее формулой:
,
инд
где I - ток питания индуктора,
R - сопротивление датчика тока,
оп
К - коэффициент преобразования усилителя сигнала с датчика тока.
вх
Напряжение на электродах имеет ту же форму, что и сигнал на индукторе (см. диаграмму U), а амплитуда пропорциональна расходу и току питания индуктора и определяется следующей формулой:
,
где Q - объемный расход,
п
K - коэффициент преобразования первичного преобразователя.
При протекании тока через индуктор, когда сигнал с электродов принимает установившееся значение, микроконтроллер 6 с выхода 3 выдает в АЦП сигнал на запуск преобразования, по окончании которого с входа 4 считывает с АЦП код, пропорциональный расходу. Значения  и  при протекании тока через индуктор в положительном и отрицательном направлениях имеют вид
,
где n - разрядность АЦП.
После подстановки в (3) и (4) выражений (2) и (3) получим следующие формулы для значений кодов АЦП при протекании тока через индуктор в положительном и отрицательном направлениях:
,
+
где Q - объемный расход при протекании тока через индуктор в положительном направлении
,
-
где Q - объемный расход при протекании тока через индуктор в отрицательном направлении.
Из выражений (5) и (6) следует, что значения кода  и  и, следовательно, объемный расход не зависят от тока питания индуктора.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение точности измерения расхода без снижения быстродействия и уменьшения динамического диапазона измерения.
Источники информации
1. Электромагнитный расходомер. Изобретение RU 1656328.
2. Электромагнитный расходомер. Патент РФ №2489684.
3. Электромагнитный расходомер и способ контроля измерения расхода текучих сред. Патент РФ №2529595.