Цифровой преобразователь расхода электропроводной жидкости
DIGITAL CONVERTER OF CONDUCTIVE LIQUID FLOW RATE

Изобретение относится к измерительной технике и электронному приборостроению и может быть использовано в расходометрии электропроводных жидкостей, например воды и водных растворов солей, щелочей и кислот, электропроводных органических и неорганических химических соединений.
Цифровые преобразователи расхода электропроводной жидкости (ЦПРЖ) следует считать особо перспективными для измерения расхода и количества электропроводной жидкости в цифровых автоматических системах управления производственными процессами в химической и пищевой промышленности, для использования в составе счетчика количества теплоты в водяных системах производства и потребления тепловой энергии.
Из уровня техники не выявлен ЦПРЖ, в котором бы оцифровывание величины расхода жидкости происходило непосредственно в проточной части преобразователя расхода. Во всех известных преобразователях расхода жидкости в первичном преобразователе формируется аналоговый электрический сигнал, которых затем подвергается аналого-цифровому преобразованию во вторичном электронном преобразователе с использованием интегрального аналого-цифрового преобразователя того или иного типа.
Известен шариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент на изобретение RU №2471154 С1, кл. G01F 1/05, опубликован 27.12.2012 г.] и известен универсальный электрошариковый первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [патент на изобретение RU №2566428 С1, кл. G01F 1/06, утвержден 28.10.2015 г.]. В первом из них в проходном канале корпуса расходомера, изготовленного из диэлектрического материала, расположены два электрода, во втором - три электрода заподлицо с их внутренней поверхностью. В корпусе расходомера располагается струенаправляющий аппарат со ступицей, кольцевой канал и шар.
Наиболее близким к предложенному ЦПРЖ является электромагнитный первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. 4-е изд. Л.: Машиностроение, 1989 - 408 с.].
Общими конструктивными признаками известного электромагнитного первичного преобразователя и заявленного ЦПРЖ являются:
- во-первых, чистый, то есть не содержащий никаких элементов или деталей, проходной для жидкости канал корпуса преобразователя, поэтому не создающий никакого гидравлического сопротивления потоку жидкости, что является несомненным достоинством расходомера жидкости;
- во-вторых, в проходном канале установлены электроды заподлицо с внутренней поверхностью канала, расположенные напротив друг другу и в перпендикулярной потоку жидкости плоскости.
Однако известный электромагнитный первичный преобразователь расхода электропроводной жидкости имеет недостатки:
1. Данный преобразователь расхода жидкости является аналоговым измерительным прибором, так как его выходным сигналом является постоянное напряжение или постоянный ток, если нормирующий дифференциальный усилитель имеет токовый выход. Поэтому его непосредственное использование в автоматических цифровых системах управления невозможно или возможно, но после преобразования аналогового выходного сигнала в цифровой код посредством аналого-цифрового преобразователя. Необходимость оцифровки аналогового сигнала и применение с этой целью аналого-цифрового преобразователя увеличивает погрешность преобразования, снижает помехоустойчивость и увеличивает стоимость расходомера.
2. В корпусе преобразователя должен находиться источник магнитного поля, генерирующий стабильный по температуре и во времени магнитный поток. Нестабильность индукции магнитного поля при воздействии тех или иных дестабилизирующих факторов является источником погрешности преобразования расхода жидкости в электрический сигнал. Более того, генератор магнитного поля значительно усложняет конструкцию корпуса прибора и увеличивает его стоимость.
3. Выходным сигналом преобразователя является очень низкое напряжение, возникающее между двумя его электродами, тем более, при низких значениях расхода жидкости. Поэтому в клеммной коробке электромагнитного преобразователя должен располагаться прецизионный дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления по напряжению и нормированным выходным сигналом, пригодным для передачи по проводам во вторичный электронный преобразователь. Использование чувствительного дифференциального усилителя, необходимость нормирования его выходного сигнала приводит к существенному снижению помехоустойчивости и повышению стоимости прибора.
Задачей изобретения является: расширение области применения расходомера за счет возможности непосредственного включения преобразователя расхода жидкости в цифровую систему автоматического управления без использования дополнительного аналого-цифрового преобразователя.
Техническим результатом изобретения является: повышение точности преобразования за счет сокращения числа источников нестабильности функции преобразования расхода жидкости в выходной сигнал.
Поставленная задача решается и технический результат достигается преобразователем расхода электропроводной жидкости, состоящим из корпуса, изготовленного из диэлектрика, и установленных заподлицо с его внутренней поверхностью электродов, отличающимся тем, что в корпусе установлены два ряда электродов, расположенных в одной плоскости напротив друг друга, в каждом из которых количество электродов определяется требуемым числом разрядов выходного двоичного кода, электронная часть включает в себя набор резисторов, источник стабильного опорного тока, резистивный делитель напряжения, набор компараторов и преобразователь позиционного двоичного кода в натуральный двоичный код, причем, электроды одного из двух рядов соединены с положительным выводом источника опорного тока, электроды другого ряда через резисторы набора резисторов присоединены к отрицательному выводу того же источника опорного тока, чтобы перераспределяющиеся между электродами токи, сумма которых всегда равна опорному току, создали падения напряжений на резисторах в порядке позиционного кода, затем, нормировались по величине набором компараторов, неинвертирующие и инвертирующие входы которых присоединены соответственно к резисторам набора резисторов и резистивному делителю напряжения, и при необходимости преобразователь позиционного двоичного кода в обычный двоичный код или код другого вида, например, для управления семисегментными индикаторами.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлена конструкция проточной части ЦПРЖ, в плоскости которого находятся ряды электродов 2 и 3.
На Фиг. 2 показана электронная часть ЦПРЖ, выходным сигналом которого в показанном случае технической реализации является трехразрядный двоичный код.
O
На Фиг. 3 упрощенно иллюстрируется распределение опорного тока I в виде траекторий движения носителей электрического заряда между рядами электродов 2 и 3 при четырех значениях скорости (а, б, в, г) протекания (расхода) электропроводной жидкости.
3
2
1
На Фиг. 4 представлена функция преобразования трехразрядного ЦПРЖ D=f(G), где D=ddd - выходной двоичный трехразрядный код; G - расход жидкости.
Проточная часть ЦПРЖ включает в себя (Фиг. 1) корпус 1 в виде участка трубопровода, изготовленного из любого диэлектрического материала (стекла, различных пластмасс), и двух одинаковых рядов электродов 2 и 3, расположенных на противоположных сторонах корпуса и заподлицо с его внутренней поверхностью, в одной плоскости и напротив друг друга, как это показано на поперечном сечении корпуса ЦПРЖ.
n
В рядах электродов 2 и 3 количество электродов одинаково и равно 2 + 1, где n - требуемое число разрядов выходного кода D ЦПРЖ. В рассматриваемом случае технической реализации ЦПРЖ число разрядов n=3, поэтому в рядах 2 и 3 должно быть по 9 электродов, расположенных с шагом, найденным расчетным путем с учетом требуемой разрядности прибора, заданного диапазона изменения расхода жидкости и внутреннего диаметра корпуса преобразователя 1. Все электроды одного из двух рядов электродов должны быть соединены между собой, как показано на Фиг. 2.
1
9
O
O
П
10
10
11
П
1
8
1
2
3
4
5
6
7
8
3
2
1
Электронная часть трехразрядного ЦПРЖ, рассматриваемого как пример, состоит из набора 4 девяти резисторов R - R, источника опорного тока I 5, резистивного делителя напряжения 6, служащего для формирования опорного напряжения U=(UR)/(R+R), где U - стабилизированное напряжение питания, набора 7 восьми компараторов K - K в интегральном исполнении, преобразователя 8 позиционного кода K=kkkkkkkk, являющегося выходным сигналом набора компараторов 7 в трехразрядный двоичный код D=ddd - цифровой трехразрядный эквивалент величины скорости протекания (расхода) жидкости через проточную часть ЦПРЖ.
Преобразователь кода 8 представляет собой логическое комбинационное цифровое устройство в интегральном исполнении, реализуемое на основе логических элементов типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ или ПЛИС (программируемой логической интегральной схемы).
1
8
П
Компараторы K - K имеют инвертирующий и неинвертирующий входы и выход с нормированным выходным напряжением. Если на неинвертирующем входе напряжение более положительно, чем напряжение на инвертирующем входе (обозначен кружком ), то на выходе компаратора напряжение имеет высокий уровень, соответствующий логической единице в двоичной системе счисления. Когда же напряжение на неинвертирующем входе менее положительно по сравнению с напряжением на инвертирующем входе, тогда выходное напряжение компаратора низкое относительно общей шины (отрицательного потенциала напряжения питания - U) и соответствует логическому нулю.
1
8
O
1
8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
O
1
1
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
Как показано на Фиг. 2, на все восемь инвертирующих входов компараторов K - K подается опорное напряжение U, на неинвертирующих входах компараторов действуют напряжения, равные падениям напряжений на соответствующих резисторах (R - R,) при протекании через них токов, вытекающих из электродов через контакты 1-8. Принципиально важно, что в рассматриваемом ЦПРЖ сумма вытекающих из электродов 1-9 токов I, I, I, I, I, I, I, I и I всегда равна опорному току I и, следовательно, не зависит от вида электропроводной жидкости, ее физико-химических особенностей и температуры. Например, если из электрода 1 вытекает ток I, то напряжение, действующее на неинвертирующем входе компаратора K, будет равно RI, аналогично, на неинвертирующих входах других компараторов напряжения относительно общей шины электропитания будут иметь значения: RI, RI, RI, RI, RI, RI, RI.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
8
1
8
O
1
8
O
i
i
O
i
i
O
i
i
i
O
i
O
1
2
3
4
5
6
7
8
i
Если в наборе резисторов 4 R=R=R=R=R=R=R=R=R, то напряжения на неинвертирующих входах компараторов трехразрядного ЦПРЖ будут определяться токами I - I и будут сравниваться компараторами K - K с опорным напряжением U. Значит, в заявленном ЦПРЖ набор компараторов 7 фактически осуществляет сравнение токов I- I, вытекающих из электродов 1-8 ряда электродов 3, с некоторой эталонной величиной, заданной в виде опорного напряжения U. Результатом сравнения напряжений IR, где i=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, с эталоном (опорным напряжением U) является выходной сигнал i-го компаратора: если IR > U, то выходной сигнал K=1; если же IR ≤ U, то выходной сигнал K=0. Результатом сравнения напряжений на электродах 1-8 с опорным напряжением U является восьмиразрядный позиционный код K=kkkkkkkk, в котором аргументы k могут соответствовать логическим единице или нулю.
O
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Пусть в трехразрядном ЦПРЖ, рассматриваемом как простой пример технической реализации многоразрядного цифрового первичного преобразователя расхода, жидкость неподвижна (скорость ее движения V=0), то есть расход G=0. Тогда, как показано на Фиг. 3-а, опорный стабилизированный ток I, втекая в гидравлическую часть через электроды 10-18, равномерно распределится по электродам 1-9, так как электрические сопротивления неподвижной жидкости между находящимися напротив друг друга электродами равны: R=R=R=R=R=R=R=R=R.
На Фиг. 3-а равномерное распределение тока по электродам 1-9 упрощенно показано траекториями движения носителей заряда электропроводной жидкости (положительных и отрицательных ионов), которые симметрично распределены в направлении девяти электродов.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
O
1
2
3
4
5
6
7
8
9
O
O
1
2
3
4
5
6
7
8
Итак, при неподвижной жидкости (G=0) напряжения на электродах 1-9; U=U=U=U=U=U=U=U=U=RI/9, где R=R=R=R=R=R=R=R=R=R, и при U ≤ RI/9 выходной код набора компараторов K=kkkkkkkk=11111111.
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Если жидкость начнет движение с некоторой скоростью и ее расход G=G, то произойдет перераспределение опорного тока между электродами 1-9. Как видно по положению траекторий движения носителей заряда в жидкости на Фиг. 3-б, ток I уменьшится на некоторую величину, а сумма токов I, I, I, I, I, I, I и I на столько же увеличится.
1
x
MAX
1
O
O
1
1
1
O
1
1
O
2
8
O
П
10
10
11
1
1
O
1
2
8
1
1
MAX
1
2
3
4
5
6
7
8
Пусть при скорости протекания жидкости V ее расход G=1/8 G, тогда ток I, вытекающий из электрода 1, снизится от начального значения I/9 до некоторого значения (I/9 - ΔI) и, следовательно, напряжение на неинвертирующем входе компаратора K уменьшится с U=R I/9 до U=R (I/9 - ΔI). Так как при этом вытекающие из электродов 2-9 токи увеличатся, то напряжения на этих же электродах и, значит, на неинвертирующих входах компараторов K - K увеличатся. Если посредством резистивного делителя напряжения 6 установлено опорное напряжение U=UR/(R+R), равное U=R(I/9 - ΔI), то на выходе компаратора K1 напряжение упадет до минимального значения, соответствующего логическому нулю (k=0). Компараторы K - K как были в состояниях логической единицы, так и останутся в единичном состоянии. Таким образом, при скорости протекания жидкости V и ее расходе G=1/8 G, на выходе набора компараторов 7 код K=kkkkkkkk=01111111.
2
2
MAX
1
2
3
3
O
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
Пусть теперь скорость протекания жидкости V увеличится до значения V (Фиг. 3-в) и ее расход примет значение G=1/4 G, тогда ток I станет еще меньше, уменьшится и ток I, вытекающий из электрода 2, ток Iуменьшится, но не на столько, что падение напряжения на резисторе R станет равным или меньше опорного напряжения U. В этом режиме работы ЦПРЖ опрокинутся в нулевое состояние компараторы K и K, и на выходе набора компараторов 7 код K=kkkkkkkk=00111111.
3
3
MAX
1
2
3
1
2
3
4
5
6
7
8
На Фиг. 3-г показан режим работы ЦПРЖ при скорости потока жидкости V, при которой ее расход G=3/8 G, и опрокидываются в состояние логического нуля первые три компаратора (k=k=k=0). На выходе набора компараторов 7 позиционный код K=kkkkkkkk=00011111.
MAX
MAX
MAX
MAX
MAX
Аналогично рассуждая, можно показать, что при достижении расхода жидкости дискретных значений 1/2 G, 5/8 G, 3/4 G, 7/8 G и Gв выходном коде набора компараторов увеличивается количество логических нулей, как видно в нижеследующей таблицы состояний трехразрядного ЦПРЖ:
4
MAX
Разряд d выходного двоичного кода D трехразрядного ЦПРЖ служит лишь для фиксации достижения расхода жидкости максимального значения G в ЦПРЖ с конкретным типоразмером проточной части. Взаимозависимость восьмиразрядного позиционного кода K и выходного двоичного кода ЦПРЖ D, представленная в таблице, позволяет записать четыре переключательные функции и после их преобразования (с учетом заданной элементной базы) составить принципиальную электрическую схему преобразователя кода 8.
Итак, в рассмотренном ЦПРЖ реализуется задача непосредственного преобразования расхода электропроводной жидкости в двоичный код без использования микроэлектронного аналого-цифрового преобразователя, что по сравнению с прототипом уменьшает погрешность преобразования за счет неиспользования в ЦПРЖ генератора стабильного магнитного поля и прецизионного усилителя напряжения с нормированным выходным сигналом.
1
9
10
11
1
8
Неизбежный технологический разброс сопротивлений R - R и R, R, сдвиг нулей выходных напряжений компараторов K - K и их температурный дрейф являются источниками погрешности преобразования ЦПРЖ, но все они могут быть подавлены за счет правильного выбора типов резисторов и интегральных компараторов, а также начальной регулировкой схемы.
Простая конструкция ЦПРЖ, минимальное количество используемых конструктивных элементов и деталей позволяют снизить себестоимость изделия в условиях их серийного производства.