СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ СРЕДЫ ПУТЕМ НАЛОЖЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ИЗМЕРЯЕМЫЙ ОБЪЕМ, ЧЕРЕЗ КОТОРЫЙ ОНА ПРОТЕКАЕТ
METHOD OF MEASURING FLOW RATE OF MEDIUM BY APPLYING MAGNETIC FIELD ONTO MEASURED VOLUME THROUGH WHICH SAID MEDIUM FLOWS

Изобретение относится к способу измерения скорости течения среды путем наложения магнитного поля на измеряемый объем, через который она протекает. В частности, изобретение относится к способу, допускающему также использование магнитных полей, постоянных по времени.
Принцип магнитоиндукционной технологии измерения потока или расхода на практике оправдал себя наилучшим образом. Он имеет множество преимуществ по сравнению с другими принципами измерения; измеряемые величины не зависят, например, от плотности, вязкости, а в определенных пределах - также от профиля течения и проводимости среды, если она не превышает минимального значения порядка 1 мкСм/см. Кроме того, датчики, работающие по этому принципу, могут обойтись без каких-либо сужений или мертвых пространств в измеряемом объеме. Поэтому они пригодны для измерения загрязненных потоков жидкости, нагруженных твердыми веществами. При соответствующем выборе электроизоляционной облицовки внутренних стенок и вида съема сигнала их можно использовать также в агрессивных и коррозийных текучих средах.
В большинстве случаев используют гальванический съем сигнала, при котором со средой непосредственно (гальванически) контактируют пластинчатые или полусферические металлические электроды малого диаметра (обычно в несколько сантиметров), снабженные вводами во внутренней стенке трубы. Они должны быть надежно герметизированы относительно стенки трубы. Этот вид съема отличается прочной и простой конструкцией, подверженной, однако, химическому воздействию, отложениям и абразии в отношении электродов и уплотнений. Использование высоких рабочих температур предполагает тщательное согласование температурных коэффициентов расширения материалов электрода и материала стенки.
Этих недостатков можно избежать при емкостном съеме сигнала. При этом электроды не имеют контакта со средой, которая, в свою очередь, контактирует только с внутренней стенкой трубы. Таким образом, задача конструкции сводится к выбору достаточно резистивного материала внутренней стенки.
Описанные преимущества магнитоиндукционных датчиков расхода вкупе с обоими режимами работы, определяемыми видом съема сигнала, способствуют широкому применению магнитоиндукционного принципа измерения. Однако этим преимуществам противостоит недостаток, состоящий в значительном энергопотреблении для создания магнитного поля. Оба режима работы требуют магнитных полей, изменяющихся во времени, для того, чтобы или - как в случае гальванического съема сигнала - исключить паразитные электрохимические потенциалы, или - как в случае емкостного съема сигнала с жестко заданными емкостями связи - вообще добиться съема сигнала на принципиальных физических основах. Эти поля могут быть созданы только с помощью электромагнита. Поэтому при известных на сегодняшний день магнитоиндукционных датчиках расхода и потока энергопотребление для создания магнитных полей почти всегда покрывается из электросети.
Однако это противоречит современной тенденции будущего развития сенсорной техники, характеризующейся большим интересом к так называемым «энергонезависимым» системам, покрывающим свои потребности в энергии за счет источника энергии, независимого от сети (батареи, аккумулятора, солнечных элементов и т.п.) и срок службы которых достигает при этом по меньшей мере пяти лет.
Поэтому совершенно ясно, что способ измерения для датчиков расхода, пригодный с точки зрения энергетической независимости, может быть убедительно сконструирован по магнитоиндукционному принципу лишь в том случае, если он будет основываться на применении только постоянных магнитов.
Для датчиков потока и расхода с емкостным съемом сигнала уже предлагаются соответствующие решения.
Так, например, в DE 102 21 677 А1 предлагается заменить магнитное поле, изменяющееся во времени, постоянным магнитным полем, а прежние постоянные емкости связи емкостями связи, управляемыми с задаваемым тактовым интервалом, в свою очередь разрешающими емкостной съем сигнала в том же тактовом интервале.
Альтернатива описана в DE 10 2005 043 718 А1, где съем сигнала предусмотрен с помощью управляемых полупроводников - предпочтительно, полевых транзисторов (FET), на изолированные затворы которых индуцированное напряжение воздействует непосредственно, поскольку они контактируют с измеряемой средой. Этот практически бестоковый способ измерения обходится без зарядки конденсатора, обычно необходимой для его заряда в качестве меры скорости потока. Однако он с таким же основанием может восприниматься как емкостной способ, при котором напряжение, измеряемое на электроде затвора, как раз способствует этому заряду. Преимущество состоит в том, что даже незначительные изменения скорости течения в постоянном магнитном поле влекут за собой появление сигнала, легко поддающегося измерению.
Поэтому на первый взгляд неудивительно, что измеренные сигналы измерительного устройства на основе постоянного магнитного поля и полевых транзисторов (FET), как съемные сигналы при постоянной скорости течения, являются результатом суперпозиции постоянного по времени значения уровня и изменяющейся во времени незначительной флуктуации относительно значения уровня. Такие сигналы в принципе известны из самых первых MID, при которых использованы постоянные магниты и гальванический съем. Эти флуктуации можно также подавить некоторыми известными способами с помощью измерительной техники или исключить расчетным путем.
Однако при более глубоком размышлении специалист должен понять, что физические причины флуктуаций в обоих видах съема могут быть существенно различными. Например, случайные колебания локального распределения заряда для сигнала на полевом транзисторе, в конечном счете воспринимающем пространственно усредненное электрическое поле, не играют большой роли, в то время как это будет иметь значительное влияние на идеально точечные гальванические электроды. Да и другие материальные эффекты, в частности загрязнения, при использовании полевых транзисторов (FET) далеко не так важны, как при гальваническом съеме.
Единственно надежной общей причиной колебаний сигнала в обоих случаях является нарушение движения текучей среды в результате турбулентности. Дело в том, что незначительные колебания скорости течения происходят даже при ламинарном потоке текучей среды, например, из-за шероховатости внутренней стенки трубы и т.п.
Здесь необходимо кратко обратиться к некоторым результатам исследования турбулентности (см., например, J.G.M.Eggels : “Direct and Large Eddy Simulation of Turbulent Flow in a Cylindrical Pipe Geometry”, Dissertation Universität Delft 1994, Delft University Press, ISBN 90-6275-940-8).
В этой связи известно, что феномены турбулентности распространяются на все каскады завихрений, соединенных между собой передачей энергии, которые по своим параметрам убывают от максимальных размеров, определяемых геометрией потока, до минимальных размеров, укладывающихся в диапазон внутримолекулярных интервалов.
В трубах с внутренним диаметром D самые сильные завихрения характеризуются типичной линейной шкалой L [м], где L ≈ 0,1D. Энергия, необходимая для поддержания завихрений, изымается из потока, для чего приводятся в движение самые мощные потоки. В результате продолжения передачи вдоль энергетического каскада от сильных к все более слабым завихрениям эта энергия в конечном счете рассеивается по так называемой шкале Колмогорова, т.е. превращается в тепло.
2
2
2
3
Наряду с этой линейной шкалой существует типичная шкала скоростей, обозначаемая через u [м/сек]. Она характеризует скорость колебаний. Вследствие этого появляется также типичная шкала времени, определяемая как частное L/u [сек] от деления. Она может быть интерпретирована как типичная долговечность завихрения. Ее обратная величина u/L описывает типичную шкалу частот. Из этого следует типичная энергия (на единицу массы) величиной u [м/сек] и типичная (средняя) скорость рассеяния энергии (на единицу массы), определяемые как частное от деления энергии на долговечность: ε = u/(L/u) = u/L.
Интересно, что средняя скорость ε рассеяния зависит не от микроструктуры среды, т.е. не от ее молекулярных свойств, как, например, ее вязкости. Более того, она определяется только самим потоком, т.е. геометрией потока (а также препятствиями, структурой поверхности и т.д.) и средней скоростью течения.
Это положение имеет фундаментальное значение для теории турбулентности: оно утверждает, что турбулентность является свойством потока среды, а не среды.
Поэтому задачей изобретения является создание способа измерения скорости течения по магнитоиндукционному принципу, который, с одной стороны, допускает использование постоянного по времени магнитного поля, и в то же время может осуществляться с любым видом съема сигнала, в частности гальваническим и/или емкостным.
Для решения этой задачи служит способ с отличительными признаками п.1 формулы изобретения в сочетании с его ограничительной частью. Предпочтительные варианты осуществления способа приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Необходимо указать на то, что ниже речь пойдет исключительно о постоянных магнитных полях. Однако этого ни в коем случае не следует понимать как ограничение. Нижеследующее описание остается действительным и при использовании переменных полей, в частности с определенными временными характеристиками. Это на фоне желательной энергетической независимости является лишь непредпочтительным вариантом выполнения.
Этот технический поток среды с минимальной электропроводностью через объем, в который проникает магнитное поле, приводит к созданию индуцированного электрического поля внутри этого объема, состоящего из двух составляющих сигнала, наложенных друг на друга.
Первая составляющая сигнала является мерой средней скорости течения и используется в обычных магнитоиндукционных датчиках расхода или потока.
Вторая составляющая сигнала прежде всего объясняется наличием феноменов турбулентности, в полной мере присутствующих в потоках. Это особенно относится к съему сигнала с помощью полевых транзисторов (FET), в то время как при гальваническом съеме принимаются  во внимание и другие источники сигнала.
В то время как первая составляющая сигнала неотделима от медленно изменяющихся сигналов, вызываемых потоком, например электрохимических паразитных сигналов, вторая составляющая сигнала вызывается только потоком и спровоцированными им стохастическими процессами. Из этого, возможно, следует, что хотя мгновенные значения, например скорости, подвержены стохастическим колебаниям, их средние статистические значения все же являются стабильными. При жестко заданной геометрии они зависят только от потока.
Поэтому эта вторая составляющая общего сигнала, идентифицируемая ниже как стохастическая, отделяется и записывается как сигнал, зависящий от времени. При этом отделение может производиться или дополнительно, т.е. после записи всего сигнала с помощью определенного временного строба с использованием типовых фильтровальных процедур в управляющей ВМ, или заранее с помощью аппаратных мер при регистрации сигнала. Простым примером таких мер является установка конденсатора в контуре при гальваническом съеме. Он подавляет все составляющие постоянного тока и пропускает только стохастический сигнал.
После этого путем прямых сравнительных измерений находят, что спектр амплитуд и частот зависит от средней скорости течения характерным образом, таким, что максимальные амплитуды и максимальные частоты монотонно возрастают вместе со средней скоростью течения. Это относится также к производным величинам, как, например, к соответствующим средним значениям.
При этом средние значения стохастического сигнала обнаруживают удивительную стабильность по отношению к внешним воздействиям, в частности по отношению к среде.
Изобретение более подробно поясняется на основе чертежей и временных характеристик, снятых в качестве примера измеренных величин. При этом:
фиг.1 изображает схематически в перспективе пригодную в качестве примера измерительную трубу для осуществления способа согласно изобретению с парой электродов для отбора, постоянным магнитом и блоком обработки данных;
фиг.2 - обзор временных характеристик стохастического сигнала, измеренных с помощью измерительной трубы на фиг.1 при гальваническом съеме сигнала (а) для его производной (b) по времени, для абсолютной величины (с) его производной и для вычисленных по ним временным средним значениям (d);
фиг.3 - сигнал того же объемного тока через измерительную трубу, записанный одновременно с измеренными величинами на фиг.2 и появляющийся для сравнения при съеме сигнала с полевых транзисторов.
На фиг.1 изображена гладкая измерительная труба 1, изготовленная из изоляционного материала, не содержащая ни сужений, ни мертвых пространств. В нее проникает постоянное по времени магнитное поле с индукцией В. Это поле, в свою очередь, создается полюсами 4, 4´, являющимися элементами непоказанной здесь магнитной цепи, индуцированной постоянным магнитом.
av
stoch
Имеются по меньшей мере два электрода 2, 2´ для съема полезного сигнала, в принципе являющегося результатом суперпозиции первой составляющей U, зависящей только от средней скорости течения и составляющей U, зависящей только от стохастических колебаний скорости. Электродами 2, 2´ для съема сигнала могут быть металлические электроды, гальванически контактирующие с измеряемой средой. В этом случае целесообразно заделать их во внутреннюю стенку трубы таким образом, чтобы они образовывали с внутренней стенкой гладкую поверхность без выпуклостей и углублений.
Однако речь может идти и об емкостных электродах, целиком установленных во внутренней трубе таким образом, чтобы они не контактировали с измеряемой средой. Преимущества гальванических электродов заключаются в простоте и дешевизне их изготовления, в их прочности и в многолетнем опыте использования обычных датчиков расхода или потока. В принципе к измерительному устройству предъявляются точно такие же требования, что и известные по обычным магнитоиндукционным датчикам.
Наконец, полезный сигнал подается в блок 3 обработки данных, задачей которого является определение средней скорости течения по стохастической составляющей сигнала с помощью определенных алгоритмов. Пример отдельных возможных шагов такого алгоритма и полученные по нему результаты обработки представляются на основе практически проведенного измерения, как это показано на фиг.2.
При проведении измерения для установки измерительной трубы в магнитном поле в качестве объекта для испытания с принципиальным устройством, показанным на фиг.1, используется замкнутый водяной контур, оснащенный управляемым насосом, причем расход благодаря управлению насосом варьируется. В целях сравнения в контуре имеется еще один измерительный прибор для регистрации средней скорости течения, работающий со съемом сигнала с помощью полевых транзисторов.
Серия измерений проводится при различных скоростях течения, причем, начиная с нуля, путем скачкообразного изменения сначала устанавливается максимальное значение, затем устанавливаются значения, периодически сокращаемые до нуля, и, наконец, новый скачок до максимального значения с последующим возвратом к нулю.
В частичном изображении а на фиг.2 показан общий индуцированный сигнал, снятый между двумя гальваническими электродами, который подается на усилитель сигнала с исключительно большим входным сопротивлением. Из-за большой постоянной времени измерения стохастически колеблющаяся составляющая сигнала сначала не видна. После дифференцирования этого сигнала постоянные составляющие сигнала удаляются, а оставшийся стохастический сигнал хорошо различим, как это показано в частичном изображении b. Теперь уже отчетливо видна зависимость амплитуды дифференцированного сигнала от средней скорости течения (см. частичное изображение а).
Для дальнейшей обработки информации об амплитуде в частичном изображении с осуществлено выпрямление сигнала с частичного изображения b. Получение среднего значения сигнала с частичного изображения с приводит в конечном счете к характеристике, представленной в частичном изображении d, которая однозначно является мерой средней скорости течения и имеет явно аналогичную характеристику.
На фиг.3 для сравнения снова воспроизведена характеристика средней скорости течения, измеренной с помощью другого вида съема сигнала. При этом хорошо видно, что стохастическая составляющая сигнала при съеме с полевых транзисторов не только существует, но выражена еще более заметно, чем при гальваническом съеме.
Даже при многократном повторе измерений при различных температурах описанные зависимости постоянно воспроизводятся стабильно.
В итоге - и вместе с тем при некотором обобщении - алгоритм измерения скорости течения среды, представленный в частичных изображениях а - d, состоит из нескольких частичных этапов:
а) Регистрация через определенные промежутки времени в качестве полезного сигнала стохастического сигнала, индуцированного колебаниями скорости текучей среды в магнитном поле.
б) Отделение полезного сигнала от возможных постоянных по времени (или по сравнению с длительностью выбранных интервалов медленно изменяющихся) составляющих сигнала.
в) Выпрямление и последующее получение среднего значения полезного сигнала.
г) Интерпретация полученных средних значений в качестве меры средней скорости течения среды.
Специалисту должно быть понятно, что классический магнитоиндукционный принцип измерения является истинно усредняющим способом. Действительно, уже по виду съема сигнала, положенного в основу нынешнего описания способа согласно изобретению, получается определение среднего значения: взаимодействие между текучей средой и магнитным полем приводит к образованию индуцированного электрического поля, которое по величине и направлению в каждой точке пространства определяется действующими там пространственными составляющими скорости и поля. Таким образом, между каждыми двумя электродами, помещаемыми в это поле в разных точках, измеряется интеграл электрической напряженности поля по контуру, представляющий собой не что иное, как электрическое напряжение между этими точками. Это напряжение является мерой средних значений скорости потока, взвешенных с влиянием магнитного поля.
Если электроды к тому же установлены по основному течению с интервалом, сразу же становится ясно, что интеграл по объему следует понимать и как интеграл по времени, поскольку процессы, происходящие последовательно в одном месте отображаются потоком среды в объемной структуре. Поэтому напряжение, измеренное между двумя точками, расположенными по основному течению с интервалом, по существу представляет собой интеграл электрической напряженности поля по времени, индуцированной в точке, расположенной выше по течению, и являющейся, в свою очередь, мерой локальной турбулентности.
Множество электродов, установленных с интервалом как по основному течению, так и поперек него, позволяет успешно комбинировать действия интегрирования по объему и по времени.
В этом отношении даже при стохастическом сигнале не следует ожидать получения информации о средних параметрах потока среды без усреднения по времени или - в общем плане - без интегрирования по времени. Хотя вышеописанная обработка данных путем непосредственного вычисления средних значений обещает комфортную, в принципе линейную зависимость от скорости течения, все же и здесь не следует исходить из того, что так будет при всех краевых условиях. В частности, при измерении мощных турбулентных потоков может быть целесообразно обратиться к другим видам получения среднего значения, в частности, к таковым с весовыми коэффициентами. Например, из указанной в уровне техники зависимости между шкалой скоростей u шкалой частот u/L следует, что спектр частот стохастического сигнала также может быть использован для анализа.
Поэтому теория для технического действия, характеризующая реализацию способа согласно изобретению, в общем случае может рекомендовать определение величин, получающихся в результате взвешенного интегрирования стохастического сигнала по заданным временным интервалам. Простейший вид взвешивания - при постоянном весе - приводит к вышеприведенным результатам. Однако даже преобразование Фурье, например, для определения наибольшей по величине Фурье-компоненты, т.е. той компоненты, которая обнаруживает в сигнале наибольшую частоту, есть не что иное, как взвешенное интегрирование по временным интервалам, а именно получение скалярного произведения с гармоническими функциями.
Для упрощения словоупотребления понятие «интегрирование стохастического сигнала», естественно, включает также интегрирование абсолютной величины стохастического сигнала.
Конечно, специалисту можно доверить подбор подходящих интегралов стохастического сигнала по времени с учетом конкретной проблемы измерения. Эффективность настоящего описания должна усматриваться в том, чтобы вообще продемонстрировать ему смысл анализа стохастических сигналов MID, которые до сих пор рассматривались в уровне технике только как возмущающие воздействия, подлежащие удалению.
В заключение следует еще раз указать на существенные аппаратные преимущества изобретения.
Возможное применение постоянного магнитного поля сокращает энергопотребление за счет использования постоянных магнитов и, кроме того, допускает беспрепятственную установку в измерительное устройство металлических проводящих элементов, поскольку в них в отличие от обычных магнитоиндукционных систем не происходит никаких паразитных эффектов вихревого тока.
Предпочтительной для конструкции измерительной трубы является также полная свобода выбора способа съема сигнала. Поскольку согласно изобретению для анализа используется только стохастическая составляющая сигнала, возможен как гальванический, так и емкостной съем сигнала. При гальваническом съеме можно заметить, что здесь направление магнитного поля изменяется по отношению к направлению потока не так, как обычно, а как раз наоборот, непостоянное движение среды варьирует относительно постоянного магнитного поля, причем постоянный сигнал игнорируется. Правда, постоянный ток, конечно, обязательно присутствует и по-прежнему приводит к известным проблемам старения электродов. В общем случае съем сигнала с затвора полевого транзистора (FET) представляется особенно предпочтительным.
Очень важным преимуществом способа согласно изобретению являются сравнительно низкие требования к качеству магнитного поля. В частности, можно совсем отказаться от требования его однородности, имеющей место в обычных системах. Прямым следствием этого является возможное отсутствие симметрии магнитной цепи относительно оси измерительной трубы. Таким образом, путь к недорогим решениям для магнитной цепи готов.
В заключение следует еще раз подчеркнуть, что изобретение не имеет никакой аналогии со способом, используемым в приборах для измерения расхода, известных как вихревые счетчики или счетчики завихрений. Там в единицу времени измеряется число завихрений, образующих так называемую вихревую дорожку Кармана, возникающих попеременно по обе стороны кромок возмущающего тела, находящегося посредине канала потока. Это число находится в известной линейной зависимости от скорости среды. При этом каждое завихрение регистрируется как исходящее от него проявление давления. Таким образом, в то время как здесь используются макроскопически описываемые параметры отдельных завихрений, способ согласно изобретению основывается на использовании стохастических сигналов и их статистических закономерностей.