Устройство для измерения расхода жидких и газообразных сред

(21) 4640485/ (22) 24.01.89 (46) 15.01.91 (71) Запорожс верситет (72) Л. А. Гал и А. В. Падал (53) 681,121(2ударственный ую кин, Е. П. Горовойо88.8) ости. Спра 80, с. 346 СССР 1972, ИЯ РАСХОДА опредеэов и лазо ить точие поплавзависи ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМРИ ГННТ СССР А ВТОРСНОЮУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Измерение в промышлен вочник, М,: Металлургич, 1Авторское свидетельство336521, кл. С 01 Е 1/00, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД (57) Изобретение относится лению расхода жидкостей и иозволяет расширить рабочи измеряемых расходов и иовы ность. Фиксируется отклоне ка от начального положения сти от расхода среды, протекающеи по измерительному каналу, Это отклонение преобразуется в пропорциональный электрический сигнал, который формиру ет противодействие, возвращающее поплавок к начальному положению. По величине этого сигнапа определяют расход. Устройство содержит дополнительные измерительные цепи, содержащие . синхродетектор 13, делитель 29 напряжения, источник 14 опорного напряжения, с помощью которых в отсутствие расхода центрируется положение поплавка в зависимости от его веса, плотности и температуры среды, Создание возвращающегося усилия осуществляется вторым соленоидом 5. Разность токов Ж первого и второго соленоидов 4 и 5, фиксируемая дифференциальным усилителем 23, пропорциональна расходу сре- . (, ды. 1 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использованодля измерения расхода различных сред в трубопроводах любого сечения из не- магнитных и неэлектропроводных материаловЦелью изобретения является расширение рабочего диапазона измеряемых расходов жидких и газообразных сред и 1 О повышение точности измерений.На чертеже приведена схема устрой- ства.Устройство состоит из поплавка 1 в измерительном канале 2 с торцовыми 15 мембранами 3, двумя соленоидами 4 и 5, охватывающими корпус 6 из немагнитного материала, диФФеренциальной катушки 7, переменного резистора 8 и генератора 9 переменного гармонического 20 напряжения, включенного в диагональ питания образованного мостового электромагнитного узла 10 сьема сигнала, диФФеренциального усилителя 11 сигнала разбаланса, усилителя 12 перемен ного напряжения, синхродетектора 13 и регулируемого источника 14 опорного напряжения, включенных на входы дифФеренциального усилителя 15, двух выпрямителей 16 и 17, соединенных с управляющими входами двух генераторов 18 и 19 тока, прецизионных резисторов 20 и 21, регистратора 22, диФФеренциального усилителя 23, управляемых переключателей 24 - 26, источника 27 питания, а также схемы 28 И и управ 35 ляемого делителя 29 гармонического напряжения.Расходомер работает следующим образом.Когда питание расходомера отключено, поплавок 1 занимает в рабочем канале 2 крайнее нижнее положение, ограниченное мембраной 3, в отсутствие расхода или малом расходе, либо крайнее верхнее положение при высокомуровне расхода среды. В этом положении магнитная часть поплавка полностью перекрывает одну из обмоток дифФеренциальной катушки.50При включении электропитания расходомера в измерительной диагонали моста 10 появляется максимальный сигнал разбаланса в соответствии с положением поплавка 1 в одном из крайних положений в канале 2По мере роста тока в обмотках соле ноидов 4 и 5 с постоянной времени определяемой длительностью нарастания(К + К )2 М напряжение питания моста10 э Вф- сопротивление нагрузки, про.порциональное ВПК , Ом;ЬЪ 1ь1 +а Эя (р -1)приращение индуктивного сопротивления с измерением положения поплавка;- сопротивление активное плечамоста 10, образованного частью резистора 8, Ом; где Б выходного сигнала выпрямителей 16 и 17, усиливается магнитное поле каждого соленоида, перемещая поплавок 1 в положение, промежуточное между крайним и центрированным - симметричным обеим секциям диФФеренциальной катушки 7При этом разбаланс моста 10 умень шается и Фиксируется на значении, при котором на выходе диФФеренциального усилителя 15 выходное напряжение станет равным нулю. Положение поплавка 1 соответствует значениям падений напряжений на резисторах 20 и 21 от токов в соленоидах 4 и 5, создающих магнитные поля, воздействия которых уравновешивают вес поплавка 1 (при нулевом расходе), либо действие на попла вок набегающего потока среды со скоростью Ч и Архимедову силу (в случае расхода жидкой среды).Рассмотрим настройку расходомера в случае отсутствия расхода среды (Ч = = О), В этом случае поплавок 1 удерживается в центрированном положении по отношению к секциям диФФеренциальной катушки 7 магнитным полем катушек)4 и 5, электрические токи, протекающие через которые, равны. Равенство токов обеспечивается следующим.При отсутствии расхода (7 = О) на поплавок 1 действуют две силы: сила тяжести (вес поплавка) и Архимедова сила (в случае жидкой среды). Под действием разности этих сил поплавок 1 уходит из положения равновесия. Изменение положения поплавка приводит к разбалансу моста 10, образованного секциями диФФеренциальной катушки 7 встречно включенными, и резистором 8, на выходе которого появляется сигнал(2) Кн Х 2 ПО где Бм =(3) ьдк дь кЭо Ф Кд1(6) 5 162Х - индуктивное сопротивлениесекции диФАеренциальной катушки 7 при среднем положении магнитного поплавка.ЬЬ - смещение якоря поплавка (ферромагнит) из среднего положения, м;Ь - длина хода якоря поплавка,определяющая изменение индуктивного сопротивления, м;1 - длина дифференциальной катушки, м;Р, В - средний диаметр дифференциальной катушки и якорям,Ро РнэААективная магнитная1 +Э впроницаемость цепи ин 1дуктивного сопротивления.Из соотношения (1) следует пропорциональность изменения индуктивного сопротивления и перемещения поплавка 1. Поэтому соотношение (1) перепишем в виде чувствительность преобразования перемещения поплавка в электрический сигнал, В/И..Сигнал разбаланса моста 10 преобразуется по двум каналам в электрические токи, питающие катушки соленоидов 4 и 5.Первый образован управляемым коммутатором 24, усилителем 12, выпрямителем 17 и генератором тока 19 1Ф 2 М ю и 19 где К , К, К- соответственнокоэАфициенты преобразования усилителя12, выпрямителя 17, генератора тока 19,В связи с тем, что вход усилителя12 подсоединен только к одному плечумоста 10, образованного частью сопротивления резистора 8, в соотношение(3) введен коэффициент 0,5,Второй образован дифференциальнымусилителем 11, выпрямителем 16 и генератором тока 18 0844 6где К К, Кв - соответстнннокоэффициенты нреобра зояания усилитля11, выпрямителя 16 и генератора тока 18,5При опускании поплавка 1 увеличивается индуктивность нижней секциикатушки 7 и среднее значение выходного сигнала дифференциального усилите ля 11 смещается в область отрицательных напряжениИ, при выпрямлении вблоке 16 обеспечивается отрицательноеуправляющее напряжение, уменьшающеезначение тока, задаваемого по катушкесоленоида 5 генератором тока 18.В это же время на выходе выпрямителя 17 Аормируется всегда положительное напряжение, управляющее током 1через катушку соленоида 4 в сторону 20 его возрастания. В результате поплавок 1 возвращается, притягиваясь соленоидом 4 к среднему положению, сигнал разбаланса уменьшается и в некоторый момент наступает равенство то ков 1 и 1 в обмотках соленоидов. Навыходе диФАеренциального усилителя 23формируется нулевой уровень, которыйв виде логического нуля поступает через прерыватель 27 на вход элемента 30 И 28 через управляемый переключатель25, Если на втором входе элемента 28присутствует логический нуль, то навыходе элемента 28 Аормируется управляющий сигнал Е. Условие, при которомна выходе диАференциального усилителя 3515 Формируется нулевой уровень где П - регулируемое опорное на(Ф40 пряжение, В;Пр = БС К К- выпрямленное напряжение на выходеуправляемого делителя напряжения 29;45 К 7, К - коэффициенты деленияуправляемого делителя 29и синхродетектора 13,Принимая опорный сигнал пропорциональным начальному току удержания по плавка в среднем положении 1 и осуществляя подстановку значений Б ,получимВм Ки К К(8 Пму (4) Состояние, при котором поплавок занимает среднее положение, устойчивое,(10) Н 18, Ф 2 19 и 5 5 так как основное удержание поплавкав этом состоянии осуществляется малымразнонаправленным изменением токов 1и 1 при минимальном сигнале разбаланса моста 10. В этом состоянии нулевойсигнал на выходе дифференциальногоусилителя определяется соотношениемзадаваемых напряжений; на выходе управляемого делителя и опорного. Приэтом выходное напряжение делителя 29изменяется до тех пор, пока на его управляющий вход перестанет поступатьсигнал с выхода дифференциального усилителя 15 через управляемый ключ 26,Таким образом, на вход элемента И 28,соединенного с выходом усилителя 15,логический нуль будет Формироватьсявсегда и определяться уровнем опорного напряжения. Если оно выставленоневерно, тогда при переключении управляемого переключателя 24 на входусилителя 12 поступает неравный сигналу разбаланса моста 10 сигнал, который изменяет скачком силу тока вобмотке соленоида 4 и ведет к нарушению положения поплавка 1, а следовательно, на выходе дифференциального усилителя 23 формируется напряжение, соответствующее логической единице, поступающей на вход элементаИ 28. При этом на его выходе сигналуправления пропадает. Цикл регулирования положения поплавка 1 в измерительном канале повторяется до техпор, пока опорное напряжение не будет выставлено таким, при которомсигнал с выхода управляемого делителя не будет равен сигналу разбалансамоста 10, соответствующего устойчивому положению поплавка 1, Каждый циклнастройки опорного напряжения наблюдается по включению - отключению регистратора 22,При соответствии Ц уровню удерживающего тока 1 сигнал управления навыходе элемента И 28 не пропадает, Управляемый переключатель 25 закорачивает один вход И на "землю" на второйф50вход элемента 28 подается логический Навыходе дифференциального усилителя 23 в этом случае выходное напряжение должно быль равно 1123 = Па ПО - 1% Кгох Кц= Пм 8 м Кп Кб 8Я 29 О Из соотношений (5) и (б) установим зависимость между напряжениями разбаланса моста 10 Б и генератора 9 Пд 2 8 м К 12 К 7. К 19 Цм КгзК 1 х х П /К(8) С учетом (8) значение выходного напряжения о 2 дифференциального усилителя 23 получим 23 - Цв 8 м Кб Кго (К х К 8 - К 2К) = 0 и при условии К б = К . = К 1 б и К 2, и К 21= Кзапишется Бгз = Пм Вм К К (К1812 19 ф(9) следовательно, для равенства 08 = 0необходимо выполнить условие При изменении расхода Ч0 на поплавок 1 воздействует усилие набегающего потока Р. Смещение поплавка приводит к разбалансу моста 10/П. = Бкц К 6 К 8Б (11)М) и изменению тока в катушке соленоида 5 115 = БМ, Кц Кб К 8 Б (12) который формирует приращение магнитно=го поля с усилием ДРэ, возвращающимпоплавок в прежнее положение= р и гд- чувствительсность преобразования расходомера,л 1 мин Так им образом, расход среды черезованный измерительный канал 2омера пропорционален изменениюерез обмотку соленоида, удержио усилием, создаваемым магнитнымсоленоида, поплавок в определенстоянном положении, отклонениеорого в результате изменения расормирует уравновешивающее сило кали асход ока ч ющ полем ном п от кот хода Ф 5 здеиствиеходомер обеспечивает определение ов различных сред жидких или разных в обоих направлениях с градуировкой, так как начальное в отсутствие расхода среды, выемое с помощью опорного напря, пропорционально плотности присутствующей в общей чувст- ности расходомера в соотношеое во Расасх газооб единой и ставля среды, витель 5 нии (9).В силу встречного включения обмоток дифференциальной измерительной катушки погрешности от возмущающих внешних факторов и изменения параметров ее исключаются. Остаются нескомпенсированные погрешности, вызванные изменением параметров ферромагнитной вставки в поплавок 1 от температуры среды в связи с изменением ее магнитной прони-. цаемости. Температурное измене проницаемости, например ганцево-цинкового марки деляется значением оеар температуры воды е магнитноиеррита мар 50 ВЧ, опреперепадом Ыр = -4 10 ДТ = -4 10- б -бх 18 = -72 10 б = 0,0072% 45нос.ти Температурное изменЕ, например, для водь е пл составля Т= (+26-+ ее - Ре Рцвченийительн одстановка этих з подко стиешности 5 ренное выражение чу расходомера дает зн ние по О, 1524 ную погрешность составляют погрешности измерения тока и напряжения (на уровне вольт и сотен миллиампер), составляющие 10 %, точность сравнения в дифференциальных усилителях сигналов, точности выставления опорного напряжения и деление управляемым делителем сигнала, которые составляют цепи грямого и обратного преоброзования и не превышают 0,1%.Формула из отениУстройство для измерения расхода жидких и газообразных сред, содержащее корпус с калиброванным каналом, узел электромагнитного съема сигнала, состоявший из размещенного в измерительном канале поплавка, дифференци альной катушки и переменного резистора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения рабочего диапазона измеряемых расходов различных сред и повьшения точности измерений, в него введены последовательно соединенные регулируемый источник опорного напряжения, первый дифференциальный усилитель, первый управляемый переключатель, управляе-,итель гармонического напряжемыи делния и синхродетектор, подключенный выходом к второму входу первого дифференциального усилителя, последовательно соединенные элемент И, второй управляемый переключатель, второй дифференциальный усилитель, первый выпрямитель, первый генератор тока, первая обмотка соленоида, третий диф Ференциальный усилитель, третий управляемый переключатель, выходом под ключенный к входу элемента И, последовательно соединенные усилительременного напряжения, второй вы. прямитель, второи генератор тока, вторая обмотка соленоида и первый прецизионный резистор, генератор гармонического напряжения, второй прецизионный резистор и регистратор, входом объединенный с управляющими входами первого, второго и третьего управляемых переключателей, и подключенный к выходу элемента И, вторым входом подключенного к выходу первого дифференциального усилителя, второй вход регистратора подключен к выходу третьего дифференциального усилителя, вторым входом подключенного к первому выводуЗаказ 4238 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно в издательск комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 первого прецизионного резистора, вторым выводом подключенного к общей шине, к которой через второй прецизионный резистор подключен первый вход третьего дифференциального усилителя,5 начало и конец дифференциальной катушки подключены - соответственно к первому и второму входам второго дифференциального усилителя, между кото рыми включен переменный резистор, подвижный контакт которого подключен к выходу генератора гармонического напряжения, второй выход которого подключен к синхродетектору, а вход -к средней точке дифференциальной катушки и второму входу. управляемогоделителя гармонического напряжения,причем корпус представляет собойтрубку из немагнитного материала сдвумя мембранами на торцах измерительного канала, на трубке размещеныдва соленоида, между которыми располагается дифференциальная катушка,состоящая из двух секций, включенныхвстречно, а поплавок. выполнен в видекапсул с магнитными вставками внутри.