Крикун Ярослав Викторович

Факультет Компьютерных Информационных Технологий и Автоматики

Кафедра Электронной Техники

Специальность: Электронные системы

Научный руководитель: к.т.н., доц. Коренев Валентин Дмитриевич

Обоснование и исследование структуры электронной системы измерения расхода питьевой воды в напорных трубопроводах большого диаметра

Библиотека по теме выпускной работы

10. Технология электромагнитных расходомеров

Авторы: Jean-Noël Staub, Laurence Bergougnoux

Источник: http://www.techniques-ingenieur.fr/book/r2275/debitmetres-electromagnetiques.html

Перевод: Крикун Я.В.

2.1 Составные элементы
2.2 Датчик
2.2.1 Электромагнитный расходомер с измерительной трубой
2.2.2 Зондовый датчик
2.3 Компенсация изменения тока возбуждения
2.4 Устранение помех
2.4.1 Происхождение и характер помех
2.4.2 Синхронный демодулятор (для возбуждения переменным током)
2.4.3 Системы с импульсным магнитным полем
2.4.4 Система с двойной частотой возбуждения
2.4.5 Помехи в общем режиме. Воздействие загрязнения электродов
2.4.6 Расходомеры с емкостными электродами
2.5 Регулировка датчика преобразователя

2.1 Составные элементы

Датчик является основным элементом, но он не может быть использован самостоятельно по нескольким причинам: напряжение между электродами мало (оно измеряется в микровольтах), оно должно быть, во-первых, усилено; кроме того, оно должно быть свободным от помех, которые могут приводить к недопустимым погрешностям; из этого напряжения должен быть получен сигнал, представляющий расход потока с учетом значения поля в измерительном участке трубы. Этот сигнал должен быть в форме, приемлемой для индикации приборами и регистраторами. С другой стороны, в некоторых случаях необходимо задавать ток катушек возбуждения с желаемыми характеристиками.

Все эти элементы имеют общий только электрический характер и составляют так называемый вторичный преобразователь. Может случиться, что некоторые или даже все элементы преобразователя устанавливаются на датчик, но это не меняет сути дела.

2.2 Датчик

2.2.1 Электромагнитный расходомер с измерительной трубой

Тело первичного преобразователя (рис. 2) наиболее часто составляет труба из немагнитных материалов, покрытая, при необходимости, внутренним диэлектриком. Это внутреннее покрытие не должно быть повреждено в результате течения потока жидкости в трубе.

Рисунок 2 – Строение расходомера

Электромагнитное поле создается катушками, обычно располагающимися по обе стороны трубы. Ярмо из ферромагнитного материала часто расположено вокруг катушек таким образом, чтобы уменьшить магнитное сопротивление, чтобы избежать нарушения поля катушки окружающими ферромагнитными массами и, возможно, создать магнитное поле, производящее наилучший вектор W. Иногда можно использовать тело стального трубопровода как ярмо и располагать катушки между телом трубопровода и изоляционным покрытием.

Электроды, как правило, в количестве двух, находятся в плоскости, перпендикулярной к средней ориентации силовых линий магнитного поля.

Соединения электродов с цепью измерения напряжения между ними расположены таким образом, что результирующая самоиндукция переменного электромагнитного поля в цепи электродов, как правило, равна нулю. Соответствующие электрические или механические устройства позволяют свести к минимуму значение этой самоиндукции путем минимизации поверхностей схемы в плоскости, перпендикулярной к индукции B (минимизация магнитного потока).

Иногда добавляют дополнительные электроды, расположены они достаточно далеко от области измерения и используются для проверки измерений или фиксации потенциала жидкости, чтобы свести к минимуму напряжение шумов в общем режиме.

2.2.2 Зондовый датчик

Не требующие измерительной трубы с изоляционным покрытием того же диаметра, что и трубопровод, зондовые датчики являются привлекательными, поскольку они могут быть использованы для уже существующих трубопроводов диаметром более 50 мм.

В отличие от электромагнитного расходомера с манжетой, где поле распределяется по всей секции трубы, зондовые датчики устанавливаются в той части трубы, где скорость является отражением реальности. (рис. 3).

Магнитное поле сосредоточено на разделе K симметрично справа и слева. Наведенное напряжение Vм перпендикулярно индуцированному полю B, пропорционально скорости потока и считывается двумя электродами Е1 и Е2.

Измерение расхода может быть сделано с нескольких зондов (рис. 4) с целью повышения точности:

• в случае недостаточной прямой длины трубы; для этого типа расходомера рекомендуется монтаж: 10 номинальных диаметров вверх по течению и 5 номинальных диаметров вниз по течению;
• в случае очень однородной жидкости, весьма напряженной, где скорость потока может варьироваться в трубопроводе.

Линейность такой системы хуже, чем электромагнитного расходомера с измерительной трубой, но, тем не менее, это позволяет произвести измерение расхода трубопроводах большого диаметра с гораздо меньшими затратами, чем расходомеры с манжетой. Наилучшая линейность получена для проникновения зонда на глубину D/6 (D – диаметр трубы).

2.3 Компенсация изменения тока возбуждения

Как уже отмечалось в 1.1, сигнал расхода пропорционален индукции магнитного поля; поэтому необходимо обеспечить её постоянство в модуле, или учитывать её интенсивность в образовании аналогового сигнала, отражающего величину расхода. В обоих случаях необходимо измерять или, по крайней мере, определять значение поля возбуждения. Для этого опорный сигнал, пропорциональный магнитному полю, генерируется либо в датчике, либо в преобразователе.

Рисунок 3 - Размещение датчиков

Рисунок 4 - Установка нескольких зондов

Для получения этого сигнала идеальной была бы установка идеального датчика поля внутри зоны измерения. Это невозможно, и нужно довольствоваться решением примерно следующим: измерение тока посредством резистора или трансформатора тока. Индукционный ток не является характеризующим поле, если магнитное сопротивление измерительного устройства остается неизменным.

В противном случае, необходимо учитывать разность фаз между током катушки и полем в зоне измерения 2.4.2. Значение этого сдвига зависит от характеристик немагнитного материала, используемого для трубы, его толщины, характеристики магнитной цепи, когда она используется таким же образом, как другие структурные элементы (особенно кожухи (оболочки, корпуса), если они из проводящих материалов). Этот фазовый сдвиг немного меняется вместе с типом датчика. Он весьма существенно увеличивается при использовании толстых труб, применяемых, чтобы выдерживать более высокое давление.

Естественно, этот фазовый сдвиг зависит от частоты возбуждения, но это изменение мало ощутимо.

2.4 Устранение помех

2.4.1 Происхождение и характер помех

Здесь мы затрагиваем суть проблемы измерения потока электромагнитными расходомерами.

Эти напряжения имеют различное происхождение; они могут быть связаны с технологией датчика или элементами преобразователя, проявляя затем свойство неприводимости или сводимости, что обусловлено ограничениями технического прогресса, или факторами окружающей среды (напряжениями, приложенными к жидкости или инструментам, высоким уровнем электромагнитной индукции, радиопомехами).

Но больше, чем их происхождение, важен их характер; следует различать:

• периодические помехи, синхронные с полем возбуждения, помехи которые раскладываются в помехи в фазе с сигналом расхода и помехи в квадратуре с ним;
• периодические помехи, несинхронные с полем возбуждения; степень вредности этих помех связанна с их частотой;
• переходные помехи в широком спектре частот.

Возможности устранения зависят, очевидно, от уровня помех.

Что касается помех, которые исходят от места, где установлено устройство, можно определить значение уровня помехи, выше которого действие помехи является недопустимым. Поэтому не удивительно, что среди средств фигурируют требования для установки 6.2, направленные на снижение уровня помех ниже этого порога.

Синхронная помеха в фазе с напряжением (сигнала) расхода имеет те же характеристики и не может быть выделенной.

Помеха в квадратуре устраняется путем использования критерия фазности.

Независимо от их природы, важным является способ устранения помех. Прорывом, который позволил осуществить практическое использование электромагнитного расходомера, является использование симметричной электрической структуры для датчика и для входа усилителя.

Обычно усилитель усиливает напряжение, прикладываемое между двумя входами (это напряжение называется режима серии или дифференциальным), и подавляет напряжение, прикладываемое между землей и одним или другим входом (эти напряжения называют общего режима или параллельными). Подавление помех общего режима не бесконечно: подавление общего режима характеризуют соотношением сигналов общего режима и сигналов последовательного режима, которые производят тот же сигнал на выходе. Такое подавление может достигать 120 дБ при использовании интегрального инструментального усилителя с высоким входным сопротивлением.

2.4.2 Синхронный демодулятор (для возбуждения переменным током)

Во всех расходомерах существует узел, который преобразует переменный сигнал расхода в непрерывный сигнал так, что непрерывный сигнал пропорционален сигналу расхода во всем диапазоне от уровня нуля до уровня максимума. Напряжение, приложенное к электродам, имеет вид:

U = - dФ/dt = - S•dB/dt - B•dS/dt,

где Φ – магнитный поток через поверхность S (S является вектор поверхности, S = Sn, где n – нормаль к поверхности). B•dS/dt = B•D•V является полезным сигналом и выражение - S•dB/dt является помехой, устраняемой использованием синхронного демодулятора.

Функционирование демодулятора может быть сведено к инвертированию полярности, управляемому полярностью контрольного сигнала.

Чтобы воспользоваться преимуществами электромагнитных расходомеров быть чувствительными к сигналу расхода, демодулятор должен быть чувствителен к разности фаз принимаемого сигнала и возбуждающего поля. Как фаза опорного сигнала 2.3 в постоянном соотношении с полем возбуждения, это фаза опорного сигнала, который определяет контрольный сигнал.

Восстановление может быть достигнуто за счет синхронного демодулятора и разностного сумматора.

Современные демодуляторы входят в состав преобразователя и управляются микропроцессором, который позволяет выбрать оптимальную частоту поля и произвести цифровую фильтрацию. Внедрение микропроцессоров позволило значительно улучшить производительность электромагнитных расходомеров. Система восстановления завершается фильтром, который устраняет или, по крайней мере, уменьшает переменную составляющую, присутствующую в восстановленном (выпрямленном) сигнале. Этот фильтр определяет минимальную постоянную времени прибора. Необходимость наличия эффективного фильтра приводит к постоянной времени намного больше, чем период поля.

Синхронный демодулятор устраняет помехи самоиндукции, напрямую связанные с полем возбуждения.

Демодулятор обеспечивает слабую защиту от переходных помех, связанных с течением пузырьков права электрода или электрохимического насильственные действия на электродах.

Будет показано из этого анализа, что синхронный демодулятор может, несмотря на свои качества, быть принят в погрешность, и что имеет важное значение сведение к минимуму помех, подводимых к нему.

2.4.3 Системы с импульсным магнитным полем

Представленная (рис. 5а) форма поля возбуждения импульсами постоянного тока может быть относительно легко получена состоящей из уровней, связанных восходящими и нисходящими путями.

Окно выборки (рис. 5, б) открыто для моментов времени, в течение которых поле постоянно. Ожидается, что в случае постоянного поля нет помех. Это не совсем верно, так как переходные процессы не полностью устанавливаются. Эти измерительные системы обычно используются в микропроцессорных преобразователях с преобразованием аналогового сигнала в цифровой вид путем подсчета импульсов преобразователя сигнал-частота в окне выборки.

Производители систем с импульсами постоянного тока иногда называют системы со смещением нуля (так как можно измерить напряжение на электродах при токе возбуждении, равном нулю). Это название не должно вводить в заблуждение: этот прием значительно улучшает устойчивость нуля, что делает систему наиболее широко используемой из принципов возбуждения. Но она по-прежнему остается чувствительным к электрохимическим шумам, которые появляются случайно на поверхности электродов в жидкости, содержащей твердые частицы, которые имеют различные с жидкостью электрические проводимости.

Рисунок 5 – Возбуждение импульсами постоянного тока

2.4.4 Система с двойной частотой возбуждения

Метод импульсного постоянного возбуждения реализует хорошую стабильность нуля через долгое время отклика, что компенсирует шум питания и помехи.

Двойная частота возбуждения была разработана для решения проблем, встречающихся при переменном токе и импульсах постоянного тока возбуждения. В этом типе возбуждения магнитное поле имеет составляющие высокой частоты (75 Гц), наложенных на низкие частоты (6 Гц), 6а Рис. Сигнал не страдает от влияния низкочастотного шума, производимого электрохимическими реакциями, высокой вязкостью и/или жидкостями с низкой проводимостью.

Индуцированный сигнал, который является линейной функцией расхода потока, имеет те же частотные компоненты (рис. 6, b). Две составляющие сигнала обрабатываются двумя разными модулями с фильтрами высоких и низких частот. Сложение этих двух сигналов позволяет получить сигнал расхода с отличной стабильностью нуля и высоким быстродействием при изменениях в потоке. Обработка сигнала осуществляется в соответствии с рис 6c.

В низкочастотном канале входной сигнал демодулируется как низкочастотный сигнал, а затем проходит через фильтр низких частот с большой постоянной времени, что позволяет получить стабильный и устойчивый сигнал расхода потока. В высокочастотном канале сигнал, обусловленный высокой частотой дискретизации, подается затем в фильтр высоких частот с той же постоянной времени, что и в фильтре нижних частот.

Шум от обрастания электродов – низкочастотный, так как электрохимический потенциал на электродах меняется очень медленно. Этот шум подавляется большой постоянной времени низкочастотного фильтра. Устойчивость к шуму жидкости является одним из преимуществ двойной частоты возбуждения, можно также сказать, что она представляет хорошую стабильность нуля и короткое время отклика.

Двойная частота возбуждения в сочетании с керамическим покрытием измерительной трубы и металлокерамическими электродами из платино-алюминия позволяют точности (0,5 %) оставаться очень высокой в широком диапазоне измерений.

2.4.5 Помехи в общем режиме. Воздействие загрязнения электродов

Если сопротивления цепи электродов равны, симметрия является идеальной, то только из-за несовершенства усилителя помехи в общем режиме появляются в выходном сигнале. Защита 80 дБ является обычной и защита 120 дБ возможной.

Это вынуждает для проверки нечувствительности усилителя к внешнему напряжению использовать достаточно высокое тестовое напряжение; максимальное значение 50 V (действующее значение) довольно широко используемо (иногда больше). Следует, однако, быть осторожным, усилитель с высоким коэффициентом усиления для усиления низкого напряжения теряет свои качества, если напряжение, приложенное к нему, даже в общем режиме, превышает определенный уровень (порядка нескольких вольт). Вот почему необходимо, принимая адекватные меры при установке, сводить к минимуму приложенное напряжение в общем режиме.

Подавление синфазной помехи может быть значительно снижено, если сопротивления цепей электродов не симметричны. Если электроды грязные, их сопротивления могут быть различными, и токи общего режима, текущие в усилитель, становятся различными; затем на входе усилителя появляется напряжение последовательного режима, пропорциональное дисбалансу токов.

Не следует делать вывод из этого исследования причин возникновения погрешностей, что электромагнитный расходомер является ненадежным инструментом. В измерении, где причины известны, они могут быть сведены к минимуму. Так, например, как известно, производят продукцию с низкой частотой, достаточно свободную от дрейфа нуля для того, чтобы заводская регулировка нуля сохранялась на месте установки, при условии, что жидкостные измерения в обоих случаях не слишком различаются.

Рисунок 6 - Двойная частота возбуждения (из документации фирмы Yokogawa)

2.4.6 Расходомеры с емкостными электродами

Вектор W электромагнитного расходомера может быть существенно улучшен за счет использования больших электродов. Электроды с большой площадью поверхности контакта не могут быть использованы для промышленной продукции, поскольку они проблематичны в плане загрязнения. Преимущество крупных электродов без проблемы задачи может быть получено с помощью емкостных электродов.

Рассмотрим случай линии электрод-усилитель нулевой длины. Когда входное сопротивление усилителя очень высокое, можно располагать сопротивление в серии на каждом электроде без изменения результатов измерения. Если электрод изолирован слоем достаточно тонким, то емкость конденсатора достаточна, чтобы сопротивление серии не являлось причиной ошибки корректировки. Электромагнитный расходомер может работать в этих условиях.

Емкость самого электрода в сравнении с массой датчика есть порядок величины емкости серии, способный привести к погрешностям, если специальные положения не были приняты, чтобы отменить свое действие.

Такая система является более сложной, чем устройства с непокрытыми электродами. Ее труднее защитить от блуждающего напряжения. С другой стороны, она имеет то преимущество, что металл электродов не контактирует с жидкостью. Она может быть использована в химически агрессивных средах и устраняет паразитные напряжения, возникающие в результате выпадения на электродах.

Емкостные электроды используются также для защиты от последствий загрязнения электродов.

Емкостные электроды, несомненно, позволили ликвидировать период электролиза металлических электродов, в течение которого колебания напряжения большой амплитуды накладываются на сигнал электродов и могут насытить усилитель.

2.5 Регулировка датчика преобразователя

Даже если датчик и преобразователь были разработаны, чтобы работать вместе, для корректной работы требуется ряд изменений и регулировок. Опорный сигнал аналогичен для всех датчиков и того же типа преобразователя, но он не обязательно той же величины, поэтому необходимы:

• регулировки амплитуды, ссылаясь на то, что может быть принято преобразователем;
• регулировки фазы опорного сигнала по сравнению с сигналом потока так, что демодуляция сигнала потока идеально синхронизирована в случае переменного тока возбуждения, и сокращение поверхности контура электродов для минимизации наведения самоиндукции в случае возбуждения импульсами постоянного тока;
• регулировки усиления преобразователя в зависимости от чувствительности датчика до желаемой степени масштаба; по сути, два датчика одного и того же вида и того же диаметра никогда не имеют одинаковый коэффициент: разница может быть в пределах от 1 до 5 процентов после мер предосторожности в зависимости от типа датчика.

Чтобы избежать индивидуальных корректировок, корректировки фазы и корректировки амплитуды могут быть размещены в каждом датчике и выставлены раз и навсегда заводом, так что вторичный элемент имеет дело со стандартизированным по фазе и амплитуде сигналом. Это не мешает сохранить во вторичном элементе перестройки перекрытия.

Следует отметить, в целом, что замена основного элемента второстепенным элементом в наборе мер требует, если мы хотим сохранить определенную точность, регулировки амплитуды и, возможно, фазы в зависимости измерения переменным током. Операция упрощается в случае, если замененный элемент того же типа, что и предыдущий. Даже в этом благоприятном случае, эта замена приводит к потере точности, поскольку неопределенность электрических измерений при корректировке может увеличивать погрешность. Поэтому желательно в таких случаях проводить калибровку, если есть такая возможность.

Именно поэтому органы регулировки усиления часто относят к второстепенным элементам, потому что во время калибровки их редактирование проще.