устройство для выдачи управляемого сигнала системе возбуждения

Формула изобретения

1. Устройство (163), обеспечивающее подачу переменного тока в возбуждающее устройство (104) расходомера (100) Кориолиса, причем расходомер Кориолиса включает расходомерные трубы (103A, 103В), тензочувствительные датчики (105, 105’), соединенные с расходомерными трубами, и возбуждающее устройство, соединенное с расходомерными трубами, указанное устройство содержит источник (333) тока, сконфигурированный для регулирования амплитуды переменного тока; первый переключатель (301) и второй переключатель (302), подключенные между возбуждающим устройством и источником тока; и третий переключатель (303) и четвертый переключатель (304), подключенные между возбуждающим устройством и источником (333) тока, отличающееся тем, что содержит блок (320) управления, конфигурированный для приема сигнала обратной связи, соответствующего, по меньшей мере, одному сигналу от указанных тензочувствительных датчиков, для управления первым переключателем и вторым переключателем на основе сигнала обратной связи для подачи переменного тока, имеющего первую полярность, и управления третьим переключателем и четвертым переключателем на основе сигнала обратной связи для подачи переменного тока, имеющего вторую полярность.

2. Устройство (163) по п.1, отличающееся тем, что указанный блок (320) управления содержит компаратор, конфигурированный для приема сигнала обратной связи и выдачи противоположных сигналов первому переключателю, второму переключателю, третьему переключателю и четвертому переключателю для подачи переменного тока.

3. Устройство (163) по п.2, отличающееся тем, что компаратор является компаратором нулевого уровня.

4. Способ подачи переменного тока в возбуждающее устройство (104) расходомера (100) Кориолиса с использованием устройства (163), содержащего первый переключатель (301) и второй переключатель (302), подключенные между возбуждающим устройством и источником (333) тока, и третий переключатель (303) и четвертый переключатель (304), подключенные между возбуждающим устройством и источником тока, в котором расходомер Кориолиса включает расходомерные трубы (103А и 103В), тензочувствительные датчики (105, 105’), соединенные с расходомерными трубами, и возбуждающее устройство, соединенное с расходомерными трубами, причем указанный способ содержит следующие операции: управление амплитудой переменного тока с использованием источника тока; управление первым переключателем и вторым переключателем для подачи переменного тока, имеющего первую полярность; и управление третьим переключателем и четвертым переключателем для подачи переменного тока, имеющего вторую полярность; при этом указанный способ отличается тем, что он включает следующие операции: прием сигнала обратной связи, который соответствует, по меньшей мере, одному сигналу от тензочувствительных датчиков, управление первым переключателем и вторым переключателем на основе сигнала обратной связи для подачи переменного тока, имеющего первую полярность, и управление третьим переключателем и четвертым переключателем на основе сигнала обратной связи для подачи переменного тока, имеющего вторую полярность.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительно содержит подачу противоположных сигналов первому переключателю, второму переключателю, третьему переключателю и четвертому переключателю для подачи переменного тока с использованием компаратора.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что компаратором является компаратор нулевого уровня.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к подаче тока в нагрузку. Более конкретно, это изобретение относится к устройству, которое изменяет полярность напряжения, прилагаемого к нагрузке одним источником питания. Еще более конкретно, это изобретение относится к устройству, которое обеспечивает подачу питания в систему возбуждения расходомера Кориолиса.

Некоторые нагрузки требуют периодического изменения полярности напряжения. Изменение полярности напряжения изменяет направление тока, проходящего в нагрузке. Это изменение направления тока позволяет достигать выполнения нагрузкой некоторых функций. Одним примером нагрузки, требующей изменения полярности прилагаемого напряжения, является система возбуждения для расходомера Кориолиса.

Массовый расходомер Кориолиса измеряет массовый расход и получает другую информацию о материалах, протекающих в трубе расходомера. Типичные расходомеры Кориолиса описаны в патентах США №4109524 от 29 августа 1978 г., 4491025 от 1 января 1985 г. и 31450 от 11 февраля 1982 г., принадлежащих J.E. Smith и др. Эти расходомеры имеют одну или более труб прямой или изогнутой конфигурации. Каждая конфигурация труб массового расходомера Кориолиса имеет набор собственных видов колебаний, которые могут быть типа простого изгибания, скручивания или смешанного типа. Каждая труба возбуждается для вызова колебаний в резонансе с одним из этих собственных колебаний. Материал протекает в расходомер из прикрепленного трубопровода на входе расходомера, направляется через трубу или трубы и выходит из расходомера через выходную сторону расходомера. Виды собственных колебаний вибрирующей заполненной материалом системы определяются частично комбинированной массой труб и материала, протекающего в трубах.

При отсутствии потока через расходомер все точки вдоль трубы колеблются под действием прилагаемой возбуждающей силы с идентичной фазой или с небольшим первоначальным фиксированным смещением фазы, которое может корректироваться. Когда начинается поток материала, кориолисовы силы вызывают то, что каждая точка вдоль трубы имеет отличную от других фазу. Фаза на входной стороне трубы запаздывает относительно возбуждающего устройства, тогда как фаза на выходной стороне трубы опережает возбуждающее устройство. Тензочувствительные датчики на трубе (трубах) выдают синусоидальные сигналы, отображающие движение трубы (труб). Сигналы, выдаваемые тензочувствительными датчиками, обрабатываются для определения разности фаз между тензочувствительными датчиками. Разность фаз двух сигналов тензочувствительных датчиков пропорциональна массовому расходу материала, протекающего в трубе (трубах).

Система возбуждения расходомера Кориолиса прикреплена к трубе (трубам) и вызывает колебания трубы (труб), реагируя на сигнал от схемы управления возбуждающим устройством. Традиционное возбуждающее устройство для расходомера Кориолиса имеет магнит, установленный против катушки. Блок управления возбуждающим устройством подает электрический ток или возбуждающий сигнал в катушку возбуждающего устройства. Ток, протекающий в катушке, генерирует электромагнитные силы между катушкой и магнитом. Катушка попеременно притягивается и отталкивается магнитом. Притягивание и отталкивание вызывает вибрацию труб.

Для попеременного притягивания и отталкивания магнита полярность напряжения тока, проходящего в возбуждающем устройстве, изменяется. Это обеспечивает приложение возбуждающим устройством силы к трубе (трубам) в ходе обеих половин цикла колебаний.

Проблемой является то, что для изменения полярности напряжения относительно заземления требуются две шины питания, ведущие к блоку управления возбуждающим устройством. Это повышает сложность и стоимость производства блока управления возбуждающим устройством.

Вторая проблема, присущая системе возбуждения расходомера Кориолиса, состоит в том, что выходное напряжение источника питания регулируется. Однако преобразование электрической энергии в кинетическую энергию или силу, прилагаемую к трубе (трубам), согласно закону Фарадея, зависит от силы тока. Соотношение между прилагаемым напряжением и силой, передаваемой трубе, не является прямым. Таким образом, ток может не быть в фазе с движением труб, когда напряжение регулируется. Это уменьшает эффективность преобразования электроэнергии в силу для вызова вибрации трубы (труб).

Третьей проблемой, которая также присуща системе возбуждения расходомера Кориолиса, является поддержание искробезопасности схемы возбуждения с максимизацией передачи мощности. Требования по искробезопасности устанавливают предел максимального мгновенного напряжения и тока, прилагаемого к нагрузке, такой как система возбуждения. Однако механическое движение трубы (труб) зависит от среднего напряжения и тока, прилагаемого к системе возбуждения. Таким образом, сигнал возбуждения должен сводить к минимуму разность между пиковыми значениями и средними значениями для максимизации эффективности системы возбуждения.

Сущность изобретения

Указанные выше проблемы и недостатки устраняются благодаря устройству для выдачи прямоугольного колебания системе возбуждения, согласно настоящему изобретению. Устройство, соответствующее настоящему изобретению, позволяет с использованием одного источника питания прилагать к нагрузке напряжение переменной полярности. Это снижает стоимость и сложность устройства. Это устройство также допускает регулирование силы тока, пропускаемого в нагрузке, вместо напряжения. Устройство, согласно настоящему изобретению, также выдает ток в форме прямоугольного колебания, что максимизирует среднее напряжение и ток, прилагаемый к нагрузке, посредством сведения к минимуму разности между пиковым и средним значениями напряжения и тока.

Устройство, соответствующее настоящему изобретению, включает Н-мост. Н-мосты распространены в вариантах с фиксированной амплитудой для изменения полярности напряжения, прилагаемого к нагрузке. Н-мост имеет два комплекта переключателей, соединенных с выводами, соединяющими нагрузку со схемой. Комплекты переключателей попеременно размыкаются и замыкаются для изменения направления тока в нагрузке. Когда первый и второй переключатели первого комплекта переключателей замкнуты, ток проходит в первом направлении через Н-мост и через нагрузку. Когда третий и четвертый переключатели второго комплекта переключателей замыкаются, ток проходит через Н-мост и через нагрузку во втором направлении, противоположном первому направлению.

Для регулирования амплитуды тока в нагрузке Н-мост соединен с источником питания, который может регулировать амплитуду тока в Н-мосту, подаваемого в нагрузку.

Аспектом изобретения является устройство, обеспечивающее подачу переменного тока в нагрузку от однополюсного блока питания, имеющего источник тока, который регулирует силу тока, подаваемого в нагрузку, содержащее:

первый переключатель и второй переключатель, подсоединенные между нагрузкой и источником тока, обеспечивающие прохождение тока от источника тока к нагрузке в первом направлении в результате замыкания первого переключателя и второго переключателя;

третий переключатель и четвертый переключатель, подключенные между нагрузкой и источником тока, обеспечивающие прохождение тока от источника тока к нагрузке во втором направлении в результате замыкания третьего и четвертого переключателей; и

блок регулирования амплитуды, регулирующий амплитуду тока, подаваемого в нагрузку.

Предпочтительно устройство также содержит блок управления, который размыкает и замыкает первый переключатель, второй переключатель, третий переключатель и четвертый переключатель для изменения направления тока между первым и вторым направлениями.

Предпочтительно блок управления включает компаратор, принимающий сигнал обратной связи от нагрузки и определяющий, какой из переключателей должен быть замкнут.

Предпочтительно компаратором является компаратор нулевого уровня.

Предпочтительно устройство обеспечивает выдачу сигнала возбуждения, подаваемого в устройство возбуждения расходомера Кориолиса для того, чтобы устройство возбуждения формировало колебания труб в противоположных друг другу направлениях.

Описание чертежей

Указанные выше и другие признаки изобретения можно видеть при ознакомлении с подробным описанием изобретения и следующими чертежами, на которых:

фиг.1 изображает расходомер Кориолиса, имеющий систему возбуждения, включающую устройство, соответствующее настоящему изобретению;

фиг.2 изображает устройство согласно известному уровню техники для выдачи управляемого прямоугольного колебания в нагрузку и

фиг.3 изображает блок для выдачи управляемого прямоугольного колебания в нагрузку в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к созданию переменного управляемого прямоугольного колебания от источника питания к нагрузке. На фиг.1 изображен расходомер Кориолиса, имеющий систему возбуждения, которая включает устройство, работающее в соответствии с настоящим изобретением. Расходомер 100 Кориолиса включает расходомерный блок 110 и измерительные электронные средства 150. Измерительные электронные средства 150 соединены с расходомерным блоком 110 проводами 120 для обеспечения по линии 175 информации, касающейся, например, но не ограничиваясь ими, плотности, массового расхода, объемного расхода и суммарного массового расхода. В рамках настоящего изобретения описана конструкция расходомера Кориолиса, хотя специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение может осуществляться в связи с любым устройством, имеющим нагрузки, которые требуют напряжений переменного тока.

Описана конструкция расходомера Кориолиса, хотя специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение может осуществляться в связи с любым устройством, имеющим вибрирующую трубу для измерения характеристик материала, протекающего в трубе. Вторым примером такого устройства является плотномер с вибрирующей трубой, который не имеет дополнительных измерительных возможностей, обеспечиваемых массовыми расходомерами Кориолиса.

Расходомерный блок 110 включает пару фланцев 101 и 101’, коллектор 102 и трубы 103А и 103В. Возбуждающее устройство 104, тензочувствительные датчики 105 и 105’ и датчик 107 температуры соединены с трубами 103А и 103В. Распорные пластины 106 и 106’ служат для образования осей W и W’, относительно которых колеблется каждая труба.

Когда расходомер 100 Кориолиса вмонтирован в трубопровод (не показан), который транспортирует измеряемый технологический материал, материал поступает в расходомерный блок 110 через фланец 101, проходит через коллектор 102, в котором материал направляется в трубы 103А и 103В. Затем материал проходит по трубам 103А и 103В и обратно в коллектор 102, через который он выходит из расходомерного блока 110 через фланец 101’.

Трубы 103А и 103В подобраны и надлежащим образом установлены на коллекторе 102 так, чтобы они имели по существу одинаковые распределения масс, моменты инерции и модули упругости относительно осей W-W и W’-W’ соответственно. Трубы 103А-103В проходят наружу от коллектора по существу параллельно друг другу.

Трубы 103А-103В приводятся в движение возбуждающим устройством 104 в противоположных направлениях относительно осей W и W’ изгиба и, что называется, в первом противофазном режиме изгибания расходомера. Возбуждающее устройство 104 может содержать любое из многих хорошо известных приспособлений, таких как магнит, установленный на трубе 103А, и противостоящая катушка, установленная на трубе 103В, через которую пропускается переменный ток для вызова вибрации обеих труб. Соответствующий сигнал возбуждения подается возбуждающему устройству 104 измерительными электронными средствами 150 по линии 112.

Тензочувствительные датчики 105 и 105’ прикреплены, по меньшей мере, к одной из труб 103А и 103В на противоположных концах трубы для измерения колебания труб. Когда трубы 103А-103В вибрируют, тензочувствительные датчики 105-105’ генерируют первый сигнал датчика и второй сигнал датчика. Первый и второй сигналы датчика подаются в линии 111 и 111’. Сигнал частоты колебания возбуждающего устройства подается в линию 112.

Датчик 107 температуры прикреплен, по меньшей мере, к одной трубе 103А и/или 103В. Датчик 107 температуры измеряет температуру трубы для преобразования уравнений для температуры системы. Линия 111" передает сигналы о температуре от датчика 107 температуры измерительным электронным средствам 150.

Измерительные электронные средства 150 принимают первый и второй сигналы тензочувствительных датчиков, поступающие по линиям 111 и 111’ соответственно. Измерительные электронные средства 150 обрабатывают первый и второй сигналы частоты колебаний для вычисления массового расхода, плотности или других свойств материала, проходящего через расходомерный блок 110. Полученная вычислением информация подается измерительным электронным средством 150 по линии 175 потребителю (не показан).

Специалистам в данной области техники известно, что расходомер 100 Кориолиса подобен по конструкции плотномеру с вибрирующей трубой. В плотномерах с вибрирующей трубой также используется вибрирующая труба, по которой течет жидкость или, в случае с плотномером пробоотборного типа, в которой удерживается жидкость. В плотномерах с вибрирующей трубой также используется система возбуждения для возбуждения вибрации трубы. В плотномерах с вибрирующей трубой традиционно используется только один сигнал обратной связи, поскольку измерение плотности требует только измерения частоты и в измерении фазы нет необходимости. Описание настоящего изобретения здесь в равной степени применимо для плотномеров с вибрирующей трубой.

В расходомере 100 Кориолиса измерительное электронное средство 150 физически разделено на две структуры: хост-систему 170 и преобразователь 160 сигналов. В обычных измерительных электронных средствах эти компоненты смонтированы в одном блоке.

Преобразователь 160 сигналов имеет устройство 163 возбуждения и блок 161 преобразования сигналов датчиков. Специалисту в данной области техники будет понятно, что в действительности устройство 163 возбуждения и блок 161 преобразования сигналов датчиков могут быть отдельными аналоговыми схемами или могут выполнять отдельные функции, обеспечиваемые процессором цифровой обработки сигналов или другими цифровыми компонентами. Устройство 163 возбуждения генерирует сигнал возбуждения и подает переменный ток возбуждения в возбуждающее устройство 104 по линии 112 или линии 120. Устройство, соответствующее настоящему изобретению, может быть включено в устройство 163 возбуждения для подачи переменного тока в возбуждающее устройство 104.

На практике линией 112 являются первый и второй провода. Устройство 163 возбуждения соединено с блоком 161 преобразования сигналов датчиков линией 162. Линия 162 обеспечивает текущий контроль схемой возбуждения поступающих сигналов датчиков для регулирования сигнала возбуждения. Питание для работы устройства 163 возбуждения и блока 161 преобразования сигналов датчиков подает хост-система 170 по первому проводу 173 и второму проводу 174. Первый провод 173 и второй провод 174 могут быть частью обычного двужильного, четырехжильного кабеля или частью многожильного кабеля.

Блок 161 преобразования сигналов датчиков принимает входящие сигналы от первого тензочувствительного датчика 105, второго тензочувствительного датчика 105’ и датчика 107 температуры по линиям 111, 111’ и 111’’. Блок 161 преобразования сигналов датчиков определяет частоту сигналов датчиков и может также определять свойства материала, протекающего по трубам 103А-103В. После определения частоты входных сигналов от тензочувствительных датчиков 105-105’ и свойств материала генерируются сигналы параметров, содержащие эту информацию, и передаются во вторичный процессор 171 в хост-системе 170 по линии 176. В предпочтительном варианте осуществления изобретения линия 176 включает два провода.

Однако специалисту в данной области техники будет понятно, что линия 176 может быть совмещена с первым проводом 173 и вторым проводом 174 или с любым количеством других проводов.

Хост-система 170 включает блок 172 питания и процессор 171. Блок 172 питания получает электроэнергию от источника питания и преобразует полученную электроэнергию в надлежащую мощность, необходимую системе. Процессор 171 принимает сигналы параметров от блока 161 преобразования сигналов датчиков и затем может осуществлять обработку, необходимую для определения требуемых пользователю свойств протекающего в трубах 103А-103В материала. Такие свойства могут включать (но не ограничиваются ими) плотность, массовый расход и объемный расход.

На фиг.2 показан известный из уровня техники вариант реализации схемы 163 возбуждения, включающий известную систему для подачи переменного тока в нагрузку, которой является возбуждающее устройство 104. Синусоидальный сигнал принимается множительным устройством 204 от датчиков 105-105’ (фиг.1) по линии 162. Множительное устройство настраивает амплитуду возбуждения. Настроенный сигнал от множительного устройства 204 подается в усилитель 201. Усилитель 201 усиливает синусоидальный сигнал до необходимого уровня для вызова колебания возбуждающего устройства 104 (фиг.1). Питающее напряжение прилагается к усилителю 201 ограничителем 202 или 203 тока. Ограничители 202 и 203 тока предохраняют от слишком низкого полного сопротивления в нагрузке, такой как возбуждающее устройство 104 (фиг.1).

Полярность прилагаемого напряжения периодически изменяется относительно заземления, которое соединено с возбуждающим устройством 104. Изменение полярности обеспечивает передачу энергии возбуждающим устройством 104 (фиг.1) трубам 103А и 103В в ходе каждой половины каждого цикла колебания. Изменение полярности напряжения требует двух отдельных шин V _CC и V_EE питания. Шины V_CC и V _EE питания имеют противоположные полярности напряжения.

Использование отдельных шин V_CC и V_EE питания повышает сложность устройства и увеличивает потребление энергии. Потребление энергии повышается из-за того, что простые усилители 201, обычно используемые в устройстве 163 возбуждения, возбуждают выходное устройство близко, но не одинаково с шиной питания. Это требует дополнительного превышения напряжения для создания заданного напряжения для возбуждающего устройства 104 (фиг.1).

Вторая проблема состоит в том, что выходное напряжение устройства 163 возбуждения регулируется. Однако преобразование электрической энергии в кинетическую энергию в возбуждающем устройстве 104, согласно закону Фарадея, зависит от силы тока. Хотя прилагаемое напряжение вызывает прилагаемый ток, соотношение между прилагаемой силой и прилагаемым напряжением не является прямым и зависит от других факторов. Например, на прилагаемую силу влияет индуктивность катушки и движение труб 103А и 103В. Таким образом, предпочтительно скорее регулировать силу тока, а не напряжение.

Другой проблемой, связанной с устройством 163 возбуждения, показанным на фиг.2, является способность максимизировать мощность, подаваемую в возбуждающее устройство 104, при ограничениях, создаваемых стандартами по искробезопасности. Стандарты по искробезопасности устанавливаются различными регулирующими органами для обеспечения того, что искра или тепло от схемы не воспламенит летучий материал окружающей среды. Стандарты по искробезопасности устанавливают ограничения максимального мгновенного напряжения и тока, который может подаваться в нагрузку, такую как возбуждающее устройство 104 (фиг.1). Однако сила, прилагаемая к трубам 103А и 103В, зависит от среднего значения прилагаемого тока.

Таким образом, максимальная эффективность достигается посредством сведения к минимуму разности между уровнем среднего тока и уровнем пикового тока. Поскольку в возбуждающем устройстве 104 (фиг.1) используется синусоидальный ток, генерируемая электромеханическая сила также синусоидальная. Продукт синусоидального тока и генерируемой электромеханической силы также синусоидальный и является полезной мощностью системы. Поскольку прямоугольный ток, умноженный синусоидальным напряжением, производит большую среднюю мощность, чем продукт двух синусоид, прямоугольный ток будет обеспечивать меньшие пиковые значения тока при той же средней мощности.

На фиг.3 представлено устройство 163 возбуждения, выдающее переменный ток постоянного прямоугольного колебания с использованием одного источника питания. В устройстве 163 возбуждения существует один источник 333 тока. Полярность напряжения, прилагаемого к нагрузке, такой как возбуждающее устройство 104 (фиг.1), задается двумя комплектами переключателей в схеме 350 Н-моста. Когда первый комплект переключателей, включающий переключатели 301 и 302, замыкается, ток проходит в первом направлении к возбуждающему устройству 104 (фиг.1). Когда первый комплект переключателей разомкнут и второй комплект переключателей 303 и 304 замкнут, напряжение прилагается к возбуждающему устройству 104 во втором, противоположном направлении.

Когда переключатели 301-302 замкнуты и переключатели 303-304 разомкнуты, ток проходит в возбуждающем устройстве 104 следующим образом. Шина V_CC питания подает ток по линии 318 к замкнутому переключателю 301. Ток проходит через переключатель 301 в линию 315 и к возбуждающему устройству 104 по линии 315. Затем ток проходит в возбуждающем устройстве и возвращается по линии 316. Ток проходит через замкнутый переключатель 302 и по линии 315 к источнику 333 питания. Источник 333 питания соединен с заземлением.

Когда переключатели 303 и 304 замкнуты и переключатели 302 и 301 разомкнуты, ток проходит к возбуждающему устройству 104 следующим образом. Шина V_CC питания подает ток по линии 318 к переключателю 303. Ток проходит через переключатель 303 и подается по линии 316 к возбуждающему устройству 104. Ток возвращается по линии 315 и проходит через замкнутый переключатель 304 в линию 317. Это направление противоположно направлению, обеспечиваемому переключателями 301 и 302. Схема 320 управления размыкает и замыкает переключатели 301-304 для изменения полярности напряжения, прилагаемого к возбуждающему устройству 104. Сигнал обратной связи принимается блоком 320 управления по линии 162. В соответствии с сигналом обратной связи блок 320 управления изменяет направление тока. В предпочтительном варианте осуществления изобретения блок 320 управления содержит компаратор нулевого уровня. Компаратор нулевого уровня содержит элемент 321 задержки и обратный преобразователь 322, которые принимают сигнал 162 обратной связи и попеременно подают противоположные сигналы переключателям 301-304 для размыкания и замыкания переключателей. Элемент 321 задержки подает сигналы переключателям 301 и 302 по линиям 312 и 313. Обратный преобразователь 322 подает сигналы переключателям 303 и 304 по линиям 310 и 311.

Переключатели 301-304 установлены на постоянный импеданс, поскольку динамично изменять импеданс переключателей трудно. Амплитуда регулируется хорошо известным традиционным способом в источнике 333 тока, который принимает сигнал об амплитуде по линии 331. Это происходит благодаря тому, что Н-мост 350 по существу является частью нагрузки, подключенной к источнику тока. Поскольку переключатели 301-304 либо полностью разомкнуты, либо полностью замкнуты, выходной сигнал имеет прямоугольную форму волны.