RU2192623C2 - Multi-purpose vortex-type flowmeter - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement of flow rates of liquids and gases. SUBSTANCE: proposed flowmeter includes primary transducer whose signal is furnished to first normalizing amplifier whose output is connected via filter to signal input of second normalizing amplifier. Output of second normalizing amplifier is connected to input of analog-to-digital converter. Output of analog-to-digital converter is connected to input of microcontroller. First and second control outputs of microcontroller are connected respectively to control inputs of first and second normalizing amplifiers. Signal output of microcontroller is connected to output signal shaping unit at whose outputs standard output signals and interfaces of flowmeter are shaped. EFFECT: enhanced accuracy of measurements of flow rate in wide range under action of vibration of pipe line, pulsation of flow and acoustic noise. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости или расхода жидкостей и газов. The invention relates to the field of measurement technology and can be used to measure the speed or flow rate of liquids and gases.

Известен вихревой расходомер (авторское свидетельство СССР 1789862, опубл. 23.01.93, БИ 3, G 01 F 1/32) - [1], содержащий первичный преобразователь и схему обработки сигналов, включающую фильтр с регулирующим импедансным элементом, блок управления, дифференцирующую цепь на входе фильтра и интегрирующую цепь на входе блока управления. Выход блока управления соединен с регулирующим импедансным элементом фильтра, управляющий вход с выходом фильтра, а фильтр выполнен полосовым. Принцип действия основан на автоматической настройке совпадения фаз входного и выходного сигналов фильтра, благодаря которой фильтр настраивается на среднюю частоту полосы пропускания, соответствующую частоте срыва вихрей. Known vortex flowmeter (USSR author's certificate 1789862, publ. 23.01.93, BI 3, G 01 F 1/32) - [1] containing the primary Converter and the signal processing circuit, including a filter with a regulating impedance element, a control unit, a differentiating circuit at the inlet of the filter and an integrating circuit at the inlet of the control unit. The output of the control unit is connected to the regulating impedance element of the filter, the control input with the output of the filter, and the filter is made in-band. The principle of operation is based on the automatic adjustment of the phase matching of the input and output signals of the filter, due to which the filter is tuned to the average frequency of the passband corresponding to the frequency of vortex disruption.

Известен также расходомер (патент США 5372046 от 13.12.94, G 01 F 1/32) - [2], содержащий наборы фильтров верхних и нижних частот с различными частотами среза и углами наклона характеристик. Адаптивная логика выбирает фильтры верхних нижних частот таким образом, чтобы выделить информационный сигнал в диапазоне измерения и скомпенсировать квадратичную зависимость уровня сигнала от скорости измеряемой среды. A flow meter is also known (US patent 5372046 from 12.13.94, G 01 F 1/32) - [2], containing sets of high and low frequency filters with different cutoff frequencies and tilt angles of the characteristics. Adaptive logic selects high-pass filters in such a way as to isolate the information signal in the measurement range and compensate for the quadratic dependence of the signal level on the speed of the medium being measured.

Указанные аналоги имеют существенные недостатки, ограничивающие точность и помехозащищенность. После включения или перезапуска, а также вследствие быстрого изменения скорости потока измеряемой среды, на выходах расходомеров-аналогов формируются ложные сигналы, не содержащие информацию о расходе, до тех пор, пока следящая система не настроится на информационную гармонику, что приводит к значительным погрешностям. Кроме того, следящая система может захватить гармоническую составляющую, возникшую вследствие воздействия на первичный преобразователь периодических возмущений от вибрации трубопровода, пульсаций потока или акустических шумов, что приводит к параметрическому отказу (потере работоспособности) расходомеров. These analogues have significant drawbacks that limit accuracy and noise immunity. After switching on or restarting, as well as due to a rapid change in the flow rate of the measured medium, false signals are formed at the outputs of the analog flowmeters that do not contain information about the flow rate until the tracking system tunes to the information harmonic, which leads to significant errors. In addition, the tracking system can capture the harmonic component resulting from exposure to the primary transducer of periodic disturbances from pipeline vibration, flow pulsations or acoustic noise, which leads to a parametric failure (loss of performance) of the flow meters.

Наиболее близким по достигаемому эффекту к заявляемому техническому решению является вихревой расходомер (патент США 5576497 от 19.11.96, G 01 F 1/32) - [3], содержащий последовательно включенные: первичный преобразователь, предусилитель, формирователь аналогового сигнала и микроконтроллер, причем управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу формирователя. Формирователь выполняет функции следящего полосового фильтра и содержит перестраиваемые фильтры верхних и нижних частот, генератор частоты для управления фильтрами и генератор прямоугольного сигнала, формирующий выходной сигнал формирователя. Фильтры верхних и нижних частот настраиваются таким образом, чтобы сформировать полосу пропускания для информационного сигнала. Сигнал с фильтров поступает на генератор прямоугольного сигнала, который формирует эквивалентную цифровую последовательность импульсов, поступающую на вход микроконтроллера. Контроллер вычисляет скорость потока и формирует управляющий сигнал для управления полосой пропускания фильтров. При измерении медленно меняющегося расхода, а следовательно, и медленно меняющейся вихревой частоты, полоса пропускания фильтров успевает перестраиваться, отслеживая изменение информативного сигнала. При измерении быстро меняющегося расхода, расходомер производит поиск сигнала вихревой частоты во всем диапазоне частот информативного сигнала и настраивается на периодический сигнал. The closest effect to the claimed technical solution is a vortex flowmeter (US patent 5576497 from 11/19/96, G 01 F 1/32) - [3], containing serially connected: a primary Converter, preamplifier, analog signal conditioner and microcontroller, and the control the output of the microcontroller is connected to the control input of the shaper. The shaper performs the functions of a tracking bandpass filter and contains tunable high and low frequency filters, a frequency generator for controlling the filters, and a square wave generator that generates the output signal of the shaper. High and low pass filters are tuned to form a bandwidth for the information signal. The signal from the filters is fed to a square-wave signal generator, which generates an equivalent digital sequence of pulses supplied to the input of the microcontroller. The controller calculates the flow rate and generates a control signal to control the filter bandwidth. When measuring a slowly changing flow rate, and consequently, a slowly changing vortex frequency, the filter passband manages to be tuned, tracking the change in the informative signal. When measuring a rapidly changing flow, the flowmeter searches for a vortex frequency signal in the entire frequency range of the informative signal and adjusts to a periodic signal.

Недостатком расходомера-прототипа является отсутствие адаптации к уровню информативного сигала, изменяющемуся в широких пределах пропорционально изменению плотности и квадрату скорости потока измеряемой среды, что существенно ограничивает диапазон измеряемых сред и расходов. Кроме того, в этом расходомере для обеспечения высокой точности и помехозащищенности необходима реализация непрерывно перестраиваемых аналоговых фильтров высокого порядка, работающих в широком диапазоне частот. Практическая реализация таких фильтров с порядком, необходимым для получения высокой точности и помехозащищенности представляет собой сложное устройство с повышенным энергопотреблением, а при уменьшении порядка фильтров ухудшается точность и помехозащищенность. The disadvantage of the prototype flowmeter is the lack of adaptation to the level of the informative signal, which varies widely in proportion to the change in density and square of the flow rate of the measured medium, which significantly limits the range of measured media and flows. In addition, in this flowmeter, to ensure high accuracy and noise immunity, it is necessary to implement continuously tunable high-order analog filters operating in a wide frequency range. The practical implementation of such filters with the order necessary to obtain high accuracy and noise immunity is a complex device with increased energy consumption, and when the order of the filters is reduced, the accuracy and noise immunity are degraded.

Технический результат изобретения - расширение диапазона измеряемых сред, расширение диапазона измеряемых расходов, повышение точности и помехозащищенности. The technical result of the invention is the expansion of the range of measured media, the expansion of the range of measured costs, improving the accuracy and noise immunity.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение достигается тем, что в универсальном вихревом расходомере, содержащем первичный преобразователь и электрическую схему обработки сигнала первичного преобразователя, электрическая схема обработки сигнала первичного преобразователя содержит последовательно включенные первый нормирующий усилитель, фильтр, второй нормирующий усилитель и аналого-цифровой преобразователь. При этом вход первого нормирующего усилителя подключен к выходу первичного преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера, первый и второй управляющие выходы микроконтроллера подключены соответственно к управляющим входам первого и второго нормирующих усилителей, сигнальный выход микроконтроллера подключен к блоку формирования выходных сигналов. Функцию адаптивно перестраиваемых фильтров выполняет алгоритм цифровой адаптивной фильтрации, реализованный в микроконтроллере. The technical result to which this invention is directed is achieved by the fact that in a universal vortex flowmeter containing a primary transducer and an electric signal processing circuit of a primary transducer, the electric signal processing circuit of a primary transducer contains a first normalizing amplifier, a filter, a second normalizing amplifier and an analog- digital converter. In this case, the input of the first normalizing amplifier is connected to the output of the primary converter, the output of the analog-to-digital converter is connected to the input of the microcontroller, the first and second control outputs of the microcontroller are connected respectively to the control inputs of the first and second normalizing amplifiers, the signal output of the microcontroller is connected to the output signal generating unit. The function of adaptively tunable filters is performed by the digital adaptive filtering algorithm implemented in the microcontroller.

На чертеже представлена структурная схема универсального вихревого расходомера, который содержит первичный преобразователь 1, первый нормирующий усилитель 2, фильтр 3, второй нормирующий усилитель 4, аналого-цифровой преобразователь 5, микроконтроллер 6, блок 7 формирования выходных сигналов. The drawing shows a structural diagram of a universal vortex flowmeter, which contains the primary Converter 1, the first normalizing amplifier 2, filter 3, the second normalizing amplifier 4, analog-to-digital Converter 5, microcontroller 6, block 7 generating output signals.

Выход первичного преобразователя 1 подключен к сигнальному входу первого нормирующего усилителя 2, выход которого через фильтр 3 подключен к сигнальному входу второго нормирующего усилителя 4, выход второго нормирующего усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 5, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера 6, первый управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу первого нормирующего усилителя, второй управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу второго нормирующего усилителя, сигнальный выход микроконтроллера подключен к блоку 7 формирования выходных сигналов, на выходах которого формируются стандартные выходные сигналы и интерфейсы расходомера. The output of the primary converter 1 is connected to the signal input of the first normalizing amplifier 2, the output of which through a filter 3 is connected to the signal input of the second normalizing amplifier 4, the output of the second normalizing amplifier is connected to the input of the analog-to-digital converter 5, the output of the analog-to-digital converter is connected to the input of the microcontroller 6 , the first control output of the microcontroller is connected to the control input of the first normalizing amplifier, the second control output of the microcontroller is connected to the control input One of the second normalizing amplifier, the signal output of the microcontroller is connected to the unit 7 for generating output signals, at the outputs of which standard output signals and flowmeter interfaces are formed.

Поток измеряемой среды, протекающий через проточную часть, вызывает формирование вихрей за телом обтекания, воздействующих на чувствительный элемент первичного преобразователя 1. Сигнал с первичного преобразователя 1 поступает на вход первого нормирующего усилителя 2 обеспечивающего предварительное усиление сигнала, фильтр 3 осуществляет подавление гармонических составляющих, находящихся вне диапазона измеряемого сигнала. Второй нормирующий усилитель 4 приводит сигнал в соответствие с диапазоном аналого-цифрового преобразователя 5. Аналого-цифровой преобразователь 5 производит выборку сигнала с частотой опроса, необходимой для восстановления сигнала в диапазоне измеряемых частот. Микроконтроллер 6 оценивает уровень входного сигнала и выполняет автоматическую регулировку коэффициентов усиления нормирующих усилителей 2 и 4, производя таким образом адаптацию к уровню сигнала. Микроконтроллер 6 производит поиск и выделение сигнала вихревой частоты в соответствии с алгоритмом цифровой адаптивной фильтрации, реализующим полосовой фильтр высокого порядка с перестраиваемой шириной и центральной частотой полосы пропускания, вычисляет текущее значение вихревой частоты, вычисляет значение расхода и выдает сигналы в блок 7 формирования выходных сигналов. Блок 7 формирует выходные сигналы в виде сигнала тока импульсного сигнала и обеспечивает работу цифрового интерфейса. В качестве микроконтроллера может быть применена микросхема PIC16C76 фирмы Microchip Technology Inc., электронная версия технического описания мисросхемы PIC16C76 (файл 30390e.pdf, printed in USA 11/99) - [4] доступна на сайте производителя www.microchip. com. The flow of the measured medium flowing through the flow part causes the formation of vortices behind the flow body acting on the sensing element of the primary transducer 1. The signal from the primary transducer 1 is fed to the input of the first normalizing amplifier 2 providing preliminary signal amplification, the filter 3 suppresses harmonic components located outside range of the measured signal. The second normalizing amplifier 4 brings the signal in accordance with the range of the analog-to-digital converter 5. The analog-to-digital converter 5 selects the signal with the polling frequency necessary to restore the signal in the range of measured frequencies. Microcontroller 6 evaluates the level of the input signal and automatically adjusts the gain of the normalizing amplifiers 2 and 4, thereby adapting to the signal level. The microcontroller 6 searches and selects the vortex frequency signal in accordance with the digital adaptive filtering algorithm, which implements a high-order bandpass filter with a tunable width and central frequency of the passband, calculates the current value of the vortex frequency, calculates the flow value, and outputs signals to the output signal generating unit 7. Block 7 generates output signals in the form of a current signal of a pulse signal and ensures the operation of a digital interface. As the microcontroller, the PIC16C76 microcircuit from Microchip Technology Inc. can be used, the electronic version of the technical description of the miscellaneous PIC16C76 (file 30390e.pdf, printed in USA 11/99) - [4] is available on the manufacturer’s website www.microchip. com.

Благодаря введению адаптации к уровню сигнала и применению цифровой адаптивной фильтрации, расходомер универсален по отношению к жидким и газообразным средам с различной плотностью и обеспечивает точное измерение скорости или расхода в широком диапазоне, при воздействии возмущений в виде вибрации трубопровода, пульсаций потока и акустических шумов. Расходомер реализован на микромощных компонентах и рассчитан на питание от стандартного токового интерфейса 4-20 мA. Thanks to the introduction of adaptation to the signal level and the use of digital adaptive filtering, the flowmeter is versatile in relation to liquid and gaseous media with different densities and provides accurate measurement of speed or flow rate over a wide range when exposed to disturbances in the form of pipeline vibration, flow pulsations and acoustic noise. The flowmeter is implemented on micropower components and is designed to be powered by a standard current interface of 4-20 mA.

Claims (1)

Универсальный вихревой расходомер, содержащий первичный преобразователь и электрическую схему обработки сигнала первичного преобразователя, отличающийся тем, что электрическая схема обработки сигнала первичного преобразователя содержит первый нормирующий усилитель, фильтр, второй нормирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок формирования выходных сигналов, причем выход первичного преобразователя подключен к сигнальному входу первого нормирующего усилителя, выход первого нормирующего усилителя через фильтр подключен к сигнальному входу второго нормирующего усилителя, выход второго нормирующего усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера, первый управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу первого нормирующего усилителя, второй управляющий выход микроконтроллера подключен к управляющему входу второго нормирующего усилителя, сигнальный выход микроконтроллера подключен к блоку формирования выходных сигналов. A universal vortex flowmeter containing a primary transducer and an electrical signal processing circuit of a primary transducer, characterized in that the electrical signal processing circuit of a primary transducer comprises a first normalization amplifier, a filter, a second normalization amplifier, an analog-to-digital converter, a microcontroller, an output signal generating unit, and an output the primary Converter is connected to the signal input of the first normalizing amplifier, the output of the first normalizing amplifier The filter is connected to the signal input of the second normalizing amplifier, the output of the second normalizing amplifier is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output of the analog-to-digital converter is connected to the input of the microcontroller, the first control output of the microcontroller is connected to the control input of the first normalizing amplifier, the second control output of the microcontroller is connected to control input of the second normalizing amplifier, the signal output of the microcontroller is connected to the output signal generating unit in.