Расходомер на основе электромагнитного датчика расхода

Рисунок 2.1- Схема замещения  реальной катушки индуктивности

Rm - активное сопротивление  обмотки катушки индуктивности

r - сопротивление, учитывающее  потери в стали

Построим для этой схемы векторную диаграмму токов  и напряжений. Векторная диаграмма токов и напряжений представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2- Векторная диаграмма токов и напряжений

На диаграмме изображён  сигнал , снимаемый с электродов Uэ и представляющий собой сумму  двух сигналов: полезного сигнала Uпол и трансформаторной ЭДС Uтр.

Эквивалентная схема  подключения электродов датчика  для снятия информационного сигнала  изображена на рис.2.3

Рисунок 2.3- Схема подключения датчика для снятия информационного сигнала

Для этой схемы должно выполняться условие: входное сопротивление измерительного усилителя должно быть на несколько порядков выше сопротивления датчика.

Сигнал, снимаемый с  электродов содержит в себе полезную составляющую которая описывается  формулой:

 (2.1)

где - магнитная индукция

- расстояние между электродами

- скорость потока и трансформаторной ЭДС

 (2.2)

где - площадь контура образуемого подводящими проводниками, находящимися в магнитном поле

- частота магнитного поля  пронизывающего движущийся поток  жидкости.

На рисунке 2.4 представлена примерная структурная схема  расходомера на основе электромагнитного  датчика расхода.

Рисунок 2.4- Структурная схема расходомера на основе электромагнитного датчика расхода

ГСК -генератор синусоидальных колебаний;

ИП - источник питания;

ПНТ- преобразователь  напряжение – ток;

Инд - индуктор;

Э1,Э2 - электроды;

Ус- усилитель;

ПТН – преобразователь  ток-напряжение;

ФСУ – фазосдвигающее устройство;

ФУН- формирователь управляющего напряжения;

ФЧВ- фазочувствительный выпрямитель;

Ф-фильтр;

МК- микроконтроллер;

УИ- устройство индикации;

Кл – клавиатура.

Описание предполагаемой работы устройства:

С генератора синусоидальных колебаний через преобразователь напряжение – ток сигнал подаётся на индуктор, который отвечает за создание рабочего магнитного потока. Индуктор представляет собой две катушки индуктивности. При подаче на катушки тока возбуждения создается магнитное поле, которое наводит в электропроводной жидкости, движущейся в трубе, ЭДС. Значение ЭДС, пропорциональное скорости движения жидкости, а, значит, и расходу, снимается с двух измерительных электродов, расположенных напротив друг друга в диаметральной плоскости трубы.

Полезный сигнал, снятый с двух электродов датчика, усиливается и поступает на фазочувствительный выпрямитель; также на него подаётся прямоугольный сигнал с с индуктора через преобразователь ток-напряжение, фазосдвигающее устройство и формирователь управляющего напряжения.

Далее сигнал отфильтровываем , делая его таким образом пригодным для дальнейшей его обработки АЦП, который необходим чтобы преобразовать аналоговые показания с датчика в двоичный код. Микроконтроллер производит обработку получаемой информации, вычисляет необходимые значения функций: скорости потока, накопленный расход и регистрирует моторное время и расход , пересылает при необходимости информацию на ПК, выводит данные на полупроводниковые индикаторы.

Клавиатура включает в себя 4 переключателя для выбора аналоговых каналов; переключатель режима работы МКС; кнопку "Сброс", при нажатии на которую производится сброс МК.

Через интерфейс ИРПС происходит передача информации с микроконтроллера в центральный компьютер.

Блок питания предназначен для питания элементов схемы.

При этом диапазон измерения  расхода 1,0...10 м³/с, на электродах допустимо напряжение поляризации, имеющее характер медленного дрейфа, не более 100 мВ, при эксплуатации температура медных обмоток индуктора может изменяться в диапазоне 0...150°С, номинальное сопротивление "меди" обмоток проводов (при 20°С) равно 30 Ом.

Расходомер должен производить 10 измерений в секунду и находить среднее значение, индицировать скорость потока (м/с), расход (м³/час), накопленный расход (м³), моторное время (текущее время с момента начала работы).Основная приведенная погрешность расходомера не должна превышать 2%.Рабочий температурный диапазон 0...60°С.Дополнительная погрешность расходомера не должна превышать 0,5% при изменении температуры окружающего воздуха на 10°С во всем рабочем диапазоне.

3. Разработка принципиальной схемы устройства

 

Генератор синусоидальных колебаний

Генератор синусоидальных колебаний предназначен для питания  электромагнитного датчика (рисунок 3.1)

Рисунок 3.1 – Схема генератора синусоидальных колебаний

Для нахождения необходимой  амплитуды генератора необходимо падение  напряжения на датчике. Схема генератора дана на рисунке 3.1. Он реализован с использованием последовательно - параллельной фазосдвигающей цепи[2]. Элементы R-C.

В качестве нелинейного  элемента, обеспечивающий баланс амплитуд(устойчивою работу) используются диоды VD1, VD2. Транзисторы VT1, VT2 включенные как эмитторные повторители, необходимы для усиления входного тока генератора.

Источник питания  индуктора

Синусоидальный сигнал с амплитудой напряжения 5 В и  частотой 50 Гц выходит с генератора синусоидального напряжения.

Рис.3.2 Принципиальная схема преобразователя

В данной схеме используем резисторы:

R5- МЛТ–0,125–1кОм±5%

R6- МЛТ–0,125–1кОм±5%

R7- МЛТ –0,25– 100 кОм±5%.

R8- МЛТ–0,125–56 Ом±5%.

Выбираем по справочнику  операционный усилитель К140УД17Б.

Электромагнитный  датчик

Схема электромагнитного  датчика приведена на рисунке 3.3.

 

Рисунок 3.3 – Схема  электромагнитного датчика

На схеме даны следующие  обозначение:

Rм=30 Ом – сопротивление меди;

Rп=300 кОм – сопротивление потерь;

L=Т×Rм=210 мГн – индуктивность обмотки возбуждения;

Х_L =2р×f×L - сопротивление обмотки возбуждения;

Х_L =2×3.14×50×210=66 Ом;

Eп – питающее синусоидальное напряжение частотой 50 Гц;

Uвых – выходное напряжение датчика;

Ксв – коэффициент  связи ;

I – входной ток обмотки возбуждения;

I_L – ток индуктивности создающий магнитный поток в датчике;

Разработка усилителя

Усилитель переменного  напряжения необходим для нормальной работы фазочувствительного выпрямителя. Схема усилителя приведена на рисунке 3.4 .

Рисунок 3.4 – Усилитель  переменного напряжения

Задаёмся коэффициентом  усиления усилителя K=2000. Выбираем усилитель АD620А.

Диапазон питания …………………………………..….± 2,3 В до ± 18 В;

Внутренняя мощность рассеивания ……………………….….. 650 мВт;

Дифференциальное входное напряжение ………………………..±25 В;

Температурный диапазон (Q)………………………….–65ºC to +150ºC;

Температурный диапазон (N, R)……………………….–65ºC to +125ºC;

Рабочий ток ……………………………………………..…………1,3 мА ;

Максимальное напряжение смещения…….……………….…….. 50 мкВ;

Максимальный дрейф на входе…………………………… 0,6 мкВ / ° C;

Максимальный входной ток смещения…………………………. 1,0 нА;

Низкий уровень шума.

Разработка преобразователя  ток-напряжение

Схема преобразователя ток –  напряжение приведена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 Преобразователь ток-напряжение.

В качестве микросхемы ОУ выбираем К544УД 2А[10].

Номинальное напряжение питания ………………………  ±15 В± 10 %;

Максимальное выходное напряжение при U_п= ±15 В ………... ≥±10 В;

Напряжение смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В …. ≤30 мВ;

Средний входной ток при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ………… ≤0,1 нА;

Разность входных токов при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ……… ≤0,1 нА;

Коэффициент усиления напряжения при U_п= ±15 В, U_вых= ±4 В, R_н=2 кОм …………………………………………………..………. ≥20000;

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений … ≥70 дБ;

Средний температурный  дрейф напряжения смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В………………………………………………. ≤50 мкВ/ ° C;

Частота единичного усиления при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ……. ≥15 МГц;

Максимальная скорость нарастания выходного напряженияпри U_п= ±15 В, U_вых=−10 В, U_вх=−10 В ………………………………………… ≥20 В/мкс;

Входное сопротивление …………………………………. ≥1 · 10¹¹ Ом.

Разработка фазосдвигающего  устройства

Схема фазосдвигающего устройства приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.6 – Схема фазосдвигающего  устройства

Выбираем DA4[10] –ОУ типа К544УД2А

Номинальное напряжение питания …………………… ±15 В± 10 %;

Максимальное выходное напряжениепри U_п= ±15 В ……… ≥±10 В;

Напряжение смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В…. ≤30 мВ;

Средний входной ток при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ……… ≤0,1 нА;

Разность входных токов при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В …… ≤0,1 нА;

Коэффициент усиления напряжения при U_п= ±15 В, U_вых= ±4 В, R_н=2 кОм ………………………………………………………………… ≥20000;

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений … ≥70 дБ;

Средний температурный  дрейф напряжения смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ………………………………………………. ≤50 мкВ/ ° C;

Частота единичного усиления при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В .. ≥15 МГц;

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения при U_п= ±15 В, U_вых=−10 В, U_вх=−10 В ………………………………………. ≥20 В/мкс;

Входное сопротивление  ……………………………….. ≥1 · 10¹¹ Ом.

Разработка формирователя управляющего напряжения

 

Рисунок 3.7 – Схема  формирователя управляющих напряжений

Формирователь управляющих  напряжений предназначен для формирования прямоугольных однополярных импульсов, фронты которых совпадают с моментами  перехода через ноль выходного напряжения фазосдвигающего устройства. Схема  формирователя представлена на рисунке 3.7, она состоит из усилителя ограничителя на ОУ1, и триггера Шмидта – на ОУ2. Пока диоды не открылись ОУ1 работает как разомкнутый и на выходе присутствует напряжение с крутыми фронтами и амплитудой 0.7В. Резистор R9 выбираем из условия ограничения выходного тока ОУ1. Зададимся значением R9=10кОм. Тогда ток протекающий через R9 и по выходу ОУ5 будет равен:

  (3.35)

Ток меньше, чем максимальный ток ОУ. Для К544УД2А I_оу≤5мА. В триггере Шмидта гистерезис должен быть меньше, чем выходное напряжение ОУ5.Зададим напряжение гистерезиса 0.1В, тогда U_{вых мах}=10В.

Разработка фазочувствительного выпрямителя

Схема ФЧВ приведена  на рисунке 3.8. Это фазочувствительный усилитель с последовательно - параллельными  ключами. Для реализации ФЧВ выбираем микросхему К590КН4 [10]:

Рисунок 3.8 – Фазочувствительный выпрямитель

Ток утечки аналогового  входа………………………….. не более 70нА;

Ток утечки аналогового  выхода …………………….. не более 70нА;

Входной ток низкого уровня управляющего напряжения не более 0.2мкА;

Входной ток высокого уровня управляющего напряжения .. не более 0.2мкА;

Ток потребления при  высоком уровне управляющего напряжения:

От положительного источника  ………………………. не более 200 мкА;

От отрицательного источника  ………………………….. не более 5 мкА;

Ток потребления при  низком уровне управляющего напряжения:

От положительного источника……………………. не более 50 мкА;

От отрицательного источника ……………………… не более 5 мкА;

Сопротивление в открытом состоянии ………………. не более 75 Ом.

В этой микросхеме реализованы 2 ключа, один из которых нормально  не замкнут (контакты 1 – 16), другой нормально  замкнут (контакты 3-4). При подаче на управляющий вход (контакт 15) положительного напряжения, состояние ключей поменяется на противоположное. В открытом состоянии ключа (замкнутого) находится на уровне ≤75 Ом. Разомкнутое состояние характеризуется током утечки при максимальном напряжении на зажимах ключа 30В, I_ут≤70 мА. Эквивалентное сопротивление разомкнутого ключа можно оценить значения: (3.38)

Таким образом при  нулевом управляющем напряжении коэффициент усиления ФЧВ равен  – 1, при высоком уровне управляющего напряжения +1.

Сопротивления R1 и R2 выбираем равными 10 кОм [6]:

R13– C2-33 – 0.125Вт – 10 кОм ±5%-Г;

R14– C2-33 – 0.125Вт – 10 кОм ±5%-Г.

В качестве операционного  усилителя выбираем микросхему К544УД2А[10]:

Номинальное напряжение питания ……………………… ±15 В ±10 %;

Максимальное выходное напряжение при U_п= ±15 В…………. ≥±10 В;

Напряжение смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В…… ≥30 мВ;

Средний входной ток  при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В …………. ≥0,1 нА;

Разность входных токов  при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В……….. ≥0,1 нА;

Коэффициент усиления напряжения при U_п= ±15 В, U_вых= ±4 В, R_н=2 кОм ....………………………………………………………… ≥20000;

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений … ≥70 дБ;

Средний температурный  дрейф напряжения смещения нуляпри U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В …………………………………….………….. ≥50 мкВ/ ° C;

Частота единичного усиления при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В.. ≥15 МГц;

Максимальная скорость нарастания выходного напряженияпри U_п= ±15 В, U_вых=−10 В, U_вх=−10 В……………………………………….. ≥20 В/мкс;

Входное сопротивление………………………….…………. ≥1 · 10¹¹ Ом.

Разработка фильтра нижних частот

Рисунок 3.9 – Фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот предназначен для выделения из выходного напряжения ФЧВ среднего значения. Максимальное выходное напряжение усилителя находится на уровне 20.6мВ. После ФНЧ среднее значение будет равно:

  Uo=2×Um/р=13.12mB (3.39)

Частота минимальной гармоники в выходном сигнале ФНЧ будет равна 2w, где w – частота возбуждения датчика.