|
Měřicí obvody indukčních průtokoměrů (část 2)
(dokončení z čísla 11/2005)
6.3.4 Impulsní výkonové stejnosměrné buzení
Princip výkonového stejnosměrného buzení je stejný jako u impulsního stejnosměrného buzení (viz [9], odst. 6.3.2), změna je ve zvýšení intenzity budicího proudu cívek na hodnoty okolo 1 A (nebo dokonce až 3 A). Lze také měnit frekvenci buzení od 2 do 33 Hz. Větší budicí výkon umožňuje dosáhnout většího odstupu signálu od šumu a měřit např. i průtok kalů, kdy je úroveň rušení mimořádně velká. Nevýhodou je, že úměrně s intenzitou budicího proudu roste také úroveň rušivého napětí pronikajícího do vstupní smyčky (zejména pro frekvence buzení větší než 10 Hz).
Při volbě frekvence buzení je nutné uvážit, že se zvětšujícím se průměrem potrubí roste také rozměr budicích cívek a jejich indukčnost L. Časová konstanta cívek tc = L/R, a tím i doba nutná k ustálení magnetického pole rostou. Pro průměr potrubí 500 mm je typická největší frekvence magnetického pole asi 8 Hz a úroveň rušení při měření průtoku kalů se téměř neliší od hodnot dosahovaných při běžném impulsním buzení. Při vyšších frekvencích buzení se pole nestačí ustálit (nedosahuje nulové hodnoty). Tak vzniká zdánlivý posuv nuly, který je třeba vyloučit ručním nulováním.
6.3.5 Impulsní (spínané) střídavé magnetické pole
Potlačení rušení vířivými proudy, transformací a pomalu proměnnými náhodnými signály se dosahuje obdobně jako u stejnosměrného impulsního buzení. Podstatný rozdíl je v tom, že se nepracuje se vzorky signálu, ale směs signálu a rušení se integruje. Integrační postupy netrpí náhodným kolísáním hodnot vzorků, které jinak vzniká při rušení náhodného charakteru.
Spínané střídavé magnetické pole je vytvářeno připojováním vinutí po dobu periody napájecí sítě (např. 16,6 ms při kmitočtu sítě 60 Hz) ke zdroji proudu trojúhelníkového průběhu s intenzitou až 5 A. Napětí na vinutí dosahuje až 80 V. Následně je po dobu přibližně půl periody vinutí odpojeno (obr. 7). Opakovací frekvence trojúhelníkových impulsů je pak 0,66 · 60 = 40 Hz. Magnetická indukce sleduje průběh proudu se zpožděním pouze několik milisekund. Lineárním růstem a klesáním magnetické indukce B se indukují vířivé proudy a transformované napětí s přibližně pravoúhlým průběhem a s amplitudou i polaritou odpovídající derivaci průběhu B(t). Střední hodnota rušivých napětí po dobu budicího impulsu určená integrací je nulová.
Obr. 7. Idealizované časové průběhy proudu i(t) a magnetické indukce B(t) při spínaném střídavém buzení trojúhelníkovým průběhem (delta pulse, kmitočet sítě 60 Hz): uv – rušivé napětí způsobené vířivými proudy
Výhodou buzení magnetického pole průběhy s malou strmostí je také vyloučení vzniku derivačních špiček na vstupu zesilovače.
Zpracování signálu se zde neopírá o koherentní vzorkování jako u stejnosměrného impulsního pole, ale o integraci signálu po dobu trvání budicího impulsu. Vzniká tak signál úměrný rychlosti průtoku a současně se v důsledku integrace eliminuje střídavé rušivé napětí vyvolané vířivými proudy.
Budicí impulsy jsou spouštěny při průchodu síťového napětí nulou, a proto integrace za dobu periody potlačí také rušení pronikající z rozvodné sítě.
V části průběhu, kdy je buzení vypnuto (B = 0), odpovídá napětí na elektrodách složkám rušení nezávislým na rychlosti kapaliny. Algoritmus eliminace rušení pak spočívá v odstranění účinků vířivých proudů integrací během budicího impulsu a odečtení napětí získaného v době kdy B = 0. Postupy automatického nulování (Automatic Zero Control – AZC) pracujícími na tomto principu lze nejistotu přístroje zmenšit asi na 0,5 % jeho měřicího rozsahu.
Korigovaná hodnota signálu by mohla být k dispozici již po ukončení cyklu buzení a snímání, tj. za asi tři půlperiody, takže při započtení doby automatického nulování lze nový vzorek rychlosti kapaliny získat přibližně každých 25 ms (při kmitočtu sítě 60 Hz). Takto rychlá reakce však vyžaduje rozložení procesu integrace do dvou kanálů, přepínaných v rytmu frekvence sítě. Pak je možné k eliminaci rušení výpočtem použít celou půlperiodu, následující po skončení budicího impulsu a intervalu v němž je B = 0.
Poměr signálu k šumu je asi trojnásobkem hodnoty běžné při použití harmonicky buzeného střídavého pole a více než 30krát větší než při impulsně buzeném stejnosměrném poli. Průtokoměr se spínaným střídavým buzením lze použít i při vysokých úrovních rušení, např. pro obtížně měřitelné tekutiny, jako jsou drtě a odpadové kaly v hornictví, a pro průměry potrubí od 25 do 2 000 mm. Pro porovnání uveďme, že šum vytvářený vířivými proudy způsobuje u běžných typů průtokoměrů kolísání nuly o jednotky procent za 48 h.
6.3.6 Buzení magnetického pole exponenciálními impulsy
V režimu buzení exponenciálními impulsy (ex-pulse excitation) jsou budicí cívky po dobu periody sítě (16 nebo 20 ms) napájeny impulsy exponenciálního tvaru s amplitudou až 80 V a proudem Im do 5 A. Napájecí impulsy jsou spouštěny při průchodu síťového napětí nulou a proud cívkami po dobu půlperiody exponenciálně roste, obdobně jako při přechodovém jevu v obvodu indukčnost – odpor (obr. 8). V následující půlperiodě je napájecí napětí nulové, budicí proud protéká sériově zapojenou diodou do zdroje a exponenciálně klesá. Předpokládá se, že rušivá napětí, transformovaná i vyvolaná vířivými proudy, jsou při růstu i poklesu proudu stejná co do amplitudy, avšak s opačnou polaritou.
Obr. 8. Buzení cívek exponenciálními impulsy proudu: Ts – perioda sítě
V mezeře mezi budicími impulsy jsou po dobu půlperiody budicí proud i magnetická indukce nulové. Užitečné napětí je také nulové, a proto napětí měřené v tomto intervalu odpovídá posuvu nuly vlivem rušivých efektů a může být použito ke korekci. Integrací po dobu periody se získá signál úměrný rychlosti a vyloučí se účinek vířivých proudů, jako při trojúhelníkovém buzení.
Opakovací kmitočet průběhu magnetické indukce je opět roven dvěma třetinám kmitočtu napájecí sítě, tj. 33 nebo 40 Hz. Jak je zřejmé z obr. 10, je na těchto kmitočtech spektrální hustota šumu 1/f již dostatečně malá. Metoda exponenciálního buzení tedy k dosažení většího odstupu signálu od šumu kombinuje přechod na vyšší frekvenci magnetické indukce s možností potlačit kolísání nuly obdobně jako při impulsním stejnosměrném průběhu magnetické indukce. Jsou také zachovány dobré dynamické vlastnosti střídavých metod, jelikož k potlačení zbytkových napětí po detekci není nutné vzhledem k značnému kmitočtu „nosné“ (33 nebo 40 Hz) používat dolní propusti s velkými časovými konstantami.
Poměr signálu k šumu může být až 50násobný v porovnání s obvyklými stejnosměrnými impulsními metodami a trojnásobný v porovnání s běžným střídavým buzením. Dosahovaná přesnost je asi 0,5 %. Co do spotřeby energie jsou tyto přístroje srovnatelné s impulsními stejnosměrnými průtokoměry.
Obě metody spínaného střídavého buzení umožňují získat korigovaný signál již za dobu srovnatelnou s periodou sítě. Není tedy nutné k získání údajů potřebných ke korekci nuly zastavit průtok, jak je tomu u buzení střídavým proudem harmonického tvaru.
Obr. 9. Typické hodnoty příkonu budicích cívek indukčních průtokoměrů od začátku jejich hromadného používání při řízení technologických procesů
Výhodou impulsního střídavého buzení je také menší budicí příkon, jelikož po dobu půlperiody je proud do cívek nulový.
Průtokoměr s buzením typu ex-pulse je vhodný i k měření za přítomnosti velkých hodnot rušivých signálů, např. kapalin s velkým obsahem vzduchu, hustých kalů, nehomogenních kalů, průtoků s pulsacemi (např. při použití pump) a při nadměrném šumu vlivem chemických příměsí.
6.4 Volba parametrů střídavého magnetického pole
6.4.1 Hodnota magnetické indukce B
Napětí na elektrodách průtokoměru je při dané rychlosti kapaliny úměrné hodnotě magnetické indukce. Intenzita proudu v budicích cívkách se volí tak, aby poměr signálu k šumu a tomu odpovídající nejistota měření byly zaručeny i při nejvyšší úrovni rušení. Intenzita proudu v cívkách střídavého indukčního průtokoměru může dosahovat hodnot až 3 A a příkon až 2 000 V·A (v závislosti na průměru měřicí trubice), v historickém pohledu však tyto postupně klesají (obr. 9). Je to především důsledek zavádění impulsního průběhu budicího proudu, kdy po skončení impulsu je již až do dalšího impulsu proud cívkou nulový. Pozitivně působí také metody číslicového zpracování signálů umožňující vyhodnotit signál i při zvýšené úrovni rušení, takže lze pracovat s menšími proudy.
6.4.2 Výběr frekvence magnetického pole
Vhodná frekvence změn magnetického pole závisí na rozložení spektra rušivých signálů. Obvykle převládá rušení se spektrem typu 1/f (růžový šum), které se vyznačuje růstem amplitudy rušivých složek s klesající frekvencí (spektrální hustota je nepřímo úměrná kmitočtu, obr. 10). Z tohoto hlediska je vhodné volit frekvenci tak, aby amplituda signálu byla o požadovaný odstup nad úrovní růžového šumu. Zpravidla se však z praktických důvodů používá napájení z rozvodné sítě (o frekvenci 50 nebo 60 Hz).
Obr. 10. Příklad průběhu spektra rušivých signálů u elektromagnetických průtokoměrů odpovídající tzv. růžovému šumu (spektrum 1/f) [12]
Vyšší kmitočet magnetického pole znamená jeho rychlejší změny, ale také větší hodnotu rušivých napětí usts(t) indukovaných z obvodů pro vytváření magnetického pole do vstupní části měřicích obvodů (smyčka tvořená přívody od elektrod ke vstupním svorkám zesilovače).
Zvýšit frekvenci magnetického pole je výhodné i v případě, že spektrální výkonová hustota rušivých signálů nezávisí na frekvenci, tedy jde o rušení charakteru tzv. bílého šumu. Výhoda spočívá v tom, že pro dolní propust v obvykle používaném vyhodnocovacím obvodu – koherentním demodulátoru – lze volit menší hodnoty časových konstant a dosáhnout tak rychlejší reakce na skokovou změnu rychlosti proudění kapaliny.
6.4.3 Magnetické pole na dvou frekvencích
Jak již bylo naznačeno, jsou rušivá napětí pronikající na vstup měřicího obvodu menší a stálost nuly lepší při nízkých frekvencích magnetického pole. Potlačení zbytků střídavých signálů ve výstupním napětí po demodulaci však vyžaduje větší časové konstanty („tlumení“) ve filtračních obvodech (dolní propusti) demodulátorů. Tím se zhoršují dynamické vlastnosti průtokoměru, který pak není schopen zaznamenat rychlé změny průtoku.
Situace je obdobná jako u amplitudové modulace: budicí frekvence (nosná) musí mít podstatně větší hodnotu než nejvyšší frekvence signálu, kterou je třeba zaznamenat. K dosažení rychlé odezvy a lepší stálosti nuly je výhodné použít buzení součtem signálů s vysokou a nízkou frekvencí (typicky 70 Hz/0,50 A a 7 Hz/0,25 A).
Jak je ukázáno na obr. 11, je signál z průtokoměru napájeného budicím napětím Ub(t) na dvou frekvencích v první cestě koherentně demodulován s použitím referenčního signálu o frekvenci fn patřící buzení s nižší frekvencí. Součást koherentní demodulace – dolní propust – má v této cestě podstatně větší časovou konstantu, a proto její výstupní napětí odpovídá stejnosměrným a pomalým změnám průtoku.
Obr. 11. Měřicí obvod průtokoměru s magnetickým polem na dvou frekvencích
Ve druhé cestě je k demodulaci použit referenční signál odpovídající vyšší z frekvencí použitých pro buzení magnetického pole (fv). Proto dolní propust v této cestě může mít mnohem menší hodnotu časové konstanty, a tak umožňuje sledovat i rychle se měnící signály. Za touto dolní propustí následuje horní propust, propouštějící pouze signály odpovídající rychlým změnám průtoku.
Při správné návaznosti amplitudových frekvenčních charakteristik dolní a horní propusti je výsledný signál součtem signálů z obou cest při podstatném potlačení pomalých složek rušení. Tyto složky jsou obzvláště výrazné při měření průtoku kapalin s malou vodivostí řádově 0,01 µS·cm–1. Při tak malých vodivostech musí být vstupní odpor zesilovače velký, takže rušivé signály snadno pronikají parazitními kapacitami mezi zdroji rušení a vstupem zesilovače.
Metoda umožňuje měřit za přítomnosti silného rušení, což je situace vyskytující se např. při měření průtoku kalů nebo kašovitých látek.
7. Řešení vybraných částí měřicích obvodů indukčních průtokoměrů
7.1 Dvouvodičové připojení indukčních průtokoměrů
Použití výhodného a v praxi rozšířeného přenosu napájecího napětí i výstupního signálu senzoru po téže dvojici vodičů by poskytlo zcela nové možnosti využití indukčních průtokoměrů [5]. Potíže však nastávají s nedostatečným výkonem, který lze použít pro buzení magnetického pole v nejrozšířenějším systému dvouvodičové proudové smyčky s odběrem z napájecího zdroje proměnným v rozmezí 4 až 20 mA v závislosti na hodnotě výstupního signálu (rychlosti proudění). Má-li být dosaženo použitelného odstupu signálu a šumu, je nutný příkon budicí cívky okolo 1 W, zatímco z proudové smyčky lze bez zvláštních opatření pro buzení odebrat výkon asi 60 mW (při obvyklé hodnotě napětí 15 V a minimálním proudu 4 mA). Teoreticky lze pro buzení cívek použít proud až do 20 mA (např. přeměnou spádu napětí na rezistoru sériově řazeného do smyčky) a získat tak příkon až 0,3 W.
Obr. 12. Adaptivním řízením se příkon zvětšuje nad hodnotu odpovídající proudu ve smyčce
Příkon přístroje je ovšem v tomto případě závislý na proudu protékajícím smyčkou, a tedy na proměnné hodnotě měřené veličiny (průtoku). Spotřeba přístroje tudíž musí být adaptivně řízena specializovaným obvodem. Podrobná činnost takového obvodu je předmětem patentu firmy Krohne. Patrně jde o použití metod obdobných jako u spínaných napájecích zdrojů, tj. přeměna na střídavé napětí oscilátorem, transformace a usměrnění (obr. 12). Při malých průtocích (tj. proudech málo nad 4 mA) je však takto získaný příkon nedostatečný. K jeho zvětšení se využívá akumulace energie v zásobníku (kondenzátoru) během dostatečně dlouhého intervalu a následného vyprázdnění zásobníku při generaci impulsu magnetického pole. Nevýhodou je prodloužení periody opakování impulsů až na několik sekund, takže nelze měřit rychle proměnné průtoky; navíc vzroste rozptyl naměřených hodnot. Postup zpracování signálů je obdobný jako u impulsního stejnosměrném buzení. Střídavý signál se synchronně vzorkuje v místech, kde je již ustálený (obr. 5), a vyvzorkovaný se dále zesiluje střídavým rozdílovým zesilovačem s velkou hodnotou součinitele potlačení souhlasného napětí (CMR), přičemž cílem je potlačit účinek rušivých napětí pronikajících se stejnou polaritou na oba vstupy a naopak zdvojnásobit citlivost ve vztahu k užitečnému rozdílovému signálu.
Dvouvodičové připojení je velmi výhodné při montáži přístrojů v prostředí s nebezpečím výbuchu, zmenšuje náklady na kabelové rozvody a pro malou spotřebu je atraktivní při měření na odlehlých místech (např. napájení z baterie dobíjené fotovoltaickými články).
Další předností je možnost snadné náhrady dosluhujících průtokoměrů (např. turbínových nebo se škrticími orgány) připojených dvěma vodiči perspektivními indukčními průtokoměry s možností použití již existujících kabelů.
Budicí proudy při dvouvodičovém napájení však nemusí v obtížných situacích postačovat k zaručení dostatečného odstupu signálu od šumu. Pak je nabízena možnost dalšími dvěma vodiči běžně zaslepeným otvorem v krytu průtokoměru připojit přídavný jiskrově bezpečný napájecí zdroj. Úpravu lze provést bez demontáže průtokoměru a výsledkem je buzení jeho magnetického pole nezávislé na energii v proudové smyčce.
Lze očekávat, že indukční průtokoměr napájený z baterií s životností až osm let spolehlivým a na údržbu nenáročným provozem postupně nahradí mechanické vodoměry. Nejistoty pouze ±0,5 % z měřené hodnoty dávají předpoklad pro certifikaci a použití indukčního bateriově napájeného průtokoměru jako stanoveného měřidla.
7.2 Potlačení souhlasného rušení
Souhlasné rušivé napětí ve stejné velikosti a fázi proniká na obě elektrody (resp. přívody ke vstupním svorkám zesilovače). Průnik je způsoben např. vazbou parazitními kapacitami od zdroje rušení na vstup.
Obr. 13. Příklad zapojení rozdílového zesilovače s velkou hodnotou součinitele potlačení souhlasného napětí
Jednoduše lze souhlasné rušení potlačit použitím rozdílového zesilovače s velkou vstupní impedancí a symetrickým vstupním obvodem. Zesílení napětí na elektrodách rozdílovým zesilovačem je také v souladu s náhradním obvodem zdroje napětí na elektrodách (dva symetrické zdroje napětí s uzemněným společným uzlem).
Ukázka řešení kvalitního rozdílového zesilovače, potlačujícího souhlasné rušení řádově až o 100 dB, je na obr. 13. Navazující A/D převodník je také koncipován jako rozdílový. Jde o konfiguraci principiálně odpovídající střídavě vázanému přístrojovému zesilovači.
7.3 Rušení nesprávným uzemněním
Z náhradního obvodu napětí na elektrodách plyne, že měřicí obvody průtokoměru musí být galvanicky spojeny s měřenou kapalinou. Zemnění průtokoměrů má zabránit akumulaci elektrických nábojů a vytvořit pevný vztažný potenciál měřicí soustavy. Nedokonalé uzemnění způsobuje rozdíly potenciálů mezi uzly obvodů připojenými k zemnicímu vodiči, je příčinou vzniku rušivých napětí a vede i k elektrochemickým rozkladným procesům materiálu elektrod.
Zemnění je také důležitým prostředkem pro ochranu před průtokem bludných proudů, vznikajících zejména ve větších výrobních komplexech mezi lokálními a vnějšími rozvodnými systémy.
Obr. 14. Způsoby uzemnění elektromagnetických průtokoměrů [14] (viz text, spoje měděnými vodiči o průřezu nejméně 6 mm2)
Existují tři metody zemnění průtokoměrů (obr. 14):
a) kovové měřicí neuzemněné potrubí bez výstelky má být zemněno drátem, jestliže k tomuto účelu nejsou použity zemnicí sponky na přírubách potrubí,
b) potrubí z izolantu (např. plastu) nebo trubice s izolační výstelkou je třeba na obou koncích opatřit zemnicími prstenci, které jsou v dobrém kontaktu s proudící kapalinou,
c) v potrubí s katodickou ochranou je průtokoměr zapojen jako „plovoucí“, tj. napájený z izolovaného napájecího zdroje (přes izolační transformátor) a vodivé části potrubí musí být dokonale propojeny měděným vodičem; stínění měřicí trubice je odděleno od potrubí izolačními vložkami a spojeno s referenčním potenciálem izolovaného napájecího zdroje.
Zemnicí proudy spotřebičů v okolí průtokoměru protékají i měřenou kapalinou a mohou způsobit nepřípustné zvýšení úrovně rušení na kmitočtu elektrorozvodné sítě. Doporučuje se proto připojovat průtokoměry k řídicímu systému stíněnými kroucenými vodiči se stíněním uzemněným v jednom místě (zpravidla u vstupu do měřicího obvodu), aby se zabránilo vzniku smyčky, která by tvořila cestu pro průtok zemnicích proudů po stínícím plášti. Ukazuje se však, že z hlediska rušení může být v některých případech výhodnější uzemnit stínění ve dvou bodech.
S uzemněním souvisí také stínění přívodů od elektrod k měřicímu obvodu.
7.4 Kapacitní snímání výstupního napětí senzoru
Jednou z možností je také přenášet střídavé napětí vznikající v proudící kapalině při střídavém magnetickém poli prostřednictvím kapacit mezi vodivou kapalinou a elektrodami umístěnými vně nevodivého průtočného kanálu (např. keramická měřicí trubice). Princip měření průtoku zůstává stejný jako při použití kontaktních elektrod, tj. amplituda střídavého signálu je úměrná rychlosti proudění [10]. Jedno z možných řešení ukazuje obr. 15. Kovové elektrody mohou být také umístěny mezi vrstvy keramické výstelky.
Obr. 15. Kapacitní přenos napětí senzoru
Hodnoty příslušných „vazebních„ kapacit zřejmě závisejí na ploše elektrod a na permitivitě materiálu a tloušťce stěn kanálu. Vstupní kapacita obvodu pro měření střídavého napětí na vnějších elektrodách musí být podstatně menší než vazební, jinak by poklesla amplituda užitečného signálu.
Obecně platí, že impedance kapacity mezi vodivou tekutinou a vnějšími elektrodami musí být podstatně menší než vstupní odpor zesilovače, zpravidla realizovaného s tranzistory s extrémně velkou vstupní impedancí typu MOSFET v prvním stupni (obr. 15). Z tohoto hlediska je vhodné pracovat s co největší frekvencí budicího pole.
Velká vstupní impedance zesilovače má za následek značné pronikání rušivých napětí na vstup zesilovače parazitními kapacitami ke zdrojům rušení. Proto je nutné přívody ke vstupu stínit. Kapacita stínění (koaxiálního kabelu) však vede k nepřípustnému nárůstu vstupní kapacity a k poklesu přenosu užitečného napětí na vstup zesilovače. K odstranění tohoto nedostatku je určeno aktivní stínění. Použije se kabel se stíněním zapojeným na výstup zesilovače, jak je znázorněno na obr. 16. Ke stínění kabelu je připojena také elektroda uložená uvnitř izolační vložky a obklopující měřicí elektrodu. Mezi měřicí a stínicí elektrodou je téměř nulový rozdíl potenciálů vstupních svorek zesilovače, a proto kapacitou stínění teče jen nepatrný proud.
Jak již bylo zmíněno, je největší předností kapacitně vázaných elektrod jejich separace od proudícího média. Měřicí obvody s velkou vstupní impedancí vhodné pro práci s kapacitně vázanými elektrodami umožňují měřit průtoky kapalin s vodivostí až 100krát menší, než je tomu u kontaktních elektrod.
7.5 Diagnostické postupy
K měřicím obvodům patří i postupy používané pro diagnostiku činnosti indukčních průtokoměrů. Diagnostické informace se získávají analýzou existujících užitečných signálů, vyhodnocením rušivých signálů (šumu) nebo přivedením vnějších signálů určených pouze pro diagnostické účely.
Obr. 16. Potlačení kapacity přívodního kabelu použitím aktivního stínění
Monitorováním poměru užitečného signálu a rušivých složek je možné získat informaci o přítomnosti plynových bublin v okolí elektrod, o zkratu elektrod, korozi elektrod, usazeninách na elektrodách, deformaci či porušení výstelky a o vzniku izolačních vrstev na elektrodách. Prostřednictvím vhodně zvolených testovacích signálů (např. přídavným proudem do budicích cívek) se získá informace o správné hodnotě budicího proudu, linearitě měřicích obvodů, úrovni vnějších magnetických polí apod. Krátkodobým připojením napětí na elektrody je možné měřit impedanci mezi elektrodami a z výsledků soudit na vývoj izolační vrstvy na elektrodách, porušení nebo deformaci výstelky, změny v profilu proudění, změny ve vodivosti média, částečné zaplnění potrubí či nárůst teploty média. Obdobně lze vytvořením vysokonapěťových poruch určit úroveň takto vznikajících rušivých signálů. Základem a zpravidla klíčovou podmínkou úspěchu diagnostiky je znalost dovolených hodnot měřených parametrů (často představují know-how výrobce), které jsou uloženy v paměti mikroprocesoru v průtokoměru. Tyto dovolené hodnoty jsou přizpůsobeny podmínkám dané úlohy. Výsledky diagnostických procedur v kombinaci s předchozími zkušenostmi s daným technologickým procesem umožňují uživateli včas předvídat možné problémy a najít vhodné řešení.
Dalším postupem je periodická kontrola parametrů přístroje z hlediska příslušných tolerančních mezí. K tomu se využívá injekce testovacího signálu do obvodu elektrod (např. vnějším magnetickým polem). Výsledky diagnostických procedur jsou přenášeny sběrnicí (prostřednictvím např. protokolu HART) a mohou být použity k vytištění verifikačního protokolu. Tím se odstraní časově náročná ruční verifikace.
Samozřejmou součástí diagnostických procedur jsou obvyklé testy stavu mikroprocesorů, sledu instrukcí programu, paměti, teploty zařízení a stavu všech výstupních signálů.
Číslicové zpracování signálů, použití mikropočítačů, obousměrná číslicová komunikace a komplexní diagnostika řadí moderní průtokoměry do třídy inteligentních senzorů.
7.6 Měření pulsujícího průtoku
Pulsujícím průtokem se rozumí časová změna objemového průtoku, a tedy i rychlosti proudění, jak je dvěma příklady znázorněno na obr. 17. Takováto situace nastává např. za dávkovacím čerpadlem regulátoru průtoku [15]. Jednoduše zachytit časový průběh pulsujícího průtoku by bylo možné při buzení stejnosměrným magnetickým polem, které je však z důvodu působení známých rušivých jevů v praxi téměř nepoužitelné.
Průtokoměry se střídavým magnetickým polem s harmonickým průběhem by při pulsující rychlosti poskytovaly signál odpovídající amplitudové modulaci nosné o kmitočtu budicího pole fb signálem odpovídajícím pulsujícímu průtoku. Podmínkou věrného zachycení pulsací je použití podstatně vyššího kmitočtu budicího pole, než je nejvyšší kmitočet ve spektru pulsujícího průtoku fp. Teoreticky, na základě vzorkovacího teorému, platí podmínka fb > 2fp, v praxi je ovšem s ohledem na realizovatelnost filtrů amplitudového demodulátoru nutné volit fb = 5 až 10fp.
Obr. 17. Příklady měření pulsujícího průtoku impulsním indukčním průtokoměrem [11]
Průtokoměry s impulsním magnetickým polem se v dané situaci chovají obdobně jako vzorkovací obvody a opět je podle vzorkovacího teorému nutné, aby kmitočet impulsů budicího pole (odpovídají vzorkovacím impulsům) fb splňoval teoretickou nerovnost fb > 2fp (s reálným dopadem jako v předchozím odstavci).
U většiny impulsních průtokoměrů je fb = 12 až 25 Hz, takže jsou schopny sledovat pulsace s kmitočty asi do 2,5 Hz. To ovšem platí za předpokladu úzkých impulsů a rekonstrukce vzorků kvalitní dolní propusti.
Při nižších budicích kmitočtech, širších impulsech a rekonstrukci vzorků paměťovým obvodem (zero order hold) mohou být získány „naměřené“ průběhy značně odlišné od skutečného průběhu, jak naznačuje obr. 17 a podrobněji rozebírá [11].
8. Závěr
Zpracování napětí na elektrodách indukčních průtokoměrů je mimořádně obtížné, jelikož je požadováno vyhodnocení malých užitečných signálů z elektrod za přítomnosti silného rušení (vířivé proudy, průnik napětí z obvodů pro vytváření magnetického pole) a pro měření nepříznivých podmínek (velký a proměnný odpor mezi elektrodami, parazitní jevy na elektrodách). Dosáhnout odstupu signálu od šumu vyhovujícího požadavkům na nejistotu měření je možné pouze kombinací metod koherentního zpracování signálů s úpravou časového průběhu magnetického pole tak, aby průnik rušení z obvodů generujících toto pole byl minimální. K potlačení rušivých účinků malé a proměnné vodivosti měřené tekutiny a při kapacitní vazbě elektrod je nutné použít zesilovače s velkým vstupním odporem, které jsou obzvláště náchylné k průniku rušení. Podmínkou správné činnosti průtokoměru je proto účinné stínění a zemnění. Je také třeba najít kompromis mezi obvody pomalu reagujícími s velkým potlačením rušení a rychle reagujícími, avšak s malým potlačením rušení. K dalšímu zlepšení metrologických vlastností průtokoměrů lze použít obecné číslicové metody zpracování výsledků měření. Protože jejich použití pro indukční průtokoměry nevyžaduje specifické modifikace, nejsou v příspěvku popisovány.
Literatura:
[1] ĎAĎO, S. – KREIDL, M.: Senzory a měřicí obvody. Vydavatelství ČVUT, Praha, 1999, ISBN 80-01-02057-6.
[2] ZEHNULA, K.: Převodníky fyzikálních veličin. Ediční středisko VUT, Brno, 1990.
[3] STRNAD, R.: Trendy měření průtoku. Gas s. r. o., 2004.
[4] STAUSS, T.: Flow Handbook. Endress+Hauser, 2. vydání, 2004.
[5] KOMP, P.: Magneticko-indukční průtokoměr napájený z proudové smyčky. Automa, 2001, roč. 7, č. 2, s. 32–36.
[6] RIPKA, P. – TIPEK, A.: Master Book on Sensors, part B. Leonardo da Vinci project: Modular Courses on Modern Sensors, Fakulta elektrotechnická ČVUT, 2003.
[7] ĎAĎO, S. – VEDRAL, J.: Číslicové měření, přístroje a metody. Vydavatelství ČVUT, 2002.
[8] SÚCHOP, A.: Indukční převodník a jeho možnosti. In: Průtok 95, sborník příspěvků, Tech-Market, Praha, 1995, s. 61–66.
[9] ĎAĎO, S.: Měřicí obvody pro indukční průtokoměry (část 1). Automa, 2005, roč. 11, č. 11, s. 41–45.
[10] RICHTER, A: Indukční měření průtoku kapalin – současný stav teorie a praxe. In: Měření průtoku ’99, sborník příspěvků, Tech-Market, Praha, 1999, s. 58–63, ISBN 80-86114-26-0.
[11] DUDA, L.: Měření pulsujícího průtoku magneticko-indukčními průtokoměry. Automa, 2002, roč. 8, s. 52–53.
[12] Flow and level measurement. Transactions in Measurement and Control, vol. 4., Library Reference Edition Omega Engineering, Inc., 2003.
[13] DOEBELIN, E. O.: Measurement Systems Application and Design. Mc Graw-Hill, New York, 1990.
[14] Flow Handbook. Endress + Hauser Flowtec AG, Reinbach, 2004, ISBN 3-9520220-4-7
[15] NUC, L.: Technika dávkování vstupuje do 21. století. Automa, 2002, roč. 8, č. 2, s. 44–45.
[16] BAU, H. H. – DE ROOIJ, N. F. – KLOECK, B.: Mechanical Sensors. Sensors: a Comprehensive Survey, vol. 7, VCH Verlagsgeselschaft, Weinheim, 1994.
[17] JENČÍK, J. – VOLF, J.: Technická měření. Vydavatelství ČVUT, Praha, 2003.
[18] KESSNER, P.: Indukční průtokoměry Meatest M900, M910. Automa, 2003, roč. 9, č. 12, s. 21.
[19] ZEHNULA, K.: Snímače neelektrických veličin. SNTL, Praha, 1986.
Poděkování
Příspěvek vznikl v rámci výzkumného záměru Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze J04/98:210000015 Výzkum nových metod pro měřením fyzikálních veličin a jejich aplikace v přístrojové technice.
prof. Ing. Stanislav Ďaďo, DrSc.,
Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze
(dado@fel.cvut.cz)
Lektoroval: doc. Ing. Ludvík Bejček, CSc.
Prof. Ing. Stanislav Ďaďo, DrSc., je absolventem Fakulty radiotechniky ČVUT v Poděbradech. Věnuje se měření neelektrických veličin – senzorice, použití číslicových metod zpracování signálů v měření a metodám potlačování rušivých signálů. Přednáší na Elektrotechnické fakultě ČVUT na katedře měření. Několik let působil na zahraničních vysokých školách (Velká Británie, Egypt, USA). Je autorem a spoluautorem desítek odborných publikací, příspěvků na konferencích, vysokoškolských skript a dvou knih z oblasti měření. Je členem Národního komitétu IMEKO a předsedou komisí pro Státní závěrečné zkoušky na elektrotechnických fakultách v Praze a Brně.
|