Моделирование генераторной катушки кориолисового массового расходомера

THE MODEL OF GENERATOR COIL FOR CORIOLIS MASS FLOWMETER

Anatoly Kravchenko

Graduate student, South Ural State University, Russia, Chelyabinsk

Lev Kazarinov

Doctor of Science, Professor, Head of Department of Automation and Control,  South Ural State University, Russia, Chelyabinsk

Аннотация. В статье рассматривается контур формирования и поддержания резонансной частоты кориолисового массового расходомера. Предлагается конечно-элементная модель магнитной системы кориолисового расходомера (генераторная катушка и магнит). Проведено сравнение модели с опытными образцами. Определено положение магнита, при котором сила притяжения магнита к катушке максимальна.

Abstract. Control system of frequency of Coriolis mass flowmeter is considered in the paper. A finite element model of the magnetic system of Coriolis flowmeter is proposed. The model is verified. The position of the magnet at which the force of coil is maximum is found.

Ключевые слова: кориолисовый расходомер; моделирование; Ansys Maxwell; система управления.

Keyword: Coriolis flowmeter; modelling; Ansys Maxwell; control system.

В последнее время, всё большую популярность приобретают кориолисовые массовые расходомеры. Их основным преимуществом является высокая точность измерения (погрешность измерения до 0,1 %), широкий динамический диапазон (отношение максимального измеряемого расхода к минимальному), возможность измерение расхода вне зависимости от направления потока (например, при работе на слив и налив нефтепродуктов) и отсутствие требований к длине прямых участков до расходмера.

К недостаткам кориолисового расходомера можно отнести сложность работы при наличии в среде газовых включений, а также при работе с многофазной средой. Нивелировать данные недостатки можно путем увеличения точности управления. В связи с тем, что расходомер является сложной системой, целесообразен подход, при котором рассматривается не весь объект, а его подсистемы.

Данная статья посвящена рассмотрению задачи управления контуром формирования и поддержания частоты, а также вопросу создания модели магнитной системы кориолисового расходомера.

Кориолисовый расходомер состоит из электронного преобразователя, осуществляющего математические вычисления. Корпуса прибора, включающего фланцы для присоединения к трубопроводу, делитель потока, две измерительные трубки и защитного кожуха. На измерительные трубки устанавливается магнитная система и датчик температуры. Магнитная система состоит из одной генераторной катушке с магнитом и двух сенсорных катушек с магнитом. Принцип действия кориолисового расходомера рассматривается в книге [2].

Рисунок 1. Система управления контуром поддержанием частоты

Задачей контура поддержания частоты является поддержание гармонических колебаний измерительных трубок массомера на собственных резонансных частотах. Резонансная частота трубок изменяется под действие различных факторов. В первую очередь это масса трубок (в следствии прохождения измеряемой среды), температура, вязкость и т.д. Контур формирования и поддержания частоты является следящей системой. В цепи обратной связи контура находится одна из сенсорных катушек магнитной системы.

Электронный преобразователь кориолисового расходомера включает в себя микроконтроллер, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) –усилитель сигнала, барьер искрозащиты и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Более подробно рассмотрим алгоритм работы системы управления.

В микроконтроллере устанавливается уставка уровня сигнала на генераторной катушке, программа сравнивает сигнал, поступающий с АЦП и уставку, на основании полученного значения микроконтроллер формирует управляющее воздействие посредствам регулятора, управляющее воздействие подается на ЦАП, формирующий синусоидальный сигнал.

ЦАП микроконтроллера не может сформировать сигнал требуемой амплитуды, поэтому в схеме используется усилитель сигнала. Усиленный сигнал подается на катушку, через барьер искрозащиты. Целью барьера искрозащиты является ограничение тока до требуемого уровня. Генераторная катушка приводит в движение измерительные трубки. Под действием силы Лоренса на сенсорной катушке формируется синусоидальное напряжение с частотой, равной частоте резонанса. Напряжение через барьер искрозащиты поступает на АЦП, который цифрует полученный сигнал и сравнивает с уставкой.

Кориолисовый массовый расходомер является сложной системой. Поэтому

Для задачи определения силы, с которой катушка воздействует на магнит создана конечно-элементная модель генераторной подсистемы расходомера. Целью данной модели является определение силы взаимодействия магнита и катушки. Исследование изменения силы при различных внешних воздействиях. Кроме того, полученная модель необходимо для создания полноценной модели контура управления кориолисового массового расходомера. 

Модель построена в программном пакете Ansys Maxwell. Расчёт проводился для нестационарного магнитного поля, задача решалась в двух вариантах: осесимметричное построение относительно оси Z, на основе осесимметричной была создана 3D модель. В качестве объекта моделирования выбран кориолисовый массовый расходомер с уловным диаметром прохода 25 мм.

Модель построена с учетом электрической схемы замещения. Внешнее воздействие задавалось при помощи источника переменного напряжения (v1) с частотой, равной резонансной частоте измерительных трубок. Общий вид модели с учетом схемы замещения представлен на рисунке 2. Резисторы R2, R3 являются токоограничивающими и замещают барьер искрозащиты. Резистор R1 – собственное активное сопротивление катушки индуктивности. Катушка LWinding1  - конечно-элементная модель системы магнит-катушка.

Рисунок 2. Схема замещения подконтура генерации и поддержания частоты

Конечно-элементная модель рассчитана исходя из геометрических характеристик магнита и корпуса катушки индуктивности. Расчет количества витков катушки, её активного сопротивления и индуктивности были произведены в модели. В качестве материала намотки используется медная проволока. Для магнита задана коэрцитивная сила и относительная магнитная проницаемость. Магнит перемещается вдоль оси Z. Общий вид модели для осесимметричной и трехмерной постановки задачи представлены на рисунке 3.

Модель верифицирована с несколькими опытными образцами магнитной системы. Погрешность по количеству витков составляет не более 4%, по сопротивлению и индуктивности не более 2%. Таким образом, можно сказать, что полученная модель с высокой точностью советует опытным образцам магнитной системы кориолисового массового расходомера.

Рисунок 3. Осисеметричная (справа) и трехмерная (слева) постановки задачи

Полученная модель позволила провести ряд экспериментов. Рассчитан магнитный поток через катушку. Получены значения силы, с которой катушка притягивает магнит. Определено положение магнита, при котором данная сила максимальна (рисунок 4). Так же исследовано изменение силы при увеличении диаметра магнита (рисунок 5).

Рисунок 4. Изменение силы при изменении положения магнита

Рисунок 5. Изменение силы при увеличении диаметра магнита

Таким образом, полученная модель с высокой точностью повторяет опытные образцы. Полученные значения силы притяжения магнита к катушке в дальнейшем планируется верифицировать на опытных образцах. Так же полученная значения силы могут быть применены при моделирование сенсорной катушки и полной модели кориолисового массового расходомера.