УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК B01D37/04 

Изобретение относится к устройствам управления процессом фильтрования и может быть использовано при очистке жидких сред в пищевой, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Известно устройство [1] в котором реализован способ управления процессом фильтрования путем регулирования расхода фильтрата в зависимости от его качества на выходе фильтра и прекращения операции фильтрования при достижении показателем качества фильтрования заданного значения. Такое устройство содержит фильтр, загруженный зернистым слоем, запорную арматуру, анализатор показателя качества фильтрата, соединенный с преобразователем, подключенным к дифференциатору, задающий и измерительный блоки, выход измерительного блока соединен со входом регулятора, выходной сигнал с которого через другой преобразователь воздействует на регулирующую арматуру, изменяя расход некондиционного фильтрата, отводимого из пристеночной зоны фильтра, и поддерживая тем самым требуемое значение показателя качества фильтрации.

Недостатком такого устройства является сложность оборудования, обусловленная большим количеством входящих в него конструктивных блоков и элементов, а также сложностью анализатора показателя качества фильтрата, в качестве которого используют кондуктометры, анализаторы с ионоселективными электродами, фотоэлектрические колориметры и др.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является известное устройство автоматического управления процессом фильтрации жидкости [2] содержащее фильтр со входным и выходным трубопроводами, на входном трубопроводе установлен клапан, исполнительный механизм которого связан с регулятором, датчики проводимости, элемент сравнения и манометр.

Очищаемую жидкость по трубопроводу подают через клапан на фильтр. Очищенная жидкость проходит сужающее устройство, по перепаду давлений на котором с помощью регулятора и клапана регулируют скорость фильтрации. Пробу фильтрата через отбор и вентиль подают на эталонную ячейку. С помощью встроенных в ячейку никелевых электродов (датчики проводимости) контролируют потенциал. Сигнал с электродов подают на потенциометр, который выполняет функции элемента сравнения, а с выхода потенциометр, который выполняет функции элемента сравнения, а с выхода потенциометра сигнал подают на регулятор, который воздействует на исполнительный механизм клапана.

Недостатком такого устройства является сложность, обусловленная необходимостью наличия эталонной ячейки с загрузкой, идентичной загрузке фильтра, а также необходимостью поддерживания постоянного перепада давления на эталонной ячейке, что требует наличия манометра.

Указанный недостаток устраняется в устройстве атоматического управления процессом фильтрации жидкости, содержащем фильтр со входным и выходным трубопроводами, на входном трубопроводе установлен регулирующий клапан, подвижный элемент которого связан через исполнительный механизм с регулятором, датчики проводимости и элемент сравнения, тем, что оно содержит пороговый элемент, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), элементы НЕ, элементы И, демодуляторы, формирователь импульсов, управляемый делитель частоты, реверсивный счетчик импульсов, вычислительный блок, блок усилителей мощности и концевые переключатели, связанные с исполнительным механизмом.

Датчики проводимости установлены на входном и выходном трубопроводах фильтра, входы датчиков проводимости подключены к клеммам источника переменного напряжения, а выходы соединены со входами демодуляторов, выходы которых подключены ко входам элемента сравнения, выполненного в виде дифференциального усилителя, выход которого подключен ко входу АЦП и к первому входу порогового элемента, второй вход которого соединен с клеммой источника порогового напряжения, а выход со входом первого элемента НЕ, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго элемента НЕ, вход которого подключен к подвижному контакту первого концевого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом второго концевого переключателя и с шиной логического О устройства, выход порогового элемента подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с подвижным контактом второго концевого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом первого концевого переключателя и с шиной логической 1 устройства.

Одна из клемм источника переменного напряжения подключена ко входу формирователя импульсов, выход которого соединен со входом управляемого делителя частоты, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И, выходы которых подключены ко входам реверсивного счетчика импульсов и входам блока усилителей мощности, выходы которого соединены со входами регулятора, выполненного в виде реверсивного шагового двигателя, выходы АЦП подключены к первой группу входов вычислительного блока, вторая группа входов которого соединена с выходами реверсивного счетчика импульсов, а выходы вычислительного блока подключены к установочным входам управляемого делителя частоты, а также тем, что устройство содержит индикатор истощения фильтра, выполненный, например, в виде светодиода, и третий элемент И, входы которого соединены соответственно с выходами первого элемента НЕ и со входом второго элемента НЕ, а выход с одним из выводов светодиода, второй вывод которого подключен к шине общего потенциала устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства.

Устройство автоматического управления процессом фильтрации содержит фильтр 1 (угольный, катионитовый или др.), входной трубопровод 2 выходной трубопровод 3, на которых установлены датчики проводимости 4 и 5, соединенные своими входами со входами демодуляторов 6 и 7, выходы которых подключены к прямому и инверсному входам дифференциального усилителя 8, выход которого подключен к одному из входов порогового элемента 9, другой вход которого соединен с клеммой 10 источника порогового напряжения (на чертеже не показан).

Устройство содержит также первый 11 и второй 12 элементы НЕ, первый 13, второй 14 и третий 15 элементы И, индикатор истощения фильтра светодиод 16, первый и второй концевые переключатели 17 и 18, формирователь импульсов 19 и управляемый делитель частоты 20.

На входном трубопроводе 2 установлен регулирующий клапан 21, подвижный элемент которого связан с исполнительным механизмом 22, в качестве которого может использоваться, например, червячный редуктор, механически связанный, в свою очередь, с валом шагового реверсивного двигателя 23, входы которого подключены к блоку 24 усилителей мощности.

Выход порогового элемента 9 соединен с первым входом второго элемента И 14 и со входом первого элемента НЕ 11, выход которого подключен к первому входу третьего элемента И 15 и к первому входу первого элемента И 13.

Второй вход первого элемента 13 соединен с выходом второго элемента НЕ 2, вход которого подключен к подвижному контакту первого концевого переключателя 17 и ко второму входу третьего элемента И 15, выход которого соединен с одним из выводов светодиода 16, второй вывод которого подключен к шине общего потенциала устройства.

На чертеже изображено исходное состояние подвижных контактов концевых переключателей 17 и 18, при котором подвижных контакт переключателя 17 подключен к шине логического О, а подвижный контакт переключателя 18 к шине логической 1.

Кроме того устройство содержит реверсивный счетчик 25 импульсов, выходы которого подключены к выходам элементов И 13 и 14, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 26, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 8, и вычислительный блок 27.

Выходы АЦП 26 подключены к первой группе входов вычислительного блока 27, вторая группа входов которого соединена с выходами реверсивного счетчика 25.

Выходы вычислительного блока 27 подключены к установочным входам управляемого делителя частоты 20.

Датчики 4 и 5 проводимости представляют собой цилиндрические электропроводящие стержни, расположенные на электроизолирующих элементах (на чертеже не показаны) во входном и выходном трубопроводах 2 и 3 и последовательно соединенные через эталонные нагрузочные сопротивления (на чертеже не показаны) с одной из клемм 28 низковольтного источника переменного напряжения (на чертеже не показан). Эта же клемма подключена ко входу формирователя импульсов 19, выход которого соединен с третьими входами элементов И 13 и 14.

Другая клемма 28 подключена непосредственно к трубопроводу и соединена с шиной общего потенциала устройства. Шины логической 1 и логического 0 обозначены позициями 29 и 30.

Выходные сигналы с датчиков проводимости 4 и 5 снимаются непосредственно с эталонных сопротивлений и подаются на входы демодуляторов 6 и 7, которые являются преобразователями переменного сигнала в постоянный уровень.

Дифференциальный усилитель 8 выполнен на операционном усилителе, имеет прямой и инверсный входы и предназначен для вычитания уровней сигналов, поступающих с демодуляторов 6 и 7.

Пороговый элемент 9 предназначен для сравнения величины разностного сигнала ΔU с выхода дифференциального усилителя 8 с пороговым значением сигнала U_пор., поступающего с клеммы 10.

Реверсивный шаговый двигатель 23 имеет два входа (суммирующий и вычитающий). При поступлении импульсных сигналов на один из входов вал двигателя вращается в соответствующем направлении (по часовой или против часовой стрелки).

Концевые переключатели 17 и 18 предназначены для фиксации крайних положений подвижного элемента регулирующего вентиля 21, в одном из которых полностью закрыт, а в другом находится в максимально открытом состоянии.

Формирователь импульсов 19 предназначен для формирования импульсов прямоугольной формы из низковольтного переменного напряжения, поступающего на его вход.

Управляемый делитель частоты 20 является цифровым счетчиком и предназначен для деления частот сигнала, поступающего на его вход от формирователя импульсов 19.

Реверсивный счетчик 25 импульсов предназначен для подсчета количества импульсов, поступающих на суммирующий и вычитающий входы реверсивного шагового двигателя 23.

Аналого-цифровой преобразователь 26 служит для преобразования разностного сигнала ΔU с выхода дифференциального усилителя 8 в цифровой код.

Блок 27 служит для управления делителем частоты 20.

Цифровой код, формируемый на выходе этого блока является функцией двух переменных кода, поступающего с выходов реверсивного счетчика импульсов 25 и кода, поступающего с выходов АЦП 26.

В простейшем случае блок 27 реализует перемножение двух указанных величин, т.е. является цифровым умножителем.

Цифровой код, формируемый на выходе вычислительного блока 27 используется для задания коэффициента деления управляемого делителя частоты 20.

Для реализации более сложной функции управления в качестве блока 27 без изменения структурной схемы предлагаемого устройства может быть использован компьютер, который может одновременно решать и другие задачи управления в системе, в которой используется фильтр 1.

Светодиод 16 служит для индикации состояния фильтра, при котором он не обеспечивает необходимой степени фильтрации жидкости даже при низких значениях скорости потока фильтруемой жидкости.

Устройство работает следующим образом.

Принцип действия устройства состоит в поддержании максимально возможной скорости потока жидкости, пропускаемой через фильтр, с обеспечением заданной степени фильтрации жидкости.

Предлагаемое устройство предназначено для фильтрации жидкостей, содержащих электропроводящие компоненты (растворы солей, слабых кислот и др.), которые должны задерживаться фильтрующим материалом фильтра 1 (например, активированным углем, катионитами и др. веществами).

В исходном состоянии регулирующий клапан 21 находится в среднем положении, в реверсивном счетчике импульсов 25 записан код, соответствующий среднему положению клапана 21 (средства установки клапана в среднее положение и начальной записи кода в реверсивный счетчик 25 на чертеже не показаны).

Через гидравлическую систему трубопровод 2- регулирующий клапан 21 - датчик 5 фильтр 1 датчик 4 трубопровод 3 проходит поток фильтруемой жидкости со средней скоростью.

При этом концевые переключатели 17 и 18 находятся в состоянии, указанном на чертеже.

Активное вещество фильтра 1 задерживает солесодержание компоненты, содержащиеся в фильтруемой жидкости, уменьшая, тем самым, электропроводность жидкости, прошедшей фильтрацию, в выходном трубопроводе 3 по отношению к электропроводности жидкости на входе фильтра 1.

С выходов датчиков проводимости 4 и 5 на входы демодуляторов 6 и 7 поступают переменные сигналы различного уровня, которые преобразуются демодуляторами 6 и 7 в сигналы постоянных уровней U₆ и U₇, причем U₆ < U₇. Эти сигналя поступают далее на входы дифференциального усилителя 8, на выходе которого формируется разностный сигнал ΔU.

Указанный сигнал поступает на первый вход порогового элемента 9, на второй вход которого с клеммы 10 поступает сигнал порогового уровня U_пор., который соответствует такой степени ξ фильтрации жидкости, которая несколько выше минимально допустимой степени x_min фильтрации.

Если выполняется условие ΔU > U_пор., то на выходе порогового элемента формируется уровень логической 1, который поступает на первый входвторого элемента И 14, открывая его. Одновременно с этим с первого элемента НЕ 11 на первый вход первого элемента И 13 будет поступать сигнал логического 0, закрывая его.

С концевого переключателя 18 на второй вход второго элемента И 14 также будет поступать сигнал логической 1, поддерживая элемент И 14 в открытом состоянии.

Сигнал переменного напряжения с одной из клемм 6 поступает на вход формирователя импульсов 19, на выходе которого формируется серия импульсов прямоугольной формы, поступающая далее на вход делителя частоты 20, на выходе которого формируются импульсы низкой частоты, поступающие на третьи входы элементов И 13 и 14.

Одновременно с этим, разностный сигнал ΔU с выхода дифференциального усилителя 8 поступает на вход АЦП 26, который преобразует абсолютную величину ΔU в параллельный цифровой код (при использовании в качестве управляющего функции произведения двух величин знаковый разряд на выходе АЦП, работающем в двухполярном режиме преобразования, не используется).

Параллельный цифровой код с выхода АЦП 26 поступает на первую группу входов которого поступает цифровой код с выходов реверсивного счетчика импульсов 25.

Вычислительный блок 27 осуществляет перемножение цифрового кода величины ΔU и цифрового кода степени открытия регулирующего клапана 21 и формирование на своем выходе цифрового кода, поступающего на установочные входы делителя частоты 20, задавая тем самым, необходимый коэффициент деления.

Работа вычислительного блока 27 осуществляется по программе, записанной в постоянной памяти блока (на чертеже не показан).

Следовательно, коэффициент деления делителя частоты 20 будет зависеть как от величины ΔU, так и от положения подвижного элемента регулирующего клапана 21 (степени его открытия).

Поскольку второй элемент И 14 находится в открытом состоянии, то импульсы с его выхода будут поступать на первый вход блока усилителей мощности 24 и далее на суммирующий вход шагового реверсивного двигателя 23, который через исполнительный механизм 22 воздействует на подвижный элемент регулирующего клапана 21, еще больше открывая его.

Частота следования импульсов с выхода делителя частоты 20 задается цифровым кодом с выхода вычислительного блока 27 с учетом объема и пропускной способности фильтра 1 для того, чтобы время реакции электронной и механической частей устройства были согласованы со временем протекания физико-химических процессов в фильтре 1 и изменение информационного сигнала с датчика проводимости 4 было адекватным воздействию исполнительного механизма 22 на регулирующий клапан 21.

При этом скорость потока фильтруемой жидкости, проходящей через фильтр 1 увеличивается, время пребывания жидкости в фильтре 1 уменьшается, а значит уменьшается и степень фильтрации.

Уровень сигнала ΔU на выходе дифференциального усилителя 8 начинает медленно уменьшаться до тех пор, пока неравенство ΔU > U_пор. не изменится на противоположное.

В этот момент будет достигнута максимально возможная скорость потока жидкости через фильтр при заданной степени фильтрации.

При этом на выходе порогового элемента 9 будет сигнал логического 0, который закроет второй элемент И 14 по первому входу, а первый элемент 13 откроется, так как на его первый вход с выхода первого элемента НЕ 11 будет поступать сигнал логической 1.

На второй вход первого элемента И 13 с выхода второго элемента НЕ 12 также будет поступать сигнал логической 1, поддерживания элемент И 13 в открытом состоянии, так как на вход элемента НЕ 12 с концевого переключателя 17 поступает сигнал логического 0.

Поскольку импульсные сигналы с выхода делителя частоты 20 поступают на третий вход первого элемента И 13, то импульсы с его выхода поступают на второй вход блока 24 усилителей мощности, с выхода которого на вычитающий вход шагового реверсивного двигателя 23, заставляя его через исполнительный механизм 22 поворачивать подвижный элемент регулирующего клапана в обратную сторону, медленного закрывая его.

При этом скорость потока фильтруемой жидкости через фильтр 1 уменьшается, время нахождения жидкости в фильтре увеличивается степень фильтрации жидкости повышается, сигнал на выходе датчика проводимости 4 увеличивается и неравенство ΔU > U_пор. вновь начинается выполняться.

Далее процесс повторяется в описанной выше последовательности.

Скорость открывания (закрывания) регулирующего клапана 21 будет различной в зависимости от абсолютной величины разностного сигнала ΔU и степени открытия клапана 2. Тем самым повышается устойчивость устройства при автоматическом регулировании.

Таким образом, в процессе работы устройства обеспечивается отслеживание достигаемой степени фильтрации жидкости с установкой максимально возможной скорости ее потока через фильтр 1.

Работа исполнительного устройства в крайних положениях подвижного элемента регулирующего клапана 21 требует контроля для того, чтобы шаговый реверсивный двигатель прекращал свою работу при полном закрытии или полном открытии клапана 21.

Для этого служат концевые переключатели 17 и 18.

При полном открытии клапана 21 исполнительный механизм 22 переводит концевой переключатель 18 в состояние, противоположное изображенному на чертеже.

При этом сигнал логического 0, поступая на второй вход второго элемента И 14, закрывает его и прекращается поступление импульсов на суммирующий вход шагового двигателя 22 до тех пор, пока при максимальной скорости мотора жидкости через фильтр 1 вновь не будет выполняться условие, обратное ΔU > U_пор.
Таким образом, в процессе работы устройства обеспечивается отслеживание достигаемой степени фильтрации жидкости с установкой максимально возможной скорости пропускания ее потока через фильтр 1.

При максимальном закрытии клапана 21 исполнительный механизм 22 переводит концевой переключатель 17 в состояние, противоположное изображенному на чертеже.

При этом на второй вход первого элемента 13 будет поступать сигнал логического 0, так как на вход первого элемента НЕ 12 с переключателя 17 будет поступать сигнал логической 1. Элемент И 12 закрывается и прекращается поступление импульсов на вычитающий вход шагового реверсивного двигателя 23.

Одновременно с этим сигнал логической 1 поступает на второй вход третьего элемента И 15, на первый вход которого также поступает сигнал логической 1 (на входе первого элемента НЕ 11 сигнал логического 0, так как в этом случае неравенство ΔU > U_пор. не выполняется даже при минимальной скорости потока жидкости через фильтр 1), элемент И 15 открывается и включает светодиод 16, который сигнализирует о том, что фильтр 1 не обеспечивает необходимой степени фильтрации и требуется замена или регенерация фильтрующей среды.

Предлагаемое устройство проще в изготовлении и не требует для своей реализации дорогостоящий и дефицитных деталей и узлов.

Датчики проводимости 4 и 5 и регулирующий клапан 21 монтируются непосредственно на трубопроводах 2 и 3.

Исполнительный механизм 22 может быть выполнен в виде редуктора с червячной передачей, реверсивный шаговый двигатель с раздельными управляющими обмотками, в качестве элементов 17 и 18 используются микропереключатели.

Элементы НЕ 11, 12, элементы И 13, 14, 15, реверсивный счетчик 25, вычислительный блок 27, управляемый делитель частоты 20, дифференциальный усилитель 8, демодуляторы 6 и 7, пороговый элемент 9 и формирователь импульсов 19 являются стандартными элементами и узлами цифровой и аналого-цифровой вычислительной техники.

АЦП 26 выполнен на основе микросхемы К1108ПВ1, вычислительный блок 27 в простейшем случае может быть выполнен на микросхемах КР580ВМ80А (процессор) и К573РФ81А (программируемое запоминающее устройство).

Использование предлагаемого устройства позволяет автоматически поддерживать заданное качество фильтрования с максимально возможной скоростью потока фильтруемой жидкости.

Предлагаемое устройство было испытано в промышленных условиях в системе водоподготовки и показало высокую надежность в эксплуатации.

Источники информации:
1. Авт.св. СССР N 1194462, кл 5 B 01 D 37/04, опкблик. 1985.

2. Авт.св. СССР N 965474, кл. 5 B 01 D 37/04, опублик. 1982 прототип.

Использование: в пищевой, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: устройство содержит фильтр, на входном трубопроводе которого установлен регулирующий клапан, связанный с исполнительным механизмом, реверсивный шаговый двигатель, датчики проводимости, установленные на входном и выходном трубопроводах, дифференциальный усилитель, пороговый элемент, элементы НЕ, элементы И, формирователь импульсов, аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик импульсов, вычислительный блок, блок усилителей мощности, светодиод и концевые переключатели. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство автоматического управления процессом фильтрации жидкости, содержащее фильтр с входным и выходным трубопроводами, на входном трубопроводе установлен регулирующий клапан, подвижный элемент которого связан через исполнительный механизм с регулятором, датчики проводимости и элемент сравнения, отличающееся тем, что оно содержит пороговый элемент, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), элементы НЕ, элементы И, демодуляторы, формирователь импульсов, управляемый делитель частоты, реверсивный счетчик импульсов, вычислительный блок, блок усилителей мощности и концевые переключатели, связанные с исполнительным механизмом, датчики проводимости установлены на входном и выходном трубопроводах фильтра, входы датчиков проводимости подключены к клеммам источника переменного напряжения, а выходы соединены с входами демодуляторов, выходы которых подключены к входам элемента сравнения, выполненного в виде дифференциального усилителя, выход которого подключен к входу АЦП и к первому входу порогового элемента, второй вход которого соединен с клеммой источника порогового напряжения, а выход с входом первого элемента НЕ, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго элемента НЕ, вход которого подключен к подвижному контакту первого концевого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с вторым неподвижным контактом второго концевого переключателя и с шиной логического "0" устройства, выход порогового элемента подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с подвижным контактом второго концевого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с вторым неподвижным контактом первого концевого переключателя и с шиной логической "1" устройства, одна из клемм источника переменного напряжения подключена к входу формирователя импульсов, выход которого соединен с входом управляемого делителя частоты, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И, выходы которых подключены к входам реверсивного счетчика импульсов и входам блока усилителей мощности, выходы которого соединены с входами регулятора, выполненного в виде реверсивного шагового двигателя, выходы АЦП подключены к первой группе входов вычислительного блока, вторая группа входов которого соединена с выходами реверсивного счетчика импульсов, а выходы вычислительного блока подключены к установочным входам управляемого делителя частоты. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит индикатор истощения фильтра, выполненный, например, в виде светодиода, и третий элемент И, входы которого соединены соответственно с выходом первого элемента НЕ и с входом второго элемента НЕ, а выход с одним из выводов светодиода, второй вывод которого подключен к шине общего потенциала устройства.