УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСОВОГО РАСХОДА И ВЕСОВОГО ДОЗИРОВАНИЯ ЖИДКИХ ФЛОТАЦИОННЫХ РЕАГЕНТОВ (ВЕСОВОЙ РАСХОДОМЕР/ДОЗАТОР ЖИДКОСТИ) Российский патент 2014 года по МПК G01F13/00 

Предлагаемое изобретение относится к области автоматизации производственных процессов, в частности к устройствам измерения и дозирования жидких флотационных реагентов при флотации руд цветных металлов.

Известно устройство для дозирования жидких реагентов (варианты) [1]. Недостатком устройств [1] является их сложность ввиду наличия подвижных частей и ограниченные функциональные возможности.

Известно устройство [2] для измерения расхода жидких реагентов, содержащее напорный бак, мерный сосуд, внутри которого перемещается поршень, входной и выходной переключающие клапаны. Недостатком устройства [2] является его сложность ввиду наличия подвижных частей, дискретность измерения расхода и ограниченные функциональные устройства.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом предлагаемого устройства является устройство [2].

Целью предлагаемого изобретения является упрощение устройства [2] и расширение его функциональных возможностей. Это достигается тем, что в устройство [2] введен расходный бак, оснащенный датчиком верхнего уровня реагента и измерительным буйком, соединенным тягой с тензометрическим датчиком; расходный бак оснащен входным и выходным клапанами для реагента, выход датчика верхнего уровня реагента в расходном баке и выход тензометрического датчика силы подключены к соответствующим входам микроконтроллера, а управляющие входы упомянутых клапанов подключены к первому и второму управляющим выходам микроконтроллера.

На чертеже представлено предлагаемое устройство, на котором изображаются:

1 - расходный бак,

2 - реагент,

3 - входной клапан,

4 - входной трубопровод,

5 - дроссельное отверстие,

6 - датчик верхнего уровня реагента,

6.1 - чувствительный элемент датчика верхнего уровня реагента,

7 - тензометрический датчик силы,

8 - соединительная тяга,

9 - измерительный буек,

10 - выходной клапан,

10.1 - выходной трубопровод,

11 - микроконтроллер (вычислительно-управляющее устройство),

11.1 - дисплей,

11.2 - клавиатура,

12 - электрическая цепь первого управляющего сигнала микроконтроллера,

13 - электрическая цепь первого входного сигнала микроконтроллера,

14 - электрическая цепь второго входного сигнала микроконтроллера,

15 - цифровой канал связи микроконтроллера,

16 - электрическая цепь второго управляющего сигнала микроконтроллера.

Предлагаемое устройство работает под управлением микроконтроллера 11. Расходный бак 1 оснащен дроссельным отверстием 5, которое служит для поддержания давления воздуха внутри бака равным внешнему давлению.

Для выполнения функций измерения весового расхода и весового дозирования микроконтроллер 11 оснащен блоками программ, использующих следующие константы:

P - вес буйка,

Sб - поперечное сечение буйка,

Lo - длина измерительного буйка,

So - поперечное сечение измерительной части расходного бака,

dтp - удельный вес твердого реагента,

dж - удельный вес жидкости, в которой растворен твердый реагент,

ΔT - временной интервал измерения h(t) для составления таблицы соответствия h(t) и Qv(t).

Вычисляемыми являются следующие величины:

Vб - объем измерительного буйка,

do - удельный вес реагента,

Sэ - эффективное сечение расходного бака,

Lp - длина измерительного буйка, погруженная в реагент,

h(t) - расстояние чувствительного элемента датчика верхнего уровня реагента до поверхности реагента,

Qv(t) - объемный расход реагента,

C - весовая концентрация твердого (стопроцентного) реагента в жидком реагенте.

Для вычисления указанных величин используются следующие соотношения:

$$V_{б}=Lо*Sб(1),$$

$$dо=\left(P-Fт\right)/Vб(2)$$ ,

$$h\left(t\right)=Lо-Lр(3)$$ .

Из соотношения сил, действующих на измерительный буек, находящийся в реагенте, справедливо соотношение:

$$P=F_{А}+Fт(4)$$ ,

где Fт - сила натяжения соединительной тяги (сигнал тензометрического датчика силы). F_А - выталкивающая сила, действующая на измерительный буек,

$$F_{А}=Lр*Sб*dо(5)$$ .

Из выражений 3, 4 и 5 следует

$$h\left(t\right)=Lо-\left(P-Fт\right)/\left(Sб*dо\right)(6)$$ .

Объем ΔV жидкости, вытекающей из расходного бака при закрытом входном клапане, определяется выражением:

$$\Delta V=\Delta h\left(t\right)*Sэ(7)$$ ,

где Δh(t) - изменение величины h(t) за промежуток времени ΔT.

Объемный расход Qv(t) жидкости из расходного бака определяется производной

Qv(t)=dV/dt.

Таким образом, с учетом (6) и (7)

$$Qv\left(t\right)=\left(dFт/dт*S_{э}\right)/\left(Sб*dо\right)(8)$$ .

Заменяя дифференцирование отношением конечных приращений, получим

$$Qv\left(t\right)=\left\{\left(\Delta Fт/\Delta Т\right)*S_{э}\right\}/\left(Sб*dо\right)(8а)$$ ,

где ΔFт и ΔT - изменение силы натяжения соединительной тяги и интервал времени, за который произошло изменение этой силы.

Весовой расход Qw(t) жидкого реагента определяется соотношением

$$Qw\left(t\right)=dо*Qv\left(t\right)(10)$$ .

Весовой расход Qтр(t) твердого реагента, находящегося в жидком реагенте, определяется соотношением

$$Qтр\left(t\right)=dо*Qv\left(t\right)*C(11)$$ ,

где $$C=\left(dтр/dо\right)*\left\{\left(dо-dж\right)/\left(dтр-dж\right)\right\}(12)$$ .

С учетом (12) соотношение (11) выражается соотношением:

$$Qтр\left(t\right)=Qv\left(t\right)*dтр*\left\{\left(dо-dж\right)/\left(dтр-dж\right)\right\}(11а).$$

Предлагаемое устройство реализует следующие функции:

- весового расходомера входного реагента,

- весового расходомера выходного реагента

- весового непрерывного дозатора,

- весового импульсного дозатора

Для работы в перечисленных режимах необходимо измерить удельный вес do реагента. Алгоритм измерения удельного веса реагента следующий.

1. Микроконтроллер 11, оснащенный программным блоком измерения удельного веса реагента, управляющим сигналом по электрической цепи 16, закрывает выходной клапан 10, а по электрической цепи 12 открывает входной клапан 3, и реагент поднимается до уровня, на котором расположен чувствительный элемент 6.1 датчика 6 верхнего уровня реагента. При этом измерительный буек 9 полностью погружается в реагент. При полностью погруженном измерительном буйке 9 по сигналу тензометрического датчика силы 7 и дискретного сигнала датчика верхнего уровня реагента 6 микроконтроллер 11 вычисляет удельный вес do жидкого реагента по формуле (2) и закрывает входной клапан 3. Сигнал о достижении реагентом верхнего уровня в микроконтроллер 11 передается по электрической цепи 13 от датчика верхнего уровня реагента 6.

2. Для определения расхода Qv(t) в зависимости от h(t) при открытом выходном клапане производится запоминание значений расхода реагента Qv(hi) и соответствующее значение h(ti), i=1,2…N и вычисляются коэффициенты соответствия Kci. Расход реагента Qv(hi) определяется выражением:

$$Qv\left(hi\right)=Кci*h\left(ti\right)(13).$$

По таблице, содержащей значения Qv(h), соответствующие текущим значениям h(t) при открытом выходном клапане, вычисляются и запоминаются в микроконтроллере коэффициенты Kci и используются при измерении расхода или дозировании реагента.

Алгоритм измерения расхода реагента следующий.

1. Периодическое измерение входного потока реагента осуществляется путем определения скорости изменения объема реагента в расходном баке 1 при открытом входном клапане, 3 и закрытом выходном клапане 10 по формуле (8а).

2. Непрерывное измерение расхода входного потока реагента осуществляется при открытых входном и выходном клапанах путем измерения установившейся величины h(t) с использованием таблицы коэффициентов соответствия h(t) и выходного расхода Qv(h).

3. Периодическое измерение расхода выходного реагента осуществляется при закрытом входном и открытом выходном клапанах по формуле (8а).

4. Непрерывное измерение выходного реагента осуществляется путем измерения величины h(t) с использованием таблицы коэффициентов соответствия h(t) и выходного расхода Qv(h).

Дозирование реагента осуществляется следующим образом.

1. Непрерывное дозирование реагента осуществляется путем стабилизации уровня h(t) реагента в расходном баке 1. Указанный уровень реагента выбирается по таблице коэффициентов соответствия h(t) и расхода Qv(t). Стабилизация выбранного уровня обеспечивается входным клапаном 3, управляемым микроконтроллером 11 по электрической цепи 12.

2. Импульсное дозирование реагента осуществляется путем управления выходным клапаном 10 широтно-модулированным сигналом. С этой целью задается цикл То работы выходного клапана 10, который в течение заданного цикла открывается на время, зависящее от задаваемого расхода реагента, от 0 до То.

Объемный расход реагента при импульсном дозировании определяется выражением

$$Qv=Q\max *\left(\tau /То\right)(14)$$ ,

где Qv - заданный расход реагента, Qmax - расход реагента при постоянно открытом выходном клапане 10, τ - время открытого состояния выходного клапана.

Из (14) следует, что

$$\tau =\left(Qv*Tо\right)/Q\max (15)$$ .

В случае изменения величины h(t), а значит, и расхода Qmax, для стабилизации заданного расхода реагента величина τ не является постоянной и корректируется микроконтроллером.

Предлагаемое устройство может быть оснащено дополнительными выходами, содержащими клапаны, аналогичные выходному клапану 10, является многофункциональным и обеспечивает измерение входного и выходного реагента, а также непрерывное и импульсное дозирование реагента. Программное обеспечение микроконтроллера 11 содержит программные блоки, позволяющие вычислить:

- удельный вес реагента,

- уровень реагента в расходном баке,

- весовую концентрацию твердого реагента в жидком реагенте,

- весовой расхода входного реагента,

- весовой расхода выходного реагента,

а также реализует:

- непрерывное весовое дозирование реагента,

- импульсное весовое дозирование реагента.

Полезным свойством предлагаемого изобретения является возможность контроля работы дозирующего оборудования путем сравнения предыдущей и вновь полученной таблицы коэффициентов соответствия.

Предложенное устройство является новым, полезным, применимым в промышленности. В предлагаемом устройстве реализован критерий изобретения, а именно введены новые элементы и связи между ними, введены новые программные блоки, расширены функции устройства по сравнению с прототипом.

Литература

1. Патент РФ 2337326, G01F 11/00, БИ №30, 27.10.2008.

2. Патент РФ 2331852, G01F 3/16, БИ №23, 27.06.2007.

Устройство для измерения весового расхода и весового дозирования жидких флотационных реагентов содержит расходный бак, оснащенный датчиком верхнего уровня, тензометрическим датчиком силы, измерительным буйком, который подвешен к тензометрическому датчику силы, входным и выходным клапанами, управляемыми микроконтроллером, оснащенным программным обеспечением и электрическими цепями связи для входных и выходных сигналов. При этом в торцевой части расходного бака выполнено дроссельное отверстие. Сигнал датчика верхнего уровня реагента и сигнал тензометрического датчика силы посредством электрических цепей подключены к входам микроконтроллера, а управляющие выходы микроконтроллера подключены к соответствующим управляющим входам входного и выходного клапана. Микроконтроллер реализует вычисление: удельного веса реагента, уровня реагента в расходном баке, весовой концентрации твердого компонента в жидком реагенте, объемного и весового расхода входного потока реагента, объемного и весового расхода выходного реагента, реализует функции: непрерывного и импульсного весового и объемного дозирования реагента. Технический результат - возможность контроля работы дозирующего оборудования путем сравнения предыдущей и вновь полученной таблицы коэффициентов соответствия. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения весового расхода и весового дозирования жидких флотационных реагентов (весовой расходомер/дозатор жидкости), содержащее расходный бак, оснащенный входным и выходным трубопроводами, и микроконтроллер, оснащенный программным обеспечением и электрическими цепями связи для входных и выходных сигналов, отличающееся тем, что на входном и выходном трубопроводах расходного бака размещены входной и выходной клапаны, расходный бак оснащен датчиком верхнего уровня реагента, тензометрическим датчиком силы и измерительным буйком, прикрепленным посредством соединительной тяги к тензометрическому датчику силы; в торцевой части расходного бака выполнено дроссельное отверстие; сигнал датчика верхнего уровня реагента и сигнал тензометрического датчика силы посредством электрических цепей подключены к входам микроконтроллера, а управляющие выходы микроконтроллера подключены к соответствующим управляющим входам входного и выходного клапана; микроконтроллер оснащен программными блоками, реализующими вычисление: удельного веса реагента, уровня реагента в расходном баке, весовой концентрации твердого компонента в жидком реагенте, объемного и весового расхода входного потока реагента, объемного и весового расхода выходного реагента, осуществляющими реализацию функций: непрерывного и импульсного весового и объемного дозирования реагента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерение удельного веса реагента осуществляется путем погружения измерительного буйка в реагент и измерения силы натяжения тяги, соединяющей измерительный буек и тензометрический датчик силы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при открытом выходном клапане составляется таблица коэффициентов соответствия уровня реагента в расходном баке и расхода реагента; полученная таблица коэффициентов соответствия запоминается в памяти микроконтроллера.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерение расхода реагента осуществляется путем вычисления микроконтроллером отношения конечных приращений силы натяжения соединительной тяги к промежутку времени, за который произошло указанное приращение силы, умноженное на коэффициент, определяемый геометрическими размерами измерительного буйка и расходного бака.