Пневмометрическое устройство для измерения плотности жидкости Советский патент 1986 года по МПК G01N9/26 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения плотности жидкости, и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем автоматической коррекции статической характеристики дифманометра при длительной эксплуатации устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема пневмометрического устройства для измерения плотности жидкости; на фиг. 2 - вариант структурной схемы устройства управления и вычислительного устройства; на фиг. 3 - временная диаграмма работы устройства,

. Пневмометрическое устройство для измерения плотности жидкости содержит блок 1 питания сжатым воздухом, питающую плюсовую 2 и минусовую 3 с независимые пневмолинии, между которыми включен дифманометр 4. ПлюСо- вая линия 2 через нормально открытый пневмоклапан 5 питает первую основ- ную измерительную трубку 6, погружен ную в контролируемую жидкость на глубину Н , а через нормально закрытый пневмоклапан 7 - дополнительную изме рительную трубку 8, погруженную на глубину ..

В минусовую линию через нормально открытый пневмоклапан 9 вклк)чена вторая основная измерительная трубка 10, погруженная в жидкость на глу бину Н . Кроме того, в минусовой линии байпасно с пневмоклапа- ном 9 через нормально закрытый, пневмоклапан П включен ком пенсатор 12 балластного давления, задающий в минусовой линии эталонное значение перепада давления Р . Выход дифманометра 4 соединен с первым входом вычислительного устройства 13, второй и третий входы которого связаны с первым и вторым выходами устройства 14 управления соответственно. Первый выход устройства 14 управле- ,ния также связан с входами управления пневмоклапанов 5 и 7, а второй выход - с входами управления пневмоклапанов 9 и I 1 .

Устройство работает следующим образом.

Определение текущей плотности жидкости происходит в течение четырех тактов, формируемых устройством

2459422

14 управления. Длител ность всех так-- .тов постоянна и равна Тд.

В первом такте происходит основное измерение. В этом такте на выходе

5 устройства 14 оба сигнала имеют низкий уровень, что является условием для приема результата первого измерения вычислительным устройством 13. При зтом пневмоклапаны 7 и 11 закрыtO ты, а пневмоклапаны 5 и 9 открыты, и в плюсовую линию 2 подключена измерительная трубка 6, а в минусовую - измерительная трубка 10.

На плюсовую камеру дифманометра А

15 в первом такте действует давление

p;-pgH,+p,,+%,+pv,,

где р- плотность контролируемой

жидкости;

g 9,81 м/с ускорение свободного 20 падения;

Р - потери давления уа участке

пневмолинии 2 от месТа. под- . ключения дифманометра 4 до среза барботажной трубки, 25 обусловленные трением воздуха о стенки пневмолинии; Pj - избыточное давление воздуха, обусловленно.е силами поверхностного натяжения,, необхо- - 30 мое для отрыва пузырька воздуха от нижнего конца трубки;

35

Ру - давление, обусловленное скоростным напором жидкости, изменяющее условие отрьта пузырька воздуха от нижнего конца барботажной трубки. Аналогично на минусовую камеру дифманометра 4 в первом такте дейс,т- вует давление

40 Р, PqHj- -P,.

Обьмно P.dP,, Рг,, , PV.P«,, так

л.

как скорость воздуха в пневмолиниях различна,

Статическая характеристика ди(|ма- нометра 4 i-гмеет вид

,+а(р -р ),

где а -- смещение статической характеристики, обусловленное дрейфом нуля дифманометра 4; CQ а - коэффициент чувствительности дифманометра 4.

Оба коэффициента а. и а, могут л

медленно изменяться во времени, так как при стирании дифманометра прб- исходят сдвиг и деформация его ста55

тическои характеристики.

TaKvtM образом, на выходе дифманометра 4 в первом такте имеем сигнал

Ру - давление, обусловленное скоростным напором жидкости, изменяющее условие отрьта пузырька воздуха от нижнего конца барботажной трубки. Аналогично на минусовую камеру дифманометра 4 в первом такте дейс,т- вует давление

Р, PqHj- -P,.

Обьмно P.dP,, Рг,, , PV.P«,, так

л.

как скорость воздуха в пневмолиниях различна,

Статическая характеристика ди(|ма- нометра 4 i-гмеет вид

,+а(р -р ),

где а -- смещение статической характеристики, обусловленное дрейфом нуля дифманометра 4; а - коэффициент чувствительности дифманометра 4.

Оба коэффициента а. и а, могут л

медленно изменяться во времени, так как при стирании дифманометра прб- исходят сдвиг и деформация его ста

тическои характеристики.

TaKvtM образом, на выходе дифманометра 4 в первом такте имеем сигнал

. .; .rVP 5 - :5z+ v,-pv;- ,

(H,-Hj/(1

который запоминается в вычислительном устройстве 13.

Во втором такте на втором выходе устройства 14 управления появляется высокий уровень, на первом остается низкий, что является условием для приема результата второго измерения вычислительным устройством 13. При этом пневмоклапаны 7 и 9 закрыты, а пневмоклапаны 5 и П открыты, и в плюсовую линию 2 подключена измерительная трубка 6, а в минусовую - измерительная трубка 10 через ком- пенсатор 12 балластного давления,

На плюсовой камере дифманомет- ра 4 во втором такте давление равно

..

а на минусовой имеем

,

где PJ - перепад давления на компенсаторе 12 балластного давления . На выходе дифманометра 4 во вто-

ром такте получаем сигнал

г , +а, (Р -Р«+Рй-Р 2+Р -Ру2) + (, )-Р, , . (2) который запоминается в вычислительном устройстве 13.

В третьем такте на первом выходе устройства 14 управления появляется высокий уровень, а на втором - низкий, что является условием для приема результата третьего измерения вычислительным устройством 13. При этом пневмоклапаны 5 и 11 закрыты, пневмоклапаны 7 и 9 открыты, и к плюсовой линии 2 подключена дополнительная измерительная трубка 8, а к минусовой линии 3 - измерительная трубка 10.

На плюсовой камере дифманометра в третьем такте давление ра вно

. (H,-hHP,+Pcf,-bPv,, а на минусовой имеем

Рз р8Н +Рлг+Р5:7- Ру7На выходе дифманометра 4 в третьем такте измерения получаем сигна

,+a,(P,-P,+P5,-Pf,+P,-Pv,)+ +a.,.pg(H,-h-H),(3)

который запоминается вычислительным устройством 13.

В четвертом такте оба сигнала на выходе устройства 14 имеют высокий уровень, что является условием для расчета значения плотности контролируемой жидкости вычислительным устройством 13 по результатам трех измерений Уд , у, и у .

Обозначаем для удобства дальнейшго изложения

Ъ а, ;

Ъ, (,-P,,+Tv, . .

Тогда уравнения (О, (2; и (З) записываются в виде

У, +,pg(H,-H J; (U)

у,Ъ,+КГРё(Н, -Hj-P,J; (5) y,b,(H,-h-Hy.(б)

Из выражений (0 и (5) имеем

,

-Из выражений (U) и (6) имеем

у b poh.

1 3 -

Отсюда получаем алгоритм вычисления плотности жидкости вычислительным устройством 13

f Ef- й

Как видно из выражения (Т) значение плотности контролируемой жидкости, получаемое в результате алгоритма (т), не зависит от условий работы плотномера и параметров дифманометра, а определяется величинами Р , h и измеренными значениями у ,

2 3 V

Все это справедливо только в том

случае, если за время трех тактов измерения условия работы плотномера и параметры дифманометра не изменяюся, т.е. величины а , а, Р, Р , Р v , постоянны на интервале измерения. Так как измерения проводятся одно за другим в течение короткого времени, то это условие автоматически соблюдается.

В этом случае погрешность измерения плотности определяется погрешностью измерения выходных сигналов дифманометра у, , у , у, и точностью задания величин Р и п.

Устройство 14 управления и вычислительное устройство 13 в предлагаемом плотномере можно реализовать различными способами, например как специализированное число-импульсное устройство, собранное на- стандарт- ных элементах цифровой техники (фиг. 2).

Устройство 14 управления содержит генератор 15 импульсов, формирующий импульсы длительностью Т, выход которого связан с двухразрядным двоичным счетчиком 16. На параллельных выходах счетчика формируются два сигнала управления ТУ, и yyj .

которые через усилители 17 и 18 мощности поступают на входы управления пневмоклапанов 5 и 7, а также 9 и 11 соответственно. Вычислительное устройство 13 содержит дешифратор 19, два входа которого связаны с выходами YY и YY, счетчика 16. На четырех выходах дешифратора 19 (ДШ, .ЦШ, flUlj и ДШд) последовательно появляются импульсы, длительностью Т каждый. Таким образом, с помощью сигналов YY. и YY, формируются четыре

1 Z

такта измерения,длительностью Т каждый (фиг. 3). В вычислительное устройство 13 входит преобразова- тель 20 напряжение - частота,; вход которого связан с выходом дифмано- метра 4, делитель 21 с коэффициентом деления N, вход которого соединен с выходом преобразователя 20, схемы 22 и 23 совпадения, первые входы которых связаны с выходом с преобразователя 20 и выходом делителя 2 соответственно, а вторые - с первым выходом (ДЕ) дешифратора 9, схемы 24 и 25 совпадения, первые входы которых соединены с выходом преобразователя 20 и выходом делителя 21, а вторые - с третьим () и вторым (да ) выходами дешифратора 19 соответственно ,реверсивный счетчик 26, первый вход (суммирующий) которого связан с выходом схемы 22

совпадения, второй (вьтитающий) через схему ИЛИ 27 - с выходом схе- мы 24 совпадения, реверсивный счетчик 28, первый вход (суммирующий) которого соединен с выходом схемы 23 совпадения, а второй (вычитающий) - с выходом схемы 25 совпадения, сум- матор 29, первый вход которого связан с выходом реверсивного счетчика 28, счетчик 30, выход которого соединен с вторым входом сумматора 29, а второй вход (сброса) - с вы ходом сумматора 29 (через схему ИЛИ 36) ri с первым входом (счетным) счетчика 31, схема 32 совпадения, выход которой связан с первым входом счетчика 30 и вторым входом схемы :ИЛИ 27, первый вход - с четвертым выходом (ДР.) дешифратора 19, а второй вход - с выходом заема реверсивного счетчика 26, генератор 33, выход которого соединен с первым вхо- дом схемы 32 совпадения. Третьи входы счетчиков 26 и 28 (сброса) связа- jHtbi с четвертым вьпсодом (ДПц) дешийгратора 19 через одновибратор 34, а второй вход счетчика 31 (сброса) соединен с тем же выходом дешифратора 19 через одновибратор 35. Выход одно- вибратора 35 через схему ИЛИ 36 связан также с вторым входом счетчика 30 Работа схемы поясняется временной диаграммо (фиг. З) .

В первый такт измерения (YY 0, YY,0) происходит основное измерение открыты пневмоклапаны 5 и 9, закрыты пневмоклапаны 7 и 11 и работают измерительные трубки 6 и 10, на первом выходе дешифратора 19 появляется импульс длительностью Тд. Результат измерения Y через преобразователь 20 и 22 совпадения, открытую сигналом . ,, записывается в реверсивный счетчик 26, а также через делитель 21 и схему 23 совпадения, открытую сигналом Д , - в реверсивный счетчик 28./

Таким образом, по окончании первого такта в счетчиках 26 и 28 записано N и NJI импульсов соответственно

N, -f Т

N,,f.T,/N,

где f - частотный сигнал, соответствующий первому измерению Y с дифма- нометра 4.

Во втором такте измерения (YY 0, ) происходит первое дополнительное измерение, открыты пневмоклапаны 5 и 11, закрыты пневмоклапаны 7 и 9, работают измерительные трубки 6 и 10 и компенсатор 12 балластного давления, на втором выходе дешифратора 19 появляется импульс длительностью TO. Результат nepfeoro дополнительного измерения через делитель 2 и схему 25 совпадения, открытую сиг- налом ДИ, поступает на вычитакщий вход реверсивного счетчика 28.

В конце второго такта измерения в реверсивном счетчике 28 записаио число

3 N2-fj T«/N(f,-f), /

I

где fj - частота, соответствующая

результату второго измерения YJ .

В третьем такте измерения (, ) происходит второе дополнительное измерение, открыты пневмо- клаланы 7 и 9, закрыты пневмоклапаны 5 и II, работают трубки 8 и 10, на трет ьем выходе дешифратора 19 появляется импульс длительностью Т.

Результат третьего измерения через схему 24 совпадения, открытую сигналом ДШ,, и схему ИЛИ 27 поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 26.

В конце третьего такта измерения в реверсивном счетчике 26 записано число

N4%-fjT,T,(f,-f3), где f - частота, соответствующая

результату третьего измерения Yj .

В четвертом такте (, на четвертом выходе дешифратора 19 появляется импульс длительностью Т(, , по переднему фронту которого одновиб- ратором 35 формируется короткий им- . пульс, сбрасывающий в нуль счетчики 30 и 31.

Выходной сигнал заема нулевого уровня с реверсивного счетчика 26 появляется, только когда его содержимое равно нулю. Следовательно, к Началу четвертого такта сигнал заема равен единице и совместно e сигналом ДШ открывает схему 3 совпадения, через которую на- 4tfKa o-r проходить импульсы частотой F генератора 33. Эти импульсы поступают одновременно на первый . вход счетчика 30 и второй (вычитающий) вход реверсивного счетчика 26 через схему ИЛИ 27.

Сумматор 29 в данной схеме играет роль устройства сравнения, вырабатывающего на своем выходе одиночный импульс при равенстйе содержимого счетчика 30 и реверсивного счетчика 28. Для этого одна из сравниваемых, величин, например содержимое реверсивного счетчика 28, подается на вход сумматора 29 в инверсном коде, а на вход переноса сумматора подается сигнал логической единицы. В этом случае при достижении содержимым счетчика 39 величины Nj, т.е. величины, находящейся в счетчике 28, на выоде переноса сумматора 29 появляется сигнал, поступающий на счетчик 31 обнуляющий счетчик 30.

Действительно, пусть число N в счетчике 28 имеет двоичное представение

.а

а,

ЧТогда в момент сравнения на сумматоре 29 имеем

.а - второй вход сумматора 29;

+ - - + а а

а - первый вход су тматора 29;

I - вход переноса сумматора 29; 100,..О - результат на выходе

сумматора 29

(это верно для любого N, так как а,, , k) .

После обнуления счетчика 30 в него снова начинают поступать импульсы с генератора 33 до тех пор, пока снова не выполнится у(:ловие равенства и он снова ке будет, обнулен. При каждом таком обнулении со- 5 держимое счетчика 31 увеличивается на единицу. Это продолжается до тех пор,пока не обнулится содержимое реверсивного счетчика 26, так как в этом случае на его выходе зае- 0 ма появляется нулевой сигнал, закры- вакяций схему 32 совпадения.

Таким образом, происходит деление числа N, находящегося в реверсивном счетчике 26, на число N из 5 реверсивного счетчика 28 путем последовательного вычитания из N. Следовательно, на момент обнуления реверсивного счетчика 26 в счетчике 31 записана целая часть числа

N,.. % N f, -f.

(8)

Сравнивая выражение (8) с алгоритмом вычисления плотности (Т) можно сделать вывод, что они совпадают

с точностью до постоянного множителя . При N г и линейном преобразоgli

вателе 20 эти выражения совпадают, и в счетчике 31 в конце четвертого

такта находится текущее значение измеряемой плотности. По заданному фронту импульса с четвертого выхода дещифратора 19 одновибратор 34 формирует короткий импульс, сбрасывающий реверсивные счетчики 26 и 28 в нуль и приводящий всю схему вычислительного устройства 13 в исходное состояние.

Предлагаемое устройство позволит повысить точность измерения плотности жидкости на потоке в широком диапазоне изменения плотностей при длительной эксплуатации устройства в реальных производственных

условиях без настройки и коррекции.

В предлагаемом устройстве результат измерения не зависит от состояния объекта измерения, то есть

уровня контролируемой жидкости, избыточного давления над жидкостью, расхода воздуха в Линии, а также состояния дифманометра . Его характеристики могут смещаться и деформироваться в процессе длительной эксплуа тадии устройства, однако за время трех измерений его состояние остаетс практически неизменным. Следовательно, дифманометр и все устройства в делом не требуют периодической настройки и коррекции, так как результат измерения не зависит от их текущих параметров.

Формула изобретения

Пневмометрическое. устройство для измерения плотности жидкости, содержащее блок питания сжатым воздухом, соединенный пневмолиниями с двумя основными и одной дополнительной измерительными трубками, погруженными в емкость для контролируемой жидкости на разную глубину, компенсатор балластного давления и дифманометр, подключенный к пневмолиниям основных измерительных трубок, причем плюсовая камера его подключена непосредственно, а минусовая - через компен- сатор- балластного давления, о т л и

10

20

зо

594210

чающееся тем, что, с целью повьпаения точности измерения путем автоматической коррекции статической характеристики дифманометра при длительной эксплуатации устройства, оно дополнительно снабжено устройством управления, вычислительным устройством, двумя нормально открытыми пнев- моклапанами , включенными в плюсовую, и минусовую пневмолинии основных измерительных трубок, двумя нормально закрытыми пневмоклапанами, первый из которых включен в пневмолинию дополнительной трубки, а второй - в пневмолинию с компенсатором балластного давления, причем последний включен в мир усовую пневмолинию байпасно нормально открытому пневмоклапану, при этом первый вход вычислительного,устройства подключен к выходу дифманометра, второй вход - к первому выходу устройства управления и входам управления нормально открытого и нормально закрытого пневмоклапанов, включенных в плюсовую пневмолинию, а третий вход вычислительного устройства соединен с входами управления нормально открытого и нормально закрытого пневмоклапанов, включенных в минусовую пневмолинию, и вторым выходом устройства управления.

15

25

Изобретение относится к области контрольно-измеритель.ной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения путем автоматической коррекции статической характеристики дифманометра при длительной эксплуатации. Устройство содержит две основные и одну дополнительную измерительные трубки, погруженные в емкость с контролируемой жидкостью на разную глубину. Трубки соединены с источником сжатого воздуха. К пнев- молиниям основных трубок подключен дифманометр. Плюсовая камера его подключена непосредственно, а минусовая - через компенсатор балластно го давления. Два нормально открытые пневмоклапана включены в плюсовую и минусовую пневмолинии основных измерительных трубок. Один из нормально закрытых пневмоклапанов включен в пневмолинию дополнительной трубки, а второй - в пневмолинию с компенсатором балластного давления. Первый вход вычислительного устройства подключен к выходу дифманометра, а второй вход - к первому выходу устройства управления и входам управления нормального открытого и нормально закрытого пневмоклапанов. 3 ил. с (О (Л

Фиг. 1