Пневмометрический плотномер Советский патент 1988 года по МПК G01N9/28 

Ияобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам рдя измерения плотности жидкости, и может быть использовано в различных отраслях промьш- ленности.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет снижения влияния погрешности вторичного изме- рительного прибора, регистрирующего сигнал дифмаиометра, и частичной компенсации неидентичности потерь в пневмолиниях в различных тактах измерения,

На фиг.1 изображена структурная схема пневмометрического плотномера} на фиг.2 - временная диаграмма работы плотномера, где показано из - менение сигналов управляюще-вычисли- тельного блока на его выходах; на фиг.З - вариант структурной схемы управляюще-вычислительного блока.

Пневмометрический шютномер содержит систему 1 питания воздухом, питакщую плюсовую 2 и минусовую 3 независимые пневмолинии, между которыми включен дифманометр 4, Плюсовая линия 2 через нормально открытые пневмокпапаны 5 и б и нормально зак- рытый пневмоклапан 7 гштает длинную основную трубку 8, погруженную в контролируемую жидкость на глубину Н, , а через нормально закрытый пневмоклапан 9 и пневмоклапаны 5 и 7 - длинную дополнительную трубку 10, погруженную в жидкость на глубину Н, Ь, Минусовая линия 3 через нормально открытые пневмоклапаны П и 12 питает короткую основную трубку 13, погруженную в жидкость на глубину Hj,, а через нормально закрытый пневмоклапан 14 и пневмоклапан 1t - короткую дополнительную трубку 15, погруженную в жидкость на глубину

Hj h.

В плюсовой линии 2 байпасно пнев- моклапану 7 включен пневмодроссель 16, а байпасно пневмоклапану 5 и последовательно соединенной с ним пневматической RC-цепи 17 - последовател но соединенные нормально .закрытый пневмоклапан 18, задатчик 19 перепада давления и нормально закрытый пневмоклапан 20. Б минусовой линии 3 байпасно пневмоклапану 11 и после- довательно соединенной с ним пневматической RC-цепи 21 подключены по ледовательно соединенные нормально

5

0

закрытый пневмоклапан 22, задатчик 19 перепада давления и нормально закрытый пневмоклапан 23.

Выход дифманометра 4 соединен с выходом управляюще-вычислительного блока 24, первый выход которого связан с входами управления пневмо- клапанов 6 и 9, второй - с входами управления пневмокпапанов 11, 22 и 23, пятый - с входами управления пневмокпапанов 12 и 14, четвертый - с входами управления пневмокпапанов 5, 12 и 20f а третий - с входами управления пневмоклапана 7.

Управляюще-вычислительный блок

24содержит (фиг.З) преобразователь

25напряжение-частота, вход которого связан с выходом дифманометра 4, генератор 26, выход которого соединен с входом распределителя 27 импульсов и одновибратором 28. Первый, второй, третий и четвертый выходы распределителя 27 соответственно соединены с первыми входами 29- 32 совпадения, вторые входы которых связаны с выходом одновибратора 28, а выходы - соответственно с входами формирователей 33 и 36 коротких импульсов и первыми входами схем 37- 40 совпадения. Вторые входы схем 37- 40 совпадения соединены с выходом «ц,, преобразователя 25, а выходы - соответственно с первыми счетными входами счетчиков 41-44, вторые (сброса) входы которых соответственно связаны с выходами формирователей 33-36.

Выходы счётчиков 41 и 42 соответственно связаны с первым и вторым входами вычитателя 45, а выходы счетчиков 43 и 44 - с .первым и вторым входами вычитателя 46. соответственно. Выходы вычитателей 45 и 46 соединены, соответственно, с первым и вторым входами множительно-делитель- ного блока 47, третий вход которого связан с выходом блока 48 уставки, а четвертый - с выходом одновибратора 28.

Первые, вторым, пятым и четвертым выходами управляюще-вычислительного блока 24 соответственно являются второй, третий, первый и четвертый выходы распределителя 27, а третьим - выход одновибратора 28.

Пневмометрический шютномер работает следующим образом.

Определение текущей плотности жидкости происходит по результатам

4 последних тактов, формируемых уп- равляюще-вычислительным блоком 24, Начиная с четвертого такта расчетное значение плотности выдается по окончании каждого измерения. Дпи- тельность всех тактов постоянна и равна Т.

Значения управляющих сигналов УО Uz и у и и ц. на первых четырех выходах управляюще-вычислительного блока 24 в соответствии с фиг.2 приведены в таблице.

В первом такте открыты пневмокла- паны 5, б, 11 и 14, а пневмоклапаны 18, 22, 20, 23, 9 к 12 закрыты и работануг трубки 8 и 15,

На плюсовую камеру дифманометра 4 в первом такте действует давление

Р:

pgH, + Р„ + PJ,

+ Р,

VI J

р

плотность контролируемой

жидкости;

,г

g 9,81 м/с - ускорение своQ

5

0

у - выходной сигнал дифманометра, например, ток или напряжение;

а, - начальное смещение, обусловленное дрейфом нуля дифманометра;

+2а() - коэффициент чувствительности дифманометра;

а, а, - коэффициенты; i - номер такта . Коэффициенты .а,, а и а, дрейфуют во времени под воздействием внешних неконтролируеья51х возмущений (температура,давление, влажность и т.п.), что приводит к сдвигу деформации характеристики.

Таким образом, в первом такте на выходе дифманометра 4 имеют сигнап

у, а,+ Нг-Ь)+йРЛ

pg(H,)+uP +a,pg(H, (О

LP

РЛ, Рлг- P f,, Гу2

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно ,к устройствам для измерения плотности жидкости пневмометрическим методом. Цель изобретения - повьшение точности измерения гоютности жидкости за счет снижения влияния погрешности вторичного измерительного прибора, регистрирующего сигнал диф- манометра, и частичной компенсации неидентнчности потерь в пневмолиниях в различных тактах измерения. Пнев- мометрический плотномер содержит систему питания воздухом I, пневмо- линии 2 и 3, дифманометр 4, измерительные трубки 13, 15, 8 и 10, пог- . ружейные в контролируемую жидкость на глубины Hj.; Н. + h; Н(, Hi + h, я . S задатчик перепа,ча давления 19, уп- равляюще-вычислительный блок 24, пневмоклапаны 5-7, 9, 12, 14, 18, 20, 22 и 23, пневмодроссель 16 и пневматические КС-цепи 17 и 21. Определение текущей плотности,происходит по результатам 4 последних тактов измерения и, начиная с четвертого, результат выдается каждый такт, Цикл измерения включает два симметричных мультипликативных Y, и Y и два симметричных аддитивных Y, и 4 воздействия, задаваемых управляюще- вычислительным блоком 24 путем соответствующей коммутации пневмоклапа- нов, который обрабатывает измерительный алгоритм в реальном масштабе вре- мерш. Искомая плотность определяется расчетным путем по зависимости PO(YI-Y)/ gh() Условия работы плотномера и параметры дифмано- метра 4 не вносят погрешности в результат измерения, так как автоматически корректируются при расчете. Перед регистрацией сигналов . с помощью пневмоклапана 7 в ппюсовую линию 2 кратковременно подключается пневмодроссель 16, что позволяет искг лючить погрешность гистерезиса диф- манометра 4. 3 ил. (Л С Фиг.

РЛ, PS, бодного падения; потери давления в пневматической КС-цепи и пневмоли- нии 2, обусловленные трением воздуха о стенки пневмо- линии;

избыточное давление воздуха, обусловленное силами поверхностного натяжения, необходимое дпя отрыва пузырька воздуха от нижнего конца трубки;

давление, обусловленное скоростным напором жидкости, изменяющее условие отрыва воздуха от нижнего конца трубки. Аналогично на минусовую камеру

дифманометра 4 в первом такте

вует давление

30

Во втором такте открыты пневмоклапаны 5, 9, 11 и 12, а пневмоклапаны 18, 22, 20, 23, 6 и 14 закрыты и работают трубки 13 и 10.

На плюсовой камере дифманометра 4 давление равно

35

Pi pg(H,4.

а на минусовой

h) + Р

AI

РУЛ

Vl

,PI

pgH.,

+ р,

лг

Pfz

+ Р,

V2

Следовательно, во втором такте на выходе дифманометра 4 будет сигнал

деист- 45 Уг a +ajrpgCH.) & +a,pg(H,- дейст чь д + h) + (2)

р; h) -I- Р,,,+ Р

V2.

Обычно Р,Рлг , Pf, Pii , Ру) Ру2 так как скорости воздуха в пневмоли- ниях 2 и 3 различны.

Пусть статическая характеристика дифманометра 4 описывается квадратич- ной моделью

у; а, + ajpf - Р) а(,)

Во втором такте открыты пневмоклапаны 5, 9, 11 и 12, а пневмоклапаны 18, 22, 20, 23, 6 и 14 закрыты и работают трубки 13 и 10.

На плюсовой камере дифманометра 4 давление равно

Pi pg(H,4.

а на минусовой

h) + Р

AI

РУЛ

Vl

pgH.,

+ р,

лг

Pfz

+ Р,

V2

В третьем такте открыты пневмоклапаны 5, 6, 22, 23 и 12, закрыты - 18, 20, 9, 14 и 11, работают трубки 13 и 8 и задатчик 19 перепада давления, включенньШ в минусовую пневмо- линию 3.

На плюсовой камере дифмаиометра 4 давление равно

+ Р:

А|

Р,

+ Р

VI 7

а на минусовой

pgH;

PO г

S

V2 )

где Рд - перепад давления на задатчике 19.

Таким образом, в третьем такте сигнал на выходе дифманометра равен

у,-а,+ a,()g(h -Н)4. йР-Рд ГрЕ(Н,- Ht)+ UP - PJ2(3)

В четвертом такте открыты пневмо- клапаны 18, 20, 6, 12 и 11 закрыты 5, 22, 23, 9 и 14, работают трубки i13 и 8 и эадатчик 19 перепада давления, включенный в плюсовую пневмо- линию 2.

На плюсовой камере дифманометра 4 давление равно

pgH.

+ р + р

А4

Р,VI;

а на минусовой

р 8Нг + Рлг Р(2

+ Р,

V2..

Следовательно, в четвертом такте на выходе дифманометра 4 будет сигнал

П a,+a,pg(H,-Hi)4.uP-bPol

+ АР +

РО

(4)

+ а,р8(Н,-Нз,) Из (1) н (2) имеют

У1-У, -pgh 2a2+4a,Cpg(H,-H2) +ДР1} - 2Spgh(5)

S aj+2a, pg(H,-H)+aP - коэффициент чувствительности,

t-..

Из (3) и (4) получают

Р, f2a4+4a,ipg(H, -Н,,) др 28Р„..(6)

У4- У

Из (5) и (6) можно получить алгоритм вычисления плотности управлякще-вы- .числительным блоком 24

Р

SL, . gh у - у.

Управляюще-вычислительный блок 24 работает, например, следующим обра- , зом.

Продолжительность тактов измерения Т задается генератором 26, гене5

-

20

4482426

рирующим импульсы с периодом следования Т. На пер юм-четвертом выходах распределителя 27 импульсов последовательно появляются импульсы длительностью Т, в первом такте - на первом выходе, во втором - на втором и т.д., которые подаются на входы управления соответствующих пневмоклапа- нов и формируют диаграмму переключения последних в соответствии с измерительным алгоритмом (фиг,2), По переднему фронту импульса генератора 26 одновибратор 28 формирует отрица15 тельный импульс длительностью Те, который поступает на вход упргшления пневмоклапана 7, закрывает его. На это время в плюсовую пневмоЬинию 2 подключается пкевмодроссель 16, позволяющий .сиять погрешность гисторе- зиса дифмаиометра 4,

На выходах схем 29г32 совпадения соответственно в первом-четвертом тактах появляются импульсы дпитель-

25 иостью Т-Тв(временные ворота), Сиг-i нал с дифманометра преобразуется в частоту на преобразователе 25 напряжение-частота и записывается в течение импульса временных ворот в первом такте в счетчик 41 через схему 37 совпадения, во втором, третьем и четвертом тактах - в счетчики 42- 44 через схемы 38гт40 совпадения соответственно.

Перед началом записи каждый из счетчиков 4Г-44 обнуляется коротким импульсом с формирователей 33-36 соответственно, которые запускаются по переднему фронту импульсов временных ворот со схем 29-32 соответственно.

30

35

40

Таким образом, в первом такте измерения в течение времени Т -Т в

счетчик 41

N,

записывается число (Т - Tjf,

во втором, третьем и четвертом тактах, соответственно, в счетчикн 42- 44 записываются

0

N N,

N.

(Т (Т (Т

9)f.

Т

Tjf.

- T.,)f

ч

где 4 ,f ,f .J , - частотные сигналы с преобразователя 25, соответствующие сигналам у,, у, У У Пусть характеристика преобразова- теля 25 линейна

д

1-4,

где

f ,k - коэффициенты градуировоч- ной характеристики преобразователя 25.

Следовательно, к моменту окончания импульса временных ворот в четвертом и во всех последукщих тактах на выходах вычитателей 45 и 46 будут сформированы коды

(Т -Tj.k(), (Т - Tj.kily,- У,).

По заднему фронту импульса с од- новибратора 28 (момент окончания временных ворот) запускается множи- тельно-делительное устройство 47, которое в течение времени Тд (или меньше)производит деление двоичного кода счетчика 43 на двоичный код с вычитателя: 46 и умножение на код с блока 48 уставки« .

Если в блок уставки записать код

N.

Pb/(gh)

4в «

ТО В МНОЖИТельно-делительном устройстве 47 к моменту окончаний операций деления и умножения записывается код, пропорхдиональный измеряемой плотности

i м

Zl-I-Zj.. la. У4 - УЗ gh

Значение плотности, полученное из выражения (7), не зависит от условия работы плотномера и параметров дифманометра и пневмолиний, а определяется величинами Р и h и результатами четырех тактов измерения у ,

У У, У4 .

Это справедливо в том случае, если за время 4 тактов измерения условия работы плотномера и параметры дифманометра и измерительного канала не изменились, т.е. величины а,, а,

Р. РП S( Вг PVI « были постоянными на интервале измерения. Так как все измерения производятся один за другим в течение короткого времени, то это условие автоматически соблюдается.

Таким образом, предлагаемый алгоритм измерения плотности устраняет все низкочастотные составляюпсие пог

решности, у которых интервал корреляции больше времени 4 тактов измерения. Кроме того, в предлагаемом пнев- нометрнческом плотномере устраняется такая специфическая погрешность измерительных преобразователей, как погрешность гистерезиса. Для этого перед каждым тактом измерения на третьем выходе управляюше-вычислительного блока 24 на время Т появляется сигнал, закрывающий пневмокпапан 9, и в плюсовую линию 2 подключается пневмодроссель 16. При зтом давление в этой линии повьшается на величину

ЗР

R

9Р

0

5

0

0

5

где Q - расход воздуха в пневмолиний,

Rao пневмогидравлическое сопротивление пневмодросселя 16.

Если величина больше, чем максимальное значение гистерезиса дифма- нометра, то после отключения пневмодросселя 16 и монотонного снижения давления в пневмолиний 2 до нормального значения, съем информации с дифманометра 4 производится с падающей ветви его статической характеристики, тем самым устраняется погрешность гистерезиса.

Таким образом, в i-м такте в течение времени Т-Т пневмоклапан 7 открыт и происходит измерение, а в (i+l)-M такте в .течение времени 5 Тд пневмоклапан 7 закрыт, происходят снятие гистерезиса и расчет плотности по результатам измерений в i-м - (i-3)-M тактах по формуле (7).

Время измерения Т-Т всегда можно подобрать таким образом, чтобы на это время можно было эффективно усреднить и отфильтровать сигнал дифманометра 4 и устранить тем самым высокочастотную погрешность в измерительном канале.

Погрешность измерения плотности определяется точностью и стабильностью величин PQ и h| отличием статической характеристики .дифманомет- 50 ра 4 от принятой модели и случайной погрешностью измерения сигналов у , yj У У4 трансформированных алгоритмом (7),

55

Формула изобретения

Пневмометрический плотномер, содержащий блок питания воздухом.

питающий плюсовую и минусовую независимые пневмолинии, между которыми включен дифманометр, первый основной нормально открытый пневмоклапак, череэ который плюсовая линия соединена с длинной основной,короткой основ ной.и короткой дополнительной трубками соединенными с минусовой превмолиии- ей через второй основной нормально открытый пневмоклапан, задатчик эталонного давления, соединенный с минусовой пневмолинией через третий нормально закрытый основной пневмо- клапан, четвертый основной нормально закрытый пневмоклапан, соединенный с плюсовой пневмолинией, пневмо- дроссель, параллельно соединенный с пятым основным нормально открытым пневмоклапаном, управляняце-вычисли-

тельный блок, вход которого соединен с выходом дифманометра, а первый выход блока связан с входами управления первого и четвертого основных пневмоклапанов, второй - с входами управления второго и третьего основных пневмоклапанов, а третий - с входом управления пятого основного пневмоклапана, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерения, он дополнительно снабжен длинной дополнительной трубкой, подключенной к плюсовой пневмолинии через четвертый основной пневмоклапан, первой и второй идентичными пневматическими RC-цепями, представляющими собой последовательно соедииенные пневматическую ем10

- , 20

15

4824210

кость и пневмодроссель, включенные

в плюсовую и минусовую пневмолинии(

соответственно, и шестью дополнительными пневмоклапанами, причем ..через первый нормально открытый и второй нормально закрытый пневмокпапаны минусовая линия соединена с короткой, основной и короткой дополнительной трубками соответственно, третий и четвертый нормально закрытые пневмо- клапаны последовательно соединены с .-задатчиком эталонного давления и подключены последовательно в ппю- совую линию, пятый нормально открытый и последовательно соединенная с ним первая пневматическая RC-цепь включены в плюсовую пневмолинию с помощью параллельно-последовательного соединения с третьим дополнительным пневмоклапаном, задатчиком эталонного давления и четвертым дополнительным пневмоклапаном, а шестой нормально закрытый пневмоклапан соединяет задатчик эталонного давления с минусовой пневмолинией за-второй пневматической КС-цепью, которая : включена в эту линию после второго основного пневмоклапана, второй вход управляюще-вычислительного блока связан с входом управления шестого дополнительного пневмоклапана, четвертый - с входами управления третьего, четвертого и пятого дополнительных пневмоклапанов, а пятый - с входами управления первого и второго дополнительных пневмоклапанов.

25

30

35