Способ регулирования уровня жидкости в резервуаре и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G05D9/12 

Изобретение относится к области регулирования уровня жидкостей и может быть использовано в системах автоматического регулирования уровня жидких сред, преимущественно в управлении погружными насосами сельскохозяйственных башенных водокачек, предпочтительно в случаях значительного пространственного разнесения скважины с погружным насосом и водонапорной башни.

Целью изобретения является повышение точности регулирования уровня жидкости в резервуаре.

Способ осуществляется следующим образом.

Задают наибольшее и наименьшее статическое давления жидкости, соответствующие верхнему и нижнему задан ным уровням жидкости в резервуаре, и измеряют давление жидкости в подающем трубопроводе.

В начальный момент времени подача жидкости в резервуар не производит - ся, потребителями жидкости осуществляется ее расход, и измеряемое стати - ческое давление жидкости в трубо- проводе уменьшается. При равенстве его и заданного наименьшего статического давления жидкости включают подачу жидкости в резервуар, предотвращая тем самым его полное опорожнение, Теперь измеряемое давление представляет собой сумму статического дав ления столба- жидкости в резервуаре и динамического давления жидкости, нагнетаемой при подаче ее в резервуар

По прошествии промежутка времени, пропорционального объему резервуара и и обратно пропорционального потоку подачи жидкости в резервуар, подача :кидкости в резервуар прекращается, что позволяет избежать переполнения резервуара. В этом первом периоде заполнения резервуара точность достижения жидкостью верхнего заданного уровня невысока, потому что опреде- ляется только точностью определения отношения объема в резервуаре, подлежащего заполнению, к априорно принятой не зависящей от влияющих факторов величине потока подачи жидкости в резервуар.

В момент времени, предшествующий моменту прекращения подачи жидкости в резервуар, измеряют суммарное статическое и динамическое давление жидкости, которое имеет наибольшую величину, поскольку уровень жидкости сразу после прекращения может либо остаться неизменным-при отсутствии отбора жидкости,потребителями, либо только снижаться при расходе жидкости потребителями. Таким образом, измерено значение суммарного - статического и динамического - давления при подаче жидкости в самый послед- ний момент времени до прекращения подачи жидкости.

Сразу по прекращении подачи, т.е. в первый же момент времени установления только статического давления жидкости, измеряют величину этого давления. Полученное значение вычи - тают из заданного наибольшего статического давления жидкости, поэтому

результат является ошибкой регулирования уровня жидкости, возникшей вследствие несвоевременного прекращения подачи жидкости в резервуар: при положительном результате вычитания имеет место -недолив до заданного верхнего уровня, при отрицательно результате вычитания имеется перелив.

Поэтому если полученную величину разности давлений жидкости сложить с измеренным наибольшим давлением жидкости в каждом следующем периоде заполнения резервуара, то полученное суммарное значение будет характеризовать собой порог, при равенстве которому измеряемого в следующем периоде суммарного статического и динамического давлений жидкости при ее подаче в резервуар следует прекратит подачу жидкости. Тогда установившееся после прекращения подачи жидкости статическое давление станет близким по значению или равным заданному наименьшему статическому давлению, т.е. уже в следующей цикле регулирования ошибка регулирования верхнего уровня жидкости исчезает, либо значительно уменьшается по сравнению с предыдущи периодом, причем помехой могут служить лишь неконтролируемые изменения динамической составляющей давления жидкости из-за, например, засорения трубопровода, что является маловерояным.

Итак, полученную разность давле-. ний жидкости суммируют с измеренным наибольшим давлением жидкости и в каждом следующем, периоде прекращают подачу жидкости в резервуар при равенстве суммарного динамического и статического измеренного в следующем периоде и полученного в данном периоде суммарного значения давлений.жидкости.

На фиг.1 представлено устройство, реализующее способ; на фиг.2 - взаимное расположение резервуара, водонапорной башни к водоподъемной скважины; на фиг.З и 4 - временные диаграммы работы устройства.

При заданных наибольшем Р

ладке

и

-наименьшем статических давлениях жидкости и при опорожнении резер- вуара потребителями подача жидкости в резервуар начинается в момент te при равенстве измеряемого статн . .

ческого давления жидкости Р и наименьшего заданного статического давления жидкости Рд,ин«

При включении подачи жидкости давление Р изменяется практически скачкообразно, а затем растет в соответствии с ростом статического давления жидкости при заполнении резервуара.

.В первом периоде подачи жидкости в резервуар прекращают ее подачу через временный промежуток At(, про- порциональный отношению регулирующей емкости В резервуара к потоку подачи жидкости П, причем &t(B/n во избежание перелива.

Перед самым прекращением подачи жидкости в первом периоде измеряется суммарное - статическое и динамическое - давление жидкости Р. при еще включенной подаче жидкости, а сразу после прекращения подачи измеряется статическое давление отсутствие подачи жздкости.

ми гидравлического сопротивления, влияющего на динамическую составляющую давления жидкости, и совершенно не зависит от статической составляющей суммарного давления, передающейся в жидкости без искажений.

Устройство для регулирования уровня жидкости в резервуаре содержит за10 датчики минимального 1 и максимального 2 статических давпений жидкости в резервуаре, датчик 3 давления, установленный в подающем трубопроводе, последовательно соединенные первый

15 триггер Шмитта А, первый дифференци- рующий элемент 5 и первый выпрямитель 65 последовательно соединенные второй триггер Шмитта 7, второй дифференци- рующий элемент 8 и второй выпрямитель 9. последовательно соединенные источник 10 питания,ключ 11, первый коммутирующий элемент 12, электро- 01 в двигатель 13 и насос 14, причем к управляющему входу первого коммутирую20

Вычисляется разность ДР Рдшкс 25 щего элемента 12 подключен выход

Р , которая характеризует ошибку регулирования уровня жидкости в первом периоде подачи жидкости.

Во втором периоде подача жидкости должна осуществляться так долго, чтобы ошибки регулирования не было. Поэтому во втором периоде подачи жидкости следует прекратить подачу жидкости, когда измеряемое суммарное давление Р станет равным величине РЈ A.PJ , т.е. надо суммировать полученную разность давлений ДР с наибольшим давлением жидкости Р , и прекратить подачу жидкости в резервуар при равенстве суммарного динамического и статического /измеренного во втором периоде давления Р РЈ и полученного в первом периоде суммарного значения давлений жидкости ДР, .

Если все-таки во втором периоде появилась ошибка регулирования №- Р

макс 02

то в соответствии

со способом вычисляется порог для

первого управляющего триггера 15, установочный вход которого соединен с выходом первого выпрямителя 6, выход задатчика минимального стати30 ческого давления жидкости в резервуаре 1 соединен с первым входом первого триггера ЦЫитта 4, второй вход которого связан с выходом датчика 3 давления и первым входом вто35 рого триггера Шмитта 7, при этом оно содержит первый 16, второй 17, третий 18 элементы задержки, второй 19, третий 20 и четвертый 21 коммутирующие элементы, третий дифферен40 цирующий элемент 22, последовательное соединение третьего 23 и четвертого 24 выпрямителей, второй управляющий триггер 25, пиковый детектор 26, последовательно соединенные эле45 мент 27 вычитания, сумматор 28 и блок 29 памяти, выход которого подключен к второму входу второго триггера Шмитта 7; выход второго выпрямителя 9 соединен с входом второго ком15

20

первого управляющего триггера 15, установочный вход которого соединен с выходом первого выпрямителя 6, выход задатчика минимального статического давления жидкости в резервуаре 1 соединен с первым входом первого триггера ЦЫитта 4, второй вход которого связан с выходом датчика 3 давления и первым входом второго триггера Шмитта 7, при этом оно содержит первый 16, второй 17, третий 18 элементы задержки, второй 19, третий 20 и четвертый 21 коммутирующие элементы, третий дифференцирующий элемент 22, последовательное соединение третьего 23 и четвертого 24 выпрямителей, второй управляющий триггер 25, пиковый детектор 26, последовательно соединенные элеент 27 вычитания, сумматор 28 и блок 29 памяти, выход которого подключен к второму входу второго триггера Шмитта 7; выход второго выпрямителя 9 соединен с входом второго ком

Изобретение предназначено для использования при управлении работой башенных водокачек, широко распространенных в сельскохозяйственном производстве. Цель - повышение точности регулирования уровня жидкости. Дли достижения цели в способе, включающем задание верхнего и нижнего уровней жидкости в резервуаре и соответствующих наибольше- : го и наименьшего давлений жидкости, измерение давления и подачу жидкости в резервуар, определяют наибольшее давление жидкости при подаче жид - кости в резервуар, затем измеряют давление непосредственно после прекращения подачи жидкости, которое вычитают S3 заданно- го наибольшего давления жидкости, суммируют полученную разность давлений с определенным наибольшим давлением и запоминают суммарное давление до очередного прекращения подачи жидкости в резервуар, причем прекращают подачу жидкости при равенстве измеряемого и суммарного давлений. В уст. ройство для достижения цели введены три элемента задержки, .три коммутирующих элемента, дифференцирующий элемент, два выпрямителя, пиковый детектор, управляющий триггер, элемент вычитания, сумматор и блок памяти. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил. (Л

прекращения подачи жидкости в третьем 50 мутирующего элемента 19, управляющий периоде регулирования уровня жидкое- вход которого подключен к выходу ти:второго управляющего триггера 25 и к

управляющему входу третьего коммутирующего элемента 20. связанного 55 входом с выходом первого выпрямителя 6,, а выходом через первый элемент 16 задержки - с входом второго элемента 17 задержки, с входом обнуления второго управляющего триггера 25, с

РЭ Р2+ Api pi + &PI + ДргАналогично проходит регулирование уровня жидкости в очередных периодах подачи жидкости в резервуар, причем текущая погрешность регулирования связана только с текущими изменения

выходом второго коммутирующего элемента 19, с входом третьего элемента 18 задержки и с управляющим входом четвертого коммутирующего элемента 21, выход датчика 3 давления под- ключей к первому входу элемента 27 вычитания и входу четвертого коммутирующего элемента 21 выход которого соединен с входом пикового детек- тора 26, второй вход элемента 27 вычитания связан с выходом задатчи- ка максимального статическога давления жидкости в резервуаре 2, а второй вход сумматора 28 - с выходом пикового детектора 26, выход ключа 11 через последовательно соединенные третий дифференцирующий элемент 22. третий 23 и четвертый 24 выпрямители подключены к обнуляющему входу первого управляющего триггера 15 и к выходу второго элемента 17 задержки, установочный вход второго управляющего триггера 25 соединен с выходом третьего выпрямителя 23, а выход третьего элемента 18 задержки подключен к управляющему входу блока 29 памяти, при этом блок 29 памяти содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразова- 30 вый управляющий триггер 15. Насос

тель 30, селектор 31, регистр 32 и цифроаналоговый преобразователь 33t выход которого подключен к выходу блока 29 памяти, управляющий вход которого связан с управляющим входом селектора 31, вход аналого-цифрового преобразователя 30 соединен с входом блока 29 памяти.

Если до включения устройства Резервуар 34 размещен в водонапор- 4Q давление жидкости в резервуаре 34

ной башне 35 водоподъемной скважины 36, в которой установлен наружный насос 37, состоящий из совмещенных электродвигателя 13 и собственно насоса 14. В подающем трубопроводе 38 смонтирован датчик 3 давления жидкости, а остальные узлы устройства для осуществления способа регулирования уровня жидкости в резервуаре 34 могут быть объединены в герметичный шкаф 39 управления, который целесообразно разместить в непосредственной близости от водозаборной скважины 38, либо сблокировать непосредственно с погружным насосом 37. Предлагаемое устройство таким образом может работать после наладки полностью автономно и не нуждается в обслуживании.

меньше минимального заданного, то сразу в момент включения устройства срабатывает первый триггер Шмит та 4, и запускается первый управля 45 Щий триггер 15, поскольку запускаю щий импульс на его вход приходит позже обнуляющего импульса на врем задержки срабатывания первого триг гера Шмитта 4. Насос 14 начинает работать.

50

55

При первом включении насоса 1,4 срабатывает первый элемент 16 задержки, начинается отсчет времени Atj включенного состояния насоса 1 в первом периоде подачи жидкости в резервуар. Этот промежуток времени йе должен быть более отношения рег лируемого объема жидкости в резерв

75268

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства замыкается ключ 11, срабатывают третий дифференцирующий элемент 22 и третий выпрямитель 23, обнуляется (устанавливается в исходное положение) первый управляющий триггер 15

JQ и не разрешает первому коммутирующему элементу 12 подачу напряжения от источника 10 питания (промышленной сети) на электродвигатель 13 насоса 14, и запускается второй управляю15 Щий триггер 25s что приводит к запи20

25

|ранию второго коммутирующего элемента 19 и к отпиранию третьего коммутирующего элемента 20, Таким образом, в момент включения устройства насос 14 не включается.

Если давление жидкости в трубопроводе 38 больше минимально заданного, т.е« емкость резервуара 34 хотя бы частично заполнена, то сигнал с выхода датчика 3 давления больше сигнала задатчика минимального стати - ческого давления жидкости в резервуаре 1, первый триггер Шмитта 4 не срабатывает, к не запускается пер14 не работает, резервуар 34 постепенно опорожняется потребителями жидкости до момента равенства сигналов на входах первого триггера Шмит- та 4, что вызывает включение насоса 14, т.е. достигнут наименьший заданный уровень жидкости в резервуаре 34.

меньше минимального заданного, то сразу в момент включения устройства срабатывает первый триггер Шмитта 4, и запускается первый управляю- Щий триггер 15, поскольку запускающий импульс на его вход приходит позже обнуляющего импульса на время задержки срабатывания первого триггера Шмитта 4. Насос 14 начинает работать.

При первом включении насоса 1,4 срабатывает первый элемент 16 задержки, начинается отсчет времени Atj включенного состояния насоса 14 в первом периоде подачи жидкости в резервуар. Этот промежуток времени ( йе должен быть более отношения регу - лируемого объема жидкости в резервуаре 34 к потоку подачи насоса 14 во избежание перелива резервуара 34.

При подаче первым элементом 16 задержки импульса обнуляется вто- рой управляющий триггер 25 и запирае третий коммутирующий элемент 20. В очередных периодах работы насоса 14 время его включенного состояния не навязывается, так как первый элемент 16 задержки не срабатывает, Однозрет менно отпирается второй коммутирующий элемент 19 и разрешает работу устройства в основном режиме. В этот момент также разрешается четвер ым коммутирующим элементом 21 прохождение сигнала с выхода датчика 3 давления на пиковый детектор 26, что обеспечивает запоминание на некоторое время наибольшего давления жид- кости при включенном насосе 14. Сразу вслед за этим по прошествии времени задержки &ta so втором элементе 17 задержки насос 14 выключается. Четвертый выпрямитель 24 не дает при этом вновь запуститься второму управляющему триггеру 25.

По прошествии времени задержки Д.ta в третьем элементе 18 задержки, что необходимо для полной остановки насоса 14 и измерения давления жидкости сразу после выключения насоса 14, разрешается в течение короткого импульса третьего элемента 18 задержки прохождение в регистр 32 информации через селектор 31.

Эта информация представляет собой сумму, реализованную сумматором 28, сигналов с выхода пикового детектора 26 к с выхода элемента 27 вычитания, который непрерывно вычитает из сигнала задатчика-максимального статического давления жидкости в резервуаре сигнал с выхода датчика 3 давления.

В аналого-цифровом преобразовате- ле 30 блока 29 памяти аналоговый сигнал преобразуется в параллельный двоичный код, разрешение прохождения которого в цифроаналоговый преобразователь 33 осуществляется селек тором 31 по селектирующему импульсу с выхода третьего элемента 18 задержки. Суммарный сигнал хранится в регистре 32 до очередного выключения насоса 14, когда произойдет коррекци суммарного сигнала, представляющего собой автоматически формируемое значение порога для отключения подачи жидкости в резервуар 34 в следующем периоде его заполнения. После выключения насоса 14 уровень жидкости в резервуаре 34 уменьшается в зависимости от расхода жидкости потребителями до минимального заданного значения, насос 14 включается и те- перь работает до тех пор, пока изме„ ряемое давление жидкости не превысит

«тяолученное в предыдущем периоде суммарное, т.е. когда сигнал с выхода датчика 3 давления станет равным или превысит сигнал с выхода цифроанало гового преобразователя 33. Второй триггер Шмитта 7 срабатывает, и импульс с выхода второго выпрямителя 9, через открытый второй коммутирую- ерш элемен.т 19 начинает очередной цикл выборочного измерения давления, вычисления и запоминания нового зна „ чения суммарного давления.

Через 2-3 цикла работы устройство обеспечит точное заполнение резервуара до заданного уровня, несмотря на то, что датчик 3 давления установлен не в резервуаре 34, а рядом с погружным насосом 31 водоподъемной скважине 36, и естественно отсутствуют соединительные проводники между

.водонапорной башней 35 и водоподъемной скважиной 37, которые на практи- ке могут быть разнесены на значительное расстояние друг от друга.

Формула изобретения

п

- п 5 л о 5

5

выход которого подключен к второму входу второго триггера Шмитта, выход второго выпрямителя соединен с входом второго коммутирующего элемента, управляющий вход которого подключен к выходу второго управляющего триггера и к управляющему входу третьего коммутирующего элемента, связанного входом с выходом первого выпрямителя, а выходом через первый элемент задержки - с входом второго элемента задержки, с входом обнуления второго управляющего триггера, выходом вто - рого коммутирующего элемента, входом третьего элемента задержки и с управляющим входом четвертого коммутирующего элемента, выход датчика давления подключен к первому входу элемента вычитания и входу четвертого коммутирующего гэлемента, выход которого соединен с -входом пикового детектора, второй вход элемента вычитания связан с выходом задатчика максимального статического давления жидкости в резервуаре, а второй вход сумматора - с выходом пикового детектора,, выход ключа через последовательно соединенные третий дифференцирующий элемент, третий и четвертый выпрямители подключен к обнуляющему входу первого управляющего триггера и к выходу второго элемента задержки, установочный вход iвторого управляющего триггера соединен с выходом третьего выпрямителя, а выход третьего элемента задержки подключен к управляющему входу блока памяти.,

f OTWPOC

I

«

Ј

28

29

%l.4