Устройство для определения объемного расхода жидкости Советский патент 1992 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо измерять с высокой точностью объемный расход жидкости продуктов, подаваемых к потребителям из емкостей.

Известны устройства для измерения расхода, в которых в качестве датчиков используются турбинные преобразователи расхода (ТПР), устанавливаемые в магистралях подачи жидких продуктов к потребителям, в котором измерительная схема содержит ТПР и датчики температуры, подключенные к информационным входам вычислителей массовых расходов смешиваемых продуктов через преобразователи частота-код и напряжение-код соответственно.

Недостаток этих устройств заключается в их низкой точности, вызванной большой погрешностью (до 2%) измерения самих ТПР.

Известен измеритель объема жидкости содержащий генератор импульсов, делитель частоты, счетчик опроса, дешифратор, две группы элементов И. элемент ИЛИ, интеграторы, компараторы и узел пересчета. В этом приборе в качестве первичных преобразователей использованы рециркуляционные датчики уровня, установленные в емкости. Для каждого из них частота рециркуляции зондирующего импульса определи ется уровнем жидкости в контролируемой емкости, однако погрешность преобразования этого параметра в частотный сигнал достаточно высока и существенно зависит от температуры жидкости, что ограничивает область использования данного измерителя.

Известно устройство для измерения суммарного расхода жидкости и газов, взятое за прототип, содержащее датчик объем- ного расхода, подключенный через формирователь к измерителю периода, опорный генератор, выход которого подключен к счетному входу формирователя, два триггера, счетчик,выходом подключенный к регистратору, два блока сравнения

VI

N5 CJ Јь Јь О

кодов, блок набора кода, ключ, инвертор, счетчик периода, умножитель частоты и блок набора коэффициента умножения, причем первые входы блоков сравнения кодов подключены к выходам измерителя периода и блока набора кода, а их вторые входы подключены к выходу счетчика периода, выход первого блока сравнения кодов подключен к входу установки в Г первого триггера и входу установки в О второго триггера, вход установки в 1 которого подключен к выходу второго блока сравнения кодов, выход опорного генератора дополнительно подключен к первому входу умножителя частоты, второй вход которого соединен с бло- ком набора коэффициента умножения, входом обнуления первого триггера, с первым информационным входом и через инвертор - со стробирующими входами блоков сравнения кодов, выход умножителя частоты подключен к второму информационному входу ключа, управляющий вход которого подключен к выходу второго триггера, а выход - к счетному входу счетчика периода, при этом выход первого тригге- ра подключен к управляющему входу счетчика периода и входу счетчика.

Это устройство также имеет низкую точность измерения из-за большой погрешности преобразования измеряемого параметра в частотный сигнал, осуществляемую датчиком объемного расхода турбинного типа.

Цель изобретения - повышение точности измерения расхода.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения объемного расхода жидкости, содержащее датчик объемного расхода жидкости, первый и второй счетчики импульсов, два триггера, первый и второй блоки памяти, два ключа, блок сравнения кодов, блок элементов совпадения и регистратор, адресными входами подключенный к выходам второго счетчика импульсов, первая группа выходов первого блока памяти подключена к первой группе информационных входов блока элементов совпадения, выход первого триггера соединен с управляющим входом первого ключа, введены преобразователь дискретных сигна- лов в двоичный код, подключенный к выходу датчика объемного расхода, первый - четвертый регистры, одновибратор, таймер, подключенный входом запуска к выходу второго ключа, элемент И, элемент ИЛИ, элемент задержки, два блока вычитания, блок деления, блок умножения и блок управления, подключенный первым - седьмым выходами соответственно к управляющим входам первого и второго блоков вычитания, блока деления, блока умножения, к счетному входу второго счетчика импульсов, к входу управления записью регистратора и к входу сброса первого триггера, объединенному с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с установочным входом первого триггера, входом обнуления второго триггера, входами записи третьего и четвёртого регистров и подключен к выходу элемента И, соединенного первым входом через элемент задержки и одновибратор с выходом блока сравнения кодов, подключенного первой группой входов к выходам преобразователя дискретных сигналов в двоичный код непосредственно, а второй группой входов - через первый регистр, соединенный входом записи с выходом одновибратора и входом записи второго регистра, а выходами подключенный к адресным входам второго блока памяти, соединенного выходами с первой группой входов первого блока вычитания, а с его второй группой входов - через третий регистр, выходы таймера подключены ко второй группе входов блока элементов совпадения и к входам второго регистра, подключенного выходами к первой группе входов второго блока вычитания непосредственно, а к второй группе его входов через четвертый регистр, выходы блоков вычитания подключены соответственно к первой и второй группам входов блока деления, подключенного к второй группе входов регистратора непосредственно, а к его третьей группе входов - через блок умножения, соединенный второй группой входов с второй группой выходов первого блока памяти, адресными входами подключенного к выходам первого счетчика импульсов, соединенного счетным входом с выходом элемента ИЛИ, выход блока элементов совпадения через первый ключ соединен с установочным входом второго триггера, подключенного выходом к второму входу элемента И, а второй выход первого ключа соединен с входом запуска блока управления.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг.2 -схема преобразователя дискретных сигналов в двоичный код; на фиг. 3 - схема датчика объемного расхода и его внешний вид; на фиг. 4 - схема первого блока памяти.

Устройство содержит емкость 1 с жидким продуктом, в которую установлен датчик 2 объемного расхода жидкости и снабженную клапаном 3, смонтированным на выходной магистрали, источник 4 сжатого газа, редуктор 5 давления газа, преобразователь 6 дискретных сигналов в двоичный код, регистры 7-10, блок 11 сравнения кодов, одновибратор 12, триггеры 13 и 14, таймер 15, включающий, например, счетчик 16 импульсов, элемент И 17, генератор 18 временных импульсов и элемент НЕ 19, первый ключ 20, блоки 21, 22 памяти, блок 23 элементов совпадения, второй ключ 24, элемент 25 задержки, элемент И 26, элемент ИЛИ 27, счетчики 28 и 29 импульсов, блоки 30, 31 вычитания, блоки деления 32 и умножения 33, регистратор 34, элементы 35 и 36 установки счетчиков в исходное состояние и блок 37 управления в составе счетчика 38 импульсов, элемента И 39, генератора 40 тактовых импульсов и триггера 41.

Преобразователь 6 включает (фиг. 2) ди- одную матрицу (шифратор) 42, элементы И 43-1 - 43-п и элементы НЕ 44-1 - 44-п,

Для измерения расхода жидкости использован дискретный датчик уровня 2, основу которого составляют, например, емкостные индикаторы, представляющие собой LC-генераторы 45 (фиг. 3), соединенные по выходу с пороговыми элементами46. Емкость С каждого из генераторов выполнена в виде двух пар металлических штырей 47, закрепленных с помощью диэлектрических втулок 48 на основании 49, которое устанавливается на кожухе уровнемера 2 посредством бобышки 49-1. Штыри 47 являются чувствительными элементами индика- торов. Они расположены равномерно по высоте датчика 2 с шагом Z, выбираемым в пределах 35-50 мм. Схемные элементы генераторов 45-1 - 45-п и пороговых узлов 46-1 - 46-п смонтированы в выносном бло- ке 50, являющемся неотъемлемой частью датчика 2. Со штырями 47 они связаны экранированной электропроводкой, проходящей внутри его герметизированного кожуха.

Блок 21 памяти содержит, например, дешифратор 51 (фиг. 4), первую 52-1 - 52-q и вторую 53-1 - 53-q группы элементов памяти и ключи 54-1 - 54-q, 55-1 - 55-q. Блок 22 имеет одну группу ячеек памяти, количество которых равно числу индикаторов уровня датчика 2.

Устройство работает следующим образом.

В сухом виде каждый из генераторов 45 настраивают на резонансную частоту fpea, которой на выходе его порогового элемента 46 электрический сигнал отсутствует. При изменении емкости С более чем на 20% от номинального значения, что соответствует погружению штырей 47 в жидкость, режим работы генератора 45 нарушается (срыв генерируемой частоты fpea) и на выходе порогового элемента 46 появляется потенциальный сигнал в виде логической 1.

С помощью блока 6 он преобразуется в двоичный параллельный код, которому соответствует вполне определенный объем емкости 1, находящийся под зеркалом жидкости. Зависимость величины этого объема Vj от кодового измерительного сигнала KODVj, формируемого преобразователем б, устанавливается специальной градуировкой датчика 2 после его монтажа в емкость 1.

В исходном состоянии клапан 3 закрыт, емкость 1 заполнена жидким продуктом в количестве, достаточном для выполнения запланированного цикла технологических операций. Источник 4 наполнен сжатым газом и с помощью редуктора 5 в емкости создано некоторое избыточное давление, которое в дальнейшем поддерживается постоянным. Ключ 20 разомкнут, триггеры 13 и 14, счетчики 16, 29, 38 и ячейки памяти регистратора 34 обнулены. Регистры 8-10 и блоки 30-33 содержат произвольную информацию. Ключ 24 установлен в положение, в котором к выходу блока 23 подсоединен установочный вход триггера 14. В элементы памяти 52-1 -52-q блока 21 записана последовательность временных уставок т.н1, 1к1, tH2, Т.к2, Тнз и т. д., например в виде двоичных кодов, соответствующих началу и окончанию мерных участков, в пределах которых должно быть измерено количество израсходованного продукта и, например, его усредненный секундный расход. В четные ячейки 53-2, 53-4, 53-6 и т. д. второй группы элементов памяти записаны длительности Ati, At2, Д т.з и т, Д. мерных участков, равные разности соответствующих временных уставок:

At1 tk1-tH1, At2 tk2-TH2

В память блока 22 считана градуировоч- ная характеристика датчика 2, как функция объема Vj емкости 1 от выходного кода KODVj преобразователя 6, где j означает

порядковый номер индикатора ,2,3п).

При этом за базовый принят уровень жидкости, приходящийся на нижние штыри 47-п уровнемера 2, т.е. .

В общем случае технологический процесс может быть начат с любого уровня жидкости в емкости 1, поэтому на выходах преобразователя 6 установлен код, соответствующий порядковому номеру индикатора, чувствительные элементы 47 которого находятся непосредственно над зеркалом жидкости. Например, емкость заполнена до 2-го индикатора. В этом случае те из них, штыри которых находятся в жидкости, формируют единичные сигналы, а два верхних индикатора- нулевые. В преобразователе 6 элементы И 43-1, 43-3, 43-4 и все последующие, включая 43-п, закрыты, а элемент И 43-2 открыт и на выходах диодной матрицы 42 установлен код 0000010, который записан в регистр 7. Сигнал на выходе блока 11 отсутствует. Он появляется только лишь в том случае, когда код KODVj, поступающий на его первую группу входов, превысит по величине кодовое значение измерительного сигнала KODVj-i, хранящееся в регистре 7.

На выходах адресного счетчика 28 сформирован начальный код, который через де- шифратор51 блока21 открывает ключи 54-1 и считывает на первую группу входов блока 23 кодовое значение временной уставки tHi, записанное в ячейке памяти 52-1.

Устройство включают в работу замыканием ключа 20 одновременно с подачей команды на открытие клапана 3. При этом открывается элемент И 17 таймера 15 и импульсы напряжения, вырабатываемые генератором 18, начинают заполнять счетчик 16, организуя отсчет времени технологического процесса.

После открытия клапана 3 жидкий продукт начинает поступать в потребители с секундным расходом, определяемым режимом их работы. При этом по мере опорожнения емкости Т срабатывают LC-генераторы 45-3, 45-4 и т. д. датчика 2 и на выходах пороговых элементов 46-3,46-4,46-5 и т. д. устанавливаются нулевые сигналы, которые следующим образом видоизменяют состояние схемы устройства: при срабатывании, например, порогового элемента 46-3, открывается элемент И 43-3, а элемент 43-2 закрывается и на выходах преобразователя 6 устанавливается новый код, равный 0000011; на выходе блока 11 формируется сигнал несравнения информационных кодов, который с помощью одновибратора 12 преобразуется в импульс напряжения, адресуемый на входы записи регистров 7 и 8; по этой команде в регистр 7 записывается код 0000011, а в регистр 8 - код текущего времени t3, относящийся к моменту прохождения уровнем жидкости плоскости чувствительного элемента 47-3; выход блока 11 обнуляется, а на выходах блока 22 устанавливается кодовое значение объема Va жидкости между элементами 47-3 и 47-п датчика 2.

Срабатывание остальных индикаторов фиксируется схемой устройства аналогичным образом, при этом каждый раз обновляется содержимое регистра 8 и на выходах блока 22 формируется новая информация, относящаяся к объему жидкости, оставшейся в емкости 1.

Другая часть схемных элементов контролирует начало и окончание мерных участков. При совпадении кодов текущего времени ti и начальной установки tHi на выходе блока 23 появляется импульсный сигнал, который запоминается триггером 14. Последний открывает элемент И 26, переключая схему устройства в режим ожидания очередного срабатывания датчика 2. При

поступлении с него новой информации, преобразуемой блоком 6 в код KODVj, а затем одновибратором 12 в импульс напряжения, схема устройства принимает вид: в регистры 7 и 8 записываются соответственно коды

KODVj и KODtj; через интервал времени, равный уставке элемента 25 задержки и достаточный для устойчивого переключения регистра 8, его содержимое считывается в регистр 10; одновременно в другой регистр

9 записывается код, соответствующий объему Vj жидкости, выделенный блоком 22 памяти; кроме того, импульсный сигнал, сформированный элементом 25, через элементы И 26 и ИЛИ 27 транслируется на

счетный вход счетчика 28 и увеличивает его содержимое на 1; в блоке 21 открываются ключи 54-2, 55-2, а ключи 54-1,55-1 закрываются, вследствие чего на его первую группу выходов считывается код временной

уставки . а на вторую группу выходов - код величины мерного участка Ди: по этой же команде триггер 13 переводится в единичное состояние, изменяя положение ключа 24, а триггер 14 сбрасывается в ноль,

закрывая элемент И 26.

Мерный участок приходится, как правило, на постоянный режим работы потребителей, в течение которого секундный расход жидкого продукта из емкости 1 остается неизменным. По его окончании на выходе блока 23 формируется второй импульсный сигнал, который через ключ 24 адресуется на вход запуска блока 37 управления и далее на установочный вход его триггера 41.

Последний переводится в единичное состояние и открывает элемент И 39, разрешая тем самым прохождение импульсов тактовой частоты на вход счетчика 38. Он формирует 7 управляющих команд, которые

задают необходимую последовательность выполнения вычислительных операций, А именно, по первой команде блок 30 определяет освободившийся объем AVi емкости 1, заключенный между расчетными индикаторами датчика 2, т. е.

AVl VrVj+q1,(2)

где Vj - начальный объем продукта в емкости, зафиксированный датчиком 2 после

формирования временной метки ш1 и хранящейся в регистре 9;

Vj+qi - остаточный объем жидкогб продукта, считываемый с выходов блока 22 памяти;

qi - количество индикаторов, сработавших на первом мерном участке;

По 2-й команде другой блок 31 вычитания определяет интервал времени Ati между срабатываниями расчетных индикаторов

An-tj+«H-tj,

(3)

3-я и 4-я команды запускают блоки 32 и 33, которые вычисляют секундный объем- ный расход mi жидкого продукта, а затем его фактический расход на первом мерном участке

mi

(4)

Qi miAti; (5)

5-я и 6-я команды предназначены для считывания полученных результатов в ячейки памяти регистратора 34, адрес которых устанавливается счетчиком 29.

По 7-й команде триггер 13 и ключ 24

возвращаются в исходное состояние, а со

держимое счетчика 28 увеличив&зтся на 1, что приводит к выводу новой информации из блока 21 - на его первой группе выходов устанавливается код временной уставки tn2, относящейся к началу второго мерного уча- стка.

По последней команде, формируемой на выходе переполнения счетчика 38, обнуляется триггер 41, закрывая элемент И 39, а сам счетчик возвращается в исходное состо- яние.

Второй и последующие мерные участки организуются после программной перестройки режима работы потребителей и со- ответствующего изменения скорости опорожнения емкости 1. При этом информация о величине объема жидкости, фиксируемая датчиком 2 в начале каждого мерного участка, и времени срабатывания соответст- вующего индикатора, записывается в регистры 9,10, а вычисление параметров ma, Q2, а затем тз, Оз и т. д. по окончанию мерных участков производится аналогично описанному выше с записью получаемых результа- тов в блок 34 по адресам, устанавливаемым счетчиком 29.

Устройство выключается из работы по завершению запланированного цикла тех5

0

5

0

5

0

5

0

5 0 5

нологических операций размыканием ключа 20 одновременно с подачей команды на закрытие клапана 3.

Формула изобретения Устройство для определения объемного расхода жидкости, содержащее датчик объемного расхода жидкости, первый и второй счетчики импульсов, первый и второй триггеры, первый и второй блоки памяти, первый и второй ключи, блок сравнения, блок элементов совпадения и регистратор, адресными входами подключенный к выходам второго счетчика импульсов, первая группа выходов первого блока памяти подключена к первой группе информационных входов блока элементов совпадения, выход первого триггера соединен с управляющим входом первого ключа, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены преобразователь дискретных сигналов в двоичный код, подключенный к выходу датчика объемного расхода, первый, второй, третий и четвертый регистры, одно- вибратор, таймер, подключенный входом запуска к выходу первого ключа, элемент И. элемент ИЛИ, элемент задержки, первый и второй блоки вычитания, блок деления, блок умножения и блок управления, подключенный первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами соответственно к управляющим входам первого и второго блоков вычитания, блока деления, блока умножения, к счетному входу второго счетчика импульсов, к входу управления записью регистратора и к входу сброса первого триггера, объединенному, с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с установочным входом первого триггера, входом обнуления второго триггера, входами записи третьего и четвертого регистров и подключен к выходу элемента И, соединенного первым входом через элемент задержки и одновибратор с выходом блока сравнения, подключенного первой группой входов к выходам преобразователя, дискретных сигналов в двоичный код непосредственно, а второй группой входов - через первый регистр, соединенный входом записи с выходом одновибратора и входом записи второго регистра, а выходами подключенный к адресным входам второго блока памяти, соединенного выходами с первой группой входов первого блока вычитания, а с его второй группой входов - через третий регистр, выходы таймера подключены к второй группе входов блока элементов совпадения и к входам второго регистра, подключенного выходами к первой группе входов второго блока вычитания непосредственно, а к второй группе его входов через четвертый регистр, выходы первого и второго блоков вычитания подключены соответственно к первой и второй группам входов блока деления, подключенного к второй группе входов регистратора непосредственно, а к его третьей группе входов - через блок умножения, соединенный второй группой входов с второй группой выходов первого блока памяти, адресными входами

0

подключенного к выходам первого счетчика импульсов, соединенного счетным входом с выходом элемента ИЛИ, выход блока элементов совпадения через второй ключ соединен с установочным входом второго триггера, подключенного выходом к второму входу элемента И, второй выход второго ключа соединен с входом запуска блока управления.

09

«8fr

u-gti

tff

«a

Изобретение относится к расходомет- рии и позволяет повысить точность измерения объемного расхода. При изменении уровня контролируемой жидкости режим работы генератора нарушается и на выходе порогового элемента появляется потенциальный сигнал в виде логической 1. Из блока памяти считываются значения объема жидкости в соответствии с градуировочной характеристикой уровнемера. По считываемой информации определяется секундный расход жидкости и ее суммарный расход на каждом из мерных участков. 4 ил.

г/

, i i i

ol ll ll fiZ ill gl gl

e s-e-ft

Г

«ga 4iT

/-fi/7

i

-J--Ly

г гп0

,

№&.

j i i

jj

Ofrteea

Фигз

Фиг. 4