Устройство для определения заиленности водосборника Советский патент 1992 года по МПК G01F17/00 

Изобретение относится к области устройств для управления и регулирования уровня жидкости с использованием электрических средств и может быть использовано для определения степени заиленности и фактической емкости шахтных и карьерных водосборников при открытой и подземной добыче полезных ископаемых.

Известны системы и устройства контроля Технологических параметров и управления насосными установками, содержащие датчики различных параметров процесса, подключенные через программный, логический и решающий блоки к системе управления приводом насоса (а.с. СССР № 813353, кл. G 05 В 11/00, Б.И. № 10, 1981; заявки Японии № 57-4665, кл. G 05 D 9/12, Из-за руб. № 5, 1983). Недостатками этих устройств является отсутствие возможности автоматического оперативного и точного определения заиленности водосборника с последующей индикацией информации. Возможно только эпизодическое приблизительное определение заиловки расчетным путем через промежуточные параметры, контролируемые данными устройствами. Значения этих параметров совокупно зависят не только от заиловки, но и от изменений подучи насоса, величины водопритока, что не дает возможности однозначно и точно определить степень заиловки водосборника.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для управления перекачкой жидкости (а.с. СССР № 1004988, кл. G 05 D 9/12, Б.И. № 10, 1983), обладающее функцией контроля степени заиливания водосборника. Устройство содержит блок определения степени заиливания водосборника, который состоит из двух ультразвуковых датчиков уровня и вычислителя (вычитателя), определяющего степень заиливания и выдающего соответствующую информацию на блок индикации. Первый датчик уровня из- меряет уровень жидкости над слоем ила, второй датчик настроен так, что измеряет уровень жидкости от строительного дна водосборника. Разность между этими уровнями пропорциональна степени заиливания водосборника. Устройство содержит также генератор импульсов, логический блок, счетчики импульсов и др. элементы, обеспечивающие управление перекачкой жидкости. Данное устройство обладает недостаточной точностью, что объясняется следующим. С помощью уровнемеров и вычитателя измеряется уровень илоотложения только в месте установки уровнемеров. Между тем шахтные и карьерные водосборники имеют значительные размеры, в каждом месте илоотложения в водосборнике различные. Оценить величину объема или с помощью измерения толщины илоотложения только в одной точке водосборника можно только приблизительно. Таким образом, сигнал, вырабатываемый как разность двух уровней, не может с достаточной точностью характеризовать фактическую сте0 пень заиливания водосборника.

Цель изобретения - повышение точности работы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство определения заиленности во5 досборника, содержащее первый и второй датчики уровня, генератор импульсов, выход которого соединен со счетными входами первого и второго счетчиков, и блок вычисления показателя заиливания выход

0 которого подключен к информационному входу блока индикации, дополнительно введены третий датчик уровня, блок определения фаз цикла заполнения, третий счетчик, задэтчик числа циклов, задатчик отношения

5 объемов и два усредняющих фильтра. При этом выходы первого, второго и третьего датчиков уровня соединены с соответствующими информационными входами блока определения фаз цикла заполнения, выход

0 фаз заполнения верхнего объема которого соединен с разрешающим входом первого счетчика, а выход фазы заполнения нижнего объема с разрешающим входом второго счетчика. Выходы первого и второго счетчи5 ков соединены с входами задания усредняемого времени соответственно первого и второго усредняющих фильтров, входы задания показателя усреднения которых соединены с выходом задатчика числа циклов и

0 с установочным входом третьего счетчика, Счетный вход третьего с етчика с выходом фазы откачки блока определения фаз цикла заполнения, а его выход обнуления подключен к входу отметки заданной точности вы5 числения блока индикации. Выходы задатчика отношения объемов и усредняющих фильтров соединены с соответствующими информационными входами блока вычисления показателя заиливания, выход

0 которого соединен с информационным входом блока индикации.

Предлагаемая структура устройства для определения заиленности водосборника позволяет получить качественно отличный

5 от прототипа принцип определения заиливания водосборника и повысить точность работы устройства, что может быть пояснено следующим образом.

В изобретении используются три датчика уровня жидкости: первый - датчик нижнего уровня - устанавливается в приемном колодце водосборника на уровне строительного дна водосборника. Второй - датчик верхнего уровня - устанавливается для индикации заполнения всей емкости. Третий - датчик промежуточного уровня -устанавливается между первым и вторым датчиками так, чтобы было известно соотношение объемов частей водосборника: U Vp2/Vpi, где Vpi - объем части водосборника между уровнями установки третьего и второго датчиков, a VP2 - между уровнями установки первого и третьего датчиков. При этом в процессе эксплуатации водосборника в результате заиливания изменяется объем только нижней части водосборника Vp2, a объем верхней его части Vpi остается неизменным. Контролируя времена заполнения обеих частей водосборника, предлагаемое устройство таким образом позволяет определять степень заиливания водосборника на основе объемных соотношений, а не на основе соотношений уровней, как это реализовано в прототипе, что приводит к повышению точности работы устройства, особенно при неравномерных водоприто- ках.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для определения заиленности водосборника; на фиг.2 - схема установки электродных датчиков уровней в водосборнике; на фиг.З - схема блока определения фаз цикла заполнения и диаграмма его работы, на фиг.4 - алгоритм работы усредняющих фильтров.

Устройство для определения заиленности водосборника (фиг.1) содержит три датчика уровня: первый - нижнего уровня (НУ) 1, второй - верхнего уровня (ВУ) 2, третий - промежуточного уровня (ПУ) 3. Выходы этих датчиков подключены к соответствующим информационным входам блока определения фаз цикла заполнения 4, который имеет три выхода: выход фазы заполнения нижнего объема соединен с разрешающим входом первого счетчика 5, выход фазы заполнения верхнего объема - с разрешающим входом второго счетчика 6, а выход фазы - со счетным входом третьего счетчика 7. Счет ные входы первого 5 и второго 6 счетчиков импульсов соединены с выходом генератора импульсов 8, а их выходы - соответственно с входами задания усредняемого времени первого 9 и второго 10 усредняющих фильтров, входы задания показателя усреднения которых, а также установочный вход третьего счетчика 7 подключены к выходу задат- чика числа циклов 11. Выходы усредняющих фильтров 9 и 10 подключены соответственно к первому и второму информационным

входам блока вычисления показателя заиливания 12, третий вход которого подключены к выходу задатчика отношения объемов 13, а выход - к информационному входу блока

индикации 14. Вход отметки заданной точности вычисления блока индикации 14 соединен с выходом обнуления третьего счетчика 7.

Устройство работает следующим обра0 зом. При откачке воды из водосборника в момент, когда уровень воды в приемном колодце водосборника 15 (фиг.2) станет ниже уровня установки датчика 1, насосная установка б отключается и начинается процесс

5 заполнения водосборника. Сначала срабатывает датчик нижнего уровня 1, затем, когда заполнится часть объема водосборника Vp2 - датчик 3 промежуточного уровня, затем, когда заполнится верхняя часть объема

0 водосборника Vpi - датчик 2 - верхнего уровня. После этого насосная установка 16, оборудованная устройством автоматического управления, включается и откачивает воду.

5 Блок определения фаз цикла заполнения 4 формирует уровень логической единицы по выходу фазы заполнения объема в период времени, когда заполняется часть емкости Vpi водосборника, то есть между

0 моментом замыкания датчика 3 и моментом замыкания датчика 2 (диаграмма Выход 1, фиг.З). По выходе фазы заполнения объема блока определения фазы цикла заполнения 4 формируется логическая единица в период

5 времени, когда заполняется часть емкости водосборника Vp2, то есть между моментами замыкания датчика 1 и замыкания датчика 3 (диаграмма Выход 2, фиг.З). По выходу фазы откачки блока определения фазы цикла

0 заполнения формируется уровень логической единицы в период времени между размыканием датчика 2 и размыканием датчика 1, то есть в период откачки всей емкости водосборника VP1+VP2, что является призна5 ком полного цикла работы насосной установки в автоматическом режиме.

В исходном начальном состоянии счетчики 5,6 и 7 находятся в нулевом состоянии. При заполнении части емкости Vpi с выхода

0 фазы заполнения верхнего объема блока определения фазы цикла заполнения 4 на раз- решающий вход счетчика 5 подается уровень логической 1 и счетчик считает импульсы, поступающие на его счетный вход с

5 генератора 8. Таким образом, по окончании периода заполнения части емкости Vpi -первый счетчик 5 будет хранить число импульсов, подсчитанных за период заполнения Vpi, которое пропорционально времени заполнения ti верхней части емкости водосборника. Аналогично, второй счетчик б по окончании заполнения части емкости VP2 будет хранить число импульсов, пропорциональное времени заполнения t2 нижней части водосборника VP2.

После каждого цикла заполнений водосборника полученные числа с выхода счетчиков 5 и б поступают на усредняющие фильтры 9 и 10, которые определяют усредненные значений времен заполнения емкостей Vpi и VP2 соответственно за требуемые п циклов. Число п, необходимое для усреднения, задается с помощью задатчика 11 числа циклов. Алгоритм работы усредняющих фильтров 9 и 10 представлен на фиг.4.

Если фактическое число циклов заполнения водосборника с момента начала рабо- ты устройства для определения заиленности водосборника меньше требуемого, задаваемого задатчиком числа циклов 11, то считается, что точность определения степени заиленности водосборника ниже установленной. Поэтому для сигнализации состояния, когда фактическое число циклов заполнения водосборника меньше установленного на задатчике числа циклов 11 используется третий счетчик 7, на счетный вход которого поступают импульсы с выхода фазы откачки блока 4,, а на его предварительный установочный вход - число п с задатчика числа циклов 11. Если количество фактически подсчитанных циклов работы водоотливной установки достигнет числа п, то счетчик 7, работающий в режиме инверсного счета с предварительной установкой числа п, досчитает до Нуля и на его выходе обнуления появится уровень логической единицы, который поступает на вход блока индикации 14, где индицируется и при этом свидетельствует, что определенный к данному моменту уровень заиливания водосборника вычислен с требуемой, наперед заданной с помощью установленного на задатчике числа циклов 11 числа п, точностью.

На выходе первого усредняющего фильтра 9 формируется параметр ц, характеризующий среднее время заполнения емкости Vpi в соответствии с алгоритмом (фиг.4), а на выходе фильтра 10 - параметр t2, характеризующий .среднее время заполнения части емкости водосборника VP2 в соответствии с таким же алгоритмом (фиг.4). Задатчик отношения объемов определяет двоичное число v Vp2/Vpi которое должно быть согласовано с фактическим уровнем установки датчика 3 в водосборнике. При этом блок вычисления показателя заиливания 12 определяет фактическую степень заиливания водосборника а по формуле

1

4- V

(V

Н)-100%

(1)

Данный результат выдается на индикацию в блок индикации 14.

Конкретная реализация блоков и узлов изобретения может быть представлена следующим образом.

Датчики уровня 1,2,3-электродные датчики уровня, представляющие собой электрод, имеющий определенный потенциал, который изменяется до нуля, если электрод соприкасается с жидкостью. Блок определения фаз цикла заполнения 4 представлен на фиг.З. Счетчики 5, 6 и 7 - микросхема К561ИЕ11, имеющая счетный вход, входы сброса, прямого и инверсного счета, параллельный вход предварительной установки

двоичного кода, параллельный четырехза- рядный выход и выход переноса.

Генератор импульсов 8 аналогичен генератору прототипа. В качестве усредняющих фильтров 9, 10 и блока вычисления

показателя заиливания 12 может быть применена однокристалльная Микро-ЭВМ, например, типа К1820ВЕ1. Задатчики числа циклов 11 и отношения объемов 13 - переключатели с кодовым выходом. Блок индикации 14 аналогичен блоку прототипа, только вместо аналоговой индикации степени заиливания применяется цифровая индикация. Индикация логического уровня с выхода счетчика 7 осуществляется, например, светодиодом.

Наличие сигнала логической единицы с выхода счетчика 7 свидетельствует, что результат (1) определен с требуемой точностью (например, 5%), а отсутствие такого

сигнала с выхода счетчика 7 - о том, что результат (1) не гарантирует требуемую точность определения заиленности. Это можно доказать следующим образом. Пусть имеется неравномерный нестационарный водоприток в водосборник q. Неравномерность его определяется различными факторами (погодой, технологией работ и т.п.), Нестационарность имеет сезонный характер. На периоде стационарности водоприток имеет

математическое ожидание M(q) 0.

Для незаиленного водосборника (а 0) времена заполнения частей емкости водосборника составят:

Т,«Јй11 Q

12

V

Q

При заиливании водосборника, имея в виду, что при этом уменьшается только емкость VP2:

Vp2

100

(Vpi+Vp2)

Q

Отношение времени заполнения обеих частей водосборника равно:

Ошибка д определяется дисперсией

(72 времени заполнения всей емкости водосборника. Например, для доверительной вероятности р 0,05 и при п циклов измерения времени заполнения водосборника:

д

п

Сущность изобретения: выявление изменения соотношения объемов нижней и верхней частей водосборника по средним временам их заполнения. Устройство содер-жит датчики уровня (t.2,3). блок определения фаз цикла заполнения (4), счетчики

(VPi-fVp2)

ТТО

Это отношение не зависит от водопритока q и его матожидания Q, что является преимуществом реализованного в устройстве метода определения заиленности водосборника. Обозначив v Vp2/Vpi. из (2) получим:

llr v100

(1+v)

откуда следует соотношение (1).

Определяемые в процессе функционирования устройства параметры ti и tz не являются математическими ожиданиями, а представляют собой средние значения времени заполнения емкостей Vpi и VP2 по измерениям. Поэтому сами эти параметры являются случайными и имеют матожидания M(ti) и M(t2) и дисперсии си2 /пи

Ozz /п, где си2 и (72 2 -дисперсии случайных величин ti Vpi/q Vp2/q. Погрешности оценок времени ti и t2 обозначим д 1 j M(ti) - ti ; 62 | M(t2) -121. Тогда ошибка в определении показателя заиливания водосборника равна: , u nrt 0oh M(Ml юо/л

. , ь а-а -мотЩ

100

Тч

мци

M(t,l

«U,b&4 Г Ошибки д 1 и д 2 пропорциональны среднеквадратичным отклонениям в и (72. Заменим эти ошибки на не меньшее значение д - ошибку определения времени заполнения всей емкости водосборника. С учетом того, что в соответствии с (3)

OL М

1(12)

-ри) v юо

получим из (4):

100-а

b

МПТТ о

10

15

Для этой доверительной вероятности из (5) можно определить необходимое число циклов п, при котором ошибка определения степени заиленности водосборника не пре- высит 5% (Ь 5):

20

п

2д

100-а

)4 b 2оf 100-a L4 v

+ 1)

5

5

0

0

5

Данное число устанавливается за датчиком числа ииклов 11 (фиг.1). Если фактическое число циклов работы устройства меньше п, то погрешность определения степени заиленности водосборника может быть большей, чем требуемая в данном примере 5%.

Применение изобретение позволит по- высмть точность определения заиливания водосборников, что приводит к оптимизации работ по очистке водосборников и более достоверной оценке фактической текущей регулировочной емкости водосборников и, следовательно, к более точному энергосберегающему управлению водоотливными установками за счет оптимального совмещения периодов максимальной загрузки энергосистемы с периодом заполнения водосборников. Экономический эффект составляет в среднем 6800 руб. на одно устройство.

Формула изобретения

Устройство для определения заиленно- е. сти водосборника, содержащее первый и второй датчики уровня, генератор импульсов, выход которого соединен со счетными входами первого и второго счетчиков, и блок вычисления показателя заиливания, выход которого подключен к информационному входу блока индикации, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены третий датчик уровня, блок определения фаз цикла заполнения, третий счетчик, задатчикчисла циклов, задатчик отношения объемов и два усредняющих фильтра, при этом выходы первого, второго и третьего датчиков уровня соединены с соответствующими информационными входами блока определения фаз цикла заполнения.

выход фазы заполнения нижнего объема которого соединен с разрешающим входом первого счетчика, а выход фазы заполнения верхнего объема - с разрешающим входом второго счетчика, выходы первого и второго счетчиков соединены с входами задания усредняемого времени соответственно первого и второго усредняющего фильтров, вход задания показателя усреднения которых соединен с выходом задатчика числа циклов и с установочным входом третьего счетчика,

/ВУ/

/ПУ/ /НУ/

Датчик I /НУ/

Датчик 3 /ПУ/

Датчик 2 /ВУ/

, ВЬход, 1 Выход 2 иод 3

счетный вход которого соединен с выходом фазы откачки блока определения фаз цикла заполнения, а выход обнуления третьего счетчика соединен с входом отметки заданной точности вычисления блока индикации, выходы задатчика отношения объемов и усредняющих фильтров соединены с соответствующими информационными входами блока вычисления показателя заиливания, выход которого соединен с информационным входом блока индикации.

(Цоцяло )

.

МЈГ