Устройство для вычисления плотностиНЕфТЕпРОдуКТОВ Советский патент 1981 года по МПК G06G7/48 

1

Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике и может быть использовано при измерении плотности и массового расхода нефти и нефтепродуктов на объектах нефтяной и нефтехимической промышленности.

Известно устройство для измерения плотности жидкости, содержащее вибрационночастотный датчик, систему возбуждения и измеритель частоты 1. Недостатком устройства является то, что в нем осуществляется регистрация частоты или периода, а плотность определяется расчетным путем в соответствии с уравнением

р ЛГ -Б-ав,

где АиВ - калибровочные параметры

плотномера;

р - измеряемая плотность; 7р - период выходной частоты датчика плотности; а - температурный коэффициент

плотномера;

6 -20°С - приведенная температура жидкости.-9

Эта операция трудоемка и вносит дополнительные субъективные погрешности в результат измерения плотности. Такое устройство непригодно для применения в автоматизированных системах управления.

Из известных устройств для вычисления плотности наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее датчик плотности, соединенный с входом первого делителя частоты, генератор опорной частоты, блок линеаризации, блок ключей, управляющие входы которых

соедииены с выходом первого делителя частоты и с входом установки единицы триггера, вход установки нуля которого подключен к выходу двоичного счетчика, установочные входы которого через блок ключей соединены с первым установочным входом устройства 2.

Устройство содержит, кроме того, источник опорного напряжения, усилитель и преобразователь напряжение-код.

Недостатком его является низкая точность измерения плотности. Действительно, при технической реализации известной структуры блока линеаризации наиболее эффективные схемные решения получаются

при использовании аналоговых операционных элементов, как это имеет место в прототипе. Естественно, что в этом случае возникают погрешности, вызванные остаточными параметрами коммутирующих элементов, нестабильностью (временой и темнературной) операционных усилителей, резисторов, источника опорного напряжения и др. В связи с этим в производственных условиях, даже при использовании дорогостоящих высокостабильных аналоговых элементов не удается получить погрешность линеаризации лучше, чем 0,-2%. Более того, для получения такой точности преобразования требуется периодическая настройка и калибровка, что в условиях эксплуатации является весьма трудоемкой задачей. Построение же блока линеаризации по известной структуре на элементах дискретной техники не дает желаемого результата, так как при высокой точности моделирования характеристики плотномера объем оборудования блока линеаризации в несколько раз превосходит объем остальной части схемы и его реализация становится нецелесообразной.

Целью изобретения является увеличение точности измерения плотности.

Достигается это тем, что в устройство для вычисления плотности нефтепродуктов, содержащее датчик нлотности, выход которого подключен к входу делителя частоты, генератор опорной частоты, блок линеаризации, блок ключей, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты и с единичным входом триггера, нулевой вход которого подключен к выходу двоичного счетчика, установочный вход которого соединен с выходом блока ключей, вход которого является нервым установочным входом устройства, введены первый и второй двоичные умножители, первый и второй ключи, реверсивный счетчик, аналого-цифровой преобразователь и датчик температуры, выход которого подключен к первому входу аналого-цифрового иреобразователя, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты и с нервым входом первого ключа, второй вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, выход нервого ключа соединен с первым входом первого двоичного умножителя, второй вход которого является вторым установочным входом устройства, выход нервого двоичного умножителя через блок линеаризации подключен к счетному входу двоичного счетчика и к первому входу второго ключа, второй вход которого соединен с инверсным выходом триггера, выход второго ключа соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, вычитающий вход которого подключен к выходу второго двоичного умножителя, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого является третьим установочным входом устройства. Кроме того, блок линеаризации содержит двоичный счетчик, делитель частоты, грунпу ключей и элемент ИЛИ, один вход которого соединен с первым выходом делителя частоты, второй выход которого подключен к входу двоичного счетчика, выходы которого соединены с нервыми входами ключей грунны, вторые входы 5 которых подключены к группе выходов делителя частоты, вход которого является входом блока линеаризации, выходы ключей группы соединены с другими входами элемента ИЛИ, выход которого является 0 выходом блока линеаризации.

На фиг. 1 дано устройство для вычисления плотности нефтепродуктов; на фиг. 2 показано исполнение блока линеаризации.

Устройство содержит датчик нлотности 1, 5 делитель частоты 2, первый и второй ключи 3 и 4, генератор опорной частоты 5, первый и второй двоичные умножители 6, 7, блок линеаризации 8, датчик темнературы 9, аналого-цифровой преобразователь 10, 0 блок ключей 11, триггер 12, реверсивный счетчик 13, двоичный счетчик 14, блок 8 содержит двоичный счетчик 15, делитель частоты 16, группу ключей 17, элемент ИЛИ 18.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии на первый, второй и третий установочные входы устройства соответственно поданы двоичные коды, численно равные

NA VW.; N 2п- ВК, N, К, а.

Значения этих кодов рассчитываются заранее, исходя из градуировочных параметров

5 датчика плотности Л, Б и а, максимальной температуры измеряемой среды бтаж, разрядности двоичного умножителя 6 - т, разрядности двоичного счетчика 14 - пи масштабирующего коэффициента /Ср. Далее устройство функционирует так. Выходной частотный сигнал датчика плотности 1 с периодом, равным Гр, поступает на делитель частоты 2, который формирует на выходе прямоугольные импульсы длительностью Tu - KgTf) и частотой следования fu /KgTp, где Kg - коэффициент деления делителя частоты. Передний фронт импульса TU устанавливает триггер 12 в единичное состояние, открывает блок ключей 11 и

0 тем самым записывает двоичный кодовый эквивалент числа В по установочным входам в двоичный счетчик 14. Одновременно с этим открывается ключ 3 и импульсы генератора опорной частоты 5 начинают поступать на счетный вход двоичного умножителя 6. Сформированный в течение времени TU на выходе ключа 3 числоимпульсный код Ny KgTfifo, где fo - частота генератора опорной частоты, умнол ается в двоичном умножителе на коэффициент, равный А Л/л/2™ КЛ/Лмакс- Таким образом на выходе двоичного умножителя вырабатывается числоимпульсный код

NryAiA,

который в блоке линеаризации 8, представляющим собой цифровой функциональный преобразователь с кусочно-линейной аппроксимацией, преобразуется в новое значение число-импульсного кода, равного

(Nr) K,ATl, где

rj. 0 макс

д р -масштабирующий Kgfo

коэффициент.

Код далее одновременно поступает на счетный вход двоичного счетчика 14 и первый вход ключа 4, который по второму входу заперт низким уровнем напряжения с нулевого выхода триггера 12. Такое состояние схемы сохраняется до тех пор, пока импульс переполнения двоичного счетчика, появляющийся на ()В входной импульс, не установит триггер 12 в нулевое состояние. Ключ 4 открывается, и выходные импульсы блока линеаризации 8 начинают поступать на суммирующий вход реверсивного счетчика 13, который в момент окончания импульса 7„ фиксирует код числа

TV; N,-NB K. (Л7р - .6).

Задним фронтом импульса Г„ запускается аналого-цифровой цреобразователь 10, который в течение паузы Тп Ти преобразует выходное напряжение датчика температуры 9 в числоимпульсный код JVe , пропорциональный приведенной температуре измеряемого потока. Этот код поступает в двоичный умножитель 7, где цутем умножения на код Na формируется температурная поправка в виде числоимпульсного кода

N,,K,o:.e.

Код температурной поправки затем подается на вычитающий вход реверсивного счетчика 13. Таким образом, в результате двух циклов преобразования в реверсивном счетчике формируется код

NT /Ср (ЛГр -В- ав),

пропорциональный плотности жидкости.

Блок линеаризации работает следующим образом. В исходном положении делитель частоты 16 и двоичный счетчик 15 находятся в нулевом состоянии. При этом на управляющие входы группы ключей 17 с прямых выходов триггеров двоичного счетчика 15 подается нулевой уровень напряжения. Такому состоянию схемы соответствует первый участок аппроксимации с коэффициентом наклона, равным , где Р - разрядность делителя частоты 16. Далее схема функционирует так. При поступ.тении на вход двоичного умножителя NT 2 импульсов на выходе элемента ИЛИ 18 появится один импульс числоимцульсного кода Лр, а делитель частоты 16 возвращается в исходное положение. Кроме того, на его выходе формируется импульс переполнения, который записывается в двоичный счетчик 15, осуществляя тем самым переключение участка аппроксимации. Теперь сигнал логической единицы подается на последний ключ группы ключей 17. Этому состоянию соответствует второй участок аппроксимации с коэффициента наклона, равным /С2 3/2-Р. Таким образом, на втором участке аппроксимации на выход элемента ИЛИ 18 пройдет 3 импульса. Рассуждая аналогично можно получить формулу для коэффициента наклона аппроксимирующей прямой на любом /-ом участке

аппроксимации в виде

/С (2/-1)/2.

Таким образом, в узлах аппроксимации

1т -2Р, где , 2, ... п, блок линеаризации формирует числоимпульсный код

.±(2j-i),

представляющий собой сумму нечетных чисел натурального ряда. Эту сумму, как известно, можно представить в виде следующей функции

-().

30

Следовательно, в узлах аппроксимации блок линеаризации формирует точные значения аппроксимирз емой функции, а в точках, лежащих между двумя соседними узлами, - приближенные значения с максимальной погрещностью, равной

(2р-1) + .

Тогда, выбирая суммарную разрядность

делителя частоты и двоичного счетчика, равную, например, 17, получим максимальную абсолютную погрешность аппроксимации, равную А 2. Этому значению А соответствует приведенная погрещность линеаризации, равная ул () 100% 0,002%. Эта погрешность, как нетрудно видеть, на два порядка меньше погрешности линеаризации известного устройства. Примененная в предлагаемом устройстве

цепь коррекции температурной погрешности позволяет исключить дополнительную погрешность измерения, вызванную изменением температуры измеряемой жидкости. Вместе с тем доля погрешности, вносимая цепью коррекции в основную погрешность устройства, будет чрезвычайно малой. Так, при измерении температуры с точностью до 0,1°С для датчика плотности типа АИП эта доля погрешности составит величину, равную 0,008%.

Таким образом, реализация данного изобретения позволяет на два порядка повысить точность линеаризации характеристики плотномера и исключить погрешность,

вызванную изменением температуры йЭМе

ряемой среды, что в целом приводит к увеличению точности измерения плотности.

Формула нзобретения

1. Устройство для вычисления плотности нефтепродуктов, содержащее датчик плотности, выход которого подключен к в/ходу делителя частоты, генератор опорной частоты, блок линеаризации, блок ключей, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты и с единичным входом триггера, нулевой вход которого подключен к выходу двоичного счетчика, установочный вход которого соединен с выходом блока ключей, вход которого является первым установочным входом устройства, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности, в устройство введены первый и второй двоичные умножители, первый и второй ключи, реверсивный счетчик, аналого-цифровой преобразователь и датчик температуры, выход которого подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты и с первым входом первого ключа, второй вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, выход первого ключа соединен с первым входом первого двоичного умножителя, второй вход которого является вторым установочным входом устройства, выход первого двоичного умнол ителя

через блок линеаризации подключен к счетному входу двоичного счетчика и к первому входу второго ключа, второй вход которого соединен с инверсным выходом триггера, выход второго ключа соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, вычитающий вход которого подключен к выходу второго двоичного умножителя, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого является третьим установочным входом устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок линеаризации солержит двоичный счетчик, делитель частоты, группу ключей и элемент ИЛИ, один вход которого соединен с первым выходом делителя частоты, второй выход которого подключен к входу двоичного счетчика, выходы которого соединены с первыми входами ключей группы, вторые входы которых подключены к группе выходов делителя частоты, вход которого является входом блока линеаризации, выходы ключей группы соединеиы с другими входами элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока линеаризации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

I. Авторское свидетельство СССР № 446809, кл. G 01 N 9/10, 1973.

2. Патент Великобритании № 1294489, G1U, опубл. 1972 (прототип).