Седиментационный гранулометр Советский патент 1982 года по МПК G01N15/04 

(54) СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ ГРАНУЛОМЕТР

1

.Изобретение относится к контролю параметров технологических процессов-и может использовано на предприятиях, применяющих измельчение и классификацию исходного сырья, изготавливающих дисперсные продукты, а также при исследовании почв - для определения гранулометрического состава веществ.

Известно устройство для седиментационного анализа веществ. Устройство содержит осадительную трубу, сообщающуюся с измерительной трубкой, снабженной щкалой. Измеряя уровень меннска жидкости в измерительной трубке в различные моменты времени после введения в осадительную трубу анализируемого вещества, определяют путем вычисления его грануломет- j рический состав С1 ,

.Недостатком устройства ; является низкая точность измерения. Это обусловлено ошибкой визуального определения уровня мениска жидкости в измерительной трубке.20

Наиболее близким к изобретению по технической сущиости и достигаемому результату является устройство для определения гранулометрического состава вещества. .

Устройство содержит осадительный цилиндр и сообщающуюся с ним измерительную трубку, электронный уровнемер я схему обработки . сигналов 2.

Недостатком устройства является низкая точность измеревия.

Целью изобретения является повышение точности путем увеличения разрещаницей способности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем осадительный цилиндр и сообщающуюся с ним измерительную трубку, зпектронный уровнемер и схему обработки сигналов, схема обработки сигналов содержит . счетчик импульсов, схему сравнения кодов, регистр, формирователь меток времени, вычислительное устройство, схему автоматической коррекции измерительного тракта, управляемый генератор импульсов, синхронизатор и три ключа, при этом выход уровнемера соединен с входом счегшка, выход которого через первый ключ подключен к первому входу схемы сравнения кодов, второй вход которой соединен с первым выходом регистра, а второй выход регистра подключен 397 к первому входу вычислительного устройства, второй вход которого соединен с выходом счетчика N, управлянндим входом второго клю ча, выход которого подсоединен к входу регистра, а вход подключен к выходу Больше схемы сравнения кодов, и через третий ключ с входом схемы автоматической коррекции изм рительного тракта, выход которой через управляемый генератор импульсов соединен с управляющим входом уровнемера, причем третий вход вычислительного устройства через формирователь меток времени соединен с выходом Равно схемы сравнения кодов, а четвертый вход вычислительного устройства подключен к управляющему входу первого ключа и первому выходу блока синхронизации, соединенному с первым коммутационным входом уровнемера, второй выход блока синхронизации подключен к входу обнуления счетчика, а третий. - к вто рому коммутационному входу уровнемера, соединенному с зшравляющим входом третьего ключа. Уровнемер выполнен в виде автогенераторного измерителя с частотным выходом, запуск . которого осуществляется: подачей импульсной команды на его управляющий вход, а в колебательный конт5Ф через ключи поочередно включаются измерительный чувствительный эле мент и эталонная индуктивность путем подачи команд на коммутирующие входы уровнемера. Измерительный чувствительный элемент уро немера вьшолнен в виде поплавка, к которому прикреплен сердечник, содержащий пакет электрически изолированных пластин из ферромагн ного материала, например пермоллоя, перемещающийся внутри катушки индуктивности, при чем сечение катушки вьшолнено прямоугольным. Схема коррекции измерительного тракта содержит последовательно соединенные формирователь сигнала ощибки, интегратор и усилитель с передаточной характеристикой вида К (Р) -JSaiiL -.т: где TI и Тз - постоянные времени ВС - цепе KO - безразмерный коэффициент, а параметры схемы коррекции измерительного тракта выбираются так, чтобы выполнялись следующие условия Tib . -. где Тз постоянная времени интегрирующей цепн; Т - период следования калибровочных радиоимпульсов; оиГ напряжение сигнала ошибки (в безразмерных относительных единицах); Kf- крутизна характеристики управляемого генератора ( в безразмерных относительных единицах). На фиг. 1 показана структурная схема предложенного гранулометра; на фиг. 2-7 графики, поясняющие его работу. Устройство содержит осадительный цилиндр 1 и сообщающуюся с ним измерительную трубку 2. Измерение уровня жидкости в трубке 2 осуществляется с помощью электронного уровнемера 3, выходной сигнал которого в виде чередующихся во времени измерительных и калибровочных радиоимпульсов подается на вход счетчика 4. Выходы счетчика 4 подключены через первый ключ 5 к схеме сравнения кодов 6, через второй ключ 7 - к схеме автоматической коррекции измерительного тракта 8, через третий ключ 9 - к регистру 10, а также непосредственно к вычислительному устройству И. Выход Больше 12 схемы сравнения кодов 6 соединен с управляющим входом ключа 9, выход Меньше 13 схемы 6 подключен к входу формирователя меток времени 14, выход которого соединен с вычислительным устройством 11. Выходной сигнал схемы автоматической коррекции измерительного тракта 8 управляет длительностью импульсов управляемого генератора 15, подключенного выходом к управляющему входу 16 уравнемера 3. Управление устройствами, входящими в состав гранулометра, осуществляется с помощью синхронизатора 17, выходы 18 которого подктночены к управляющим входам 19, 20 и 34, ключей 5, 7 и вычислительного устройства 11 и к коммутирующим входам 21 и 22уровнемера 3, а также к входу 35 обнуления счетчика 4. Электронный уровнемер 3 выполнен в виде автогенераторного измерителя 23с частотным выходом, запуск которого осуществляется подачей импульсной команды на вход 16, а в колебательный контур автогенератора 23 через коммутаторы 24 и 25 поочередно включаются измерительный чувствительный элемент 26 и эталонная индуктивность 27. Измерительный чувствительный элемент 26 выполнен в виде поплавка 28, к которому прикреплен сердечник 29, содержащий пакет электрически изолированных пластин из ферромагнитного материала, перемещающийся внутри катушки индуктивности 30. Схема 8 автоматической коррекции измерительного тракта содержит последовательно соединенные формирователь 31 сигнала ощибкй,ннтегратор 32 и усилитель 33. Седиментапяонный гранулометр работает следующим образом. При введении в осадителышш цилиндр 1 (фиг. 1) твердого анализируемого вещества, вследствие различия плотностей образовавшейся в цилиндре 1 суспензии и находящейся в трубке 2 дисперсионной среды (жидкости) уровень жидкости в измерительной трубке 2 повышается (фиг. 2), достигая в момент Т максимального приращения h, (относительно первоначального уровня до введения твердого), определяемого массой твердого ntY , его плотность плотностью дисперсионной среды Рщ и площадью поперечного сечения. S ocaдиfeльнoгo щшиндра 1 в соответствии с формулой РТВ- Яш макс TB Tft J 01 В момент Т 2 43 суспензии выпадают самые крупные частищ 1 анализируемого вещества, что приводит к уменьшению массы твердого в суспензии и соответствующему снижению уровня жидкости в измерительной трубке 2. Каждому из последующих моментов времени V J , 1- . . . , Tj, соответствуют приращения уровня жидкости в измерительной трубке 2, пропорциональные массе твердого., находящегося в данный момент в суспензии (не выпавщего в осадок). Вычислив по закону Стокса или определив экспериментально моменты времени f,., Г ..., ff, , соответствующие прохождению через осадительную трубу 1 частиц определенных эквивалентных радиусов (определенной крупно ти), по измеренным значениям приращений уровня h|j,Qp(c. Ьз, Иц . . ., hf, с помощью известных формул и методики определяют про центное содержание классов крупности в анализируемой пробе. Электронньт измеритель 3 уровня обеспе чивает преобразование уровня жидкости в измерительной трубке 2 в пропор1щональное изм нение частоты электрических колебаний. При зтом он работает в импульсном режиме, генерируя колебания только в течение времени, определяемого длительностью команды (фиг. 3). Выходной сигнал уровнемера 3 (фиг. 4) представляет собой пачки гармонических колебаний (радиоимпульсы). Для обеспечения высокой точности и стабильности изме рения уровня каждому измерению предшествует автоматическая коррекщ1я измерительного тракта с использованием эталонного радиоим пульса Р и . , позволяющая исключить влияние дестабилизирующих факторов (изменения питающих напряжений, температуры, влажности, старения деталей и т. п.) на точность измерения уровня. Таким образом, уровнемер 3 работает в режиме разделения времени между измерительным и калибровочнь м сигналами. В исходном состоянии, до введения в осадительный цилиндр 1 анализируемого твердого вещества, уровень жидкости в измерительной трубке 2 минимален (приращение уровня равно нулю). Ферромагнитный сердечник 29 измерительного чувствительного элемента 26 оказывается максимально вдвинутым в катушку 30. Индуктивность катушки 30 при зтом максимальна, а частота колебаний автогенератора 23 после включения катушки 30 в его контур по команде (фиг. 5) , поданной на коммутирующий вход 21, оказьтается минимальной. После введеАия в осадительную трубу 1 твердого уровень жидкости в трубке 2 повышается, что приводит к выдвиганию сердечника 29 из катушки 30, и росту частоты fi,M колебаний. Соответственно растет и число колебаний Nиз за время t ,(Фиг. 4). изм иам Число Nv,3M(t) на данном такте измерения записывается в счетчик 4 и через ключ 5 поступает на первый вход схемы сравнения 6. На второй вход схемы сравнения 6 поступает число - 1), записанное в регистр 10 в момент времени (t-1), т. е. на предыдущем такте измерения. Если уровень жидкости в измерительной трубе растет (участок О -Т , фиг. 2), то вьщолняется условие (t) N;,,(t-i). При зтом появляется разрешающая команда на выходе Больше 12 схемы сравнения 6, и число из счетчика 4 переписывается в регистр 10, после чего счетчик 4 обнуляется. Поскольку условие (3) выполняется на интервале (О, Е , фиг. 2), в момент t в регистр окажется записанным число ,,.. , пропорциональное максимальному приращению уровня в измерительной трубке 2 h. Начиная с момента t. , запись в регистр 10 прекращается. В перврм же такте после момента С появится разрешающая команда, на выходе Тавно 13 схемы сравнения 6. Эта команда запустит фо{ 1нровате.ль меток ( времени 14, который выдаст команды регистрации чисел, записанных в счетчике 4 в моменты fi , . . (фиг. 2). Начиная с момента tr (фиг. 2), соответствующего осаждению наиболее крупных частиц, уровень жидкости в измерительной трубке 2 начинает падать, сердечник 29 вдвигается в катушку 30, частота колебаний автогенератора 23 падает и в момент V f достигает своего минимального значения. К этому моменту в вычислительном устройстве ..оказывается вся необходимая информация для расчета содержания анализируемых классов: и текущие значения Из, h4. . . , hf, , а также моменты времени , . Ч). - Результаты вычислений, выполненных вычислительным устройством 11, поступают на выход гранулометра. . Правильная работа измерительного тракта обеспечивается благодаря привязке с помощью команды UKOM.мэм (фиг. 5) момента включения в контур автогенератора 23 через коммута тор 24 измерительного чувствительного элемента 26 к моменту передачи информации из счетчика 4 через ключ 5 на схему сравнения бив вычислительное устройство 11, путем подачи команды 11,0м. управляющие входы 19, 34 ключа 5 и вычислительного устройства 11. Выполнение катушки 30 прямоугольного по перечного сечения обеспечивает максимальную протяженность линейного участка зависимости частоты колебаний генератора 23 от уровня жидкости в измерительной трубке 2. Рассмотрим работу схемы автоматической коррекции измерительного тракта 8, обеспечивающей практически полное устранение влияния дестабилизирующих факторов и помех на результат измерений гранулометрического состава веществ. В паузах между импульсами UKOM.MJM. когда коммутатор 24 выключен и соответствен но измерительный чувствительный элемент 26 отключен от автогенератора 23, а ключ 5 разомкнут и вычислительное устройство 11 заГблокировано по входу 34, синхронизатор вырабатывает команду UKOM. калибр (фиг. 6), по которой в контур автогенератора 23 через коммутатор 25 включается эталонная индуктив ность 27, а выходы счетчика 4 через ключ 7 подключаются к входу схемы автоматической стабилизации измерительного тракта 8. При этом автогенератор 23 формирует эталонный радиоимпульс длительностью t (фиг. 4). Величина эталонной индуктивности 27 выби рается так, чтобы при первоначальной настройке гранулометра за время tQ(фиг. 4) в счетчик 4 прошло NQ импульсов NO fo- Ч W где fp - первоначальное значение частоты автогенератора 23 при включении в его контур эталонной индуктивности 27. При наборе в счетчике 4 числа N формируется команда включения формирователя сигнала оцшбки 31 . Выключение формирователя 31 происходит по заднему фронту команды иком.кйлиБр (фиг. 7). Длительность импульса ощибки при этом принимается за поминальную, а схема коррекции 8 строится так, «гто при tmn 1цо, отсутствует воздействие на управляемый генератор 15. Дестабилизирующие факторы и помехи приводят к тому, что при неизменном значении эталонной индуктивности 27 частота колебаний отклоняется от первоначального значения f . Если в данный момент времени частота, например, возросла, то набор числа в счетчике 4 N npoизойдет раньше, передний фронт импульса ошибки сдвинется влево, а длительность импульса вырастет на величину, заштрихованную на фиг. 7 горизонтально (t + ). Импульс ошибки интегрируется интегратором 32, в результате чего напряжение на выходе интегратора увеличивается пропорционально увеличению длительности импульса ошибки i После усиления проинтегрированного импульса ошибки усилителем 33, выходной сигнал последнего управляет длительностью импульсов i генератора 15 до тех пор, пока увеличение частоты автогенератора 23 не будет скомпенсировано соответствующим уменьшением длительности радиоимпульсов ,,p так, чтобы число колебаний, прошедших в счетчик 4 за время измерения, вернулось к первоначальному значению. Таким образом, возникновение Лишних колебаний на интервале измерения компенсируется сужением самого интервала до тех пор, пока Лишние колебания не скомпенсируются. Аналогично уменьшение частоты относительно первоначального значения fjj приводит к сужению импульса ошибки (наклонная штриховка на фиг. 7). При этом вырабатывается управляющий сигнал другого знака, который увеличивает длительность импульсов генератора 15 до тех пор, пока Недостаюшие колебания не войдут в интервал измерения. Управляющий сигнал запоминается схемой коррекции 8 и воздействует также на генератор 15 при формировании измерительного радиоимпул а Ри,) . Рассмотренная схема автоматической коррекции измерительного тракта 8 является импульсной системой автоматического регулирования по отклонению. Установлено, что устойчивость, системы обеспечивается при выполнении следующих условий2 (S) vi (6) де Т - период следования калибровочных радиоимпульсов; TI, Tj - постоянные времени RC - цепей усилителя 33; Up ц, - напряжение сигнала ошибки (в безразмерных относительных единицах) ; К I- - крутизна характеристики управляемого генератора 15 (в безразмерных относительных единицах), а передаточная характернстика усилителя 33 должна иметь следующий вид КоИ+РТ,) Предложенное построение седиментационного гранулометра обеспечивает достижение положит тельного эффекта, заключающегося в повышении точности и разрешающей способности. Повышение точности измерений достигается благодаря введению электронного уровнемера с выходным частотным сигналом в виде пачек гармонических колебаний (радиоимпульсов). При этом обеспечивается высокая регистрация информации благодаря представлению ее в цифровой форме с помощью счетчика числа колебаний радиоимпульса. Это позволяет рабо тать с разбавленными суспензиями, чем исключаются ошибки измерения, связанные с взаимны влиянием осаждающихся частиц. Кроме того, использование выходного сигнала в виде пачек колебаний позволяет наиболее простым образом точно зафиксировать максимальное приращение уровня в измерительной трубке путем сравнения числа колебаний в последовательно идущих пачках и таким образом исключить погрешность в определении процентного содержания заданных классов крупности, связанную с ошибкой регистрации максимального уровня в измерительной трубке. Повышение разрешающей способности достигается благодаря элиминированию влияния деста билизирующих факторов и помех на результат измерения уровня в измерительной трубке. Формула изобретения 1. Седиментационный гранулометр, содержащий осадительный цилиндр и сообщакяцуюся с ним измерительную трубку, злектронный уровнемер и схему обработки сигналов, о т л и ч а ,ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точкости путем увеличения разрешающей способности, схема обработки сигналов содержит счетчик импульсов, схему сравнения кодов, регистр схему автоматической коррекции измерительного тракта, управляемый генератор импульсов, синхронизатор и три ключа, при этом выход уровнемера соединен с входом счетчика, выход которого через первый ключ подключен к первому входу схемы сравнения кодов, второй вход которой соединен d первым выходом регистра, а второй выход решетра подключен к первому входу вычислительного устройства, второй вход которого соединен с выходом счетчика U, входом второго ключа, выход которого подсоединен к входу регистра, а управляющий вход подключен к выходу Больше схемы сравнения кодов, и через третий ключ - с входом схемы автоматической коррекций измерительного тракта, выход которой через управляемый генератор импульсов соединен с управляющим входом уровнемера, причем третий, вход вычислительного устройства через формирователь меток времени соединен с выходом Равно схемы сравнения кодов, а четвертый вход вычислительного устройства подключен к управляющему входу первого ключ и первому выходу синхронизатора, соединенному с первым коммутационным входом уровнемера, вторюй выход синхронизатора подключен к входу обнуления счетчика, а третий - к второму коммутационному входу уровнемера, соединенному с управляющим входом третьего ключа. 2. Гранулометр по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что схема автоматической коррекции измерительного тракта содержит последовательно соединенные формирователь сигнала ошибки, интегратор и усилитель с передаточной функцией вида .. . . koC-f+PT ) , , где TI и Tj - постоянные времени RC-цепей; KO - безразмерный коэффициент; а параметры схемы коррекции измерительного тракта выбирают так, чтобы выполнялись следующие условия TO - I 7- 2 где Тз - постоянная времени интегрирующей Т - период следования калибровочных радиоимпульсов; Цдц,- напряжение сигнала ошибки в безразмерных (относительных) единицах; К(- - крутизна характеристики управляемого генератора в безразмерных (относительных) единицах. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 433384, кл. G 01 N 15/04, 1971. 2,Авторское свидетельство СССР по заявке № 2684397/18-25, кл. G 01 N 15/00, 1979 (npoTOTfm).

PUffjff

V,

УР

fffff.es/fy

f Kff/fff/fP n/f

I

0fff.4

Фг/2.7