Пневмометрический плотномер

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно ,к устройствам для измерения плотности жидкости пневмометрическим методом . Цель изобретения - повьшение точности измерения гоютности жидкости за счет снижения влияния погрешности вторичного измерительного прибора , регистрирующего сигнал дифманометра, и частичной компенсации неидентнчности потерь в пневмолиниях в различных тактах измерения. Пневмометрический плотномер содержит систему питания воздухом I, пневмолинии 2 и 3, дифманометр 4, измерительные трубки 13, 15, 8 и 10, пог- . ружейные в контролируемую жидкость на глубины Hj.; Н. + h; Н(, Hi + h, я . S задатчик перепа,ча давления 19, управляюще-вычислительный блок 24, пневмоклапаны 5-7, 9, 12, 14, 18, 20, 22 и 23, пневмодроссель 16 и пневматические КС-цепи 17 и 21. Определение текущей плотности,происходит по результатам 4 последних тактов измерения и, начиная с четвертого , результат выдается каждый такт, Цикл измерения включает два симметричных мультипликативных Y, и Y и два симметричных аддитивных Y, и 4 воздействия, задаваемых управляющевычислительным блоком 24 путем соответствующей коммутации пневмоклапанов, который обрабатывает измерительный алгоритм в реальном масштабе времерш. Искомая плотность определяется расчетным путем по зависимости PO(YI-Y)/ gh() Условия работы плотномера и параметры дифманометра 4 не вносят погрешности в результат измерения, так как автоматически корректируются при расчете. Перед регистрацией сигналов . с помощью пневмоклапана 7 в ппюсовую линию 2 кратковременно подключается пневмодроссель 16, что позволяет искг лючить погрешность гистерезиса дифманометра 4. 3 ил. (Л С Фиг.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5D 4 С 01 N 9/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4153307/31-25 (22) 27.10.86 (46) 30.12.88. Бюп. В 48 (71) Куйбышевский политехнический институт им. В.В.Куйбышева (72) М.3 ° Кравец и В.II ° Миронов (53) 531.756 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 1245942, кл. G 01 N 9/28, 1985.

Авторское свидетельство СССР

В 1332190 ° кл. С Ol В 9/28, 1986 ° (54) ПНЕВМОМЕТРИЧЕСКИЙ ПЛОТНОМЕР (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения плотности жидкости пневмометрическим методом. Цель изобретения - повышение точности измерения плотности жидкости за счет снижения влияния погрешности вторичного измерительного прибора, регистрирующего сигнап дифманометра, и частичной компенсации неидентичности потерь в пневмолиниях в различных тактах измерения. Пневмометрический плотномер содержит систему питания воздухом 1, пневмолинии 2 и 3, дифманометр 4, измерительные трубки 13, 15, 8 и 10, погруженные в контролируемую жидкость на глубины Н, Н + h; Н, Н, + h, IS.Я0 144 242 А1 эадатчик перепада давления 19, управляюще-вычислительный блок 24, пневмоклапаны 5-7, 9, 12, 14, 18, 20, 22 и 23, пневмодроссель 16 и пневматические RC-цепи 17 и 21. Определение текущей плотности,происходит по результатам 4 последних тактов измерения и, начиная с четвертого, результат выдается каждый такт.

Цикл измерения включает два симметричных мультипликативных У, и Yg u два симметричных аддитивных Y y H Yy воздействия, задаваемых управляющевычислительным блоком 24 путем соответствующей коммутации пневмоклапанов, который обрабатывает измерительный апгоритм в реальном масштабе времени. Искомая плотность определяется расчетным путем по зависимости

Pî.(Yê-У< )/ ЕЬ(У -Уэ) . Условия Работы плотномера и параметры дифманометра 4 не вносят погрешности в результат измерения, так как автоматически корректируются при расчете.

Перед регистрацией сигналов У -У4 с помощью пневмоклапана 7 в ппюсовую линию 2 кратковременно подключается пневмодроссель 16> что позволяет иск.— лючить погрешность гистереэиса дифманометра 4. 3 ил.

1448242

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения плотности жидкости, и может быть использовано в различных отраслях промьпп5 ленности.

Цель изобретения - повьппение точности измерения sa счет снижения влияния погрешности вторичного измерительного прибора, регистрирующего сигнал дифманометра, и частичной компенсации неидентнчности потерь в пневмолиниях в различных тактах измерения. 15

На фиг.1 изображена структурная схема пневмометрического плотномера; на фиг.2 — временная диаграмма работы плотномера, где показано из— менение сигналов управляюще-вычислительного блока на его выходах; на фиг.3 — вариант структурной схемы управляюще-вычислительного блока, Пневмометрический плотномер содержит систему 1 питания воздухом, 25 питающую плюсовую 2 и минусовую 3 независимые пневмолинии, между которыми включен дифманометр 4. Ппюсовая линия 2 через нормально открытые пневмоклапаны 5 и 6 и нормально эак30 рытый пневмоклапан 7 питает длинную основную трубку 8, погруженную в контролируемую жидкость на глубину

Н,, а через нормально закрытый пневмоклапан 9 и пневмоклапаны 5 и 7 длинную дополнительную трубку 10, погруженную в жидкость на глубину

Н, + h. Минусовая линия 3 через нормапьно открытые пневмоклапаны 11 и

12 питает короткую основную трубку

13, погруженную в жидкость на глуби40 ну Н, а через нормально закрытый пневмоклапан 14 и пневмоклапан 11 короткую дополнительную трубку 15, погруженную в жидкость на глубину

Н +1.

В плюсовой линии 2 байпасно пневмоклапану 7 включен пневмодроссель

16, а байпасно пневмоклапану 5 и последовательно соединенной с ним пневматической RC-цепи 17 - последователь- 0 но соединенные нормально .закрытый пневмоклапан 18, эадатчик 19 перепада давления и нормально закрытый пневмоклапан 20. В минусовой линии

3 байпасно пневмоклапану 11 н последовательно соединенной с ним пневматической RC-цепи 21 подключены пос-. ледовательно соединенные нормально закрытый пневмоклапан 22, эадатчик !

9 перепада давг ения и нормально закрытый пневмоклапан 23.

Выход дифманометра 4 соединен с выходом управляюще-вычислительного блока 24, первый выход которого связан с входами управления пневмоклапанов 6 и 9, второй — с входами управления пневмоклапанов 1! 22 и

23, пятый — с входами управления пневмоклапанов 12 и !4, четвертый— с входами управления пневмоклапанов

5, 12 и 20, а третий - с входами управления пневмоклапана 7.

Управляюще-вычислительный блок

24 содержит (фиг.З) преобразователь

25 напряжение-частота, вход .которого связан с выходом дифманометра 4, генератор 26, выход которого соединен с входом распределителя 27 импульсов и одновибратором 28. Первый, второй, третий и четвертый выходы распределителя 27 соответственно соединены с первыми входами 2932 совпадения, вторые входы которых связаны с выходом одновибратора 28, а выходы — соответственно с входами формирователей ЗЗ и 36 коротких импульсов и первыми входами схем 3740 совпадения. Вторые входы схем 3740 совпадения соединены с выходом преобразователя 25, а выходы - соответственно с первыми счетными входами счетчиков 41-44, вторые {сброса) входы которых соответственно связаны с выходами формирователей 33-36 °

Выходы счетчиков 41 и 42 соответственно связаны с первым и вторым входами вычитателя 45, а выходы счетчиков 43 и 44 — с .первым и вторым входами вычитателя 46 соответственно. Выходы вычитателей 45 и 46 соединены, соответственно, с первым и вторым входами множительно-делительного блока 47, третий вход которого связан с выходом блока 48 уставки, а четвертый — с выходом одновибратора

28, Oeps ° вторым, пятым и четвертым выходамн управляюще-вычислительного блока 24 соответственно являются второй третий, первый и четвертый выходы распределителя 27, а третьнмвыход одновибратора 28.

Пневмометрический нпотномер работает следующим образом.

Определение текущей плотности жидкости происходит по результатам з 14482

4 последних тактов, формируемых управляюще-вычислительным блоком 24.

Начиная с четвертого такта расчетное значение плотности выдается по окон5 чании каждого такФа измерения. Длительность всех тактов постоянна и равна Т.

Значения управляющих сигналов

U(в U å U H U4. На первых тырех 10 выходах управляюще-вычислительного блока 24 в соответствии с фиг.2 приведены в таблице.

В первом такте открыты пневмокла15 паны 5, 6, 11 и 14, а пиевмоклапаны

18, 22, 20, 23, 9 и 12 закрыты и работают трубки 8 и 15.

На плюсовую камеру дифманометра

4 в первом такте действует давление

Р, =ояН, +Р„+Рр, + Pv, + где 11 - плотность контролируемой

25 жидкости;

g 9,81 м/с - ускорение свободного падения;

P - потери давления в пневматиЛ ческой КС-цепи и пневмолинии 2 ° обусловленные трением воздуха о стенки пневмо-, линии;

P3 — избыточное давление воздуха, обусловленное силами поверхностного натяжения, необхо- 35 димое для отрыва пузырька воздуха от нижнего конца трубки;

Р1,, - давление, обусловленное скоростным напором жидкости, 4О изменяющее условие отрыва воздуха от нижнего конца трубки.

Аналогично на минусовую камеру дифманометра 4 в первом такте дейст- 45 вует давление

42 где у — выходной сигнал дифманометра, например, ток или напряжение; а — начальное смещение, обусловленное дрейфом нуля дифманометра;

8=< +

+2а (P -P ) — коэффициент чувствительности дифманометра; а, а — коэффициенты; — номер такта.

Коэффициенты .а, ° а и а дрейфуют во времени под воздействием внешних неконтролируемых возмущений (температура, давление, влажность и т.п.), что приводит к сдвигу деформации характеристики.

Таким образом, в первом такте на выходе дифманометра 4 имеют сигнал у, =а + а, 1 g (Н, -Нг-Ь)+6 Р +а > Ep g (H

Н -h)+gPg (1) Во втором такте открыты пневмоклапаны 5, 9, 11 и 12, а пневмоклапаны 18, 22, 20, 23, 6 и 14 закрыты и работают трубки 13 и 10.

На плюсовой камере дифманометра

4 давление равно

Р () g(Hq+ h) + Р + Pg + Р а на минусовой

$8Н г + Рлг + Pfг + Pva

Следовательно, во втором такте на выходе дифманометра 4 будет сигнап у» а, +аг I $ g(H, -H +h)+ л Р +а1(pg(H Н, + 1) + аР); (2) где Р = Р„, - Р„+ Рр, — РS,+ Р - Рчг

Рлг P>à обычно Рлс Р < ю Ъ + ôà ° ч, „, так как скорости воздуха в пневмолиниях 2 и 3 различны.

Пусть статическая характеристика дифманометра 4 описывается квадратичной моделью у, - а1 + а (Р— Р;)+ а (Р;-Р, }, В третьем такте открыты пневмоклапаны 5, 6, 22, 23 и 12, закрыты—

50-181 20, 9, 14 и 11, работ т труб

13 и 8 и задатчик 19 перепада давления, включенный в минусовую пневмолинию 3.

На плисовой камере дифманометра

4 давление равно g" Рл! Р Е< Ри .ф а на минусовой

448242 6 рирующим импульсы с периодом следования Т. На перчом-четвертом выходах распределителя 27 импульсов последовательно появляются импульсы длитель5 ностью Т, в первом такте - на первом выходе, во втором — на втором и т.д., которые подаются на входы управления соответствукицих пневмоклапанов и формируют диаграмму переключения последних в соответствии с измерительным алгоритмом (фиг.2). По переднему фронту импульса генератора

26 одновибратор 28 формирует отрицательный 0M Jibe длительностью Ty ° который поступает на вход управления пневмоклапана 7, закрывает его. Ha это время в ппюсовую пневмойинию 2 подключается пневмодроссель 16, поэ2О воляющий :снять погрешность гисторезиса днфманометра 4.

На выходах схеи 29-.32 совпадения соответственно в первом-четвертом тактах появляются импульсы длитель25 ностью Т-Т (временные ворота), Сиг-, нал с дифманоиетра преобразуется в частоту на преобразователе 25 напряиение-частота и записывается в течение иипульса временных ворот в первом такте в счетчик 41 через схему 37 совпадения, во втором, третьем и четвертом тактах — в счетчики 4244 через схемы 38;40 совпадения со« ответственно.

Перед началом записи кшдый иэ счетчиков 41"-44 обнуляется коротким импульсом с формирователей 33-36 соответственно, которые запускаются по переднему фронту импульсов вреиен4() ных ворот со схем 29-32 соответствен— коэффицино.

P> pgH> 0 р Р Ч2 где Р - перепад давления на задатчике 19.

Таким образом, в третьем такте сигяап на выходе дифманоиетра равен у,-a,+ az(pg(h -H<)+ AP-Ро +a<(g(H

Hz)+ dP - P. j

В четвертом такте о крыты пневиоклапаны 18, 20, 6, !2 и 11 закрыты

5, 22, 23, 9 и !4, работают трубки

;13 и 8 и эадатчик 19 перепада дав. ления, включенный в плюсовую пневмолинию 2.

На плюсовой камере дифмаяоиетра

4 давление равно

4 8 е И ф щ) а на минусовой

Следовательно, в четвертом такте на выходе днфианометра 4 будет сиг"

H BJI у -а,+a>f g(H Н )+ QP+P j +

+ a>) g(H -Н ) + P + P,) (4) Из (1) и (2) имеют

У -Уь -p 811 12а +4а, 8(Н, - 2S gh

S а +2 )Pg(H„-Н )+ 4 P ент чувствительности.

Иэ (3) и (4) получают

"+ yç Р, 2 + «(ркО) 2SP, Р4 Е! 8 4. + Рю + Рбд + Рюа

Таким образом, в первои такте измерения в течение времени Т -Т в счетчик 41 записывается число (6)

Я (Т вЂ” T ) f, Из (5) н (6) можно получить алгоритм вычисления плотности управлякще-вы,числительным блоком 24

Ра óÿ у °

$ ag в

gh у4 уз

Управляюще-вычислительный блок 24 работает, например, следующим обра" зом.

Продолжительность тактов измерения Т задается генератором 26, генево втором, третьем и четвертом тактах, соответственно, в счетчики 4244 записываются

50 и = (т- т,)к (Y - Тэ)Е

Я„(т — Ä) fÄÄ

5Б где f4 yfi эгз ФГ4- частот е сигныы с преобраэователя

25, соответствующие сигналам у,, у, у, у .

1448242

Пусть характеристика преобразова теля 25 линейна

fz + ky, i - 1-4»

5 где f »k - коэффициенты градуировочной характеристики преобразователя 25.

Следовательно, к моменту окончания импульса временных ворот в чет- 0 вертом и во всех последующих тактах на выходах вычитателей 45 и 46 будут сформированы коды

И„= (Т -Т,) К(у,-y, ), е, 20

N Р /(gh) 40

45 тельном канапе, Погрешность измерения плотности определяется точностью и стабильностью величин Р и h отличием статической характеристики . дифманомет50 ра 4 от принятой модели и случайной погрешностью измерения сигналов у», у у» у4, трансформированных алгоритмом (7) .

Формула изобретения

Пневмометрический плотномер, содержащий блок питания воздухом, п4 (Т - Т,) 1с(у»- у ).

По заднему фронту импульса с одновибратора 28 (момент окончания временных ворот) запускается множительно-делительное устройство 47, которое в течение времени Т (или меньше)производит деление двоичного кода счетчика 43 на двоичный код с вычитателя 46 и умножение на код с блока 48 уставки

Если в блок уставки записать код то в множительно-делительном устройстве 47 к моменту окончаний операций деления и умножения записывает. ся код, пропорциональный измеряемой плотности н -" ° н

4т N«4Е у — у gh

Значение ппотности, полученное иэ выражения (7), не зависит от условия работы ппотиомера и параметров дифманометра и пневмолиний, а определяется величинами Рд и h и результатами четырех тактов измерения у,, у2» УЭ ° У4

Это справедливо в том случае, если эа время 4 тактов измерения условия работы плотномера и параметры дифманометра и измерительного канала не изменились, т.е. величины а,, а,, . Рь» Р ° Ра ° PS% ° Рю, ° Р были постоянными на интервале измерения. Так . как все измерения производятся один эа другим в течение короткого времени, то это условие автоматически соблюдается.

Таким образом, предлагаемый .алгоритм измерения плотности устраняет все низкочастотные составляющие погрешности, у которых интервал корреляции больше времени 4 тактов измерения. Кроме того, в предлагаемом пневмометрическом плотномере устраняется такая специфическая погрешность измерительных преобразователей, как погрешность гистерезиса. Для этого перед каждым тактом измерения на третьем выходе управляюще-вычислительного блока 24 на время Т появляется сигнал, закрывающий пневмоклапан 9, и в плюсовую линию 2 подключается пневмодроссель 16, При этом давление в этой линии повышается на величину где g — расход воздуха в пневмолинии

К вЂ” пневмогидравлическое сопротивление пневмодросселя ) 6.

Если величина Р больше, чем максимальное значение гистереэнса дифма-< нометра, то после отключения пневмодросселя 26 и монотонного снижения давления в пневмолннии 2 до нормального значения, съем информации с дифманометра 4 производится с падающей ветви его статической характеристики, тем сажпк устраняется погрешность гистерезиса.

Таким образом, в i-м такте в течение времени Т-Тд пневмоклапан 7 открыт и происходит измерение, а в (i+I)-м такте в .течение времени

Т пневмоклапан 7 закрыт, происходят снятие гистереэиса и расчет плотности по результатам измерений в i-м(i-3)-м тактах по формуле (7).

Время измерения Т-Т всегда можно подобрать таким образом, чтобы на это время можно было эффективно усреднить и отфильтровать сигнал дифманометра 4 и устранить тем cBMblH высокочастотную погрешность в измериU Перепад давлений, измеряемый дифманометром 4

Номер такта

1 О, 0 0 )ц(Н -Н, -h)+ йР

0 1 0 0 pg(H„-Н + gh) +АР

0 1 0 pg(V,-H,) -Р,-+ дP

0 0 0 1 pg(H(-Н )+ Ро + ДР

l44824 питающий плюсовую и минусовую независимые пневмолинии, между которы- ми включен дифманометр, первый основ" ной нормально открытый пневмоклапан, 5 через который плюсовая линия соединена с длинной основной, короткой основной и короткой дополнительной трубками, соединенными с минусовой пневмолинией через второй основной нормально открытый пневмоклапан, задатчик эталонного давления, соединенный с минусовой пневмолинией через третий нормально закрытый основной пневмоклапан, четвертый основной нормапь- 15 но закрытый пневмоклапан, соединенный с плюсовой пневмолинией, пневмодроссель, параллельно соединенный с пятым основным нормально открытым пневмоклапаном, управляюще-вычисли- 20 тельный блок, вход которого соединен с выходом дифманометра, а первый выход блока связан с входами управления первого и четвертого основных пневмоклапанов, второй — с входами 25 управления второго и третьего основных пневмоклапанов, а третий — с входом управления пятого основного пневмоклапана, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения З0 точности измерения, он дополнительно снабжен длинной дополнительной .трубкой, подключенной к плюсовой пневмолинии через четвертый основной пневмоклапан, первой и второй идентичными пневматическими RC"цепями, представляющими собой последовательно соединенные пневматическую ем2

j0 кость и пневмодроссель, включенные в плюсовую и минусовую пневмолинии( соответственно, и шестью дополнительными пневмоклапанами, причем через первый нормально открытый и второй нормально закрытый пневмоклапаны минусовая линия соединена с короткой. основной и короткой дополнительной трубками соответственно, третий и четвертый нормально закрытые пневмоклапаны последовательно соединены с . задатчиком эталонного давления и подключены последовательно в плюсовую линию, пятый нормально открытый и последовательно соединенная с ним первая пневматическая RC-цепь включены в плюсовую пневмолинию с помощью параллельно-последовательного соединения с третьим дополнительным пневмоклапаном, задатчиком эталонного давления и четвертым дополнительным пневмоклапаном, а шестой нормально закрытый пневмоклапан соединяет эадатчик эталонного давления с минусовой пневмолинией за.второй пневматической RC-öåïüþ, которая . включена в эту линию лосле второго основного нневмоклапана, второй вход управляюще-вычислительного блока свя- зан с входом управления шестого дополнительного пневмоклапана, четвертый — с входами управления третьего, четвертого и пятого дополнительных пневмоклапанов, а пятый - с входами управления первого и второго дополнительных пневмоклапанов .

1448242

Рж f дю)ы,Г 2 дых. Я джэка Z дь к У

rt0EQ 8

ug

big. 8 ю а B

Составитель В.Пересадько

Техред Л.Олийнык

Редактор И.Касарда

Корректор М. Васильева

Заказ 6840/48 Тирах 847 Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ухгород, ул. Проектная, 4

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

113035, Москва; Ж-35, Раушская наб., д. 4/5