Пневмометрический плотномер

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 1 М 9/28 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Куйбышевский политехнический институт им. В,В.Куйбышева (72) М.З.Кравец и В.П.Миронов (53) 531.756 (088.8)(56) Авторское свидетельство СССР В 1245942, кл. С 01 Ю 9/28, 1985.Авторское свидетельство СССР В 1332190кл. С 01 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 ппотности 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, диманометр 4, измерительные трубки 13, 15, 8 и 10, погруженные в контролируемую жидкость на глубины Ну 3 Н + Ьв Н 1 в Н + Ьэ 80144 2 задатчик перепада давления 19, управляюще-вычислительный блок 24,пневмоклапаны 5-7, 9, 12, 14, 18,20, 22 и 23, пневмодроссель 16 ипневматические 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 У, и У идва симметричных аддитивных У и Увоздействия, задаваемых управляющевычислнтельным блоком 24 путем соответствующей коммутации пневмоклапанов, который обрабатывает измерительный апгоритм в реальном масштабе времени. Искомая плотность определяется расчетным путем по зависимостиРоЛк / 611(У-Уз) . Условия работы плотномера и параметры дифманометра 4 не вносят погрешности в результат измерения, так как автоматически корректируются при расчете.Перед регистрацией сигналов У-У спомощью пневмоклапана 7 в ппюсовуюлинию 2 кратковременно подключаетсяпневмодроссель 16, что позволяет иск. -лючить погрешность гистереэиса диманометра 4. 3 ил.Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения плотности жидкости, и может быть использовано в различных отраслях промьпп 5 ленности.Цель изобретения - повьппение точности измерения за счет снижения влияния погрешности вторичного измерительного прибора, регистрирующего сигнал дифманометра, и частичной компенсации неидентнчности потерь в пневиолиниях в различных тактах изиерения. 15На 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.З - вариант структурной схемы управляюще-вычислительного блока,Пневмоиетрический плотноиер содержит систему 1 питания воздухом, 25 питающую плюсовую 2 и минусовую 3 независиьпе пневмолинии, между которыми включен дифманометр 4. Ппюсовая линия 2 через нормально открытые пневмоклапаны 5 и 6 и нормально эак 30 рытый пневмоклапан 7 питает длинную основную трубку 8, погруженную в контролируемую жидкость на глубину Н а через нормапьно закрытый пневмоклапан 9 и пневмоклапаны 5 и 7 длинную дополнительную трубку 10, погруженную в жидкость на глубину Н, + Ь. Минусовая линия 3 через нормапьно открытые пневмоклапаны 11 и 12 питает короткую основную трубку 13, погруженную в жидкость на глуби 40 ну Нп, а через нормально закрытый пневмоклапан 14 и пневмоклапан 11 короткую дополнительную трубку 15, погруженную в жидкость на глубину+ 1.45В плюсовой линии 2 байпасно пневмоклапану 7 включен пневмодроссель 16, а байпасно пневмоклапану 5 и последовательно соединенной с нии пневматической КС-цепи 17 " последовательно соединенные нормально .закрытый пневиоклапан 8, эадатчик 19 перепада давления и нормально закрытый пневмоклапан 20. В минусовой линии 3 байпасно пневмоклапану 11 н последовательно соединенной с ним пнев" матической КС-цепи 21 подключены пос-. ледовательно соединенные нормально закрытый пневмоклапан 22, э адатчик9 перепада давления и нормальнозакрытый пневмоклапан 23.Выход дифманометра 4 соединен свыходом управляюще-вычислительногоблока 24, первый выход которогосвязан с входами управления пневмоклапанов 6 и 9, второй - с входамиуправления пневмоклапанов 11, 22 и23, пятый - с входами управленияпневмоклапанов 12 и 4, четвертый -с входами управления пневмоклапанов5, 12 и 20, а третий - с входамиуправления пневмоклапана 7.Управляюще-вычислительный блок24 содержит (фиг.З) преобразователь25 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 которь 1 хсвязаны с выходом одновибратора 28,а выходы - соответственно с входами формирователей ЗЗ и 36 короткихимпульсов и первыми входами схем 37"40 совпадения. Вторые входы схем 3740 совпадения соединены с выходомпреобразователя 25, а выходы - соответственно с первыми счетными входами счетчиков 41-44, вторые (сброса)входы которых соответственно связаныс выходами формирователей 33-36Выходы счетчиков 41 и 42 соответственно связаны с первым и вторымвходаии вычитателя 45, а выходы счетчиков 43 и 44 - с .первым и вторымвходами вычитателя 46 соответственно. Выходы вычитателей 45 и 46 соединены, соответственно, с первым ивторыи входами множительно-делительного блока 47, третий вход которогосвязан с выходом блока 48 уставки, ачетвертый - с выходом одновибратора28,Первымвторым, пятым и четвертымвыходаин управляюще-вычислительногоблока 24 соответственно являются второй третий, первый и четвертый выходы распределителя 27, а третьнивыход одновнбратора 28.Пневмометрический нпотномер работает следующим образом,Определение текущей плотностижидкости происходит по результатамз 14482 4 последних тактов, формируемых управляюще-вычислительным блоком 24, Начиная с четвертого такта расчетное значение плотности выдается по окон 5 чании каждого такФа измерения. Длительность всех тактов постоянна и равна Т.Значения управляющих сигналов 0, Бг, Б и Б 4. на пеРвых четыРех выходах управляюще-вычислительного блока 24 в соответствии с фиг.2 приведены в таблице.В первом такте открыты пневмокла 15паны 5, 6, 11 и 14, а пиевмоклапаны18, 22, 20, 23, 9 и 12 закрыты иработают трубки 8 и 15.На плюсовую камеру дифманометра4 в первом такте действует давлениеР 8 Н +Р +Р +Р4где 0 - плотность контролируемой25жидкости;9,81 м/с - ускорение свободного падения;Р - потери давления в пневматиМческой КС-цепи и пневмолинии 2обусловленные трением воздуха о стенки пневмо-,линии 1РЗ - избыточное давление воздуха,обусловленное силами поверхностного натяжения, необходимое для отрыва пузырькавоздуха от нижнего концатрубки;Р 1 - давление, обусловленноескоростным напором жидкости, 40изменяющее условие отрывавоздуха от нижнего концатрубки.Аналогично на минусовую камеру дифманометра 4 в первом такте дейст вует давление42 где у- выходной сигнал дифманометра, например, ток или напряжение;а 1 - начальное смещение, обусловленное дрейфом нуля дифманометра; 8=аг++2 а (Р -Р )- 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 ра(н, -Н -Ь)+ар +а ра(Н Н -Ь)+ЬРДг (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 1 О.На плюсовой камере дифманометра 4 давление равноР = 8(Н,+ Ь) + Р, + Р,+ Р,а на минусовой 1 ВНг + Рлг Р 4 г Рча Следовательно, во втором такте на выходе дифманометра 4 будет сиг- нап У а, +аг8(Н, -Нг+Ь)+ Ь Р +а а(Н,Н +Ь) + арам, (2) где р = рл - Рлг+ рр - РВг+ Рч - РчгР = 18(Н+ Ь) + р + р + рбю Рщ,Р, Р, ррр так как скорости воздуха в пневмолиниях 2 и 3 различны.Пусть статическая характеристика дифманометра 4 описывается квадратичной модельюу а, + а (Р; - Р;)+ а (Р;-Р 1 ),В третьем такте открыты пневмоклапаны 5, 6, 22, 23 и 12, закрыты - 5 О 18) 20, 9, 14 и 11, работают трубки13 и 8 и задатчик 19 перепада давления, включенный в минусовую пневмолинию 3,На плисовой камере дифманометра4 давление равно8+ л + Ь + мф а на минусовой538 й Ро Ркт Р Рч 2 где Ро - перепад давления на задатчике 19,Таким образом, в третьем такте сигнап на выходе дифманометра равену а + ата(Ь На)+ ЬР-Р, +а ОН Н,)+ ЬР - РД, (3) В четвертом такте окрыты пневмоклапаны 8, 20, 6, 12 и 11 закрыты 5, 22, 23, 9 и 4, работают трубки ,13 и 8 и эадатчик 19 перепада давления, включенный в плюсовую пневмолинию 2.На плюсовой камере дифмаиометра 4 давление равно 4 18о о а на минусовой Спедовательно, в четвертом тактена выходе днфманометра 4 будет сиг"нал у а,+а р 8(н,-н)+ ЬР+Р 3 + + аз(Н,-Н,) + М + Р, (4) Из (1) и (2) имеют у, -у, 18 Ь 2 а +4 а 8(Н, - 288 Ь В а+га Р 6(н -Н)+ а Рент чувствительности, Иэ (3) и (4) получают Таким образом, в первом такте измерения в течение времени Т -Т всчетчик 41 записывается число (6)1, - (т - т,),448242 6рирующим импульсы с периодом следования Т. На перчом-четвертом выходахраспределителя 27 импульсов последовательно появляются импульсы длитель"5ностью Т, в первом такте - на первомвыходе, во втором - на втором ит,д которые подаются на входы управления соответствукюцих пневмоклапанов и формируют диаграмму переключения последних в соответствии с измерительным алгоритмом (фиг,2). По переднему фронту импульса генератора26 одновибратор 28 формирует отрицательный импульс длительностью Токоторый поступает на вход управленияпневмоклапана 7, закрывает его. Наэто время в ппюсовую пневмойинию 2подключается пневмодроссель 16, поэ 2 О воляющий .:снять погрешность гисторезиса днфмаиометра 4.На выходах схем 29-.32 совпадениясоответственно в первом-четвертомтактах появляются импульсы длитель 25 ностью Т-То(временные ворота), Сиг-,нал с дифманометра преобразуетсяв частоту на преобразователе 25 напряжение-частота и записывается в течение импульса временных ворот впервом такте в счетчик 41 через схему 37 совпадения, во втором, третьеми четвертом тактах - в счетчики 4244 через схемы 38;.40 совпадения соответственно.Перед началом записи каждый иэсчетчиков 41"-44 обнуляется короткимимпульсом с формирователей 33-36соответственно, которые запускаотсяпо переднему фронту импульсов времен 40 ных ворот со схем 29-32 соответствен - коэффицино.Из (5) н (6) можно получить алгоритм вычисления плотности управлякще-вы,числительным блоком 24Ро уя у(т - т )и = (т - т )ея - (т - Т,И,5 Б где 4 Ф э файф частотные сигналы с преобразователя 25, соответствующие сигналам у,у, уу+1448242 Пусть характеристика преобразова теля 25 линейнаГ; Е, + 1 су;1"45 где Г ,1 - коэффициенты градуировочной характеристики преобразователя 25.Следовательно, к моменту окончания импульса временных ворот в четвертом и во всех последующих тактахна выходах вычитателей 45 и 46 будутсФормированы кодыИ= (Т -Т,) 1(у,-у, ),20 25 30 35 Н Р /(аЬ) 40 45 тельном канапе,Погрешность измерения плотностиопределяется точностью и стабильностью величин Р и Ь, отличием статической характеристики .дифманомет 50 ра 4 от принятой модели и случайнойпогрешностью измерения сигналов у,У в уу 4трансформированных алгоритмом (7). 55 формула изобретения Пневмометрический ппотномер, содержащий блок питания воздухом,ф 4 (Т - Т )Чу 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 уставкиЕсли в блок уставки записать код то в множительно-делительном устройстве 47 к моменту окончаний операций деления и умножения записывает. ся код, пропорциональный измеряемой плотности Ь Х,Р47 И 446 У у 811 Значение ппотности, полученноеиэ выражения (7), не зависит от условия работы ппотиомера и параметровдифманометра и пневмолиний, а определяется величинами Рд и Ь и результатами четырех тактов измерения уУр в УУ 4Это справедливо в том случае, если эа время 4 тактов измерения условия работы плотномера и параметрыдифманометра и измерительного каналане изменились, т.е. величины а а ,Рь е Рк в Ра е РбаРю Рибыли постоянными на интервале измерения. Так . как все измерения производятся один эа другим в течениекороткого времени, то это условиеавтоматически 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 устраняетсятакая специфическая погрешность измерительных преобразователей, какпогрешность гистерезиса. Для этогоперед каждым тактом измерения на третьем выходе управляюще-вычислительного блока 24 на время Т появляетсясигнал, закрывающий пневмоклапан 9,и в плюсовую линию 2 подключаетсяпневмодроссель 16, При этом давлениев этой линии повышается на величину где- расход воздуха в пневмолинииК - пневмогидравлическое сопротивление пневмодросселя 16,Если величина Р больше, чем максимальное значение гистереэнса дифма"нометра, то после отключения пневмодросселя 16 и монотонного снижениядавления в пневмопннии 2 до нормапьного значения, съем информации с дифманометра 4 производится с падающейветви его статической характеристики,тем сажщ устраняется погрешностьгистерезиса,Таким образом, в д-м такте в течение времени Т-Тд пневмоклапан 7открыт и происходит измерение, ав (+1)-м такте в .течение времениТ 4 пневмоклапан 7 закрыт, происходят снятие гистереэиса и расчет плотности по результатам измерений в -м- ("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 самим высокочастотную погрешность в измери11 11 0 Б Перепад давлений, иэмеряе" мый дифманометром 4 Номер такта 1 О, О 0 )ц(Н -Н, -Ь)+ йРО 1 О О эд(Н-Н + ЬЬ) + ЬР О О 1 О ра(НН) -Р+дР 0 0 О 1 Р 8(Н,-Н)+ Р, + Р 9144824 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 10 открытый пневмоклапан, задатчик эталонного давления, соединенный с минусовой пневмолинией через третий нормально закрытый основной пневмоклапан, четвертый основной нормаль Б но закрытый пневмоклапан, соединенный с плюсовой пневмолинией, пневмодроссель, параллельно соединенный с пятым основным нормально открытым пневмоклапаном, управляюще-вычисли 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 З 0 точности измерения, он дополнительно снабжен длинной дополнительной .трубкой, подключенной к плюсовой пневмолинии через четвертый основной пневмоклапан, первой и второй идентичными пневматическими КС"цепями, представляющими собой последовательно соединенные пневматическую ем 210кость 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 икороткой 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 КС-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 КС-цепью, 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 РЮю)и Гг дых ЗРф дьем. У ФЮ)Ю 8 х 8юа Ж с В. ПересадькоРедактор И. Касарда Т ык оставитель ехред Л.Олийн Корректор М. Васильева каз 6840/48 Тирах 847ИИПИ Государственного комитета по113035, Москва; ЖПодписное зобретениям и Раушская наб,крытиям прн ГКНТ СССд, 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Укгород, ул. Проектная