Способ регулирования уровня жидкости в резервуаре и устройство для его осуществления

ГОСУДЮфСТВЕННЫИ КОМИТЕТПо ИЭОИЧИНИЯМ И ОЩРЫТИНМГИфИ, ГНИТ СССР(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электрификациисельского хозяйства(56) Славин Р.М. Научные основыавтоматизации производства в животноводстве и птицеводстве. -М.: Колос, 1974, с.81, 108.(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРЕ И УСТРОЙСТВОДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение предназначено дляиспользования при управлении рабо".той башенных водокачек, широкораспространенных в сельскохозяйственном производстве. Цель - повыше ние точности регулирования уровняжидкости. Для достижения цели вспособе, включающем задание верхнеИзобретение относится к области регулирования уровня жидкостей и может быть использовано в системах автоматического регулирования уровня жидких сред, преимущественно в управлении погружными насосамисельскохозяйственных башенных водокачек, предпочтительно в случаях значительного пространственного раз 2го и нижнего уровней жидкости в резервуаре и соответствующих наибольшего и наименьшего давлений .щцкости,измерение давления и подачу жидкос-ти в резервуар, определяют наибольшее давление жидкости при подаче жид -кости в резервуар, затем измеряютдавление непосредственно послепрекращения подачи жидкости,.которое вычитают из заданного наибольшего давления жидкости,суммируют полученную разность давлений с определенным наибольшим давлением и запоминают суммарное давлениедо очередного прекращения подачи зхдкости в резервуар, причем прекращают дподачу жидкости при равенстве измеряемого и суммарного давлений. В устройство для достижения цели введены три элемента задержки, .три коммутирующих элемента, дифференцирующий, элемент, два выпрямителя, пиковыйгдетектор, управляющий триггер, элемент вычитания, сумматор и блокпамяти. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.вай 1несения скважины с погружным насосом и водонапорной башни.Целью изобретения является повышение точности регулирования уровня жидкости в резервуаре,Способ осуществляется следующим образом.Задают наибольшее и наименьшее статическое. давления жидкости, соот 164752640 ветствующие верхнему и нижнему задан нвю уровням жидкости в резервуаре, и измеряют давление жидкости в подающем трубопроводе.5В начальный момент времени подача жидкости в резервуар не производит ся, потребителями жидкости осуществляется ее расход, и измеряемое стати ческое давление жидкости в трубо О проводе уменьшается. При равенстве его и заданного наименьшего статического давления жидкости включают пода-. чу жидкости в резервуар, предотвращая тем самым его полное опорожнение, 15 Теперь измеряемое давление представляет собой сумму статического дав ления столба жидкости в резервуаре и динамического давления жидкости, нагнетаемой при подаче ее в резервуар,20По прошествии промежутка времени, пропорционального объему резервуара и и обратно пропорционального потоку подачи жгдкости в резервуар, подача жидкости в резервуар прекращается, 25 что позволяет избежать переполнения резервуара. В этом первом периоде заполнения резервуара точность достикения жидкостью верхнего заданного уровня невысока, потому что опреде" Зо ляется только точностью определения отношения объема в резервуаре, подлежащего заполнению, к априорно принятой не зависящей от влияющих факторов величине потока подачи жидкости в З 5резервуар.В момент времени, предшествующий моменту прекращения подачи жидкости в резервуар, измеряют суммарное статическое и динамическое давление жидкости, которое имеет наибольшую величину, поскольку уровень жидкости сразу после прекращения может либо остаться неизменным при отсутсвинотбора жидкости, потребителями, либо 45 только снижаться при расходе жидкости потребителями. Таким образом, измерено значение суммарного - статического и динамического - давления при подаче жидкости в самый послед О ний момент времени до прекращения подачи жидкости.Сразу по прекращении подачи, т.е. в первый ве момент времени установления только статического давления 55 жидкости, измеряют величину этого давления. Полученное значение вычи тают из заданного наибольшего статического давления жидкости, поэтому результат является ошибкой регулирования уровня жидкости, возникшей вследствие несвоевременного прекращения подачи жидкости в резервуар: при положительном результате вычитания имеет место недолив до заданного верхнего уровня, при отрицательном результате вычитания имеется. перелив.Поэтому если полученную величину разности давлений жидкости сложить с измеренным наиболыщщ давлением жидкости в каждом следующем периоде заполнения резервуара, то полученное суммарное значение будет характеризовать собой порог, при равенстве которому измеряемого в следующем периоде суммарного статического и динамического давлений жидкости при ее подаче в резервуар следует прекратить подачу жидкости. Тогда установившееся после прекращения подачи жидкости статическое давление станет близким по значению илн равным заданному наименьшему статическому давлению, т.е. уже в следующем цикле регулирования ошибка регулирования верхнего уровня жидкости исчезает, либо значительно уменьшается по сравнению с предвдущим периодом, причем помехой могут служить лишь неконтролируемые изменения динамической составляющей .давления жидкости из-за, например, засорения трубопровода, что является маловероятным.Итак, полученную разность давле-, ний жидкости суммируют с измеренным наибольшим давлением жидкости и в каждом следующем. периоде прекращают: подачу жидкости в резервуар при равенстве суммарного динамического и статического измеренного в следующем периоде и полученного в данном периоде суммарного значения давлений,жидкости.На фиг.1 представлено устройство, реализующее способ; на фиг.2 - взаимное расположение резервуара, водонапорной башни и водоподъемной скважины; на фиг.З и 4 - временные диаграммы работы устройства.ффФПри заданных наибольшем Р и . наименьшем РНя статических давлениях жидкости й при опорожнении резервуара потребителями подача жидкости в резервуар начинается в момент при равенстве измеряемого стятн- .ческого давления жидкости Р и наименьшего заданного статического давления жидкости Р ,.При включении подачи жидкости давление Р изменяется практически скачкообразно, а затем растет в соответствии с ростом статического давленияжидкости при заполнении резервуара.,В первом периоде подачи жидкостив резервуар прекращают ее подачучерез. временный промежуток Дс, пропорциональный отношению регулирующейемкости В резервуара к потоку подачи жидкости П, причем Дй,В/Пво избежание перелива,Перед самым прекращением подачижидкости в первом периоде измеряется суммарное - статическое и динамическое - давление жидкости Р приеще включенной подаче жидкости, асразу после прекращения подачи измеряется статическое давление Р вотсутствие подачи хсщкости.Вычисляется разность ДР 1= РиаксР , которая характеризует ошибку реогулирования уровня жидкости в первомпериоде подачи жидкости,Во втором периоде подача жидкостидолжна осуществляться так долго,чтобы ошибки регулирования не было.Поэтому во втором периоде подачижидкости следует прекратить подачужидкости, когда измеряемое суммарное давление Р станет равным величине Р = Р 4+ 1 Р т.е. надосуммировать полученную разностьдавлений ДР 1 с наибольшим давлением жидкости Ри прекратить подачужидкости в резервуар при равенствесуммарного динамического и статического, измеренного во втором периодедавления Р = Р и полученного впервом периоде суммарного значениядавлений жидкости Р+ ДР, .Если все-таки во втором периодепоявилась ошибка регулированияЬР = Р- Ро, то в соответствиисо способом вычисляется порог дляпрекращения подачи жидкости в третьемпериоде регулирования уровня жидкости:Р = Р+ ДР Р +ДР 1 +ДР Аналогично проходит регулированиеуровня жидкости в очередных периодахподачи жидкости в резервуар, причемтекущая погрешность регулированиясвязана только с текущими изменения 30 35 40 цирующий элемент 22, последовательное соединение третьего 23 и четвертого 24 выпрямителей, второй управляющий триггер 25, пиковый детектор 26, последовательно соединенные эле 45 мент 27 вычитания, сумматор 28 и блок 29 памяти, выход которого подключен к второму входу второго триггера Шмитта 7., выход второго выпрямителя 9 соединен с входом второго ком мутирующего элемента 19, управляющий 55 5 10 15 20 25 ми гидравлического сопротивления, влияющего на динамическую составляющую давления жидкости и совершеннО не зависит от статической составляющей суммарного давления, передающейся в жидкости без искажений.Устройство для регулирования уровня жидкости в резервуаре содержит задатчики минимального 1 и максимального 2 статических давлений жидкости в резервуаре, датчик 3 давления, установленный в подающем трубопроводе, последовательно соединенные первый триггер Шмитта 4, первый дифференци-; рующий элемент 5 и первый выпрямитель 6, последовательно соединенные второй триггер Шмитта 7, второй дифференцирующий элемент 8 и второй выпрямитель 9 последовательно соединенные источник 10 питания, ключ 11, первый коммутирующий элемент 2, электродвигатель 13 и насос 14,.причем к управляющему входу первого коммутирующего элемента 12 подключен выход первого управляющего триггера 15, установочный вход которого соеди- нен с выходом первга выпрямителя 6, выход задатчика минимальнага статическаго давления жидкости в резервуаре 1 соединен с первь 1 м входампервого триггера Шмитта 4, второйвход которого связан с выходом датчика 3 давления и первым входом второго триггера Шмитта 7, при этомоно содержит первый 16, второй 17,третий 18 элементы задержки, второй19, третий 20 и четвертый 21 коммутирующие элементы, третий дифференвход которого подключен к выходувторого управляющего триггера 25 и куправляющему входу третьего коммутирующего элемента 20. связанноговходом с выходом первого выпрямителяб, а выходом через. первый элемент 16задержки - с входом второго элемента17 задержки, с входом обнулениявторого управляющего триггера 25, с16475 выходом второго коммутирующего эле-. мента 19, с входом третьего элемента 18 задержки и с управляющим входом четвертого коммутирующего элемента .21, выход датчика 3 давления под 5 ключен к первому входу. элемента 27 вычитания и входу четвертого коммутирующего элемента 21 выход которо-. го соединен с входом пикового детек- О тора 26, второй вход элемента 27 4 вычитания связан с выходом задатчика максимального статического давления жидкости в резервуаре 2, а второй вход сумматора 28 - с выходом пикового детектора 26, выход ключа 11 через последовательно соединенные .третий,дифференцирующий элемент 22 третий 23 и четвертый 24 выпрямители подключены К обнуляющему входу 2 О первого управляющего триггера 15 и к выходу второго элемента 17 задержки, установочный вход второго управляющего триггера 25 соединен с выходом третьего выпрямителя 23, а вы ход третьего элемента 18 задержки подключен к управляющему входу блока 29 памяти, при этом блок 29 памяти содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразова О тель ЗО, селектор 31, регистр 32 и цифроаналоговый преобразователь 33, выход которого подключен к выходу блока 29 памяти,. управляющий вход которого связан с управляющим входом селектора 31, вход аналого-цифрового преобразователя ЗО соединен с входом блока 29 памяти. Резервуар 34 размещен в водонапор-ной башне 35 водоподъемной скважины.36, в которой установлен наружный насос 37, состоящий из совмещенных электродвигателя 13 и собственно насоса 14. В подающем трубопроводе 38 смонтирован датчик 3 давления жидкости, а остальные узлы устройст" ва для осуществления способа регулирования уровня жидкости в резервуаре 34 могут быть объединены в герметичный шкаф 39 управления, который целесообразно разместить в непосредственной близости от водозаборной скважины 38, либо сблокировать непосредственно с погружным насосом 37.Предлагаемое устройство таким образом может работать после наладки полностью автономно и не нуждается в обслуживании. Устройство работает следующимобразом.При включении устройства замы"кается ключ 11, срабатывают третийдифференцирующий элемент 22 и третий выпрямитель 23, обнуляется (устанавливается в исходное положение) первый управляющий триггер 15и не разрешает первому коммутирующему элементу 12 подачу напряжения отисточника 10 питания промышленнойсети) на электродвигатель 13 насоса14, и запускается второй управляющий триггер 5 что приводит к запиранию второго коммутирующего элемента 19 и к отпиранию третьего ком-,мутирующего элемента 20, Таким образом, в момент включения устройстванасос 14 не включается,Если давление жидкости в трубопроводе 38 больше минимально заданного,т.е. емкость резервуара 34 хотя бычастично заполнена, то сигнал с выхода датчика 3 давления больше сигнала задатчика минимального стати -ческого давления жидкости в резервуаре 1, первый триггер Шмитта 4 несрабатывает. и не запускается первьй управляющий триггер 15. Насос14 не работает, .резервуар 34 постепенно опорожняется потребителямижидкости до момента равенства сигна-.лов на входах первого триггера Шмитта 4, что вызывает включение насоса 14, т.е. достигнут наименьшийзаданный уровень жидкости в резервуаре 34,Если до включения устройствадавление жидкости в, резервуаре 34меньше минимального заданного, тосразу в момент включения устройства срабатывает первый триггер Шмитта 4, и запускается первый управляющий триггер 15, поскольку запускаю"щий импульс на его вход приходитпозже обнуляющего импульса на времязадержки .срабатывания первого триггера Шмитта 4. Насос 14 начинаетработать.При первом включении насоса 1,4срабатывает первый.:элемент 16 задержки, начинается отсчет времени 6 й, включенного состояния насоса 14в первом периоде подачи жидкости в резервуар. Этот промежуток времени Не должен быть более отнонеиия регулируемого объема ищкости в. резервуа 1647526ре 34 к потоку подачи насоса 14 во избежание перелива резервуара 34.При подаче первым элементом16 задержки импульса обнуляется вто. 5 рой управляющий триггер 25 и запираеттретий коммутирующий элемент 20. Вочередных периодах работы насоса 14 время его включенного состояния ие навязывается, так как первый элемент16 задержки не срабатывает. Одновременно отпирается второй коммути рующий элемент 19 и разрешает работу устройства в основном режиме. Вэтот момент также разрешается четверт ым коммутирующим элементом 21 прохождение сигнала с выхода датчика 3 давления на пиковый детектор 26, чтообеспечивает запоминание на некоторое время наибольшего давления жидкости при включенном насосе 14. Сразу вслед за этим по прошествии времени задержки Т во втором элементе 17 задержки насос 14 выкжочается.Четвертый выпрямитель 24 не цает приэтом вновь запуститься зторому управляющему триггеру 25.По прошествии времени задержки 1 в третьем элементе 18 задержки что необходимо для полной ЗОостановки насоса 14 и измерения давления жидкости сразу после выключения насоса 14, разрешается в течениекороткого импульса третьего элемента18 задержки прохождение в регистр 32инФормации через селектор 31.Эта инФормация представляет собойсумму, реализованную сумматором 28,сигналов с выхода пикового детектора26 и с выхода элемента 27 вычитания, 40который непрерывно вычитает из сигнала задатчика-макснмального статическогс давления жидкости в резервуаре 2сигнал с выхода датчика 3 давления,В ан ого-циФровом преобразователе 30 блока 29 памяти аналоговыйсигнал преобразуется в параллельныйдвоичный код, разрешение прохождения которого в циФроаналоговый преобразователь 33 осуществляется селек" 5 ртором 31 по селектирующему ыпульсус выхода третьего элемента 18 задержки. Суммарный сигнал хранится врегистре 32 до очередного выключениянасоса 14, когда произойдет коррекция 55суммарного сигнала, представляющегособой автоматически Формируемое значение порога для отключения подачижидкости в резервуар 34 в следующем периоде его заполнения. После выключения насоса 14 уровень жидкости в резервуаре 34 уменьшается в зависимости от расхода жидкости потребителями до минимального заданного значения, насос 14 включается и теперь работает до тех пор, пока изме ряемое давление жидкости не превысит полученное в предыдущем периоде суммарное, т.е, когда сигнал с выхода датчика 3 давления станет равным или превысит сигнал с выхода циФроаналогового преобразователя 33, Второй триггер Нмитта 7 срабатывает, и импульс с выхода второго выпрямителя 9, через открытый второй коммутирующий элемент .19 начинает очередной цикл выборочного измерения давления, вычисления и запоминания нового зна чения суммарного давления.Через 2-3 цикла работы устройство обеспечит точное заполнение резервуара до заданного уровня, несмотря на то, что датчик 3 давления установ" лен не в резервуаре 34, а рядом с .погружным насосом 31 водопоцъемнойм скважине 36, и естественно отсутству- ют соединительные проводники между водонапорной башней 35 и водоподъемной скважиной 37, которые на практи-, ке могут быть разнесены на значительное расстояние друг от друга.Формула изобретения1. Способ регулирования уровня жидкости в резервуаре, включающий задание верхнего и нижнего уровней жидкости в резервуаре и соответствующих наибольшего и наименьшего статических давлений жидкости, включение подачи жидкости в резервуар при равенстве измеренного и заданного наименьшего статического давления жидкости, измерение давления жидкости в трубопроводе, подающем жидкость в резервуар, причем длитель - ность первого периода подачи жидкости в резервуар выбирают постоянной и пропорциональной объему резервуара и обратно пропорциональной потоку подачи жидкости, о т л и ч а ю щ н й - . с я тем, что, с целью повышения точности регулирования, измеряют наибольшее суммарное статическое и динамическое давления жидкости в течение каждого периода подачи ее в резер-. вуар, затем измеряют статическое 1647526давление жидкости после прекращения ее подачи в резервуар, вычитают его из заданного наибольшего статического давления жидкости, суммируют полученную разность давлений с измерен" ным наибольшим давлением и в каждом следующем периоде прекращают по-, дачу жидкости в резервуар при равенстве суммарного динамического и статического измеренного. в следующем периоде и полученного в данном пе, риоде суммарного значения давлений. ъ 2. Устройство для регулирования уровня жидкости в резервуаре, содер: жащее задатчики минимального и максимального статических давлений жидкости в резервуаре, датчик давления, установленный в подающем трубопроводе, последовательно соединенные первый триггер Бмитта, первый диффе-, ренцирующий элемент и первый выпря митель, последовательно соединенные второй триггер Шмитта, второй диффе ренцирующий элемент и второй выпрямитель, последовательно соединенные источнйк питания, ключ, первый коммутирующий элемент, электродвигатель и насос, причем к управляющему входу первого коммутирующего элемента под ключен выход первого управляющего. триггера, установочный вход которого соединен с выходом первого выпря-мителя, выход задатчика минимального статического давления жидкости в резервуаре соединен с первым входом первого триггера Шмитта, второй вход которого связан с выходом датчика давления и с первым входом второго триг-О гера Нмитта, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точнос" ти устройства, оно содержит три элемента задержки, три коммутирующихэлемента, третий дифференцирующий элемент, два выпрямителя, второй уп равляющий триггер, пиковый детектор, последовательно соединенные элемент вычитания, сумматор и блок памяти,выход которого подключен к второмувходу второго триггера Шмитта, выходвторого выпрямителя соединен с входом второго коммутирующего элемента,3управляющий вход которого подключен квыходу второго управляющего триггераи к управляющему входу третьего коммутирующего элемента, связанноговходом с выходом первого выпрямителя, а выходом через первый элементзадержки - с входом второго элементазадержки, с входом обнуления второгоуправляющего триггера, выходом вто -рого коммутирующего элемента, входомтретьего элемента задержки и с управляющим входом четвертого коммутирующего элемента, выход датчика давленияподключен к первому входу элемента вычитания ивходу четвертогокоммутирующегоэлемента, выход которого соединен свходом пикового детектора, второйвход элемента вычитания связан свыходом задатчика максимального статического давления жидкости в резервуаре, а второй вход сумматора - свыходом пикового детекторавыходключа через последовательно соединенные третий дифференцирующий элемент,третий и четвертый выпрямители подключен к обнуляющему входу первого управляющего триггера.и к выходу второго,второго управляющего триггера соединен с выходом третьего выпрямителя, а выход третьего элемента задержки подключен к управляющему входубпока памяти.3. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок памятисодержит последовательно соединенныеаналого-цифровой преобразователь,селектор, регистр и цифроаналоговыйпреобразователь, выход которого подключен к выходу блока, управляющийвход которого связан с управляющим .входом селектора, вход аналогоцифрового преобразователя соединен свходом блока,6475261647526 Составитель Л.Цаллагоедактор В,Бугренкова Техред Л.Олийнык орректор С.Шекмар изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагар Заказ 1399 Тираж 472 ВНИИПИ Государственного комитета по изо 113035, Москва, Ж, Р. Подписноетениям и открытиям при ГКНТ СССРскал наб., д, 4/5