Способ регулирования уровня жидкости в резервуаре и устройство для его осуществления

 

Изобретение предназначено для использования при управлении работой башенных водокачек, широко распространенных в сельскохозяйственном производстве. Цель - повышение точности регулирования уровня жидкости. Дли достижения цели в способе, включающем задание верхнего и нижнего уровней жидкости в резервуаре и соответствующих наибольше- : го и наименьшего давлений жидкости, измерение давления и подачу жидкости в резервуар, определяют наибольшее давление жидкости при подаче жид - кости в резервуар, затем измеряют давление непосредственно после прекращения подачи жидкости, которое вычитают S3 заданного наибольшего давления жидкости, суммируют полученную разность давлений с определенным наибольшим давлением и запоминают суммарное давление до очередного прекращения подачи жидкости в резервуар, причем прекращают подачу жидкости при равенстве измеряемого и суммарного давлений. В уст. ройство для достижения цели введены три элемента задержки, .три коммутирующих элемента, дифференцирующий элемент, два выпрямителя, пиковый детектор, управляющий триггер, элемент вычитания, сумматор и блок памяти. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил. (Л

($))$ С 05 0 9/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

По ИЭОИЧТаНИЯМ И О 1НРЫТИНМ

APL ГНИТ СССР (21) 4424551/24 (22) 12.05.88

- (46) 07.05.91.Бюл. № 17 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (72) Р.М.Славин, А.В.Дубровин, В.И.Жильцов и Н.Н.Мерзликин (53) 02-50 (088,.8) (56) Славин P.М. Научные основы автоматизации производства в животноводстве и птицеводстве.—

N.: Колос, 1974, с.81, 108. (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ

ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРЕ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение предназначено для использования при управлении рабо-. той башенных водокачек, широко распространенных в сельскохозяйственном производстве. Цель — повышение точности регулирования уровня жидкости. Длй достижения цели в способе, включающем задание верхнеИзобретение относится к области регулирования уровня жидкостей и может быть использовано в системах автоматического регулирования уровня жидких сред, преимущественно в управлении погружными насосами сельскохозяйственных башенных водокачек, предпочтительно в случаях значительного пространственного. раз2 го и нижнего уровней жидкости в резервуаре и соответствующих наибольше го и наименьшего давлений ..ащкости, измерение давления и подачу жидкос- ти в резервуар, определяют наибольшее давление жидкости при подаче жид— кости в резервуар, затем измеряют давление непосредственно после прекращения подачи жидкости, .которое вычитают из заданного наибольшего давления жидкости, суммируют полученную разность давлений с определенным наибольшим давлением и запоминают суммарное давление до очередного прекращения подачи зхдкости в резервуар, причем прекращают р подачу жидкости при равенстве измеряемого и суммарного давлений. В уст ройство для достижения цели введены три элемента задержки, .три коммутирующих элемента, дифференцирующий, .элемент, два выпрямителя, пиковый г детектор, управляющий триггер, элемент вычитания, сумматор и блок памяти. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

I несения 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, соот1647526

40 ветствующие верхнему и нижнему задан= нвм уровням жидкости в резервуаре, и измеряют давление жидкости в подаюцем трубопроводе.

В начальный момент времени подача жидкости в резервуар не производит ся, потребителями жидкости осуществляется ее расход, и измеряемое стати ческое давление жидкости в трубо- 1О проводе чменьшается. При равенстве его и заданного наименьшего статического давления жидкости включают пода-. чу жидкости в резервуар, предотвращая тем самым его полное опорожнение, 1

Теперь измеряемое давление представляет собой сумму статического дав ления столба жидкости в резервуаре и динамического давления жьщкости, нагнетаемой при подаче ее в резервуар.ро

По 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" 3g ляется только точностью определения отношения объема в резервуаре, подлежащего заполнению, к априорно принятой не зависящей от влияющих факторов величине потока подачи жидкости в 35 резервуар.

В момент времени, предшествующий моменту прекрацения 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 отсутс*вин отбора 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- 5О ний момент времени до прекращения подачи жидкости.

Сразу по прекращении подачи, т.е. в первый же момент времени установления только статического давления 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 наибольше 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 прекрацения 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-составляюцей.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.3 н 4 — временные диаграммы работы устройства. г

Ф

При заданных наибольшем Р „ и

- наименьшем Р„„Ня статических давлениях жидкости и при опорожнении резер вуара потребителями подача жидкости в резервуар начинается в момент при равенстве измеряемого стяти- .

16475? 6 ческого давления жидкости Р и наименьшего заданного статического дав"ени" "идкости Рмиц

При включении подачи жидкости давление P изменяется практически скачкообразно, а затем растет в соответствии с ростом статического давления жидкости при заполнении резервуара. .В первом периоде подачи жидкости в резервуар прекращают ее подачу через. временный промежуток Qt<, пропорциональный отношению регулирующей емкости В резервуара к потоку подачи жидкости П, причем Дй, В/П во избежание перелива.

Перед самым прекращением подачи жидкости в первом периоде измеряется суммарное — статическое и динамическое — давление жидкости P npu ! еще включенной подаче жидкости, а сразу после прекращения подачи измеряется статическое давление Р < в отсутствие подачи хсщкости.

Вычисляется разность ДР1= Ра„ P, которая характеризует ошибку рео гулирования уровня жидкости в первом периоде подачи жидкости.

Во втором периоде подача жидкости должна осуществляться так долго, чтобы ошибки регулирования не было.

Поэтому во втором периоде подачи жидкости следует прекратить подачу жидкости, когда измеряемое суммарное давление P станет равным величине P = Р4+ Р, т.е. надо суммировать полученную разность давлений ДР1 с наибольшим давлением жидкости P и прекратить подачу жидкости в резервуар при равенстве суммарного динамического и статического, измеренного во втором периоде давления P = Р и полученного в первом периоде суммарного значения давлений жидкости Р + ДР, .

Если все-таки во втором периоде появилась ошибка регулирования Р = Р „- Ро, то в соответствии со способом вычисляется порог для прекращения подачи жидкости в третьем периоде регулирования уровня жидкости е

P> = Р + ДР = P, + ДР + ДР

Аналогично проходит регулирование уровня жидкости в очередных периодах подачи жидкости в резервуар, причем текущая погрешность регулирования связана только с текущими изменения30

40 цирующий элемент 22, последовательное соединение третьего 23 и четвертого 24 выпрямителей, второй управляющий триггер 25, пиковый детектор

26, последовательно соединенные эле45 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 ком50 мутирующего элемента 19, управляющий

5

25 ми гидравлического сопротивления, влияющего на динамическую составляющую давления жидкости и совершенно не зависит от статической составляющей суммарного pавления, 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 соединен с выходом перв"ro выпрямителя 6, выход задатчика минимальнага статическаго давления жидкости в резервуаре 1 соединен с первым входам первого триггера Шмитта 4, второй вход которого связан с выходом датчика 3 давления и первым входом второго триггера Шмитта 7, при этом оно содержит первый 16, второй 17, третий 18 элементы задержки, второй l9, третий 20 и четвертый 21 коммутирующие элементы, третий дифференвход которого подключен к выходу второго управляющего триггера 25 и к управляющему входу третьего коммутирующего элемента 20. связанного входом с выходом первого выпрямителя б, а выходом через. первый элемент 16 задержки — с входом второго элемента

17 задержки, с входом обнуления второго управляющего триггера 25, с

\ 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-.

ro соединен с входом пикового детек- О тора 26, второй вход элемента 27

4вычитания связан с выходом задатчика максимального статического давле ния жидкости в резервуаре 2, а второй вход сумматора 28 — с выходом пикового детектора 26, выход ключа

11 через последовательно соединенные .третий,дифференцирующий элемент 22

1 третий 23 и четвертый 24 выпрямители подключены к обнуляющему входу 20 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- 25 ход третьего элемента 18 задержки подключен к управляющему входу блока 29 памяти, при этом блок 29 памяти содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразова- 3g 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 30 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 следующим образом.

При включении устройства замыкается ключ 11, срабатывают третий дифференцирующий элемент 22 и третий выпрямитель 23, обнуляется (устанавливается в исходное положение) первый управляющий триггер 15 и не разрешает первому коммутирующему элементу 12 подачу напряжения от источника 10 питания (промышленной сети) на электродвигатель l3 насоса

14, и запускается второй управляющий триггер ?5„ что приводит к запиранию второго коммутируюшего элемента 19 и к отпиранию третьего ком-, мутирующего элемента 20. Таким о6pasmr, в момент включения устройства насос 14 не включается.

Если давление жидкости в трубопроводе 38 больше минимально заданного, т.е. емкость реэервуара 34 хотя бы частично заполнена, то сигнал с выхода датчика 3 давления больше сигнала задатчика минимального стати— ческого давления жидкости в резервуаре 1, первый триггер Шмитта 4 не срабатывает. и не запускается первый управляющий триггер 15. Насос

14 не работает, резервуар 34 постепенно опорожняется потребителями жидкости до момента равенства сигна-. лов на входах первого триггера Шмитта 4, что вызывает включение насоса 14, т.е. достигнут наименьший заданный уровень жидкости в резервуаре 34.

Если до включения устройства давление жидкости в. резервуаре 34 меньше минимального заданного, то сразу в момент включения устройства срабатывает первый триггер Шмитта 4, и запускается первый управляющий триггер 15, поскольку запускающий импульс на его вход приходит позже обнуляющего импульса на время задержки .срабатывания первого триггера Шмитта 4. Насос 14 начинает работать.

При первом включении насоса 1,4 срабатывает первый.:элемент 16 задержки, начинается отсчет времени

4й, включенного состояния насоса 14 в первом периоде подачи жидкости в резервуар. Этот промежуток времени

Не должен быть более отнонения регулируемого объема жидкости в резервуа1647526 ре 34 к потоку подачи насоса 14 во избежание перелива резервуара 34.

При подаче первым элементом

16 задержки импульса обнуляется вто5 рой управляющий триггер 25 и запирает третий коммутирующий элемент 20. В очередных периодах работы насоса 14 время его включенного состояния ие . навязывается, так как первый элемент

16 задержки не срабатывает. Одновременно отпирается второй коммутирующий элемент 19 и р".çðåøÿeò работу устройства в основном режиме. В этот момент также разрешается четверт-5 .ым коммутирующим элементом 21 прохождение сигнала с выхода датчика 3 давления на пиковый детектор 26, что обеспечивает запоминание на некоторое время наибольшего давления жидкости при включенном насосе 14. Сразу вслед за этим по прошествии времени задержки во втором элементе 17 задержки насос 14 выкжочается.

Четвертый выпрямитель 24 не цает при этом вновь запуститься зторому управляющему триггеру 25.

По прошествии времени задержки Qt> в третьем элементе l8 задержки„что необходимо для полной 30 остановки насоса 14 и измерения давления жидкости сразу после выключения насоса 14, разрешается в течение короткого импульса третьего элемента

i8 задержки прохождение в регистр 32 информации через селектор 31.

Эта информация представляет собой сумму, реализованную сумматором 28, сигналов с выхода пикового детектора

26 и с выхода элемента 27 вычитания, 4Q который непрерывно вычитает из сигнала задатчика-максимального статическогс давления жидкости в резервуаре 2 сигнал с выхода датчика 3 давления.

В аналого-цифровом преобразовате- 15 ле 30 блока 29 памяти аналоговый сигнал преобразуется в параллельный двоичный код, разрешение прохождения которого в цифроаналоговый преобразователь 33 осуществляется селек- 5о тором 31 по селектирующему импульсу с выхода тре-,ьего элемента 18 задержки. Суммарный сигнал хранится в регистре 32 до очередного выключения насоса 14, когда произойдет коррекция 55 суммарного сигнала, представляющего собой автоматически формируемое зна чение порога для отключения подачи жидкости 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 водопоцъемной скважине 36, и естест ..-енно отсутству- ют соединительные пров.динки между водонапорной башней 35 и водоподъемной скважиной 37, которые на практи-, ке могут быть разнесены на значительное расстояние друг от друга.

Формула изобретения

1. 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 и и — . 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 статическое1647526 давление 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.

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 Имитта, первый диффе-, ренцирующий элемент и первый выпря митель, последовательно соединенные второй триггер Шмитта, второй диффе- 25 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 управляющеготриггера, 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-4О 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 коммутирующих элемента, третий дифференцирующий 45 элемент, два выпрямителя, второй уп° равляющий триггер, пиковый детектор, последовательно соединенные элемент вычитания, сумматор и блок памяти, выход которого подключен к второму входу второго триггера Шмитта, выход второго выпрямителя соединен с входом второго коммутирующего элемента, I управляющий вход которого подключен к выходу второго управляющего триггера и к управляющему входу третьего коммутирующего элемента, связанного входом с выходом первого выпрямителя, а выходом через первый элемент задержки - с входом второго элемента задержки, с входом обнуления второго управляющего триггера, выходом вто— рого коммутирующего элемента, входом третьего элемента задержки и с управляющим входом четвертого коммутирующего элемента, выход датчика давления подключен к первому входу элемента вычитания и входу четвертого коммутирующего элемента, выход которого соединен с .входом пикового детектора, второй вход элемента вычитания связан с выходом задатчика максимального статического давления жидкости в резервуаре, а второй вход сумматора — с выходом пикового детектора,,выход ключа через последовательно соединенные третий дифференцирующий элемент, третий и четвертый выпрямители подключен к обнуляющему входу первого управляющего триггера.и к выходу второго ,элемента задержки, установочный вход ,второго управляющего триггера соединен с выходом третьего выпрямителя, а выход третьего элемента задержки подключен к управляющему входу блока памяти.

У

3. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок памяти содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, селектор, регистр и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к выходу блока, управляющий вход которого связан с управляющим .входом селектора, вход аналогоцифрового преобразователя соединен с входом блока.! 647526

Р, на«с

1647526

Составитель Л.Цаллагова

Техред Л.Олийнык!

Корректор С.Шекмар

Редактор В.Бугренкова

Заказ 1399 Тираж 472 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101