Устройстов для измерения изменений во времени давления жидкости или газа
DEVICES FOR MEASURING TIME VARIATIONS OF PRESSURE OF LIQUID OR GAS

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к приборам для измерения изменений во времени давления жидкости или газа. Оно может быть использовано в нефтегазодобывающей, нефтехимической, химической, пищевой и других отраслях промышленности, в коммунальном хозяйстве.
Известно устройство для измерения перепада давления [RU 2027158 С2, МПК 6 G01L13/00, опубл. 20.01.1995], содержащее дифференциальный датчик с двумя пневмовходами, выход которого связан с индикатором устройства через электронный усилительно-преобразовательный блок. Пневмовходы датчика подключены к соответствующим выходам двух двухпозиционных пневмопереключателей, входы каждого из которых подключены к точкам отбора давления измеряемой среды. Выход усилительно-преобразовательного блока соединен с первым входом умножителя, второй вход которого подключен к выходу генератора периодического управляющего сигнала, другой выход которого подключен к управляющим входам обоих пневмопереключателей. Выход умножителя через интегратор связан с индикатором.
Данное устройство предназначено для измерения разности давлений в двух различных закрытых сосудах или в разных трубопроводах в одни и те же моменты времени и по этой причине не может измерять изменения во времени давления в одном и том же закрытом сосуде или сечении трубопровода.
Известно устройство для измерения изменения давления в трубопроводе при транспортировке жидкости [RU 2426080 C1, МПК G01L13/02 (2006.01), опубл. 10.08.2011], принятое за прототип, которое содержит дифференциальный датчик давления с двумя входами. Один вход датчика, являющийся контролирующим, подключен непосредственно к трубопроводу в контролируемом сечении, а второй вход подключен к тому же сечению трубопровода через управляемый клапан для запоминания давления в трубопроводе до его изменения.
Это устройство выдает информацию об изменениях измеряемого давления не на каждом такте работы устройства (при открытом или закрытом управляемом клапане), а лишь через один, причем определяется изменение давления не на всем очередном цикле работы устройства с открытым и закрытым управляемом клапаном, а только в те отрезки времени, когда управляемый клапан находится в закрытом состоянии. При этом отсчет изменения давления ведется от того его значения, которое было в контролируемом сечении трубопровода в момент закрытия управляемого клапана, а не в начале текущего двухтактового цикла работы устройства. При использовании такого устройства в системах автоматического регулирования давления в закрытом сосуде или в контролируемом сечении трубопровода для систем обнаружения в нем утечек или несанкционированных отборов транспортируемого вещества выдаваемая им информация отличается от необходимой для этих целей.
Техническим результатом изобретения является двукратное увеличение по сравнению с прототипом частоты измерения разности во времени давления жидкости или газа в закрытом сосуде или в контролируемом сечении трубопровода и формирование на выходе устройства информации, отражающей значения этих изменений на каждом такте работы устройства.
Устройство для измерения изменений давления жидкости или газа, также как в прототипе, содержит дифференциальный датчик давления с двумя входами, управляемый клапан, соединенный трубками со штуцером контролируемого объекта и входом дифференциального датчика давления, автоматическое управляющее устройство.
Согласно изобретению второй управляемый клапан соединен трубками со вторым штуцером контролируемого объекта и со вторым входом дифференциального датчика давлений, к выходу которого  последовательно подключены усилительно-преобразующее устройство, инвертор, автоматический переключатель, аналого-цифровой преобразователь, выход которого связан с автоматической системой обработки, хранения и/или использования результатов измерений. Выход усилительно-преобразующего устройства подключен ко второму входу автоматического переключателя. Автоматическое управляющее устройство своими выходами связано с управляющими входами первого и второго управляемых клапанов, а также с третьим входом автоматического переключателя. Первый и второй управляемые клапаны, усилительно-преобразующее устройство, дифференциальный датчик давления, инвертор, автоматический переключатель, аналого-цифровой преобразователь подключены к источнику питания.
Предлагаемое устройство для измерения изменений давления жидкости или газа в закрытом сосуде или в одном и том же сечении трубопровода, также как в прототипе, содержит дифференциальный датчик давления с двумя входами и двумя камерами, заполняемыми жидкостью или газом из контролируемого объекта в соответствии с установленной программой работы в автоматическом устройстве управления, но содержит не один, а два управляемых клапана, которые поочередно на каждом последующем такте работы устройства находятся один в открытом состоянии, а другой – в закрытом, и тем самым обеспечивают каждому входу и соединенной с ним камере дифференциального датчика давления работу в качестве фиксирующих текущее значение давления в контролируемом объекте или запоминающих его значение в конце предыдущего такта работы устройства. Тем самым создаются условия для двукратного увеличения частоты измерения разности во времени давления жидкости или газа в контролируемом объекте по сравнению с прототипом, в котором такие измерения возможны не на каждом такте работы устройства (при открытом или закрытом управляемом клапане), а лишь через один.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства для измерения изменений во времени давления жидкости или газа.
На фиг. 2 показаны зависимости от времени изменений давления в контролируемом объекте 1, на входах 5 и 6 дифференциального датчика давлений 4 (ДДД) и состояний управляемых клапанов 7 (УК1) и 8 (УК2) в предлагаемом устройстве.
Устройство для измерения изменений во времени давления жидкости или газа (фиг.1) в контролируемом объекте 1, например, в выбранном сечении трубопровода с отводными штуцерами 2 и 3, содержит дифференциальный датчик  давления 4 (ДДД), имеющий два входа 5 и 6. Первый управляемый двухпозиционный клапан 7 (УК1) соединен трубками с первым штуцером 2 контролируемого объекта 1 и с первым входом 5 дифференциального датчика давлений 4 (ДДД). Второй управляемый клапан 8  (УК2) соединен трубками со вторым штуцером 3 контролируемого объекта 1 и со вторым входом 6 дифференциального датчика давлений 4 (ДДД), к  выходу которого  последовательно подключены усилительно-преобразующее устройство 9 (УПУ),  инвертор 10 (Ин), автоматический переключатель 11 (АП), аналого-цифровой преобразователь 12  (АЦП), выход которого связан с автоматической системой обработки, хранения и/или использования результатов измерений 13 (АСОХИРИ). Выход усилительно-преобразующего устройства 9 (УПУ) подключен ко второму входу  автоматического переключателя 11 (АП).
Автоматическое управляющее устройство 14 (АУУ) своими выходами связано с управляющими входами управляемых клапанов 7 (УК1)  и 8 (УК2), а также с третьим (управляющим) входом автоматического переключателя 11  (АП).
Двухпозиционные управляемые клапаны 7 (УК1) и 8 (УК2), усилительно-преобразующее устройство 9 (УПУ), дифференциальный датчик давления 4 (ДДД), инвертор 10 (Ин), автоматический переключатель 11 (АП), аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП) и автоматическое управляющее устройство 14 (АУУ)  подключены к источнику питания 15 (ИП).
В качестве дифференциального датчика давления 4 (ДДД) может быть использован, например, компактный датчик дифференциального давления APZ 3020 [http://emis-kip.ru/pics/catalog/Sensor/spec_3020.pdf], а в качестве управляемых клапанов 7 (УК1) и 8 (УК2) – клапан электромагнитный AR-2W12 [http://s7777.ru/upload_ex/iblock/ d06/d066379afdccc613c4afc4efcc5dd111.pdf]. Усилительно-преобразующее устройство 9 (УПУ), инвертор 10 (Ин), автоматический переключатель 11 (АП) могут быть реализованы на элементах электронной техники, а автоматическое управляющее устройство 14 (АУУ) – на программируемых логических контроллерах, например на контроллере типа Advantech ADAM-4500-AE [http://indpc.ru/catalog/kontrolleri-datchiki-sistemi-udalennogo-vvoda/programmiruemye-logicheskie-kontrollery/programmiruemye-kontrollery-advantech/adam-4500-ae.html].
Устройство работает следующим образом. Перед началом его работы управляемые клапаны 7 (УК1) и 8 (УК2) находятся в закрытом состоянии, давление в камерах дифференциального датчика давлений 4 (ДДД) отсутствует и его выходной сигнал равен нулю. Жидкость или газ в контролируемом объекте 1 находится под давлением .
Работа предлагаемого устройства начинается с включения источника питания 15 (ЭИП) и автоматического управляющего устройства 14 (АУУ). По командным сигналам автоматического управляющего устройства 14 (АУУ) вначале открываются управляемые клапаны 7 (УК1) и 8 (УК2) на время, достаточное для увеличения давления в обеих камерах дифференциального датчика давлений 4 (ДДД) до уровня текущего давления  в контролируемом объекте 1. После этого автоматическое управляющее устройство 14 (АУУ) переводит предлагаемое устройство в циклический режим работы со временем каждого такта (цикла), равным секунд. При этом на каждом из тактов работы устройства один управляемый клапан находится в открытом состоянии, а другой – в закрытом. На следующем такте состояния управляемых клапанов меняются на противоположные.
Длительность  тактов работы устройства выбирается в зависимости от геометрических параметров используемых в нем дифференциального датчика давления 4 (ДДД), управляемых клапанов 7 (УК1), 8 (УК2), диаметров штуцеров 2, 3 и трубок подводов к ним от контролируемого объекта 1 жидкости или газа, их вязкости, а также от ожидаемого максимального уровня  изменения  давления в контролируемом объекте 1 на тактах работы устройства. Она должна быть не менее того времени, которое необходимо для выравнивания давления в камерах дифференциального датчика давления 4 (ДДД) с текущим давлением  в контролируемом объекте 1, после их работы на тактах, когда их трубное соединение с контролируемым объектом 1 перекрывалось включенным в это соединение управляемым клапаном (он был закрыт) и они работали в режиме «запоминания» давления.
На первом такте работы устройства в интервале времени , один из управляемых клапанов, например, клапан 7 (УК1) остается в открытом состоянии (фиг. 2 в), а другой - управляемый клапан 8 (УК2), по команде с автоматического управляющего устройства 14 (АУУ) переводится в закрытое состояние при  (фиг. 2 г). Тем самым первый из них (фиг. 2 а) обеспечивает текущее давление  на входе 5 и в первой камере дифференциального датчика давлений 4 (ДДД), равное давлению  в контролируемом объекте 1, а второй – обеспечивает запоминание значения давления в начале этого такта  на входе 6 и во второй камере дифференциального давления 4 (ДДД). то еесть давление в них  будет равно  на всем временном интервале . При этом выходной электрический сигнал дифференциального датчика давлений 4 (ДДД), как показано на фиг. 2 б, будет пропорционален разности давлений
.
По его значению усилительно-преобразующее устройство 9 (УПУ) формирует на своем выходе электрический сигнал
,
отражающий текущее значение  с коэффициентом преобразования , и передает его на первый вход автоматического переключателя 11 (АП) и на инвертор 10 (Ин), выходной сигнал с которого
поступает на второй вход автоматического переключателя 11 (АП), который может быть реализован в предлагаемом устройстве, как в двухпозиционном, так и в трехпозиционном исполнении.
При использовании в устройстве двухпозиционного автоматического переключателя 11 (АП), на первом такте работы устройства одновременно с закрытием управляемого клапана 8 (УК2) автоматическое управляющее устройство 14 (АУУ) переводит автоматический переключатель 11 (АП) на выдачу на вход аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП) сигнала, поступающего на его первый вход непосредственно от усилительно-преобразующего устройства 9 (УПУ) и определяющего разность  текущего значения давления в контролируемом объекте 1 и его значения в начале этого такта. Если же в устройстве используется трехпозиционный автоматический переключатель 11 (АП), то в течение времени  он находится в нейтральном состоянии (не передает на свой выход сигналы, поступающие на его первый или второй входы), а в конце первого такта, то есть. при , по командному короткому импульсному сигналу от автоматического управляющего устройства 14 (АУУ) переводится на короткое время на передачу на аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП) сигнала со своего первого входа, определяющего  величину .
На втором такте работы устройства при  по командным сигналам от автоматического управляющего устройства 14 (АУУ) управляемый клапан 7 (УК1) закрывается, управляемый клапан 8 (УК2) открывается, автоматический переключатель 11 (АП), если он применен в двухпозиционном исполнении, переводится в состояние, при котором на его выход передается сигнал со второго входа (с инвертора 10 (Ин)), определяющий текущее значение  с отрицательным знаком.
Если же в предлагаемом устройстве применен трехпозиционный автоматический переключатель 11 (АП), то, как и на первом такте работы устройства, в течение времени  он находится в нейтральном состоянии (не передает на свой выход сигналы, поступающие  на  его первый или второй входы), а в конце этого такта, то есть при , по командному импульсному сигналу от автоматического управляющего устройства 14 (АУУ) переводится на короткое время в режим передачи на аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП) сигнала со своего второго входа, определяющего величину .
На всех последующих тактах работы устройство функционирует циклически, повторяя свою работу на первом и втором тактах, что поясняется приведенными на фиг. 2 а зависимостями от времени изменений давления  в контролируемом объекте 1, давлений на первом  и втором  входах дифференциального датчика давлений 4 (ДДД) и состояний (1 – открыт, 0 – закрыт) управляемых клапанов 7 (УК1) и 8 (УК2) в предлагаемом устройстве, указанных, соответственно, на фиг. 2 в  и фиг. 2 г.
Приведенная на фиг. 2 б зависимость от времени выходного сигнала дифференциального датчика давления 4 (ДДД) показывает, что значения  при  отличаются по знаку от фактических значений изменений во времени давления жидкости или газа в контролируемом объекте 1 в эти моменты времени. Этим и обусловлена необходимость инвертирования выходных сигналов усилительно-преобразующего устройства 9 (УАУ) на четных тактах работы устройства, встраивание в него инвертора 10 (Ин) и автоматического переключателя 11 (АП).
Таким образом, автоматическое управляющее устройство 14 (АУУ) формирует и подает такие командные сигналы на управляемые клапаны 7 (УК1), 8 (УК2) и автоматический переключатель 11 (АП), что все устройство работает в циклическом режиме потактно с заданной длительностью такта , причем в начале нечетных тактов первый управляемый клапан 7 (УК1) находится в открытом состоянии, второй (управляемый клапан 8 (УК2)) – в закрытом, а автоматический переключатель 11 (АП) передает на аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП) сигнал, поступающий на его первый вход, в начале же четных тактов управляемый клапан 7 (УК1) переводится в закрытое состояние, второй управляемый клапан 8 (УК2) – в открытое, а автоматический переключатель 11 (АП) передает на аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП) сигнал, поступающий на его второй вход. Тем самым обеспечивается выдача заявляемым устройством в автоматическую систему обработки, хранения и/или использования результатов измерений 13 (АСОХИРИ) значений изменения во времени давления в контролируемом объекте 1 на каждом  такте работы устройства. При этом в случае применения в нем автоматического переключателя 11 (АП) в трехпозиционном исполнении в потребляющую, формируемую заявляемым устройством информацию, систему – автоматическую систему обработки, хранения и/или использования результатов измерения 13 (АСОХИРИ) будут поступать в оцифрованном аналого-цифровым преобразователем 12 (АЦП) виде значения  изменения во времени давления в контролируемом объекте 1 в конце каждого такта работы устройства, а в случае применения в заявляемом устройстве автоматического переключателя 11 (АП) в двухпозиционном исполнении – вся совокупность текущих значений .
Заявляемое устройство может найти применение, в частности, при решении задач обнаружения утечек и/или несанкционированных отборов транспортируемых по трубопроводам веществ или для определения производной ошибки регулирования при автоматическом регулировании давления с применением пропорционально-дифференциальных, пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторов и других типов регуляторов, в алгоритмах которых используется информация о текущей скорости изменения давления.