ПОПЛАВКОВЫЙ ДИФМАНОМЕТР Российский патент 1994 года по МПК G01L13/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидкостей, пульп и суспензий, для контроля напора и расхода и т. п.

Известен датчик разности давлений, содержащий цилиндрический корпус с двумя подводящими штуцерами, расположенный в корпусе дифференциальный блок упругих чувствительных элементов, и емкостной преобразователь деформаций, выполненный в виде измерительного и эталонного конденсаторов с подвижным и неподвижным плоскими электродами, в котором для повышения точности и чувствительности блок упругих чувствительных элементов выполнен в виде двух идентичных прямолинейных трубок с эксцентричным каналом, установленных соосно и развернутых друг к другу толстыми стенками на 180^о, при этом трубки герметично скреплены одними концами друг с другом с помощью центральной заглушки, а другие концы трубок герметично подсоединены к подводящим штуцерам, причем подводящие электроды эталонного и измерительного конденсаторов прикреплены к заглушке и сориентированы относительно друг друга под углом 90^o, а соответствующие неподвижные электроды конденсаторов закреплены на корпусе и сориентированы аналогично.

Недостатком известного датчика является низкая чувствительность к перепаду давлений.

Известно устройство для контроля перепада давлений, содержащее заполненную жидкостью U-образную трубку, поплавок, размещенный в измерительном колене трубки, и две измерительные камеры, герметически соединенные с концами трубки и заполненные жидкостью, в котором для повышения чувствительности путем обеспечения неограниченного увеличения диаметра расширительной камеры к диаметру трубки, расширительные камеры заполнены той же жидкостью, что и трубки, а поплавок выполнен со средней плотностью , равной плотности жидкости ρ_ж= ρ_ж, а измерительное колено выполнено с возможностью изменения угла относительно оси второго колена.

Недостатком известного устройства является его высокая сложность.

Известен поплавковый дифманометр, содержащий узкий и широкий сообщающиеся сосуды с рабочей жидкостью и поплавком в рабочем сосуде, в котором сосуды через трубопроводы и вентили соединены с источниками высокого и низкого давления и через уравнительный вентиль соединены между собой, а также соединенный с поплавком механический указатель его положения в широком сосуде.

Недостатками известного поплавкового дифманометра являются низкая чувствительность к перепаду давлений, высокая сложность и низкая надежность работы по внезапным отказам из-за наличия механического указателя поплавка в широком сосуде.

Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения чувствительности к положению поплавка в широком сосуде при одновременном повышении надежности работы по внезапным отказам за счет упрощения путем исключения механического указателя положения поплавка в широком сосуде.

На чертеже показан поплавковый дифманометр, где для лучшего показа конструкции дан продольный осевой разрез петли упругой нити в увеличенном поперечном размере.

Поплавковый дифманометр содержит широкий 1 и узкий 2 сообщающиеся сосуды с рабочей жидкостью 3 и поплавком 4 в широком сосуде 1. Сосуды 1 и 2 через трубопроводы 5 и 6 и вентили 7 и 8 соединены с источниками давления Р₁ и Р₂ и через уравнительный вентиль 9 соединены между собой.

Поплавковый дифманометр снабжен омметром 10. Преобразователь перемещения поплавка выполнен в виде упругой нити 11 из токопроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку 12 из упругого эластичного материала, например, из резины или латекса. Изогнутая часть петли с торцом 13 жестко прикреплена к верхнему основанию 14 поплавка 4 без электрического контакта торца 13 нити 11 с основанием 14 поплавка 4, причем изоляция обеспечивается изоляционной прокладкой 15 и шайбой 16. Другая часть петли нити 11 жестко соединена с верхним основанием 17 широкого сосуда 1. Через основание широкого сосуда с помощью герметизирующих изоляторов в виде прокладки 18 и шайбы 19 пропущены свободные концы 20 и 21 нити 11. Концы 20 и 21 нити 11 соединены с входами омметра 10.

Работа поплавкового дифманометра осуществляется следующим образом.

Принцип действия поплавкового дифманометра основан на уравновешивании измеряемого перепада давлений гидростатическим давлением, создаваемым столбом рабочей жидкости, заполняющей дифманометр. Площадь сечения Г широкого сосуда 1 значительно больше площади сечения узкого сосуда 2. Внутренняя полость сообщающихся сосудов 1 и 2 заполнена рабочей жидкостью 3, например ртутью или трансформаторным маслом, до нулевой отметки 0. О значении измеряемой разности давлений в поплавковом дифманометре судят по отсчетному устройству, роль которого выполняет омметр 10, связанный функционально с поплавком 4, расположенным во внутренней части широкого сосуда 1. При подключении дифманометра к объекту измерения большее давление в сосуд 1, а меньшее в сосуд 2, подается через вентили 7 и 8. Вентиль 9 служит для того, чтобы исключить возможность выброса рабочей жидкости 3 при односторонней подаче давления. С этой целью перед подключением дифманометра к объекту вентиль 9 открывают, а после стабилизации давления в обоих сосудах 1 и 2 закрывают. При отключении дифманометра от объекта необходимо предварительно открыть вентиль 9, а затем закрыть вентили 7 и 8.

В процессе измерения жидкость в широком сосуде 1 перемещается вниз, а вместе с ней перемещается поплавок 4, который под действием собственного веса растягивает шнур (оболочку 12 и нить 11). Шнур выполнен так, чтобы при любых перемещениях поплавка 4 он работал в пределах упругих деформаций, что позволяет поплавку в любой момент времени находиться на поверхности жидкости 3, как это показано на чертеже. Перемещение поплавка 4 будет происходить до тех пор, пока измеряемая разность давлений Р₁ - Р₂ не уравновесится давлением столба жидкости высотой h₁ - h₂, то есть
Р₁ - Р₂ g(ρ_ж-ρ_c)(h₁ + h₂), (1) где g - местное ускорение свободного падения,
h₁ и h₂ - перемещение жидкости в правом и левом коленах,
ρ_ж - плотность рабочей жидкости
ρ_c- плотность измеряемой среды.

Принимая во внимание равенство объема жидкости, вытесненного из широкого сосуда 1, объему жидкости, поступившему в узкий сосуд 2:
Fh₂ = fh₁ (2) преобразуем уравнение (1)
h₂ = (P₁ - P₂)[1 + F/f)(ρ_ж-ρ_c )g] ^-1 (3)
Уравнение (3) представляет собой статическую характеристику поплавкового дифманометра, из которой следует: чтобы получить одинаковое перемещение h₂ поплавка при измерении разности давлений в различных диапазонах, необходимо изменять соотношение F/f. Практически это достигается заменой узкого сосуда одного диаметра на сосуд другого диаметра. Для этого поплавковый дифманометр может комплектоваться несколькими узкими сосудами 2 разных диаметров, замена которых позволяет изменять предельные номинальные перепады измеряемых давлений. Предельный номинальный перепад Δ Р_ном связан с максимальным измеряемым перепадом Р = Р₁ - Р₂ соотношением
ΔP_ном = ΔP(1 - ρ_c/ρ_ж). (4)
Нить и оболочка работают в пределах упругих деформаций когда при любых изменениях их длины объема остаются постоянными. Так, например, если длина нити 11 при опускании поплавка увеличивается в 2 раза от l до 2l, то поперечное сечение S нити 11 уменьшается в 2 раза от S до S/2, а объем V при этом остается постоянным. При удлинении в общем случае нити 11 в n раз ее сечение уменьшается также в n раз. Известно, что сопротивление проводника Р прямо пропорционально его удельному сопротивлению ρ (Ом˙м) и длине k (м) и обратно пропорционально его поперечному сечению S (м²):
R = ρ l/S (5)
Из (5) с однозначностью следует, что при удлинении жилы 11 в 2 раза ее сопротивление увеличится в 4 раза, а при удлинении нити 11 в n раз ее сопротивление увеличится в n² раз. Поэтому омметр 10 имеет квадратичную шкалу, так как сопротивление, индицируемое омметром, увеличивается пропорционально квадрату перепада давлений.

Таким образом, в любой момент времени омметр 10 обеспечивает в n раз большую чувствительность к перепаду давлений, нежели указатель положения поплавка в прототипе. При прочих равных условиях точность контроля повышается во столько раз, во сколько раз увеличивается чувствительность к контролируемому параметру. Поэтому в изобретении точность повышена в общем случае в n раз по сравнению с прототипом.

Еще одним существенным преимуществом дифманометра по сравнению с прототипом является исключение механического указателя положения поплавка (он заменен на нить и омметр). Нить в оболочке кроме обеспечения простой и высокочувствительной индикации положения поплавка играет еще и дополнительные роли демпфера и уравновешивания поплавка в жидкости всегда в показанном на чертеже положении. Упругие свойства нити и оболочки сглаживают колебания вертикальных перемещений поплавка, что важно для измерения перепада давлений в работающих технологических аппаратах, где возможны частые скачкообразные перепады давления. Из-за этого уменьшается динамическая погрешность измерения перепада давлений. Нить в оболочке уравновешивает поплавок за счет возникновения в нити и оболочке упругих деформаций при вертикальных перемещениях поплавка и за счет этого позволяет использовать поплавок заданной массы с тем, чтобы он не входил в резонанс при периодических перепадах давления.

Таким образом, преимущества поплавкового дифманометра по сравнению с прототипом заключаются в повышении точности измерений за счет увеличения чувствительности к перемещению поплавка, в увеличении надежности работы по внезапным отказам за счет исключения ненадежного механического указателя положения поплавка, в сглаживании возникающих при измерениях колебаний, в исключении резонансных колебаний положений поплавка при измерениях перепада давлений. Повышение точности при одновременном упрощении и повышении надежности работы по внезапным отказам свидетельствует о преодолении технического противоречия. (56) Авторское свидетельство СССР N 1679227, кл. G 01 F 9/12, 1989.

Авторское свидетельство СССР N 1668880, кл. G 01 M 3/26, 1989.

Фарзане Н. Г. и др. Технические измерения и приборы. М. , 1989, с. 98-99.

Использование: в измерительной технике, в частности в устройствах для измерения расхода и напора жидкостей, пульп, суспензий в процессах их контроля. Сущность изобретения: поплавковый дифманометр содержит широкий 1 и узкий 2 сообщающиеся сосуды с рабочей жидкостью 3 и поплавком 4 в широком сосуде. Сосуды 1 и 2 через трубопроводы 5 и 6 и вентили 7 и 8 соединены с источниками давления P1 и P2 и через уравнительный вентиль 9 соединены между собой. Также имеется омметр 10. Преобразователь перемещения поплавка выполнен в виде упругой нити 11 из токопроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку 12 из упругого эластичного материала (резины или латекса). Изогнутая часть петли с торцом 13 жестко прикреплена к верхнему основанию 14 поплавка 4 без электрического контакта торца 13 с основанием 14 поплавка 4. Изоляция обеспечивается изоляционной прокладкой 15 и шайбой 16. Другая часть петли нити 11 жестко соединена с верхним основанием 17 широкого сосуда 1. Через основанием широкого сосуда с помощью герметизирующих изоляторов в виде прокладки 18 и шайбы 19 пропущены свободные концы 20 и 21 нити 11, которые соединены с входами омметра 10. 1 ил.

ПОПЛАВКОВЫЙ ДИФМАНОМЕТР, содержащий частично заполненные жидкостью широкий и узкий сообщающиеся сосуды, верхние основания которых снабжены подводящими патрубками с вентилями, соединенными между собой через уравнительный вентиль, поплавок, расположенный в широком сосуде, и преобразователь перемещения поплавка, отличающийся тем, что в нем преобразователь перемещения поплавка выполнен в виде петли упругой нити из токопроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку из упругого материала, причем изогнутая часть петли жестко прикреплена к поплавку, другая часть петли жестко соединена с верхним основанием широкого сосуда, а концы нити с помощью герметизирующих изоляторов пропущены через верхнее основание широкого сосуда и соединены с входами введенного омметра.