ПОРТАТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ Российский патент 1994 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения уровня жидкостей в резервуарах.

Известен уровнемер жидкости, содержащий частично погруженный в жидкость и подвешенный в вертикальном положении чувствительный элемент в виде буйка, соединенный при помощи металлического тросика с измерительным барабаном, насаженным на вал серводвигателя, сматывающим и наматывающим тросик буйка и приводящим во вращение механический счетчик уровня жидкости.

Недостатками данного устройства являются невозможность измерения уровня в резервуарах различной вместимости, сложность конструкции и обслуживания, а также низкая точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является портативный уровнемер жидкости, выбранный в качестве прототипа. Уровнемер содержит мерный тяговый орган в виде ленты с устройством его намотки и закрепленным на его конце датчиком конечных положений в виде ультразвукового излучателя и приемника, а также индикатор и автономный источник питания.

Измерение уровня жидкости основано на определении разности истинных значений высот установки уровнемера над дном резервуара и над поверхностью жидкости. Значения высот определяются с помощью смотрового окна на шкале мерной ленты, а конечное положение высот фиксируется при помощи ультразвукового датчика.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и низкая точность измерений.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - со счетным устройством, автономный источник питания помещен в корпус груза, нижнее основание которого снабжено подвижным контактом, а устройство намотки мерного тягового органа снабжено противоинерционным управляющим приспособлением. Эти признаки являются существенными для достижения цели, так как:
1. Мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - со счетным устройством, для обеспечения съема сигнала об уровне жидкости в зависимости от суммарного радиуса изгиба оптоволокна и обеспечения его работоспособности. Этим также достигается высокая точность измерений. Кроме того, данная конструктивная особенность способствует простоте конструкции и обслуживания уровнемера.

2. Автономный источник питания помещен в корпус груза, нижнее основание которого снабжено подвижным контактом, для обеспечения работоспособности датчика с внутренней амплитудной модуляцией интенсивности света за счет включения источника питания на границе раздела сред, которое фиксируется подвижным контактом в виде эластичной мембраны.

3. Устройство намотки мерного тягового органа снабжено противоинерционным управляющим приспособлением для исключения инструментальной погрешности прибора за счет обеспечения нормального натяжения смотанного с устройства оптоволокна сообщением противоинерционного момента устройству намотки мерного тягового органа.

Кроме того, данный признак дает возможность регулирования сматывания оптоволоконного световода с устройства его намотки в зависимости от высоты емкости, в которой производятся измерения.

Анализ предлагаемого устройства с прототипом приведен в таблице.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в предлагаемом техническом решении, и признать его соответствующим критерию "Существенные отличия".

На чертеже показана принципиальная схема уровнемера.

Портативный уровнемер жидкости содержит цилиндрический пустотелый корпус 1, внутри которого установлено с возможностью вращения на осях 2 и 3 устройство намотки мерного тягового органа, например, в виде барабана 4 с ограничителями 5.

Ось 2 снабжена втулкой 6 и жестко закреплена в теле корпуса 1, а ось 3 снабжена по крайней мере тремя шестеренками 7-9 и установлена одним концом с шестеренкой 7 с торца в отверстие корпуса барабана 4, которое снабжено по всей длине пазами по форме и размерам шестерни 7. Промежуточная часть оси 3 установлена в отверстие корпуса 1, которое снабжено в средней части пазами по форме и размерам шестерни 8, а второй конец оси 3, выходящий из корпуса 1, установлен в противоинерционном управляющем приспособлении в виде барабана 10, верхняя поверхность которого снабжена насечкой 11 и фиксаторами 12, выполненными по всей длине образующей барабана 10 и входящими в зацепление с фиксаторами 13, выполненными в теле корпуса 1.

Внутри корпуса барабана 10 со стороны корпуса 1 выполнены пазы по форме и размерам шестерни 9 и установлена пластинчатая пружина 14, один конец которой закреплен в теле оси 3, а другой - в корпусе барабана 10.

На барабан 4 намотан с фиксированным шагом мерный тяговый орган, выполненный из оптоволоконного световода 15, один конец которого выходит из торца барабана 4 и соединен с возможностью вращения с приемником 16 света (например, фотодиодом), установленным во втулке 6 и электрически соединенным со счетным устройством 17.

Второй конец оптоволоконного световода 15 жестко закреплен внутри разъемного корпуса груза 18 (например в форме сферы) и сопряжен с источником 19 света (например, светодиодом), установленным в коническом световом отражателе 20 и соединенным с одним полюсом автономного источника 21 питания, второй полюс которого соединен с подвижным контактом в виде эластичной мембраны 22, установленной в нижнем основании корпуса груза 18.

Устройство работает следующим образом.

Уровнемер устанавливают на горловине емкости. При этом оптоволоконный световод 15 намотан на барабан 4, находящийся в неподвижном состоянии, шестерни 7 и 8 скреплены с пазами соответственно в корпусе барабана 4 и корпусе устройства 1.

Выполняется условие равновесия системы
G_т= R_x, (1) где G_т - вес груза;
R_x - сила реакции опоры (сопряжения шестерни 8 с пазами в корпусе 1).

С помощью поворота барабана 10 уводят пластинчатую пружину 14 на величину, пропорциональную высоте емкости, в которой измеряют уровень жидкости. Нажатием на барабан 10 вводят в зацепление его фиксаторы 12 с фиксаторами 13 корпуса устройства, при этом происходит перемещение оси 3 и вывод из сопряжения шестерни 8 с пазами в корпусе 1 и барабан 4 начинает вращаться со скоростью
V= ω˙R (2) где R - радиус барабана;
ω - угловая скорость барабана.

При этом вращение для угловой скорости можно записать
ω= , (3) где ϕ₁ - угол поворота барабана;
t - время поворота;
ϕ₁ = f(F_упр), (4) где F_упр= -kϕ₂;
F_упр - сила упругости пластинчатой пружины 14;
ϕ₂ - угол поворота пружины 14;
К - коэффициент упругости пластинчатой пружины 14.

При вращении барабана 4 происходит сматывание с него оптоволоконного световода 15, который под действием силы тяжести груза 18 опускается в емкость, дойдя до границы раздела сред (газ-жидкость) вследствие различия плотностей этих сред и изменением силы сопротивления среды при условии
F_упр2 ≅ R_x, (5) где F_упр2 - сила упругости эластичной мембраны;
R_x - сила сопротивления среды.

Эластичная мембрана 22 прогибается и замыкает контакт автономного источника 21 питания, при этом включается источник 19 света и начинает работу оптоволоконный датчик.

Учитывая, что волоконный световод 15 намотан на барабан 4 с радиусом R, можно записать выражение для его длины
l_o = 2 πR_kn, (6) где l_o - длина оптоволоконного световода, причем условие максимального светопропускания l_o/d ≥ 2000 (3), где d - диаметр оптоволокна;
R_k - относительный радиус кривизны световода.

n - количество витков световода.

При падении груза 18 до границы раздела сред оптоволоконный световод сматывается с барабана на длину
l₁= 2 π R_ka₁, (7) где a₁ - количество смотанных витков.

При переходе из фазы движения в наджидкостном пространстве в фазу движения в жидкости до дна емкости включается в работу волоконно-оптический преобразователь (ВОП), диафрагму излучения которого можно записать в общем виде (4)
f( ϕ₃)= f_овхf ( ϕ₃) ˙τ (ϕ_s), (8) где f(ϕ₃) - диафрагма направленности источника света;
τ (ϕ₃) - коэффициент светопропускания волокна.

Общую длину световода можно условно разделить на прямой участок смотанного волокна до дна емкости l₂= 2 π R_ka₂, где а₂ - количество смотанных витков и изогнутый участок с радиусом изгиба (4):
R_k= R= (n_c+n_u)/(n_c-n_u), (9)
n_c и n_u - показатели преломления соответственно сердцевины и оболочки,
и длиной l₃= 2πR(n-а₂) (10)
Светосила прямого участка световода описывается выражением (4)
А_о²= n_c²-n_u² (11)
Относительная светосила изогнутого участка световода описывается выражением (4)
τ= . (12)
Вследствие того, что длина хода луча в изогнутом световоде в 1+ раз больше, чем в прямом, а также того, что в прямом световоде входная и выходная амплитуды равны, а в изогнутом она на выходе больше, полная светосила оптоволоконного преобразователя будет выражаться суммой светосил прямого и изогнутого участков, т. е. общая сила ВОП при начале работы датчика на границе раздела сред газ-жидкость
А₂= А_о²+r₂ (13)
Общая светосила ВОП при достижении грузом 18 под действием силы упругости пластинчатой пружины 14 дна емкости
А₂= А_о²+r₂ (14).

Таким образом изменение светосилы при движении груза 18 от границы раздела сред до дна емкости будет выражаться
Δ А= А₁-А₂ (15)
Δ А= r₁-r₂A = .

Так как a₁= и a₂= , преобразуя выражение (15), можно записать
ΔA= , (16)
l₁-l₂= h - высота уровня жидкости.

Высота l₁ определяется началом работы ВОП при замыкании подвижного контакта 22, а высота l₂ фиксируется силой упругости пластинчатой пружины 14, величина закрутки которой устанавливается пропорциональной высоте емкости от горловины до ее днища по градуировочной таблице.

Таким образом выражение для уровня жидкости можно записать:
h= . (17)
Предлагаемый портативный уровнемер жидкости может также работать в режиме свободного падения груза до границы раздела сред (при условии его положительной плавучести). При этом пластинчатая пружина 14 не взводится, а выполняет функцию противоинерционного устройства, останавливающего барабан 4 при достижении грузом 18 границы раздела сред. Для намотки оптоволоконного световода 15 на барабан 4 и ось 3 при помощи барабана 10 отводят в крайнее правое положение, при этом шестерни 7 и 9 находятся в сопряжении с пазами соответственно в корпусе барабана 4 и барабана 10. Вращением барабана 10 производят намотку оптоволокна на барабан 4.

Предлагаемый уровнемер в отличие от прототипа имеет более простую конструкцию, меньшую металлоемкость и более высокую точность измерений, так как в прототипе происходит визуальный съем сигнала об уровне, а в предлагаемом приборе - при помощи оптоволоконного преобразователя с внутренней амплитудой модуляцией интенсивности света, имеющего более высокую точность и дающего возможность автоматизации снятия показаний об уровне жидкости.
(56) Нефтеснабжение. М. , 1980 (ЦНИИГПЭМС. Научно-технический реферативный сборник. вып. 3). Уровнемер серии 801 производства фирмы Enraf Nonius (Голландия).

Авторское свидетельство СССР N 1137318, кл. G 01 F 23/22, 1985.

Зак Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М. : Энергоатомиздат, 1989, с. 128.

Вейнберг В. Б. , и Саттаров Д. К. Оптика световодов. , Изд. 2-е, перераб, и доп. Л. : Машиностроение, 1977, с. 320.

Использование: изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для измерения уровня жидкостей в резервуарах. Сущность изобретения: мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - со счетным устройством, автономный источник питания помещен в корпус груза, нижнее основание которого снабжено подвижным контактом, а устройство намотки мерного тягового органа снабжено противоинерционным управляющим приспособлением. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПОРТАТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ, содержащий корпус с размещенным в нем мерным тяговым органом, один конец которого соединен с грузом, а другой - с механизмом его намотки, автономный источник питания и блок индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции, мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - с блоком индикации, автономный источник питания размещен в корпусе, в котором на нижнем основании установлен подвижный контакт, а механизм намотки мерного органа снабжен противоинерционным узлом. 2. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что подвижный контакт выполнен в виде эластичной мембраны. 3. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что противоинерционный узел выполнен в виде барабана, внутри которого установлена пластинчатая пружина.