УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК E21B47/01 E21B47/04 

Изобретение относится к технике, применяемой при проведении инженерно-изыскательских работ, в частности, к средствам для непрерывной регистрации уровня жидкости и его изменений.

Известей регистратор уровня воды конструкции ВСЕГИНГЕО, предназначенный для непрерывной регистрации уровня в наблюдательных скважинах диаметром не менее 75 мм.

Он содержит поплавок и противовес, связанные тросом, взаимодействующим с блоком, на валу которого укреплен счетчик (см. Д.И.Башкатов, А.Г.Тесля. Гидрогеологические наблюдения при бурении и опробывании скважин на валу. М. Недра, 1970, c. 106-107).

Регистрация уровня в этом устройстве осуществляется в виде цифровых отпечатков на бумажной ленте, производимых через определенные промежутки времени, для чего служит часовой механизм c автономным электропитанием от батареи.

Известен также регистратор уровня волн, который позволяет непрерывно регистрировать изменение уровня воды в наблюдательных скважинах в виде кривой на диаграммной ленте, привод которой осуществляется от часового механизма.

В качестве датчика в этом устройстве также используется поплавок c противовесом (см. там же на с. 107).

Общим недостатком указанных устройств является сложность конструкции, недостаточная надежность работы и ограниченные функциональные возможности, связанные с необходимостью наличия поплавка с большими габаритами (диаметром не менее 70 мм), что практически исключает применение такого устройства в узких скважинах с небольшим межтрубным зазором.

По своей технической сущности ближайшим к заявленному является устройство для измерения уровня жидкости, содержащее редуктор, два барабана с тросами, один из которых закреплен на быстроходном валу редуктора, а другой на тихоходном валу редуктора, груз указатель, закрепленный на свободном конце троса барабана тихоходного вала, и регистратор уровня жидкости в виде вертикальной шкалы (Л.Г.Яковлев. Уровнемеры. М. Машиностроение, 1964, c. 56).

Так как грузы являются противовесами, то при подъеме "быстроходного" груза "тихоходный" груз опускается и, наоборот, когда груз-датчик погружен в воду, момент MМБ

становится меньше момента MCБ и равен .

Наступает равновесие, противовесы (грузы) останавливаются, а стрелка укажет на шкале глубину уровня жидкости.

Данное устройство принято нами за прототип заявленного технического решения.

В прототипе диаметр поплавка должен быть значительным для обеспечения его плавучести и возможности косвенного анализа его положения оператором, что значительно сужает область его возможного использования, снижает точность измерений. Кроме того, функциональные возможности прототипа ограничивает то обстоятельство, что это устройство нельзя применить в качестве средства для непрерывного замера уровня, даже если заменить указательную стрелку со шкалой на самописец с диаграммной лентой, по следующим соображениям. При понижении замеренного уровня поплавок выйдет из воды и станет "сухим", при этом изменение натяжения троса может служить косвенным признаком для оператора.

Однако повышение уровня не дает даже такой возможности. Возможность автоматизации этого процесса отсутствует.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения с высокой точностью непрерывной регистрации изменяющегося уровня жидкости без существенного конструктивного усложнения устройства.

Согласно изобретению устройство для непрерывного измерения уровня жидкости, содержащее редуктор, два барабана с тросами, один из которых закреплен на быстроходном валу редуктора, а другой на тихоходном валу редуктора, груз-указатель, закрепленный на свободном конце троса барабана тихоходного вала, и регистратор уровня жидкости, снабжено грузом-датчиком, выполненным из двух последовательно соединенных верхней и нижней частей и закрепленным на свободном конов троса барабана быстроходного вала, а регистратор уровня жидкости выполнен в виде самописца, установленного на грузе-указателе с возможностью взаимодействия с диаграммной лентой, при этой крутящие моменты на валах редуктора удовлетворяют условиям:


где MCБВ

, MCБH крутящие моменты на быстроходном валу редуктора от верхней и нижней частей груза-датчика, находящихся над поверхностью жидкости;
MМБВ, MVБH крутящие моменты на быстроходном валу редуктора от частей груза-датчика, находящихся ниже уровня жидкости;
М_т крутящий момент на тихоходном валу редуктора от груза-указателя;
i передаточное число редуктора;
η коэффициент полезного действия редуктора;
n отношение диаметров барабанов.

Указанная совокупность признаков является во всех случаях достаточной для получения требуемого от изобретения технического результата, поэтому на нее испрашивается объем правовой охраны.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленного технического решения, заключается в том, что в трех различных положениях груза-датчика по отношению к уровню жидкости возникают три различных крутящих момента на быстроходном валу, а соблюдение заявленных соотношений между крутящими моментами на быстроходном и тихоходном валах приводит к тому, что редуктор тормозится только при одном из возможных положений груза-датчика, а именно тогда, когда одна его нижняя часть погружена в жидкость, а верхняя часть находится над ее уровнем. Это позволяет в конечном счете легко и с достаточной точностью регистрировать все текущие изменения уровня жидкости.

Этот результат достигается только в случае реализации всех существенных признаков заявленного устройства, включенных в его формулу. Среди них есть признаки, порознь известные в других объектах техники (грузы-датчики, самописец), но есть и полностью новые признаки, такие как конструктивное выполнение груза-датчика, соотношение параметров устройстве. Упомянутый технический результат является свойством, проявляемым именно всей заявленной совокупностью признаков и недостижим при использовании всех известных нам объектов техники аналогичного назначения.

Указанное позволяет признать заявленное техническое решение соответствующим критерию "Изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид устройства.

Редуктор 1 несет на быстроходном валу 2 барабан 3 и на тихоходном валу 4 барабан 5. Барабан 3 содержит трос 6, на свободном конце которого закреплены последовательно верхняя часть груза-датчика 7 и нижняя часть груза-датчика 8, спущенные, например, в скважину 9. Барабан 5 содержит трос 10, на свободном конце которого закреплен груз-указатель 11, снабженный самописцем 12, взаимодействующим с диаграммной лентой 13. Кроме того, на ступице барабана 3 прикреплена рукоятка 14 для ручного перемещения грузов.

Барабаны 3 и 5 кинематически связаны между собой зубчатой передачей редуктора и благодаря грузам 7, 8 и 11 являются противовесами, создающими крутящие моменты противоположного направления.

Устройство работает следующим образам.

В начальный момент обе части груза-датчика 7 и 8, опускаясь к искомому уровню жидкости, являются "сухими" и суммарный крутящий момент на быстроходном валу (MCБВ

+MCБH) больше крутящего момента на тихоходном валу (левая часть формулы (2)).

В силу этого части груза-датчика 7 и 8 будут опускаться, а груз-указатель 11 будет подниматься.

Когда ближайшая к уровню жидкости нижняя часть груза-датчика 8 достигнет уровня и догрузится в жидкость, момент на быстроходном валу уменьшится и согласно формуле (3) станет равным моменту на тихоходном валу. Наступит равновесие, движение грузов прекратится и самописец зафиксирует значение уровня жидкости.

При понижении замеренного уровня жидкости нижняя часть груза-датчика 8 окажется выше воды, но в таком случае обе части груза-датчика окажутся "сухими" и суммарный момент от них (MCБВ

+MCБH) на быстроходном валу будет больше момента на тихоходном валу, и поэтому обе части груза-датчика 7 и 8 будут опускаться до тех пор, пока нижняя часть груза-датчика не "догонит" новый сниженный уровень и погрузится в него, после чего снова наступит равновесие и самописец 12 запишет новый уровень.

В случае повышения уровня жидкости в нее догрузится верхняя часть груза-датчика 7. Теперь, согласно правой части формулы (2) момент на тихоходном валу () больше суммарного момента (MMБВ

+MMБH) на быстроходном валу, и поэтому груз-указатель 11 будет опускаться, а части груза-датчика 7 и 8 будут подниматься до тех пор, когда верхняя часть груза-датчика 7 выйдет из воды и станет "сухой" (MCБВ), а нижняя часть груза-датчика 8 еще будет в воде, т.е. "мокрая" (MVБH), и согласно формуле (3) снова наступит равновесие, описанное выше. Новое положение уровня запишет самописец 12.

Заявленное техническое решение по сравнению с аналогами обеспечивает при использовании следующие преимущества:
1. Простота конструкции и возможность быстрой переделки обычного уровнемера в устройство для непрерывного измерения уровня с регистрацией.

Для этого достаточно подвесить дополнительный груз на тросе быстроходного барабана, соблюсти выполнение заявленных условий равновесия, а груз-указатель снабдить самописцем, взаимодействующим с диаграммной лентой.

Выполненный таким образом прибор сохраняет за собой все первоначальные свойства уровнемера для разовых замеров уровней и может быть использован только как уровнемер, если в непрерывной регистрации уровней нет необходимости.

2. Высокая степень точности регистрации изменения уровня, так как даже при глубине среднего уровня 50 м самописец покажет изменения уровня в масштабе 1 мм 33 мм глубины. Этот масштаб будет соблюден в случае использования устройства в качестве обычного уровнемера. Если применить устройство по прямому назначению, то при колебании уровня в пределах до 10 м (как у аналогов), и высоте самописца 1 м масштаб записи будет 1 мм 10 мм колебаний уровня.

Использование: изобретение относится к технике, применяемой при проведении инженерно-изыскательских работ. Сущность изобретения: редуктор несет на быстроходном валу барабан и на тихоходном валу также барабан. Первый барабан содержит трос, на свободном конце которого закреплены последовательно верхняя часть груза - датчик и нижняя часть груза - датчик, опущенные, например, в скважину. Второй барабан содержит трос, на свободном конце которого закреплен груз-указатель, снабженный самописцем, взаимодействующим с диаграммной лентой. Кроме того, на ступице барабана прикреплена рукоятка для ручного перемещения грузов. Барабаны кинематически связаны между собой зубчатой передачей редуктора и благодаря грузам-датчикам и грузу-указателю являются противовесами, создающими крутящие моменты противоположного направления. Использование изобретения решает задачу расширения функциональных возможностей путем обеспечения с высокой точностью регистрации изменяющегося уровня жидкости без существенного конструктивного усложнения устройства. 1 ил.

Устройство для непрерывного измерения уровня жидкости, содержащее редуктор, два барабана с тросами, один из которых закреплен на быстроходном валу редуктора, а другой на тихоходном валу редуктора, груз-указатель, закрепленный на свободном конце троса барабана тихоходного вала, и регистратор уровня жидкости, отличающееся тем, что оно снабжено грузом-датчиком, выполненным из двух последовательно соединенных верхней и нижней частей и закрепленным на свободном конце троса барабана быстроходного вала, а регистратор уровня жидкости выполнен в виде самописца, установленного на грузе-указателе с возможностью взаимодействия с диаграммой лентой, при этом крутящие моменты на валах редуктора удовлетворяют условиям


где MМБВ

, MМБН - крутящие моменты на быстроходном валу редуктора от верхней и нижней частей груза-датчика, находящихся над поверхностью жидкости, Н.м;
MVБВ, MVБН крутящие моменты на быстроходном валу редуктора от частей груза-датчика, находящихся ниже уровня жидкости, Н.м;
M_т крутящий момент на тихоходном валу редуктора от груза-указателя, Н.м;
i передаточное число редуктора;
η КПД редуктора;
n отношение диаметров барабанов.