ПОПЛАВКОВЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1996 года по МПК G01F23/68 

Изобретение относится к средствам автоматики, а более конкретно к средствам измерения уровня электроприводных жидкостей и может быть использовано при измерении уровней суспензий, пульп, флотореагентов и других токопроводящих жидкостей в различных технологических потоках или в емкостях.

Известен поплавковый уровнемер с магнитным преобразованием положения поплавка, содержащий трубку из немагнитного материала и магнит, установленный на поплавке, в котором магнит отталкивает одну из вертикально расположенных индикаторных намагниченных пластин, установленных в корпусе, причем пластины замыкают горизонтальное положение, поворачиваясь в штифтах, а для удержания пластин предусмотрены специальные стопоры, имеется также индикатор, состоящий из вольтметра, соединенного с потенциометрической схемой так, что отклонение стрелки соответствует измеряемому уровню жидкости [1]
Недостатком известного уровнемера является высокая сложность его конструкции и, как следствие, низкая надежность работы по внезапным отказам.

Известен уровнемер, содержащий поплавок с магнитом, установленный с возможностью перемещения вдоль герметичного корпуса, внутри которого в диапазоне измерений размещены два проводника, подключенные к вторичному прибору, и соединяющий их подвижный контакт, взаимодействующий с магнитом, в котором для упрощения и повышения надежности подвижный контакт выполнен в виде двух роликов с канавками, размещенных с возможностью независимого вращения на оси, закрепленной перпендикулярно оси корпуса в отрезке трубы из магнитного материала, размещенной соосно с корпусом, а каждый резистивный элемент помещен в канавку соответствующего ролика с образованием витка [2]
Недостатком известного поплавкового уровнемера является низкая точность измерения уровня из-за малой чувствительности к изменению уровня и низкая надежность из-за наличия движущихся механизмов.

Техническим результатом от использования изобретения является одновременное повышение точности за счет увеличения чувствительности и повышение надежности работы по внезапным отказам за счет упрощения, то есть является преодолением технического противоречия.

Этот результат достигается тем, что в поплавковом уровнемере, содержащем поплавок, проводник и вторичный прибор, в качестве проводника использован гибкий шнур, выполненный в виде жилы из токопроводящей резины и изоляционной оболочки из эластичного упругого материала, причем поплавок выполнен плоским, один конец гибкого шнура прикреплен к основанию сосуда с жидкостью с изоляцией от сосуда и жидкости жилы, а второй конец шнура прикреплен к основанию поплавка с обеспечением электрического контакта жилы с токопроводящим поплавком, а вторичный прибор подсоединен к сосуду и свободному концу жилы.

Суть изобретения заключается в следующем.

При обычном инженерном проектировании, в отличие от изобретательства, для повышения точности измерений прибегают к усложнению устройства и стабилизации влияющих факторов, уменьшая при этом надежность работы за счет увеличения сложности и использования прецизионных механизмов и приспособлений. С другой стороны, для повышения надежности прибегают к упрощению устройства более, чем пропорционально теряя при этом в точности. В настоящем устройстве это техническое противоречие преодолено точность повышена при одновременном увеличении надежности работы по внезапным отказам. Для преодоления этого технического противоречия необходимы и достаточны все ограничительные и отличительные признаки устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан продольный осевой разрез уровнемера, причем для лучшего показа конструкции сечение шнура дано в увеличенном поперечном размере.

Поплавковый уровнемер содержит поплавок 1, который помещен в находящуюся в токопроводящем сосуде 2 электропроводную жидкость 3, вторичный прибор 4 и проводник.

В поплавковом уровнемере в качестве проводника использован гибкий шнур, выполненный в виде жилы 5 из токопроводящей резины и изоляционной оболочки 6 из эластичного упругого материала, например, из резины или латекса. Поплавок 1 выполнен плоским. Один конец гибкого шнура прикреплен, например, с помощью шайбы 7, к основанию 8 сосуда 2, в котором измеряется уровень, с изоляцией от сосуда и жидкости свободного конца 9 жилы 5. Второй конец шнура прикреплен к основанию поплавка с обеспечением электрического контакте второго конца жилы 5 с токопроводящим поплавком 1. Вторичный прибор 4 выполнен в виде омметра и подсоединен к сосуду 2 и свободному концу 9 жилы 5. Поплавок 1 выполнен плоским с отношением ширины к высоте более десяти. Удельный вес поплавка 1 и жесткость шнура выбраны таким образом, чтобы изменения удельного веса жидкости в заданных пределах не изменяли положение поплавка в жидкости при неизменном уровне выше заданного значения. На фиг. 1 приведен случай, когда верх плоского поплавка совпадает с верхним уровнем 10 токопроводящей жидкости 3. Шнур прикреплен к поплавку, например с помощью шайбы 11.

Работа поплавкового уровнемера осуществляется следующим образом.

При наличии в сосуде 2 жидкости 3 поплавок под воздействием выталкивающей силы, которая намного превышает вес поплавка в силу натяжения эластичного упругого шнура, устремляется вверх до уровня жидкости. При этом с увеличением уровня (т. е. с его повышением) шнур растягивается. На сколько увеличивается уровень, на столько же увеличивается и длина токопроводящей жилы. В пределах упругих деформаций, в которых работают жила и оболочка, объем жилы и объем оболочки не изменяются. Поэтому с увеличением длины жилы в 2 раза ровно в 2 раза уменьшается и поперечное сечение жилы, и при увеличении длины жилы в n раз в те же n раз уменьшается поперечное сечение жилы. Известно, что сопротивление любого проводника прямо пропорционально его величине l и удельному сопротивлению ρ и обратно пропорционально поперечному сечению так, что сопротивление . Поэтому с увеличением уровня, то есть с увеличением длины жилы в 2 раза ее сопротивление увеличивается в 4 раза: в 2 раза сопротивление растет за счет двухкратного увеличения длины и в два раза сопротивление увеличивается за счет двухкратного уменьшения поперечного сечения S. При увеличении длины жилы в n раз ее сопротивление увеличивается в n² раз, то есть чувствительность к уровню (увеличению высоты уровня над основанием сосуда) увеличивается в n раз при сохранении квадратичной зависимости от уровня величины сопротивления жилы.

Омметр 4 в любой момент времени показывает значение электрического сопротивления жилы. Ввиду квадратичной зависимости шкалы омметр легко градуируется в единицах уровня жидкости. Поэтому омметр 4 является показывающим значение уровня прибором.

Для исключения влияния изменений удельного веса измеряемой жидкости жесткость шнура, удельный вес поплавка и отношение ширины поплавка к его высоте выбирают из условия допустимых изменений высоты поплавка при изменениях удельного веса жидкости. Так, например, если необходимо обеспечить точность измерения высоты слоя жидкости над основанием в пределах 1% относительного поступают следующим образом. Для минимально возможной высоты относительная погрешность измерения высоты будет наибольшей, так как при изменениях удельного веса жидкости изменяется абсолютное значение высоты поплавка одинаково и для нижнего и для верхнего положений поплавка в жидкости. Если поплавок имеет показанное на фиг. 1 положение при минимальном удельном весе контролируемой жидкости, то с увеличением удельного веса жидкости на величину Δρ_ж по сравнению с минимальным значением удельного веса ρ_ж при удельном весе поплавка ρ_п,, объеме поплавка V и коэффициенте жесткости шнура К поплавок выплывет наверх жидкости на величину Δl, численно равную значению
Δl = Δρ_жV[K+S(ρ_ж+Δρ_ж-ρ_п)]^-1 , (1)
где S площадь поперечного сечения поплавка в горизонтальной плоскости Отсюда видно, что величина Δl, численно равная абсолютной погрешности измерения уровня при изменении удельного веса жидкости на Δρ_ж,, будет уменьшаться в тем большей степени, чем больше площадь S при постоянном объеме поплавка. Так как объем поплавка V и жесткость шнура К связаны условием равновесия поплавка
KΔl₁= (ρ_ж-ρ_п)V (2)
то лучшим средством уменьшения абсолютной и относительной погрешностей измерения уровня является уменьшение удельного веса поплавка и увеличение отношения его ширины к высоте, то есть увеличение площади поперечного сечения поплавка при его постоянном объеме.

Пример реализации поплавкового уровнемера. Измеряется уровень суспензии, удельный вес которой изменяется на 10% относительных от 1,0 до 1,1 г/см³, К 7,4613 г/см, диаметр поплавка равен 20 см, а высота поплавка равна 0,5 см, объем поплавка равен 157,08 см³, поперечное сечение поплавка равно 314,16 см², плотность поплавка равна 0,1 г/см³, а удлинение шнура (уровень жидкости) равен 20 см. Тогда при изменении удельного веса жидкости на 0,05 г/см³ поплавок изменит удлинение шнура на 0,0244 см или на 0,122% то есть относительная погрешность измерения уровня жидкости будет равна только 0,122%
Техническими преимуществами поплавкового уровнемера по сравнению с прототипом являются: повышена точность измерения уровня за счет увеличения чувствительности в n раз (так как при увеличении уровня в 2 раза во столько же раз увеличивается длина шнура и в 4 раза увеличивается сопротивление жилы шнура), повышена надежность работы уровнемера за счет исключения подвижного контакта, взаимодействующего в магнитом, двух роликов с канавками и с возможностью независимого вращения на оси корпуса в отрезке трубы, а также резистивных истираемых элементов; расширены функциональные возможности за счет обеспечения контроля уровня жидкости изменяющейся плотности непосредственно как в сосудах, так и в технологических потоках.

Использование: уровнеметрия. Сущность изобретения: устройство содержит плоский поплавок, гибкий шнур, выполненный в виде жилы из токопроводящей резины и изолированной оболочки из эластичного упругого материала. Один конец гибкого шнура прикреплен к основанию сосуда с жидкостью с изоляцией от сосуда и жидкости жилы, второй конец шнура прикреплен к основанию поплавка с обеспечением электрического контакта жилы с токопроводящим поплавком, а вторичный прибор подсоединен к сосуду и свободному концу жилы. 1 ил.

Поплавковый уровнемер, содержащий поплавок, проводник и вторичный прибор, отличающийся тем, что в качестве проводника использован гибкий шнур, выполненный в виде жилы из токопроводящей резины и изоляционной оболочки из эластичного упругого материала, причем поплавок выполнен плоским, один конец гибкого шнура прикреплен к основанию сосуда с жидкостью с изоляцией от сосуда и жидкости жилы, а другой конец шнура прикреплен к основанию поплавка с обеспечением электрического контакта жилы с токопроводящим поплавком, вторичный прибор подсоединен к сосуду и свободному концу жилы.