УРОВНЕМЕР ДЛЯ РЕЗЕРВУАРА ТИПА ПРИВОДНОГО ДАТЧИКА Российский патент 1997 года по МПК G01F23/00 G01F23/44 

Целью изобретения является уровнемер для резервуара типа приводного датчика.

Известное техническое решение раскрыто, например, в патенте Франции N 1430366, КНО1. В этом патенте описан датчик, подвешенный на нитке, намотанной на барабан, вращающийся посредством серводвигателя, который управляется силами, оказываемыми на нить. Точнее, когда датчик установлен на уровне, который должен быть измерен, сила противодействия, равная и противоположная его действительному весу, позволяет уравновесить устройство.

В случае изменения уровня вес датчика будет изменяться и будет происходить коррелятивное изменение силы противодействия, что приведет в действие серводвигатель в одном или другом направлении до тех пор, пока уровнемер не установится на измеряемом уровне.

Уровнемеры такого типа известны в течение продолжительного времени, усовершенствования предложены, например, в патентной заявке Франции N FR-A-2625313.

Усовершенствование, касающееся первого патента, относится к автоматической подаче, измерению точности и самому широкому диапазону измерения.

Изобретение можно рассматривать как усовершенствование второй ссылки.

Целью изобретения является создание уровнемера, который обладает признаками уровнемера, раскрытого во второй ссылке, но имеет более простую и дешевую конструкцию.

Кроме того, уровнемер в соответствии с настоящим изобретением имеет очень низкий уровень потребления энергии для его собственной работы и дистанционной передачи данных. Достаточно использовать источник энергии, например представляющий ряд фотоэлементов с запирающим слоем. Можно даже предусмотреть в объеме изобретения передачу (и/или обработку) других типов данных, например давления, температуры и т.д. посредством этого же уровнемера.

Кроме того, уровнемер в соответствии с изобретением позволяет исключить разрыв нити благодаря магнитной муфте, способной расцепляться в случае очень высокого натяжения нити.

Кроме того, уровнемер в соответствии с изобретением должен быть способен передавать измерения по меньшей мере двух различных уровней внутри одного резервуара.

Эти цели достигаются уровнемером, раскрытым в начале описания и содержащим: барабан, вокруг которого намотана нить, на конце которой подведен приводной уровнемер, реверсивный серводвигатель для привода указанного барабана, средство для привода барабана в обоих направлениях, средство для регистрации вращения барабана, средство для определения изменения натяжения нити, причем это усилие непосредственно связано с относительным положением уровнемера по отношению к измеряемому уровню.

В соответствии с изобретением упомянутое средство для определения натяжения нити содержит средство, установленное с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, колебание которого ограничено демпфирующим средством и перемещение которого позволяет измерять силу, действующую на нить.

Предпочтительно, чтобы упомянутое средство для определения изменения усилия нити содержало дифференциальный трансформатор, выходное напряжение которого соответствует (механической) силе натяжения нити.

Дифференциальный трансформатор может содержать сердечник, соединенный с осциллирующим средством, и катушку, соединенную с подвижной частью уровнемера.

Демпфирующее средство может состоять из магнитного устройства.

В частности, магнитное устройство состоит из по меньшей мере одного магнита, соединенного с осциллирующим средством, и множества магнитов, соединенных с неподвижной частью уровнемера.

Кроме того, серводвигателем может быть шаговый двигатель, который приводится во вращение при изменении выходного напряжения дифференциального трансформатора по отношению к эталонному напряжению.

Полезно, чтобы индикатор уровня в соответствии с изобретением содержал средство для обеспечения автоматической подачи энергии, средство для обнаружения отклонений в работе, средство для исключения разрыва нити.

Кроме того, индикатор уровня может обнаруживать уровень нескольких границ раздела.

На фиг. 1 изображен продольный разрез уровнемера, на фиг. 2 вид сбоку уровнемера (поперечный разрез), на фиг. 3 поперечный разрез средства управления для привода двигателя, на фиг. 4 поперечный разрез, показывающий средство демпфирования средства для определения изменения силы, действующей на нить, на фиг. 5 частичный вид сверху карты для управления устройством.

На фиг. 1 показан корпус 100, 103 уровнемера, имеющий в основном цилиндрическую форму, внутренняя полость которого разделена на две части прочной перегородкой 101.

Часть А, расположенная слева от перегородки на фиг. 1, включает механические детали, тогда как взрывозащищенная часть B включает наиболее чувствительные элементы прибора.

Часть A может быть закрыта крышкой 102 на ее конце, уплотняющей ее от окружающей среды за исключением отверстия 105 для прохождения нити.

Кроме того, на корпусе 100 можно закрепить опору 106 для прикрепления к резервуару, в котором должны проводиться измерения. На одной оси с отверстием 105 предусмотрено отверстие 107 для обеспечения вертикального напряжения нити.

Таким образом, объем A образует почти непроницаемую полость, сообщающуюся через отверстие 105 только с верхней частью резервуара. Последний может содержать газы под давлением порядка 25 бар.

Объем, который включает электромагнитные детали, полностью изолирован. C одной стороны, он изолирован от объема A, а с другой стороны, от окружающей атмосферы. Эта изоляция необходима для бесперебойной работы элементов, находящихся внутри, а также для исключения возможного возгорания в этой зоне, если произойдет распространение пламени наружу из объема.

Через окно 104, расположенное на конце корпуса 103, можно считывать измерения.

Объем B снабжен каналом 108 для электрических проводов и кабелей, этот канал также уплотнен, например, сальником для обеспечения изоляции объема B.

Механическая часть, содержащаяся в объеме A, имеет широко известную конструкцию и будет описана дальше. Эта часть содержит барабан 200, вокруг которого намотана нить. В соответствии с изобретением нить изготовлена из материала "Kevlar" зарегистрированный товарный знак или любого другого материала, имеющего по существу одинаковую прочность на разрыв, но с плотностью, которая значительно ниже плотности материалов, применявшихся раньше. Этот признак дает ряд преимуществ в отношении чувствительности датчика.

Датчик, который будет предпочтительно находиться в полупогруженном состоянии на уровне измеряемой границы раздела, подвешен на конце нити. Датчик может иметь, например, форму пластмассового диска диаметром 140 мм с массой примерно 300 г.

Барабан 200, предпочтительно с горизонтальной осью, имеет наружную периферийную поверхность 201, обработанную с очень большой точностью. Оборот, например, на 1 угловой градус соответствует 1 мм длины проволоки или определенному числу миллиметров. Между углом вращения барабана и длиной ненамотанной проволоки будет существовать предпочтительно простая связь.

Барабан 200 снабжен центральной втулкой 202, вращающейся как одно целое, но не передающей с центральным ведущим валом 210. Устройство, содержащее, например, бесконечный винт 120, входящий в зацепление с резьбовой частью втулки 202, взаимодействуя с канавкой и шпонкой 203 в ведущем валу 210, может обеспечить одновременное вращение и перемещение барабана таким образом, чтобы нить всегда сходила с барабана аксиально по отношению к отверстию 105.

Корпус 110, закрепленный, например, на перегородке 101 посредством винтов 111, может представлять концевой подшипник для упомянутого устройства. Корпус 110 содержит отверстие 112 на одной оси с отверстиями 105 и 107 для прохождения нити.

Другой подшипник вала 210 предпочтительно расположен в толще стенки 101 и снабжен антифрикционным подшипником 212.

Таким образом, достигается крутящий момент с минимальным трением во время вращения, поэтому в усилии нити на уровне подшипника можно обнаружить очень малое изменение, порядка от 0,01 до 0,02 Ньютон.

Деталь 220 магнитной муфты преимущественно поддерживается подшипником (не показан), расположенным близко к центральной стенке 101.

Дополнительная (охватывающая) деталь 320 магнитной муфты расположена противоположно охватываемой детали 220. Между каждой частью (220 и 320) магнитной муфты расположен тонкий участок 208 алюминиевой стенки 101.

Соединение обеспечивается здесь благодаря магнитному эффекту через немагнитную стенку 208. Это соединение позволяет приводить во вращение, причем без контакта, элементы, соединенные с возможностью вращения с двигателем, который установлен в объеме B, и наоборот.

Преимущественно это соединение можно прервать в случае перегрузки на уровне датчика. Такая функция "расцепления" соединения в случае аварии позволяет предотвратить разрыв нити.

В другом варианте выполнения уровнемера в соответствии с изобретением, когда резервуар находится под низким давлением, магнитное соединение может подавляться преимущественно за счет установки вала, проходящего через стенку 101. Таким образом, вал обеспечивает соединение во время вращения механических деталей, расположенных в объемах A и B. На валу, на уровне стенки 101 установлены уплотняющие средства для предотвращения взрывной ситуации в объеме A.

Такую схему расположения элементов в объеме A, как было описано, можно считать хорошо известной.

Объем B преимущественно содержит: средство для обнаружения изменения в растягивающей силе или в тяговом усилии нити, средство управления для привода серводвигателя, средство для демпфирования средства обнаружения вокруг позиции равновесия.

Средство для обнаружения изменения в тяговом усилии нити предпочтительно состоит из качающегося рычага 310.

На качающемся рычаге 310 закреплены средство управления привода двигателя, поперечный разрез которого представлен на фиг. 3, а также средство для привода качающегося рычага вокруг положения равновесия или исходного положения.

При необходимости один или несколько уравновешивающих грузиков 330 можно также закрепить на качающемся рычаге.

Охватывающая деталь 320 магнитной муфты составляет единое целое и включает опору 300 с шестерней 350, приводимой в действие бесконечным винтом 351 с вертикально расположенной осью, который сам приводится в действие серводвигателем 150, например шаговым двигателем.

Например, выбранный двигатель 48 осуществляет шаги за оборот, при этом разумножение на уровне шестерни 350 бесконечного винта 351 составляет одну сотую, а окружность барабана 200 равна 480 мм, таким образом, для каждого шага двигателя перемещение датчика составляет десятую долю миллиметра.

Специалист в данной области техники сможет модифицировать трансмиссию, состоящую из шестерни 350 и бесконечного винта 351, путем их замены парой конических или цилиндрических зубчатых колес с прямыми или спиральными зубьями. Кроме того, для улучшения эффективности передачи и уменьшения инерции на ведущем валу можно разместить редуктор в этих вариантах трансмиссии.

Двигатель 150 закреплен на стороне качающегося рычага. Система управления для привода двигателя закреплена на другой стороне качающегося рычага относительно его оси вращения. Эта система может состоять из дифференциального трансформатора, сердечник 302 которого соединен с качающимся рычагом 310, а неподвижная катушка 301 соединена с неподвижной частью индикатора уровня, например со стенкой 101 через опору 304.

Таким образом, под действием изменения в качающейся массе датчика качающийся рычаг 310 приводится во вращение одновременно с шестерней 350, бесконечным винтом 351, соединительной частью 300, охватывающей деталью 320 магнитной муфты и сердечником 302 дифференциального трансформатора.

Таким образом, последний регистрирует это изменение, которое переводится в изменение напряжения на выходных клеммах трансформатора, который включает привод двигателя. Точнее, когда устройство (устройства), управляющее двигателем 150, обнаруживает изменение в напряжении на выводах дифференциального трансформатора, оно посылает элементу, приводящему серводвигатель 150, импульс, заставляющий последний поворачиваться на один шаг в одном или другом направлении в соответствии с обнаруженным напряжением и т.д. до тех пор, пока обнаруженное напряжение не будет снова равно данному эталонному напряжению, т.е. до тех пор, пока качающийся рычаг не будет стабилизирован в положении равновесия. Одновременно счетчик, работающий в режиме подсчета и вычитания импульсов, регистрирует изменения в двигателе. Выходной сигнал дифференциального трансформатора также указывает направление неуравновешивания качающегося рычага, а следовательно, и направление вращения двигателя, необходимое для повторного уравновешивания качающегося рычага.

В соответствии с преимущественным отличительным признаком изобретения устройство управления взаимодействует с устройством обработки данных, чтобы напряжение, обнаруженное на выводах трансформатора, можно было сравнить с одним из эталонных напряжений, соответствующих каждой границе раздела.

Кроме того, предусмотрена система демпфирования вокруг по меньшей мере одного положения равновесия. Эта система позволяет исключить "импульсы напряжения" во время стабилизации датчика на измеряемом уровне.

Фиг. 4 показывает предпочтительную систему демпфирования. Она состоит в основном из постоянного магнита 306, закрепленного на качающемся рычаге 310 посредством опоры 305, расположенных противоположно последнему, чтобы поверхности одинаковой полярности были обращены друг к другу. Магниты 307, 308 удерживаются опорой 309, 111, закрепленной на неподвижном элементе стенки 101 индикатора уровня.

Таким образом, когда магнит 306 находится на равном расстоянии от одного из магнитов 307, 308, то результирующий вектор сил отталкивания равен нулю.

Система демпфирования расположена так, что при равновесии на границе раздела магнит 306 находится на равном расстоянии от каждого из магнитов 307, 308. Когда рычаг 301 наклоняется, один из воздушных зазоров уменьшается, тогда как другой увеличивается на ту же величину. Таким образом, отталкивающая сила, действующая между магнитами, приближающимися близко друг к другу, увеличивается обратно пропорционально квадрату величины воздушного зазора, тогда как отталкивающая сила между магнитами, удаляющимися друг от друга, уменьшается согласно тому же закону. Таким образом достигается почти совершенное демпфирование.

Для другой границы раздела демпфирование будет достигаться вокруг другого положения.

Описанная система демпфирования не ограничивает изобретения.

В объеме изобретения можно применять любую другую гибкую систему, выполняющую ту же функцию.

Можно применять систему демпфирования, основанную на электромагнитном или гидравлическом принципе.

Согласно первому варианту медная катушка, выполненная за одно целое с рычагом 310, перемещается с рычагов внутрь кольцеобразного магнитного поля. Перемещение создает в катушке вихревые токи, которые образуют электродвижущую силу противоположного действия, которая препятствует перемещению, вызывая тем самым демпфирование.

Согласно другому варианту поршень, состоящий из деформируемой диаграммы, соединен с качающимся рычагом. Диафрагма образует деформируемую стенку камеры, содержащей жидкость. Камера сообщается с резервуаром для жидкости через калиброванное отверстие или сопло.

Когда рычаг 310 качается, диафрагма приводится в такое же движение, изменяя объем камеры. Жидкость выходит или входит в соответствии с потоком, регулируемым по размеру сопла, в результате создается гидравлическое демпфирование колебаний рычага 310.

Как было кратко объяснено, значения действительного веса датчика на каждой границе раздела получают посредством калибрования, а значения соответствующего эталонного напряжения (V_REF 1, V_REF 2,) хранятся в устройстве обработки данных для управления выходным напряжением дифференциального трансформатора (301, 302) по одному из значений эталонного напряжения.

Кроме того, как было указано, уровнемер потребляет малое количество электроэнергии, поскольку двигатель работает только во время определения уровня. Другие электрические элементы также имеют низкое потребление электроэнергии.

Уровнемер в соответствии с изобретением способен обнаруживать очень быстро и надежно любую аномалию.

Действительно, во время нормальной работы выходное напряжение дифференциального трансформатора стремится в сторону эталонного напряжения, так как качающийся рычаг стремится в положение равновесия. Следовательно, любое значительное изменение напряжения, более высокое, чем заданное пороговое значение во время данного интервала времени, связано с неправильной работой устройства. В этом случае устройство будет способно посылать сигнал и даже обнаруживать определенные типы повреждений.

Например, потери (отсоединение) датчика будут генерировать постоянное отрицательное напряжение заданной и измеряемой величины; повреждение серводвигателя будет создавать чрезвычайно высокое напряжение, положительное или отрицательное, в зависимости от того, погружен или не погружен датчик; заедание датчика внутри резервуара будет также создавать анормальные напряжения.

Уровнемер в соответствии с изобретением способен распознавать эти случаи и генерировать в ответ сигнал тревоги.

Кроме того, в случае магнитного отсоединения на уровне соединения (220, 320) слишком высокое вращение качающегося рычага 310 будет приводить в действие микровыключатель 312. Последний может посылать, например, аварийный сигнал, но эта часть информации будет записываться в системе обработки данных как "выпадение информации", которое будет заставлять нить перемещаться в крайнее положение и приводить к установке на нуль счетчика, связанного с шаговым двигателем.

Контакт между датчиком и конечным упором может быть записан как абсолютный нуль или исходная высота в любой известной системе сбора данных.

Действительно, уровнемер в соответствии с изобретением можно подключить к системе сбора и обработки данных.

Электрическими элементами уровнемера в соответствии с изобретением являются в основном дифференциальный трансформатор 301, 302, шаговый двигатель 150, устройства питания (не показаны).

Средства управления этими деталями и, возможно, индикаторами предпочтительно сгруппированы на одной панели 400, расположенной в объеме B. Электрические соединительные провода или кабели могут, например, выступать из объема B через трубу 108, проходящую через стенку поперечной перегородки 101.

Данные, посылаемые в блок управления двигателя, могут передаваться по шине в блок обработки данных, например микрокомпьютер, способный принимать данные (например, давление, температуру внутри резервуара), которые сами передаются индикатором в соответствии с изобретением и/или другим оборудованием.

В объеме изобретения данные с датчика могут также передаваться посредством электромагнитных волн, цепью возбуждения, расположенной, например, наверху индикатора уровня. Можно использовать приемник для приема команд из устройства дистанционного управления.

Уровнемер в соответствии с изобретением может управляться дистанционно. Могут также осуществляться с дистанционным управлением измерение границы раздела масло (вода или масло) воздух, установка на нуль системы.

Кроме того, питание уровнемера в соответствии с изобретением может быть обеспечено фотоэлементами с запирающим слоем, поскольку, как было указано, все электрические и электронные детали системы потребляют мало энергии. Особо следует отметить, что в положении равновесия шаговый двигатель выключается и, следовательно, не потребляет энергии.

Конечно, в описанной системе возможны другие модификации и/или дополнения в объеме изобретения.

Использование: для измерения уровня жидкости в резервуарах. Сущность изобретения: уровнемер для резервуара содержит барабан, вокруг которого намотана нить. На конце нити подвешен уровнемер приводного типа, реверсивный серводвигатель для привода барабана, средство привода барабана в обоих направлениях, средство регистрации вращения барабана, средство для обнаружения изменения силы натяжения в нити. При этом последнее средство содержит элемент, установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. Колебания этого элемента ограничены демпфирующим средством, а его перемещения позволяют измерить силу натяжения, действующую на нить. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Уровнемер для резервуара, содержащий неподвижную часть, барабан с намотанной на него нитью, на одном конце которой подвешен приводимый в движение датчик уровня, реверсивный серводвигатель, соединенный через трансмиссионную передачу с блоком управления, который соединен со связанным с барабаном устройством для обнаружения изменения силы натяжения в нити в зависимости от положения датчика относительно измеряемого уровня, отличающийся тем, что устройство для обнаружения изменения силы натяжения в нити выполнено в виде элемента, установленного с возможностью качания вокруг горизонтальной оси, колебания которого ограничены введенным демпфирующим средством. 2. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполнен в виде дифференциального трансформатора с возможностью изменения выходного напряжения в зависимости от изменения механической силы натяжения в нити. 3. Уровнемер по п. 2, отличающийся тем, что дифференциальный трансформатор выполнен с сердечником, соединенным с качающимся элементом, и катушкой, соединенной с неподвижной частью. 4. Уровнемер по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что демпфирующее средство выполнено магнитным. 5. Уровнемер по п. 4, отличающийся тем, что магнитное демпфирующее средство выполнено по меньшей мере из одного магнита, соединенного с качающимся элементом, и множества магнитов, соединенных с неподвижной частью. 6. Уровнемер по п. 5, отличающийся тем, что в магнитном демпфирующем средстве поверхности неподвижных и подвижных магнитов одинаковой полярности обращены друг к другу. 7. Уровнемер по пп. 3 6, отличающийся тем, что качающийся элемент дополнительно снабжен противовесом для уравновешивания элементов, размещенных на этом качающемся элементе. 8. Уровнемер по п. 2, отличающийся тем, что серводвигатель выполнен в виде шагового двигателя с возможностью начала вращения при изменении выходного напряжения дифференциального трансформатора по отношению к эталонному напряжению. 9. Уровнемер по пп. 1 8, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным средством для исключения разрыва нити, выполненным в виде магнитной муфты, размещенной на оси барабана. 10. Уровнемер по пп. 1 9, отличающийся тем, что нить изготовлена из материала кеvlar. 11. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что содержит блок сравнения измеренного напряжения с заданным пороговым значением во время определенного интервала времени, подключенный к блоку управления. 12. Уровнемер по п. 8, отличающийся тем, что содержит фотоэлементы с запирающим слоем, которые подключены к блоку управления шагового двигателя. 13. Уровнемер по п. 5, отличающийся тем, что содержит медную катушку, выполненную за одно целое с качающимся элементом, предназначенную для перемещения внутри кольцеобразного магнитного поля, образуемого указанным множеством магнитов, соединенных с неподвижной частью. 14. Уровнемер по п. 8, отличающийся тем, что содержит микровыключатель, взаимодействующий с качающимся элементом и подключенный к блоку управления шагового двигателя.