УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ИЛИ ОБЪЕМА МАТЕРИАЛА В ЕМКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, сельскому хозяйству, нефтяной и химической промышленности, коммунальному хозяйству и может быть использовано как прибор измерения уровня или объема песка, гравия, щебня, цемента, керамзита, угля, других поршневых и кусковых материалов, сахара, воды, растворов, нефтепродуктов, и других жидкостей, кроме налипающих на стенки (мазут, гудрон, смола и т.п.), в емкостях, силосных башнях, башнях для цемента и зерна, бункерах, резервуарах и открытых хранилищах, далее именуемых: емкости.

Известны устройства и приборы для измерения уровней материалов в емкостях такие как, например, крыльчатые указатели уровня сыпучих материалов, поплавковые указатели уровня жидкостей, всевозможные электронные и радиационные акустические устройства и эхолоты [1]
Недостатки этих известных устройств состоят в следующем:
устройства показывают уровень материалов, но не объем;
крыльчатые и радиационные приборы указывают те уровни, на которых они установлены, т.е. дискретно;
Все устройства находятся в контакте с материалами;
для легковоспламеняющихся жидкостей приборы требуют специально пожарно- и взрывобезопасного исполнения.

Ближайшим прототипом следует считать акустический уровнемер [2] для измерения жидких сред в различных областях промышленности, содержащий генератор синусоидальных колебаний пересматриваемой частоты, выход которого через модулятор присоединен к излучателю; генератор синусоидальных колебаний перестративаемой частоты, выход которого присоединен к управляющему входу модулятора; микрофон, выход которого через усилитель и демодулятор присоединен к входу индикатора уровня сигнала; индикатор уровня сигнала, вход которого присоединен к выходу усилителя.

Сопоставив прототип с предложенным устройством можно отметить следующее:
Прототип производится измерение уровня только жидких сред, в предложенном устройстве производится измерение не только жидких сред, но и твердых: сыпучих и кусковых: песок, гравий, щебень, уголь, зерно, сахар и т.п. материалов И не только уровней но и объемов материалов.

Прототипом производится измерение уровня только в закрытых емкостях. В предложенном устройстве можно делать замеры уровней и объема в открытых хранилищах
В прототипе измерительная труба заполнена измеряемой жидкостью, тогда как в предложенном устройстве внутреннее пространство трубы изолировано от материалов, облегающих ее снаружи;
В прототипе труба предназначена для измерения высоты столба газа над уровнем жидкости. В предложенном устройстве труба предназначена для размещения в ней возбудителя звуковых колебаний стенок самой трубы, для распространения их по длине трубы к приемнику звуковых колебаний микрофону
В прототипе используются амплитудно-моделированные колебания столба газа в измерительной трубе или стоячие волны. В устройстве для измерения уровня используется длина кабеля, питающего возбудитель колебаний стенок трубы
прототип использует генератор синусоидальных колебаний, модуляторы, индикатор для сверки частот. В предложенном устройстве используется усилитель микрофона, электропривод барабана, механический счетчик числа оборотов барабана, на который намотан кабель, по длине которого определяется уровень материала.

В прототипе измерение построено на акустических свойствах столба над уровнем жидкости, через систему устройства и приборов. В предложенном устройстве производится длиной кабеля.

Целью изобретения является непрерывное по высоте емкости, в широких пределах температур измерение уровня или объема вышеперечисленных материалов.

Сущность предложения в использовании акустических свойств металлической трубы, вставленной во внутрь емкости. Используется разница в силе звучания свободного участка трубы над уровнем измеряемого материала и участка трубы ниже уровня материала, стесненного этим материалом.

Для достижения этой цели служит установка в емкости стальной герметической трубы, кроме верхнего ее конца, выходящей за пределы емкости, внутри которой свободно передвигается подвешенный на гибком электрическом кабеле возбудитель механических колебаний стенок трубы. Возбудитель механических колебаний стенок трубы. Возбудитель механических колебаний представляет собой электрическую катушку в корпусе с сердечником-ударником, который стучит во внутреннюю стенку трубы с промышленной частотой электрического тока. Он подвешен на электрическом кабеле и питается от него.

Передвижение возбудителя в трубе по вертикали (и наклонно, если это требуется) обеспечивается электродвигателем, приводящим во вращение через редуктор барабан, на который намотан гибкий электрический кабель, подающий электрический ток возбудителю. Возбудитель своим ударником стучит о стенки трубы, вызывая звуковые колебания ее стенок. На конец трубы выходящей за пределы емкости, укреплен микрофон для улавливания звуковых колебаний трубы, вызываемых возбудителем.

Звуковые колебания от микрофона поступает в усилитель низкой частоты. Так как материал находящийся в емкости достаточно плотно облегчает трубу, то звуковые колебания участка трубы ниже и участка трубы выше уровня материала различаются настолько, что эту разницу улавливает микрофон и его усилитель звуковых частот.

Подвешенный на кабеле и получающий питание через него возбудитель находится в самом внизу трубы. При включении электродвигателя "вверх" сцепленный с ним барабан наматывается на себя кабель и постепенно поднимает возбудитель. Поскольку нижняя часть трубы обжата материалом, то звуковые колебания трубы незначительны, они приглушены и система на эти колебания не реагирует. Когда возбудитель сравнивают с уровнем материла или чуть выше его, значительно увеличивается звучание трубы находящейся выше уровня материала. Микрофон улавливает эти звуки и передает их в усилитель. Усилитель через промежуточное реле отключают цепь возбудителя и пускателя электронагревателя, последний останавливается. Возбудитель отключается и зависает на уровне материала. По длине намотанного кабеля определяется высота слоя материала. Для этой цели барабан соединен с прибором, определяющим число оборотов барабана, например, счетчиком оборотов. При известной длине окружности барабана и числу оборотов прибора легко подсчитать высоту положения возбудителя. Подогнав цифровое устройство счетчика под объемное измерение материала, можно получать готовые сведения не об уровне, а об объеме материала. Прибор может быть изготовлен и в электротехническом исполнении, а его цифровое показывающее устройство может быть установлено в любом удобном для наблюдения месте.

При электрическом варианте прибора устройство может быть включено в систему автоматического управления наполнения или опорожнения емкости.

Новым в устройстве является применение в емкости трубы, в которой размещен возбудитель колебаний ее стенок, электрический кабель, удерживающий и питающий возбудитель и длина которого служит мерой уровня материала в емкости, барабан, наматывающий на себя кабель; счетчик оборотов барабана (показывающий цифровой прибор).

Существенные отличия состоят в том, что вместо крыльчатых, поплавковых, электронных, радиационных и акустических указателей уровня, недостатки которых описаны вначале, использованы акустические свойства погруженной в материал трубы, звучание которой различно над уровнем и под уровнем материала, что улавливаются микрофоном и его усилителем. Кроме того, устройство может измерять и уровни материала или его объем плавно по высоте емкости, безвредно для окружающей среды, не контактирует с измеряемым материалом, надежно, не требует специального ухода.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства и емкости; на фиг. 2 - электрическая схема управления устройством; на фиг. 3 схема усилителя низкой частоты.

Устройство представляет собой металлическую трубу (1) с загерметизированным нижним концом, установленную в емкость (2) на подпятнике (3) и закрепленную пружинными растяжками (4). На платформе (5) над емкостью (2) смонтированы: электродвигатель (6), редуктор (7), барабан (8), с намотанным на нем электрическим кабелем (9) для удерживания и подачи питания электрическому возбудителю (10), счетчик оборотов барабана (11). К трубе (1) у ее вершины прикреплен микрофон (12), подающий звуковые колебания в усилитель низких частот УНЧ (13).

Работает устройство следующим образом.

При необходимости замера уровня или объема материала нажатием кнопки КНП (см. фиг. 2) включают электродвигатель и возбудитель опускается до самого дна. Барабан (8) выставляет измерительное устройство (11) с показанием "0". Нажатием кнопки КО, электродвигатель (6) останавливают. Затем нажатием кнопки пуска КПВ включает устройство на движение вверх, электрический кабель (9) наматывается на барабан и поднимает возбудитель вверх.

По достижении возбудителем уровня материала резко увеличивается сила звука трубы (1), срабатывает микрофон (12) и УНЧ (13), получающий напряжение от блока питания, контакт реле УНЧ разрывается, система останавливается, возбудитель (10) прекращает работать, а на табло счетчика (11) установится окончательное значение уровня или объема материала. Визуально со счетчика (11) снимается показание уровня или объема материала в емкости. По истечении времени замер материала можно повторить.

Устройство разработано в виде действующей модели для емкости, которая изготовлена для демонстрации из оргстекла высотой 1,3 м и у основания 16 х 16 см. внутри емкости на подвижном шарнире установлена труба 1,5 диаметром 41 мм. Ее верх растянут и закреплен пружиной для улучшения звучания стенок трубы. На платформе емкости установлен барабан Ф 31,4 мм, сцепленный с электродвигателем СД-54 с встроенным редуктором. На барабан намотан электродвигатель 5 мм и длиной более 1,5 м. Диаметр барабана соответствует одному витку кабеля длиной 1 дм.

Возбудитель колебания самодельный с частотой сети 50 гц на 220 В. Кабель закреплен на барабане четырьмя витками. Таким образом, токосъемное устройство для модели не требуется.

Эффективность устройства заключается в том, что его датчик-возбудитель звуковых колебаний не находится в контакте с материалом, что резко снижает потребность его досмотра и ремонта. Устройство позволяет определить уровень, и если это нужно, и объем без пересчета, универсально в смысле применения к различным видам материалов, тогда как ранее описанные уровнемеры применяются к узкому ряду материалов.

Сущность изобретения: устройство содержит звукопроводящую трубу, установленную в емкости и герметичную в нижней части, микрофон, установленный у верхнего отверстия трубы, электропривод, связанный с ним барабан с электрическим кабелем, усилитель низких частот, подключенный к микрофону, счетчик числа оборотов и источник колебаний, свободно подвешенный на кабеле внутри трубы и выполненный с возможностью контакта с ее стенками. 3 ил.

Устройство для измерения уровня или объема материала в емкости, содержащее звукопроводную трубу, установленную в емкости и герметичную в нижней ее части, источник колебаний, микрофон, установленный у верхнего отверстия трубы, и блок регистрации, отличающееся тем, что в него введены электропривод, связанный с ним барабан с электрическим кабелем и усилитель низких частот, подключенный к микрофону, при этом блок регистрации выполнен в виде счетчика оборотов барабана, а возбудитель колебаний свободно подвешен на кабеле внутри трубы и выполнен с возможностью контакта с ее стенками.