ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1999 года по МПК G01F23/16 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к уровнемерам, и может быть использовано в системах, в том числе автоматизированных, управления и контроля массы и объема жидкости в различных стационарных емкостях, преимущественно при хранении светлых нефтепродуктов в резервуарах.

Известно устройство измерения уровня жидкости, содержащее сильфон, погруженный в контролируемую жидкость, ось которого расположена в горизонтальной плоскости, измерительный преобразователь давления, соосно присоединенную к сильфону камеру постоянного давления со штоком, одним концом связанным с дном сильфона, а другим - с поршнем [1].

К недостаткам данного устройства следует отнести:
отсутствие возможности определения массы и регистрации объема измеряемой жидкости;
необходимость проведения дополнительных измерений и расчетов определения измеряемого уровня жидкости.

Известно также устройство для измерения гидростатического давления и уровня жидкости, содержащее камеру с двумя размещенными на вводах давления и противодавления чувствительными элементами, дифференциально связанными с механоэлектрическим преобразователем [2].

Недостатками данного устройства являются: отсутствие возможности для определения и регистрации объема измеряемой жидкости;
наличие погружаемых в измеряемую жидкость электрических элементов, повышающих пожароопасность при работах в емкостях, заполненных светлыми нефтепродуктами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа гидростатический уровнемер, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде подпружиненного сильфона и второго сильфона; устройство создания противодавления, содержащее преобразователь перемещения чувствительного элемента, кинематический узел и исполнительный элемент; измерительное устройство, имеющее регистратор давления с программным устройством [3].

Основным недостатком данного гидростатического уровнемера является сложность эксплуатации, заключающаяся в необходимости использования программного устройства и специального преобразователя сигналов, поступающих от чувствительного элемента. Кроме того, конструкция такого уровнемера не позволяет определять и регистрировать объем измеряемой жидкости.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является упрощение эксплуатации и повышение функциональных возможностей гидростатического уровнемера.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном гидростатическом уровнемере, содержащем погружаемый в контролируемую жидкость деформируемый чувствительный элемент, связанный с измерительным устройством и устройством создания противодавления, имеющим кинематический узел, согласно предлагаемому изобретению чувствительный элемент выполнен в виде двух изолированных друг от друга камер, размещенных в жесткой обойме, и перфорированной пластины, установленной на верхней поверхности камер с возможностью скольжения вдоль образующей обоймы в вертикальной плоскости, устройство создания противодавления выполнено в виде емкости с присоединенной к наружной боковой поверхности П-образной стойкой, размещенного в емкости поршня, шток которого в верхней части выполнен в виде зубчатой рейки для взаимодействия с шестерней кинематического узла, двух жестких звеньев с ползунами-утяжелителями на одних концах, другие концы которых закреплены на общей оси в верхней части П-образной стойки, в средней части которой размещена ось вращения шестерни, на боковых поверхностях которой выполнены радиальные направляющие движения ползунов- утяжелителей, а измерительное устройство выполнено в виде мерной емкости с датчиками уровня и давления столба жидкости в ней, при этом емкость устройства создания противодавления сообщена с одной из камер чувствительного элемента, другая камера которого сообщена с мерной емкостью; кроме того, емкость устройства создания противодавления и мерная емкость имеют равные вместимости, длину окружности шестерни (L_ш) принимают равной четырем высотам емкости устройства создания противодавления (H_д), а также тем, что длина жестких звеньев составляет (0,6...0,7) диаметра шестерни (D_ш).

На фиг. 1 показан гидростатический уровнемер (общий вид); на фиг. 2 - устройство создания противодавления (вид сверху, сечение А-А на фиг.1).

Гидростатический уровнемер состоит из деформируемого чувствительного элемента, устройства создания противодавления с кинематическим узлом и измерительного устройства.

Деформируемый чувствительный элемент состоит из обоймы 1, эластичной наружной камеры 2, эластичной внутренней камеры 3, перфорированной пластины 4. Обойма 1 чувствительного элемента, боковые стенки эластичной наружной камеры 2, эластичной внутренней камеры 3 и перфорированной пластины 4 в горизонтальном сечении имеют форму окружностей. Для удобства установки деформируемого чувствительного элемента в резервуар диаметр его обоймы 1 не должен превышать диаметра горловины резервуара.

Устройство создания противодавления связано с деформируемым чувствительным элементом при помощи шланга 5, пропущенного через отверстие перфорированной пластины 4. Один конец шланга 5 подсоединен к нижней части конусообразного днища емкости 6 устройства создания противодавления, а другой - к верхней части эластичной наружной камеры 2. Внутри емкости 6 устройства создания противодавления размещен поршень 7 со штоком 8. Верхняя часть штока 8 выполнена зубчатой и взаимодействует с шестерней 9 устройства создания противодавления. Ось 10 шестерни 9 закреплена в средней части П-образной стойки 11, которая жестко закреплена на боковой стенке емкости 6 устройства создания противодавления. В верхней части П-образной стойки 11 закреплена ось 12, на которой закреплены параллельно друг другу два жестких звена 13, имеющих вид отвесов. На противоположном конце каждого жесткого звена 13 подвижно закреплен ползун-утяжелитель 14, в качестве которого, как вариант, использован ролик. На каждой из боковых поверхностей шестерни 9 параллельно друг другу выполнены радиальные направляющие 15 движения ползунов-утяжелителей 14. Для обеспечения создания усилия, направленного в сторону, противоположную направлению вращения шестерни 9 при движении штока 8 вверх, ползуны- утяжелители 14 и радиальные направляющие 15 их движения размещают с ближней к штоку 8 стороны П-образной стойки 11.

Измерительное устройство сообщается с деформируемым чувствительным элементом посредством шланга 16, пропущенного через отверстие перфорированной пластины 4. Один конец шланга 16 подсоединен к верхней части эластичной внутренней камеры 3, а второй - к нижней части конусообразного днища мерной емкости 17. Внутри мерной емкости 17 установлен поплавковый уровнемер (поршень 18 со штоком 19, функционально связанным с датчиком 20 уровня столба жидкости в мерной емкости 17, установленным на крышке мерной емкости 17). Нижняя часть мерной емкости 17 линией связи 21 соединена с датчиком 22 давления столба жидкости в мерной емкости 17.

Устройство создания противодавления с кинематическим узлом и измерительное устройство защищены от воздействия внешней среды кожухом 23.

Проведенные испытания макетного образца уровнемера показали, что для обеспечения синхронного заполнения емкости 6 устройства создания противодавления и мерной емкости 17 равным количеством жидкости желательнo, чтобы вместимости и габаритные размеры этих емкостей были одинаковыми. Вместимости эластичных наружной 2 и внутренней 3 камер должны быть равны между собой. При этом вместимость эластичной наружной камеры 2 и вместимость емкости 6 устройства создания противодавления, вместимость эластичной внутренней камеры 3 и вместимость мерной емкости 17 должны находиться между собой в следующем соотношении:

где V₁ - вместимость эластичной наружной камеры 2 (эластичной внутренней камеры 3), м³;
V₂ - вместимость емкости 6 устройства создания противодавления (мерной емкости 17), м³;
β - коэффициент объемного расширения используемой в уровнемере рабочей жидкости (в эластичных камерах 2, 3) (Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Емцев Б.Т. и др. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник. М. :Энергоиздат, 1982), град.^-1;
t_max - максимальная статистическая температура в данном климатическом районе, град.

Максимальная величина усилия, создаваемого механизмом противодавления, должна быть не меньшей, чем максимальное усилие, оказываемое на поверхность перфорированной пластины 4 столбом содержащегося в резервуаре продукта:
P_мm≥P_сm,
где P_мm максимальная величина усилия, создаваемого механизмом противодавления, H;
P_сm - максимальное усилие, оказываемое на поверхность перфорированной пластины 4 столбом содержащегося в резервуаре продукта, H,

P_о - давление окружающей среды на свободную поверхность содержащегося в резервуаре продукта. Па;
ρ - плотность содержащегося в резервуаре продукта, кг/м³;
H_сm - максимальная высота столба продукта, содержащегося в резервуаре, м;
S - площадь перфорированной пластины 4, м²;
g - ускорение свободного падения, м/с².

Требуемая максимальная сила давления поршня 7 (P_пm) рассчитывается по формуле:

где h_пm - максимальная высота столба рабочей жидкости, поступающей в емкость 6 устройства создания противодавления, м;
S - площадь поперечного сечения поршня 7, м².

Требуемая масса ползуна-утяжелителя 14 (M_п) рассчитывается исходя из следующего соотношения:

где a - длина радиальной направляющей 15 движения ползуна-утяжелителя 14 (в рассматриваемом варианте она принята равной длине радиуса (r) шестерни 9), м;
r - длина радиуса шестерни 9, м.

Длина окружности шестерни 9 (L_ш) должна быть равна:
L_ш = 4•H_д, м,
где H_д - высота емкости 6 устройства создания противодавления, м.

Тогда длина радиуса шестерни 9 должна быть равна:

Длина штока 8 (l_ш) поршня 7 должна быть равна:
l_ш = h_пm + r, м
Длина зубчатой поверхности (l_з) штока 8 поршня 7 равна:
l_з = h_пm, м
Как показали результаты испытаний макетного образца, длина каждого из жестких звеньев 13 должна быть (0,6...0,7) диаметра шестерни 9.

Погрешность гидростатического метода измерения массы рассчитывается в соответствии с ГОСТ 26976-86 "Методы измерения массы".

Предлагаемый гидростатический уровнемер представляет собой уровнемер постоянного действия.

Перед градуированием и эксплуатацией данного уровнемера основные его узлы устанавливаются: измерительное устройство и устройство создания противодавления - на внешней стороне верхней образующей корпуса резервуара, чувствительный элемент - на дне резервуара в горизонтальном положении. В процессе работы чувствительный элемент удерживается на дне резервуара под силой собственной тяжести, а также под давлением столба находящегося в резервуаре продукта. Градуирование показаний датчиков уровня 20 и давления 22 столба жидкости в мерной емкости 17 производится соответственно в мм и кг.

Для изготовления предлагаемого гидростатического уровнемера могут применяться серийно выпускаемые узлы и детали, устойчивые к агрессивным свойствам хранимых в резервуарах продуктов (см., например, Боков В.Н. Детали машин. - М. : Высшая школа, 1960; Батурин А. Б., Ицкович Г.М. и др. Детали машин. - М.: Машиностроение, 1971; Биргер И. А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.М. Детали машин. Расчет на прочность. -М.: Машиностроение, 1979): обойма 1 чувствительного элемента, перфорированная пластина 4, шланги 5 и 16, корпуса емкости 6 устройства создания противодавления и мерной емкости 17, поршни 7 и 18, штоки 8 и 19, шестерня 9, оси 10 и 12, жесткие звенья 13, ползун-утяжелитель 14, линия связи 21, датчики уровня 20 и давления 22 столба жидкости в мерной емкости 17. Остальные элементы уровнемера могут быть изготовлены из следующих материалов: эластичные наружная 2 и внутренняя 3 камеры - из стойких к хранимым в резервуаре продуктам резинотехнических или других полимерных материалов; П-образная стойка 11 - из металла; кожух 23 устройства создания противодавления и измерительного устройства - из металла в сочетании с термоизолирующим материалом.

При создании автоматизированной системы контроля за наличием хранимого в резервуаре продукта датчики уровня 20 и давления 22 столба жидкости в мерной емкости 17 могут быть функционально соединены с автоматическими регистрирующим, программно- вычислительным и исполнительным устройствами.

Рассмотрим работу уровнемера при заливе в резервуар жидкого продукта.

После подсоединения к резервуару соответствующего перекачивающего средства продукт подается внутрь резервуара. При этом происходит увеличение общей массы продукта, что приводит к возрастанию давления его столба на чувствительный элемент. Под воздействием этого давления перфорированная пластина 4 опускается вдоль боковой стенки обоймы 1 чувствительного элемента, равномерно воздействуя на эластичные наружную 2 и внутреннюю 3 камеры, в результате чего находящаяся внутри них рабочая жидкость вытесняется и поступает: из эластичной наружной камеры 2 по шлангу 5 в емкость 6 устройства создания противодавления, из эластичной внутренней камеры 3 по шлангу 16 - в мерную емкость 17. В емкости 6 устройства создания противодавления под воздействием рабочей жидкости поршень 7 поднимается, воздействуя через жестко соединенный с ним шток 8 на шестерню 9. Шестерня 9 и закрепленные на ее боковых сторонах радиальные направляющие 15 поворачиваются вокруг оси 10. При этом радиальные направляющие 15 воздействуют на ползуны-утяжелители 14, которые, поднимаясь по окружности, описываемой жесткими звеньями 13 вокруг оси 12, одновременно перемещаются по радиальным направляющим в противоположную от оси 10 сторону. При этом происходит увеличение длины рычага противоположного вращению шестерни 9 усилия, оказываемого на нее за счет собственной массы ползунов-утяжелителей 14. В результате этого возрастает противодействие поступлению рабочей жидкости из эластичной наружной камеры 2 в емкость 6 устройства создания противодавления, увеличивается сопротивление перемещению перфорированной пластины 4 и, следовательно, выдавливанию рабочей жидкости из эластичных наружной 2 и внутренней 3 камер. Поступление рабочей жидкости в емкость 6 устройства создания противодавления прекращается по достижении равновесия между усилием (P_сm), оказываемым на перфорированную пластину 4 столбом содержащегося в резервуаре продукта, и усилием (P_мm), создаваемым устройством противодавления. При поступлении рабочей жидкости из эластичной внутренней камеры 3 в мерную емкость 17 поплавковый уровнемер (поршень 18) поднимается. Происходящее при этом увеличение высоты столба рабочей жидкости в мерной емкости 17 фиксируется датчиком 20, а возрастание его давления - датчиком 22. При помощи градуировочных коэффициентов показания датчиков 20 и 22 преобразовываются соответственно в показатели уровня (H_п) и массы (M_п) содержащегося в резервуаре продукта. При этом используются следующие расчетные формулы:
а) для определении i-го уровня находящегося в резервуаре продукта:
H_пi=h_жi•K_гhi, м,
где h_жi - i-й уровень столба жидкости в мерной емкости 17, м, измеренный датчиком 20;
K_гhi - градуировочный коэффициент уровня столба содержащегося в резервуаре продукта, соответствующий i-му уровню столба жидкости в мерной емкости 17;
б) для определения i-й массы находящегося в резервуаре продукта:

где P_ржi - i-я сила давления столба жидкости в мерной емкости 17, H, измеренная датчиком 22;
K_гmi - градуировочный коэффициент давления столба содержащегося в резервуаре продукта, соответствующий 1-му давлению столба жидкости в мерной емкости 17.

При выдаче содержащегося в резервуаре продукта происходит уменьшение его общей массы и, следовательно, снижение гидростатического давления, оказываемого на перфорированную пластину 4. При этом нарушается равновесие между усилием, создаваемым столбом находящегося в резервуаре продукта, и усилием, создаваемым устройством противодавления. В результате этого под воздействием собственной массы ползунов-утяжелителей 14 шестерня 9 поворачивается в обратном направлении, подвижно соединенный с ней шток 8 опускается, поршень 7 вытесняет часть рабочей жидкости из емкости 6 устройства создания противодавления в эластичную наружную камеру 2. Под воздействием возрастающего при этом в эластичной наружной камере 2 давления рабочей жидкости перфорированная пластина 4 поднимается. При этом снижается давление, оказываемое перфорированной пластиной 4 на эластичную внутреннюю камеру 3, в которую в результате этого перетекает часть рабочей жидкости из мерной емкости 17. Снижение уровня (H_п) и массы (M_п) содержащегося в резервуаре продукта фиксируется предварительно преобразованными при помощи градуировочных коэффициентов показаниями датчиков уровня 20 и давления 22 столба жидкости в мерной емкости 17.

Заявляемое техническое решение является патентоспособным, так как согласно п. 1 ст. 4 Патентного закона РФ отвечает основным критериям:
является новым - авторам не известна на момент подачи заявления совокупность признаков, отраженная в формуле изобретения (кроме тех источников информации, которые указаны выше);
новым является наличие двух изолированных друг от друга эластичных наружной 2 и внутренней 3 камер, концентрично размещенных в жесткой обойме 1; кинематического узла, выполненного в виде зубчатой поверхности штока 8, взаимодействующего с шестерней 9; двух жестких звеньев 13 с ползунами-утяжелителями 14, размещенными на радиальных направляющих 15; мерной емкости 17 с подсоединенной к ней датчиками уровня 20 и давления 22 столба поступающей в нее жидкости;
заявляемая конструкция уровнемера в сравнении с прототипом более проста в изготовлении, удобна в эксплуатации и обладает расширенными функциональными возможностями: не требует использования преобразователя перемещения чувствительного элемента, программного устройства, сильфонов - см. табл., п.п. 2.2., 3.1., 3.3., 4; предусматривает использование серийно выпускаемых узлов и деталей; позволяет регистрировать и массу, и объем измеряемой жидкости, что позволяет расширить область использования уровнемера.

Предполагаемая область применения заявляемого устройства: стационарные резервуары, подземные грунтовые хранилища для жидкостей, морские и речные танкеры.

Применение предлагаемого изобретения позволит упростить эксплуатацию, повысить функциональные возможности и упростить изготовление уровнемера.

Источники информации, принятые во внимание.

1. Авторское свидетельство СССР N 1448208 A1, кл. 1988.

2. Авторское свидетельство СССР N 1566220 A1, кл. 1990.

3. Авторское свидетельство СССР N 861957, кл. 1981. (прототип)д

Гидростатический уровнемер используется для измерения массы и объема жидкости в различных емкостях большой вместимости, преимущественно при хранении светлых нефтепродуктов в резервуарах. Чувствительный элемент выполнен в виде двух изолированных друг от друга камер (2 и 3), размещенных в жесткой обойме (1), и перфорированной пластины (4), установленной на верхней поверхности камер с возможностью скольжения вдоль образующей обоймы в вертикальной плоскости. Устройство создания противодавления выполнено в виде емкости (6) с поршнем (7) и штоком (8), взаимодействующим посредством зубчатой передачи с шестерней (9) кинематического узла, двух жестких звеньев (13) с ползунами-утяжелителями (14). На боковых поверхностях шестерни (9) выполнены радиальные направляющие (15) движения ползунов-утяжелителей (14). Измерительное устройство выполнено в виде мерной емкости (17) с датчиками уровня (20) и давления (22) столба жидкости в ней. Емкость (6) устройства создания противодавления сообщена с одной из камер (2) чувствительного элемента, другая камера (3) которого сообщена с мерной емкостью (17). Простота эксплуатации уровнемера обеспечивается его конструкцией постоянного действия, расширенными функциональными возможностями, позволяющими автоматически осуществлять регистрацию массы и объема измеряемой жидкости, возможностью использования для его изготовления серийно выпускаемых узлов и деталей. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидростатический уровнемер, содержащий погружаемый в контролируемую жидкость деформируемый чувствительный элемент, связанный с измерительным устройством и устройством создания противодавления, имеющим кинематический узел, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде двух изолированных друг от друга камер, размещенных в жесткой обойме, и перфорированной пластины, установленной на верхней поверхности камер с возможностью скольжения вдоль образующей обоймы в вертикальной плоскости, устройство создания противодавления выполнено в виде емкости с присоединенной к ее наружной боковой поверхности П-образной стойкой, размещенного в емкости поршня, шток которого в верхней части выполнен в виде зубчатой рейки для взаимодействия с шестерней кинематического узла, двух жестких звеньев с ползунами-утяжелителями на одних концах, другие концы которых закреплены на общей оси в верхней части П-образной стойки, в средней части которой размещена ось вращения шестерни, на боковых поверхностях которой выполнены радиальные направляющие движения ползуна-утяжелителя, а измерительное устройство выполнено в виде мерной емкости с датчиками уровня и давления столба жидкости в ней, при этом емкость устройства создания противодавления сообщена с одной из камер чувствительного элемента, другая камера которого сообщена с мерной емкостью. 2. Гидростатический уровнемер по п.1, отличающийся тем, что емкости устройства создания противодавления и измерительного устройства имеют равные вместимости. 3. Гидростатический уровнемер по п.1, отличающийся тем, что длину окружности шестерни принимают равной четырем высотам емкости устройства создания противодавления. 4. Гидростатический уровнемер по п.1 или 3, отличающийся тем, что длина жестких звеньев составляет 0,6 - 0,7 диаметра шестерни.