УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В РЕЗЕРВУАРАХ ВОДОНАПОРНЫХ БАШЕН Российский патент 2000 года по МПК G05D9/12 

Изобретение относится к средствам управления или регулирования неэлектрических величин с использованием электрических средств и предназначено для регулирования предельного верхнего и нижнего уровня воды в резервуарах водонапорных башен.

Известны устройства для измерения и регулирования уровня заполнения резервуаров жидкостью, основанные на использовании механических и электромеханических методов [1] . Недостаток этих устройств заключается в невозможности их использования для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха, когда на поверхности образуется ледяной покров (корка) толщиной несколько миллиметров.

Известны устройства для измерения и регулирования уровня заполнения резервуаров, основанные на ультразвуковом методе [1]. Их недостаток заключается в сложности устройства, а также невозможности регулирования уровня жидкости при волнах и водоворотах, образованных падающей из подводящей трубы водой, то есть переходных процессах в жидкости.

Известно устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, содержащее:
1. Манометр с контактной системой, настраиваемой на верхний и нижний предельный уровень воды в водонапорных башнях и присоединяемый к резервуару с водой в нижней его части. При этом давление столба воды передается по трубке манометру, градуированному в единицах уровня [1, 2].

2. Контактный или бесконтактный исполнительный элемент, включающий или отключающий электродвигатель с насосом.

Недостаток указанного устройства заключается в том, что в момент подачи воды из подводящей трубы столб падающей воды приводит к изменению давления на измерительный преобразователь манометра. При этом показания манометра изменяются, в результате чего контакты верхнего и нижнего предельного уровня замыкаются и размыкаются, что приводит к частому включению и выключению электродвигателя, пусковые токи которого выводят электродвигатель из строя.

Известно устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, содержащее емкостной преобразователь уровня воды в электрический сигнал (датчик) с переменной диэлектрической постоянной, обкладки которого прилегают к трубке из диэлектрика, сообщающейся с резервуаром с водой [3]; мостовую измерительную схему и фазочувствительный усилитель [4, 5]; контактный или бесконтактный исполнительный элемент и электродвигатель с насосом.

Достоинства емкостных преобразователей уровня воды в электрический сигнал: большая чувствительность, относительно малый вес и габариты, малые электромеханические силы между пластинами емкостного преобразователя.

Недостаток указанного устройства заключается в том, что в нем емкостные преобразователи: чувствительны к влиянию паразитных емкостей и посторонних электрических полей (в особенности при длинных соединительных проводниках); подвержены влиянию низких отрицательных температур наружного воздуха, что может вывести электростатические преобразователи из строя или исказить их метрологические характеристики из-за образования корки льда на поверхности воды в резервуаре; подвержены влиянию волн и водоворотов на поверхности воды в резервуаре, что приводит к изменению емкости емкостных преобразователей и к частому включению и выключению электродвигателя, пусковые токи которого выводят электродвигатель из строя.

Известно устройство (прототип) для регулирования уровня жидкости в емкости [6], содержащее датчики верхнего и нижнего уровней, подключенные к соответствующим входам блока управления, первый выход которого соединен с насосной установкой, генератор импульсов, а также последовательно соединенные таймер и привод вертикального перемещения, связанный с выходом датчика верхнего уровня, причем выход генератора импульсов подключен ко входу таймера, а второй выход блока управления связан со вторым входом привода вертикального перемещения.

Недостаток прототипа заключается в невозможности его использования при температуре окружающей среды, близкой к нулю градусов по Цельсию и ниже, так как образование корки льда на поверхности воды может исказить метрологические характеристики или вывести из строя датчики верхнего и нижнего уровней.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке технического решения, которое обеспечивает получение следующего технического результата - повышение надежности заявленного устройства в тяжелых условиях эксплуатации, связанных с влиянием: паразитных емкостей и посторонних электрических полей при длинных соединительных проводниках; низких отрицательных температур окружающей среды; волн и водоворотов, обусловленных падающей водой из подводящей трубы.

Эта задача решена в результате того, что устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, содержащее преобразователи верхнего и нижнего предельных уровней в электрический сигнал, а также блок управления электродвигаталем, к которому через исполнительный элемент подключен электродвигатель с водяным насосом, снабжено гидравлическим и электрическим интеграторами, гидравлический интегратор выполнен в виде защитного экрана с трехзажимным подключением, охватывающего преобразователи верхнего и нижнего уровней, которые выполнены емкостными, в верхней и нижней частях защитного экрана расположены перегородки с отверстиями, при этом защитный экран выполнен двойным, пространство между стенками которого заполнено теплоизолирующим материалом, электрический интегратор выполнен в виде резистивно-емкостной цепочки, емкостные преобразователи включены каждый в мостовую схему с компаратором тока, в которой один из выводов емкостного преобразователя подключен к источнику переменного напряжения повышенной частоты, другой вывод - к одному из плеч компаратора тока, опорный конденсатор подключен соответственно к указанному источнику питания и второму плечу компаратора тока, а средняя точка плеч компаратора тока заземлена и присоединена к защитному экрану, вход электрического интегратора через фазочувствительный усилитель подключен к выходной обмотке компаратора тока, а к выходу электрического интегратора подключена схема сравнения, соединенная с блоком управления электродвигателем, при этом мостовые схемы с компаратором тока для регулирования верхнего и нижнего предельных уровней выполнены идентичными.

На фиг. 1 приведено устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен. Указанное устройство содержит емкостной преобразователь 1 верхнего предельного уровня в электрический сигнал; емкостной преобразователь 2 нижнего предельного уровня в электрический сигнал; опорные конденсаторы 3, 4; компаратор тока 5, состоящий из плеч (обмоток) 10, 11 и выходной обмотки 12; источник питания повышенной частоты 13; фазочувствительные усилители 14, 15: электрический интегратор верхнего предельного уровня, состоящий из резистора 16 и конденсатора 17 и аналогичный интегратор нижнего уровня 18, 19; схемы сравнения 20, 21: блок 22 управления электродвигателем; исполнительный контактный или бесконтактный элемент 23; электродвигатель 24 в комплекте с водяным насосом.

На фиг. 2 представлена конструктивная схема гидравлического интегратора с емкостными преобразователями верхнего и нижнего предельного уровня в электрический сигнал. Гидравлический интегратор содержит емкостные преобразователи 1, 2, каждый из которых состоит из двух металлических пластин, покрытых слоем соответствующей изоляции (на фиг. 2 не показана); двойного защитного экрана в виде металлических стенок 25, 26 и изоляционного материала 27; перегородки 28 с отверстиями в нижней части защитного экрана (на фиг. 2 показано по одному отверстию в каждой перегородке), перегородки 29 с отверстиями в верхней части защитного экрана.

Емкостной преобразователь 1, опорный конденсатор 3, компаратор тока 5, источник питания повышенной частоты 13, фазочувствительный усилитель 15 образуют мостовую схему с компаратором тока, в которой средняя точка плеч 6 и 7 заземлена, экраны емкостного преобразователя 1 и опорного конденсатора 3 заземлены. Мостовые схемы верхнего и нижнего предельного уровня выполнены идентичными.

Работа устройства для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен заключается в следующем. Перед описанием работы указанного устройства рассмотрим физические основы его работы.

Емкостной преобразователь уровня в электрический сигнал представляет собой плоский конденсатор, емкость С которого выражается формулой [4]:

где ε - диэлектрическая проницаемость среды между обкладками (пластинами) (для воздуха ε₀ = 8,85•10^-12 Ф/м; для воды ε = ε₀•80);
S - поверхность обкладок;
δ - расстояние между обкладками.

Под воздействием воды, заполняющей пространство между электродами, емкость плоского конденсатора увеличивается. Это обусловлено тем, что диэлектрическая проницаемость воды значительно больше, чем воздуха.

При регулировании верхнего предельного уровня воды в резервуаре водонапорной башни емкость преобразователя 1 увеличивается. При равенстве емкостей преобразователя 1 и опорного конденсатора 3 токи в плечах 6 и 7 компаратора тока 5 будут равны, магнитный поток в магнитном сердечнике компаратора тока 5 будет равен нулю, напряжение на выходной обмотке будет равно нулю, постоянное напряжение на выходе фазочувствительного усилителя будет также равно нулю. Нулевой потенциал воздействует на схему сравнения 20, которая подает соответствующий сигнал на блок управления 22, который через исполнительный элемент 23 отключает электродвигатель 24 с насосом. При этом защита емкостного преобразователя 1 от влияния паразитных емкостей и посторонних электрических полей обеспечивается следующим образом. В момент равновесия мостовой схемы, что соответствует описанному выше ее состоянию, потенциал обкладки преобразователя 1, подсоединенный к плечу 6 компаратора тока 5, близок к нулевому потенциалу. Поэтому утечки тока с указанной пластины преобразователя 1 и с соединительных проводов на землю от влияния паразитных емкостей близки к нулю. Вторая обкладка преобразователя 1 подсоединена к источнику питания 13. Паразитная емкость при этом шунтирует источник питания и на результат измерения влияния не оказывает Применение указанной мостовой схемы, широко используемой в электроизмерительной технике, позволяет наиболее просто проводить регулирование уровня воды с применением длинных экранированных соединительных проводников.

Резервуар водонапорной башни и гидравлический интегратор являются сообщающимися сосудами. При этом при наличии волн и водоворотов, образованных падающей сверху водой из трубопровода, в гидравлическом интеграторе устанавливается средний уровень воды в резервуаре. Это обеспечивается за счет воздействия перегородок 28 с отверстиями. Двойные стенки 25, 26 и теплоизолирующий материал 27 исключают возможность замерзания воды в гидравлическом интеграторе при низких температурах окружающей среды. Перегородки 29 с отверстиями обеспечивают выход воздуха при заполнении водой гидравлического интегратора и предохраняют от замерзания воду в гидравлическом интеграторе. Гидравлический интегратор исключает влияние низкочастотных помех на работу предложенного устройства. Исключение высокочастотных помех обеспечивает электрический интегратор в виде резистора 16 и конденсатора 17. Его работа состоит в следующем. При заполнении водой емкостного преобразователя 1 на выходе фазочувствительного усилителя 14 напряжение изменяется от некоторого значения со знаком плюс до нуля и до некоторого напряжения со знаком минус. В выходном постоянном напряжении фазочувствительного усилителя могут иметь место импульсные высокочастотные помехи, которые могли бы привести к отключению или включению электродвигателя. Конденсатор 17 медленно разряжается через резистор 16, поэтому электрический интегратор предотвращает появление импульсных помех на входе схемы сравнения 20. При понижении уровня воды в резервуаре водонапорной башни до нижнего предельного уровня емкость преобразователя 2 становится равной емкости опорного конденсатора 4. Это приводит к включению электродвигателя 24 и подаче воды в резервуар. Схема регулирования нижнего предельного уровня работает аналогично схеме регулирования верхнего предельного уровня.

Таким образом, совместное (совокупное) действие гидравлического и электрического интеграторов предотвращают включение электродвигателя, обусловленное волнами и водопроводами в резервуаре водонапорной башни. Двойной экран гидравлического интегратора обеспечивает защиту электростатических преобразователей от влияния внешних электрических полей и паразитных емкостей при длинных соединительных проводниках, а также от влияния отрицательных температур окружающей среды.

Литература
1. Измерения в промышленности: Справ, изд. В 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. - 2-е изд. М.: Металлургия, 1990. С. 12-37.

2. Большая советская энциклопедия, второе издание. Том 44, С. 325-326. Государственное научное издательство "Большая Советская энциклопедия", 1956.

3. Н. Аматуни и др. Электротехника и электрооборудование. М.: Росвузиздат, 1963. С.429-494.

4. Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин. М.-Л.: Изд-во "Энергия", 1966. С. 44-52.

5. Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. М.-Л.: Государственное энергетическое изд-во, 1958. С.470-471.

6. А.с. N1228082 (СССР). Устройство для регулирования уровня жидкости в емкости /В.Д. Шестаков, А.И. Волков, А.М. Смирнов, А.В. Кланюк, А.П. Солоха, В.И. Войтенко. - Опубл. в БИ N16, 30.04.86.

Изобретение относится к области систем автоматического регулирования. Технический результат заключается в повышении надежности регулирования предельного верхнего и нижнего уровней воды в резервуарах водонапорных башен в тяжелых условиях эксплуатации, связанных с влиянием на емкостные преобразователи паразитных емкостей и посторонних электрических полей при длинных соединительных проводниках, низких отрицательных температур окружающего воздуха, волн и водоворотов, обусловленных падающей водой из подводящей трубы. Устройство содержит мостовую схему с компаратором тока и экран гидравлического интегратора, обеспечивающие защиту емкостных преобразователей заявленного устройства от влияния паразитных емкостей и внешних электрических полей при длинных соединительных проводниках; гидравлический и электрический интеграторы, обеспечивающие защиту емкостных преобразователей и заявленного устройства от влияния волн и водоворотов, обусловленных падающей водой из подводящей трубы; экран гидравлического интегратора выполнен с двойными стенками и изоляционным материалом, обеспечивающим защиту емкостных преобразователей от низких отрицательных температур окружающей среды. 2 ил.

Устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, содержащее преобразователи верхнего и нижнего предельных уровней в электрический сигнал, а также блок управления электродвигателем, к которому через исполнительный элемент подключен электродвигатель с водяным насосом, отличающееся тем, что оно снабжено гидравлическим и электрическим интеграторами, гидравлический интегратор выполнен в виде защитного экрана с трехзажимным подключением, охватывающего преобразователи верхнего и нижнего уровней, которые выполнены емкостными, в верхней и нижней частях защитного экрана расположены перегородки с отверстиями, при этом защитный экран выполнен двойным, пространство между стенками которого заполнено теплоизолирующим материалом, электрический интегратор выполнен в виде резистивно-емкостной цепочки, емкостные преобразователи включены каждый в мостовую схему с компаратором тока, в которой один из выводов емкостного преобразователя подключен к источнику переменного напряжения повышенной частоты, другой вывод - к одному из плеч компаратора тока, опорный конденсатор подключен соответственно к указанному источнику питания и второму плечу компаратора тока, а средняя точка плеч компаратора тока заземлена и присоединена к защитному экрану, вход электрического интегратора через фазочувствительный усилитель подключен к выходной обмотке компаратора тока, а к выходу электрического интегратора подключена схема сравнения, соединенная с блоком управления электродвигателем, при этом мостовые схемы с компаратором тока для регулирования верхнего и нижнего предельных уровней выполнены идентичными.