СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2007 года по МПК G01F23/38 

Изобретение относится к области дистанционного контроля и регулирования уровня.

Известны сигнализаторы уровня жидкости, действующие по принципу пороговых поплавковых преобразователей (сборник ЭИ (ВИНИТИ) «Контрольно-измерительная техника», 1989, №15, с.7-9, реф. 77), которые имеют чувствительный элемент в виде поплавка с поворотным перемещением и систему электрических контактов, срабатывающих при соответствующем перемещении поплавка, обусловленном воздействием на него выталкивающей силы. Указанные поплавковые преобразователи устанавливаются на боковой стенке бака на высоте, соответствующей сигнализируемому уровню, и имеют относительно малые габариты. Применение магнитной связи в пороговых поплавковых преобразователях позволяет осуществлять передачу усилия срабатывания от поплавка к контактам через непроницаемую стенку из немагнитного материала. Сигнализатор уровня жидкости, выполненный на указанном принципе, имеет поплавок, жестко связанный с ним постоянный магнит, шарнир, ограничители максимальных перемещений поплавка в виде пластин, мембрану из немагнитного материала, выполненную в виде единого блока с механическим герметизирующим элементом, приводной постоянный магнит системы электрических контактов, монтажный фланец и механизм переключения контактов.

Однако такой сигнализатор сложен по устройству и недостаточно надежен в работе по причине наличия большого числа подвижных элементов. При этом выдача сигнала в режиме расхода или заправки может производиться только на одном заданном уровне жидкости.

Наиболее близким, принятым за прототип является сигнализатор уровня жидкости (авт. свид. SU №1675685, кл. G 01 F 23/32, 23/56, 23/62).

При подъеме поплавка с повышением уровня жидкости в направляющей трубе, встроенный в него управляющий магнит приходит во взаимодействие с магнитом в полости рычага, в результате чего происходит перемещение этого магнита в противоположную от трубы сторону, поворот рычага вокруг шарнира и вхождение магнита рычага во взаимодействие с герконом, который включается. При понижении уровня жидкости и опускании поплавка процесс происходит в обратной последовательности, в результате чего геркон выключается.

Известный сигнализатор уровня жидкости имеет следующие недостатки.

Ограниченность функциональных возможностей, обусловленная тем, что выполнение рычага и его магнита с относительной фиксацией в крайних положениях создает релейный режим работы, при котором, несмотря на конечную скорость изменения уровня жидкости, переброска рычага из одного положения в другое должна происходить за минимальное время. В связи с этим невозможно обеспечить сигнализацию нескольких, например двух, уровней с использованием одного рычага, поскольку при установке двух герконов со смещением по высоте относительно друг друга будет наблюдаться или практически одновременное срабатывание обоих герконов, или, с увеличением смещения, надежное срабатывание только одного из них.

Его функциональные возможности также ограничены возможностью сигнализации только в режиме заправки жидкости по причине того, что включение геркона должно производиться магнитом, который перемещается в противоположную от трубы сторону, однако это возможно только в процессе подъема поплавка с уровнем жидкости. Таким образом, указанный сигнализатор не может быть применен для выдачи сигнала при расходе жидкости.

Известный сигнализатор имеет по крайней мере три подвижных элемента, без учета контактов геркона, и остается конструктивно сложным. Наружное расположение, а также конструктивное выполнение рычага с неподвижной опорой в средней части, характеризующее его как рычаг первого рода, увеличивает габариты устройства.

Зазор между поплавком и внутренней поверхностью направляющей трубки, который в подобных устройствах должен быть задан предельно минимальным для обеспечения эффективного магнитного взаимодействия, при прохождении поплавком зоны расположения рычага может оказаться полностью выбранным под действием сил магнитного притяжения, что приведет к возрастанию сил трения, тормозящих перемещение поплавка, и, как следствие, - к снижению точности сигнализации заданного уровня жидкости.

Кроме того, сигнализатор не будет обладать достаточной надежностью при работе в баке транспортного средства, где под влиянием механических нагрузок типа вибрации и тряски возможно нарушение его функционирования вследствие расцепления манитной связи между двумя подвижными элементами: рычагом и поплавком, что ограничивает область применения сигнализатора стационарными установками.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей и области применения, уменьшение габаритов и упрощение устройства, повышение надежности и точности сигнализации уровня.

С целью выполнения поставленной задачи в сигнализаторе уровня жидкости, содержащем поплавок, установленный на нем магнит, рычаг, выполненный с возможностью поворота вокруг горизонтального шарнира, ограничитель хода поплавка и геркон, установленный с возможностью включения от магнита, связанного с рычагом, новым, согласно изобретению, является то, что с рычагом связано не менее двух магнитов, намагниченных в одном направлении, равноудаленных от оси шарнира и установленных с угловым смещением относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную зону взаимодействия поплавка с герконом, поплавок выполнен поворотным и объединен в один элемент конструкции с рычагом, в качестве которого использован рычаг второго рода, причем ось шарнира параллельна оси намагничивания магнитов, жестко связанных с концом рычага, и осям герконов, установленных с возможностью поочередного вхождения поплавка во взаимодействие с ними, одновременного взаимодействия по крайней мере с двумя герконами, а также, при вхождении поплавка в контакт с ограничителем, продолжения его взаимодействия по крайней мере с одним герконом.

Благодаря тому, что с рычагом связано не менее двух магнитов, намагниченных в одном направлении, равноудаленных от оси шарнира и установленных с угловым смещением относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную зону взаимодействия поплавка с герконом, расширяются функциональные возможности сигнализатора уровня за счет расширения диапазона сигнализации уровня жидкости и угла выдачи сигнала, а также повышается надежность сигнализации уровня, поскольку расширение диапазона сигнализации уровня и угла выдачи сигнала исключает вероятность ложных включений и выключений герконов при механических нагрузках типа вибрации или тряски. Это позволяет применить сигнализатор для измерения уровня жидкости на транспортном средстве, что расширяет область применения сигнализатора.

Выполнение поплавка поворотным и объединение его в один элемент конструкции с рычагом, в качестве которого использован рычаг второго рода, причем ось шарнира параллельна оси намагничивания магнитов и осям герконов, уменьшает габариты, упрощает устройство и, одновременно с этим, дополнительно повышает надежность сигнализатора уровня по сравнению с прототипом, поскольку подвижным элементом в конструкции остается один поплавок, а магнитная связь сохраняется только между поплавком и герконами.

При повороте поплавка силы трения существуют только между поплавком и осью, благодаря малому диаметру которой, их тормозящий момент незначителен по сравнению с вращающим моментом, что повышает, по сравнению с прототипом, точность сигнализации уровня.

Функциональные возможности сигнализатора уровня расширены также благодаря наличию жесткой связи магнитов с концом рычага, допускающей возможность включения геркона при подходе к нему этого плеча рычага как снизу, так и сверху, и обеспечивающей сигнализацию как при заданной заправке, так и при расходе жидкости, и одновременно благодаря установке герконов с возможностью поочередного вхождения поплавка во взаимодействие с ними, одновременного взаимодействия по крайней мере с двумя герконами, а также при вхождении поплавка в контакт с ограничителем, продолжения его взаимодействия по крайней мере с одним герконом, что позволяет использовать один рычаг в сигнализаторе уровня жидкости для выдачи нескольких сигналов.

Для более полного раскрытия сущности изобретения на Фиг.1 представлено сечение предлагаемого сигнализатора уровня по вертикальной оси, на Фиг.2 - вертикальное сечение поворотного поплавка, на Фиг.3 - непрерывная зона взаимодействия поплавка с герконом. Пример выдачи трех сигналов приведен: на Фиг.4а - двумя герконами и на Фиг.4б - тремя.

В соответствии с Фиг.1 сигнализатор уровня жидкости содержит поворотный поплавок, установленные на нем магниты 2, рычаг, с которым объединен в один элемент конструкции поплавок 1 и который выполнен с возможностью поворота вокруг горизонтального шарнира 3, кожух 4, служащий ограничителем хода поплавка 1, и герконы 5, установленные с возможностью включения от магнитов 2, не менее двух из которых связаны с рычагом, намагничены в одном направлении, равноудалены от оси шарнира 3 и установлены с угловым смещением Δα относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную зону взаимодействия поплавка 1 с герконом 5. В качестве рычага использован рычаг второго рода. Ось шарнира 3 параллельна оси намагничивания, например, стержневых магнитов 2, жестко связанных с концом рычага, и осям герконов 5, установленных с возможностью поочередного вхождения поплавка 1 во взаимодействие с ними, одновременного взаимодействия по крайней мере с двумя герконами 5, а также, при вхождении поплавка 1 в контакт с ограничителем, продолжения его взаимодействия по крайней мере с одним герконом 5. Шарнир 3 крепится к кожуху 4, соединенному с корпусом 6 сигнализатора, герметично устанавливаемым на боковую стенку 7 бака. Внутри корпуса 6 расположено, например, два геркона 5, которые могут быть или разнесены по высоте для раздельной выдачи двух сигналов, или, при близком их расположении, составлять единый контактный узел, с взаимным соединением, для повышения надежности работы, по параллельной схеме. Герконы 5 подключены к контактам электросоединителя 8. Внутренняя горизонтальная плоскость кожуха 4 обеспечивает фиксацию поплавка 1 в горизонтальном положении, а выступ 9 кожуха 4 предназначен для фиксации поплавка 1 в крайнем отведенном положении под углом, обеспечивающем сохранение его плавучести. Благодаря объединению поплавка в один элемент конструкции с рычагом, он является единственным подвижным элементом в конструкции сигнализатора уровня, а магнитная связь имеется только между поплавком и герконами.

На Фиг.1а приведено устройство, предназначенное для сигнализации при заправке, а на Фиг.1б - при расходе жидкости.

На Фиг.2 приведено вертикальное сечение поворотного поплавка 1 в горизонтальном положении, где показано, что точки приложения выталкивающей силы F и силы тяжести Р расположены по одну сторону от неподвижной опоры - оси шарнира 3, таким образом поплавок в данном случае является рычагом второго рода. Сила тяжести Р смещена относительно силы F к концу рычага (приложена к его более длинному плечу), ввиду относительно большого удельного веса магнитов 2, жестко связанных с концом рычага. При этом поплавок 1 выполнен с таким преобладанием силы F, чтобы ее вращающий момент обеспечивал положительную плавучесть поплавка.

На Фиг.3 показаны:

- на графике «а» - зависимость напряженности магнитного поля Н в рабочем зазоре геркона от угла поворота α поплавка с одним магнитом и угол выдачи сигнала (α_выкл-α_вкл), зависящий от напряженностей включения Н_вкл и выключения Н_выкл геркона;

- на графике «б» - две аналогичные зависимости для каждого из двух магнитов, установленных с угловым смещением Δα относительно друг друга;

- на графике «в» - результат суммирования напряженности двух магнитов, намагниченных в одном направлении, из которого очевидно, что угол выдачи сигнала благодаря применению двух магнитов в поплавке, расширяется более чем в два раза; при этом указанные на графике обозначения углов α_Н, α_Г, α_В соответствуют углу отклонения от вертикали нижнего, горизонтального и верхнего положений поплавка.

Сигнализатор уровня жидкости, приведенный на Фиг.1а, работает следующим образом. Жидкость в исходном состоянии отсутствует, а поплавок 1 сигнализатора находится в крайнем нижнем положении. При этом поплавок 1 опирается на выступ 9 кожуха 4 и находится вне зоны взаимодействия с герконами 5, которые, в указанном примере, рассматриваются как единый контактный узел, и в данный момент находятся в выключенном состоянии. Это положение поплавка соответствует предельно нижнему углу отклонения его от вертикали α_Н на графике Фиг.3,в, при котором напряженность магнитного поля Н в рабочем зазоре герконов стремится к нулю. При подъеме уровня жидкости и ее контакте с поплавком 1 выталкивающая сила F, приложенная к точке поплавка 1, указанной на Фиг.2, и направленная вертикально вверх, начинает расти от нуля и когда ее вращающий момент превысит момент силы тяжести Р, поплавок 1 отойдет от выступа 9 и начнет поворачиваться вокруг шарнира 3 по направлению к корпусу 6. По мере подхода к нему ближайший из магнитов 2 последовательно входит во взаимодействие с герконами 5, при достижении угла α_вкл включается тот геркон 5, в зазоре которого напряженность магнитного поля достигла величины Н_вкл, и в результате сигнализатор выдает сигнал. При дальнейшем повороте поплавка 1 и нарастании напряженности наряду с первым герконом 5 включается второй, повышая этим надежность выдачи сигнала. Дальнейшее повышение уровня жидкости и поворот поплавка 1 вплоть до горизонтального положения не изменяет включенного состояния герконов 5, так как, в соответствии с Фиг.3,в, в процессе поворота и при угле α_Г напряженность Н остается выше величины Н_вкл. Выдача сигнала сохраняется и при дальнейшем подъеме уровня жидкости, так как поплавок 1 фиксируется в горизонтальном положении внутренней плоскостью кожуха 4. При работе сигнализатора в баке транспортного средства и возможном отрыве поплавка 1 от этой плоскости под воздействием механических нагрузок вероятность ложного выключения сигнала близка к нулю благодаря применению двух магнитов 2, намагниченных в одном направлении, равноудаленных от оси шарнира 3 и установленных с угловым смещением Δα относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную зону взаимодействия поплавка 1 с каждым из герконов 5, и значительному по величине углу (α_Г-α_выкл) обратного поворота в жидкости, который бы пришлось поплавку 1 совершить до момента выключения сигнала.

Работа сигнализатора, изображенного на Фиг.1б также в положении, соответствующем пустому баку, в случае расхода жидкости происходит аналогично. При полном баке выталкивающая сила F, см. Фиг.2, максимальна и превышает силу тяжести Р, а поплавок 1 упирается на выступ 9, см. Фиг.1, что соответствует предельно верхнему углу α_В на графике Фиг.3,в. При опускании уровня жидкости до поплавка, начиная с определенного момента времени, сила F начинает уменьшаться и, когда ее вращающий момент станет меньше момента силы Р, поплавок 1 выйдет из контакта с выступом 9 и начнет поворачиваться вокруг шарнира 3 по направлению к корпусу 6. Начиная с угла положения поплавка включаются герконы 5 и производится выдача сигнала сигнализатором, которая сохраняется при достижении горизонтального - предельно низкого положения поплавка, под углом α_Г, а также дальнейшем понижении уровня жидкости. При пустом баке транспортного средства и кратковременном отрыве поплавка 1 от внутренней плоскости кожуха 4 под влиянием механических нагрузок, вероятность ложного выключения сигнала близка к нулю, благодаря значительному по величине углу обратного поворота, который бы пришлось совершить поплавку до момента выключения.

При расчете высоты установки сигнализатора уровня на боковой стенке 7 бака руководствуются положением линии плавучести на поплавке 1 при достижении им угла α_вкл при заправке или угла при расходе, которая будет соответствовать заданному уровню выдачи сигнала.

Для выдачи нескольких, например, двух сигналов от независимых герконов 5 на различных уровнях, поплавок 1 в процессе поворота по направлению к горизонтальному положению поочередно входит во взаимодействие с герконами 5, далее одновременно взаимодействует с двумя герконами, а при вхождении в контакт с кожухом 4, выполняющим роль ограничителя, продолжает взаимодействовать по крайней мере с одним герконом. В результате, образуются две зоны выдачи сигнала при заданных углах положения поплавка α₁, α₂, показанные на Фиг.4а, например, для режима заправки. По окончании полной заправки включенным остается только геркон 5, ближайший к горизонтальной оси сигнализатора. В этом случае выдача на участке α₂-α₃ двух сигналов одновременно используется как дополнительный сигнал об уровне жидкости и, таким образом, обеспечивается выдача трех сигналов двумя герконами.

Выдача всех сигналов с заданным условием их сохранения при дальнейшем перемещении уровня жидкости за пределы ограничителя обеспечивается благодаря достигнутому увеличению более чем вдвое угла взаимодействия поплавка с герконом, показанному на Фиг.3. В этом случае образуются зоны выдачи сигнала, например, тремя герконами при углах положения поплавка α₁, α₂, α₃, показанные на Фиг.4б, например, для режима расхода.

По сравнению с прототипом возможность работы предлагаемого сигнализатора как при заправке, так и при расходе жидкости, а также выдачи нескольких сигналов расширяет его функциональные возможности. Сокращение числа магнитных связей, а также подвижных элементов в конструкции повышает надежность сигнализатора. Установка в поплавке не менее двух магнитов, намагниченных в одном направлении, с угловым смещением относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную увеличенную зону взаимодействия поплавка с герконами, понижает вероятность ложных включений и выключений сигнала в условиях механических нагрузок при работе в баке транспортного средства, например вибрационных с ускорением до 98,1 м/с² и ударных до 117,6 м/с², повышает надежность и расширяет область применения сигнализатора уровня жидкости.

Благодаря использованию рычага второго рода в качестве рычага, а также выполнению поплавка поворотным и объединению его с рычагом в один элемент конструкции, упрощено устройство и уменьшены габариты сигнализатора уровня жидкости. При этом сохраняется трение только на оси поплавка, что не препятствует его свободному вращению и обеспечивает точность сигнализации в соответствии с нормами для поплавковых сигнализаторов. Изготовленные и испытанные образцы сигнализатора имеют габариты не более (80×50×50) мм³, длину внебаковой части по горизонтальной оси - не более 30 мм, а погрешность сигнализации уровня жидкости, не превышающую ±4 мм.

Применение данного сигнализатора не требует сложного аппаратного и программного обеспечения.

Изобретение относится к области контроля и регулирования уровня жидкости. Сущность: сигнализатор уровня жидкости содержит поплавок, установленный на нем магнит, рычаг, выполненный с возможностью поворота вокруг горизонтального шарнира, ограничитель хода поплавка и геркон, установленный с возможностью включения от магнита, связанного с рычагом. При этом, с рычагом связано не менее двух магнитов, намагниченных в одном направлении, равноудаленных от оси шарнира и установленных с угловым смещением относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную зону взаимодействия поплавка с герконом. Кроме того, поплавок выполнен поворотным и объединен в один элемент конструкции с рычагом, в качестве которого использован рычаг второго рода. Ось шарнира параллельна оси намагничивания магнита, жестко связанного с концом рычага, и осям герконов, установленных с возможностью поочередного вхождения поплавка во взаимодействие с ними, одновременного взаимодействия, по крайней мере, с двумя герконами, а также, при вхождении поплавка в контакт с ограничителем, продолжения его взаимодействия, по крайней мере, с одним герконом. Технический результат: расширение функциональных возможностей и области применения, уменьшение габаритов и сложности устройства, повышение точности и надежности сигнализации. 4 ил.

Сигнализатор уровня жидкости, содержащий поплавок, установленный на нем магнит, рычаг, выполненный с возможностью поворота вокруг горизонтального шарнира, ограничитель хода поплавка и геркон, установленный с возможностью включения от магнита, связанного с рычагом, отличающийся тем, что с рычагом связано не менее двух магнитов, намагниченных в одном направлении, равноудаленных от оси шарнира и установленных с угловым смещением относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную зону взаимодействия поплавка с герконом, поплавок выполнен поворотным и объединен в один элемент конструкции с рычагом, в качестве которого использован рычаг второго рода, причем ось шарнира параллельна оси намагничивания магнитов, жестко связанных с концом рычага, и осям герконов, установленных с возможностью поочередного вхождения поплавка во взаимодействие с ними, одновременного взаимодействия, по крайней мере, с двумя герконами, а также при вхождении поплавка в контакт с ограничителем, продолжения его взаимодействия, по крайней мере, с одним герконом.