ДИНАМИКО-СТАТИЧЕСКИЙ ЖИДКОСТНОЙ НИВЕЛИР Российский патент 2007 года по МПК G01C5/04 G01C9/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для высокоточного измерения превышений, а также постоянного контроля за высотным положением точек инженерных сооружений и технологического оборудования сочетанием методов гидродинамического и гидростатического нивелирования.

Известно устройство для определения превышения, в котором имеются сообщающиеся сосуды, каждая пара сосудов и соединяющий их трубопровод установлены горизонтально, а под четным сосудом каждой пары на одной вертикали с ним расположен сосуд следующей пары, жестко с ним соединенный посредством стержня заданной длины, выполненного из материала с малым коэффициентом линейного расширения / А.С. №369392 СССР, G01С 9/22, опубл. 1971/.

Однако данное устройство позволяет определять только превышение между двумя крайними сосудами. Все сосуды, в том числе и промежуточные, должны содержать отсчетные устройства, а информация от них о положении уровней жидкости и сосудах последовательно поступает на измерительный блок, это усложняет электрическую схему блока управления.

Монтаж такой системы сопряжен с изготовлением дополнительных конструктивных элементов (стойки, тросы с пружинными вставками и т.д.). Описанное устройство к тому же получается сравнительно сложным и дорогостоящим.

Известен гидродинамический нивелир, содержащий сообщающиеся сосуды с расположенными в них фиксаторами уровня жидкости, устройство для изменения уровня жидкости в сосудах и блок обработки информации / А.С.№480906 СССР, G01С 9/22, опубл. 1973/.

В данном устройстве измерение уровня жидкости в том или ином сосуде производят по общему измерительному сосуду (уравнительному баку) в процессе непрерывного подъема жидкости во всех сосудах гидронивелира с момента начала движения в системе до момента контакта ее с неподвижным осевым верхним контактным электродом того или иного сосуда.

Однако диапазон измерений этого устройства ограничен 300 мм. Оно не позволяет определять высотные перемещения точек, расположенных на разных горизонтах.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является гидродинамический нивелир, содержащий две и более автономные гидродинамические системы, заполненные жидкостью и расположенные на разных горизонтах, снабженные уравнительными баками и отсчетными устройствами с сигнальными линиями связи с блоком управления / А.С. №1075075 СССР, G01С 9/22, опубл. 1984/.

Однако в этом устройстве для каждой гидродинамической системы необходимо устанавливать уравнительные баки и отсчетные устройства. В связи с этим значительно усложняется конструкция устройства. Причем уравнительный бак должен находиться на одном уровне (в пределах диапазона работы отсчетного устройства) с контролируемыми сосудами, так как соединен с этими сосудами шлангом по жидкости. На практике же довольно часто расположение уравнительного бака на уровне (на одном горизонте) установки контролируемых сосудов бывает затруднительным, а иногда и невозможным.

Расширение диапазона измерений устройством достигается применением инварной проволоки, один конец которой соединен с основанием одного из сосудов верхней гидродинамической системы, а другой конец через рычаг с сигнализатором нижней гидродинамической системы. Такая рычажная связь также усложняет конструкцию гидродинамического нивелира, а полученные вертикальные перемещения систем на разных горизонтах приходится пересчитывать, учитывая длину плеча рычага.

Задача изобретения - высокоточное определение превышений между точками земной поверхности, инженерных сооружений и технологического оборудования, расположенными на одном или нескольких высотных горизонтах.

Технический результат - упрощение конструкции и повышение точности измерений динамико-статического нивелира при наблюдении за высотным положением точек.

Технический результат достигается тем, что динамико-статический жидкостной нивелир содержит динамико-статические системы, установленные на заданных горизонтах с сообщающимися в них контролируемыми сосудами, а также один измерительный сосуд, установленный на неподвижной точке в системе, установленной на нижнем горизонте. Один из контролируемых сосудов, установленных на нижнем горизонте, снабжен дополнительным вертикальным инварным стержнем - сигнализатором уровня, другой конец которого закреплен неподвижно с основанием контролируемого сосуда системы, установленной на заданном верхнем горизонте. Сосуды заполнены жидкостью и разделены на два равных отсека: основной и вспомогательный, между которыми имеется сообщение только по жидкости через отверстие в донной части сосудов. В верхней части основных отсеков контролируемых сосудов расположены сигнализаторы уровня жидкости, установленные на одинаковом расстоянии от их оснований. Воздушные объемы вспомогательных отсеков измерительного и контролируемых сосудов соединены трубопроводами одинаковой длины и диаметра с блоком дополнительного давления, при этом выравнивание давлений в основных и вспомогательных отсеках, а также повышение давления в вспомогательных отсеках обоих сосудов осуществляется при помощи соответствующих клапанов.

В динамико-статическом жидкостном нивелире измерительный сосуд соединен шлангом только по воздуху, и он будет единственным при неограниченном количестве горизонтов, на которых устанавливаются контролируемые сосуды. Это позволяет значительно упростить конструкцию нивелира. При необходимости измерительный сосуд можно располагать на любой высоте и безопасном расстоянии от источника вредного воздействия (ионизирующего излучения, высоких температур и т.д.).

Движение жидкости во время измерений происходит только между отсеками сосудов (по соединительным жидкостным шлангам движение жидкости отсутствует) и измерение уровня жидкости производится при ее гидростатическом равновесии, это позволяет в значительной мере уменьшить влияние ошибок динамического характера, что в свою очередь дает возможность повысить точность измерений.

На чертеже изображена структурная схема динамико-статического жидкостного нивелира.

Динамико-статический жидкостной нивелир состоит из одного измерительного сосуда 1, установленного на неподвижной точке, контролируемых сосудов 2, установленных на точках верхнего и нижнего горизонтов, высотное положение которых необходимо определить. Измерительный и контролируемые сосуды содержат перегородку 3, которая разделяет внутренний объем сосудов на два одинаковых по площади и объему (калиброванных) отсека: основной 4 и вспомогательный 5. Между отсеками имеется сообщение только по жидкости через отверстие 6 в донной части сосудов. В верхней части основных отсеков 4 контролируемых сосудов 2 расположены изолированные от корпусов сосудов сигнализаторы уровня жидкости 7 (заостренные металлические электроды), установленные на одинаковом расстоянии от их оснований (нулей сосудов). Воздушные объемы вспомогательных отсеков 5 сосудов 1 и 2 соединены трубопроводами 8 одинаковой длины и диаметра с блоком дополнительного давления 9. Жидкостные объемы всех контролируемых сосудов 2 на одном горизонте также соединены трубопроводами 10 одинаковой длины и диаметра (измерительный сосуд 1 соединен с контролируемыми сосудами 2 только воздушным шлангом). Выравнивание давлений в основных 4 и вспомогательных 5 отсеках измерительного 1 и контролируемых 2 сосудов производится с помощью клапана 11, а повышение давления в вспомогательных отсеках 5 сосудов 1 и 2 происходит при открытом клапане 12.

Для взаимосвязи систем, расположенных на разных горизонтах, к основанию одного контролируемого сосуда 2 верхней системы жестко (неподвижно) прикреплен один конец вертикального инварного стержня 13 необходимой длины l, а другой его заостренный конец помещается в основной отсек 4 контролируемого сосуда 2 нижней системы, который является датчиком уровня жидкости в нем.

Перед началом измерений открывается клапан 11 и в воздушных объемах основных и вспомогательных отсеках сосудов 1 и 2 устанавливается одинаковое давление воздуха (давление воздуха будет равняться атмосферному давлению). При одинаковом давлении воздуха в отсеках 4 и 5 сосудов 1 и 2 устанавливается гидростатическое равновесие жидкости (уровень жидкости во всех контролируемых сосудах и их отсеках на одном горизонте будет одинаковым).

Закрывается клапан 11, открывается клапан 12 и повышается давление воздуха во вспомогательных отсеках 5 измерительного 1 и контролируемых 2 сосудов. Уровни жидкости в них начнут опускаться, а в основных 4 - подниматься. Так как распределение давление в газах протекает с высокой скоростью, то практически можно считать, что в любой момент времени давление во вспомогательных отсеках 5 всех сосудов одинаково. При этом перетекания жидкости из одного сосуда в другой не наблюдается, так как в любом сечении трубопровода 10 жидкость уравновешивается одинаковыми давлениями с обеих сторон. В любой момент времени, во время движения жидкости между отсеками, ее уровень во всех основных отсеках 4 на одном горизонте будет одинаковым; также ее уровень во всех вспомогательных отсеках 5 на одном горизонте будет также одинаковым (при условии, что в сосудах одинаковая температура и однородная жидкость).

При увеличении давления воздуха P_в во вспомогательных отсеках 5 до тех пор, пока не произойдет контакт жидкости с датчиком уровня 7 в основном отсеке 4 какого-либо контролируемого сосуда 2 на верхнем или нижнем горизонтах. В момент контакта прекращается подача давления во вспомогательные отсеки 5 путем перекрывания клапана 12. Уровень жидкости в основных отсеках 4 сосудов верхнего горизонта займет положение О₁О₂, в дополнительных - положение С₁С₂ (на нижнем горизонте соответственно О'₁О'₂ и С'₁С'₂). В измерительном сосуде также положение уровня жидкости в основном отсеке 4 займет положение K₁K₂, в вспомогательном 5 - положение K'₁K'₂. Величина перепада Δh между уровнями жидкости в основных 4 и вспомогательных 5 отсеках измерительного сосуда 1 и всех контролируемых сосудов 2 будет одинаковой (при условии одинаковых площадей поперечных сечений измерительного и вспомогательного отсеков):

Δh_u=Δh₁=Δh₂=...=Δh_n=Δh'_u=Δh'₁=Δh'₂=...=Δh'_n.

Затем в измерительном сосуде 1 измеряется уровень жидкости H_i от исходной уровенной поверхности B₁B₂ (в качестве исходной уровенной поверхности может приниматься верх или низ измерительного сосуда 1).

При продолжении увеличения давления в дополнительных отсеках 5, предварительно открыв клапан 12, до момента касания уровня жидкости с датчиком уровня 7 в основном отсеке 4 другого контролируемого сосуда 2. В момент контакта снова прекращается подача давления во вспомогательные отсеки 5 путем перекрывания клапана 12. Уровень жидкости в основных отсеках 4 контролируемых сосудов 2 верхнего и нижнего горизонтов, а также измерительного сосуда 1 поднимется на величину δh, в вспомогательных 5 - опустится на такую же величину. Величина перепада Δh между уровнями жидкости в основных 4 и вспомогательных 5 отсеках измерительного сосуда 1 и всех контролируемых сосудов 2 также будет одинаковой. И, действуя аналогичным образом, снова измеряется уровень жидкости H_j в измерительном сосуде 1.

Действия повторяются до тех пор, пока не произойдет касание жидкости с датчиками уровня 7 в измерительных отсеках 4 всех контролируемых сосудов 2 верхнего и нижнего горизонтов с последующим измерением ее уровня.

Превышение h между двумя контролируемыми сосудами 2, расположенными на одном горизонте, например между i и j, определяется по формуле:

h_{i, j}=H_j-H_i.

Для взаимосвязи систем, расположенных на разных горизонтах, производится измерение уровня жидкости в измерительном сосуде 1, когда произошло касание жидкостью заостренного конца инварного стержня 13.

В процессе контроля за высотным положением наблюдаемых точек сравнивают показания счетчиков каждого последующего цикла измерений с исходным циклом. При изменении положения наблюдаемых точек измеренные значения H_i' в каком-нибудь цикле не будут совпадать с H₀ исходного цикла. Найдя разность показаний при исходном и очередном циклах, получим величины перемещений контролируемых точек, расположенных на разных горизонтах.

От гидростатического нивелира предлагаемый динамико-статический жидкостной нивелир отличается тем, что в процессе измерений жидкость в сосудах не остается неподвижной (перемещается между отсеками), а от гидродинамического нивелира отличается тем, что жидкость в трубопроводах остается неподвижной и измерение ее уровня производится при гидростатическом равновесии.

При использовании предлагаемого динамико-статического нивелира число сосудов в системе может быть любым, причем измерение превышений можно проводить путем дистанционного измерения перепадов уровней.

Конструкция динамико-статического жидкостного нивелира позволяет полностью автоматизировать процесс измерений превышений. В качестве заполняющей жидкости может использоваться любая электропроводная жидкость (вода, ртуть, тосол и т.д.).

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для высокоточного измерения превышений, а также постоянного контроля за высотным положением точек инженерных сооружений и технологического оборудования сочетанием методов гидродинамического и гидростатического нивелирования. Сущность: устройство содержит динамико-статические системы, установленные на заданных горизонтах с сообщающимися в них контролируемыми сосудами, а также один измерительный сосуд, установленный на неподвижной точке в системе, находящейся на нижнем горизонте. Один из контролируемых сосудов, установленных на нижнем горизонте, снабжен дополнительным сигнализатором уровня, другой конец которого закреплен неподвижно с основанием контролируемого сосуда системы, установленной на заданном верхнем горизонте. Сосуды заполнены жидкостью и разделены на два равных отсека: основной и вспомогательный, между которыми имеется сообщение только по жидкости через отверстие в донной части сосудов. В верхней части основных отсеков контролируемых сосудов расположены сигнализаторы уровня жидкости, установленные на одинаковом расстоянии от их оснований. Воздушные объемы вспомогательных отсеков измерительного и контролируемых сосудов соединены трубопроводами одинаковой длины и диаметра с блоком дополнительного давления. При этом выравнивание давлений в основных и вспомогательных отсеках, а также повышение давления во вспомогательных отсеках обоих сосудов осуществляется при помощи соответствующих клапанов. Технический результат: повышение точности измерений и упрощение конструкции. 1 ил.

Динамико-статический жидкостной нивелир, содержащий динамико-статические системы, установленные на заданных горизонтах с сообщающимися в них контролируемыми сосудами, а также один измерительный сосуд, установленный на неподвижной точке в системе, установленной на нижнем горизонте, при этом один из контролируемых сосудов, установленных на нижнем горизонте, снабжен дополнительным вертикальным инварным стержнем - сигнализатором уровня, другой конец которого закреплен неподвижно с основанием контролируемого сосуда системы, установленной на заданном верхнем горизонте, сосуды заполнены жидкостью и разделены на два равных отсека: основной и вспомогательный, между которыми имеется сообщение только по жидкости через отверстие в донной части сосудов, в верхней части основных отсеков контролируемых сосудов расположены сигнализаторы уровня жидкости, установленные на одинаковом расстоянии от их оснований, воздушные объемы вспомогательных отсеков измерительного и контролируемых сосудов соединены трубопроводами одинаковой длины и диаметра с блоком дополнительного давления, при этом выравнивание давлений в основных и вспомогательных отсеках, а также повышение давления в вспомогательных отсеках обоих сосудов осуществляется при помощи соответствующих клапанов.