Гидростатический нивелир Советский патент 1983 года по МПК G01C5/04 

9 7 ш. 1 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика в автоматических системах, п частности в системах сбора Т1нфорг-1ации об отклонениях от заданного уровня контрольных точек строящегося судна и в системах выравнивания судна на стапеле Известны гидростатические нивелиры, построенные с исгюльзованием при ципа. выравнивания уровней жидкостей в сообщающихся сосудах, измерения уровня жидкости в сообщаюшихся сососудах f 1 . Для известных устройств характерна метод 1ческая погреганость, связанная с изменением установившегося уро ня жидкости в сосудах нри перемещении одного из них. Действительно, пусть высота одного из контрольных сосудов увеличилась на величину Л П. Жидкость из сосуда-начнет вытекать. Она опустится до уровня сосудов два и они одинакового сечения. Это значение уровня и зафиксирует устройство. Если чvICЛo сосудов Гявно fl5 то погрешность равна , причем в каждом сосуде прояв ляется влияние перемещения остальных Касаясь расположения чувствительных элементов, необходимо отметить, что требования существующей технологии, например, в судостроении, обусловливают необходимость установки этих элементов на различной высоте ниже контролируемых точек судна. Известпые устройства не позволяют это с делать. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и результату является Гидростатический нивелир, содержащий заполненные жидкостью сообщанжшеся сосуды, отделенные от атмосферы безреактивными мемб ранами, измеритель уровня жидкости и регистрирующее устройство .2 . Недостатком указанного устройства является низкая точность, связанная с влиявшем мениска и колебаний поверхности жидкости, а также с необходимостью установки измерителя уровня только в верхней части устройства. Цель изобретения - повышение точности измерений при определении отклонений от заданного положения контрольных Точек судна при его п остройке. 712 Укпчаннпя цель достигается тем, что гидростатический нивелир, содержавши плполненные жидкостью сообпаюнгиеся сосуды, отделенные от атмосферы безреактивными мембранами, и измеритель уровня жидкости, подключенный к регистрирующему устройству, снабжен устройством для стабилизации уровня жидкости и двумя полностью заполненны1-1и жидкостью емкостями, входы которых отделены от выходов мембранами с ограничительными сетками, причем емкости соединены между собой измерителем уровня жидкости, а устройство для стабилизации уровня жидкости соединено с сосудом, служащим базовым и подключенным к первым входам устанозленньсх за ним емкостей, вторые ВХОД которых связаны с другими сосудами, сообщающимися трубками, состоящими из жестких и гибких чередупишхся между собой звеньев. Повыщение чувствительности гидростатического нивелира достигается за счет использования в устройстве компенсационного принципа сравнения давлений столбов жидкости, которые соответствуют уровням жидкости в сообщающихся сосудах. Сравнение производится в мерной трубке, где пузырек газа перемещается под давлением разности давлений. Чувствительность устройства Д выражается соотиопшнием Л тр где fj.,, S - соответственно площади поперечных сечений сообщающегося сосуда и мерной трубки; ДР - разностт давлений столбов жидкости; F лы трения яидкости о стенки сосудов. Величина А может быть 1, что является основной предпосылкой для создания гидростатического нивелира высокой точности. На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 и 3 - схематичное изображение гибкого соединительного звена, используемое для анализа и расчетов точности. На фиг, 1 сосуд 1, являющийся базовым, связан с устройством 2 стабилизации заданного уровня жидкости заполняющей этот сосуд, и через емкости 3, выходы которых соединены мерной трубкой А измерителя уровня шщкости, подключен к дpyги ; сосудам 5. Трубка А может быть ичготов31лена и:: прозрачного материала и снаб жена для регулировки устройства доленияьт. Жидкость в трубке разделена пузырьком газа, положение которого фиксируется perTicTpupyi uiMM устройством f, а Бходы емкостей 3 отде,лены от выходов последовательно устанор.ленными ограничителем хода (сет кой ) 7 и безреактивной мембраной 8, расстояние между которыми определяется требуемым перемещением пузырьк по трубке. Допускается изменение рас положения ограничителей 7 по отношению к мембранам 8 при соблюдении зеркальной симметрии их положения относительно пузырька газа. Сосуды отделены от атмосферы безреактивными мембранами 9, и соединительные трубки с жидкостью состоят из жестких 10 и гибких 11 чередугалихся меж ду собой звеньев. )Чидкость в сосудах свободно перемер;ается от поверх ности сосуда дс мембраны 8 емкости ,3, также свободно перемешается по мерной трубке жидкость и в простран стве, заключенном между мембранами Устройство работает следующим об разом. При равенстве давлений столбов жидкости на иузырек газа он находит ся в положении, соответствую1,им нолевому отклонению контролируемого уровня жидкости в сосуде 5 от уровн задаваемого жидкостью сосуда 1. Это положение фиксируется регистрирующим устройством6,измерительная част которого может быть выполнена, например, в виде линейки фотодиодов, расположенных вдоль мерной трубки 4 и набора осветительных элементов, расположенных с другой стороны труб ки. Устройство 6 с помощью несложных арифметических операций определяет положение середины пузырька и сравнивает его с допустимыми гра.пидами области, соответствующей, равенству уровней жидкости Б сосудах При подъеме сосуда 5 выше требуе мого положения увеличивается высота столба жидкости и давление, последнего уже не будет уравновешено давлением столба сосуда 1. )(идкость из сосуда 5 начнет вытекать. Свобод но перемещаясь по соединительным звеньям 10 и 11 и через ограничител 7 ( который может .быть выполнен в ви де сетки), она передает давление на мембрану 8, а та, в свою очередь, на жидкость в трубке 4. В результат 14 этог.о пузырек газа будет перемещать-, ся вправо Либо до момента выравнивания уровня в сосудах 1 и 5, либо, е;сли отклонение уровней велико, до упора мембраны 8 к ограничитель хода /, Перемещени пузырька будет зафиксировано устройством 6. Из противоположного конца трубки 4 жидкость: будет вытекать, перемещая мембрану 8 соответствующей e кocти 3 и увеличивая уровень в сосуде 1. Это увеличение компенсируется устройством 2, в результате чего уровень в сосуде 1 остается постоянным. Тем самым предотнращается и изменение уровней жидкости в других сосудах 5. Выравнивание давления до атмосферного при опускании жидкости в сосуде 5 обеспечивается безреактивной мембраной 9. При опускании сосуда 5 гидростатический нивелир работает аналогично рассмотренному вьш)е. Для определения преимуществ устройства перечислим факторы влиянщие на точность, и затем оценим их при сопоставлении с известным устройством. Такими факторами.являются: изменение уровней и плотности жидкости под воздействием температуры, жесткость мембраны 8, колебания поверхности жидкости, точность уст. ройств 2 и 6, изменение высоты столбов жидкости при изгибах соединительных трубок. Благодаря использованию принципа сравнения давлений в мерной трубке 4 исключается влияние на точность изменения уровней и плотностей жидкости при одинаковом нагреве составных частей устройства. Оценивая влияние жесткости мембран 8, необходимо заметить, что использование компенсашюнного принципа сравнения давлений при достаточно большой высоте столбов практически полностью исключает воздействие мембран на точность устройства. Касаясь влияния колебаний поверхнос- . ти жидкости, следует отметить, что при использовании устройства на его показания влияет усредненный уровень колеблющейся поверхности жидкости (а не гребень волны, как в прототипе), в результате чего точность повышается. Благодаря использованию в мерной трубке 4 гидро§ силения перемещения пузырька требования к точности устройства 6 снижаются на 1-2 порядка сравнению с используемым в прототипе, а применение при этом дискретного способа съема информации по вышает надежность нивелира. Требова ния к точности устройства 2 могут быть снижены при увеличении площади поверхности жидкости в сосуде 1. Эт сосуд (базовый ) является эталонным и может быть установлен в любом мес те, поэтому такое мероприятие в пр Изводственных условиях легко осуществимо. Оценим изменение высоты столбов жидкости в сообщающихся сосудах при изгибе соединительных трубок. Рассмотрим изгиб соединительного звена показанного на Лиг. 2 и 3. В этом Звене жесткие обручи соединены жест кими связующими элементами, вследствие чего становится возможным п едотвращение уменьшения сечения к нала, пропускающего жидкость. Изменение объема жидкости в звене меж ду двумя обручами равно V S ( Ир, где S - площадь поперечного сечения канала;h - максимальная высота столба жидкости; 2 высота столба при наклоне стенок. Используя это выражение, находим изменение объема жидкости в соединительной трубке, состоящей из жестких и гибких звень ев V « $( 2 f 1 наиболь шая длина трубки; 2. Расстояние между крайними точками трубки при е изгибе; iS -площадь поперечного сече кия гибкого звена. Тогда изменение уровня жидкос;,ти в сосуде 5 равно c f (.), плоршдь поверхности жидкос ти в сосуде 5. Вычисление изменения уровня жидкости для обычных гибких трубчатых соединительных звеньев можно производить с достаточно высокой точност по той же формуле. Нз последнего выражения следует, что протяженность гибких соединител ных звеньев не влияет на изменение уровня жидкости при изгибах соедини тельных трубак. Путь к уменьшению погрешности лежит в сокращении площади поперечного сечения канала в гибких звеньях. Но при уменьшении диаметра канала до нескольких миллиметров существенную погрешность начинают вносить такие факторы, как смачиваемость стенок и силы поверх16ностного ллтяжспия. Выход из положения состоит в использовании чередую,щихся жесткмх звеньев с диаметром достаточным для исключения влияния сил поверхностного натяжения и гибких коротких звеньев малого -диаметра. Последнее приводит к тому, что силы, удерживаюгд1е столб жидкости на стенках, будут сутцественно меньше гидростатических сил. Нз вьпиеуказанного следует, что изменение уровня жидкости в сосуде 5 при изгибе соединительных трубок можно оценить и при необходимости компенсировать. Устанавливая ограничители изгиба, можно зафиксировать верхнюю границу изменения уровня жидкости, Пути компенсации указанной погрешности лежат в увеличении площади поперечного сечения верхней части сосудов с возможной установкой вертикальных сообщающихся перегородок - успокоителей жидкости. Устройство, кроме более высокой точности, обладает ирядом других дополнительных достоинств. Отсутствие движущихся механических деталей приводит к повышению надежности устройства. Благодаря использованию соединений емкостей 3 с сообщающимися сосудами 1 и 5 и трубкой 4, расположению сеток 7 и мембран 8 становится возможным размещение блоков 3 и 4 в любой части устройства. В частности, при использовании в судостроении целесообразно устанавливать мерную трубку 4 и блок 6 внизу на стапеле, чем существенно облегчается обслуживание устройства. При использовании яшдкостей с различными плотностями становится возможным контроль положения точек, находящихся на разных уровнях, а также уменьшение длины магистрали от сосуда 1. Таким образом, область применения устройства можно знаштельно расширить. Конструктивно базовое устройство пр едставляет собой сообщающиеся сосут ды соединенные гибкими щлангами. Один .из сосудов принят в качестве базового. Поверхность жидкости этого осуда згщает плоскость, с которой олжны совпадать контрольные точки локов строящегося судна. На поверхности жидкости сосудов, установленых в контрольных точках, находятся поплавки, соединенные штоком с индуктивными датчиками перемещений. Пространство над поверхностью жидкости отделено от атмосферы гибкими безреактивными мембранами. Электронная усилительная часть нивелира конструктивно совмещена с индуктивным датчиком перемещений и связана с системами регистрации и управления, которые находятся на стапеле.

Базовый объект обладает следующими характеристиками. Точность измерения отклонений контрольной точки судна от заданной плоскости tA мм Диапазон измерения отклонений ±20 им Среднее время между ремонтами и настройкой нивелира 200 ч.

Предлагаемое устройство конструктивно представляет собой сообщающиеся сосуды, один из которых является базовым, а другие - контрольными. Базовый сосуд имеет форму цилиндра с диаметром поверхности жидкости 1000 мм и связан с устройством стабилизации его уровня. В состав.устройства стабилизации входят датчик отклонения уровня от нормы и устройство управления клапанами слива и наполнения базового сосуда. Датчик отклонения уровня также предсталяет собой нивелир, одно из колен которого заполнено ртутью и отделе- но от атмосферы мембраной, а второе .установлено под поверхностью жидкости. Контрольный сосуд имеет форму цилиндра с диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Базовый и контрольиые сосуды соединены с емкостями, в которых установлены мембраны и ограничители их хода, жесткими и гибкими соединительными звеньями. Диаметры проходных отверстий у них соответственно равны 20 и 4 мм, а соотношение между длинами - 200:1. Емкости с установленными в них решетками - ограничителями хода - и мембранами, соединяющая их мерная трубка и регистрирующее устройство конструктивно выполнены в одном модуле. Регистрирующее устройство включает в себя линейку фотодиодов, расположенную вдоль мерной трубки, осветительные элементы, находящиеся с противоположной стороны трубки и логическое устройство. П 1следнее

вычисляет положение середины пузьфька и преобразует эту информацию в код, передаваемый в электронно-вычислительную маиину (ЭВМ/. Описанные

модули установлены на нижней части стапеля непосредственно под точками закрепления контрольных сосудов, чем обеспечивается незначительный изгиб соединительных магистралей.

В устройстве использован компенсационный принцип сравнения давления столбов жидкости, который реализуется с помощью мембран, ограничителей их хода, мерной трубки и регистрирующего устройства. Предотвращение влияния атмосферного давления изменения высоты столбов жидкости при изгибах соединительных магистралей обеспечивается соответственно

установкой мембран, отделяющих жидкость от атмосферы и выполнением соединительных магистралей в виде жестких и гибких соединительных звеньев. Исключение взаимного влияния.сосудов

удалось достичь увеличением площади поверхности базового сосуда и установкой устройства стабилиз;аций его уровня. Благодаря применению указанных мероприятий достигнута точность измерения отклонения от заданного уровня /«1 мм, т.е. точность увеличена в Д-5 раз по сравнению с.базовым объектом. При этом диапазон измерения отклонений от заданного уровня остался таким же, как и в базовом устройстве.

Благодаря использованию дискретного способа съема информации и отсутствию сложных механических конструкций удалось достичь расчетного

времени наработки на отказ л/1200 ч, т.е. увеличить в 5-6 раз по сравнению с базовым объектом. .

Уменьшение веса контрольных сосудов, непосредственно устанавливаемьгх

на корпусе судна, позволяет увеличить в 1,5 раза количество используемых датчиков, а размещение измерительных устройств на нижней части стапеля упрощает их обслуживание,

Отмеченные положительные характеристики нивелира влияют в основном ; на качество построенных судов.

gjtts.Z

ПЩРОСТАТИЧЕСКИЙ НИВЕЛИР, содержащий заполненные жидкостью сообщающиеся сосуды, отделенные от атмосферы безреактивными мембранами и измеритель уровня жидкости, подключенньй к регистрирукяцему устройству, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений, снабжен устройством стабилизации уровня жидкости и двумя полностью заполненными жидкостью емкостями, входы которых отделены от выходов мембранами с ограничительными сетками, причем емкости соединены между собой измерителем уровня жидкости, а устройство для стабилизации уровня жидкости соединено с сосудом, служащим базовым и подключенным к первым входам установленных за i ним емкостей, вторые входы которь1х. связаны с другими сосудами, сообщаю (Л щимися трубками, состояощми из жестких и гибких, чередующихся между соCL бой звеньев..

- дзаи.д