Фотоэлектрический датчик давления жидкостного уровнемера Советский патент 1993 года по МПК G01F23/16 

t

Изобретение относится к приборостро- нию, в частности к средствам измерения уровня жидкости в резервуарах.

Известны составные метрштоки (МШС) цля .измерения уровня нефтепродуктов в ;тационарных и транспортных емкостях, содержащие два или более линейных из- иерительных звена в виде цилиндрических трубок с нанесенными на них метками. Недостатками данной конструкции являются низкая точность ввиду большой вероятности случайных погрешностей и субьективности снятия показаний, низкие функциональные возможности и неудобст- а в работе из-за относительно большой длины метрштока (3,5 ... 4,5 м). j Наиболее близким по технической сущ- йости к предлагаемому изобретению является применяемая для измерения уровня жидкости и отбора пробы из емкости рулетка с лотом, выбранная в качестве прототипа, Содержащая мерную рулетку в виде металлической ленты с нанесенными на ней метками и прикреплённый к ней лот в виде полого металлического цилиндра, внутри которого к днищу приварена трубка, нижний конец которой образует входное отверстие. Сверху цилиндр закрывается навертывающейся крышкой, на которой имеются втулка для крепления рулетки и штуцер для резинового шланга. Штуцер может быть закрыт пробкой с бечевкой.

Данное устройство работает следующим образом.

Рулетку подсоединяют к лоту, штуцер закрывают пробкой или зажимают резиновый шланг и опускают на дно емкости. По нанесенным на рулетке меткам судят о высоте налива (уровня) жидкости в емкости. Для взятия пробы жидкости разжимают резиновый шланг или выдергивают пробку, при этом жидкость через входное отверстие б днище заполняет полый цилиндр, после чего рулетку с лотом вынимают из емкости.

СО

с

VI ч

Сл ND N О

Недостатками данного устройства являются низкая точность из-за большой вероятности случайных погрешностей и субъективности снятия показаний и низкие функциональные возможности,

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый датчик; на фиг, 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Фотоэлектрический датчик жидкостного уровнемера содержит диск 1 приемника гидростатического давления, соединенный с нижним диском 2 гибкой обоймой 3 с возвратным механизмом из материала, непроницаемого для жидкости, при помощи стопорных колец 4, На нижнем диске 2 установлен источник 5 питания, электрически связанный с установленным в коническом отражателе 6 источником 7 света, оптически сопряженным с одним из концов пучкового оптоволоконного световода 8. Пучковый оптоволоконный световод 8 помещен в цилиндрическую пустотелую трубку 9, установленную с возможностью перемещения в направляющую втулку 10 и снабженную приемником 11 света и сквозными отверстиями 12. Приемник 11 света оптически сопряжен с вторым концом пучкового-опто - волоконного световода 8 и электрически связан со счетным устройством 13 (например, аналогоцифровым вольтметром), а между направляющей втулкой 10 и нижним диском 2 установлена возвратная пружина 14. Фотоэлектрический датчик жидкостного уровнемера установлен в телескопическую трубку 15, верхний конец которой снабжен рукояткой 16с устройством управления выдвижением в виде пластинчатой пружины 17, а в стенках звеньев телескопической трубки 15 с внешней стороны выполнены кольцевые пазы 18. На нижнем конце телескопической трубки 15 на пружинной подвеске 19 установлена полая емкость 20 с закрепленной разъемным соединением (например, резьбовым) крышкой 21, в которой выполнены сквозные отверстия 22.

Данное устройство работает следующим образом. , -: ....

В исходном состоянии телескопическая трубка 15 находится в сложенном состоянии и пластинчатая пружина 17 фиксирует ее за кольцевой паз 18 нижнего звена. Пружины 19 и 14 разжаты. При этом диск 1 прижат к нижнему концу телескопической трубки 15. Дпя;йзмерёния уровня жидкости в резервуаре нажатием на пластинчатую пружину 17 выводят ее из пазов 18, раздвигают телескопическую трубку 15 и опускают полую емкость 20 на дно резервуара. Жидкость, находящаяся в резервуаре, через отверстия 22 заполняет полую емкость 20, сила гидростатического давления (Р)столба жидкости воспринимается нижним диском 2 приемника гидростатического давления

,

0)

где FI - сила давления столба жидкости на диск 2;

S - площадь диска 2; р- Плотность жидкости;

g - ускорение свободного падения;

h - высота уровня жидкости; сила FI давления столба жидкости противодействует силе упругости пружины 14

Fynp k-xi,

где k - коэффициент упругости пружины 14;

XT - перемещение.

Уравнение равновесия системы можно записать (учитывая, что при измерениях сосуд открыт):

25

PaS (m 1 + ГП2 + тз + ГП4 + ms) х х g + k-xi + PaS,

(2)

где mi, ГП2, тз, гги, ms - масса соответственно диска 2, источника 5 питания, источника 7 света, трубки 9, волокна 8;

Ра - атмосферное давление. ; Обозначим сумму масс через 2 М, тогда (Pa+/3gh):S 2M-g + kx1 +PaS.(3) Отсюда

h

ЈМ g + kxi pg

(4)

Учитывая, что величины 2 М, g, k, S - постоянны и рассчитываются для конкретного диапазона измерений, можно сделать вывод, что величина h прямо пропорциональна перемещению Х2 диска 2, которое регистрируется волоконно-оптическим преобразователем проходящего типа с внешней амплитудной модуляцией интенсивности света. .

От источника 7 света, находящегося на нижнем диске 2 приемника гидростатического давления, на входной торец пучкового оптоволоконного световода 8 падает элементарный поток

55

d (/) da).

(5)

гдеOQ- сила излучения источника в направлении р 0;

f ((р) - диаграмма направленности;

d а) - элементарный телесный угол,

В пучковом оптоволоконном световоде общий поток разделяется на три компонента:

Ф Фи + Фп + Фи.

(6)

где Фп - полезный поток;

Фп - внеапертурный поток;

Фи - изоляционный поток. , Нерабочие компоненты Фв и Фи на вы- ходе разделяются на две части, выходящие че|)ез торцы световедущих жил Фвс и Фис и чеЬез торцы изоляции Фви и Фии:

Ф Фп + Фвс + Фои +Фис +Фии 1,

Элементарная площадь торца волокна на выходе будет в направлении у излучать поток

. .:-

; d Фп / (2 d2d в/ж R2) f (р) т (р) d a), (7)

| ° . .I

где 2i в - текущие полярные координаты

центра площадки;

R - радиус волокна; т (с/) - коэффициент светопропускания

воЛокна.

Поток, попадающий на приемник 11 света

приемник света 11, определяется

f((2.0.Zo./3) / JdQV(2.,zo.)X

-Л/2

(Ю)

хТ

,/fefo2.0.Zo)- й fa)-rs-4V rsln d l(2.0.zo)d#

Из данного выражения видно, что поток, попадающий на приемник света, зависит от расстояния z0 между ним и торцом пучкового оптоволоконного световода 8. При увеличении столба жидкости нижний диск 2 приемника гидростатического давления поднимается и расстояние z0 уменьшается, что приводит к увеличению интенсивности светового потока, попадающего на приемник 11 света, который, в свою очередь, вырабатывает сигнал Рвых, прямо пропорциональный высоте столба жидкости, поступающий на счетное устройство 13.. .

При измерении плотности жидкости устройство извлекается из резервуара и производится измерение по принципу взвешивания.

Плотность жидкости

Использование: в приборостроении, для определения ур овня жидкости в резервуарах. Сущность изобретения: приемник гидростатического давления выполнен в ви2 де первого и второго дисков, связанных между собой гибкой обоймой с возвратным механизмом. Источник света жестко соединен с источником питания, закрепленнТым на первом диске, при этом световод, выполненный в виде пучкового оптоволоконного световода проходящего типа с внешней амплитудной модуляцией интенсивности света, помещен во введенную цилиндрическую пустотелую трубку, которая установлена с возможностью перемещения Ё направляющую втулку, в которой закреплен фотоприемник. 2 ил.

, о г(2.Й2о.Уо.Дя)

.yo.A«).

(8)

(p.Zo.2.0.yo.tt) х.т (р) r(y)(r/,zo.2.ftyo.a) d

где (p,fi координаты направления распространения элементарного потока d Ф , излучаемого площадкой световода;

Уо - смещение центра волокна относительно приемника света, уо 0;

а - угол наклона торца волокна к плотности приемника света, Д 0;

Т (р - полное светопропускание волокна, равное:

т(0 R sin

Vfr

(у) ССБр dtp, (9) 50

-угол, при котором сохраняется полное внутреннее отражение в оптоволоконном световоде.

Для пучкового оптоволоконного световода Т умножается на коэффициент rs заполнения торца пучка торцами отдельных волокон. Таким образом поток, попадающий на

30

V

(11)

где m - масса жидкости в объеме v, который определяется объемом полой емкости 20. 35Масса жидкости определяется при уравновешивании веса жидкости и силы упругости пружинной подвески 19

40

mg Fynp2 К2хз

(12)

5

0

5

где кг - коэффициент упругости пружинной подвески 19;

хз - перемещение пружинной подвески 5, равное перемещению полой емкости 20...,... Отсюда:

, (13)

Таким образом, масса жидкости определяется перемещением хз полой емкости 20, при этом перемещается также и диск 1 приемника гидростатического давления, вместе с которым перемещается и нижний диск 2,

Расстояние 20 между торцом пучкового оптоволоконного световода 8 и приемника 11 света увеличивается, соответственно уменьшается интенсивность светового потока, попадающего на приемник 11 света, что регистрируется счетным устройством 13.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Фотоэлектрический датчик давления жидкостного уровнемера, содержащий световод, оптически сопряженные с ним источник света с источником питания и фотоприемник, приемник гидростатического давления, о т л и ч а ю.щи и с я тем, что, С целью повышения точности, приемник гидростатического давления выполнен в ви- дб первого и второго дисков, связанных между собой гибкой обоймой с возвратным

V

16 V

П

ХХХХХХ 2 .

ssggn A

9иг.1

Редактор Т. Федотов

Составитель В. Кабанов Техред М.Моргентал

механизмом, световод выполнен в виде пучкового оптоволоконного световода проходящего типа с внешней амплитудной модуляцией интенсивности света, источник света жестко соединен с источником питания, закрепленным на первом диске, при этом световод помещен во введенную ци- линдрич ескую пустотелую трубку, установленную с возможностью перемещения в направляющую втулку, в которой закреплен фотоприемник..

П

Корректор с.Шекмар