Гидростатический датчик уровня жидкости Советский патент 1993 года по МПК G01F23/18 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к уровнемерам жидкости, и может найти применение в системах контроля и учета жидкого химического сырья и продуктов в различных отраслях промышленности.

Известен гидростатический датчик уровня жидкости, содержащий чувствительный элемент в виде сильфона, передаточный механизм, поплавковый компенсатор плотности жидкости и регистратор перемещений. Принцип действия этого датчика уровня заключается в преобразовании давления гидростатического столба измеряемой жидкости, действующего на сильфом, и в преобразовании перемещения подвижного дна сильфона в выходной сигнал. Поплавковый компенсатор плотности жидкости обеспечивает компенсацию температурного изменения плотности контролируемой жидкости.. . .

Недостатками этого известного датчика уровня является значительная сложность конструкции и низкая точность измерений, обусловленная зависимостью деформации измерительного сильфона 6т изменения давления контролируемой жОДкЬстй и несовершенством компенсации от изменения плотности контролируемой жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гидростатический датчик уровня жидкости, содержащий корпус, измерительный чувствительный элемент - сильфом, емкостный преобразователь перемещений, соединенный с подвижным дном измерительного сильфона и; поплавковый компенсатор плотности жидкости - неметаллический поплавок, соединенный разделительными сильфонами с корпусом датчика уровня.

Недостатками этого гидростатического датчика уровня жидкости являются значительные погрешности от изменения давления контролируемой среды (т.е; давление измеряемого столба жидкости и статического давления газа над слоем жидкости воздействуют только на внешнюю поверхность измерительного сильфона) и от изменения плотности контролируемой жидкости при изменении ее температуры (вследствие неравенства коэффициентов объемного расширения контролируемой жидкости и неметаллического компенсационного поплавка). Кроме того, существенным недостатком этого уровнемера является затрудненный переход на измерение уровня новой жидкости (с новым значением плотности), т.е. в этом случае необходима замена компенсационного поплавка на поплавок с новым объемом (большим или

меньшим прежнего объема). Указанные недостатки обусловливают низкую точность измерений известного уровнемера.

Целью изобретения является повышениеточности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в гидростатическом датчике уровня жидкости, содержащем корпус с разделительными сильфонами, упругий чувствительный

0 элемент, преобразователь перемещений, механически соединенный с упругим чувствительным элементом и электрически соеди- . ненный с блоком формирования выходного сигнала и компенсатор плотности жидкости,

5 корпус выполнен в виде герметичной оболочки, содержащей две вертикальные трубы, чувствительный элемент выполнен в виде мембраны, неподвижный бурт которой соединен с наружной стенкой оболочки кор0 пуса, а подвижный жесткий центр мембраны соединен с внутренней стенкой оболочки корпуса посредством разделительных силь- фонов, причем полость герметичной оболочки заполнена компенсационной жидкостью.

5 На чертеже представлена схема конструкции гидростатического датчика уровня жидкости,

Датчик уровня содержит корпус, состоящий из наружной 1 и внутренней 2 герме0 тизированных концентричных оболочек, в-- состав которых входят вертикальные трубы 3 и 4 соответственно. Внутренняя оболочка корпуса 2 содержит разделительные силь- фоны 5 и 6. Подвижные торцы этих сильфо5 нов 5 и 6 соединены с жестким центром 7 . измерительной мембраны 0, наружный неподвижный бурт которой закреплен на наружной оболочке корпуса 1. Неподвижный торец сильфона 6 герметизирован дном 9, а

0 нижняя часть наружной оболочки 1 (ниже измерительной мембраны 8) содержит отверстия 10 для прохода контролируемой жидкости 11. Внутри внутренней оболочки 2 размещен дифференциальный индуктив5 ный преобразователь напряжения, содержащий магнитопроводы 12 и 13, катушки 14 и 15 и якорь 16. Якорь 16 соединен с жест- ким центром 7 измерительной мембраны 8 штоком 17, который закреплен также на уп0 ругих направляющих 18 и 19, закрепленных на оболочке 2. Полость между оболочками 1 и 2 заполнена компенсационной жидкостью 20, в качестве которой использована сама контролируемая жидкость 11. Высота стол5 ба компенсационной жидкости.20 выбрана таким образом, что при нормальной температуре (+20°С) она равна верхнему пределу измерений, что является базовым столбом жидкости Не датчика уровня. Базовый столб компенсационной жидкости 20 отделен от

I - нэджидкостного пространства в корпусе

2;1 емкости с контролируемой жидкостью эластичной манжетной мембраной 22, закрепленной на трубах 3 и 4. Индукционный преобразователь перемещений проводами 2 соединен с блоком формирования выходного сигнала 24,закрепленным фланцем 25

j корпусе емкости 21.

Гидростатический датчик уровня жидкости работает следующим образом.

По мере изменения уровня контроли/емой жидкости изменяется разность усилий, действующих на измерительную мембрану со стороны базового столба жидкости Нб в компенсационной полости и измеряемого столба жидкости Ни. Эта разность усилий вызовет перемещение жесткого центра 7 измерительной мембраны 8. Это перемещение мембраны 8 передается штоку 17 и якорю 16. Перемещение якоря 16 относительно торцов магнитопроводов 12 и 13 изменяет выходное напряжение на катушках 14 и 15. Это выходное напряжение преобразуется блоком формирования выходного сигнала 24 в стандартный выход- нфй сигнал датчика уровня, например в токовый сигнал 0-20 мА. Таким образом, перемещение жесткого центра измери- те|льной мембраны (а следовательно, и перемещение якоря индукционного преоб- рэ зователя напряжения) является мерой уровня жидкости.

I Равновесие измерительной системы датчика уровня выражается зависимостью

/Об Нб (SM - Si) g /Эи Ни (SM - 82) g + + Af, (ZM+Z1 +Z2). (1)

где Нб - высота базового столба жидкости; I . Ни высота измеряемого столба жидко- CTli; ..

I

/Об - плотность компенсационной жидкости;

РИ - плотность контролируемой жидкости; V .

g - ускорение силы тяжести;

1 Дм - перемещение жесткого центра из- мёрительно й мембраны;

5м эффективная площадь измерительной мембраны;

Si и S2 - эффективные площади разделительных сильфонов;

ZM - жесткость измерительной мембраны;

1 Zi и 22 - жесткости разделительных сильфонов..

При равенстве плотностей компенсационной и измеряемой жидкости (т.к. компенсационная полость заполнена самой контролируемой жидкостью)

(2)

Разделительные сильфоны 5 и 6 выбраны с одинаковой эффективной площадью. Тогда

10

Si 82 Sc .

(3)

Подставив (2) и (3) и выражение (1) и заменив перемещение мембраны Ям на равное ему перемещение якоря Яя, после пре- 15 образований получим

, р (SM - sc) (Кз - Ни)

Яя ZM+2-Sc

(4)

Формула (4) является основной аналитической зависимостью гидростатического датчика уровня жидкости, из которой видно, что для конкретной конструкций датчика, для которой эффективные площади и

жесткости мембраны и сильфонов известны, при известной плотности контролируемой жидкости, перемещение якоря, а. следовательно и выходной сигнал датчика прямо пропорциональны значению измеря- .

емого уровня жидкости Ни, т.к. высота базового столба жидкости Нб постоянна (вернее, постоянно гидростатическое давление базового столба жидкости). . Высокую точность измерения обеспечивают следующие технические решения, реализованные в предлагаемом датчике уровня:

1. Наличие базового столба компенсационной жидкости обеспечивает измерение уровня контролируемой жидкости относительно постоянной точки отсчета (постоянного нуля) при любых значениях температуры контролируемой жидкости и окружающего воздуха, т.к. гидростатическое давление базового столба жидкости всегда постоянно.

2. Заполнение компенсационной полости самой контролируемой жидкостью обеспечивает высокоточную температурную компенсацию датчика уровня в широком диапазоне температур, т. к, плотность жидкости в контролируемой емкости и в компенсационной полости при изменении температуры изменяются по одинаковому

закону.

3. Разделение базового столба жидкости и наджидкостного пространства в емкости с контролируемой жидкостью эластичным разделителем обеспечивает независимость измерений от статического давления контролируемой жидкости, т.к. и на компенсационную, и на измеряемую жидкости всегда воздействует одинаковое стат и ческое давление среды.

4. Эластичный же разделитель исключает испарение компенсационной жидкости, а следовательно обеспечивает и постоянство давления ее столба.

Таким образом, введение жидкостной компенсации плотности контролируемой жидкости вместо поплавковой (как это име0

ло место в известных уровнемерах) обеспечивает значительную более высокую точность измерений (не менее чем в 2 раза), а также улучшает эксплуатационные характеристики предлагаемого датчика уровня жидкости, т.к. при переходе на измерение уровня новой контролируемой жидкости достаточно слить из компенсационной полости старую контролируемую жидкость и заменить ее новой (в уровнемере-прототипе для этого пришлось бы заменить компенсационный поплавок).

Формула изобретения

Гидростатический датчик уровня жидкости,.содержащий корпусе разделительными сильфонами, упругий чувствительный элемент, преобразователь перемещений, механически соединенный с упругим чувствительным элементом и электрически - с блоком формирования выходного сигнала, и компенсатор плотности жидкости, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью

повышения точности, корпус выполнен в виде герметичной оболочки, содержащей две вертикальные трубы, чувствительный элемент выполнен в виде мембраны, неподвижный бурт которой соединен с наружной стенкой оболочки корпуса, а подвижный жёсткий центр мембраны соединен с внутренней стенкой оболочки корпуса посредством разделительных сильфонов, причем полость герметичной оболочки заполнена компенсационной жидкостью.