Датчик уровня жидкости Советский патент 1980 года по МПК G01F23/26 

(54) ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к измерительным устройствам (датчикам) рассогласования систем автоматического регулирования количества жидкости в сосуде в зависимости от ее температуры. В связи с температурным расширением жидкости объем (уровень) заправ ки сосуда зависит от температуры заправляемой жидкости. Во всех случаях в сосуде необходимо оставить свободный объем, необходимый для темnepfiTypHoro расширения жидкости при эксплуатации. Это касается как случая максимального наполнения сосуда/ так и дозированной заправки, когда в сосуд должна быть заправлена определённая масса жидкости - т.е. при назначении уровня заправки должна быть учтена плотность жидкости, являющаяс функцией температуры. Средства взвешивания жидкости в сосуде получили в технике ограниченное применение из-за неудобств (или невозможности на некоторых объектах) их монтажа и эксплуатации,а также не достаточно высокой точности,Универсальным средством дозирования объема (уровня) жидкости являются уровнемер Однако они не вносят поправку на плотность или температуру жидкости т.е. не могут определить массу жидкости или учесть ее температурное расширение. В связи с этим дополнительно используется отдельная аппаратура для измерения температуры жидкости и счетно-решающее устройство, которое назначает и контролирует уровень заправки по уровнемеру в зависимости от изйеренной температуры. Вместо температуры жидкости может измеряться и учитываться плотность жидкости, однако Шютномеры менее совершенны. С повышенной температуры жидкости на () ее плотность уменьшается на определенную для контролируемой жидкости величину, лежащую обычно в пределах 0,10-0,15%, при этом соответственно увеличивается объем заправленной в сосуд жидкости, например 10-метровый столб жидкости в цилиндрическом сосуде пошлшается на 10-15 мм. Показания измерительного устройства систеки регулирования уровня должны изменяться соответствующий образом, чтобы исполнительные систем: отрабатывали (обеспечивали) необходимый уровень. Известны измерительные устройства системы регулирования уровня я идкости в зависимости от температуры, наприер измерительное устройство системы аправки горючим 1-ой ступени ракеты CaTypH-rlB, ОНА 1.. Температура гоючего измеряется установленными в баах ракеты термопарами и вторичной аппаратурой, а уровень горючего опре- . еляется по измеряе1чому давлению за- правленногЬ в бак столба жидкости и ругим параметрам. Результаты измерений температуры и уровня с выходов соответствующей вторичной аппаратуры подаются -в счетно-решающее устройст- 10 во, которое управляет заправкой горючего по заданному соотнсииению между температурой и уровнем.

Следует отметить, что типы применяемых датчиков температуры и уровня |5 жидкости могут быть разнообразными, так как методы измерения этих физических величин многочисленны.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является индуктив-2А ный ангшоговый уровнемер 2. Он содержит коаксигшьно распол(хкеиные основную обмотку возбуждения и осиовную измерительную обмотку со ступенчато изменяющимся числом витков, подсоединенную к пороговому элементу. Обмотки размещены в защитной трубе, снабженной упорами, между которыми расположен поплавок. , Индуктивный аналоговый уровнемер весьма прост по сравнению с другими 30 аналоговыми уровнемерами: манометрическими, емкостными, ультразвуковыми, радиоизотопными и другими, которые являются сложными электронными устройствами 35

. Однако ои, как и остальные известные .уровнемеры, не учитывает температурное расширение жидкости или- ее плотнос1 ь.

Целью изобретения является снабже- 40 нне индуктивного ангшогового уровнемера узлом термокомпенсации, учитывающим температуру контролируемой жидкости в сосуде и вырабатывающим сигнал рассогласования при несоот- . ветствии уровня жидкости температуре по заданной зависимости. Это позволяет заправлять по показаниям измерительного устройства одну и ту же массу .жидкости независимо от ее температуры при несложной аппаратуре.

Sh:a цель достигается тем, что в Датчйке уровнемера нгисодятся коаксиально расположенные под одним иэ упоров дополнительная обмотка возбудде- «5 ния, последовательно подсоединенная к основной обмотке возбуждения, я ЯВ9 встречно соединенные дополннтельнке измерительные обмотки, последовательно подсоединенные к основной измерительной обмотке, в областн одной яэ О дополнительных измерительных обмоток коаксиально закреплен на заветной трубе металлический цилиндр.

На чертеже схематически показан предложенный уровнемер.65

В вертикальной защитной трубе 1 измерительного устройства, установленного в контролируемом сосудеi расположены равномерно намотанная основная обмотка возбуждения 2 и ступенчато намотанная измерительная обмотка 3, которые перекрывают диапазон регулирования уровня жидкости по высоте сосуда, а ниже этого диапазона - дополнительная обмотка возбуждения 4 и дополнительные измерительные обмотки 5 и ,6 «Последовательно соединенные обмотки 2 и 4 образуют обмотку возбуждения, подсоединенную к источнику переменного тока 7. Последовательно соединенные обмотки 3, 5 и б образуют измерительную (выходную) обмотку, которая подсоединена к пороговому элементу 8, управляющему исполнительным устройством подачи жидкостн в контролируемый сосуд (на чертеже не показан) .,

Снаружи зсццитной трубы 1, охватыва ее, расположены поплавок 9, перемещаемый контролируемой жидкостью вдоль диапазона регулирования уровня жидкости от нижнего упора 10 до верхнего упора 11 и металлический цилиндр 12, закрепленшхй ннже диапазона регулирования уровня жидкости напротив обмотки б.

Поплавок 9 содержит цилиндрический электромагнитный экран 13, выполненный нз металла с высокой электрическо проводимостью (экран с вихретоковым действием) либо из ферромагнитного материала (экран ферромагнитного тиjfna). Экран 13 индуктивно взаимодействует с обмотками 2 и 3: в нем наводятся токи от обмотки возбуждения 2, KOTOpi: e индуктируют в измерительной обмотке ЭДС, указываю1 1ую на положение поплавка 9 в диапазоне регулирования уровня жидкости. Намоточные данные обмоткн 3 изменяются ступенчато вдоль диапазона перемещения поплавка 9 через ннтервгиш, равные высоте экрана 13. Это обеспечивает плавное изменение ЭДС г наводимой экраном 13 в обмотке 3, в диапазоне перемещения поплавка 9. Чем меньше число витков я ступени измерительной об 1ртхи 3, тем меньшая,ЭДС наводится 74и;кей экраном 13.

Металлический цилиндр 12 выполнен яз металла, химически стойкого к контроляруемой жидкостн и имеющего большой температурный коэффициент электряческого сопротивления (алюминиевые Ьпяавы АД1И, АМгЗ и г.п.). Он термическя яэолярован от трубы 1 диэлектрическим , например фторопластовыми прокМадк ц ю 14. Цилнндр 12 индуктивяо взаимодействует с обмотками 4 и б; в ием. наводятся вихревой ток от Обмотки возбуждения 4, который в зависимости Ьт сопротивления и, следоватеяьио/ от температуры цилиндра 12 индуктирует в о котке 6 ЭДС, указывающуго на те1.тературу цилиндра 12. При погружении цилиндра 12 в | оитролируемую жидкость он принимает ее температуру. Чем выше температура жи кости, тем меньший вихревой ток прот кает в цилиндре 12 и меньшая ЭДС наводится этим током в обмотке б. В обмотках 3, 5 и б наводятся ЭДС ЕТ,ЕЭ,Е( токами, протекающими в цилиндре 12 {ЭДС ), экране (ЭДСс ) и обмотке возбуждения 2,4 (. Намоточные данные, выходной обмотки (3, 5, 6) связаны между собой следую условием: при подъеме поплавка 9 на ВЫСОТУ)определяемую заранее извес ной (заданной или расчетной) зависимостью уровня в сосуде от температуры контролируемой жидкости, суммарна ЭДС в обмотке 3, 5, б должна достиг нуть напряжения переключения (срабатывания) , при котором пороговый элемент 8 выдаёт сигнал на прекращение заправки сосуда. Достижение этого условия обеспечивается при определенном (согласном или встречном) включении одной обмотки (3, 5, б) относительно другой, которое зависи также от типа экрана 13. На чертеже показано измерительное устройство с вихретоковым экраном 13 В этом случае фаза наводимой в обмотке бцилиндром 12 и фаза ЭДС Eg наводимой в обмотке 3 экраном 13, почти совпадают. Повышение температу ры жидкости вызывает уменьшение ЭДС Е . При встречном включении обмоток б и 3 (E-J иЕ действуют встречно) и уменьшении числа витков и диаметра обмотки 3 к верхней, части сосуда это уменьшениеЭДС ЕТ будет скомпенсиров но при подъеме поплавка 9 на большую высоту ( этом также уменьшится) т.е. уровень жидкости будет отрегули рован в соответствий с физической за висимостью уровня жидкости в сосуде от ее темпера -уры. В случае согласного включения обмоток б и 3 уменьшение ЭДС должно быть скомпенсировано повышением ЭДС Eg при подъеме поплавка 9 на большую высоту, т.е. число щитков и диаметр обмотки 3 к верхне й части сосуда должны увеличиваться. При феррома нитном экране 13 фаза будет пр тивоположной, поэтому включение обмотки 3 относительно обмотки б должно быть противоположным описанному выше.Для повышения точности регулирования обмотки 5 и б включены встре но., При крайнем нижнем положении поплавка 9 ЭДС 3 должна превыпать возможное максимальное значение Е Это обеспечивает монотонное уменьшение суммарной ЭДС в измерительной об мотке 3, 5, б в процессе заправки сосуда - от некоторого максимсьяьного значения до напряжения переключения (срабатывания)порогового элемента 8. При срабатывании порогового элемента 8 заправка сосуда прекращается. Программа регулирования уровня жидкости в зависимости от ее температуры при необходимости может быть изменена в широких пределах введением напряжения смещения, пропорционального току питания измерительного устройства, последовательно с ЭДС, измерительной обмотки 3, 5, б. Вследствие неполного совпадения (или противоположности) фаз ЭДС от цилиндра 12 и экрана 13 пороговый элемент 8 выполняется нечувствитель- . ным к этой разности фаз. К выходу измерительной обмотки 3, 5, б может быть также подключен другой пороговый элемент, который срабатывает при достижении выходной ЭДС неко.торой промежуточной величины, подавая при этом сигнал на уменьшение производительности заправки, Kotcopoe осуществляется с целью повышения точности отсечки требуемого уровня и исключения гияроудара. Намоточные данные обмотки.3 выбиршотся из условия обеспечения необходимой функциональной зависимости Е Ьт t-r (т.е. высоты подъема поплавка от температуры), Поэтому число витков обАЮТКИ 3 меныйе числа витков обмоток 5, б и требования к точности изготовления обмотки 3 могут быть невысоки. Обмотки 5, 6 соединены встречно, 1шеют почти(равное друг другу 4WCJio витков и расположены на небольшом расстоянии друг от друга. Это компенсирует влияние.защитной трубы 1 на -показания измерительного устройства. . .. Т,ак как ЭДС д ь пропорционгшьны одному и тому же току питания, проходящему через последовательно соединенные обмотки 2 в 4, а суммарное значение этих ЭДС, при котором срабатывает пороговый 8, близко к нулю, то яэмерительное устройство кечувствительмо к значительным изменениям тока питания {т.е. допускает большое непостоянство аапряжения питания, большие технологические отклонения и те шературш1е изменения параметров о йоток). Применение этйго датчика -в системах регулирования уровня жидкости в зависимости от ее температуры позволит в десятки раз .псжизить. стоимость измерительного устройства, повысить его надежность и точности- работы (благодаря исключению сложной аппаратуры автономных измерений, температуры и уровня жидкости, промежуточных преобразований информации об этих параметрах и сопряжения их в счетно-решгиощем устройстве). Изготовление и лабораторные испытания опытного образца предлагаемого