Фотоэлектрический датчик давления жидкостного уровнемера

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 F 23/16

ИЗОБРЕТЕНИ1- — ——

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

I(21) 4923533/10 (22) 01.04.91 ,(46) 07;02.93. Бюл. М 5 (72) В.И.Кабанов, А.Н.Литвиненко, M.À.МуI салев и А.А.Магирко (56) Авторское свидетельство СССР .;М 1076787, кл. G 01 F 23/22, 1982. (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИКДАВ ЛЕНИЯ ЖИДКОСТНОГО УРОВНЕМЕРА (57) Использование: в приборостроейии, для определения уровня жидкости в резер.,вуарах, Сущность изобретения: приемник гидростатического давления выполнен в ви1

1 ! !!

Изобретение относится к приборостроению, в частности к средствам измерения . 1 ровня жидкости в резервуарах.

Известны составные метрштоки (MLUC) ля .измерения уровня нефтепродуктов в тационарных и транспортных емкостях, одержащие два или более линейных из мерительных звена в виде цилиндрическйх грубок с нанесенными на них метками.

Недостатками данной конструкции яв-, ляются низкая точность ввиду большой вероятности случайных погрешностей и субъективности снятия показаний, низкие функциональные возможности и неудобства в работе иэ-за относительно большой длины метрштока (3,5 ... 4,5 м).

l.

Наиболее близким по технической сущности 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 металГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ!

Ы 1793246 А1

2 де первого и второго дисков, связанных между собой гибкой обоймой с возвратным механизмом. Источник света жестко соединен с источником питания, закрепленным на первом диске, при этом световод, выполненный в виде пучкового оптоволоконного световода проходящего типа с внешней амплитудной модуляцией интенсивности света, помещен во введейную цилийдрическую пустотелую трубку, которая установлена с воэможностью перемещения в направляю- щую втулку, в которой закреплен фотоприемник. 2 ил. ::::::":- ::C лической ленты с нанесенными на ней метl ками и прикрейленный 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 О имеются втулка для крепления рулетки и Ch) штуцер для резинового шланга. Штуцер Я может быть закрыт пробкой с бечевкой. ф, Данное устройство работает следую- О щим 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 в днище заполняет полый цилиндр, после чего рулетку с лотом вынимают из емкости.

1793246

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 жидкостнаго 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 уста новлен источник 5 питания, электрически . связанный с установленным в коническом отражателе 6 источником 7 света, оптически сопряженным с одним из концов пучковога 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 оптоволоконного 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 16 с 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 сложенйом состоянии и пластинчатая пружина 17 фиксирует ее за кольцевой паз 18 нижнего звена. Пружины l9 и 14 разжаты. При этом диск 1 прижат к нижнему концу телескопической трубки 15.

Для измерения уравМя жидкости в резервуаре нажатием на пластинчатую пружину 17 выводят ее из пазов 18, раздвига1оттелескопическую трубку 15 и опускают полую емкость 20 на дно резервуара. Жидкость, находящаяся в резервуаре, через отверстия

22 заполняет полую емкость 20, сила гидростатического давления (P) столба жидкости воспринимается нижним диском 2 приемника гидростатического давления

F1=p ghS, (1) 1упр=k х1, где k — коэффициент упругости пружины 14; х1 — перемещение.

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

PaS = (m1+ m2+ лаз+ m4+ m5) х х.g+ k х1+ PaS; (2) где пц, mg, m3, m4, m5 — масса соответственно диска 2, источника 5 питания, источника

7 света, трубки 9, волокна 8;

Р, — атмосферное давление.

;с

Обозначим сумму масс через Z M, тогда (Pa + p g h) S = Z M g + kx,, + I a S, (3)

Отсюда (4) Учитывая, что величины Х M, 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

d Ф=ao f(p) dв, (5) гдето — сила излучения источника в направлении p= 0;

1 (p) — диаграмма направленности;

d в — элементарный телесный угол, где F1 — сила давления столба жидкости на диск 2;

S — площадь диска 2; р- платность жидкости;

g — ускорение свободного падения;

h — высота уровня жидкости; сила F1 давления столба жидкости противодействует силе упругости пружины 14

1793246 (6) 30

m р =—

V (12) mg = Fynp2 = к2хз

В пучковом оптоволоконном световоде общий поток разделяется на три компонента:

Ф = Ф» + Ф + ф„ где Ф» — полезный поток;

Ф вЂ” внеапертурный поток;

Нерабочие компоненты Ф и Ф на выхоДе разделяются на две части, выходящие через торцы световедущих жил 4Ъ и Ф и чеРез торцы изоляции Ф и <К,и: !

Ф =- <1Ъ + Ф + Фь +Ф о +Ф," = 1, Элементарная площадь торца волокна на выходе будет в направлении р излучать поток

d Ф»= / (2 с12д О/л: Я ) f (p) т (р) d o), (7) о где 2> Π— текущие полярные координаты центра площадки;

R — радиус волокна; т (<р) — коэффициент светопропускания воЛокна.

Поток, попадающий на приемник 11 света ф Р2 (2, 8 >о. Уо. P а)

J 2 (8)

/Ъ (P о. 2, О, уо. а) х т (cp) t(tp) sin pd p fp (g ) dô где p,P — координаты направления распространения элементарного потока d Ф, излучаемого площадкой световода;

zo — расстояние между торцом волокна и приемником света;

y> — смещение центра волокна относительно приемника света, yp = 0; а — угол наклона торца волокна к плотности приемника света, а = 0;

Т (p) — полное светопропускание волокна, равное; т (р -, ) r(p) casp . sinp dp, (9) 2 Р о где ро — угол, при котором сохраняется полное внутреннее отражение в оптоволоконном световоде.

Для пучкового оптоволоконного световода

Т умножается на коэффициент т, заполнения торца пучка торцами отдельных волокон, Таким образом поток, попадающий на приемник света 11, определяется

7ф Р2 (2, О, zo, P)

Ф= б2 JdQ (g щ д (10)

/Ь (P,2,0 о) х Т (P) Is Г(у".) sin P d P fp1 (, 2

10 Из данного выражения видно, что поток, попадающий на приемник света, зависит от расстояния го между ним и торцом пучкового оптоволоконного световода 8, При увеличении столба жидкости нижний диск 2 приемника гидростатического давления поднимается и расстояние zn уменьшается, что привОдит к увеличению интенсивности светового потока, попадающего на приемник 11 света, который, в

20 свою очередь, вырабатывает сигнал Р х, прямо пропорциональный высоте столба жидкости, поступающий на счетное устройство 13.

При измерении плотности жидкости

25 устройство извлекается из резервуара и производится измерение по принципу взвешивания.

Плотность жидкости где m — масса жидкости в объеме v, который определяется объемом полой емкости 20.

35 Масса жидкости определяется при уравновешивании веса жидкости и силы упругости пружинйой подвески 19

40 где k2 — коэффициент упругости пружинной подвески 19; хз — перемещение пружинной подвески 5, равное перемещению полой емко45 сти 20.

Отсюда: (13) к2

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 zn 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.

1793246

qlgz I

Составитель В. Кабанов

Техред М.Моргентал Корректор C щекмар

Редактор Т. Федотов

Заказ 495 . Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 °

Формула изобретения

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.шийся тем, что, с целью повышения точности, приемник гидростатического давления выполнен в виде nepsora и второго дйсков, связанных между собой гибкой обоймой с возвратным механизмом, световод выполнен в виде пуч- кового 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 цилиндрическую пустотелую трубку, установленную с возможностью перемещения в направляющую втулку, в которой закреплен фотоприемник,