Устройство для измерения уровня и расхода жидкости

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения уровня и расхода жидкости. Сущность изобретения: мембранная емкость выполнена в виде полого цилиндрического корпуса, внутренняя полость которого выполнена с расширением шаровидной формы, внутри которого установлен запорный элемент в виде пустотелого шара с тремя отверстиями. В проходное отверстие установлен преобразователь расхода по перепаду давления. Датчик давления выполнен в виде волоконно-оптического преобразователя проходящего типа и установлен внутри полого корпуса механизма управления запорным элементом, который снабжен звуковым сигнализатором и подвижным переходником для подсоединения к расходному резервуару. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения уровня и расхода жидкости.

Известны шаровые краны с плавающими кольцами, содержащие корпус, пробку, подшипники, уплотнительные кольца, крышку, шпиндель, цапфу.

Недостатками данных конструкций являются низкие функциональные возможности и большая металлоемкость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения уровня и расхода жидкости, выбранное в качестве прототипа.

Устройство содержит мерную емкость, датчик давления, счетчики времени и оборотов вала, блок обработки информации.

Недостатками данного устройства являются узкий диапазон измерения уровня и расхода, т. е. возможность его применения только на автотракторной технике, сложность конструкции и обработки выходных сигналов, а также невысокая точность измерений, обусловленная прежде всего методической погрешностью датчиков и схемы обработки сигнала.

Цель изобретения - расширение условий эксплуатации устройства путем обеспечения возможности сигнализации предельно допустимого уровня налива с одновременным прекращением подачи жидкости в емкость и раздельного определения уровня и расхода жидкости, а также повышение точности измерений за счет уменьшения методической погрешности применением метода перепада давления и уменьшения инструментальной погрешности датчика.

Цель достигается тем, что мерная емкость выполнена в виде полого цилиндрического корпуса, внутренняя полость которого выполнена с расширением шаровидной формы, внутри которого установлен запорный элемент в виде пустотелого шара с тремя отверстиями, одно из которых - проходное, и в нем установлен преобразователь расхода в виде однополостного гиперболоида из эластичного материала, второе выполнено в плоскости, перпендикулярной проходному отверстию, а третье расположено в верхней части запорного элемента и снабжено выступами для упора нижнего основания введенного механизма управления запорным элементом, установленным в этом отверстие с возможностью перемещения вдоль него и снабженного винтовой нарезкой, при этом датчик давления расположен внутри полого корпуса механизма управления, его преобразователь выполнен волоконно-оптическим с внешней амплитудной модуляцией проходящего типа, а механизм управления запорным элементом снабжен звуковым сигнализатором и подвижным переходником для подсоединения к расходному резервуару.

Волоконно-оптический преобразователь проходящего типа с внешней амплитудной модуляцией интенсивности света выполнен в виде пучкового оптоволоконного световода, связанного одним концом с источником света, расположенным на чувствительном элементе датчика давления и электрически связанным с источником питания, а другим концом - с приемником света, электрически связанным со счетным блоком.

Сущность предлагаемого изобретения изображена на фиг. 1; на фиг. 2 - запорный элемент, вид сверху.

Устройство для измерения уровня и расхода жидкости содержит цилиндрический полый корпус 1 с фланцами для подсоединения к трубопроводу (не показаны). В теле корпуса 1 выполнено расширение шаровидной формы, внутри которого при помощи оси 2 и съемной крышки 3 с уплотнительным материалом 4 (например, фторопластом) установлен запорный элемент 5 в виде пустотелого шара, в корпусе которого диаметрально противоположно выполнены два отверстия 6 и 7, в которые при помощи стопорных колец 8, 9 установлен преобразователь 10 расхода, выполненный из эластичного материала, например, в форме однополостного гиперболоида вращения.

Перпендикулярно отверстиями 6, 7 в теле запорного элемента 4 выполнены отверстие 11 и отверстие 12, снабженное выступами, в которое установлена с возможностью поворота полая трубка 13, нижняя часть которой снабжена винтовой нарезкой 14 с расчетном длиной и шагом. Верхний конец полой трубки 13 жестко соединен с нижним основанием механизма 15 управления запорным элементом в виде полого цилиндра. На верхнем основании механизма 15 управления установлены подвижный в вертикальной плоскости переходник 16, связанный посредством трубки 17 переходника с отверстиями 18, и трубки 19, конец которой расположен на расчетной высоте предельно допустимого уровня налива жидкости с емкостью 20, и звуковой извещатель 21 (например, свисток).

Внутри полой трубки 13 закреплен датчик 22 давления, например, в виде эластичной диафрагмы, в центре которой закреплена нижним концом полая трубка 23, а внутри нее установлены источник 24 света (например, светодиод), электрически связанный с источником питания (не показан), и пучковый оптоволоконный световод 25. Верхний конец полой трубки установлен с возможностью перемещения в вертикальной плоскости в приемную втулку 26, жестко закрепленную внутри механизма 15 управления краном и имеющую в нижней части отверстие 27, а в верхней части - приемник 28 света (например, фотодиод), оптически сопряженный с пучковым оптоволоконным световодом 25 и электрически связанный со счетным устройством 29 (например, отградуированным аналого-цифровым вольтметром).

Устройство для измерения уровня и расхода жидкости работает следующим образом.

Перед работой полая емкость запорного элемента заполняется перекачиваемой жидкостью. В нерабочем положении (элемент закрыт) отверстия 6 и 7 и преобразователь 10 расхода находятся перпендикулярно оси трубопровода (потоку жидкости). Корпус запорного элемента 5 перекрывает сечение трубопровода. При начале перекачки кран открывается нажатием руки на верхнее основание механизма 15 управления. При этом винтовая нарезка 14 полой трубки 13 входит в зацепление с выступами отверстия 12, заставляя запорный элемент 5 поворачиваться (по принципу волчка), преобразователь 10 расхода устанавливается в рабочее положение, т.е. параллельно потоку жидкости. Отверстие 11 устанавливается перпендикулярно потоку и перекрывается стенкой корпуса. При снятии нагрузки механизм 15 управления самостоятельно возвращается в исходное положение (поднимается), не изменяя положения преобразователя 10 расхода (принцип волчка).

Начало работы крана описывается в общем виде выражением F_н>F_тр1+F_тр2+m₁g, (1) где F_н - сила нажатия рукой; F_тр1 - сила трения между трубкой 13 и уплотнением 4; F_тр2 - сила трения между осью 2 и корпусом 1, а также корпусом запорного элемента 5 и корпусом 1; m₁g - вес запорного элемента 4.

Таким образом надежность работы приводного узла определяется прежде всего подбором материала трубки 13, уплотнения 4, оси 2 и корпуса 1. В качестве материала уплотнения и оси 2 может быть использован фторпласт.

Надежность зацепления винтовой нарезки 14 с выступами отверстия 12 обеспечивается расчетом размеров и формы выступов, длины и шага винтовой нарезки.

Фиксированное положение преобразователя 10 расхода может быть обеспечено, например, установкой фиксаторов на запорном элементе 5 и в корпусе 1 и т.д.

При достижении предельно допустимого уровня налива жидкости в емкости 20 жидкость начинает поступать в трубку 19 и затем в трубку 17, вытесняя из нее и полого цилиндра механизма 15 управлением краном воздух, который воздействует на чувствительный элемент звукового извещателя 21, заставляя его подавать звуковой сигнал для отключения оператором насоса и прекращения подачи. По мере заполнения полого цилиндра механизма 15 управления краном жидкостью увеличивается его масса и происходит нарушение равновесия: M= F_тр1+F_тр2+m₁g+Fc+F_p= F_s, (2) где М - суммарная масса механизма 15 управления и жидкости; движущейся по трубопроводу; F_c - сила сопротивления со стороны жидкости, F_p - сила давления жидкости внутри запорного элемента 5 на приемник 22 давления и на механизм 15 управления; F_s - суммарная сила сопротивления.

M=(m_s+m₆)g, (3) где m_s и m₆ - массы соответственно механизма 15 управления и жидкости.

При M>F_s механизм управления опускается, при этом винтовая нарезка 14 полой трубки 13 входит в зацепление с выступами отверстия 12, заставляя запорный элемент 5 поворачиваться и перекрывать проходное сечение трубопровода, при этом отверстие 11 устанавливается со стороны емкости и устройство начинает работать в режиме измерения уровня в резервуаре. Надежность срабатывания данного узла зависит прежде всего от диапазона измеряемых давлений и расчета площадей и массы элементов конструкции.

Измерение уровня жидкости основано на измерении гидростатического давления столба жидкости, передающегося через отверстие 11 на приемник давления, т.е.

F₁= ρ ˙ g ˙ h˙ S₁, (4) где F₁ - сила давления столба жидкости на приемник давления (диафрагму) 22;
S₁ - площадь диафрагмы.

Уравнение равновесия можно записать (учитывая, что сосуд герметичен):
P_oS₁+F₁=(m₂+m₃+m₄) g+K₂X₂+P_oS₁ (5)
Величина P_oS₁ воздействует через отверстия в переходнике 18 и жидкость на обратную сторону приемника 22 давления (диафрагму), тогда:
F₁=(m₂+m₃+m₄) g+K₂X₂
Обозначим сумму масс через Σ М, тогда:
ρ ˙ g ˙ h˙ S= ΣM_g+K₂X_{2 ,} (6) отсюда
h = (7)
Учитывая, что величины Σ М, g, K₂, S₁ постоянны и рассчитываются для конкретного диапазона измерений, можно сделать вывод, что величина h прямо пропорциональна перемещению диафрагмы 22, которое регистрируется волоконно-оптическим преобразователем проходящего типа с внешней амплитудной модуляцией интенсивности света.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И РАСХОДА ЖИДКОСТИ, состоящее из мерной емкости, датчика давления и счетного блока, отличающееся тем, что, с целью расширения условий эксплуатации и повышения точности, мерная емкость выполнена в виде полого цилиндрического корпуса, внутренняя полость которого выполнена с расширением шаровидной формы, в котором установлен запорный элемент в виде пустотелого шара с тремя отверстиями, одно из которых проходное и в нем установлен преобразователь расхода в виде однополосного гиперболоида из эластичного материала, второе выполнено в плоскости, перпендикулярной проходному отверстию, а третье расположено в верхней части запорного элемента и снабжено выступами для упора нижнего основания введенного механизма управления запорным элементом, установленного в это отверстие с возможностью перемещения вдоль него и снабженного винтовой нарезкой, при этом датчик давления расположен в полом корпусе механизма управления, его преобразователь выполнен волоконно-оптическим с внешней амплитудной модуляцией проходящего типа, а механизм управления запорным элементом снабжен звуковым сигнализатором и подвижным переходником для подсоединения к расходному резервуару.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волоконно-оптический преобразователь с внешней амплитудной модуляцией проходящего типа выполнен в виде пучкового оптоволоконного световода, связанного одним концом с источником света, расположенным на чувствительном элементе датчика давления и электрически связанным с источником питания, а вторым концом - с приемником света, электрически связанным со счетным блоком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2