Устройство для измерения уровня и расхода жидкости

 

Использование: измерительная техника, в частности средства измерения уровня и расхода жидкости. Сущность изобретения: с целью расширения функциональных возможностей путем прекращения подачи жидкости в емкость и раздельного определения уровня и расхода жидкости, а также повышения точности измерений за счет уменьшения методической и инструментальной погрешностей датчика мерная емкость выполнена внутри запорного элемента трехходового шарового крана, в проходное отверстие которой установлена поворотная лопасть с штоком, датчик давления выполнен в виде волоконно-оптического преобразователя проходящего типа с внешней амплитудной модуляцией интенсивности света и установлен внутри поворотного барабана. 5 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 [1] Недостатками данных конструкций являются низкие функциональные возможности и большая металлоемкость.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения уровня и расхода жидкости [2] Устройство содержит мерную емкость, датчик давления, счетчики времени и оборотов вала, блок обработки информации.

Данное устройство работает следующим образом.

При расходе жидкости датчик давления вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный расходу топлива из емкости. Сигналы от датчика давления и счетчиков времени и оборотов вала поступают на вход блока обработки информации, где формируется и регистрируется сигнал, пропорциональный массовому расходу жидкости в единицу времени или за один оборот вала.

Недостатками данного устройства является 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.

Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения уровня и расхода жидкости и расширении функциональных возможностей устройства.

Это достигается тем, что в известное устройство [2] состоящее из мерной емкости, запорной арматуры, датчика давления и счетного блока, введены поворотная лопасть, шток, упругая пластина из светоотражающего материала, приемник поверхностного давления, выполненный в виде диска с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, приемная камера и запорный вентиль, при этом запорная арматура выполнена в виде трехходового шарового крана с запорным элементом, имеющим отверстия и снабженного механизмом управления в виде полого цилиндра, нижнее основание которого снабжено винтовой нарезкой и установлено с возможностью перемещения в отверстие с выступами запорного элемента крана, а верхнее основание снабжено рукоятками управления, мерная емкость выполнена в виде цилиндрической трубы, расположенной внутри запорного элемента трехходового шарового крана и закрепленной основаниями в его отверстиях посредством эластичного соединения, датчик давления выполнен в виде волоконно-оптического преобразователя с внешней амплитудной модуляцией, при этом поворотная лопасть установлена во внутренней полости мерной емкости под углом к ее оси с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, закрепленный конец поворотной лопасти соединен с штоком с возможностью его вращения и перемещения соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях на противоположном конце штока жестко закреплена под углом к его оси упругая пластинка, вторым концом жестко соединенная с приемником поверхностного давления, установленным в приемной камере, выполненной с возможностью соединения через запорный вентиль с наджидкостным пространством приемной камеры, а датчик давления установлен напротив упругой пластинки и подключен к счетному блоку.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 элементы предлагаемого устройства.

Устройство для измерения уровня и расхода жидкости содержит цилиндрический полый корпус 1 с фланцами для присоединения к трубопроводу. В тече корпуса 1 выполнено расширение шаровидной формы, внутри которого на оси 2 установлен запорный элемент 3 в виде пустотелого шара, в корпусе которого диаметрально противоположно выполнены отверстия 4 и 5. Перпендикулярно отверстиям 4 и 5 выполнены отверстия 6 и 7, снабженные выступами. В отверстия 4 и 5 при помощи стопорных колец и эластичного материала 8 (например резинотканевого шланга) установлена с возможностью перемещения в вертикальной плоскости мерная емкость 9 в виде цилиндрической полой трубы, боковые стенки которой соединены с корпусом посредством эластичной диафрагмы 10. Во внутренней мерной емкости 9 в центре ее тяжести установлена под углом к ее оси (например 30-60^о) поворотная лопасть 11. Один конец поворотной лопасти 11 жестко соединен с шарниром 12, установленным в стенке корпуса мерной емкости 9 с возможностью перемещения только в вертикальной плоскости. Внутри шарнира 12 установлен с возможностью вращения своим нижним концом с диском 13 цилиндрический шток 14. На верхнем конце штока 14 жестко закреплена под углом к нему упругая пластинка 15 из светоотражающего материала (например пленки поликарбоната или пластинки из кремния), второй конец которой жестко соединен с подвижным в вертикальной плоскости штоком 16 с пружиной 17. На втором конце штока 16 закреплен приемник 18 поверхностного давления в виде диска, установленного в полой емкости 19, в которую заливается перекачивается жидкость. Полая емкость 19 выполнена внутри подвижного барабана, верхнее основание которого снабжено двумя фиксационными углублениями 21, рукояткой 22 управления, штуцером 23 для сообщения с наджидкостным пространством резервуара и заливной горловиной 24. В нижнем основании подвижного барабана 20 выполнено цилиндрическое углубление 25, в корпусе которого напротив упругой пластинки 15 установлены излучающий 26 и приемный 27 волоконно-оптические световоды (например пучковые), соединенные соответственно с источником 28 света (например световодом) и через фотоприемник 29 (например фотодиод) счетными устройствами измерения расхода 30 и уровня 31. Корпус подвижного барабана 20 установлен в направляющую 32, цилиндрической формы, верхнее основание которой снабжено фиксационным выступом 33, а нижнее закреплено в корпусе 1 устройства посредством разъемного соединения (например резьбовым). В корпусе нижнего основания направляющей 32 выполнены две прорези, а во внутреннюю его полость установлена цилиндрическая трубка 34, нижняя часть которой снабжена винтовой нарезкой 35 с расчетной длиной и шагом и установлена с возможностью перемещения в отверстие 7 с выступами. Верхнее основание цилиндрической трубки 34 снабжено рукоятками 36 управления, помещенными в прорези нижнего основания корпуса направляющей 32. Между корпусом цилиндрической трубки 34 и корпусом нижнего основания направляющей 32 установлена прокладка 37.

Устройство для измерения уровня и расхода жидкости работает следующим образом.

Перед работой полая емкость 19 заполняется перекачиваемой жидкостью. В нерабочем положении (кран закрыт) отверстия 4 и 5 и мерная емкость 9 находятся перпендикулярно оси трубопровода (потоку жидкости). Корпус запорного элемента 3 перекрывает сечение трубопровода. Преобразователь расхода находится в равновесии, описываемом (m₁ + m₂ + m₃) g K₁X₁ + K₂X₂ (1) где m₁ масса мерной емкости 9 с лопастью 11; m₂ масса штоков 14 и 16, а также пластинки 15, m₃ масса жидкости в полой емкости 19; К₁Х₁ сила упругости пружины 17; К₂Х₂ сила упругости резинотканевого шланга 8.

При начале работы для определения расхода поступающей жидкости в резервуар кран открывается нажатием руками на рукоятки управления 36. При этом винтовая нарезка входит в зацепление с выступами отверстия 7 запорного элемента 3, заставляя его поворачиваться (по принципу волчка), мерная емкость 9 устанавливается в рабочее положение, т.е. параллельно потоку жидкости. Отверстие 6 устанавливается перпендикулярно потоку жидкости и перекрывается стенкой корпуса. Фиксационный выступ 33 направляющей 32 совмещается путем поворота рукоятки 22 с отверстиями подвижного барабана 2 соответствующим наливу жидкости. Счетное устройство уровня отключается. Жидкость под давлением поступает в мерную емкость 9, нарушая равновесие, описываемое выражением (1).

В результате воздействия жидкости на мерную емкость 9 и вследствие ее эластичного соединения с корпусом она опускается вместе со штоком 14, изгибая пластинку 15. Причем перемещение мерной емкости 9 пропорционально плотности жидкости, т.е. (3). Н mg m Vρ (2) где Н перемещение емкости; m масса жидкости; V объем жидкости; ρ- плотность жидкости, так как объем жидкости приблизительно равен объему мерной емкости выражение 2 можно записать
ρ В то же время энергия жидкости взаимодействует на лопасть 11, заставляя ее поворачиваться на определенный угол. А так как лопасть 11 соединена с штоком 14, поворачивается на определенный угол и он, изгибая пластинку 15. Причем поворот лопасти 11 пропорционален объемному расходу жидкости, т.е.

Q=K (4) где α угол поворота лопасти.

K=f М_ж момент, создаваемый упругой пластинкой 15;
f площадь сечения трубопровода;
f_л площадь лопасти;
l_g расстояние от точки приложения равнодействующей сил давления на лопасть.

На фиг. 5 показано полное воздействие жидкости на мерную емкость 9, изображенное в виде векторной диаграммы, где В сила, пропорциональная плотности жидкости, т.е. перемещению Н мерной емкости 9;
С сила, пропорциональная объемному расходу, т.е. повороту лопасти 11 и штока 14;
Θ угол поворота;
А выходная сила.

Так, как tgΘ и для малых углов tgΘ≈ 0 (0 < 0 < 6^o), а Θпропорционально С имеем
А В˙С (5) Подставляя в выражение 5 выражение (3) и (4), получаем
A=ρ˙Θ
M= ρ·K (6) Выражение (6) соответствует массовому расходу жидкости. Проинтегрировав выражение 6 по времени, получим общее количество поступившей в резервуар жидкости. По окончании перекачки жидкости запорный элемент 3 перекрывает сечение трубопровода, отверстие 6 устанавливается параллельно его оси и открывается запорный вентиль на полой емкости 19, включается счетное устройство измерения уровня. Жидкость своим давлением воздействует на мерную емкость 9, поднимая ее вместе со штоком 14. Эластичная мембрана 8 препятствует воздействию жидкости сверху на мерную емкость 9. Поднимаясь, штоки изгибает пластинку 15, величина деформации которой пропорциональна уровню жидкости в резервуаре, т.е.

F (7) где F сила деформации пластинки 15;
S₁ площадь мерной емкости 9 с диафрагмой 8;
Р_о поверхностное давление в резервуаре,
воспринимается через залитую жидкость приемником давления 18 в виде диска.

Для определения количества сливаемой из резервуара жидкости необходимо перевести запорный элемент 3 нажатием на рукоятки 36 управления в рабочее положение. Поворотом рукоятки 22 подвижного барабана 20 совмещают углубление 21 в его корпусе, соответствующее операции "слив" с фиксационным выступом 33, при этом шток 14 с упругой пластинкой 15, а также световоды 26 и 27 поворачиваются на 180^о. Работа преобразователя при этом сохраняется аналогичной описанной выше.

Таким образом измерение уровня и расхода жидкости по деформации упругой пластинки 15 воспринимается волоконно-оптическим датчиком, работающим следующим образом:
От источника 28 света на входной торец пучкового оптоволоконного световода 26 падает элементарный поток света.

dФ=δ_of(U)dW (8) где δ_o сила излучения источника в направлении 0.

f(U) диафрагма направленности;
dW элементарный телесный угол
В пучковом оптовоколонном световоде общий поток разделяется на три компонента:
Ф Ф_п + Ф_в + Ф_и где Ф_п полезный поток,
Ф_в внеапертурный поток,
Ф_и изоляционный поток. Нерабочие компоненты Ф_в и Ф_и на выходе разделяются на две части, выходящие через торцы световедущих жил Ф_в^c и Ф_и^c и через торцы изоляции Ф_в^и и Ф_и^и:
Ф= Ф_п+Ф_в^c+Ф_в^и+Ф_и^c+Ф_и^и= 1. Элементарная площадка торца волокна на выходе будет в направлении излучать поток dФ_п=δ_o(τdτdΘ/πR²)f(U)τ(U)dW (10) где τи Θ- текущие полярные координаты центра площадки;
R радиус волокна;
τ(U) коэффициент светопропускания волокна.

Поток, попадающий в приемник света 28,
Φ=2d T(ϕ)τ(ϕ)×
×sin udu dβ (11) где Uβ- координаты направления распространения элементарного потока dФ, излучаемого площадкой световода;
Z_o расстояние между торцом волокна и упругой пластинкой 15;
y_о смещение центра волокна относительно приемника света, y_o 0
α- угол наклона торца волокна к плоскости приемника света, α 0,
Т( ϕ) полное светопропускание волокна, равное
T(ϕ) (ϕ)cosϕsinϕdϕ (12) где U_m угол, при котором сохраняется полное внутреннее отражение в оптоволоконном световоде.

Для пучкового оптоволоконного световода Т умножается на коэффициент τ_s заполнения торца пучка торцами отдельных волокон. Таким образом поток, попадающий на приемник света 29, определяется
Φ=2 ddΘ T(ϕ)τ_sτ(ϕ)×
×sinϕdϕ dβ (13)
Из данного выражения видно, что поток, попадающий на приемник света 29 через приемный световод 27 зависит от расстояния Z_о между ним и упругой пластинкой 15. При увеличении F упругая пластинка 15 деформируется (изгибается) и расстояние Z_o уменьшается, увеличивается, что приводит к увеличению интенсивности светового потока, попадающего на приемник света 29, который в свою очередь вырабатывает сигнал Р_вых, прямо пропорциональный ΔF, поступающий на счетное устройство 30 (31).

По сравнению с прототипом изобретение имеет более высокую точность измерений расхода ввиду измерения расхода в массовых единицах и учета изменения плотности жидкости. Кроме того предлагаемое изобретение позволяет прекращать подачу жидкости в резервуар путем перекрытия сечения трубопровода запорным элементом.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И РАСХОДА ЖИДКОСТИ, состоящее из мерной емкости, запорной арматуры, датчика давления и счетного блока, отличающееся тем, что в него введены поворотная лопасть, шток, упругая пластинка из светоотражающего материала, приемник поверхностного давления, выполненный в виде диска с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, приемная камера и запорный вентиль, при этом запорная арматура выполнена в виде трехходового шарового крана с запорным элементом, имеющим отверстия и снабженного механизмом управления в виде полого цилиндра, нижнее основание которого снабжено винтовой нарезкой и установлено с возможностью перемещения в отверстие с выступами запорного элемента крана, а верхнее основание снабжено рукоятками управления, мерная емкость выполнена в виде цилиндрической трубы, расположенной внутри запорного элемента трехходового шарового крана и закрепленной основаниями в его отверстиях посредством эластичного соединения, датчик давления выполнен в виде волоконно-оптического преобразователя с внешней амплитудой модуляцией, при этом поворотная лопасть установлена во внутренней полости мерной емкости под углом к ее оси с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, закрепленный конец поворотной лопасти соединен со штоком с возможностью его вращения и перемещения соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, на противоположном конце штока жестко закреплена под углом к его оси упругая пластинка, вторым концом жестко соединенная с приемником поверхностного давления, установленным в приемной камере, выполненной с возможностью соединения через запорный вентиль с наджидкостным пространством приемной камеры, а датчик давления установлен напротив упругой пластинки и подключен к счетному блоку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5