Устройство для определения уровня жидкости

Изобретение относится к приборостроению и контрольно-измерительной технике для автомобильной промышленности и может использоваться для измерения уровня жидкости, преимущественно в резервуарах закрытого типа, например топлива в баке. Сущность: устройство содержит штангу с поплавком и постоянными магнитами, закрепленную одним концом в середине боковой стенки резервуара при помощи шарнира, и неподвижный магниточувствительный элемент Холла, подключенный к процессорному блоку обработки сигнала. Полюса магнитов сонаправлены и магниты образуют однородное плоскопараллельное магнитное поле между ними, которое может вращаться относительно оси шарнира при перемещении поплавка. Элемент Холла размещен между магнитами в горизонтальной плоскости. Поплавок содержит два упругих элемента - нижний и верхний. Рассмотрены два варианта выполнения поплавка с упругими элементами: поплавок заполнен газом под давлением, превышающим атмосферное, причем, по крайней мере, верхняя и нижняя части каркаса поплавка выполнены упругими, например резиноподобными; на жестком каркасе поплавка закреплены два ленточных - нижний и верхний - пружинных элемента в форме дуг окружностей, работающие на изгиб, выполненные с возможностью регулирования жесткости. Коэффициент жесткости для каждого ленточного пружинного элемента выбран таким, что предельная величина деформации изгиба пружинного элемента достигается касанием поплавка дна резервуара для упругого нижнего элемента и верха резервуара для упругого верхнего элемента соответственно при отсутствии жидкости и при полностью заполненном резервуаре. Элемент Холла выполнен анизотропным по нормали к пластине Холла с возможностью регулирования коэффициента расходимости сигнала в зависимости от направления магнитного поля. Он установлен соответствующим образом, чтобы компенсировать нелинейность величины погружения поплавка в жидкость. Технический результат: повышение точности измерения уровня жидкости в резервуарах закрытого типа. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению и контрольно-измерительной технике для автомобильной промышленности и может использоваться для измерения уровня жидкости, преимущественно в резервуарах закрытого типа, например топлива в баке.

Известно устройство /1/, содержащее резервуар, к боковой стенке которого с помощью шарнира крепится штанга, на одном конце которой расположен поплавок, а на другом - электропроводящий экран, перемещаемый вместе со штангой в вертикальной плоскости относительно обмотки считывания, и обмотка возбуждения, подключенная к генератору высокой частоты. Поплавок повторяет изменение уровня жидкости и приводит во вращение штангу с экраном, в котором генерируются вихревые токи, взаимодействующие с обмоткой считывания. При соответствующем выборе геометрии обмотки считывания можно добиться приближенно линейной зависимости выходного сигнала от перемещения поплавка.

Недостатком такого устройства является низкая точность измерений из-за больших зон нечувствительности (отсутствие перемещения поплавка при изменении уровня жидкости), когда поплавок находится у дна резервуара, при малом уровне жидкости и при полностью наполненном баке, когда поплавок начинает упираться в верхнюю стенку.

Известно устройство (уровнемер) /2/, в котором поплавок в зависимости от уровня жидкости поворачивает штангу в вертикальной плоскости, и это движение передается через зубчатую передачу электромагниту. Через немагнитную стенку осуществляется связь по магнитному полю с другим электромагнитом, и в итоге перемещение уровня жидкости передается стрелке.

Устройство /2/ также имеет низкую точность измерений. Для него характерны все недостатки устройства /1/ и дополнительное снижение точности за счет зубчатой передачи.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является устройство измерения уровня жидкости /3/, которое содержит резервуар закрытого типа, штангу с поплавком и постоянным магнитом, закрепленную одним концом в середине боковой стенки резервуара при помощи шарнира, выполненную с возможностью вращения в вертикальной плоскости, и неподвижный относительно резервуара магниточувствительный элемент (геркон или группу герконов). При изменении уровня жидкости перемещается поплавок, а следовательно, и постоянный магнит относительно магниточувствительного элемента, который замыкает или размыкает электрическую цепь, что и вызывает передачу информации об уровне.

Недостаточная точность измерений в устройстве /3/ вызывается двумя причинами: дискретностью сигнала об уровне жидкости и существованием зон нечувствительности, когда поплавок находится у дна резервуара, при малом уровне жидкости и при полностью наполненном резервуаре, когда поплавок начинает упираться в верхнюю стенку.

Таким образом, рассмотренные устройства характеризуются недостаточной точностью измерения уровня жидкости.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения уровня жидкости в резервуарах закрытого типа.

Решение данной задачи обусловлено применением поплавка с упругими элементами, что позволяет исключить зоны нечувствительности, когда поплавок находится вблизи дна резервуара и вблизи верхней стенки резервуара, а также использование в качестве магниточувствительного элемента преобразователя Холла, находящегося между постоянными магнитами, выполненными с возможностью вращения в вертикальной плоскости, позволяет использовать аналоговый сигнал с зависимостью выходного сигнала от перемещения поплавка, близкой к линейной. Кроме того, изготовление элемента Холла анизотропным по нормали к пластине Холла с возможностью регулирования коэффициента расходимости позволяет получить строго линейную характеристику выходного сигнала от перемещения поплавка за исключением небольших участков у дна и верхней стенки резервуара.

Устройство для определения уровня жидкости содержит резервуар закрытого типа, штангу с поплавком и постоянным магнитом, закрепленную одним концом в середине боковой стенки резервуара при помощи шарнира, выполненную с возможностью вращения в вертикальной плоскости, и неподвижный относительно резервуара магниточувствительный элемент и отличается тем, что на штанге расположен дополнительно еще один постоянный магнит параллельно первому таким образом, что их полюса сонаправлены и находятся в магнитной связи, образуя однородное плоскопараллельное магнитное поле между ними, причем магниты находятся по разные стороны от оси вращения шарнира, магниточувствительный элемент выполнен на эффекте Холла и размещен между магнитами в горизонтальной плоскости, блок обработки сигнала с элемента Холла, а поплавок содержит два упругих элемента нижний и верхний.

Предложены два варианта исполнения поплавка с упругими элементами. Устройство отличается также тем, что поплавок заполнен газом под давлением, превышающим атмосферное, причем, по крайней мере, верхняя и нижняя части каркаса поплавка выполнены упругими, например резиноподобными.

Устройство отличается тем, что на жестком каркасе поплавка закреплены два ленточных нижний и верхний пружинных элемента в форме дуг окружностей, работающие на изгиб, выполненные с возможностью регулирования жесткости, причем коэффициент жесткости для каждого ленточного пружинного элемента выбран таким, что предельная величина деформации изгиба пружинного элемента достигается касанием поплавка дна резервуара для упругого нижнего элемента и верха резервуара для упругого верхнего элемента соответственно при отсутствии жидкости и при полностью заполненном резервуаре.

Дополнительно устройство отличается тем, что элемент Холла выполнен анизотропным по нормали к пластине Холла с возможностью регулирования коэффициента расходимости сигнала в зависимости от направления магнитного поля и установлен соответствующим образом, чтобы компенсировать нелинейность величины погружения поплавка в жидкость.

Сравнение предлагаемого устройства с известными показывает, что устройство обладает рядом отличительных элементов, указанных ранее и сочетание которых не встречается в литературе, следовательно предлагаемое изобретение обладает новизной.

Анализ отличительных признаков предлагаемого устройства и известных ранее показал, что отличия являются существенными. Это обусловлено тем, что именно совокупность отличительных элементов создают необходимые условия для повышения точности измерения уровня жидкости. А именно, конструкция поплавка с упругими элементами дает возможность полностью исключить зоны нечувствительности, когда изменение уровня жидкости не сопровождается изменением сигала с чувствительного элемента, а применение в качестве магниточувствительного элемента преобразователя Холла, находящегося между постоянными магнитами, позволяет получать аналоговый сигнал с зависимостью выходного сигнала от перемещения поплавка, близкой к линейной (нелинейность характеристики вызвана различным уровнем погружения штанги в жидкость и, следовательно, разной выталкивающей силой). Кроме того, изготовление элемента Холла анизотропным по нормали к пластине Холла с возможностью регулирования коэффициента расходимости позволяет получить строго линейную характеристику выходного сигнала от перемещения поплавка за исключением небольших участков у дна и верхней стенки резервуара, что существенно упрощает обработку сигнала и косвенно повышает точность измерений.

Таким образом, предлагаемое техническое решение содержит ряд новых отличительных признаков (обладает новизной), которые являются существенными и обеспечивают решение поставленной задачи.

На фиг.1 изображена схема устройства для определения уровня жидкости в резервуаре закрытого типа; на фиг.2 - вариант выполнения поплавка с упругими элементами по п.2 формулы изобретения; на фиг.3 - вариант выполнения поплавка с упругими элементами по п.3 формулы изобретения; на фиг.4 изображена зависимость сигнала с элемента Холла U_x от перемещения поплавка Н (тонкая сплошная линия - для варианта исполнения, приведенного на фиг.2; а толстая сплошная линия - для варианта исполнения, приведенного на фиг.3); на фиг.5 - то же, что и на фиг.4, но только при условии выполнения элемента Холла анизотропным по нормали к пластине Холла (направлению магнитного поля) в соответствии с п.4 формулы изобретения; на фиг.6 приведен пример зависимости эдс Холла U_x от величины магнитной индукции В₀ для элемента Холла, выполненного по п.4 формулы изобретения.

Устройство для определения уровня жидкости содержит резервуар закрытого типа 1, штангу 2 с поплавком 3 и постоянным магнитом 4, закрепленную одним концом в середине боковой стенки резервуара при помощи шарнира 5, выполненную с возможностью вращения в вертикальной плоскости, неподвижный относительно резервуара магниточувствительный элемент 6 и блок обработки сигнала, поступающего с магниточувствительного элемента (блок не показан). На штанге расположен дополнительно еще один постоянный магнит 7 параллельно магниту 4 таким образом, что их полюса сонаправлены и находятся в магнитной связи, образуя однородное плоскопараллельное магнитное поле между ними, причем магниты находятся по разные стороны от оси вращения шарнира. Магниточувствительный элемент выполнен на эффекте Холла и размещен между магнитами в горизонтальной плоскости. Поплавок содержит два упругих элемента нижний 8 и верхний 9.

Поплавок с упругими элементами может быть выполнен по двум вариантам. По первому варианту поплавок заполнен газом под давлением, превышающим атмосферное, причем, по крайней мере, верхняя 9 и нижняя 8 части каркаса поплавка выполнены упругими, например резиноподобными. Допускается выполнение поплавка в виде единого упругого объема, например в форме мячика.

По второму варианту на жестком каркасе поплавка закреплены два ленточных нижний 8 и верхний 9 пружинных элемента в форме дуг окружностей, работающие на изгиб, выполненные с возможностью регулирования жесткости. Коэффициент жесткости для каждого ленточного пружинного элемента выбран таким, что предельная величина деформации изгиба пружинного элемента достигается касанием поплавка дна резервуара для упругого нижнего элемента 8 и верха резервуара для упругого верхнего элемента 9 соответственно при отсутствии жидкости и при полностью заполненном резервуаре.

Элемент Холла 6 расположен в горизонтальной плоскости между магнитами 4 и 7. Элемент Холла может быть стандартным, а может быть выполнен на основе гетероэпитаксиальной структуры из антимонида индия на полуизолирующем арсениде галлия анизотропным по нормали к пластине Холла с возможностью регулирования коэффициента расходимости сигнала в зависимости от направления магнитного поля и установлен соответствующим образом, чтобы компенсировать нелинейность величины погружения поплавка в жидкость.

Устройство работает следующим образом. Поплавок 3 находится в статическом равновесии с жидкостью, находящейся в резервуаре 1. Положение равновесия определяется следующими двумя факторами: сумма сил, действующих на поплавок, и сумма моментов сил, приложенных к поплавку, должны быть соответственно равны нулю. Положение уровня жидкости Н (для поплавка постоянного погружения, т.е. когда t₂/t₁=const), может быть описано формулой

где L - высота резервуара, R - длина штанги, γ - угол между горизонталью и штангой, который выбирается положительным, когда поплавок выше середины резервуара, и отрицательным - когда ниже.

При γ=0 (штанга горизонтальна) выходной сигнал с элемента Холла U_x=0. Изменение уровня жидкости отслеживается поплавком и приводит к повороту штанги (изменению угла γ). Таким образом, при R>L/2 каждому углу γ соответствует однозначное значение Н. Магниты 4 и 7 образуют однородное плоскопараллельное магнитное поле с индукцией В₀, которое поворачивается вместе со штангой относительно элемента Холла, и наводят эдс Холла U_x, равное

где к - коэффициент пропорциональности, и, следовательно, должна наблюдаться линейная зависимость выходного сигнала с элемента Холла от уровня жидкости.

На практике эта зависимость не является строго линейной. Отклонение от линейности обусловлено изменением уровня погружения поплавка в жидкость из-за изменения величины выталкивающей силы, действующей на штангу при переходе γ в отрицательную область значений (штанга не полностью погружена в жидкость), и наблюдается зависимость, представленная на фиг 4.

Когда поплавок находится вблизи дна или верхней стенки резервуара, он своими упругими элементами 8 или 9 взаимодействует со стенками. При этом поплавок перестает быть поплавком постоянного погружения и его перемещения определяются упругими свойствами элементов 8 или 9 и уровнем жидкости Н. При этом наблюдается нелинейная зависимость U_x от уровня жидкости, что показано на фиг.4 и фиг.5. Эта зависимость при U_x>U₂ и -U_x>-U₁ введена в процессорный блок обработки сигнала, что позволяет однозначно определить уровень жидкости в условиях практически полного и пустого резервуара.

Кроме того, изготовление элемента Холла анизотропным по нормали к пластине Холла с возможностью регулирования коэффициента расходимости (зависимости выходного сигнала от направления индукции магнитного поля фиг.6) позволяет получить строго линейную характеристику выходного сигнала от перемещения поплавка за исключением небольших участков у дна и верхней стенки резервуара, что представлено на фиг.5, что в итоге существенно упрощает обработку сигнала и косвенно повышает точность измерений.

Таким образом достигается решение поставленной задачи по увеличению точности измерений уровня жидкости за счет исчезновения зон нечувствительности вследствие новых конструктивных решений.

Литература

1. Описание изобретения к патенту Великобритании 2167563 А, патент "Position and speed sensors" выдан 29.05.1986 г., изобретатели Dr Francls McMullin, John Byrne, Aengus Murray, патентовладелец - фирма Kollmorgen Technologles Corporation, МКИ G 01 B 7/00//7/30, G 01 F 23/30, G 01 P 3/42, H 02 P 6/00.

2. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - 2-е изд. М.: Машиностроение, 1987. - 560 с (страница 498).

3. Харазов К.И. Устройства автоматики с магнитоуправляемыми контактами. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с. (страницы 214, 215).

1. Устройство для определения уровня жидкости, содержащее резервуар закрытого типа, штангу с поплавком и постоянным магнитом, закрепленную одним концом в середине боковой стенки резервуара при помощи шарнира, выполненную с возможностью вращения в вертикальной плоскости, и неподвижный относительно резервуара магниточувствительный элемент, отличающееся тем, что на штанге расположен дополнительно еще один постоянный магнит параллельно первому таким образом, что их полюса сонаправлены и находятся в магнитной связи, образуя однородное плоскопараллельное магнитное поле между ними, причем магниты находятся по разные стороны от оси вращения шарнира, магниточувствительный элемент выполнен на эффекте Холла и размещен между магнитами в горизонтальной плоскости, блок обработки сигнала с элемента Холла, а поплавок содержит два упругих элемента нижний и верхний.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поплавок заполнен газом под давлением, превышающим атмосферное, причем, по крайней мере, верхняя и нижняя части каркаса поплавка выполнены упругими, например, резиноподобными.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на жестком каркасе поплавка закреплены два ленточных нижний и верхний пружинных элемента в форме дуг окружностей, работающие на изгиб, выполненные с возможностью регулирования жесткости, причем коэффициент жесткости для каждого ленточного пружинного элемента выбран таким, что предельная величина деформации изгиба пружинного элемента достигается касанием поплавка дна резервуара для упругого нижнего элемента и верха резервуара для упругого верхнего элемента соответственно при отсутствии жидкости и при полностью заполненном резервуаре.

4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что элемент Холла выполнен анизотропным по нормали к пластине Холла с возможностью регулирования коэффициента расходимости сигнала в зависимости от направления магнитного поля, и установлен соответствующим образом, чтобы компенсировать нелинейность величины погружения поплавка в жидкость.