УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ В БАКЕ
LEVEL GAUGE FOR LIQUID IN TANK

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения уровня различных жидкостей в баках, которые не сообщаются с окружающей средой, т.е. в герметичном объеме. К таким объектам могут относиться баки летательных и космических аппаратов (самолеты, ракеты), подводных лодок, а также емкости, у которых пары перекачиваемой жидкости не должны попадать в окружающую среду из-за экологической опасности, взрывопожаробезопасности.
Оно также предназначено для измерения количества топлива в баках транспортных средств, в частности в вездеходах, топливовозах и топливозаправщиках (снегоболотоходах), предназначенных для работы в особо тяжелых дорожно-климатических условиях при изменениях температуры в большом диапазоне и при низких температурах до -70°C. Особенностью таких транспортных средств является повышенные требования к надежности оборудования, особенно топливной аппаратуры - повышенная взрыво- и пожарозащищенность в тяжелых дорожно-климатических условиях, при сохранении высокой точности и чувствительности.
При изменении уровня при откачивании жидкости, под крышкой бака над контролируемой жидкостью может создаваться разрежение. Это происходит тогда, когда дроссельные отверстия в крышке бака закупорены, например обледенели, загрязнились или конструктивно отсутствуют. Последнее имеет место в случаях, когда жидкость находится в нескольких сообщающихся друг другом баках или, когда баки имеют внутреннюю поджимающую оболочку. Кроме того, даже при наличии дроссельных отверстий, при быстром изменении уровня жидкости, давление под крышкой бака не будет равно атмосферному. В этом случае измерение уровня с помощью известных устройств будут содержать большую погрешность.
Известен ультразвуковой датчик уровня жидкости [патент РФ №2127873, G01F 23/28, опубл. 1999.20.03], содержащий корпус датчика, стержневой акустический волновод, на одном конце которого расположен электроакустический преобразователь, на другом - полый резонатор. Полость резонатора изолирована от внешней среды, корпус датчика жестко и герметично закреплен на поверхности стержневого акустического волновода в зоне минимальных колебаний стержня стержневого акустического волновода на рабочей частоте датчика и содержит узел крепления корпуса датчика к внешнему основанию. В частном случае полость резонатора изолирована от внешней среды пластиной, жестко и герметично прикрепленной к стержневому акустическому волноводу, толщина пластины меньше W/12, где W - длина звуковой волны в стержневом акустическом волноводе на рабочей частоте.
К недостаткам данного датчика относятся следующие.
1. Электрические элементы данного датчика размещаются в непосредственной близости от рабочей среды - контролируемой жидкости, уровень которой измеряется. Этой средой могут быть взрыво- и пожароопасные жидкости. Размещение электрических схем в непосредственной близости от контролируемой горючей и воспламеняющейся жидкости снижает взрыво- и пожаробезопасность уровнемера. В то же время взрыво- и пожаробезопасность особенно важна для вездеходов топливовозов и топливозаправщиков, предназначенных для работы в особо тяжелых дорожно-климатических условиях (снегоболотоходов).
2. Изменения температуры в большом диапазоне, а также низкие температуры до -70°C могут оказывать сильное влияние на работу электронного оборудования, которое находится в необогреваемом месте - в баках с контролируемой жидкостью. При низких температурах электронное оборудование выходит из строя.
3. При больших изменениях температуры происходит изменение физических свойств жидкости, например вязкости, вплоть до кристаллизации ее компонентов (воды) и оседании их на частях измерительного оборудования (парафинов, серы и т.д.), что значительно изменяет волновое сопротивление среды и влияет на точность работы ультразвукового датчика. Так, при изменении температуры от 0 до -70°C, волновое сопротивление жидкой среды изменяется в несколько раз, что снижает точность ультразвуковых датчиков.
4. Изменение физических свойств жидкости вплоть до кристаллизации и оседании ее компонентов на частях измерительного оборудования приводит к изменению резонансной частоты механической колебательной системы датчика и размеры конструкции перестают быть оптимальными, в том числе пластины, изолирующей полость резонатора от внешней среды, а также полого резонатора и волновода.
Известно также устройство для измерения уровня жидкости в баке [патент РФ №2301971, G01F 23/16, опубл. 2007.06.27], содержащее корпус с установленным в герметичной полости емкостным датчиком давления, подключенным к задающему генератору, соединенному через частотомер с цифровым индикатором. Схема измерения устройства снабжена процессором, программа которого выполнена с возможностью отслеживания формы внутренней полости бака. Герметичная полость разделена емкостным датчиком давления на две - нижнюю и верхнюю герметичные полости. Нижняя мембрана расположена в нижней герметичной полости и является измерительной. Устройство снабжено также соединенной с нижней герметичной полостью трубкой со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака с контролируемой жидкостью. В верхней герметичной полости расположена верхняя мембрана емкостного датчика. Герметичная полость датчика снабжена трубкой со сквозным каналом (отверстием) для соединения с атмосферой, Обе трубки заполнены на 5-10 мм несмачивающей жидкостью (например, гель, ртуть и др.), образующей пробки. Столбики из несмачивающей жидкости закрыты от вредных испарений с обеих сторон любым промышленным маслом, например Нигрол, Тад и др. Над верхней герметичной полостью расположена электрическая схема измерений.
При измерении уровня жидкости в баке под давлением устройство снабжено дополнительным каналом для установки в газовый массив бака, который также заполнен на 5-10 мм несмачивающей жидкостью. Устройство также снабжено магнитным элементом для установки устройства в любом выбранном положении и месте. Емкостный датчик давления имеет цилиндрическую форму с гибкими круглыми мембранами.
Внутренняя полость датчика давления соединена каналом с атмосферой и выполнена с двумя сообщающимися полостями, разделенными неподвижной пластиной с отверстием. Средняя пластина экранирована наружными мембранами и является при большой толщине жестким каркасом. При работе в жидких средах под давлением внутренняя полость датчика соединена каналом с газовой подушкой, имеющейся в измеряемом баке.
К недостаткам известного устройства относятся следующие.
1. Данное устройство не может работать при низких температурах (до -70°C). Столбики из несмачивающей жидкости закрыты от вредных испарений с обеих сторон промышленным маслом, например Нигрол, Тад и др., которые при низких температурах загустеют и закупорят трубки. В связи с тем, что принцип действия данного устройства основан на перемещении жидкости по трубке, со сквозным каналом, установленной на дно бака с жидкостью, то ее закупорка означает потерю работоспособности устройства.
2. Кроме того, при больших изменениях температуры происходит изменение физических свойств жидкости, вплоть до выпадения в осадок ее компонентов (парафинов, серы и т.д.) и оседании их на частях измерительного оборудования. Конденсация паров воды из воздуха приводит к образованию кристаллов льда на всасывающих конструкциях, особенно расположенных в нижней части бака (т.к. вода тяжелее топлива). Известная конструкция имеет трубку со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака. Через трубку поднимается столбик контролируемой жидкости. Поэтому в процессе эксплуатации в ней может скапливаться грязь, отложения из соединений серы и парафина и другие загрязнения, в том числе кристаллы замерзшей воды. При низких температурах скорость отложений значительно ускоряется. В связи с тем, что принцип действия данного устройства основан на перемещении контролируемой жидкости (топлива) по трубке со сквозным каналом, то ее засорение означает потерю работоспособности устройства.
Так как данная трубка представляет собой фактически капилляр с малым диаметром, то это может произойти достаточно быстро. Очистка трубки будет являться непростой задачей, так как в ней находится многослойный столбик жидкости - гидрозатвор, состоящий из разделительной несмачивающей жидкости, у которой с двух сторон выполняется изоляция из промышленного масла. При очистке трубки придется заменять и гидрозатвор, что достаточно сложно, особенно в полевых условиях.
3. Точность измерений с помощью данного устройства определяется программным обеспечением, которое зависит от формы бака. Для каждого типа бака требуется перенастройка или замена программы. При использовании нестандартных форм баков для каждого из них потребуется разработка новой программы или существенная корректировка некоторой базовой программы (в том числе ввод новых данных о размерах и форме бака и т.д.). Потребителям данного устройства, которые, как правило, не являются программистами, это будет сделать затруднительно. В этом случае каждый раз потребуется привлекать разработчика данного программного обеспечения, что затрудняет широкое применение устройства, значительно повышает его стоимость и затраты на эксплуатацию.
4. При изменении уровня жидкости во время откачивания жидкости, под крышкой бака, над контролируемой жидкостью, может создаваться разрежение. Это происходит тогда, когда специальные дроссельные отверстия - клапаны в крышке бака, закупорены, например обледенели, загрязнились, или дроссельные отверстия отсутствуют. Последнее может иметь место в тех случаях, когда жидкость находится в нескольких сообщающихся друг другом баках или когда баки имеют внутреннюю поджимающую оболочку. Кроме того, даже при наличии дроссельных отверстий, при быстром изменении уровня жидкости, давление под крышкой бака не будет равно атмосферному. В этом случае измерение уровня с помощью известного устройства будет содержать большую погрешность.
5. Во время движения транспортного средства по пересеченной местности "болтанка" жидкости в баке приводит к соответствующим колебаниям показаний уровнемера, что приводит к большим динамическим погрешностям определения уровня.
6. Устройство обладает сложной конструкцией, что также снижает его надежность, имеет сложную технологию обслуживания и ремонта.
7. Устройство предназначается только для баков одной конкретной высоты и поэтому не может устанавливаться в баках других размеров без дополнительных доработок, что снижает универсальность (взаимозаменяемость) уровнемера.
Основной задачей, решаемой данным изобретением, является повышение надежности устройства, в том числе метрологической надежности измерения количества топлива в баках транспортных средств, в частности в вездеходах, топливовозах и топливозаправщиках (снегоболотоходах), предназначенных для работы в особо тяжелых дорожно-климатических условиях при изменениях температуры в большом диапазоне и при низких температурах до -70°C.
Другой задачей является повышение взрыво- и пожаробезопасности уровнемера, так как контролируемой средой могут быть взрыво- и пожароопасные жидкости.
Задачей является также повышение надежности конструкции уровнемера для транспортных средств, предназначенных для перемещения по пересеченной местности (вездеходов) и поэтому работающих в условиях повышенной тряски, вызывающей раскачивание контролируемой среды, что создает большие динамические нагрузки на уровнемер.
Задачей является также уменьшение динамической погрешности измерений, которая возникает по следующим причинам:
- тогда, когда дроссельные отверстия в крышке бака засорены, например обледенели, загрязнились или отсутствуют. В результате гидростатическое давление будет определяться не только уровнем жидкости, а и переменным давлением паровоздушной атмосферы под крышкой бака;
- при движении транспортного средства по пересеченной местности и возникающих в результате этого колебаний жидкости в баке создаются переменные динамические нагрузки, которые воспринимаются как изменение уровня жидкости в баке.
Кроме того, задачей является повышение универсальности уровнемера так, чтобы он без дополнительных доработок мог устанавливаться в баки разной высоты.
Предлагаемая конструкция в меньшей мере зависит от условий окружающей среды и условий эксплуатации, что достигается с сохранением высокой точности и чувствительности устройства.
Решение данных задач достигается тем, что в предлагаемом уровнемере жидкости в баке, содержащем корпус, дифференциальный датчик давления с двумя входами, подключенный к индикатору, пневмогидравлический блок, включающий герметичную полость, трубку со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака с контролируемой жидкостью одним концом, а другим концом соединенную с одним из входов дифференциального датчика давления, второй вход которого соединен с одним концом второй трубки со сквозным каналом, другой конец которой выведен в паровоздушную атмосферу под крышкой бака, в отличие от прототипа является то, что конец трубки со сквозным каналом, выведенной на дно бака, и конец трубки, выведенной в паровоздушную атмосферу под крышкой бака, соединены с соответствующими герметичными упругими элементами, образуя при этом внутреннюю полость пневматических каналов, изолированную от внешней среды.
Кроме того, в отличие от прототипа в уровнемере жидкости в баке герметичные упругие элементы могут быть выполнены в виде мембранных коробок, в которых часть сторон или все, в частности одна сторона, выполняются упругими, а остальные, соответственно, жесткими, кроме того, упругие стороны могут быть выполнены в виде вставок - мембран, гибких пленок, гофрированных пластин или упругого полого шарика.
Кроме того, в отличие от прототипа в уровнемере жидкости в баке оба герметичных упругих элемента соединены между собой корпусом, выполненным в виде демпфирующего стакана, внутри которого размещается герметичный упругий элемент, устанавливаемый на дне бака с контролируемой жидкостью.
Кроме того, в отличие от прототипа в уровнемере жидкости в баке корпус содержит коаксиальную с демпфирующим стаканом фиксирующую ось, соединяющую между собой герметичные упругие элементы, причем демпфирующий стакан и коаксиальная с ним фиксирующая ось корпуса соединены между собой дисками жесткости.
Кроме того, в отличие от прототипа в уровнемере жидкости в баке демпфирующий стакан корпуса выполнен цилиндрическим.
Кроме того, в отличие от прототипа в уровнемере жидкости в баке демпфирующий стакан состоит из отдельных частей и подвижных муфт, охватывающих стыки отдельных частей, причем количество частей определяется исходя из отношения максимальной высоты бака к длине отдельной части, трубка пневматического канала имеет вид упругой спирали, подвижные муфты имеют сквозные отверстия, в которых находятся шарики, с внешней стороны шарики охвачены упругими хомутами, или в виде упругих колец (пружинных шайб), на внешней стороне отдельных частей демпфирующего стакана, находящихся под подвижными муфтами, имеются канавки, находящиеся на расстоянии друг от друга, равном минимальному фиксируемому положению отдельных частей по отношению друг к другу.
Кроме того, в отличие от прототипа в уровнемере жидкости в баке нижняя отдельная часть демпфирующего стакана соединяется с вышерасположенной отдельной частью демпфирующего стакана с помощью резьбового соединения, максимальная длина отдельной нижней части в выдвинутом состоянии выполняется не меньшей минимальному фиксируемому положению отдельных частей по отношению друг к другу, выше и ниже герметичного упругого элемента установлены шпонки, около нижнего торца демпфирующего стакана выполнены дроссельные отверстия, или непосредственно в его торце дроссельные вырезы.
Кроме того, в отличие от прототипа в уровнемере жидкости в баке герметичный упругий элемент, размещаемый внутри бака в жидкости, выполнен в углублении на дне бака, например в сливной горловине.
Кроме того, в отличие от прототипа в уровнемере жидкости в баке герметичный упругий элемент, размещенный внутри бака в области паровоздушной атмосферы, выполнен внутри крышки бака, которая состоит из входного фланца, прикрепляемого к баку и на резьбовых соединениях с ним через уплотнение горловиной и корпусом, причем к корпусу винтами через пружинные шайбы и прокладку привинчена пластина, трубки пневматических каналов через штуцеры и соединительные трубки подключены к входам дифференциального датчика давления, который крепится к корпусу болтом с шайбой и пружинной шайбой, электрические провода дифференциального датчика давления соединены с клеммой питания "+" от бортовой сети, а его корпус подключен к "массе" болтом, информационный сигнал снимается с сигнальной клеммы.
Кроме того, в отличие от прототипа в уровнемере жидкости в баке пневмогидравлический блок уровнемера размещен во введенном измерительном баке.
Соединение конца трубки со сквозным каналом, выведенной на дно бака, и конца трубки, выведенной в паровоздушную атмосферу под крышкой бака, с соответствующими герметичными упругими элементами, образующее при этом внутреннюю полость пневматических каналов, изолированную от внешней среды, позволяет уменьшить зависимость работы уровнемера от условий окружающей среды и условий эксплуатации, повысить его надежность, в том числе метрологическую надежность измерения количества топлива в баках транспортных средств, с сохранением высокой точности при простоте обслуживания и невысокой стоимости. Так как непосредственно в баке с контролируемой жидкостью расположены только пневмогидравлический блок уровнемера, не содержащий электрических устройств с подводом электроэнергии, а также механических устройств с взаимно перемещающимися деталями, надежность выше, чем у известных конструкций, в частности по сравнению с поплавковыми уровнемерами, содержащими в баке с контролируемой жидкостью механические подвижные элементы конструкции. Новая конструкция позволяет повысить взрыво- и пожаробезопасность уровнемера, так как электрические части уровнемера размещаются вне рабочей среды - контролируемой жидкости, уровень которой измеряется. Кроме того, повышается динамическая точность измерений тогда, когда специальные дроссельные отверстия в крышке бака засорены, например обледенели, загрязнились или отсутствуют.
Выполнение герметичных упругих элементов в виде мембранных коробок, часть сторон или все, в частности одна сторона, которых выполняются упругими, а остальные соответственно жесткими, кроме того, упругие стороны могут быть выполнены в виде вставок - мембран, гибких пленок, гофрированных пластин или упругого полого шарика, позволяет повысить надежность уровнемера, так как чувствительные упругие элементы выполнены герметичными и изменение свойств контролируемой жидкости, увеличение вязкости при низких температурах не отражается на работоспособности уровнемера, предотвращено появление осадков и отложений парафинов, серы на внутренних элементах конструкции, которые существенно ухудшают работу известных уровнемеров. Внутренняя полость пневматических каналов, а также герметичных упругих элементов изолирована от внешней среды, что делает уровнемер нечувствительным к образованию конденсата вследствие перепадов температуры, коррозионному воздействию агрессивных контролируемых жидкостей и к другим возмущающим воздействиям внешней среды и контролируемых жидкостей.
Соединение обоих герметичных упругих элементов между собой корпусом, выполненным в виде демпфирующего стакана и коаксиальной с ним фиксирующей оси, размещение герметичного упругого элемента, устанавливаемого на дне бака с контролируемой жидкостью, внутри демпфирующего стакана, соединение герметичных упругих элементов между собой фиксирующей осью и соединение демпфирующего стакана и коаксиальной с ним фиксирующей оси корпуса между собой дисками жесткости позволяет повысить жесткость конструкции, которая необходима при колебаниях жидкости (во время движения транспортного средства) и боковых воздействиях на пневматический канал. Эти воздействия значительно возрастают при увеличении высоты бака и, соответственно, уровня и объема контролируемой жидкости. Кроме того, демпфирующий стакан не пропускает волны, возникающие на поверхности контролируемой жидкости в свою внутреннюю полость, в которой размещен чувствительный герметичный упругий элемент. В результате уровнемер не будет реагировать на кратковременные изменения уровня, возникающие из-за волн и не связанные со значением уровня, определяемым объемом контролируемой жидкости. Без демпфирующего стакана волны вызывали бы колебания давления и соответствующие колебания выходного сигнала уровнемера и приводили бы к появлению динамической погрешности измерений. Поэтому демпфирующий стакан уменьшает эту погрешность и повышает точность измерений, а также надежность и прочность уровнемера, что позволяет применять разработанный уровнемер в транспортных средствах, предназначенных для перемещения по пересеченной местности, когда возможны значительные колебания жидкости внутри бака.
Выполнение демпфирующего стакана корпуса цилиндрическим упрощает конструкцию, снижает ее себестоимость.
Выполнение демпфирующего стакана корпуса из отдельных частей, стыки которых охватываются подвижными муфтами, причем количество частей определяется исходя из отношения максимальной высоты бака к длине отдельной части, выполнение трубки пневматического канала в виде упругой спирали, а подвижных муфт со сквозными отверстиями, в которых находятся шарики, которые с внешней стороны охвачены упругими хомутами, или упругими кольцами (пружинными шайбами), выполнение на внешней стороне отдельных частей демпфирующего стакана, находящимися под подвижными муфтами, канавок, находящимися на расстоянии друг от друга, равном минимальному фиксируемому положению отдельных частей по отношению друг к другу, позволяет решить задачу повышения универсальности уровнемера, и он без дополнительных доработок может устанавливаться в баки разной высоты.
Выполнение соединения нижней отдельной части демпфирующего стакана с вышерасположенной отдельной частью демпфирующего стакана с помощью резьбового соединения, причем выполнение максимальной длины отдельной нижней части в выдвинутом состоянии не меньшей минимальному фиксируемому положению отдельных частей по отношению друг к другу, установка выше и ниже герметичного упругого элемента шпонок и выполнение около нижнего торца демпфирующего стакана дроссельных отверстий, или дроссельных вырезов непосредственно в его торце позволяет выполнять уровнемер точно такой же высоты, как и у бака, в который он устанавливается. При этом измерение уровня жидкости обеспечивается, начиная непосредственно с самого дна бака.
Размещение одного из герметичных упругих элементов в углублении на дне бака, например в сливной горловине, позволяет производить измерения уровня, начиная от его минимального - нулевого значения. Это расширяет диапазон измерения и повышает точность контроля уровня жидкости без усложнения конструкции уровнемера.
Выполнение герметичного упругого элемента, размещаемого внутри бака в области паровоздушной атмосферы, внутри крышки бака, которая состоит из входного фланца, прикрепляемой к баку и на резьбовых соединениях с ним через уплотнение горловиной и корпусом, причем к корпусу винтами через пружинные шайбы и прокладку привинчена пластина, трубки пневматических каналов через штуцера и соединительные трубки подключены к входам дифференциального датчика давления, который крепится к корпусу болтом с шайбой и пружинной шайбой, электрические провода дифференциального датчика давления соединены с клеммой питания "+" от бортовой сети, а его корпус подключен к "массе" болтом, информационный сигнал снимается с сигнальной клеммы, упрощает конструкцию уровнемера, в том числе его сборку и обслуживание. Благодаря такой конструкции уровнемер легко устанавливается в бак, не требуется дополнительная крепежная арматура, а в самом баке не требуется выполнять каких-либо дополнительных отверстий и доработок в виде фланцев, стоек и т.д. При монтаже уровнемера он легко опускается в бак через крышку бака, привинчивается к входному фланцу. Места электрических и механических соединений легко доступны. Монтаж на баке, а также сборка и разборка при обслуживании, ремонте и разборке легко и быстро осуществляются, не требуется никаких дополнительных инструментов и приспособлений.
Размещение пневмогидравлического блока уровнемера в измерительном баке позволяет измерять уровень в двух и более баках.
Таким образом, все существенные признаки предлагаемого изобретения способствуют меньшей зависимости работы уровнемера от окружающей среды и условий эксплуатации, повышают надежность устройства при изменениях температуры в большом диапазоне и при низких температурах до -70°С, взрыво- и пожаробезопасность, в том числе метрологическую надежность.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена функциональная схема разработанного уровнемера;
на фиг.2 - конструкция пневмогидравлической части уровнемера, размещаемая в баке с контролируемой жидкостью;
на фиг.3 - конструкция демпфирующего каркаса уровнемера;
на фиг.4 - конструкция демпфирующего каркаса и пневматического канала регулируемой длины;
на фиг.5 - вариант конструкции при размещении электронного блока уровнемера в крышке бака;
на фиг.6 - вариант конструкции при размещении герметичного упругого элемента (мембранной коробки) в углублении на дне бака с контролируемой жидкостью;
на фиг.7 - вариант конструкции уровнемера при измерении уровня в двух и более баках;
на фиг.8 - погрешности уровнемера, возникающие если не учитывать изменение давления внутри бака над контролируемой жидкостью при изменении уровня этой жидкости.
Уровнемер уровня жидкости в баке согласно функциональной схеме на фиг.1 содержит пневмогидравлический блок 1, расположенный в баке 2, а также электронный блок 3, расположенный вне бака 2, например в приборном отсеке 4 транспортного средства или в герметичном блоке поблизости от бака 2 (см. ниже) - вне взрыво- и пожароопасной зоны.
Электронный блок 3 уровнемера состоит из дифференциального датчика давления 5, включающего преобразователь датчика давления 5 с двумя входами для пневматических сигналов - "Вход-1" и "Вход-2" соответственно, и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7. Дифференциальный датчик давления 5 может быть основан на индуктивном, емкостном, полупроводниковом принципах действия, быть тензодатчиком (например, MPX50100P/K0704BL) или на другом принципе действия. Дифференциальный датчик давления 5 подключен к индикатору указателя уровня (указатель уровня) 8, расположенному на приборной панели 9 (в состав уровнемера не входит) транспортного средства или, если ими оснащено транспортное средство, к бортовому компьютеру 10, или к бортовой информационно-управляющей системе (БИУС). Для подключения непосредственно к компьютеру в состав дифференциального датчика давления 5 входит АЦП 7.
x
Пневмогидравлический блок 1 уровнемера приведен на фиг.1 и фиг.2. Он размещается в баке 2. Максимальный уровень заполнения бака 2 контролируемой жидкостью - H. Текущий уровень h. В баке 2 над контролируемой жидкостью имеется пространство 11, заполненное паровоздушной атмосферой. Пневмогидравлический блок 1 состоит из двух частей. Первая часть 12 (фиг.1) расположена в жидкости. Она состоит из герметичного упругого элемента 13, который может представлять собой одну или несколько соединенных между собой мембранных коробок. У мембранной коробки часть сторон (или все, как на фиг.2), в частности одна сторона (как на фиг.4) выполняется упругой, а остальные, соответственно, жесткими. Упругие стороны могут быть выполнены в виде вставок - мембран, гибких пленок, гофрированных пластинок и т.д. В качестве упругого элемента может быть также упругий полый шарик. На фиг.2 показан упругий элемент 13 в виде двух мембранных коробок. Герметичный упругий элемент 13 подключен сквозным пневматическим каналом, выполненным в виде трубки 14 малого диаметра к входу "Вход-1" преобразователя 6 дифференциального датчика давления 5. Пневматический канал передает давление жидкости на дифференциальный датчик давления 5 через столб воздуха, находящегося в трубке 14.
Вторая часть 15 (фиг.1) пневмогидравлического блока 1 расположена в паровоздушной среде 11 над контролируемой жидкостью (под крышкой бака). Она состоит из второго герметичного упругого элемента 16, аналогичного герметичному упругому элементу 13. Герметичный упругий элемент 16 подключен сквозным пневматическим каналом - трубкой 17 к входу "Вход-2" преобразователя 6 дифференциального датчика давления 5. Конструкция второй части 15 пневмогидравлического блока 1 содержит узел крепления к крышке бака 2. Узел крепления включает крышку 18, которой закрывается пневмогидравлическая часть уровнемера, под которой выполнены крепежные фланцы 19, 20 датчика и бака соответственно.
Для уровнемеров с большим диапазоном измерения (H>0,3÷-10,5 м и более) для повышения жесткости конструкции оба герметичных упругих элемента 13 и 16 соединены между собой корпусом. Корпус выполнен в виде демпфирующего стакана 21.
Пневмогидравлический блок 1 размещен внутри демпфирующего стакана 21. Для еще большего повышения жесткости герметичные упругие элементы 13 и 16 соединены между собой фиксирующей осью 22, соединяющей центры обоих герметичных упругих элементов и проходящей коаксиально внутри демпфирующего стакана 21. Демпфирующий стакан 21 выполняется негерметичным - имеет в нижней торцевой части специальные вырезы 23 (см. фиг.3 и фиг.4), либо специальные выравнивающие отверстия (не показаны), либо внутренний диаметр демпфирующего стакана 21 выполняется большего диаметра, чем диаметр упругого элемента 13 (фиг.2, 6, 7). В результате демпфирующий стакан 21 заполнен контролируемой жидкостью. Демпфирующий стакан 21 и фиксирующая ось 22 закреплены между собой дисками жесткости 24, в которых также имеются отверстия для прохождения контролируемой жидкости (показаны осевыми линиями).
На фиг.3 приведен вариант конструкции демпфирующего стакана 21 уровнемера. В демпфирующем стакане 21 на боковой поверхности выполнено одно или несколько продольных отверстий 25. Через отверстие 25 продета трубка 14 пневматического канала, а также проходит контролируемая жидкость для взаимодействия с герметичным упругим элементом 13.
2
На фиг.4 приведен вариант конструкции уровнемера, которая может устанавливаться в баки разной высоты. Для этого демпфирующий стакан 21 уровнемера выполнен раздвижным, а трубка 14 пневматического канала - в виде упругой спирали 26. Демпфирующий стакан 21, согласно рассматриваемому варианту, состоит из двух или более частей, соединяемых муфтами 27 со сквозными отверстиями 28, в которых находятся шарики 29. С внешней стороны шарики прижимаются упругими хомутами 30, выполненными, например, в виде упругих колец (пружинной шайбой). На внешней стороне демпфирующего стакана выполнены канавки 31, расположенные на расстоянии друг от друга равном X.
2
Нижняя часть 32 демпфирующего стакана 21 соединяется с вышерасположенной частью демпфирующего стакана с помощью резьбового соединения. Максимальная длина нижней части 32 в выдвинутом состоянии равна расстоянию между канавками - X. Выше и ниже герметичного упругого элемента 13 установлены шпонки 33. В торце демпфирующего стакана выполнены вырезы 23 или отверстия (на фиг. не показаны) непосредственно около его торца.
На фиг.4 и фиг.5 приведен вариант конструкции при размещении второй части 15 пневмогидравлического блока 1 и электронного блока 3 уровнемера в крышке бака 2.
Пневмогидравлический блок 1, при монтаже уровнемера, опускается в бак 2 через крепежный фланец 20 бака. С помощью резьбового соединения с входным фланцем 35 конструкция крышки бака крепится к баку 2. Во входной фланец ввинчивается горловина 36 с корпусом 37. Корпус 37 и горловина 36 соединены резьбовым соединением через уплотнение 38. К корпусу 37 винтами 39 через стопорные шайбы (гровера) 40 и прокладку 41 крепится пластина 42.
Трубки 14 и 17 пневматических каналов через штуцера 43 и соединительные трубки 44 подключены к дифференциальному датчику давления 5 соответственно ко "Входу-1" и "Входу-2". Дифференциальный датчик давления 5 закреплен к корпусу 37 болтом 45 с шайбой 46 и стопорной шайбой 47. Электрические провода 48 дифференциального датчика давления 5 подключены к клемме 49 питания "+" от бортовой сети, его корпус подключен к "массе" болтом 50. Информационный сигнал снимается с сигнальной клеммы 51.
На фиг.6 приведен вариант конструкции уровнемера при размещении герметичного упругого элемента 13 пневмогидравлического блока 1 в углублении 52 нижней части бака 2. В нижней части баков 2, как правило, имеются углубления (отстойники) для размещения сливной пробки, предназначенной для слива остатков топлива, накопившихся осадков, загрязнений, в том числе воды и т.д. Так как герметичный упругий элемент 13 может быть выполнен малого размера, то его можно размещать не в дополнительных углублениях, а в уже имеющихся, предназначенных, например, для слива жидкости, при этом не ухудшая их работы по основному назначению.
На фиг.7 приведен вариант конструкции уровнемера при измерении уровня в двух баках - первом 53 и втором 54. По этому варианту можно измерять уровень жидкости в двух и более баках. Пневмогидравлический блок 1 (см. фиг.1) уровнемера размещен в измерительном баке 55 (измерительной емкости), заполняемом контролируемой жидкостью через нижние патрубки 56. Верхний уровень контролируемой жидкости ограничивается верхним патрубком 57 сообщающимся с пространством 11 одного из баков.
В разработанных вариантах конструкции уровнемера непосредственно в баке с контролируемой жидкостью расположены только пневмогидравлический блок уровнемера, не содержащий электрических устройств с подводом электроэнергии, а также механических устройств с взаимно перемещающимися деталями.
Разработанный уровнемер измерения уровня жидкости в баке работает следующим образом. Измерение уровня основано на измерении гидростатического давления, оказываемого на герметичный упругий элемент 13, расположенный на уровне дна бака 2 (фиг.1). Гидростатическое давление зависит от значения уровня контролируемой жидкости и ее плотности и не зависит от формы и объема резервуара. Гидростатическое давление рассчитывается по формуле:
hx
где P - давление столба жидкости;
x
h - высота столба жидкости - уровень контролируемой жидкости;
g - ускорение свободного падения;
ρ - относительная плотность контролируемой жидкости.
x
x
Из этой формулы видно, что если плотность контролируемой жидкости неизменна, переменной величиной в формуле является высота h. Поэтому гидростатическое давление будет прямо пропорционально высоте h, т.е. уровню жидкости в баке 2. Гидростатическое давление в разработанном уровнемере определяется как разность между давлением, оказываемым на герметичный упругий элемент 13, расположенный на уровне дна бака 2, и давлением паровоздушной атмосферы внутри бака 2 - под его крышкой в пространстве 11 действующим на второй герметичный упругий элемент 16.
x
hx
ax
Столб контролируемой жидкости высотой h согласно функциональной схеме на фиг.1 и фиг.2, оказывает давление P на герметичный упругий элемент 13, расположенный на уровне дна бака 2, или в углублении на дне бака 2 - фиг.6. Кроме давления столба жидкости на герметичный упругий элемент 13, действует давление, равное давлению P паровоздушной атмосферы над контролируемой жидкостью в пространстве 11 внутри бака 2 - под его крышкой. Т.е. суммарное давление на герметичный упругий элемент 13 равно
ax
2
ax
Оно передается по пневматическому каналу, выполненному в виде трубки 14, на "Вход-1" преобразователя 6 дифференциального датчика давления 5. В свою очередь, давление P под крышкой бака 2 в пространстве 11 над контролируемой жидкостью (см. фиг.1) воздействует на герметичный упругий элемент 16. Он конструктивно распложен в части 15 пневмогидравлического блока 1 уровнемера, которая находится под крышкой бака 2 (фиг.5). Давление на упругий элемент 16 P=P передается по пневматическому каналу, выполненному в виде трубки 17, на вход "Вход-2" преобразователя 6 дифференциального датчика давления 5.
ax
x
1
hx
ax
2
ax
Поэтому, чтобы определить гидростатическое давление и, соответственно, уровень контролируемой жидкости, необходимо из давления, оказываемого на дно бака 2, вычесть давление P над поверхностью этой жидкости. Эту функцию выполняет дифференциальный датчик давления 5. Выходной электрический сигнал дифференциального датчика давления 5 пропорционален алгебраической сумме давлений P, измеряемых мембраной 13 - P, т.е. давлению жидкости P и паровоздушной среды P в пространстве 11 под крышкой бака и давлению, измеряемому герметичным упругим элементом 16 - P, равному давлению паровоздушной среды P.
Из формулы (1)-(3) видно, что благодаря предложенному в разработанной конструкции уровнемера размещению чувствительных герметичных упругих элементов внутри бака 2 под слоем жидкости и под крышкой бака статическое паровоздушное давление полностью скомпенсировано и электрический сигнал датчика давления 5 пропорционален только давлению столба жидкости и, соответственно, уровню жидкости в баке 2. Преобразуемой величиной остается только гидростатическое давление в баке 2, измеряемое на уровне, на котором располагается герметичный упругий элемент 13.
Для получения информации об уровне жидкости до самого дна бака 2, начиная от его минимального - нулевого значения, герметичный упругий элемент 13 размещается в углублении 52 на дне бака 2, т.е. ниже уровня его дна. При малых значениях уровня во время движения транспортного средства часть дна рядом с нижним торцом датчика уровня может оголяться из-за перетекания жидкости, и датчик будет показывать нулевые значения, в то время как жидкость в баке еще остается. Размещение торца датчика в углублении 52 на дне бака 2 позволяет исключить получение ложных нулевых отсчетов уровня при движении транспортного средства, а также уменьшить вероятность попадания воздуха в топливозаборное отверстие при малом уровне топлива в баке.
2
Раздвижение и фиксация взаимного расположения частей стакана 21 и муфты 27 осуществляется за счет вхождения шариков 29 в канавки 31. Изменение длины демпфирующего стакана осуществляется при ослабленном натяжении хомутов 30 с помощью натяжных винтов (на фиг. не показаны). Фиксация необходимой длины (размера) осуществляется попаданием шариков 29 в канавки 31 с последующей затяжкой хомутов 30. Дискретное наращивание или уменьшение длины демпфирующего стакана осуществляется изменением числа его отдельных частей. Расстояние от дна бака до упругого герметичного элемента 13 будет лежать в пределах от 0 до X (расстояние между канавками).
2
Для точной установки упругого герметичного элемента 13 непосредственно у дна бака нижняя часть демпфирующего стакана выполнена с резьбовым соединением с выше расположенной частью демпфирующего стакана. Поэтому нижняя часть демпфирующего стакана может перемещаться вверх и вниз при ее вращении в пределах длины резьбы от 0 до X. При перемещении нижней части демпфирующего стакана вместе с ней перемещается герметичный упругий элемент 13. При этом благодаря зазору между ними герметичный упругий элемент перемещается без вращения и трубка 14, соединенная с ним, раскручивается или соответственно скручивается из спирали 26. Усилие, вызывающее перемещение герметичного упругого элемента, передается с помощью шпонок 33 устанавливаемых соответственно выше и ниже него. Если нижняя часть демпфирующего стакана будет упираться в дно бака 2, то прохождение жидкости внутрь демпфирующего стакана обеспечивается дроссельными вырезами 34 в торце стакана, или дроссельными отверстиями (не показаны), выполняемыми непосредственно около его торца.
В разработанном уровнемере внутри бака с контролируемой жидкостью размещены только пневмогидравлические элементы конструкции, не содержащие механических подвижных элементов. Поэтому надежность уровнемера значительно повышается по сравнению с аналогами, в том числе по сравнению с поплавковыми уровнемерами, содержащими в баке с контролируемой жидкостью механические подвижные элементы конструкции.
Все электрические элементы и соединения располагаются вне бака с контролируемой жидкостью. Благодаря тому, что электронный блок 3 уровнемера размещается вне бака 2 - вне взрыво- и пожароопасной зоны, например, в приборном отсеке, или размещается в специальном герметичном блоке поблизости от бака, надежность уровнемера значительно повышается по сравнению с аналогами.
Внутренняя полость пневматических каналов 14 и 17, а также герметичных упругих элементов изолирована от внешней среды, что делает уровнемер нечувствительным к образованию конденсата вследствие перепадов температуры, коррозионному воздействию агрессивных контролируемых жидкостей и к другим возмущающим воздействиям внешней среды и контролируемых жидкостей.
Размещение электронного блока 3 уровнемера в крышке бака (фиг.5), а также крепление пневмогидравлического блока 1 к входному фланцу 35, в котором находится горловина 36 с ввинченным корпусом 37, упрощает конструкцию уровнемера, в том числе его сборку и обслуживание. Благодаря такой конструкции уровнемер легко устанавливается в бак, не требуется какая-либо дополнительная крепежная арматура, а в самом баке не требуется выполнять каких-либо дополнительных отверстий и доработок в виде фланцев, стоек и т.д.
Благодаря размещению пневмогидравлического блока 1 в демпфирующем стакане 21, внутри которого, коаксиально с ним, размещена фиксирующая ось 22, повышается жесткость конструкции, необходимая при колебаниях жидкости (во время движения транспортного средства) и боковых воздействиях на канал. Эти воздействия значительно возрастают при увеличении высоты бака 2 и, соответственно, уровня и объема контролируемой жидкости. Крепление демпфирующего стакана 21 и фиксирующей оси 22 дисками жесткости 24 дополнительно повышает жесткость и устойчивость конструкции. Кроме того, демпфирующий стакан 21 не пропускает волны, возникающие на поверхности контролируемой жидкости, в свою внутреннюю полость, в которой размещен чувствительный герметичный упругий элемент - мембрана 13. В результате уровнемер не будет реагировать на кратковременные изменения уровня, возникающие из-за волн и не связанные со значением уровня, определяемым объемом контролируемой жидкости. Без демпфирующего стакана 21 волны вызывали бы колебания давления и соответствующие колебания выходного сигнала уровнемера (накладывались на показания уровня) и приводили бы к появлению динамической погрешности измерений. Поэтому демпфирующий стакан уменьшает эту погрешность и повышает точность измерений, а также надежность и прочность уровнемера, что позволяет применять разработанный уровнемер в транспортных средствах, когда возможны колебания жидкости внутри бака 2.
При изменении уровня жидкости в баке, например при откачивании жидкости, под крышкой бака над контролируемой жидкостью может создаваться разрежение (при повышении уровня соответственно повышение давления). Это происходит тогда, когда дроссельные отверстия (не показаны) в крышке бака 2 закупорены, например, обледенели, загрязнились или отсутствуют. Последнее может иметь место в тех случаях, когда жидкость находится в нескольких сообщающихся друг с другом баках или когда применяются внутренние поджимные оболочки.
ax
x
ax
ax
a
0
Кроме того, даже при наличии дроссельных отверстий, при быстром изменении уровня жидкости, давление под крышкой бака не будет равно атмосферному. То есть давление P при изменении уровня h тоже будет изменяться. Так как при закупоренных дроссельных отверстиях или их отсутствии и при T=Const и PV=PV=Const имеем:
o
где V - объем воздуха под крышкой бака при максимальном уровне контролируемой жидкости;
a
P - давление паровоздушной атмосферы над контролируемой жидкостью внутри бака 2 при максимальном уровне контролируемой жидкости;
ax
P - давление паровоздушной атмосферы над контролируемой жидкостью внутри бака 2 при изменении уровня контролируемой жидкости;
ax
V - объем воздуха под крышкой бака при изменении уровня жидкости.
В этом случае результаты измерения уровня с помощью известных устройств, которые не учитывают изменение давления внутри бака над контролируемой жидкостью, будут содержать большую погрешность.
x max
Относительная погрешность измерения уровня приведенная к максимальному значению результирующего давления P на чувствительном упругом элементе имеет вид:
x
x
x
ж
где ΔP=P-hgρ - ошибка измерения;
х max
ж
x
Р=hgρ - максимальная разность давлений между мембранами 13 и 16, которая возникает при максимальном уровне жидкости в баке и, соответственно, h=h.
x
max
x
После подстановки P и ΔP относительная погрешность имеет вид:
x
x
o
Из (6) видно, что относительная погрешность обратно пропорциональна плотности контролируемой жидкости, максимальному уровню жидкости и растет при уменьшении уровня жидкости от максимального значения. Погрешность от изменения давления воздуха в баке при h=0 максимальна, а при h=h отсутствует. Погрешность пропорционально растет с ростом атмосферного давления и уменьшается при увеличении V.
x
Относительная погрешность измерения уровня, приведенная к значению результирующего давления P на чувствительном элементе датчика при hx=0 имеет вид:
где  - относительное значение уровня контролируемой жидкости;
- относительное значение пустого объема бака по сравнению с максимальным объемом жидкости.
x
o
При h=h и, соответственно  т.е. при полном баке γ=0 и в этой точке погрешность от изменения давления воздуха в баке отсутствует.
x
x
полн.
ax
o
o
При h=0 - т.е. при пустом баке  в этой точке погрешность от изменения давления воздуха в баке максимальна. Так как при h=0 V=V, то эта погрешность равна 100%. При V=0 γ=100%.
Погрешности уровнемера, возникающие от изменения давления внутри бака над контролируемой жидкостью при изменении уровня этой жидкости, приведены в виде соответствующих зависимостей на фиг.8. Из рисунка видно, что при уменьшении уровня контролируемой жидкости, погрешность резко возрастает до 100%. Это означает, что показания такого уровнемера являются недостоверными, а сам уровнемер непригодным для работы в таких условиях (низких температурах, условиях обледенения и т.д.). Разработанная конструкция уровнемера этих погрешностей не имеет.
Предлагаемая конструкция в меньшей мере зависит от условий окружающей среды и условий эксплуатации с сохранением высокой точности и надежности устройства, при простоте обслуживания и невысокой стоимости.
Предлагаемая конструкция имеет более высокую надежность, так как чувствительные упругие элементы выполнены герметичными и изменение свойств контролируемой жидкости (увеличение вязкости при низких температурах, выпадения в осадок ее компонентов парафинов, серы и т.д.) не отражается на их работоспособности. Предлагаемая конструкция имеет более высокую метрологическую надежность, так как при измерении уровня отсутствует погрешность от изменения давления в баке, что особенно актуально для особо тяжелых дорожно-климатических условий, а также выше динамическая точность при измерениях в процессе движения транспортного средства за счет демпфирования колебаний жидкости у пневматического канала.
Предлагаемая конструкция имеет более высокую надежность также и благодаря тому, что позволяет обеспечить взрыво- и пожаробезопасность уровнемера, так как электрические части уровнемера размещаются вне рабочей среды - контролируемой жидкости, уровень которой измеряется. Этой средой могут быть взрыво- и пожароопасные жидкости. Надежность повышена также за счет установки уровнемера в бак без необходимости выполнять дополнительные отверстия и врезки, так как он может быть установлен через горловину заправочного отверстия (крышку бака).
Кроме того, предлагаемая конструкция более проста при изготовлении, технологии сборки, обслуживания и эксплуатации, т.е. проще и дешевле. Достоинством разработанного уровнемера является высокая точность при высокой надежности.
В настоящее время на базе ОАО "Машиностроительная компания "Витязь" изготовлен опытный образец уровнемера. Проведены стендовые сравнительные испытания уровнемера с ближайшими аналогами, которые подтвердили решение поставленных задач. Проведены натурные испытания уровнемера в полевых условиях на снегоболотоходе "Витязь" и сравнение характеристик штатного и разработанного устройств, которые подтвердили высокую надежность и точность разработанного уровнемера в тяжелых дорожно-климатических условиях.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
1 - пневмогидравлический блок;
30 - хомуты;
2 - бак;
31 - канавки;
3 - электронный блок;
32 - нижняя часть демпфирующего стакана;
4 - приборный отсек;
33 - шпонки;
5 - дифференциальный датчик давления;
34 - вырезы в торце стакана;
6 - преобразователь датчика давления;
35 - входной фланец;
7 - аналого-цифровой преобразователь;
36 - горловина;
8 - индикатор указателя уровня;
37 - корпус;
9 - приборная панель;
38 - уплотнение;
10 - бортовой компьютер;
39 - винты;
11 - пространство, заполненное паровоздушной атмосферой;
40 - стопорные шайбы;
12 - первая часть пневмогидравлического блока 1;
41 - прокладка;
13 - упругий элемент;
42 - пластина;
14 - трубка малого диаметра;
43 - штуцера;
15 - вторая часть пневмогидравлического блока 1;
44 - соединительные трубки;
16 - второй герметичный упругий элемент;
45 - болт;
17 - трубка;
46 - шайба;
18 - крышка;
47 - стопорная шайба;
19 - крепежный фланец датчика;
48 - электрические провода;
20 - крепежный фланец бака;
49 - клемма;
21 - демпфирующий стакан;
50 - болт;
22 - фиксирующая ось;
51 - сигнальная клемма;
23 - выравнивающие отверстия;
52 - углубление в баке;
24 - диски жесткости;
53 - первый бак;
25 - продольные отверстия;
54 - второй бак;
26 - спираль;
55 - измерительный бак;
27 - муфты;
56 - нижний патрубок;
28 - сквозные отверстия;
57 - верхний патрубок;
29 - шарики;