ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Область техники.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения уровня жидкости в сосудах высокого давления. Уровень техники.
2
В настоящее время создание дешевого, простого и надежного датчика уровня жидкости, работающего при высоких рабочих давлениях (≥250 Кг/см), является актуальной и сложной инженерной задачей.
2
Известны различные модификации поплавковых датчиков уровня жидкости, которые рассчитаны, в основном, на рабочее давление 5...40 Кг/см.
Известен датчик уровня жидкости со свободным поплавком /1/. В резервуаре с жидкостью установлена вертикальная немагнитная трубка, по которой свободно перемещается поплавок в виде герметичной оболочки с кольцевым магнитом. Внутри трубки помещен геркон, или группа герконов. При перемещении поплавка происходит срабатывание геркона.
Известен «Сигнализатор уровня жидкости», содержащий поплавок, состоящий из пустотелых перевернутых стаканов - верхнего и нижнего. Поплавок имеет сквозное отверстие, в котором установлена полая трубка, служащая направляющей для поплавка. Внутри трубки размещен геркон, местоположение которого определяется заданным уровнем жидкости. Нижний стакан имеет хвостовик ступенчатой формы, входящий через резьбовое соединение в верхний стакан. Между внутренней поверхностью верхнего стакана и хвостовиком нижнего стакана при их соединении образуется герметичная кольцевая полость, в которой установлены магниты. На конце трубки установлен ограничитель хода поплавка в виде диска. /2/.
Достоинствами поплавковых датчиков /1, 2/ являются простота в изготовлении и использовании.
К недостаткам этих датчиков уровня жидкости следует отнести то, что их нельзя использовать в сосудах, находящихся под высоким давлением. При высоких давлениях поплавок датчика, испытывая большие остаточные деформации, разрушается и приводит к отказу датчика. Следует заметить, что выполнение поплавка датчика из высокопрочных материалов не решает поставленную задачу.
Известные системы на основе пьезорезонансных датчиков и радиолокационных измерителей уровня жидкости в стандартном исполнении рассчитаны на давление
2
существенно ниже требуемого(≥250 Кг/см). На более высокое рабочее давление рассчитаны дорогие емкостные датчики уровня SITRANS LC 500 /3/, датчики 11500 Z /4/. Однако они имеют небольшую чувствительность в жидкостях с низкой диэлектрической проницаемостью.
Известны ультразвуковые уровнемеры и системы контроля уровня жидкости на их основе, которые устанавливаются снаружи сосуда высокого давления и их работоспособность не зависит от рабочего давления внутри. Стандартные ультразвуковые системы обеспечивают позиционный бесконтактный контроль уровня и "проскока" жидких сред в технологических резервуарах и трубопроводах с различными формами, диаметрами и толщинами стенок. Однако они слишком сложны и дороги.
Решение /2/, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому, выбрано в качестве прототипа.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является повышение надежности датчика уровня жидкости работающего в сосудах высокого давления при сохранении простоты и технологичности конструкции.
Технический результат достигается тем, что в датчике уровня жидкости, включающем поплавок с магнитом и со сквозным отверстием, охватывающим вертикальную направляющую трубку, внутри которой расположен магниточуствительный элемент, и ограничитель хода поплавка на конце трубки, новым является то, что поплавок выполнен в виде объемного тела из несжимаемого материала, плотность которого выше плотности жидкости и снабжен упруго-деформируемым элементом, обеспечивающим перемещение поплавка с магнитом при его погружении в жидкость. При этом ограничитель хода поплавка выполнен с возможностью его регулировки по высоте.
Благодаря выполнению поплавка в виде объемного (сплошного, не пустотелого) тела из несжимаемого материала с плотностью выше плотности жидкости увеличивается его прочность и тем самым надежность датчика. Поплавок может бить изготовлен из материалов стойких в гидравлической жидкости и несминаемых высоким внешним давлением, например полиэтилен, полиамид и т.п.
Упруго-деформируемый элемент обеспечивает перемещение поплавка с магнитом, при его погружении в жидкость, под воздействием Архимедовой силы на требуемую для надежного срабатывания датчика уровня жидкости величину. Упругим элементом может быть пружина или пружины (спиральные, плоские, или кручения), эластичные элементы (из резины или полиуретана) и т.д. Ограничитель хода поплавка, выполненный с
возможностью его регулировки по высоте, регулирует уровень жидкости, при котором происходит срабатывание датчика.
Не обнаружены технические решения, совокупность признаков которых совпадает с совокупностью признаков заявляемого датчика уровня жидкости по п.п.1, 2, в том числе с отличительными признаками. Эта новая совокупность признаков является новым техническим средством, который обеспечивает получение технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".
Заявляемый датчик уровня жидкости представлен на фиг. в сечении: поз.1 - поплавок, поз.2 - магнит, поз.3 - направляющая трубка из немагнитного материала (диамагнетик или парамагнетик), поз.4 - магниточуствительный элемент, поз.3 - упруго-деформируемый элемент, поз.6 - ограничитель хода поплавка (втулка с гайками), поз.7 - фланец.
Заявляемый датчик уровня жидкости конструктивно может быть выполнен следующим образом.
Датчик уровня жидкости содержит немагнитную трубку 3 с фланцем 7. Толщина стенки трубки 3 рассчитана таким образом, чтобы выдерживать без остаточной пластической деформации максимальное давление, на которое рассчитан сосуд, где устанавливается датчик. Внутри трубки 3 расположен магниточуствительный элемент 4, например геркон. Поплавок 1, в виде объемного тела, со сквозным отверстием и закрепленным на нем магнитом 2, устанавливается на направляющей трубке 3 с зазором, зависящим от вязкости применяемой жидкости. Зазор не должен быть излишне большим во избежание перекосов. Поплавок 1 изготовлен из материалов химически стойких к рабочей жидкости, например полиэтилена или полиамида. Плотность материала поплавка выше, чем плотность жидкости. На конце трубки 3, с противоположной от фланца 7 стороны, имеется ограничитель хода поплавка 6 в виде резьбовой вставки с гайками. Между ограничителем хода 6 и поплавком 1, расположен упруго-деформируемый элемент 5, которым служит пружина сжатия. Жесткость пружины рассчитывается из условия обеспечения рабочего хода поплавка 1 при его погружении в жидкость не менее 1...3 мм, необходимого для гарантированного срабатывания геркона.
Заявляемый датчик уровня жидкости работает следующим образом. В исходном состоянии, при отсутствии жидкости поплавок 1 занимает нижнее положение, так как на упруго-деформируемый элемент 5 действует полный вес поплавка 1. В сосуд, на крышке которого установлен фланец 7 датчика, под высоким давлением подается рабочая жидкость. Жидкость, дойдя до определенного, заданного уровня, затапливает
поплавок 1 с установленным на нем постоянным магнитом 2. Уровень жидкости поднимается выше поплавка 1, так как поплавок 1 может не обладать достаточным запасом плавучести. Под действием выталкивающей силы, равной произведению плотности жидкости на объем, поплавок 1 перемещается (приподнимается) под действием упруго-деформируемого элемента 5 на величину, достаточную для переключения геркона 4, по состоянию которого можно судить об уровне жидкости в сосуде высокого давления. Упруго-деформируемый элемент 5 должен быть достаточно мягким и эластичным, так как, при небольших габаритах поплавка 1 и невысокой плотности вытесняемой жидкости, выталкивающая сила невелика. Для гарантированного переключения геркона 4, осуществляющего контроль за уровнем жидкости, необходимо обеспечить рабочий ход поплавка 1 не менее 1-3 мм. При этом, положением ограничителя хода 6 регулируется уровень жидкости, при котором происходит включение геркона 4.
Датчик имеет высокую надежность при высоком давлении, так как поплавок в виде объемного тела из несжимаемого материала, плотность которого выше плотности жидкости, не пористый и не пустотелый, не сминается даже высоким внешним давлением. Надежность подобного датчика уже не зависит от прочности и герметичности поплавка, самого ненадежного в эксплуатации элемента.
Благодаря своим преимуществам предлагаемый датчик уровня жидкости найдет применение, например, для сосудов высокого давления, используемых для хранения и перевозки метана, заправка которых производиться переливом, т.е. выдавливанием жидкости газом высокого давления
В настоящее время проведена конструкторская проработка заявляемого датчика уровня жидкости, изготовлен макет установки высокого давления с применением датчиков. Предварительные испытания датчика показали его надежность при работе в сосудах высокого давления, а следовательно и возможность его применения в промышленной эксплуатации.
Источники информации, принятые во внимание:
1. К.И.Харазов. Устройства автоматики с магнитоуправляемыми контактами. М.: Энергоатомиздат, 1990 с.215 -216;
2. А.с. 1742628 кл. G 01 F 23/56, опубликовано 23-06-1992;
3. https://pi.khe.siemens.de/index.asp?Nr=4932.
4. http://62.213.75.239/equip-db/device.php?id=25001