СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области дистанционного контроля и регулирования уровня.
Известны сигнализаторы уровня жидкости, действующие по принципу пороговых поплавковых преобразователей (сборник ЭИ (ВИНИТИ) «Контрольно-измерительная техника», 1989, №15, с.7-9, реф.77), которые имеют чувствительный элемент в виде поплавка с поворотным перемещением и систему электрических контактов, срабатывающих при соответствующем перемещении поплавка, обусловленном воздействием на него выталкивающей силы. Указанные поплавковые преобразователи устанавливаются на боковой стенке бака на высоте, соответствующей сигнализируемому уровню, и имеют относительно малые габариты. Применение магнитной связи в пороговых поплавковых преобразователях позволяет осуществлять передачу усилия срабатывания от поплавка к контактам через непроницаемую стенку из немагнитного материала. Сигнализатор уровня жидкости, выполненный на указанном принципе, имеет поплавок, жестко связанный с ним постоянный магнит, шарнир, ограничители максимальных перемещений поплавка в виде пластин, мембрану из немагнитного материала, выполненную в виде единого блока с механическим герметизирующим элементом, приводной постоянный магнит системы электрических контактов, монтажный фланец и механизм переключения контактов.
Однако, такой сигнализатор сложен по устройству, и недостаточно надежен в работе по причине наличия большого числа подвижных элементов. При этом, выдача сигнала в режиме расхода или заправки может производиться только на одном заданном уровне жидкости.
Наиболее близким, принятым за прототип является сигнализатор уровня жидкости (авт. свид. SU №1675685 кл. G 01 F 23/32, 23/56, 23/62). При подъеме поплавка с повышением уровня жидкости в направляющей трубе, встроенный в него управляющий магнит приходит во взаимодействие с магнитом в полости рычага, в результате чего происходит перемещение этого магнита в
противоположную от трубы сторону, поворот рычага вокруг шарнира и вхождение магнита рычага во взаимодействие с герконом, который включается. При понижении уровня жидкости и опускании поплавка процесс происходит в обратной последовательности, в результате чего геркон выключается.
Известный сигнализатор уровня жидкости имеет следующие недостатки.
Ограниченность функциональных возможностей по следующей причине: крайние положения рычага, в которых его магнит также занимает крайнее положение, оказываются относительно зафиксированными, что обеспечивает устойчивую работу сигнализатора и, несмотря на конечную скорость изменения уровня жидкости, переброска рычага из одного положения в другое должна происходить скачкообразно. В связи с этим, однако, невозможна сигнализация нескольких, например двух, уровней с использованием одного рычага, поскольку при установке, двух герконов со смещением по высоте будет наблюдаться или одновременное срабатывание обоих герконов, или надежное срабатывание только одного из них.
Его функциональные возможности также ограничены возможностью сигнализации только в режиме заправки жидкости по причине того, что включение геркона должно производиться магнитом, который перемещается в противоположную от трубы сторону, однако это возможно только в процессе подъема поплавка с уровнем жидкости. Таким образом, указанный сигнализатор не может быть применен для выдачи сигнала при расходе жидкости.
Известный сигнализатор имеет по крайней мере три подвижных элемента, без учета контактов геркона, и остается конструктивно сложным. Наружное расположение, а также конструктивное выполнение рычага с неподвижной опорой в средней части, характеризующее его, как рычаг первого рода, увеличивает габариты устройства.
Зазор между поплавком и внутренней поверхностью направляющей трубки, который в подобных устройствах должен быть задан предельно минимальным для обеспечения эффективного магнитного взаимодействия, при прохождении поплавком зоны расположения рычага может оказаться полностью выбранным
под действием сил магнитного притяжения, что приведет к возрастанию сил трения, тормозящего перемещение поплавка, и, как следствие, - к снижению точности сигнализации заданного уровня жидкости.
Кроме того, сигнализатор не будет обладать достаточной надежностью при работе в баке транспортного средства, где под влиянием механических нагрузок, типа вибрации и тряски, возможно нарушение его функционирования вследствие расцепления магнитной связи между двумя подвижными элементами: рычагом и поплавком, что ограничивает область применения сигнализатора стационарными установками.
В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача расширения функциональных возможностей и области применения, уменьшение габаритов и упрощение устройства, повышение точности и надежности сигнализации уровня.
С целью выполнения поставленной задачи, что в сигнализаторе уровня жидкости, содержащем поплавок, установленный на нем магнит, рычаг, выполненный с возможностью поворота вокруг горизонтального шарнира, ограничитель хода поплавка и геркон, установленный с возможностью включения от магнита, связанного с рычагом, новым, согласно полезной модели, является то, что поплавок с поворотным перемещением и рычаг второго рода объединены в один элемент конструкции, причем ось шарнира параллельна оси намагничивания магнита, жестко связанного с концом рычага, и осям герконов, установленных с возможностью поочередного вхождения поворачивающегося поплавка во взаимодействие с ними, одновременного взаимодействия по крайней мере с двумя герконами, а также, при вхождении поплавка в контакт с ограничителем, продолжения его взаимодействия по крайней мере с одним герконом.
Расширение функциональных возможностей сигнализатора достигается установкой, нескольких, например, двух герконов с возможностью поочередного вхождения поворачивающегося поплавка во взаимодействия с ними, одновременного взаимодействия по крайней мере с двумя герконами, а также, при вхождении поплавка в контакт с ограничителем, продолжения его взаимодействия по крайней мере с одним герконом, что позволяет использовать
один рычаг в сигнализаторе для выдачи нескольких сигналов, что недостижимо в прототипе. Расширение функциональных возможностей сигнализатора достигается также тем, что, благодаря жесткой связи магнита с концом рычага, устройство допускает возможность включения геркона при подходе к нему этого плеча рычага как снизу, так и сверху, что обеспечивает сигнализацию как при заданной заправке, так и при расходе жидкости.
Расширение области применения обеспечивается возможностью применения сигнализатора в баке транспортного средства, где механические нагрузки не сказываются на надежности его функционирования благодаря минимальному числу магнитных связей и подвижных элементов.
Упрощение, повышение надежности и уменьшение габаритов устройства достигается тем, что поплавок с поворотным перемещением и рычаг второго рода объединены в один элемент конструкции, при этом подвижным элементом в конструкции остается только поплавок.
При повороте поплавка силы трения существуют только между поплавком и осью, благодаря малому диаметру которой, их тормозящий момент незначителен по сравнению с вращающим моментом, что повышает, по сравнению с прототипом, точность сигнализации уровня.
Другим преимуществом предлагаемого сигнализатора является то, что с рычагом связано не менее двух магнитов, намагниченных в одном направлении, равноудаленных от оси шарнира и установленных с угловым смещением относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную зону взаимодействия поплавка с герконом.
Указанное выполнение рычага расширяет угол взаимодействия поплавка с герконом, что в случае применения сигнализатора на транспортном средстве, исключает вероятность ложных включений или выключении герконов при механических нагрузках типа вибрации или тряски, и, кроме того, позволяет при выдаче нескольких сигналов независимыми герконами дополнительно расширить диапазон сигнализации уровня жидкости и угол выдачи сигнала.
Для более полного раскрытия сущности полезной модели на Фиг.1 представлено сечение предлагаемого сигнализатора по вертикальной оси, на
Фиг.2 - вертикальное сечение поплавка с поворотным перемещением, на Фиг.3 - непрерывная зона взаимодействия поплавка с герконом. Пример выдачи трех сигналов приведен: на Фиг.4а - тремя герконами и на фиг.4б - двумя.
В соответствии с Фиг.1. сигнализатор уровня жидкости содержит поплавок 1 с поворотным перемещением, установленный на нем магнит 2, рычаг второго рода, объединенный с поплавком 1 в один элемент конструкции и выполненный с возможностью поворота вокруг горизонтального шарнира 3, кожух 4, служащий ограничителем хода поплавка 1, и, например, два геркона 5, установленные с возможностью включения от магнита 2, связанного с рычагом-поплавком 1. Ось шарнира 3 параллельна оси намагничивания, например, стержневого магнита 2, жестко связанного с концом рычага-поплавка 1, и осям, например, двух герконов 5, установленных с возможностью обеспечения поочередного вхождения поворачивающегося поплавка 1 во взаимодействие с ними, одновременного взаимодействия по крайней мере с двумя герконами 5, а также, при вхождении поплавка 1 в контакт с кожухом 4, выполняющим роль ограничителя, продолжения его взаимодействии по крайней мере с одним герконом 5.
С рычагом-поплавком 1 связано не менее двух магнитов 2, намагниченных в одном направлении, равноудаленных от оси шарнира 3 и установленных с угловым смещением Δα относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную зону взаимодействия поплавка 1 с каждым из герконов 5. Шарнир 3 крепится к кожуху 4, соединенному с корпусом датчика 6, герметично устанавливаемым на боковую стенку 7 бака и внутри которого расположено, например, два геркона 5, которые могут быть или разнесены по высоте, для раздельной выдачи двух сигналов, или, при близком их взаимном расположении - составлять единый контактный узел, с взаимным соединением, для повышения надежности работы, по параллельной схеме. Герконы 5 подключены к контактам электросоединителя 8. Внутренняя горизонтальная плоскость кожуха 4 обеспечивает фиксацию поплавка 1 в горизонтальном положении, а выступ 9 кожуха 4 предназначен для фиксации поплавка 1 в крайнем отведенном положении под углом, обеспечивающем сохранение возможности его всплытия.
На Фиг.1а приведено устройство, предназначенное для сигнализации при заправке, а на Фиг.1б - при расходе жидкости.
На Фиг.2 приведено вертикальное сечение поплавка 1 с поворотным перемещением в горизонтальном положении, где показано, что точки приложения выталкивающей силы F и силы тяжести Р расположены по одну сторону от неподвижной опоры - оси шарнира 3, таким образом поплавок в данном случае является рычагом второго рода. Сила тяжести Р смещена относительно силы F к концу рычага (приложена к его более длинному плечу), ввиду относительно большого удельного веса магнитов 2, жестко связанных с концом рычага. При этом, поплавок 1 выполнен с таким преобладанием силы F, чтобы ее вращающий момент обеспечивал положительную плавучесть поплавка.
На Фиг.3 показаны:
выкл
вкл
вкл
выкл
на графике «а» - зависимость напряженности магнитного поля H в рабочем зазоре геркона от угла поворота α поплавка с одним магнитом и угол выдачи сигнала (α-α), зависящий от напряженностей включения Н и выключения Н геркона;
на графике «б» - две аналогичных зависимости для каждого из двух магнитов, установленных с угловым смещением Δα относительно друг друга;
I
выкл
вкл
н
г
в
на графике «в» - результат суммирования напряженности двух магнитов, намагниченных в одном направлении, из которого очевидно, что угол выдачи сигнала (α -α), благодаря применению двух магнитов в поплавке, расширяется более, чем в два раза; при этом указанные на графике обозначения углов α, α, α соответствуют углу отклонения от вертикали нижнего, горизонтального и верхнего положений поплавка.
Сигнализатор уровня жидкости, приведенный на Фиг.1а, работает следующим образом. Жидкость в исходном состоянии отсутствует, а поплавок 1 сигнализатора находится в крайнем нижнем положении. При этом поплавок 1 опирается на выступ 9 кожуха 4 и находится вне зоны взаимодействия с герконами 5, которые, в данном примере, рассматриваются, как единый контактный узел, и в данный момент находятся в выключенном состоянии Это положение поплавка соответствует предельно нижнему углу отклонения его от
н
вкл
вкл
г
вкл
г
выкл
вертикали α на графике Фиг.3, в), при котором напряженность магнитного поля Н в рабочем зазоре герконов стремится к нулю. При подъеме уровня жидкости и ее контакте с поплавком 1 выталкивающая сила F, приложенная к точке поплавка 1, указанной на Фиг 2, и направленная вертикально вверх, начинает расти от нуля и когда ее вращающий момент превысит момент силы тяжести Р, поплавок 1 отходит от выступа 9 и начинает поворачиваться вокруг шарнира 3 по направлению к корпусу 6. По мере подхода к нему, ближайший из магнитов 2 последовательно входит во взаимодействие с герконами 5, при достижении угла α включается тот геркон 5, в зазоре которого напряженность магнитного поля достигла величины Н, и в результате сигнализатор выдает сигнал. При дальнейшем повороте поплавка 1 и нарастании напряженности, наряду с первым герконом 5 включается второй, повышая этим надежность выдачи сигнала. Дальнейшее повышение уровня жидкости и поворот поплавка 1 вплоть до горизонтального положения не изменяет включенного состояния герконов 5, так как, в соответствии с Фиг.3, в), в процессе поворота и при угле α напряженность Н остается выше величины Н. Выдача сигнала сохраняется и при дальнейшем подъеме уровня жидкости, так как поплавок 1 фиксируется в горизонтальном положении внутренней плоскостью кожуха 4. При работе сигнализатора в баке транспортного средства и возможном отрыве поплавка 1 от этой плоскости под воздействием механических нагрузок, вероятность ложного выключения близка к нулю благодаря применению двух магнитов 2, намагниченных в одном направлении, равноудаленных от оси шарнира 3 и установленных с угловым смещением Δα относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную зону взаимодействия поплавка 1 с каждым из герконов 5, и значительному по величине углу (α-α) обратного поворота в жидкости, который бы пришлось поплавку 1 совершить до момента выключения сигнала.
в
Работа сигнализатора, изображенного на Фиг.1б также в положении, соответствующем пустому баку, в случае расхода жидкости происходит аналогично. При полном баке выталкивающая сила F, см. Фиг.2, максимальна и превышает силу тяжести Р, а поплавок 1 упирается в выступ 9, см. Фиг.1, что соответствует предельно верхнему углу α на графике Фиг.3, в). При опускании
I
I
вкл
г
г
выкл
уровня жидкости до поплавка, начиная с определенного момента времени сила F начинает уменьшаться и когда ее вращающий момент станет меньше момента силы Р, поплавок 1 выйдет из контакта с выступом 9 и начнет поворачиваться вокруг шарнира 3 по направлению к корпусу 6. Начиная с угла α , положения поплавка включаются герконы 5 и производится выдача сигнала, которая сохраняется при достижении горизонтального - предельно низкого положения поплавка, под углом α, а также дальнейшем понижении уровня жидкости. При пустом баке транспортного средства и кратковременном отрыве поплавка 1 от внутренней плоскости кожуха 4, под влиянием механических нагрузок, вероятность ложного выключения сигнала близка к нулю, благодаря значительному по величине углу (α-α ) обратного поворота, который бы пришлось совершить поплавку до момента выключения.
вкл
вкл
I
При расчете высоты установки сигнализатора уровня на боковой стенке 7 бака руководствуются положением линии плавучести на поплавке 1 при достижении им угла α при заправке или угла α  при расходе, которая будет соответствовать заданному уровню выдачи сигнала.
1
2
2
3
Для выдачи нескольких, например, двух сигналов от независимых герконов 5 на различных уровнях, поплавок 1, в процессе поворота направлению к горизонтальному положению, поочередно входит во взаимодействие с герконами 5, далее одновременно взаимодействует с двумя герконами, а при вхождении в контакт с кожухом 4, выполняющим роль ограничителя, продолжает взаимодействовать по крайней мере с одним герконом. В результате, образуются две зоны выдачи сигнала при заданных углах положения поплавка α, α, показанные на Фиг.4а, например, для режима заправки. По окончании полной заправки включенным остается только геркон 5, ближайший к горизонтальной оси сигнализатора. В этом случае выдача на участке α-α двух сигналов одновременно используется, как дополнительный сигнал об уровне жидкости и, таким образом, обеспечивается выдача трех сигналов двумя герконами.
Выдача всех сигналов с заданным условием их сохранения при дальнейшем перемещении уровня жидкости за пределы ограничителя, обеспечивается благодаря достигнутому увеличению более, чем вдвое угла взаимодействия
1
2
3
поплавка с герконом, показанному на Фиг.3. В этом случае образуются зоны выдачи сигнала, например, тремя герконами при углах положения поплавка α, α, α, показанные на Фиг.4б, например, для режима расхода.
2
2
По сравнению с прототипом, возможность работы предлагаемого сигнализатора как при заправке, так и при расходе жидкости, а также выдачи нескольких сигналов расширяет его функциональные возможности. Сокращение числа магнитных связей между элементами, а также установка в поплавке не менее двух магнитов, намагниченных в одном направлении, с угловым смещением относительно друг друга, обеспечивающим непрерывную увеличенную зону взаимодействия поплавка с герконами, понижают вероятность ложных включений и выключении сигнала в условиях механических нагрузок при работе в баке транспортного средства, включающих вибрационные с ускорением до 98,1 м/с и ударные до 117,6 м/с, что расширяет область применения сигнализатора.
3
Благодаря тому, что поплавок с поворотным перемещением и рычаг второго рода объединены в один элемент конструкции, а также сокращению числа магнитных связей и подвижных элементов до одного, упрощено устройство и уменьшены габариты сигнализатора уровня жидкости. При этом сохраняется трение только на оси поплавка, что не препятствует его свободному вращению и обеспечивает точность сигнализации в соответствии с нормами для поплавковых сигнализаторов. Изготовленные и испытанные образцы сигнализатора имеют габариты не более (80×50×50) мм, длину внебаковой части по горизонтальной оси - не более 30 мм, а погрешность сигнализации уровня жидкости не превышающую ±4 мм.
Применение данного сигнализатора не требует сложного аппаратного и программного обеспечения.