ЛОТОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ
SOUNDING LEAD LEVEL METER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области промышленной автоматики и может быть использовано для измерения уровня продукта в хранилищах силосного типа (элеваторы, бункеры), в том числе на опасных промышленных объектах.
Уровень техники
При измерении уровня продукта с помощью лота используется шнур, к концу которого прикреплен груз. Груз опускают в емкость до касания уровня продукта. Момент касания определяют по натяжению шнура лота. Результат измерения определяют по длине шнура от точки отсчета уровня до груза. Длину шнура определяют по числу оборотов вала шкива, на котором изначально намотан шнур. Погрешность такого устройства определяется тем, что при намотке шнура "внавал" диаметр витка случайным образом зависит от количества витков. Поэтому для повышения точности вместо шнура используют ленту. При намотке ленты можно точно предсказать зависимость диаметра витка от количества витков. На этом принципе построены многие промышленные лотовые измерители уровня. Однако применение неметаллической ленты приводит к нарушению принципов обеспечения электростатической искробезопасности, согласно которым площадь неметаллических предметов во взрывоопасной зоне по ГОСТ Р 52274-2004 не может превышать 100 кв.см, поэтому обычно применяют металлическую ленту. Металлическая же лента при типовой ее длине 30 м имеет вес несколько килограммов, что требует для подъема ее и груза на конце ленты применения мощного двигателя с мощным устройством управления, что приводит к усложнению и удорожанию устройства.
Для предотвращения засыпания груза во время загрузки силоса используют электронные системы блокировки.
При использовании в лотовом измерителе троса, который наматывается "внавал" в известных устройствах (см., например, http://www.evroprylad.com.ua/catalog/item/78/), для определения длины троса используется энкодер, вращение к которому передается от шкива, который вращается проходящим через него тросом. Недостатком этого устройства также является высокая сложность, большой вес, габариты и цена.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство INNOLevel LOT http://rusautomation.ru/lotovye/elekttromehanicheskie/innolevel_lot, состоящее из катушки, па которую намотана металлическая лента, двигателя и энкодера для подсчета числа оборотов вала двигателя, а также датчиков натяжения ленты и датчика верхнего положения груза.
Принцип действия устройства основан на подсчете числа импульсов энкодера, которое соответствует числу оборотов шкива, закрепленного на валу двигателя. Начало счета определяется датчиком верхнего положения груза, конец счета - датчиком натяжения ленты, которое слабевает при касании грузом продукта. Для обеспечения взрывобезопасности электрическая и механическая части устройства расположены в разных отсеках корпуса устройства, а в качестве материала ленты используется сталь.
Общим недостатком известных устройств является сложность, большой вес и большая потребляемая мощность, что приводит к высокой стоимости устройств.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение устройства при условии обеспечения требований искробезопасности.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве вместо металлической ленты используется неметаллическая нить толщиной 100 мкм или менее, что обеспечивает выполнение требований стандартов к электростатической искробезопасности, а вместо двигателя с энкодером используется шаговый двигатель, число оборотов вала которого подсчитывается по числу импульсов, подаваемых на шаговый двигатель и отсчитываемых между моментами срабатывания датчиков нижнего и верхнего положения груза.
Датчик верхнего положения груза выполнен в виде трубки-штока, которая свободно перемещается в вертикальном направлении внутри направляющей трубки. При достижении грузом верхнего положения он толкает трубку-шток, на втором конце которой закреплен магнит, магнит приближается к геркону, момент срабатывания которого и является моментом срабатывания датчика верхнего положения груза.
Благодаря малой толщине нити намотка нити "внавал" слабо влияет на погрешность измерений, а благодаря малому весу нити стало возможным применение груза с малым весом и маломощного шагового двигателя, что существенно снижает сложность, вес, потребляемую мощность и цену устройства (до 10 раз). Техническая реализуемость устройства обеспечивается применением выпускаемых промышленностью нитей толщиной 0,1 мм и менее с усилием разрыва 4 кг, например плетеная леска Berkley FireLine.
В основе изобретения лежит идея применения новейшего материала - сверхтонкой и сверхпрочной нити вместо металлической ленты. Это позволило при намотке "внавал" обеспечить низкую погрешность пересчета числа оборотов шкива в длину нити и одновременно упростить устройство за счет исключения из него энкодера и снижения мощности и веса двигателя и схемы управления примерно в 10 раз.
Дальнейшим усовершенствованием предлагаемого устройства является применение в нем укладчика нити "виток к витку", что повышает точность измерения примерно в 10 раз. Применение укладчика стало возможным потому, что применение тонкой нити позволило уложить ее в один ряд. Например, для измерения уровня до 30 м при толщине нити 0,1 мм достаточно использовать шкив диаметром 3 см и шириной 3 см, что обеспечивает простоту устройства.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства (вид сбоку). Здесь 1 - шкив, на котором намотана нить; 2 - нить; 3 - груз; 4 - трубка; 5 - трубка-шток; 6 - магнит; 7 - геркон; 8 - блок; 9 - датчик натяжения нити; 10 - пружинящий прижим; 11 - корпус устройства; 12 - шаговый двигатель.
Фиг.2 - структурная схема предлагаемого устройства с укладчиком (вид сверху). Здесь 1 - шкив, на котором намотана нить; 2 - нить; 12 - шаговый двигатель; 17 - второй шаговый двигатель; 13 - шпилька с резьбой; 16 - прямоугольная гайка с направляющей 15; 14 - блок; 4 - трубка-шток.
Осуществление изобретения
В исходном состоянии груз 3 касается нижнего конца трубки 4, трубка-шток 5 находится в верхнем положении, магнит 6 касается геркона 7, нить полностью намотана на шкив 1. Для измерения уровня шаговый двигатель 12 вращает шкив 1, магнит отходит от геркона 7. Сигнал с геркона является сигналом начала счета импульсов, подаваемых на шаговый двигатель. Груз опускается вниз под своим весом и при касании уровня продукта в силосе резко падает натяжение нити, что приводит к срабатыванию датчика 9. Сигнал от него является сигналом окончания счета импульсов и сигналом к изменению направления вращения вала шагового двигателя 12. После подъема груза он поднимает трубку-шток 5, на втором конце которой закреплен магнит 6, который касается геркона 7, сигнал с которого является сигналом окончания процесса измерения. Пружинящий прижим 10 обеспечивает плотную намотку нити и предотвращает сползание ее витков. Трубка 4 предотвращает попадание пыли в корпус устройства, поскольку пыль не обладает свойством диффузии.
Дальнейшим усовершенствованием изобретения является применение укладчика (фиг.2), позволяющего укладывать нить "виток к витку", что повышает точность измерений уровня примерно в 10 раз. В устройство введен второй шаговый двигатель 4, который вращает шпильку 5 с резьбой, по которой перемещается прямоугольная гайка 6. Нижняя часть прямоугольной гайки касается корпуса прибора, что предотвращает гайку от проворачивания, то есть обеспечивает ее поступательное движение, исключая вращательное. К гайке 6 прикреплена направляющая с отверстием для прохождения нити, которая перемещает нить по мере передвижения гайки по шпильке. Соотношение скоростей движения шкива 1 и направляющей 7 выбирается так, чтобы нить укладывалась "виток к витку".
Управление измерителем выполняется как и в аналогах микропроцессором.
По мнению авторов, сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку ни один из имеющихся на рынке лотовых измерителей не использует описанную идею применения сверхтонкой нити для повышения точности, обеспечения искробезопасности и упрощения устройства. Из современного уровня техники следует, что для надежности устройства вместо нити необходимо использовать прочный трос. Трос традиционно использовался для измерения морских глубин и используется до сих пор в лотовых измерителях уровня.
Мы же впервые догадались, что в закрытом объеме, которым является хранилище силосного типа, отсутствуют механические воздействия, которые могли бы привести к обрыву нити. Для предотвращения засыпания груза продуктом и обрыва нити в этот момент как в известных устройствах, так и у нас используется электронная блокировка измерений на время заполнения силоса.
Применение описанной идеи позволило снизить себестоимость изделия примерно в 10 раз по сравнению с аналогами.
Предлагаемое изобретение показало высокие технические характеристики и в настоящее время подготовлено к серийному производству.