АВТОНОМНЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области электротехнике, конкретно к уровнемерам, работающим на основе электрохимической реакции между электродами, в частности, для измерения уровня забортной морской и пресной воды в судах морского, речного и озерного плавания или уровня воды в резервуарах пресной воды в системе водоснабжения.
Значение датчиков уровня забортной воды в судах состоит в том, что они способствуют непотопляемости судов. Для предотвращения аварий вследствие водотечности наружной обшивки, донных трещин, пробоин, и т.п., регулярно проверяется состояние водонепроницаемых частей судна, а когда судно на ходу, замеры воды в льялах производятся каждую вахту (Наставление по предупреждению аварий и борьбе за живучесть судов флота рыбной промышленности СССР, стр.17, п.2.3.8., и стр.29, п.2.8.7., Ленинград, «Транспорт», Ленинградское отд., 1983).
В автоматизированных системах водоснабжения предусмотрена сигнализация об уровнях воды в резервуарах различного назначения (Справочник проектировщика «Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий» М., Стройиздат, 1977 г., стр.247).
Известен тензометрический модуль давления, принцип которого можно использовать для определения уровня жидкости в зависимости от
давления. Модуль выполнен из материалов с максимально близкими температурными коэффициентами линейного расширения. Он состоит из корпуса, одновременно являющимся штуцером. В углублении корпуса над отверстием штуцера размещена разделительная мембрана. В цилиндрическую часть этого углубления герметично помещена верхняя часть модуля в несущую деталь которой, изготовленную из сплава 29НК установлены пьедестал из монокристаллического кремния, к которому припаян стеклом чувствительный элемент мембранного типа, и впаяны стеклом гермовыводы из сплава 29 НК. Между разделительной мембраной и несущей деталью имеется полость, заполненная рабочей средой - диэлектрической жидкостью. Измеряемое давление подается через отверстие в штуцере на рабочую среду, под воздействием которой чувствительный элемент вырабатывает электрический сигнал, передаваемый через гермовыводы; также через гермовыводы осуществляется электропитание модуля (патент РФ №2082953, кл. G01L 7/08, 9/04 1996).
Недостатки данного аналога состоят в сложности устройства и технологии его изготовления, что в сочетании с применением дорогостоящих материалов определяет экономическую нецелесообразность использования модуля в коммунальном хозяйстве, и в судах, а также зависимость модуля от внешнего источника электропитания.
Известен дискретный уровнемер, содержащий ступенчатую измерительную трубу, заполняемую измеряемой жидкостью, на каждой ступени которой установлен датчик давления, на чувствительном элементе которого установлена и закреплена пластина из магниточувствительного (ферромагнитного) материала, а под датчиками или над ними расположены магниты (электромагниты). Величина дискретности измерений определяется заданной точностью измерений - расстоянием по высоте между ступенями трубы.
Недостатками данного уровнемера является сложность конструкции (ступенчатая труба, датчики на каждой. ступени измерений, магниты), большой интервал между дискретными измерениями и зависимость от внешнего источника электропитания.
Из известных дискретный уровнемеров наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является уровнемер по патенту РФ 2014572 G01F 23/79, 1994 г., который содержит емкость с рядом вертикально расположенных датчиков, каждый из которых передает сигнал о наличии или отсутствии измеряемой жидкости на его уровне. Датчик представляет из себя преобразователь - призму, подключенную через световод с одной стороны к источнику светового излучения, а с другой стороны - к указателю уровня. По мере заполнения емкости измеряемой жидкостью, преобразователи последовательно оказываются в жидкости и нарушаются условия полного внутреннего отражения на границе призма - жидкость. В этом случае на табло указателя уровня прекращают светиться световоды преобразователей, уже залитых жидкостью.
Недостатками этого уровнемера являются сложность конструкции и необходимость электропитания от внешнего источника электроэнергии.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции за счет исключения внешнего источника питания.
Указанный технический результат достигается тем, что автономный дискретный электрохимический уровнемер жидкости включает корпус, установленный вертикально, датчики сигнализации уровня жидкости, расположенные в вертикальный ряд, при этом, корпус выполнен из электроизоляционного материала, внутри которого размещена воздушная камера и вертикальный канал для рабочей жидкости, отделенный стенкой от воздушной камеры, в качестве датчиков сигнализации взяты газодиффузионные воздушные электроды - катоды, герметично вмонтированные в стенку, разделяющую воздушную камеру, и
вертикальный канал, корпус герметично присоединен к, расположенной под ним емкости для рабочей жидкости, в которую вмонтирована мембрана из эластичного материала, а емкость для рабочей жидкости выполнена из металла с потенциалом, отличающимся от потенциала воздушного катода.
Такое выполнение уровнемера позволяет упростить его конструкцию за счет отказа от внешнего источника питания, поскольку воздушные катоды и емкость для рабочей жидкости образуют электрохимическую пару, выдающую сигнал при достижении уровня рабочей жидкости соответствующего воздушного катода.
Целесообразно, чтобы в качестве рабочей жидкости был взят электролит на основе водного раствора поваренной соли концентрации 2÷6%, или морской воды.
Использование недорогого солевого электролита обеспечивает протекание соответствующей электрохимической реакции. Нижний предел содержания соли в водном растворе электролита - 2% гарантированно обеспечивает работоспособность уровнемера, а превышение верхнего предела свыше 6% приведет к повышению погрешности измерений уровнемера вследствие разницы плотностей измеряемых жидкостей; погрешность уровнемера по полезной модели, например, при переходе судна из морской воды в пресную не превышает 3%.
Целесообразно, чтобы к верхней части воздушной камеры и верхней части вертикального канала были присоединены патрубки.
Патрубок, присоединенный к верхней части камеры из электроизоляционного материала служит для обеспечения поступления воздуха к воздушному электроду, а патрубок, присоединенный к верхней части вертикального канала, предотвращает образование воздушных пробок или разряжения воздуха в канале при изменении уровня рабочей жидкости.
Целесообразно, чтобы над мембраной был установлен кожух с отверстиями в верхней и боковых стенках.
Кожух с отверстиями в стенках, установленный над мембраной, служит для защиты мембраны от повреждений, а через отверстия в его стенках к мембране поступает жидкость, уровень которой измеряется уровнемером.
Целесообразно, чтобы патрубки были закрыты колпаком с прорезью в стенке.
Колпак над патрубками предотвращает за счет компрессии воздуха попадание измеряемой жидкости во внутрь уровнемера при подъеме ее уровня выше уровнемера.
Целесообразно, чтобы отношение максимального изменяемого объема, образуемого при деформации эластичной мембраны в емкости для рабочей жидкости, к объему вертикального канала корпуса составляло 1,0÷1,3.
Зависимость отношения максимального изменяемого объема, образуемого при деформации эластичной мембраны в емкости для рабочей жидкости, к объему вертикального канала корпуса, равного 1,0÷1,3, определяет диапазон измерений уровнемера. При снижении отношения ниже нижнего предела снизится верхний предел уровня воды, измеряемого уровнемером, так как снизится высота столба электролита в канале корпуса. При увеличении отношения выше верхнего предела, повысится нижний предел измеряемого уровня воды в связи с необходимостью увеличить толщину заливной полости емкости для рабочей жидкости, находящейся под корпусом, для обеспечения увеличенного выгиба мембраны.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется описанием чертежей и принципом ее работы.
Фиг.1 - Устройство уровнемера,
1
1
Фиг.2 - Разрез уровнемера по 1-1 на фиг.1,
Фиг.3 - Максимальные измеряемые уровни воды и электролита.
Фиг.4 - Минимальные измеряемые уровни воды и электролита.
Уровнемер состоит из вертикального корпуса 1 из электроизоляционного материала, герметично прикрепленного к краям отверстия 2 на верхней стенке 3 расположенной горизонтально герметичной емкости в виде пенала 4, изготовленного из металла, потенциал которого отличается от потенциала воздушного электрода. Этот пенал является анодом уровнемера. Корпус 1 из изоляционного материала состоит из воздушной камеры 5 и электролитного канала 6. В стенку 7 между камерой 5 и каналом 6 вмонтированы газодиффузионные воздушные катоды 8, распложенные в вертикальный ряд с небольшими промежутками по высоте между ними. Пенал 4 содержит заливную полость 9. На верхней горизонтальной стенке 3 пенала 4 смонтирована мембрана 10 из эластичного материала. К верхней стенке 3 пенала 4 присоединен кожух 11 с отверстиями 12 в своих крышке и стенках. К верхней части воздушной камеры 5 корпуса 1 герметично присоединен патрубок 13. К верхней части электролитного канала 6 прикреплен патрубок 14. Оба патрубка закрыты колпаком 15 с прорезью 16 в нижней части стенки 17. Токоотводы воздушных катодов 18 электрически между собой не связаны и герметично выведены из воздушной камеры, а затем из уровнемера через прорезь в стенке колпака. Токоотвод анода 19 присоединен к наружной поверхности пенала 4. Электролит 20, которым является 2÷6% водный раствор поваренной соли или морская вода, размещается в заливной полости 9 пенала 4. Уровнемер может быть снабжен устройством для дозирования и заправки электролитом (на чертеже не показано).
эл макс
эл мин
Верхний предел измерений уровнемера определяется подъемом уровня электролита Н в канале до нижнего края верхнего воздушного катода, нижний предел - подъемом уровня электролита Н в канале до нижнего
вод мин
края нижнего воздушного катода, практически равным уровню пресной ВОДЫ H
Площадь сечения канала должна быть минимальной. Во первых, это позволяет уменьшить толщину пенала за счет минимизации количества электролита, и тем самым снизить нижний предел измерения уровня воды, и, во вторых, при небольших размерах канала минимизируются колебания сигналов при качке судна.
эл макс
вод макс
Уровнемер работает следующим образом: Под давлением воды, уровень которой измеряется, мембрана 10 выгибается (фиг.3) в сторону заливной полости пенала 9 и вытесняет электролит 20 в электролитный канал 6 в объеме, равном объему, занимаемому выгнувшейся части мембраны. При этом уровень электролита в электролитном канале поднимается в соответствие с уровнями контролируемой воды 21 и 22, и все воздушные электроды в вертикальном ряду, омытые электролитом, принимают участие в выработке электродвижущей силы (ЭДС). Как показано на Фиг.4, уровень электролита Н вследствие его несколько большей плотности при максимальном измеряемом уровне пресной воды Н незначительно меньше уровня воды, что при дискретном характере измерений не играют практической роли. Выше приведены условные обозначения, касающиеся измерения уровня воды. На фиг.3 и 4 показаны уровни воды в сравнении с уровнями электролита. При подъеме уровня измеряемой жидкости выше уровнемера, он продолжает вырабатывать сигнал. При этом, проникновению жидкости в воздушную камеру и в канал уровнемера препятствует компрессия воздуха в колпаке 15: уровень жидкости определяется статическим давлением жидкости в нем.
При использовании в судах, уровнемер по полезной модели можно устанавливать в любых местах судов. В резервуарах его возможно устанавливать с креплением, например, к штанге с опусканием в резервуар
через горловину верхнего люка. При необходимости, возможно, составить вертикальный ряд уровнемеров с размещением их один над другим.
Уровнемер не нуждается в электропитании от внешнего источника, а сам генерирует ЭДС за счет активации электродов соленой водой Уровнемер электробезопасен: напряжение передаваемого им электрического сигнала не превышает 1,5 В, а ток составляет микроамперы.
Применение в уровнемере в качестве рабочей среды солевого раствора достигается универсальность прибора, в частности, для его использования как в соленой, так и в пресной воде без корректировки. При измерении уровня других жидкостей, плотности которых существенно отличаются от плотности воды, разница можно учитывать в высоте размещения воздушных электродов или в приемнике сигналов от уровнемера применительно к конкретной жидкости. Пример реализации:
Требуется создать уровнемер воды с пределами измерения ее уровня в диапазоне 3,5÷150 см, т.е. электролит должен иметь возможность подняться из пенала в канале до высоты измерения, равной 150 см.
Исходные данные (в данном примере плотности воды и солевого электролита принимаются равными):
вод
кан
2
2
3
3
3
Предварительный расчет: высота Н=150 см; размеры сечения электролитного канала: длина L=2,0 см, ширина S=0,5 см, площадь сечения канала составит 1 см; объем канала V=150 см *1 см=150 см. Таким образом, для подъема электролита на высоту 150 см, его объем по настоящему примеру должен составлять 150 см. При воздействии на мембрану давление измеряемой воды, уровень которой составляет 150 см, электролит, плотность которого близка к плотности воды, также поднимется на этот уровень, будучи вытеснен мембраной из пенала в электролитный канал в количестве 150 см. Поэтому, объем шарового сегмента, которым является работающая мембрана должен быть тоже 150 см. Определим параметры шарового сегмента - мембраны:
мемб
2
2
V=1/6πh(3/4D+h);
мемб
3
3
V, D и h - соответственно объем, диаметр и прогиб мембраны. Для реализации поставленного условия, диаметр D мембраны должен составлять 12 см, а ее прогиб h до установления равновесия воздействия на мембрану электролита и измеряемой воды составит 2,5 см. Этот размер прогиба достаточен для обеспечения нижнего порога чувствительности уровнемера (минимального измеряемого уровня воды) - 3,5 см и достижения верхнего порога 150 см. Поправка для окончательного расчета конструкции: учитывая, что при измерении уровня воды, равного 150 см.требуемая высота столба электролита в электролитном канале уровнемера при измерении в конкретной конструкции составит: 150 см-3,5 см=146,5 см, величина отношения максимального объема, занимаемого мембраной, выгнутой во внутрь заливной полости пенала, к объему канала корпуса, составит: 150 см/146,5 см=1,024. Это соответствует интервалу величины заявленного отношения 1,0-1,3.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный дискретный электрохимический уровнемер может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию «промышленная применимость».