ДАТЧИК УРОВНЕЙ ВОДЫ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ОБЛЕДЕНЕНИЯ
WATER LEVEL SENSOR FOR OPERATION IN ICING CONDITIONS

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для регулирования уровня воды в металлических водонапорных башнях в системах сельскохозяйственного водоснабжения.
Известен двухпозиционный датчик уровней для водонапорной башни [1], способный работать в условиях обледенения, содержащий контактирующий с водой электрод и закрытую с двух концов мембранами трубку, расположенную вертикально и заполненную антифризом. Электрод включен в цепь электромагнитного реле переменного тока, выполняющего роль устройства регулирования.
Недостатком данного датчика является то, что он требует заправки антифризом непосредственно на месте установки. Не исключена также случайная утечка антифриза и попадание его в питьевую воду.
Задача предлагаемого изобретения - устранение указанных недостатков, а именно упрощение монтажа и повышение экологической безопасности.
Технический результат достигается за счет того, что в датчике уровней воды для работы в условиях обледенения, содержащем электрод, расположенный в зоне нижнего конца трубки, герметически закрытой с обоих концов эластичными мембранами, имеющими возможность смещения в вертикальном направлении, мембраны соединены между собой проходящим через полость трубки стержнем, электрически связанным с закрепленными на внешних сторонах нижней и верхней мембран соответственно электродом и первым электрическим контактом, механически связанным с первым магнитом, над первым электрическим контактом и первым магнитом расположены соответственно второй электрический контакт, являющийся выходом датчика, и второй магнит, закрепленные неподвижно относительно трубки, причем первый и второй магниты обращены друг к другу разноименными полюсами.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом.
Заявляемый датчик содержит расположенную вертикально стальную трубку 1, герметически закрытую сверху и снизу мембранами 2 и 3 соответственно, соединенными механически проходящим по центру трубки стальным стержнем 4. На нижней плоскости мембраны 3 закреплен электрод 5, электрически соединенный через стержень 4 с электрическим контактом 6, установленным на верхней плоскости мембраны 2, где установлен и магнит 7. Несколько выше в зоне действия магнита 7 расположен магнит 8 и контакт 9, закрепленные неподвижно относительно трубки 1. Магниты установлены друг к другу разноименными полюсами, а контакт 7 соединен с выводом датчика 10, соединяющим датчик с устройством регулирования (на чертеже не показано).
Работает датчик следующим образом.
min
В исходном состоянии при отсутствии воды в водонапорной башне, так как сила веса Fв стержня 4, электрода 5 и магнита 7 больше подъемной силы Fм магнита 7, мембраны 2 и 3 смещены вниз 9 (на чертеже состояние А). В это время подъемная сила магнита 7 ввиду максимального зазора δ между полюсами магнитов минимальна Fм=Fм (зависимость Fм=f(δ) на диаграмме F-δ). Контакты 6 и 9 разомкнуты, что является сигналом для устройства регулирования уровня на включение электронасоса. Вследствие этого уровень воды в баке водонапорной башни повышается.
а
min
Σ
min
Σ
До того момента, пока уровень воды не достиг уровня расположения мембраны 3 (точка  на диаграмме F-h), подъемная сила давления воды Fд на мембрану 3 равна нулю, а подъемная сила Fм магнита 7 остается равной минимальному значению Fм. Не изменяется Fм и при дальнейшем повышении уровня воды, в то же время подъемная сила Fд начнет увеличиваться пропорционально уровню воды в баке водонапорной башни (прямая Fд=ƒ(h) на диаграмме F-h). Результирующая подъемная сила F’, равная Fд+Fм, также будет увеличиваться по линейному закону. При этом, пока F’<Fв, состояние датчика не изменится, контакты 6 и 9 останутся разомкнутыми, насос будет продолжать работать, уровень воды повышаться.
Σ
Σ
Σ
max
min
Как только суммарная подъемная сила F’ станет несколько больше силы Fв веса подвижных частей, а это произойдет, когда уровень воды поднимется до отметки ВУ (верхний контролируемый уровень, точка с на диаграмме F-h), мембраны, а вместе с ними и все связанные с ними части начнут подниматься. Зазор δ между полюсами магнитов уменьшится, сила взаимодействия магнитов, как следует из зависимости Fм=f(δ), увеличится, что приведет к еще более быстрому подъему подвижных частей и в итоге скачкообразному переходу датчика в состояние В (точка d на диаграмме). Суммарная подъемная сила F’ станет равна теперь новому значению Fʺ=Fд+Fм. Зазор между полюсами магнитов ограничится на уровне δ, контакты 6 и 9 замкнутся, устройство регулирования уровня воды отключит электронасос.
Σ
Σ
С этого момента начнется постепенное понижение уровня воды в баке водонапорной башни. Уменьшаться начнет сила Fд давления воды на мембрану 9, и вследствие этого будет происходить уменьшение и суммарной подъемной силы Fʺ по линейному закону Fʺ=f(h). В точке е, соответствующей нижнему контролируемому уровню (НУ) воды, эта сила станет несколько меньше силы Fв веса подвижных частей датчика, и датчик (аналогично описанному выше переходу из состояния А в состояние В) скачком перейдет в состояние А. Контакты датчика разомкнутся, устройство регулирования уровня воды включит электронасос. На диаграмме переход произойдет из точки е в точку b. Далее процесс работы датчика будет повторяться.
При отрицательной температуре окружающего бак водонапорной башни воздуха, как показал опыт использования данного типа датчиков, постепенное намораживание льда от цикла к циклу происходит в зоне верхнего контролируемого уровня. Это не приводит к нарушению функционирования датчика, так как в этой зоне нет активных его частей.
Таким образом, датчик сохраняет функциональные свойства, присущие прототипу, в то же время не требует заправки антифризом, что делает его более удобным и безопасным в эксплуатации.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU 1368646 А1, опубл. 23.03.1988 г.