СЛЕДЯЩИЙ УРОВНЕМЕР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам дистанционного измерения уровня различных жидких сред в открытых водоемах, каналах, в открытых и закрытых резервуарах, в открытых лотках, а также в безнапорных коллекторах, трубопроводах, водоводах, канализационных стоках и т.п.
Широко известны уровнемеры, содержащие поплавок, жестко закрепленный на рычаге, который вторым концом шарнирно соединен с точкой подвеса. Величина перемещения поплавка вверх-вниз кинематически передается через дополнительное промежуточное звено вторичной измерительной системе. Положительным качеством таких типов уровнемеров является сравнительная простота технического обеспечения требуемого передаточного числа угла поворота рычага к вторичной измерительной системе.
Недостатком таких уровнемеров является использование в них измерительной системы лишь после передаточного механизма. В таких случаях возникают большие трудности контроля степени изменения самого передаточного числа со временем эксплуатации уровнемера, происходящие по мере старения и деформации передаточного механизма, а также в силу технического износа.
Наиболее близкой к данной полезной модели по технической сущности является следящий уровнемер [П.М. РФ. №34245, 2003], принимаемый за прототип. Уровнемер содержит поплавок в виде сферы, скрепленный с рычагом поворота, на котором размещен чувствительный датчик измерения угла поворота. Датчик выполнен на основе микросхемы серии ADXL, представляющей собой акселерометр, который чувствителен к изменению величины
ускорения свободного падения при изменении его углового положения относительно линии горизонта.
Положительным фактором данного уровнемера (прототипа) является относительная простота его изготовления, связанная с использованием на поверхности рычага датчика угла поворота, чувствительного к углу наклона рычага.
Недостатком обсуждаемого прототипа является малость динамического диапазона измерения уровня жидкости, ограниченного углом поворота рычага в пределах ±90° при величине «квантования» угла в акселерометре Δα=±0,1°.
Целью полезной модели является повышение динамического диапазона измерения уровня жидкости с сохранением высокой чувствительности работы уровнемера.
Поставленная цель достигается тем, что на рычаге поплавка наряду с датчиком угла поворота на основе микросхемы типа серии ADXL, представляющей собой акселерометр, который чувствителен к изменению величины ускорения свободного падения при изменении его углового положения относительно линии горизонта, смонтирован передаточный механизм в виде двухступенчатого зубчатого редуктора с числом передачи К≫1. При этом на выходном поворотном звене передаточного механизма закреплен второй идентичный датчик угла поворота, отслеживающий угол поворота первичного рычага с «усилением» в К-раз. Благодаря второму датчику угла поворота, а также использованию соответствующих программных средств, обеспечивается широкий диапазон чувствительного измерения уровня жидкости. При этом за счет первого датчика угла поворота реализуется грубый диапазон измерения, а за счет второго датчика угла поворота - чувствительный диапазон измерения. Вместе с тем, параллельная работа двух датчиков угла поворота, установленных на первичном и вторичном поворотных механических элементах,
обеспечивает самоконтроль работы передаточного механизма во времени, т.е. осуществляется контроль передаточного числа К.
Для пояснения полезной модели на приведенных рисунках фиг.1 и фиг.2 дается ее общая принципиальная схема, где приняты следующие обозначения:
1 - Сферический поплавок.
2 - Рычаг, жестко соединенный с поплавком.
3 - Шарнирное соединение рычага.
4 - Датчик угла поворота на основе микросхемы типа серии ADXL, закрепленного на рычаге.
5 - Передаточный зубчатый механизм.
6 - Датчик угла поворота на основе микросхемы типа серии ADXL, закрепленный на оконечном поворотном звене передаточного механизма.
7 - Блок вторичной электронной измерительной аппаратуры.
α - угол поворота рычага поплавка.
β - угол поворота датчика 6.
Полезная модель функционирует следующим образом. При изменении уровня жидкости поплавок 1 поднимается (или опускается) и, соответственно, изменяется угол наклона а рычага 2, вращающегося на шарнире 3 относительно абсолютной вертикали к земному горизонту. Датчик угла 4 формирует электрический сигнал, соответствующий значению угла α, который передается на блок вторичной электронной измерительной аппаратуры 7. Вместе с тем, в результате поворота рычага 2 происходит также вращение зубчатых шестерен 5, составляющих передаточный механизм поворота рычага. Вращение оконечного звена в этом механизме сопровождается поворотом датчика 6 на угол β, который связан с первичным углом α
соотношением: β=Кα. Для данного варианта полезной модели принято К=18. Сигнал от датчика 6 об угле β передается на измерительный блок 7 для одновременной функциональной обработки совместно с сигналом об угле α.
Полезная модель реализована в следующем опытном варианте. В модели используются однотипные схемы измерения углов α и β на основе микросхем ADXL 202, источник стабилизированного напряжения +5 В и измеритель скважности импульсов. Датчик угла поворота на основе микросхемы ADXL 202 на рычаге поворота и аналогичный датчик угла поворота на выходном оконечном поворотном звене передаточного механизма закреплены так, что их измерительные оси Х и Y лежат в одной вертикальной плоскости, которая поворачивается относительно оси Z, перпендикулярной данной плоскости и лежащей в горизонтальной плоскости. Рычаг выполнен в виде отрезка трубы длиной 500 мм, диаметром 15 мм и толщиной стенок 1 мм. Поплавок изготовлен в форме полой сферы диаметром 180 мм путем сварки двух алюминиевых полусфер с толщиной стенок 2,5 мм. Поплавок имеет глубину погружения 50 мм. Передаточный механизм состоит из трех зубчатых шестерен с общим передаточным числом К=18 (соответственно 4×4,5).
В выполненных опытах уровень воды в емкости с погруженным поплавком задавался путем налива и слива соответствующего объема жидкости. При изменении уровня жидкости менялись соответственно углы α и β между вертикалью и измерительной осью микросхем ADXL 202.
Изменения углов α и β преобразовывались микросхемами в последовательность импульсов, скважность которых однозначно связана со значениями углов α и β.
Изменению уровня от 0 до 2L (L - длина рычага) соответствует изменение угла α в пределах ±90° и скважности от 2,67 до 1,6 соответственно. Аналогично для угла β имеем: β=±18α.
Для однозначного измерения значения угла β в схеме используются оба ортогональных канала Х и Y микросхемы ADXL 202, величины скважности которых изменяются от 2,67 до 1,6 со смещением по фазе на π/2, т.е. соответственно по синусоидальному и косинусоидальному закону.
Результаты опытов подтвердили высокую чувствительность и точность отслеживания изменения уровня жидкости в пределах широкого динамического диапазона перепада уровня.
Естественно, данный образец осуществления полезной модели не исключает и других вариантов реализации подобного устройства в объеме заявленной формулы полезной модели. В частности, данное устройство при замене поплавка на катящийся ролик может быть реализовано при измерениях вертикального перемещения горизонтальных и наклонных поверхностей.
Таким образом, полезная модель имеет значительно расширенный динамический диапазон чувствительного измерения уровня жидкости относительно аналогов поплавковых уровнемеров, содержащих передаточный механизм, а также относительно прототипа, вместе с тем, полезная модель обладает новым качеством - возможностью непрерывного самоконтроля технического состояния и точности работы передаточного механизма.