УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
FLUID LEVEL METER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению уровня жидких сред, и может быть использовано в поплавковых и буйковых уровнемерах.
Известно устройство для измерения уровня жидкости, в котором чувствительный элемент, погруженный в жидкость, выполнен в виде буйка. Буек подвешен на измерительной проволоке, которая наматывается на желобки барабана, приводимого в движение магнитными парами. Буек позиционируется в жидкости посредством сервомотора. На барабане закреплены внешние магниты, а на серводвигателе - внутренние магниты. Так как внутренние магниты двигаются, их магнитное притяжение заставляет внешние магниты также перемещаться.
Вес буйка на проволоке создает вращающий момент на внешних магнитах, что приводит к изменению магнитного потока, регистрируемого преобразователями на внутренних магнитах. Когда буек опускается и достигает жидкости, его вес снижается за счет выталкивающей силы. Как следствие, крутящий момент магнитных пар изменяется, и эти изменения измеряются датчиками Холла (Preserve NMS 5/7. Интеллектуальный высокоточный уровнемер для резервуара, www.rizur.ru).
Недостатком известного устройства является его конструктивная сложность.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбрано устройство для измерения уровня по патенту США №4920797, MHK G01B 21/18, 1990 г.
Указанное устройство для измерения уровня жидкости содержит чувствительный элемент, погруженный в жидкость, магнитную систему, жестко закрепленную в полой втулке, которая связана с чувствительным элементом с возможностью перемещения при изменении положения чувствительного элемента относительно уровня жидкости, и датчик Холла, подсоединенный к измерительному блоку.
Полая втулка непосредственно соединена с чувствительным элементом, а магнитная система содержит одиночный магнит. Полая втулка концентрически размещена в отверстии плоской кольцевой пружины, снабженной сквозными спиралевидными прорезями. Плоская кольцевая пружина установлена в корпусе устройства. В нижней части чувствительного элемента, находящегося в жидкости, размещена другая плоская кольцевая пружина, также установленная в корпусе устройства. Над втулкой с магнитом размещен датчик Холла, связанный с измерительным блоком.
Недостатком указанного устройства является невысокая точность измерения уровня.
Точность измерения уровня в устройстве, принятом в качестве ближайшего аналога, в значительной мере определяется точностью перемещения магнита относительно датчика Холла, т.е. точностью перемещения полой втулки, которая ограничена, в свою очередь, упругими характеристиками тонкой плоской кольцевой пружины. Поскольку упругие характеристики плоской кольцевой пружины - даже при наличии в ней спиралевидных сквозных прорезей - недостаточны высоки, это приводит к ограничению достижимой точности измерения уровня. Недостаточная точность перемещения магнита относительно датчика Холла обусловлена также тем, что пружина контролирует перемещение значительной массы - втулки вместе с чувствительным элементом.
Кроме того, наличие двух плоских пружин, одна из которых находится в жидкости, также снижает точность измерения.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением - повышение точности измерения уровня.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения уровня жидкости, содержащем чувствительный элемент, погруженный в жидкость, магнитную систему, закрепленную в полой втулке, которая связана с чувствительным элементом с возможностью перемещения при изменении положения чувствительного элемента относительно уровня жидкости, и датчик Холла, подсоединенный к измерительному блоку, втулка изготовлена из пружинной стали или сплава; на ее боковой поверхности выполнены кольцевые ряды сквозных прорезей, а между упомянутыми рядами прорезей по высоте втулки образованы ряды сплошных плоских колец, при этом протяженность области плоских колец t по высоте втулки L выбирается из условия t≥0,3 L; магнитная система выполнена в виде двух магнитов, расположенных напротив друг друга в области плоских колец, а датчик Холла размещен в обойме из немагнитного материала, которая расположена между двумя упомянутыми магнитами.
Указанный технический результат достигается также тем, что полая втулка связана с чувствительным элементом посредством гибкой механической связи.
Указанный технический результат достигается также тем, что чувствительный элемент выполнен в виде поплавка.
Указанный технический результат достигается также тем, что чувствительный элемент выполнен в виде буйка.
Указанный технический результат достигается также тем, что полая втулка выполнена цилиндрической.
Указанный технический результат достигается также тем, что прорези во втулке выполнены в виде дуг окружности.
Указанный технический результат достигается также тем, что середина области плоских колец совпадает с центром упомянутых магнитов.
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 схематически изображено заявляемое устройство, на фиг.2 показана втулка с рядами сквозных прорезей и сплошных плоских колец, на фиг.3 иллюстрируется взаимное расположение магнитов и области плоских колец.
Устройство для измерения уровня жидкости содержит корпус 1, установленный во фланце 2. К корпусу 1 прикреплена полая цилиндрическая втулка 3, соединенная посредством гибкой механической связи, например, подвеса 4, с погруженным в жидкую среду (частично или полностью) чувствительным элементом 5, выполненным, соответственно, в виде поплавка или буйка.
На фиг.1 показано выполнение чувствительного элемента 5 в виде буйка.
Втулка 3 изготовлена из пружинной стали или сплава, например из сплава 36НХТЮ или из беррилиевой бронзы. Основным свойством пружинных сталей и сплавов является высокое сопротивление малым пластическим деформациям как в условиях кратковременного (предел упругости), так и длительного (релаксационная стойкость) нагружения. Кроме того, пружинные стали и сплавы характеризуются высокой прочностью в условиях статического, циклического или динамического нагружения, имеют достаточную пластичность и вязкость, а также высокое сопротивление разрушению.
На боковой поверхности цилиндрической втулки 3 по ее высоте выполнено несколько кольцевых рядов сквозных прорезей 6, а между ними по высоте втулки 3 образованы ряды сплошных плоских колец 7, т.е. кольцевые ряды сквозных прорезей 6 чередуются по высоте втулки 3 с рядами сплошных плоских колец 7. Прорези 6 имеют вид дуг окружности, при этом соседние прорези отделены друг от друга перемычками 8. Одновременно перемычки 8 являются элементами, соединяющими по высоте втулки 3 соседние ряды колец 7.
Количество рядов сплошных плоских колец 7 на единицу меньше количество рядов колец, образованных сквозными прорезями. Протяженность области плоских колец 7 по высоте втулки L выбирается из условия t≥0,3 L.
Благодаря совокупности следующих факторов - выбору в качестве материала полой втулки 3 пружинной стали или сплава и выполнению на ее боковой поверхности сплошных плоских колец, отделенных друг от друга кольцевыми рядами сквозных прорезей - втулка 3, которую можно рассматривать как прорезную втулку, выполняет в заявляемом устройстве роль пружинного элемента, реагирующего с требуемой точностью на перемещение чувствительного элемента 5 (буйка или поплавка). Функцию «витков» такого пружинного элемента выполняют ряды сплошных плоских колец 7.
Количество рядов плоских колец 7, их толщина (равная расстоянию между соседними кольцевыми рядами прорезей 6) и количество перемычек 8, соединяющих соседние плоские кольца 7, варьируется в зависимости от условий измерения, параметров жидкой среды и требуемой точности измерения уровня. Так, количество рядов плоских колец 7 может выбираться в диапазоне (2-6); толщина плоских колец 7 варьируется от 0,8 мм до 2,5 мм; количество перемычек 8 между соседними сквозными прорезями 6 (и, соответственно, количество перемычек между соседними рядами колец 7) выбирается равным (2-4).
1
2
1
2
В полости втулки 3 напротив друг друга жестко закреплены постоянные магниты 9. Магниты 9 расположены в области, занимаемой по высоте втулки 3 сплошными плоскими кольцами 7, при этом, как установлено заявителем, оптимальным - с точки зрения обеспечения максимальной точности измерения уровня - является такое расположение магнитов относительно области плоских колец 7, при котором центр магнитов 9 (линия O-O на фиг.3) совпадает с серединой области плоских колец 7 (с линией A-A на фиг.3).
В зазоре между магнитами 9 в обойме 10 из немагнитного материала, связанной с корпусом 1, размещен датчик Холла 11, который подсоединен к микропроцессорному измерительному блоку 12. Датчик Холла 11 измеряет напряженность магнитного поля магнитов 9.
Следует отметить, что при расположении центра магнитов 9 на одном уровне с серединой области плоских колец 7 также минимизируется негативный эффект смещения магнитов 9 относительно датчика Холла 11 при возмущении поверхности жидкой среды, например, вследствие возникновения турбулентностей.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При изменении уровня жидкости 13 изменяется выталкивающая сила, действующая на чувствительный элемент 5 (буек) и, соответственно, на прорезную втулку 3. Прорезная втулка 3 действует как пружина, сжимаясь или растягиваясь, что приводит к изменению положения магнитов 9 относительно датчика Холла 11, причем магниты 9 двигаются в вертикальном направлении, параллельно боковым поверхностям датчика Холла 11. Датчик Холла 11 измеряет изменение напряженности магнитного поля магнитов 9, обусловленное изменение уровня жидкости 13, и вырабатывает выходной сигнал напряжения, пропорциональный упомянутой выталкивающей силе. Напряжение с датчика Холла 11 поступает в микропроцессорный измерительный блок 12, в котором производится линеаризация, фильтрация, температурная компенсация входного сигнала. На выходе блока 12 формируется выходной токовый сигнал и цифровой сигнал, значения которых пропорциональны измеряемому уровню жидкости.
Использование в заявляемом устройстве прорезной втулки, играющей роль пружинного элемента, и размещение в полости втулки магнитной системы и датчика Холла позволяют повысить точность измерений уровня. Параллельное перемещение магнитов относительно датчика Холла расширяет диапазон измеряемых уровней, а варьирование параметров упомянутого пружинного элемента - количества рядов плоских колец, их толщины и количество перемычек, соединяющих соседние плоские кольца, - позволяет производить измерения в широком диапазоне уровней с высокой точностью.