Емкость для жидкого или сыпучего материала и тензометрический датчик уровня жидкого или сыпучего материала
TANK FOR LIQUID OR BULK MATERIAL AND STRAIN GAUGE LEVEL SENSOR FOR LIQUID OR BULK MATERIAL

Группа изобретений относится к емкостям для хранения, транспортирования и дозирования жидких или сыпучих материалов и может быть применена в строительной, пищевой, железнодорожной и других отраслях промышленности.
Известна емкость для жидкого или сыпучего материала, содержащая датчики уровня жидкого или сыпучего материала размещенные в верхней и нижней частях емкости, при этом датчики выполнены с возможностью преобразования величины давления измеряемого материала в логические переменные, указывающие на наличие или отсутствие измеряемого материала в емкости на максимальном или минимальном уровнях соответственно, при этом в данном охранном документе конструкция датчиков не раскрывается [CN104554297A, дата публикации: 29.04.2015 г., МПК: B61C 15/10].
Недостатком известного технического решения является ограниченный функционал емкости, а именно невозможность определения промежуточных значений объема жидкого или сыпучего материала, в зависимости от величины давления измеряемого материала, обусловленная тем, что датчики выполнены таким образом, что они свидетельствуют только о наличии или отсутствии материала на уровне их закрепления, то есть о максимальном или минимальном объеме измеряемого материала в емкости.
В качестве прототипа выбрана емкость для жидкого или сыпучего материала, содержащая тензометрические датчики уровня сыпучего материала, каждый из которых содержит корпус с мембраной, внутри корпуса взаимодействующей с тензопреобразователем, электрически соединенным с электронным блоком, при этом электронный блок выполнен с возможностью преобразования величины давления измеряемого материала в логические переменные, указывающие на наличие или отсутствие материала в емкости на уровне закрепления датчика [US5325716A, дата публикации: 05.07.1994 г., МПК: G01F 23/16, G01F 23/18].
Преимуществом прототипа перед известным техническим решением является возможность определения промежуточных значений уровня жидкого или сыпучего материала в процессе эксплуатации емкости, за счет выполнения электронного блока с возможностью определения уровня жидкого или сыпучего материала с учетом сигналов о наличии или отсутствии материала от множества датчиков, размещенных на различных уровнях заполнения емкости.
Однако недостатком прототипа является низкая точность определения уровня жидкого или сыпучего материала в емкости тензометрическим датчиком, обусловленная невозможностью непрерывного определения уровня измеряемого материала с учетом величины давления, оказываемого им на мембрану тензометрического датчика. Учет величины давления, оказываемого жидким или сыпучим материалом на мембрану тензометрического датчика, не может быть произведен электронным блоком из-за того, что он выполнен с возможностью определения уровня жидкого или сыпучего материала в бункере с учетом совокупности данных только о наличии или отсутствии материала от множества датчиков, установленных на различных уровнях заполнения емкости, при этом точность в определении уровня жидкого или сыпучего материала в емкости зависит от расстояния, на котором датчики закреплены друг от друга, и чем больше это расстояние или меньше количество датчиков, тем сильнее возрастает величина абсолютной погрешности между значениями объема измеряемого материала, определяемыми как среднее арифметическое между теми же величинами, известными для двух соседних датчиков, и действительными значениями объема жидкого или сыпучего материала, вследствие чего повышается риск ошибочного определения уровня жидкого или сыпучего материала в емкости, что может привести к нерациональному его дозированию, и например, к перерасходу материала что существенным образом ухудшает эксплуатационные характеристики емкости для жидкого или сыпучего материала.
Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик тензометрического датчика уровня жидкого или сыпучего материала.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении точности определения уровня сыпучего материала тензометрическим датчиком емкости для жидкого или сыпучего материала.
Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Емкость для жидкого или сыпучего материала, содержащая тензометрический датчик уровня жидкого или сыпучего материала, содержащий корпус с мембраной, внутри корпуса взаимодействующей с тензопреобразователем, электрически соединенным с электронным блоком. В отличие от прототипа электронный блок выполнен с возможностью определения уровня жидкого или сыпучего материала с учетом значения давления жидкого или сыпучего материала, полученного тензопреобразователем.
Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Тензометрический датчик уровня жидкого или сыпучего материала, содержащий корпус с мембраной, внутри корпуса взаимодействующей с тензопреобразователем, электрически соединенным с электронным блоком. В отличие от прототипа электронный блок выполнен с возможностью определения уровня жидкого или сыпучего материала с учетом значения давления жидкого или сыпучего материала, полученного тензопреобразователем.
Емкость для жидкого или сыпучего материала обеспечивает размещение в ней жидкого или сыпучего материала, а также может обеспечивать его дозирование. Емкость может быть выполнена из любых известных конструкционных материалов. Емкость для жидкого или сыпучего материала может быть выполнена в виде сосуда имеющего форму параллелепипеда, цилиндра, усеченного конуса, многогранника или любую другую форму. Емкость для жидкого или сыпучего материала может иметь отверстия для дозирования сыпучего материала и разгрузки его из емкости. Отверстия для дозирования материала могут быть расположены на дне емкости или могут быть выполнены в ее придонных стенках.
Емкость для жидкого или сыпучего материала может содержать средства для закрепления тензометрического датчика уровня жидкого или сыпучего материала на стенке емкости или на дне емкости. Емкость для жидкого или сыпучего материала может иметь отверстия для размещения элементов электрического подключения тензометрического датчика уровня сыпучего материала. Отверстия могут иметь любую форму, в частности они могут иметь форму ответную форме элемента электрического подключения.
Средства для закрепления тензометрического датчика уровня жидкого или сыпучего материала могут быть представлены направляющими или зажимами, расположенными на стенке или на дне емкости, а также могут быть представлены отверстиями, выполненными в стенке или в дне емкости, и резьбовыми элементами разъемного соединения в виде болтов, гаек, шпилек и пр.
Тензометрический датчик уровня жидкого или сыпучего материала обеспечивает определение объема материала, содержащегося в емкости. Тензометрический датчик может быть закреплен на дне емкости, на любой из ее стенок вблизи дна или на том уровне заполнения емкости, который считается минимально допустимым.
Корпус обеспечивает размещение элементов датчика и может быть выполнен из любого конструкционного материала, устойчивого к истиранию. Корпус может быть выполнен в форме параллелепипеда, цилиндра или многогранника, имеющего полость для размещения элементов датчика. Корпус может содержать основание или выступы для закрепления его на стенке или дне емкости с жидким или сыпучим материалом. Также корпус может содержать элементы разъемного и/или неразъемного соединения для закрепления его на стенке или дне емкости. Основание или выступы могут иметь отверстия, вырезы или углубления любой формы, обеспечивающей закрепление корпуса датчика на стенке или дне емкости. Также в корпусе может быть выполнено отверстие для размещения в нем элемента электрического подключения датчика.
Мембрана обеспечивает герметизацию внутреннего пространства корпуса и преобразует воздействие жидкого или сыпучего материала в перемещение или деформацию чувствительного элемента тензопреобразователя. Мембрана в продольном сечении может иметь форму ответную форме полой части корпуса, в частности мембрана может иметь форму квадрата, круга или многоугольника. Мембрана может быть закреплена при помощи любых элементов разъемного или неразъемного соединения. В частности, мембрана может быть закреплена на корпусе при помощи кольца, выполненного с возможностью разъемного и неразъемного соединений, при помощи прижимной гайки, а также может быть приклеена к корпусу.
Мембрана выполнена из абразивостойкого материала, что предотвращает ее преждевременный износ, возникающий при контакте с абразивными частицами жидкого или сыпучего материала, и снижает риск выхода мембраны тензометрического датчика из строя, что существенным образом улучшает его эксплуатационные характеристики. Абразивостойкий материал может быть представлен абразивостойким эластомером для изготовления изделий, предназначенных для эксплуатации в среде воздуха, воды, слабых растворов кислот и щелочей и, обладающим достаточной износостойкостью и эластичностью, а также диапазоном рабочих температур от –50 до +70°C. В частности, абразивостойкий эластомер может быть представлен материалом из группы бутадиен-нитрильных или фтор-силиконовых каучуков.
Износостойкость и эластичность абразивостойких эластомеров характеризуются такими параметрами как твердость по Шору, относительное удлинение при разрыве и условная прочность при растяжении. Твердость по Шору абразивостойкого эластомера может составлять от 35 до 65 ед. Относительное удлинение при разрыве абразивостойкого эластомера может составлять от 200 до 300 %. Условная прочность при растяжении абразивостойкого эластомера может составлять от 2,5 до 3,4 МПа.
В случае если твердость по Шору и условная прочность при растяжении абразивостойкого эластомера и будут больше верхних границ указанных диапазонов, а относительное удлинение при разрыве абразивостойкого эластомера будет ниже нижней границы указанного диапазона, мембрана, изготовленная из такого эластомера будет излишне жесткой, что приведет к искажению показателей давления, оказываемого жидким или сыпучим материалом на мембрану, и как следствие возникновению помех при определении уровня жидкого или сыпучего материала. В случае если твердость по Шору и условная прочность при растяжении абразивостойкого эластомера будут ниже нижних границ указанных диапазонов, а относительное удлинение при разрыве абразивостойкого эластомера будет больше верхней границы указанного диапазона, мембрана, изготовленная из такого эластомера будет излишне мягкой, что делает ее более подверженной истиранию под воздействием абразивных частиц жидкого или сыпучего материала.
Дополнительно для снижения риска выхода из строя мембраны тензометрического датчика и улучшения его эксплуатационных характеристик, она может быть выполнена изогнутой, а в частности может быть выполнена выпуклой или вогнутой, что препятствует образованию скоплений частиц материала в центральной части мембраны, которые образуются посредством уплотнения абразивных частиц жидкого или сыпучего материала вблизи поверхности мембраны, что приводит к увеличению количества частиц, оказывающих истирающее воздействие на мембрану, и как следствие ее преждевременному износу.
Тензопреобразователь обеспечивает возможность преобразования линейного перемещения или деформации его чувствительного элемента в изменение параметров электрического тока и последующее преобразование его в величину давления, оказываемого жидким или сыпучим материалом на мембрану тензометрического датчика. Тензопреобразователь содержит чувствительный элемент, который может быть представлен металлической фольгой или полупроводником. Тензопреобразователь может быть также нанесен на дополнительную мембрану. Также тензопреобразователь содержит выводы, которые обеспечивают возможность передачи измененной величины давления к электронному блоку. Чувствительный элемент механически соединен с мембраной изнутри корпуса.
Взаимодействие мембраны и тензопреобразователя, в том числе нанесенного на дополнительную мембрану, может обеспечиваться при помощи канала или системы каналов, заполненных несжимаемой жидкостью, например, гидравлическим маслом, водомасляной эмульсией, водой и другими. Выводы тензопреобразователя электрически соединены с электронным блоком.
Электронный блок обеспечивает определение уровня жидкого или сыпучего материала в емкости посредством преобразования изменения величины давления жидкого или сыпучего материала, полученного тензопреобразователем, в выходной электрический сигнал, содержащий информацию об объеме жидкого или сыпучего материала. Для этого электронный блок снабжен памятью и выполнен с возможностью хранения в ней калибровочных кривых для различных типов жидких или сыпучих материалов и емкостей. Калибровочная кривая представляет собой функцию зависимости объема материала от величины давления, оказываемого измеряемым материалом. Она может храниться в памяти электронного блока в виде формул, содержащих калибровочные коэффициенты, а также в виде таблиц, на основе которых она может быть построена.
Электронный блок выполнен с возможностью сравнения значений давления, полученных тензопреобразователем, с калибровочной кривой и определения таким образом объема жидкого или сыпучего материала, содержащегося в емкости, который может быть измерен в единицах массы или объема, а также в процентах. Функции, описывающие калибровочную кривую, являются непрерывными, что позволяет также непрерывно сравнивать величины давления жидкого или сыпучего материала с калибровочной кривой, и определять уровень материала в емкости при любых значениях давления, полученных тензопреобразователем. Это позволяет повысить точность определения уровня жидкого или сыпучего материала тензометрическим датчиком емкости для жидкого или сыпучего материала.
Также электронный блок выполнен с возможностью формирования выходного электрического сигнала, содержащего информацию об объеме измеряемого материала в емкости, и отправки этого сигнала на внешние устройства для дальнейшей его обработки.
Для дополнительного повышения точности определения уровня жидкого или сыпучего материала тензометрическим датчиком емкости для жидкого или сыпучего материала электронный блок может быть выполнен с возможностью построения калибровочных кривых для разных типов жидких или сыпучих материалов, обладающих разной истинной и насыпной плотностью, а также для разных типов емкостей, геометрические параметры и форма которых, отличны друг от друга. Это позволяет, при постепенном заполнении емкости жидким или сыпучим материалом, сформировать в памяти электронного блока таблицу значений давления, соответствующих различному объему материала в емкости, для построения по данным этой таблицы калибровочной кривой. Также это позволяет задать интервал записи измерений, обеспечивающий необходимую точность определения уровня жидкого или сыпучего материала.
Электронный блок может быть представлен в виде печатной платы, содержащей микросхему. Электронный блок содержит элемент электрического подключения. Электронный блок может быть установлен как внутри корпуса тензометрического датчика, так и вне его.
Элемент электрического подключения обеспечивает питание тензометрического датчика, а также передачу выходного сигнала от электронного блока к системе верхнего уровня. Элемент электрического подключения может быть представлен электрическим разъемом любого типа, обеспечивающим выполнение вышеописанных функций, а также может быть представлен антенной или модулем с радиоканалом. Питание датчика может осуществляться как от сети через электрический разъем, так и автономно от батареи или аккумулятора.
Под жидким материалом понимается вещество в конденсированном агрегатном состоянии, при этом жидкий материал быть представлен сильнозагрязненной жидкостью и может содержать взвеси или абразивные частицы различного размера.
Под сыпучим материалом понимается смесь твердых частиц (гранул) различной формы и крупности, находящихся в контакте друг с другом, при этом между частицами имеется воздушное пространство.
Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что электронный блок выполнен с возможностью определения уровня жидкого или сыпучего материала с учетом значения давления жидкого или сыпучего материала, полученного тензопреобразователем, что позволяет электронному блоку хранить в своей памяти калибровочные кривые, представленные в виде непрерывных функций, осуществлять сравнение с ними значений давления, оказываемого жидким или сыпучим материалом на тензометрический датчик, и определять таким образом уровень измеряемого материала в емкости при любых значениях давления материала, полученных тензопреобразователем и характеризующих данную кривую в любой из ее точек, что существенным образом повышает точность определения уровня жидкого или сыпучего материала тензометрическим датчиком.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения уровня жидкого или сыпучего материала тензометрическим датчиком емкости для жидкого или сыпучего материала тем самым, улучшаются эксплуатационные характеристики тензометрического датчика уровня жидкого или сыпучего материала.
Группа изобретений обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известна емкость для жидкого или сыпучего материала, содержащая тензометрические датчики уровня жидкого или сыпучего материала, электронные блоки которых выполнены с возможностью определения наличия или отсутствия жидкого или сыпучего материала в емкости на уровне закрепления датчика, при этом определение объема материала в емкости производится с учетом сигналов от множества датчиков, размещенных на различных уровнях заполнения емкости.
Однако из уровня техники неизвестна емкость для жидкого или сыпучего материала, содержащая тензометрический датчик уровня жидкого или сыпучего материала, выполненный с возможностью определения уровня жидкого или сыпучего материала с учетом значения давления жидкого или сыпучего материала, полученного тензопреобразователем, которое изменяется пропорционально изменению параметров тока тензопреобразователя при деформации его чувствительного элемента под действием давления измеряемого материала.
Ввиду этого группа изобретений соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, который заключается в том, что тензометрический датчик уровня жидкого или сыпучего материала используется в составе емкости для жидкого или сыпучего материала, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения».
Группа изобретений поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1 – Бункер для сыпучего материала содержащий тензометрический датчик уровня сыпучего материала, продольный разрез.
Фиг. 2 – Узел крепления тензометрического датчика уровня сыпучего материала к стенке бункера.
Фиг. 3 – Бункер для сыпучего материала и калибровочная кривая для определения объема сыпучего материала в бункере, по оси абсцисс указаны значения давления, оказываемого сыпучим материалом на мембрану тензометрического датчика P, МПа, по оси ординат указаны значения объема сыпучего материала в бункере V, %.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Бункер 1 для сыпучего материала выполнен в виде цилиндра, при этом нижняя часть бункера выполнена в виде усеченного конуса. Бункер 1 имеет цилиндрическое отверстие в стенке корпуса для размещения в нем тензометрического датчика 2 и цилиндрические отверстия для крепления тензометрического датчика 2 к стенке при помощи болтов 3, а также бункер содержит фланец для крепления тензометрического датчика 2 к стенке бункера 1, соединенный с местом установки тензометрического датчика посредством сварки. Также бункер 1 имеет разгрузочное отверстие, расположенное на дне бункера.
Тензометрический датчик 2 бункера для сыпучего материала содержит цилиндрический корпус 4 с плоским основанием, диаметр которого превышает диаметр внешней части цилиндрического корпуса. В основании выполнены цилиндрические отверстия для размещения в них болтов 3 крепления датчика к стенке бункера 1. В центре основания выполнено отверстие для элемента электрического подключения, представленного электрическим разъемом 5. Внутри корпуса 4 размещен электронный блок 6, представленный печатной платой, содержащей микросхему. Электронный блок 6 электрически соединен с тензопреобразователем 7 и электрическим разъемом 5.
Тензометрический датчик 2 бункера для сыпучего материала содержит мембрану 8, взаимодействующую внутри корпуса с тензопреобразователем 7 нанесенным на дополнительную мембрану (не показана на фигурах). Мембрана 8 закреплена на корпусе 4 при помощи винтов и плоского кольца 9. Мембрана 8 выполнена из резины.
Группа изобретений работает следующим образом.
Основание корпуса 4 тензометрического датчика крепится к наклонной стенке бункера 1 при помощи болтов 3. При помощи электрического разъема 5 датчик подключается к системе верхнего уровня (не показан на фигурах), после чего датчик 2 вводится в эксплуатацию, а бункер 1 заполняют сыпучим материалом. Толща материала оказывает давление на мембрану 8 тензометрического датчика, которое посредством жидкости передается на дополнительную мембрану с нанесенным на нее тензопреобразователем 7.
Тензопреобразователь 7 деформируется под воздействием давления и изменяется величина его сопротивления. Изменение величины сопротивления тензопреобразователя 7 преобразуется им в величину давления, оказываемого сыпучим материалом на мембрану 8 тензометрического датчика 2, и передается на электронный блок 6. Давление, оказываемое сыпучим материалом, сравнивается электронным блоком 6 с калибровочной кривой для данного типа материала и данного типа бункера, хранящейся в памяти электронного блока 6. При сравнении с калибровочной кривой значения давления, оказываемого сыпучим материалом, электронным блоком 6 определяется объем сыпучего материала в бункере 1 в процентном соотношении. Электронным блоком 6 формируется электрический сигнал, содержащий информацию об объеме сыпучего материала в бункере 1, после чего он передается на систему верхнего уровня при помощи электрического разъема 5. По мере уменьшения объема сыпучего материала в бункере 1, уменьшается давление, оказываемое сыпучим материалом на мембрану 8 и изменяется величина сопротивления тензопреобразователя 7, вследствие чего электронным блоком 6 производится отправка на систему верхнего уровня сигнала, содержащего информацию об актуальном объеме сыпучего материала в бункере 1 в процентах.
Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения уровня жидкого или сыпучего материала тензометрическим датчиком емкости для жидкого или сыпучего материала тем самым, улучшаются эксплуатационные характеристики тензометрического датчика уровня жидкого или сыпучего материала.