УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня и плотности жидкости в замкнутых объемах, и также в местах, где происходит управление производством.
Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее поплавок в виде полого цилиндра, нижний конец которого герметически закрыт, гибкий трос, защитную трубу с отверстиями в нижнем и верхнем ее концах, гидрозатвор в виде сосуда с горловиной и стакана, которые заполнены незамерзающим негорючим жидким диэлектриком, тензопреобразователь, стержень, один конец которого соединен с тензопреобразователем, а другой со стаканом гидрозатвора [Патент РФ №2229691, МПК G01F 23/30, опубл. 27.05.2004, БИ №15, авторы Поляев Г.В. и др].
Недостатком этого устройства являются ограниченные функциональные возможности. Это объясняется тем, что устройство не обеспечивает измерение плотности жидкости по глубине.
Известно устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее поплавок в виде полого цилиндра, нижний конец которого герметично закрыт, защитную трубу с отверстиями в верхнем и нижнем ее концах, в которых расположен поплавок, тензопреобразователь, гибкий трос, один конец которого соединен с поплавком, а другой - с тензопреобразователем, микроконтроллер - с аналого-цифровым преобразователем, который соединен с выходом тензопреобразователя и шаговый реверсивный электродвигатель с микрометрическим винтом, который закреплен на его валу, с кронштейном с направляющей рейкой, который установлен в верхнем конце защитной трубы, причем микрометрический винт связан с тензопреобразователем, который установлен на направляющей рейке с возможностью его вертикального перемещения [Патент РФ №2277229, МПК: G01F 23/30, G01N 9/10, опубликовано 27.05.2006, БИ №15, авторы Бердников A.M. и др].
Недостатком этого устройства является ограниченные функциональные возможности - измерение плотности по глубине и отсутствие возможности тарировки устройства без его отключения.
Данное техническое устройство выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом является расширение функциональной возможности устройства за счет измерения плотности по глубине и массы жидкости.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения уровня и плотности жидкости, содержащем поплавок в виде полого цилиндра, нижний конец которого герметично закрыт, защитную трубу с отверстиями в верхнем и нижнем ее концах, в которой расположен поплавок, тензопреобразователь, гибкий трос, один конец которого соединен с поплавком, а другой - с тензопреобразователем, микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем и цифровым табло, который соединен с выходом тензопреобразователя, шаговый реверсивный электродвигатель с микрометрическим винтом, который закреплен на его валу, кронштейн с направляющей рейкой, который установлен в верхнем конце защитной трубы, причем микрометрический винт связан с тензопреобразователем, который установлен на направляющей рейке с возможностью его вертикального перемещения, согласно полезной модели, в нижней части поплавка выполнены отверстия, одно отверстие на высоте 20-40 мм и два в нижней его части, к которым подсоединены датчик давления и датчик перепада давления, причем датчик давления подключен к первому нижнему отверстию, а датчик перепада давления подключен к верхнему и второму нижнему отверстиям поплавка, выходы всех датчиков подключены к микроконтроллеру с аналогово-частотным преобразователем и цифровым табло.
Датчик давления и датчик перепада давления позволяют измерить плотность жидкости на любом уровне без отключения устройства.
На фиг. представлено устройство для измерения уровня и плотности жидкости.
Устройство для измерения уровня и плотности жидкости содержит: вертикально расположенную защитную трубу 1, отверстия 2 и 3, поплавок 4, гибкий трос 5, тензопреобразователь 6, микроконтроллер 7 с аналогово-частотным преобразователем и цифровым табло, кронштейн 8, направляющую рейку 9, шаговый реверсивный электродвигатель 10, микрометрический винт 11, нижнее первое отверстие 12, нижнее второе отверстие 13, верхнее отверстие 14, датчик давления 15 и датчик перепада давления 16.
При измерении уровня жидкости устройство работает следующим образом.
T
2
В исходном положении уровень жидкости в резервуаре ниже предельного или отсутствует. В этом случае нижний конец поплавка 4 не контактирует с жидкостью. Под действием силы тяжести поплавка 4 F=mg тензопреобразователь испытывает деформацию порядка 0,1 мм, где m - масса поплавка, g=9,8 м/с - ускорение свободного падения. В данном случае на цифровом табло микроконтроллера 7 высвечивается "0". При поступлении жидкости в резервуар на поплавок 4 действует давление P=ρgH, где ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, Н - высота уровня жидкости.
1
Под действием этого давления выталкивающая сила, равная ρ gHS, где S - площадь основания поплавка, перемещает поплавок вверх. Под действием выталкивающей силы деформация тензопреобразователя 6 снижается, и на его выходе появляется электрический сигнал U, значение которого пропорционально уровню Н жидкости. Электрический сигнал с выхода тензопреобразователя 6 поступает на вход АЦП микроконтроллера 7, и его цифровое табло показывает измеренный уровень Н жидкости.
При измерении плотности жидкости устройство работает следующим образом.
1
1
2
2
Микроконтроллер 7 запоминает величину электрического сигнала U, который поступает на его вход от тензопреобразоателя 6, пропорциональный измеренному уровню h жидкости. С выхода управляющего микроконтроллера 7 электрические импульсы поступают на вход шагового реверсивного электродвигателя 10, закрепленного на кронштейне 8, вал его поворачивается, и микрометрический винт 11 перемещает вверх тензопреобразователь 6 по наравляющей рейке 9, трос 5 и поплавок 4, который переходит в положение h. В этом случае электрический сигнал, величина которого равна U, поступает от тензопреобразователя 6 на первый вход микроконтроллера 7.
1
2
1
2
Разность потенциалов от тензопреобразователя 6 при положении поплавка h и h равна ΔU=U-U,
где k - коэффициент пропорциональности;
2
1
h-h=const.
Микроконтроллер 7 в соответствии с соотношением (1) определяет плотность жидкости, так как ΔU=f(P) его цифровое табло показывает измеренную плотность жидкости.
1
После этого с выхода управляющего микроконтроллера 7 поступают электрические импульсы на вход шагового реверсивного электродвигателя 10, и вал его поворачивается в обратном направлении. В этом случае микрометрический винт 11 перемещает тензопреобразователь 6 с тросом 5 вниз, поплавок 4 занимает исходное положение h и устройство переходит в режим измерения уровня.
Для измерения массы жидкости и плотности жидкости, а также для контроля работы тарировки устройства без отключения устройства используются показания датчика давления 15, подключенного к отверстию 12 и датчика перепада давления 16, подключенного к отверстиям 13 и 14. Показания датчиков соответствуют следующим зависимостям P=ρgH, ΔP=ρgΔh. Отсюда ρ=ΔP/(gΔh), где Δh известная величина, a H=P/(ρg). Масса жидкости в сосуде равна M=FHρ, где известная площадь сосуда. Для измерения плотности жидкости по глубине поплавок перемещается из глубины до поверхности и на контрольных глубинах производят замер давления и перепада давления по ним определяют плотность ρ=ΔP/(g·Δh) и определяют глубину H=P/(ρ·g). Устойчивое положение поплавка 4 при поступлении жидкости в резервуар или ее сливе обеспечивает защитная труба 1 и отверстия в 2 и 3, сделанные в верхнем и нижнем концах трубы, что исключает сбои или потерю информации.
Предлагаемое устройство для измерения уровня и плотности позволяет повысить точность измерения плотности по высоте, а затем определить наличие примесей и массу жидкости.