ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области дистанционного контроля и регулирования уровня.
Известен датчик уровня жидкости со свободным поплавком (К.И.Харазов. Устройства автоматики с магнитоуправляемыми контактами. М.: Энергоатомиздат, 1990 с.215-216). В резервуаре с жидкостью установлена вертикальная немагнитная труба, по которой свободно перемещается поплавок с кольцевым магнитом. Внутри трубы размещен геркон или группа герконов. При перемещении поплавка с магнитом происходит срабатывание геркона. Данный датчик прост в реализации, но имеет существенный недостаток. При выходе поплавка с магнитом из взаимодействия с герконом, полученная информация об уровне жидкости неоднозначна, то есть не позволяет определенно судить о положении уровня жидкости в промежутке между герконами. Этим же недостатком обладает датчик уровня жидкости с гибким стержнем из немагнитного материала, закрепленным внутри немагнитной трубы, и на котором установлен ряд герконов (патент РФ на полезную модель №26847, кл. G 01 F 23/62). Датчики подобного устройства не могут быть применены для автоматического регулирования уровня и сложны в эксплуатации.
Указанные недостатки частично устранены в датчике уровня масла, в котором магнит укреплен на штоке из полиамида, связанном с поплавком (патент РФ на полезную модель №24557, кл. G 01 F 23/46), а также в пороговых поплавковых преобразователях уровней жидкости (ППУ) с поступательным перемещением поплавка (сборник ЭЙ (ВИНИТИ) «Контрольно-измерительная техника», 1989, №15, с.7-9, реф.77), путем ограничения максимальных перемещений поплавка, благодаря чему после выдачи сигнала и дальнейшем перемещении уровня жидкости выдача этого сигнала сохраняется, что обеспечивает однозначность выдаваемой информации и принципиальную возможность применения датчика для автоматического регулирования уровня жидкости.
Однако, функциональные возможности датчика со штоком ограничены выдачей одного сигнала, и только в режиме заправки; кроме того, указанные датчики не обеспечивают возможности контроля пределов регулирования уровня жидкости в процессе эксплуатации.
Известен датчик уровня жидкости по патенту РФ №2135961 кл. G 01 F 23/74, в котором указанные недостатки устраняются тем, что магниты с герконами закреплены в противоположном направлении относительно друг друга на планке, установленной внутри немагнитной направляющей трубы, причем герконы расположены в поле действия магнитов, взаимодействующих с внутренней ферромагнитной стенкой поплавка при его перемещении, а направляющая труба снабжена ограничителем хода поплавка вверх и, с целью расширения технологических возможностей, установлена на крышке сосуда с возможностью изменения ее положения по высоте.
Однако подобная установка направляющей трубы, с возможностью перемещения для процессах регулировки, не обеспечивает герметичности, которая требуется для аппаратуры, работающей при повышенной температуре, давлении, с пожароопасными и агрессивными средами, а фиксированная конструкцией величина допуска на регулирование уровня сужает область применения датчика. Кроме того, при выходе уровня жидкости за верхний предел, все герконы данного устройства выдают сигнал характера «выключение», что не позволяет объективно контролировать этот предел регулирования, так как наиболее возможные отказы типа «обрыв» в линии и отсутствие контакта в ее электросоединителях могут быть восприняты обслуживающим персоналом и исполнительным устройством как аварийный сигнал, свидетельствующий о переполнении бака.
Наиболее близким, принятым за прототип является сигнализатор уровня жидкости (авт. свид. №1742628 кл. G 01 F 23/56), в котором поплавок с установленным на нем магнитом перемещается по вертикальной немагнитной трубе и происходит включение геркона, что фиксируется как изменение уровня жидкости.
Известный сигнализатор имеет существенный недостаток - неоднозначность полученной информации об уровне жидкости. Так, при выходе
магнита из взаимодействия с герконом невозможно однозначно определить, поднялся или понизился уровень жидкости, что приводит к необъективности его контроля, снижает эффективность и не допускает автоматизации процессов регулирования, поскольку уровень жидкости может выйти за границы предельно допустимых критических значений, что особенно опасно в аппаратуре, работающей при повышенной температуре, давлении и с пожароопасными и агрессивными средами. Кроме того, указанное устройство датчика не обеспечивает контроля фактических пределов регулирования уровня жидкости.
В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача повышения объективности контроля и точности регулирования уровня жидкости, а также расширения эксплуатационных и функциональных возможностей.
С целью выполнения поставленной задачи, в датчике уровня жидкости, содержащем поплавок с магнитом, нижний и верхний ограничители хода поплавка, и вертикальную направляющую немагнитную трубу, внутри которой расположен геркон, новым, согласно полезной модели, является то, что по крайней мере один ограничитель установлен с возможностью фиксации поплавка в положении взаимодействия с герконом, направляющая труба содержит элемент в виде стержня крестообразного сечения, в пазах которого, с возможностью перемещения и фиксации на нем, установлены герконы, сгруппированные в функциональные узлы, причем в узле с количеством герконов более одного они соединены друг с другом по параллельной схеме, а длина зоны взаимодействия поплавка с герконом больше, чем расстояние между герконами, ближайшими по высоте.
В отличие от прототипа, предлагаемый датчик позволяет повысить объективность контроля и точность регулирования уровня жидкости, за счет исключения неоднозначности информации, тогда как в прототипе перемещающийся с уровнем поплавок может оказаться в зоне, где отсутствие информации об уровне жидкости не допускает однозначного толкования. Выдаваемая предлагаемым датчиком информация имеет однозначный характер, например, благодаря тому, что по крайней мере один ограничитель установлен с возможностью фиксации поплавка в положении взаимодействия с герконом, так как в противном случае наблюдалась бы повторяемость зон выключенных
сигналов, характерная для прототипа и не обеспечивающая указанной однозначности. Кроме того, чтобы выдача сигналов в остальном диапазоне не прерывалась - с целью большей однозначности информации и возможности контроля пределов регулирования уровня жидкости -, герконы в функциональном узле, если их более одного, соединены между собой по параллельной схеме, а длина зоны взаимодействия поплавка с герконом превышает расстояние между ближайшими по высоте герконами, - как в одном узле, так и в соседних узлах. Благодаря однозначности информации, становится допустимым применение автоматического регулирования уровня жидкости, что повышает точность регулирования и расширяет эксплуатационные возможности устройства. Наличие элемента в виде стержня крестообразного сечения, в пазах которого установлены герконы с возможностью раздельного перемещения и фиксации на нем, позволяет установить соседние по высоте герконы с любым интервалом, позволяющим обеспечить непрерывность выдачи сигнала узлом и, при необходимости, минимальное перекрытие зон выдачи сигнала соседними узлами. Вместе с тем обеспечивается возможность задания различных режимов регулирования и не только с ориентированием на один заданный уровень жидкости для достижения наибольшей точности его регулирования, но также для регулирования в определенном диапазоне с заданным допуском, если это допустимо и желательно, например, для уменьшения частоты включения насосов. Возможность при этом раздельного перемещения и фиксации герконов на стержне позволяет установить любую длину указанного допуска, в том числе и минимального размера.
Перечисленные взаимосвязанные признаки обеспечивают повышение объективности контроля и точности регулирования уровня жидкости, а также расширение эксплуатационных и функциональных возможностей.
Преимуществом предлагаемого датчика также является то, что герконы могут быть установлены с возможностью чередования, при перемещении поплавка, включенного состояния одного и двух герконов и с обеспечением зоны взаимодействия поплавка одновременно с двумя соседними функциональными узлами, которая меньше, чем зона взаимодействия с одним герконом, при этом герконы сгруппированы не менее, чем в три функциональных узла, по крайней
мере в одном из которых верхний геркон установлен с возможностью вхождения поплавка во взаимодействие с ним при нижнем предельно допустимом уровне жидкости.
В данном варианте датчика, выдающем три сигнала, зона отсутствия сигналов не предусмотрена. Указанный вариант позволяет производить контроль и регулирование уровня жидкости между верхним и нижним предельно допустимыми значениями, которые определяются положением герконов верхнего и нижнего функциональных узлов. Количество герконов в среднем узле зависит от требуемого допуска на регулирование, а в нижнем определяется необходимой длиной хода поплавка, обеспечивающем устойчивость нижнего сигнала в случае применения датчика в баке транспортного средства. При этом обеспечивается перекрытие зон взаимодействия поплавком одновременно с двумя узлами, причем достаточно иметь перекрытие минимальной длины, а схема верхнего узла может состоять из одного геркона.
Другим преимуществом предлагаемого датчика является также наличие варианта группировки герконов, при котором они установлены с возможностью чередования включенного состояния n и (n+1) герконов, где n - число от 0 до 3, и сгруппированы в два функциональных узла, причем герконы верхнего узла установлены с возможностью вхождения поплавка во взаимодействие с этим узлом при заданном номинальном уровне, и по крайней мере один из герконов нижнего узла установлен с возможностью выхода поплавка из взаимодействия с ним при верхнем предельно допустимом уровне жидкости.
В данном варианте, обеспечивающем при помощи всего двух функциональных узлов выдачу датчиком информации о четырех положениях уровня жидкости, перекрытие зон взаимодействия поплавка с соседними узлами используется для выдачи самостоятельного сигнала и может быть задано любой длины. Кроме того, данная схема может быть использована как для регулирования с ориентированием на один заданный номинальный уровень жидкости, так и для регулирования с заданным допуском. Таким образом, благодаря данному варианту группировки герконов расширяются функциональные возможности датчика уровня жидкости.
Для более полного раскрытия сущности полезной модели на Фиг.1 представлено вертикальное сечение датчика уровня жидкости, на Фиг.2 - его сечение на уровне А-А, на на Фиг.3 - вариант схемы датчика с тремя функциональными узлами и на Фиг.4 - вариант схемы датчика с двумя функциональными узлами.
В соответствии с Фиг.1, датчик уровня жидкости содержит:
поплавок 1 с установленным на нем магнитом 2, нижний 3 и верхний 4 ограничители хода поплавка, вертикальную направляющую немагнитную трубу 5, герметичную с нижнего конца, и содержащую элемент 6 в виде стержня крестообразного сечения, на котором установлены герконы 7 с возможностью их раздельного перемещения по высоте, путем регулирования положения как элемента 6, так и герконодержателей 8, установленных на элементе 6. Ограничители 3, 4 устанавливаются, например, с креплением на трубе 5, или, как в варианте двух функциональных узлов, ограничителем 3 служит дно перфорированной защитной трубы 9, прикрепленной к корпусу датчика и служащей для предохранения его внутрибаковой части от попадания посторонних предметов и демпфирования жидкости, при работе датчика в баке транспортного средства. Верхний конец направляющей трубы 5 герметично соединен с корпусом датчика.
На Фиг. 2 показано крестообразное сечение стержня, образующего конструкцию элемента 6, и в пазах которого установлены герконы 7.
На Фиг. 3 приведена электрическая функциональная схема датчика, на которой показаны схема соединения и выводов от трех функциональных узлов 10, 11 и 12, в которые объединены герконы 7, причем в узлах 10 и 11 с количеством герконов более одного они соединены друг с другом по параллельной схеме. Благодаря тому, что длина зоны 13 взаимодействия поплавка с отдельным герконом больше, чем расстояние l между герконами, ближайшими по высоте, соседние зоны частично перекрывают одна другую на величину Δl и обеспечивают, таким образом, чередование, при перемещении поплавка, включенного состояния одного и двух герконов 7. При этом аналогичная зона Δl взаимодействия поплавка одновременно с двумя узлами меньше, чем длина зоны
13 взаимодействия с одним герконом. Верхний геркон узла 10 установлен с обеспечением возможности вхождения поплавка во взаимодействие с ним при нижнем предельно допустимом уровне «А», расстояние от которого до верхнего предельно допустимого уровня «Б» является полем допуска Δh и определяется количеством герконов 7 в среднем узле 11. Ограничители 3 и 4 установлены с возможностью фиксации поплавка в положении, обеспечивающем его взаимодействие с крайними герконами 7 при выходе уровня жидкости за допустимые пределы.
На Фиг.4, для варианта с двумя функциональными узлами, показана аналогичная установка ограничителя 4. Числом «к» обозначено количество герконов, одновременное включенное состояние которых обеспечивается при перемещении поплавка. При этом, длина 13 зоны взаимодействия поплавка с герконом, которая больше, чем расстояние l между двумя герконами, ближайшими по высоте, позволяет установить герконы, входящие в один узел, с возможностью чередования, при перемещении поплавка, включенного состояния одного и двух герконов, а герконы, входящие в разные узлы, - с возможностью чередования включенного состояния двух и трех, или трех и четырех герконов, что соответствует общей для датчика возможности чередования включенного состояния (n) и (n+1) герконов, где n - число от 0 до 3. Одновременно, герконы верхнего узла установлены с обеспечением возможности вхождения поплавка во взаимодействие с этим узлом при заданном номинальном уровне «В», а один из герконов 7 нижнего узла установлен с обеспечением возможности выхода поплавка из взаимодействия с ним при верхнем предельно допустимом уровне «Б». Датчик уровня жидкости работает следующим образом. Производится настройка на регулирование заданного уровня жидкости, путем перемещения на элементе 6 герконодержателей 8 с герконами 7, а также элемента 6 относительно направляющей трубы 5. Кроме указанного производится соответствующая установка ограничителя 4, см. Фиг.1.
В устройстве по Фиг.3 производится также установка ограничителя 3 и настройка нижнего предельно допустимого уровня жидкости «А» путем перемещения герконов 7 узла 10 и верхнего «Б» путем перемещения геркона узла
12, а также, при необходимости, перемещение герконов узла 11, с обеспечением возможности чередования, при перемещении поплавка во всем измеряемом диапазоне уровня, включенного состояния одного и двух герконов. Далее датчик герметично устанавливается в заданном положении, например, на верхнюю стенку бака.
Жидкость в исходном состоянии отсутствует. При этом поплавок 1 лежит на ограничителе 3 и в устройстве по фиг. 3 взаимодействует с нижним герконом датчика, благодаря чему при включении устройства узел 10 выдаст сигнал «Нижний», например вида «корпус», на внешнее исполнительное устройство, которое включает клапан заправки, подающий жидкость в бак. Одновременно выдается информация об уровне жидкости ниже предельно допустимого «А». При подъеме уровня жидкости и контакте ее с поплавком 1, он начинает подниматься по направляющей трубе 5. Если в схеме узла 10 несколько герконов, то при перемещении поплавка они последовательно включаются и выключаются, при этом чередуется включенное состояние одного и двух герконов и, благодаря параллельному соединению герконов, узел 10 будет продолжать непрерывно выдавать сигнал «Нижний». При дальнейшей заправке поплавок входит во взаимодействие с нижним герконом узла 11, который выдает сигнал «Норма» во внешнюю схему контроля о том, что уровень жидкости находится в пределах допуска. В этот момент поплавок взаимодействует одновременно с узлами 10 и 11, поэтому при подъеме уровня жидкости разрыва в выдаче информации не происходит. Далее, по достижении поплавком уровня «А» сигнал «Нижний» выключается, продолжается выдача сигнала «Норма», а внешнее исполнительное устройство продолжает заправку бака, пока при уровне жидкости «Б» не включится геркон узла 12, который выдаст сигнал «Верхний» на прекращение подачи жидкости в бак и, одновременно - информацию о заправленном баке. В это время продолжается выдача сигнала «Норма», так как верхний геркон среднего узла 11 остается включенным. Поэтому, на участке перекрытия Δl зон взаимодействия поплавка с узлами 11 и 12, которое меньше, чем зона 13 взаимодействия с одним герконом, разрыва в выдаче-информации также не
происходит. При колебаниях уровня жидкости поплавок будет взаимодействовать с герконами узлов 10 и 12 и будут периодически выдаваться сигналы на открытие и закрытие клапана заправки, чем и будет определяться поддержание уровня жидкости в заданном поле допуска Δh. При выходе уровня жидкости за верхний предел «Б» и дальнейшем его повышении будет выдаваться только сигнал «Верхний», свидетельствующий о переполнении бака. При минимальном перекрытии Δl можно обеспечить практическое совпадение уровней выдачи сигнала «Верхний» на прекращение заправки и сигнала на выключения сигнала «Норма» с допустимым опережением сигнала «Верхний». По достижении определенного уровня, подъем поплавка будет остановлен ограничителем 4, что не изменит включенного состояния геркона верхнего узла, с которым взаимодействует поплавок, и этим обеспечит сохранение и контроль сигнала о переполнении в случае дальнейшего повышения уровня жидкости.
Наличие в схеме узла 10 нескольких герконов удлиняет зону выдачи сигнала «Нижний». Благодаря этому, при начале заправки, когда поплавок еще контактирует с нижним ограничителем, и допускается, под влиянием механических нагрузок, его кратковременный отрыв от ограничителя, исключается вероятность ложной выдачи сигнала «Норма».
При работе устройства с двумя функциональными узлами, показанном на фиг. 4, производится контроль однозначно понимаемой информации о четырех положениях уровня жидкости: «ниже А», в диапазонах «А-В», «В-Б», и «выше Б», где уровни «А» и «Б» - соответственно нижний и верхний предельно допустимые уровни, а также автоматическое поддерживание уровня жидкости, которое может производиться в одном заданном из двух возможных режимов:
1
2
В первом режиме уровень регулируется в диапазоне между предельно допустимыми уровнями жидкости «А» и «Б», для чего предварительно производится их настройка путем перемещения герконов 7 нижнего узла. Настройка заданного номинального уровня жидкости «В» производится перемещением герконов верхнего узла. При равенстве верхнего и нижнего допусков Δh и Δh;, уровень «В» располагается посередине между «А» и «Б». В исходном состоянии, поплавок, лежащий на ограничителе 3, с герконами 7 не
1
2
взаимодействует. Все герконы находятся в выключенном состоянии, и сигналы на выходе датчика отсутствуют. При включении питания устройства, отсутствие сигналов свидетельствует об уровне жидкости ниже предельно допустимого, что является первой однозначно воспринимаемой ситуацией. При этом открывается клапан заправки автоматической системы регулирования. При подъеме уровня жидкости и контакте ее с поплавком 1, он начинает подниматься по направляющей трубе 5. Когда достигнут уровень жидкости «А», поплавок входит во взаимодействие с нижним герконом 7 датчика. При этом нижний узел начинает выдачу сигнала «Нижний» во внешнюю схему контроля о том, что уровень жидкости находится в пределах допуска (выше уровня «А»), так как нижний геркон датчика определяет нижнюю границу допуска и установлен ниже верхнего узла, определяющего номинальный уровень «В», на расстоянии Δh. Подъем уровня жидкости и перемещение поплавка продолжается. При этом герконы нижнего узла последовательно включаются и выключаются, аналогично варианту фиг.3. Далее, при заданном номинальном уровне «В», поплавок входит во взаимодействие с герконом верхнего узла, который выдает во внешнюю цепь сигнал «Верхний». Одновременное наличие двух сигналов информирует о том, что уровень жидкости находится в пределах допуска Δh (ниже уровня «Б»). С учетом, что в каждом узле при этом могут быть включены один или два геркона, общее количество включенных герконов в зоне выдачи двух сигналов может колебаться от двух до четырех, с чередованием включенного состояния двух и трех или трех и четырех герконов. В течение этого времени одновременная выдача двух сигналов во внешнюю цепь не прерывается. При верхнем предельно допустимом уровне жидкости «Б» поплавок выходит из взаимодействия с герконом нижнего узла, благодаря чему будет выдаваться только сигнал «Верхний» на прекращение подачи жидкости в бак и, одновременно, - информация о заправленном баке. Клапан заправки закрывается. При колебаниях уровня жидкости поплавок будет взаимодействовать с герконами узлов, а сигналы будут периодически поступать к клапану на открытие и закрытие, чем и будет определяться поддержание заданного уровня жидкости в пределах заданных допусков.
2
2
При выходе уровня жидкости за пределы верхнего допуска Δh (выше верхнего предельного уровня «Б») будет выдаваться только сигнал от верхнего узла, что будет свидетельствовать о переполнении бака. Когда поплавок войдет в контакт с верхним ограничителем 4, который, несмотря на дальнейшее повышение уровня, зафиксирует его в этом положении, он будет оставаться во взаимодействии с герконом верхнего узла, и сигнал о переполнении бака не выключится. При понижении уровня жидкости поплавок отойдет от ограничителя и будет опускаться, войдя во взаимодействие с герконом нижнего узла на верхнем предельно допустимом уровне «Б», в результате чего этот узел выдаст во внешнюю схему контроля сигнал о том, что уровень жидкости находится в пределах допуска Δh , и это опускание будет продолжаться, например вследствие выработки жидкости, пока на уровне «А» не выключится сигнал «Нижний» и не откроется вновь клапан заправки. Таким образом, в первом режиме пределы автоматического регулирования уровня жидкости определяются уровнями включения нижнего геркона и выключения верхнего геркона нижнего узла.
Во втором режиме работы регулирование уровня жидкости должно производиться с ориентированием на один заданный номинальный уровень «В», в связи с чем в первую очередь настраивается этот уровень, а затем, в соответствии с заданным допусками, уровни «А» и «Б», путем перемещения герконов, указанных выше. Для работы узлов в указанном режиме может оказаться достаточным применения в их схеме по одному геркону, при этом общее поле допуска задается равным зоне взаимодействия поплавка с герконом и является минимально достижимым. В указанном режиме, начало заправки происходит аналогично, а по достижении заданного номинального уровня «В» поднимающийся поплавок 1 входит во взаимодействие с верхним узлом, в связи с чем выдается сигнал «Верхний» для информации о заправленном баке, и одновременно - на прекращение подачи жидкости в бак. Клапан заправки закрывается. При колебаниях уровня жидкости поплавок будет взаимодействовать с верхним узлом, и сигнал, поступающий от него к клапану, будет периодически включаться и выключаться, чем и будет определяться поддержание заданного уровня, с ориентированием на номинальный уровень «В». Превышение уровня приведет к
тому, что при верхнем предельно допустимом уровне жидкости «Б» поплавок выйдет из взаимодействия с герконом нижнего узла, при этом выдача лишь одного сигнала «Верхний» будет свидетельствовать о переполнении бака. При опускании поплавка ниже уровня «А», выдача сигналов датчиком прекратится, что будет свидетельствовать об аварийном остатке жидкости. Таким образом, во втором режиме может производиться автоматическое регулирование уровня жидкости относительно заданного номинального уровня, и контроль поддержания уровня в пределах заданного допуска.
Предлагаемый датчик, благодаря использованию не более одной зоны отсутствия сигналов и непрерывности выдачи сигналов в остальном диапазоне, позволяет повысить объективность контроля уровня жидкости за счет исключения неоднозначной информации, в то время как в известных датчиках при перемещении поплавка он периодически оказывается в зоне между герконами, где отсутствие информации об уровне жидкости не может быть воспринято однозначно. Однозначность выдаваемой информации в предлагаемом устройстве позволила повысить точность регулирования за счет применения автоматических устройств и применить датчик уровня жидкости в топливных системах летательных аппаратов, управляющих процессами заправки, перекачки и регулирования.
Благодаря введению элементов раздельной регулировки верхнего и нижнего предельно допустимых уровней выдачи сигнала в виде стержня крестообразного сечения, на котором установлены герконы, становится возможным, благодаря установке двух или трех функциональных узлов, обеспечить регулирование уровня жидкости с любым допуском. Это имеет следующие преимущества: если в прототипе регулирование уровня может быть предусмотрено с ориентированием только на один номинальный уровень, а при этом частота переключений коммутационных и исполнительных элементов максимальна, то в предлагаемом устройстве обеспечена возможность оптимального выбора между достигаемой точностью регулирования и допустимой скоростью выработки ресурса применяемых элементов.
Применение в датчике уровня жидкости элемента в виде стержня крестообразного сечения, в пазах которого установлены герконы, позволяет устанавливать соседние по высоте герконы с любым интервалом от 1 до 20 мм при величине зоны взаимодействия поплавка с герконом 22 мм, обеспечивая непрерывность выдачи сигнала узлом и минимальное перекрытие зон выдачи сигнала соседними узлами 2 мм. При этом увеличение поперечного размера направляющей трубы незначительно, например, при использовании герконов МУК1А-1 наружный диаметр трубы круглого сечения не превышает 12 мм.
Применение данного датчика в системах контроля и регулирования уровня жидкости не требует сложного аппаратного и программного обеспечения.