ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ С ШАРОВЫМ ПОПЛАВКОМ И ПОДВИЖНЫМ УКАЗАТЕЛЕМ
LIQUID LEVEL METER WITH BALL FLOAT AND MOVABLE INDICATOR

Область техники
Изобретение относится к устройствам измерения уровня жидкости, в частности, к измерителям уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем.
Уровень техники
Существующие местные датчики, указывающие уровень жидкости, представляют собой стеклянные пластины, магнитные затворы (колонна), буи и датчики уровня с двухцветной водой. Измерители со стеклянной пластиной могут измерять уровень жидкости только посредством визуального контакта и с близкого расстояния. Когда устройство покрывается пылью или загрязняется, визуальная проверка становится трудной, при этом такие измерители имеют ограниченную стойкость к давлению. Конструкция магнитного затвора (колонны) сравнительно сложна, и измеритель может легко исказить информацию. Кроме того, использование магнитной стали в шаровом поплавке создает проблему, заключающуюся в размагничивании при высокой температуре, что отрицательно сказывается на долгосрочном использовании. В импортном магнитном измерителе уровня жидкости с шаровым поплавком, хотя он стоек к высоким температурам, шаровой поплавок необходимо заменять из-за размагничивания магнитной стали после 4 - 5 лет. Измеритель с двухцветной водой подходит для узкого диапазона сред и обладает ограниченной стойкостью к давлению. Кроме того, датчики уровня жидкости со стеклянной пластиной или датчики уровня жидкости с двухцветной водой не могут быть изолированы, что приводит к высокому потреблению электроэнергии.
Например, достоинством устройства по патенту Китая ZL93213461.0 является простота конструкции и расширенный диапазон температур. Выталкивающая сила жидкости, действующая на расположенный в трубке подвижный указатель, уменьшает нагрузку на поплавок. Однако это устройство обладает следующими недостатками. Как поплавок, так и подвижный указатель перемещаются с трением скольжения, что приводит к большим силам трения, отрицательно влияющими на точность и чувствительность измерений, делая этот инструмент даже непригодным к использованию. Это можно видеть из результатов вычислений в описании другого патента Китая ZL200910219681.X.
Известно устройство по патенту Китая ZL9923472.9, достоинством которого также является простота конструкции и расширенный диапазон температур. Тем не менее, это устройство имеет те же недостатки, т.е. большое трение отрицательно влияет на точность и чувствительность измерений, так что инструмент становится непригодным к использованию.
Известно устройство по патенту Китая ZL88218650.7, достоинством которого является простота конструкции, при этом замена указателя уровня жидкости (буя) на шар значительно уменьшает трение. Однако это устройство обладает следующими недостатками:
- поплавок перемещается с трением скольжения, что приводит к большим коэффициенту трения и силам трения, отрицательно воздействующих на точность и чувствительность измерений;
- магнитная сталь в кольцевом поплавке увеличивает вес поплавка, что вынуждает увеличивать его объем;
- температура размагничивания магнитной стали ограничивает температуру использования измерителя уровня жидкости.
Еще одним примером выполнения датчика уровня является устройство по патенту Китая ZL200410015416.7, которое лучше указанных выше решает задачи при применении в котлах высокого давления, но магнитной тележке нужно четыре колеса и другие компоненты, иначе подвижный указатель будет отклоняться вверх и вниз и не может быть использован, что делает всю конструкцию сложной. Кроме того, увеличится вес магнитной тележки, увеличивая тем самым нагрузку на поплавок. Это требует увеличения веса поплавка, что трудно обеспечить в приложениях со средой высокой температуры и под высоким давлением или со средой с высоким давлением и низкой плотностью, и удаленный сигнал будет прерывающимся. При этом между поплавком и камерой поплавка происходит трение скольжения, является описанной выше проблемой, отрицательно влияющей на точность и чувствительность измерений.
Некоторые из указанных выше известных измерителей уровня жидкости отличаются высокими рисками безопасности из-за высокой температуры поверхности, которые могут привести к ожогу людей, или к возникновению пожара или взрыва, если среда является горючей или взрывоопасной.
Известен измеритель уровня с поплавком по патенту Китая ZL200910219684.3, который содержит буй, и который используют в приложениях со средой с высокой температурой, высоким давлением или со средой с высоким давлением и низкой плотностью. При этом конструкции буя сложна, а стоимость изготовления достаточно высока. Из-за большого количества деталей и компонентов высока вероятность отказов, что отрицательно влияет на надежность использования и приводит к высоким затратам на техническое обслуживание. Кроме того, установка магнитной стали в шаровом поплавке ограничена его высокотемпературным размагничиванием, так что две полусферические оболочки шарового поплавка не могут быть сварены, следовательно, изготовление шарового поплавка является трудной задачей. При использовании магнитной стали существует проблема высокотемпературного размагничивания.
Аналогичная проблема существует и для измерителя уровня жидкости по патенту Китая ZL200910219681.X.
В устройстве по заявке на патент Китая CN103411652 описанный выше поплавок не является сферическим и отличается большой силой трения и обладает проблемами, аналогичными проблемам упомянутых выше устройств. Кроме того, в держателе нефтяной метки имеется дорожка и магнитный указатель в форме вентилятора, установленный в упомянутой дорожке. Хотя центр тяжести держателя нефтяной метки в указанной конструкции находится ниже, трудно обеспечить вертикальность держателя нефтяной метки, т.е. держатель нефтяной метки может постепенно отклониться от исходного положения в ходе многочисленных перемещений вверх и вниз.
Еще одним примером выполнения указателя уровня является устройство по патенту Китая ZL201210140345.8, в котором подвижный указатель содержит ось, соединительную тягу и тяжелый груз для обеспечения низкого расположения центра тяжести подвижного указателя. И даже в такой ситуации по-прежнему трудно обеспечить горизонтальность его оси, т.е. трудно обеспечить вертикальность его перемещения вверх и вниз. Фактически в процессе использования происходит постепенное отклонение от вертикали. Когда диапазон измерений уровня жидкости мал, указанное устройство может быть использовано нормально. Когда же диапазон измерений большой, требуется аккуратная регулировка, иначе увеличивается возможность отклонения или увеличивается расстояние отклонения, т.е. возникает проблема с точностью или надежностью. Кроме того, наличие оси, соединительной тяги и тяжелого груза для подвижного указателя приводит к следующему.
1. Увеличивается вес подвижного указателя.
2. Увеличивается трение, что отрицательно влияет на точность.
3. Более сложная конструкция и высокая стоимость.
4. Сниженная надежность вследствие слишком большого количества частей и компонентов.
5. Отрицательное влияние на точность из-за неравномерного распределения радиально направленной силы магнитного взаимодействия пластины из магнитной стали.
Упомянутые выше аналогичные проблемы также присущи датчику уровня по упомянутой выше заявке на патент Китая CN103411652.
Для датчиков уровня жидкости без подвижных указателей или буев, описанных в патенте Китая на полезную модель ZL201420640215.5, по-прежнему актуальны следующие проблемы.
1. Высокое трение, существенный гистерезис, низкая точность. После испытаний с многократными относительными перемещениями разных импортных линейных подшипников и разных импортных линейных направляющих, трение между линейными подшипниками и линейными направляющими является проблемой, которую не удается избежать. Трение между местными линейными подшипниками и линейными направляющими больше, и все соответствующие датчики уровня являются не очень чувствительными, обладают малой точностью и большим гистерезисом. Экспериментально установлено, что верхняя задержка равна 3 мм, а свободный ход составляет 8 мм. И сам по себе линейный подшипник тяжелее, что неизбежно увеличивает вес подвижного указателя. Таким образом, нужна большая сила магнитного взаимодействия для соединения. Кроме того, дополнительно увеличивается сила трения, следовательно, выталкивающую силу шарового поплавка нужно делать большей. Все указанное приводит к большему количеству проблем.
2. Высокая стоимость. Каждый из импортных линейных подшипников стоит примерно 50 юаней, линейные подшипники, выполненные из алюминиевого сплава, стоят примерно 6-7 юаней за метр, а импортный стоит примерно 100 юаней за метр. Когда диапазон большой, доля в общей стоимости больше. Указанное не включает в себя другие части подвижного указателя.
3. Жесткость направляющего рельса мала, и жесткость цилиндрической линейной направляющей с цилиндрическим линейным подшипником уменьшается при увеличении длины. Когда на подвижный указатель и шаровой поплавок действует сила магнитного взаимодействия, направляющий рельс будет слишком сильно изгибаться по направлению к камере шарового поплавка, так что невозможно использование при слишком большом диапазоне. Жесткость направляющего рельса такого типа невозможно увеличить путем установки вспомогательных устройств, иначе его невозможно использовать, если не установлены прямые линейные подшипники. Если нужно увеличить жесткость направляющего рельса, должен быть увеличен его диаметр. Это неизбежно увеличит вес линейного подшипника, что не только дополнительно увеличит силу трения, но также станет причиной погружения шарового поплавка в жидкость и даже использование может стать невозможным из-за увеличения веса.
4. Слишком большое количество соединений направляющих рельсов: так как точность соответствия линейных направляющих рельсов и линейных подшипников очень высока, а линейная направляющая является высокоточно обработанным объектом, на который распространяются требования по жесткости для направляющего рельса, то каждый направляющий рельс нельзя обрабатывать очень долго. При большом диапазоне измерений уровня жидкости нужно соединить вместе несколько направляющих рельсов, и соединение концов направляющих рельсов должно обеспечить точность. Указанного трудно добиться, иначе линейный подшипник может залипнуть на соединении двух направляющих рельсов. С другой стороны, увеличение жесткости направляющего рельса путем увеличения его диаметра с целью уменьшения количества соединений неизбежно увеличит размер линейного подшипника, увеличивая тем самым вес подвижного указателя. Эта нагрузка приведет к погружению шарового поплавка в жидкость и к невозможности использования датчика уровня жидкости.
5. Невозможность ремонта подшипника. Структура самого линейного подшипника определяет то, что его тяжело чистить при попадании загрязнений. В этом случае он должен быть обновлен, что дополнительно увеличивает стоимость.
Известный поплавковый датчик уровня жидкости может быть использован в приложениях с высокой температурой и высоким давлением. Части, на электронные компоненты которых распространяется требование по стойкости к температуре и которые расположены рядом с устройством передачи, нельзя изолировать или даже могут потребоваться охлаждающие ребра, что приводит к увеличению потребления электроэнергии и возможности возгорания.
Датчики с магнитным шаровым поплавком, произведенные в Европе, Соединенных Штатах Америки или в других странах, дороги, они стоят 5-10 миллионов юаней каждый. Они имеют не только проблему, заключающуюся в одновременном выдерживании высоких температур и высокого давления, но также имеют проблему размагничивания при высоких температурах, так что после нескольких лет использования магнитный шаровой поплавок нужно заменять. Каждый раз при замене магнитного шарового поплавка его нужно разбирать, заменять, уплотнять, проводить гидростатические испытания и проверять непроницаемость для воздуха. Цена каждого высокотемпературного магнитного поплавка составляет более 10000 юаней. Как известно, срок службы при высокой температуре импортных магнитных шаровых поплавков составляет примерно 4-5 лет, а период работы оборудования без капитального ремонта в нефтехимической области составляет 3 года. Таким образом, импортный магнитный шаровой поплавок должен быть заменен через 3 года. Ясно, что стоимость таких датчиков и их эксплуатации слишком высока.
Раскрытие изобретения
С учетом упомянутых выше проблем настоящее изобретение направлено на разработку измерителя уровня жидкости с шаровым поплавком, который обладает высокой точностью и малой стоимостью, имеет более простую конструкцию, надежен в использовании и легок в изготовлении, в котором отсутствуют недостатки известных датчиков, и который эффективно удовлетворяет потребностям в соответствующих областях техники.
Решение, соответствующее изобретению, реализуется следующим образом.
Измеритель уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем содержит камеру шарового поплавка, шаровой поплавок из ферромагнитного материала, градуированную шкалу, расположенный снаружи камеры шарового поплавка подвижный указатель с направляющим рельсом. При этом подвижный указатель содержит элемент из магнитной стали, рамку и роликовую систему, горизонтально установленную в рамке и содержащую ролик с кольцевой канавкой на периферийной поверхности, установленный на оси посредством подшипников качения, так что внутренние кольца подшипников качения установлены на оси, а внешние кольца подшипников качения - на ролике с возможностью совместного с ним вращения. Ось установлена в рамке и расположена параллельно земле, а элемент из магнитной стали прикреплен снаружи ближайшей к камере шарового поплавка стороны рамки так, что один из магнитных полюсов элемента из магнитной стали направлен к шаровому поплавку. Направляющий рельс подвижного указателя охвачен рамкой и проходит между элементом из магнитной стали и роликовой системой, при этом ролик посредством своей канавки контактирует с рабочей поверхностью направляющего рельса с возможностью перекатывания вверх и вниз вдоль направляющего рельса под действием силы магнитного взаимодействия между элементом из магнитной стали и шаровым поплавком.
Направляющий рельс со стороны, ближайшей к камере шарового поплавка, может содержать содержит ребро жесткости, проходящее от верха до низа, что позволяет повысить жесткость направляющего рельса подвижного указателя и дополнительно обеспечить точность измерений.
Кроме того, форма кольцевой канавки на ролике, если смотреть точно сверху, соответствует форме направляющего рельса в месте его контакта с роликом.
Например, если направляющий рельс подвижного указателя является цилиндрическим, то кольцевая канавка ролика является вогнутой дугообразной, соответствующей дугообразной поверхности цилиндрический направляющей рельса в месте его контакта с роликом. Диаметр вогнутой дугообразной канавки больше диаметра цилиндрического направляющего рельса.
В качестве альтернативы, если направляющий рельс подвижного указателя является цилиндрическим, то кольцевая канавка ролика может быть трапециевидной, при этом ролик, по меньшей мере, двумя внутренними скатами, образованными уклонами трапециевидной канавки, прилегает к рабочей поверхности направляющего рельса под действием силы магнитного взаимодействия между элементом из магнитной стали и шаровым поплавком с возможностью перекатывания вверх и вниз вдоль направляющего рельса.
Направляющий рельс может иметь форму прямоугольного параллелепипеда, а кольцевая канавка ролика является прямоугольной. При этом расстояние между двумя внутренними параллельными поверхностями прямоугольной канавки больше соответствующего расстояния между двумя внешними поверхностями направляющего рельса.
Роликовая система может состоять из двух комплектов роликовых систем, одна из которых расположена сверху другой, при этом они установлены параллельно в одной рамке так, что плоскость, образованная двумя осями этих роликовых систем, перпендикулярна поверхности земли. Таким образом, вращение элемента из магнитной стали относительно указанной оси по время перемещения подвижного указателя будет уменьшено, и будут увеличены точность и надежность.
Измеритель уровня жидкости может содержать закрытую камеру подвижного указателя из неферромагнитного прозрачного материала, расположенную рядом с камерой шарового поплавка, при этом оси указанных камер параллельны, а подвижный указатель и его направляющий рельс установлены в камере подвижного указателя. При фактическом использовании, подвижный указатель обычно расположен в закрытом корпусе для предотвращения воздействия дождя, снега, льда и пыли.
Для балансировки выталкивающей силы шарового поплавка и обеспечения действующей на него вверх подъемной силы камера подвижного указателя наполнена жидкостью и в ней расположен буй, содержащий подвижный указатель и закрепленный на нем поплавок. Поплавок закреплен на подвижном указателе с целью формирования буя, а жидкость заполняет камеру подвижного указателя для создания действующей на буй выталкивающей силы. Для облегчения наблюдения, уменьшения трения, улучшения точности измерения и исключения влияния испарений, жидкость в камере подвижного указателя является прозрачной и обладает смазывающими свойствами. Такой жидкостью может быть трансформаторное масло или кулинарное растительное масло.
В случае использования устройства для среды с высокой температурой и высоким давлением или среды с высоким давлением низкой плотностью, благодаря более толстой стенке шарового поплавка, большей удельной плотности шарового поплавка или удельной плотности шарового поплавка, большей удельной плотности измеряемой среды, чтобы сбалансировать силу тяжести шарового поплавка и подействовать на шаровой поплавок направленной вверх подъемной силой также может быть использован неподвижный блок, закрепленный над подвижным указателем, при этом один конец троса блока соединен с противовесом, а другой с рамкой.
В качестве примера будет рассмотрено трение между направляющим рельсом в форме прямоугольного параллелепипеда и роликом с прямоугольной канавкой. Для анализа сил, как показано на фиг. 9(а) и 9(b), длина вертикального контакта прямоугольной канавки ролика с прямоугольным направляющим рельсом, перпендикулярным земле, принята равной 40 мм, вес W подвижного указателя принят равным 40 г, а коэффициент расширения материала ролика с прямоугольной канавкой больше коэффициента расширения материала направляющего рельса. После нагревания осевой зазор между роликом с прямоугольной канавкой и направляющим рельсом составляет 0,1 мм. В этом случае верхний конец ролика может быть прижат к внешней стенке с одной стороны направляющего рельса, а нижний конец ролика может быть прижат к внешней стенке с другой стороны направляющего рельса. Сила, действующая на центр оси ролика с прямоугольной канавкой, и направленная вверх тяговая сила равны F = W = 40 г, когда подвижный указатель сбалансирован с шаровым поплавком и боковые горизонтальные компоненты сил N и N′, действующие на направляющий рельс верхним и нижним концами ролика, равны:
Общая горизонтальная сила, действующая со стороны верхнего и нижнего концов, составляет N + N′ = 0,1 + 0,1 = 0,2 г, а коэффициент трения стали о сталь составляет K = 0,2. Ясно, что сила трения, действующая сверху и снизу на подвижный указатель, составляет (N + N′) × K = 0,04 г.
3
В качестве жидкости в камере шарового поплавка принята вода, удельная плотность которой равна 1 г/см, диаметр D шарового поплавка принят равным 100 мм, и шаровой поплавок погружен в жидкость. Изменение выталкивающей силы, вызванное изменением уровня жидкости на 1 мм, равно 5×5×3,14×0,1×1 = 7,85 г. Понятно, что упомянутые выше 0,04 г силы трения будут оказывать малое воздействие на измерение уровня жидкости.
Измеритель уровня жидкости может содержать запасной подвижный указатель, расположенный в верхней части камеры подвижного указателя и зафиксированный с помощью пластины из магнитной стали, закрепленной снаружи камеры подвижного указателя. Пластина из магнитной стали может быть прикреплена снаружи камеры подвижного указателя с помощью крепежных средств.
Для исключения отрицательного влияния содержащихся в жидкости загрязнений на качение шарового поплавка внутренняя стенка камеры шарового поплавка вблизи подвижного указателя снабжена выступающей рельсовой направляющей шарового поплавка, так что шаровой поплавок не будет прилипать к внутренней стенке камеры шарового поплавка, когда он перемещается вверх и вниз. Например, установлены два направляющих рельса шарового поплавка.
Для уменьшения трения между подвижным указателем и его направляющими рельсами, ролик на рабочей поверхности канавки, которая контактирует с направляющим рельсом подвижного указателя, покрыт политетрафторэтиленом.
С точки зрения стойкости к высокой температуре, стойкости к высокому давлению, антикоррозионной стойкости и снижения удельной плотности шарового поплавка, шаровой поплавок из ферромагнитного материала покрыт защитным слоем из углеродного волокна. Благодаря низкой плотности, высокой прочности, стойкости к высокой температуре и антикоррозионной стойкости углеродного волокна, уменьшен общий вес шарового поплавка, он подходит одновременно для среды с высокой температурой и высоким давлением или среды с высоким давлением и низкой плотностью и коррозионноактивной среды. Аналогично, шаровой поплавок также может быть покрыт защитным слоем политетрафторэтилена.
В качестве альтернативы, с точки зрения стойкости к высокой температуре, стойкости к высокому давлению и антикоррозионной стойкости, шаровой поплавок с ферромагнитным материалом может быть покрыт защитным слоем из высоколегированной стали, например, сталью 304, 316 или сталью CrMo и т.п., которая обладает стойкостью к высоким температурам. Шаровой поплавок может быть выполнен из ферромагнитной высоколегированной стали, такой как 2Cr13.
Аналогично, для антикоррозионной стойкости камера шарового поплавка может быть выполнена из пластика (такого как политетрафторэтилен), или стекла, или внутренняя стенка камеры шарового поплавка покрыта антикоррозионным слоем.
Чтобы уровень жидкости был виднее, подвижный указатель покрыт яркой отметкой, например красного цвета, и/или покрыт светоизлучающим слоем, который может быть образован самолюминесцирующим материалом.
Когда при использовании шаровой поплавок и подвижный указатель оказываются разъединенными, то для их повторного соединения пластина из магнитной стали может удерживаться в руке для нахождения положения шарового поплавка. Затем подвижный указатель тянут рукой или пластину из магнитной стали используют для втягивания подвижного указателя, когда имеется камера подвижного указателя, для притягивания шарового поплавка ближе. После этого удерживаемую вручную пластину из магнитной стали отпускают или удаляют. Когда есть сомнения в том, совпадают ли положения подвижного указателя и шарового поплавка, указанное положение может быть получено путем сравнения местоположения шарового поплавка, найденного с помощью удерживаемой вручную пластины из магнитной стали, и местоположения подвижного указателя.
Кроме того, учитывая требование по теплоизоляции или изоляции от низких температур с целью энергосбережения, между внешней стенкой камеры шарового поплавка и подвижным указателем или камерой подвижного указателя может быть расположен теплоизоляционный слой или слой изоляции от низких температур. Теплоизоляционный слой может быть выполнен из алюмосиликата магния или из нанокерамического материала и волокна из силиката или алюмосиликата. Его толщина может составлять несколько миллиметров. Слой изоляции от низких температур может быть изоляционным материалом от низких температур, таким как полиуретановая смазка или смазка из мочевины и амина. Когда расстояние между элементом из магнитной стали и шаровым поплавком измерителя уровня жидкости, который соответствует изобретению, может достичь 12 миллиметров, можно рассматривать применение общей изоляции для камеры шарового поплавка, при этом изоляционный слой совсем не влияет на просмотр. Таким образом, обеспечивается энергосбережение, а также замедляется размагничивание магнита.
Для предотвращения случайного падения элемента из магнитной стали с высоты, внизу камеры подвижного указателя может быть установлена пружина или расположен мягкий материал.
Для уменьшения веса шарового поплавка он может быть выполнен полым.
Чтобы реализовать удаленную передачу, от верха до низа элемента из магнитной стали могут быть установлены чувствительные к магнитному полю элементы.
Далее будут описаны принцип работы измерителя уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем и его реализация.
Выталкивающая сила F1 погруженного в жидкость шарового поплавка равна сумме силы G1 тяжести шарового поплавка, силы G2 тяжести подвижного указателя и силы f трения, т.е. F1 = G1 + G2 + f.
С противовесом, когда шаровой поплавок погружен в жидкость, выталкивающая сила F1 плюс сила G3 тяжести противовеса равна сумме силы G1 тяжести шарового поплавка, силы G2 тяжести подвижного указателя и силы f трения, т.е. F1 + G = G1 + G2 + f.
Шаровой поплавок в камере шарового поплавка всегда связан с подвижным указателем. Когда уровень жидкости поднимается или опускается, баланс указанной силы нарушается, и подвижный указатель будет подниматься или опускаться с шаровым поплавком при подъеме или падении уровня жидкости. Уровень жидкости можно считывать с помощью стрелки подвижного указателя, которая указывает на положение на градуированной шкале.
Когда камера подвижного указателя наполнена жидкостью (удельная плотность буя меньше удельной плотности жидкости в камере подвижного указателя), сумма выталкивающей силы F1 погруженного в жидкость шарового поплавка и выталкивающей силы F2 буя равна сумме силы G1 тяжести шарового поплавка, силы G2 тяжести буя и силы f трения, т.е. F1 + F2 = G1 + G2 + f. Шаровой поплавок и буй достигают баланса сил с помощью силы магнитного взаимодействия, т.е. магнитное взаимодействие подвижного указателя и шарового поплавка приводит к приложению направленной вверх подъемной силы к шаровому поплавку в его камере. Шаровой поплавок в своей камере всегда связан с подвижным указателем. Когда уровень жидкости в камере шарового поплавка поднимается или опускается, баланс сил нарушается, и буй будет подниматься или опускаться с шаровым поплавком при подъеме или падении уровня жидкости. Уровень жидкости можно считывать с помощью стрелки подвижного указателя, которая указывает положение на градуированной шкале.
По сравнению с известными устройствами технические эффекты при использовании изобретения очевидны и включают в себя следующие.
Отличное отслеживание подвижного указателя (или элемента из магнитной стали) и шарового поплавка, малая задержка и чрезвычайно высокая точность. Конструкция подвижного указателя проста, и он обладает малым весом. Соответствующие детали выполнены из алюминия, имеют малые размеры, тонки и мало весят. Уменьшение веса означает, что соединение может быть достигнуто с помощью малой пластины из магнитной стали или малой магнитной силы, чтобы достичь дополнительного уменьшения трения и увеличения точности. Устройство не имеет проблем с искаженными показаниями, со сложностью конструкции, множеством деталей и высокой стоимостью. Измеритель уровня жидкости с магнитным затвором по изобретению обладает большим диапазоном измерений, а также обладает тем достоинством, что один подвижный указатель заменяет несколько магнитных заслонок. Также в нем преодолена трудность, заключающаяся в считывании числовых значений для стеклянного измерителя уровня. Одновременно, в нем преодолена проблема высокого потребления электроэнергии стеклянными измерителями уровня и измерителями уровня с магнитными заслонками. Также в нем преодолены многие недостатки, такие как большое трение, малая точность, большая задержка и плохая надежность, которые присущи известным датчикам уровня жидкости. Таким образом, изобретение решает проблему точности или ненадежности, которые характерны для существующих измерений, так как они отличаются высокой стоимостью и чрезвычайно широкой применимостью, и, в частности, настоящее изобретение решает проблему мирового уровня для датчика уровня жидкости указанной конструкции, используемого при измерении уровня жидкости в случае использования в среде с высокой температурой и высоким давлением или в среде с высоким давлением и низкой плотностью, и когда не может быть использован стеклянный датчик уровня.
Одновременно с этим для удовлетворения потребностей большого количества пользователей были значительно снижены стоимость изготовления и стоимость эксплуатации и технического обслуживания. По сравнению со стоимостью в несколько юаней за один линейный подшипник и более сотни юаней за метр для линейной направляющей, стоимость для всего подвижного указателя, соответствующего изобретению, составляет только около 10 юаней, при этом для направляющего рельса подвижного указателя требуется только несколько юаней за метр. Необходимость в высокой точности соответствия направляющего рельса подвижного указателя ролику, которые соответствуют изобретению, мала, направляющий рельс подвижного указателя может быть выполнен за одну операцию из алюминиевого профиля без дальнейшей обработки, существенно уменьшая общую стоимость.
Более того, легче осуществлять изготовление и техническое обслуживание. Чем больше длина высокоточного направляющего рельса, тем труднее его изготовить, и когда датчик велик, могут быть использовано только несколько частей, что является трудной задачей на месте эксплуатации. В настоящем изобретении исключено возникновение этой проблемы. Длина цельного, выполненного за один раз алюминиевого профиля для направляющего рельса подвижного указателя, соответствующего изобретению, может достигать, по меньшей мере, 6 метров, уменьшая тем самым количество соединений между направляющими рельсами. Указанное не только уменьшает стоимость, но также упрощает изготовление и техническое обслуживание и делает использование более надежным.
Более того, подвижный указатель и его роликовая система имеют простую конструкцию, что облегчает изготовление, сборку, регулировку, установку, калибровку на месте эксплуатации и дальнейшее техническое обслуживание.
В тоже время подвижный указатель, имеющий меньший вес, будет шире применим, например, при малой плотности жидкости или он даже может использоваться без противовеса.
Кроме того, элемент из магнитной стали для подвижного указателя расположен снаружи камеры шарового поплавка, далеко от камеры шарового поплавка, так что он не подвержен размагничиванию; и даже если магнит размагнитится, его легко заменить, следовательно, исключается набор неполадок и убытков, таких как разборка, замена уплотнений, испытание давлением воды и испытание на воздухопроницаемость, которые нужны при каждой замене магнитного шарового поплавка, в частности при замене импортного магнитного шарового поплавка, что увеличивает стоимость.
Наличие запасного подвижного указателя исключает обычные проблемы, связанные с заменой подвижного указателя.
Кроме того, когда стрелка подвижного указателя выполнена красной или из светоизлучающих материалов, ее показания очень хорошо видны и интуитивны.
Использование защитного слоя эффективно повышает стойкость к высокой температуре, стойкость к высокому давлению и антикоррозионную стойкость датчика уровня жидкости, такого как шаровой поплавок из ферромагнитного материала, покрытый антикоррозионным слоем, так что шаровой поплавок может выдерживать более высокую температуру, более высокое давление и дополнительно улучшены его антикоррозионные характеристики.
Теплоизоляционный слой или слой изоляции от низких температур способствуют достижению энергосберегающего эффекта. Внешняя стенка камеры шарового поплавка позволяет использовать изоляцию, отвечающую предъявляемым требованиям, толщиной в несколько миллиметров. Одновременно, такой измеритель более безопасен в использовании, например, он не будет причиной пожара, взрыва или ожога людей. Для холодных трубопроводов он не склонен к замерзанию.
По сравнению с известными поплавковыми датчиками уровня, которые используются в приложениях с высокой температурой и высоким давлением и которые подвержены ограничениям своих электронных компонентов на стойкость к температуре, одновременно добавлены части, которые нельзя изолировать и которые расположены рядом с устройством передачи или теплоотводами, что приводит к потреблению электроэнергии, проблемам с легкостью воспламенения и т.п.; при этом в настоящем изобретении не нужно заботиться об указанных проблемах.
Более шести лет теоретических исследований и разнообразных экспериментов и испытаний доказали, что конструкция, соответствующая настоящему изобретению, позволяет преодолеть разные недостатки известных устройств и решает техническую проблему, актуальную для данной области техники. Технический эффект, в основном, заключается в значительном уменьшении трения, малой задержке, высокой точности, простоте конструкции, существенном уменьшении стоимости, прорывном улучшении стабильности и надежности; а общий коэффициент полезного действия значительно лучше аналогичного показателя для магнитных поплавковых датчиков уровня жидкости, импортируемых из Европы, Соединенных Штатов Америки и других стран. Таким образом, он может заменить импортные аналоги, и с помощью его экспорта можно заработать валюту, и перспективы его применения чрезвычайно широки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показана конструкция измерителя уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем по первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 (a) и 3 (b) схематично показаны две формы соответствия ролика с трапециевидной канавкой и направляющего рельса подвижного указателя;
на фиг. 4 схематично показана конструкция измерителя уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем по второму варианту осуществления изобретения;
на фиг. 5 - разрез по B-B на фиг. 4;
на фиг. 6 - верхний и нижний ролики по третьему варианту осуществления изобретения;
на фиг. 7 - конструкция измерителя уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем по четвертому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 8 конструкция измерителя уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем по пятому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 9 (a) - схема сил при трении между роликом с прямоугольной канавкой и направляющим рельсом;
на фиг. 9(b) - то же, что на фиг. 9(а) на виде слева.
Обозначение позиций на чертежах:
1. шаровой поплавок
2. камера шарового поплавка
3. цилиндрический направляющий рельс
3′. направляющего рельса в форме прямоугольного параллелепипеда
4. неподвижный блок
5. трос блока
6. градуированная шкала
7. ребро жесткости направляющего рельса
8. подвижный указатель
8-1, 8-1′. подшипники качения
8-2. элемент из магнитной стали
8-3, 8-3′. ось
8-4, 8-4′. ролик
8-5. прямоугольная рамка
8-41. дугообразная канавка ролика
8-42 прямоугольная канавка ролика
8-43. трапециевидная канавка ролика
9. противовес
10. камера подвижного указателя
11. жидкость среда в камере шарового поплавка
12. поплавок
13. пластина из магнитной стали, расположенная снаружи для фиксации дополнительного подвижного указателя
14. запасной подвижный указатель
15. жидкость среда в камере подвижного указателя
16. направляющий рельс шарового поплавка.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Вариант 1 осуществления изобретения
(1) Основной тип
Измеритель уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем, показанный на фиг. 1 и 2, содержит неферромагнитную камеру 2 шарового поплавка, расположенный в ней шаровой поплавок 1 из ферромагнитного материала, градуированную шкалу 6, расположенную снаружи камеры 2 шарового поплавка близко к ней, цилиндрический направляющий рельс 3 и закрытую камеру 10 подвижного указателя из неферромагнитного прозрачного материала. Ось цилиндрического направляющего рельса 3 и ось камеры 10 подвижного указателя параллельны между собой и оси камеры 2 шарового поплавка. Подвижный указатель 8 и цилиндрический направляющий рельс 3 расположены соответствующим образом в камере 10 подвижного указателя.
Цилиндрический направляющий рельс 3 снабжен ребром 7 жесткости, расположенным со стороны камеры шарового поплавка и проходящим от верха до низа.
Подвижный указатель 8 содержит элемент 8-2 из магнитной стали, прямоугольную рамку 8-5 и роликовую систему, которая включает в себя ролик 8-4, периферийной поверхности которого выполнена кольцевая канавка, ось 8-3 и подшипник 8-1 качения.
Прямоугольная рамка 8-5 содержит четыре стороны X1, X1, Y1, Y2, расположенные перпендикулярно горизонтальной плоскости.
Элемент 8-2 из магнитной стали расположен между камерой 2 шарового поплавка и прямоугольной рамкой 8-5 и прикреплен снаружи стороны X1 прямоугольной рамки 8-5. Сторона X1 является ближайшей к камере 2 шарового поплавка, и один магнитный полюс элемента 8-2 из магнитной стали направлен к шаровому поплавку 1.
Ось 8-3 расположена параллельно земле и поддерживается двумя параллельными сторонами Y1 и Y2 прямоугольной рамки 8-5. Параллельные стороны Y1 и Y2 расположены в плоскостях, перпендикулярных стороне Х1, к которой прикреплен элемент из магнитной стали.
Роликовая система содержит ролик, подшипник качения и ось, при этом указанные три элемента соосны. На периферийной поверхности ролика выполнена кольцевая канавка. Внутреннее кольцо подшипника качения с натягом посажено на ось, а внешнее кольцо - на ролик с возможностью совместного с ним вращения.
Цилиндрический направляющий рельс 3 подвижного указателя заключен в прямоугольную рамку 8-5 и расположен между элементом 8-2 из магнитной стали и роликовой системой.
Роликовая система выполнена так, что ролик 8-4 посредством своей канавки контактирует с рабочей поверхностью направляющего рельса 3 с возможностью перекатывания вверх и вниз вдоль направляющего рельса под действием силы магнитного взаимодействия между элементом 8-2 из магнитной стали и шаровым поплавком. Кольцевая канавка 8-41 ролика является вогнутой дугообразной, соответствующей дугообразной поверхности цилиндрический направляющей рельса в месте его контакта с роликом.
Кольцевая канавка ролика также может быть трапециевидной канавкой 8-43, как показано на фиг. 3(a) и 3(b), т.е. эта канавка 8-43 имеет большую внешнюю ширину и малую внутреннюю ширину, аналогично ременному шкиву. Ролик, как показано на фиг. 3(а), по меньшей мере, двумя внутренними скатами, образованными уклонами трапециевидной канавки 8-43, прилегает к рабочей поверхности направляющего рельса 3 под действием силы магнитного взаимодействия между элементом из магнитной стали и шаровым поплавком с возможностью перекатывания вверх и вниз вдоль направляющего рельса. Как показано на фиг. 3(b), ролик может прилегать к цилиндрическому направляющему рельсу 3 тремя внутренними сторонами трапециевидной канавки 8-43 и перекатываться вверх и вниз вдоль цилиндрического направляющего рельса 3.
(2) Защитный тип
С целью защиты от пыли и воды и для исключения влияния на инструмент мороза, дождя и снега, измеритель уровня жидкости может дополнительно содержать закрытую камеру 10 подвижного указателя из неферромагнитного прозрачного материала, расположенную рядом с камерой 2 шарового поплавка. При этом оси указанных камер параллельны. В камере 10 установлены подвижный указатель 8 и цилиндрический направляющий рельс 3. Размеры камеры 10 подвижного указателя в плане немного превышает размеры в плане подвижного указателя, а при виде сверху эта камера имеет прямоугольную форму. Предпочтительно, чтобы при комнатной температуре размеры в плане камеры 10 был на 0,05-0,08 мм больше с каждой стороны аналогичным размерам подвижного указателя. Для использования с высокой или низкой температурой должно учитываться тепловое расширение и сжатие камеры 10 и подвижного указателя 8.
(3) Тип с неподвижным шкивом
Кроме того, в некоторых случаях, например, для использования со средой с высокой температурой и высоким давлением или со средой с высоким давлением и низкой плотностью, из-за большой толщины стенки шарового поплавка 1 его удельная плотность превышает удельную плотность измеряемой среды. Чтобы уравновесить силу тяжести шарового поплавка 1, необходимо придать ему направленную вверх силу, для чего может быть установлен неподвижный блок 4, противовес 9 и ремень или трос 5. Неподвижный блок 4 установлен внутри камеры 10 в верхней ее части над подвижным указателем, а трос, проходящий через неподвижный блок 4, своими концами соединен с противовесом 9 и прямоугольной рамкой 8-5 подвижного указателя 8.
При обычных условиях вес G3 противовеса 9 больше веса G2 подвижного указателя 8, так что шаровой поплавок 1 и подвижный указатель 8 всегда образуют натяжение между верхом и низом, исключая образование мертвой зоны в середине элемента 8-2 из магнитной стали между шаровым поплавком 1 и подвижным указателем 8 и дальнейшего отставания. Величина усилия натяжения больше силы f трения, включающей в себя силу трения при перемещении как подвижного указателя, так и шарового поплавка, но меньше разности максимальной силы магнитного взаимодействия шарового поплавка 1 с подвижным указателем 8 и упомянутой выше силы f трения. Сила G1 тяжести шарового поплавка 1 больше значения разности силы G3 тяжести противовеса 9 и силы G2 тяжести подвижного указателя 8, но меньше усилия натяжения, необходимого для преодоления силы магнитного взаимодействия и отделения шарового поплавка 1 и подвижного указателя 8, минус сила f трения, оставляя также некоторый запас надежности. Например, сила G1 тяжести шарового поплавка 1 минус выталкивающая сила F1 шарового поплавка 1 при погружении его в жидкость равна силе G3 тяжести противовеса 9 минус сила G2 тяжести подвижного указателя 8 и минус сила f трения. В то же время сила магнитного взаимодействия должна быть больше силы G3 тяжести противовеса 9 минус сила G2 тяжести подвижного указателя 8 и плюс сила f трения.
Второй вариант осуществления изобретения
Измеритель уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем по второму варианту осуществления изобретения, показанный на фиг. 4 и 5, отличается от защитного типа по первому варианту тем, что направляющий рельс 3′ подвижного указателя имеет форму прямоугольного параллелепипеда, а соответствующая кольцевая канавка ролика 8-4 является прямоугольной канавкой 8-42. Расстояние между двумя внутренними параллельными поверхностями прямоугольной канавки 8-42 больше соответствующего расстояния между двумя внешними поверхностями направляющего рельса 3′. Под действием силы магнитного взаимодействия элемента 8-2 из магнитной стали и шарового поплавка 1 подвижного указателя 8, ролик 8-4 катится вдоль рабочей поверхности направляющего рельса 3′.
Чтобы избежать проблем, связанных с заменой элемента 8-2 из магнитной стали после его размагничивания, измеритель уровня жидкости снабжен запасным подвижным указателем 14, расположенным в верхней части камеры 10 подвижного указателя, и пластиной 13 из магнитной стали, которая прикреплена снаружи камеры 10 подвижного указателя посредством крепежных средств для фиксации запасного подвижного указателя 14. Запасной подвижный указатель 14 зафиксирован посредством силы магнитного взаимодействия пластины 13 из магнитной стали и элемента из магнитной стали запасного подвижного указателя 14.
Третий вариант осуществления изобретения
В измерителе уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем по третьему варианту осуществления изобретения, основанном на упомянутом выше измерителе уровня жидкости, улучшен подвижный указатель 8, а именно, подвижный указатель 8 содержит два комплекта роликовых систем, т.е., содержит два ролика 8-4, 8-4′, их соответствующие оси 8-3, 8-3′ и подшипники 8-1, 8-1′ качения, как показано на фиг. 6. Два набора роликовых систем, одна из которых расположена над другой, установлены параллельно в такую же прямоугольную рамку 8-5, при этом плоскость, проходящая через их оси 8-3, 8-3′, перпендикулярна поверхности земли. В результате предотвращается поворот подвижного указателя 8 при перемещении вверх и вниз, улучшая тем самым точность и надежность.
Четвертый вариант осуществления изобретения
В измерителе уровня жидкости с шаровым поплавком и подвижным указателем по четвертому варианту осуществления изобретения, показанном на фиг. 7 и основанном на технических решениях разных упомянутых выше измерителей уровня жидкости, учтена необходимость в уравновешивании выталкивающей силы шарового поплавка 1. Под подвижным указателем 8 закреплен поплавок 12, образуя буй. Поплавок 12 также может быть расположен и над подвижным указателем 8. При этом камера 10 подвижного указателя наполнена жидкостью 15, обеспечивая создание выталкивающей силы для подвижного указателя или буя.
В результате удельная плотность подвижного указателя становится меньше удельной плотности жидкости 15 в камере 10. В состоянии равновесия выталкивающая сила F2 подвижного указателя 8 минус сила G2 тяжести подвижного указателя 8 равна силе G1 тяжести шарового поплавка 1 минус выталкивающая сила F1 погруженного в жидкость шарового поплавка 1, т.е. F2 - G2 = G1 - F1.
Пятый вариант осуществления изобретения
Как показано на фиг. 8, на основе разных упомянутых выше измерителей уровня жидкости, с целью исключения отрицательного влияния на качение шарового поплавка 1 загрязнений, содержащихся в жидкости 11 в камере шарового поплавка, на внутренней стенке камеры 2 вблизи подвижного указателя 8 выполнены два выступающих направляющих рельса 16 шарового поплавка, так что шаровой поплавок 1, опираясь на эти рельсы, не будет прилипать из-за загрязнений к внутренней стенке камеры 2 при его перемещении вверх и вниз.
Для различных измерителей уровня жидкости, описанных выше, с целью получения различных технических эффектов могут быть выполнены дополнительные улучшения, например, следующие.
Для уменьшения трения между роликом и направляющим рельсом подвижного указателя рабочая поверхность кольцевой канавки ролика 8-4 (т.е. поверхность сопряжения, которой канавка контактирует с линейным направляющим рельсом и перемещается вдоль него) может быть покрыта защитным слоем из политетрафторэтилена.
Для придания стойкости к высокой температуре и высокому давлению, а также антикоррозионной стойкости и снижения удельной плотности шарового поплавка 1 шаровой поплавок 1 из ферромагнитного материала может быть покрыт защитным слоем из углеродного волокна.
Для придания антикоррозионной стойкости поверхность шарового поплавка 1 из ферромагнитного материала может быть покрыта защитным слоем, например, она может быть покрыта защитным слоем из политетрафторэтилена.
Для придания стойкости к высокой температуре и высокому давлению, а также антикоррозионной стойкости поверхность шарового поплавка 1 из ферромагнитного материала может быть покрыта защитным слоем из высоколегированной стали, обладающей стойкостью к высокой температуре, например, сталью 304, 316 или сталью CrMo. Кроме того, шаровой поплавок может быть выполнен из высоколегированной стали, такой как 2Cr13.
Для придания антикоррозионной стойкости камера 2 шарового поплавка может быть выполнена из пластика, такого как политетрафторэтилен, или стекла, или внутренняя стенка камеры 2 шарового поплавка может быть покрыта антикоррозионным слоем.
Для ясного и яркого показа, на подвижный указатель 8 нанесена яркой метка, например, красная, и/или поверхность подвижного указателя покрыта светоизлучающим слоем.
Учитывая требование по теплоизоляции или изоляции от низких температур и по энергосбережению, между внешней стенкой камеры 2 шарового поплавка и подвижным указателем 8 или камерой 10 подвижного указателя может быть расположен теплоизоляционный слой или слой изоляции от низких температур. Теплоизоляционный слой может быть выполнен из алюмосиликата магния или из нанокерамического материала и волокна из силиката или алюмосиликата толщиной в несколько миллиметров. Слой изоляции от низких температур может быть изоляционным материалом от низких температур, таким как полиуретановая смазка или смазка из мочевины и амина. И таким образом реализуется энергосбережение.
Для предотвращения случайного падения подвижного указателя 8 с высоты, под камерой 10 подвижного указателя может быть расположена пружина или мягкий материал.
Для уменьшения веса шарового поплавка 1, он может быть выполнен полым.
Для облегчения наблюдения, уменьшения трения, повышения точности измерений и исключения влияния испарения в камере 10 подвижного указателя в жидкости может быть использована прозрачная жидкость со смазывающими свойствами, например, трансформаторное масло или кулинарное масло.
Чтобы реализовать удаленную передачу, от верха до низа элемента 8-2 из магнитной стали подвижного указателя 8 установлены чувствительные к магнитному полю элементы.
Когда шаровой поплавок 1 и подвижный указатель 8 разъединены при использовании, то чтобы их повторно соединить вместе, пластину из магнитной стали могут удерживать в руке для нахождения положения шарового поплавка 1, и далее подвижный указатель 8 тянут рукой, или, когда имеется камера 10 подвижного указателя, пластину из магнитной стали используют для втягивания подвижного указателя 8, притягивая шаровой поплавок ближе, после чего удерживаемую вручную пластину из магнитной стали отпускают или удаляют.
Авторы изобретения годами работали в области управления оборудованием, в качестве проектировщиков емкостей, находящихся под давлением, и трубопроводов, посвятили себя исследованию разных датчиков уровня, выполнили большое количество экспериментов и испытаний и посвятили более шести лет учету точности, стоимости, надежности, возможности технического обслуживания в целом с целью решения существующих технических проблем, а также учету разных факторов, таких как энергосбережение, применимые условия обработки, потребности рынка, возможность обработки, стоимость технического обслуживания и так далее; и после расчета прочности и выбора материалов для шарового поплавка и камеры шарового поплавка было выработано оптимальное решение, соответствующее настоящему изобретению, направленное на удовлетворение потребности в измерителе уровня жидкости для разных случаев, в частности, решены проблемы измерения уровня в среде с высокой температурой и высоким давлением, в среде с высоким давлением и низкой плотностью, а также была решена проблема, заключающаяся в невозможности использования во многих случаях стеклянного датчика уровня.
Хотя изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты его осуществления, специалисту в данной области техники будет понятно, что без выхода за пределы объема и идеи изобретения могут быть внесены изменения и модификации.