Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ПОРТАТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ
ПОРТАТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ

ПОРТАТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для измерения уровня жидкостей в резервуарах. Сущность изобретения: мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - со счетным устройством, автономный источник питания помещен в корпус груза, нижнее основание которого снабжено подвижным контактом, а устройство намотки мерного тягового органа снабжено противоинерционным управляющим приспособлением. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2008623
Класс(ы) патента: G01F23/22
Номер заявки: 4921110/10
Дата подачи заявки: 25.03.1991
Дата публикации: 28.02.1994
Заявитель(и): Ульяновское высшее военно-техническое училище им.Богдана Хмельницкого
Автор(ы): Кабанов В.И.; Литвиненко А.Н.; Бартко Р.В.; Мусалев М.А.; Магирко А.А.
Патентообладатель(и): Ульяновское высшее военно-техническое училище им.Богдана Хмельницкого
Описание изобретения: Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения уровня жидкостей в резервуарах.
Известен уровнемер жидкости, содержащий частично погруженный в жидкость и подвешенный в вертикальном положении чувствительный элемент в виде буйка, соединенный при помощи металлического тросика с измерительным барабаном, насаженным на вал серводвигателя, сматывающим и наматывающим тросик буйка и приводящим во вращение механический счетчик уровня жидкости.
Недостатками данного устройства являются невозможность измерения уровня в резервуарах различной вместимости, сложность конструкции и обслуживания, а также низкая точность измерений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является портативный уровнемер жидкости, выбранный в качестве прототипа. Уровнемер содержит мерный тяговый орган в виде ленты с устройством его намотки и закрепленным на его конце датчиком конечных положений в виде ультразвукового излучателя и приемника, а также индикатор и автономный источник питания.
Измерение уровня жидкости основано на определении разности истинных значений высот установки уровнемера над дном резервуара и над поверхностью жидкости. Значения высот определяются с помощью смотрового окна на шкале мерной ленты, а конечное положение высот фиксируется при помощи ультразвукового датчика.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и низкая точность измерений.
Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерений.
Цель достигается тем, что мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - со счетным устройством, автономный источник питания помещен в корпус груза, нижнее основание которого снабжено подвижным контактом, а устройство намотки мерного тягового органа снабжено противоинерционным управляющим приспособлением. Эти признаки являются существенными для достижения цели, так как:
1. Мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - со счетным устройством, для обеспечения съема сигнала об уровне жидкости в зависимости от суммарного радиуса изгиба оптоволокна и обеспечения его работоспособности. Этим также достигается высокая точность измерений. Кроме того, данная конструктивная особенность способствует простоте конструкции и обслуживания уровнемера.
2. Автономный источник питания помещен в корпус груза, нижнее основание которого снабжено подвижным контактом, для обеспечения работоспособности датчика с внутренней амплитудной модуляцией интенсивности света за счет включения источника питания на границе раздела сред, которое фиксируется подвижным контактом в виде эластичной мембраны.
3. Устройство намотки мерного тягового органа снабжено противоинерционным управляющим приспособлением для исключения инструментальной погрешности прибора за счет обеспечения нормального натяжения смотанного с устройства оптоволокна сообщением противоинерционного момента устройству намотки мерного тягового органа.
Кроме того, данный признак дает возможность регулирования сматывания оптоволоконного световода с устройства его намотки в зависимости от высоты емкости, в которой производятся измерения.
Анализ предлагаемого устройства с прототипом приведен в таблице.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в предлагаемом техническом решении, и признать его соответствующим критерию "Существенные отличия".
На чертеже показана принципиальная схема уровнемера.
Портативный уровнемер жидкости содержит цилиндрический пустотелый корпус 1, внутри которого установлено с возможностью вращения на осях 2 и 3 устройство намотки мерного тягового органа, например, в виде барабана 4 с ограничителями 5.
Ось 2 снабжена втулкой 6 и жестко закреплена в теле корпуса 1, а ось 3 снабжена по крайней мере тремя шестеренками 7-9 и установлена одним концом с шестеренкой 7 с торца в отверстие корпуса барабана 4, которое снабжено по всей длине пазами по форме и размерам шестерни 7. Промежуточная часть оси 3 установлена в отверстие корпуса 1, которое снабжено в средней части пазами по форме и размерам шестерни 8, а второй конец оси 3, выходящий из корпуса 1, установлен в противоинерционном управляющем приспособлении в виде барабана 10, верхняя поверхность которого снабжена насечкой 11 и фиксаторами 12, выполненными по всей длине образующей барабана 10 и входящими в зацепление с фиксаторами 13, выполненными в теле корпуса 1.
Внутри корпуса барабана 10 со стороны корпуса 1 выполнены пазы по форме и размерам шестерни 9 и установлена пластинчатая пружина 14, один конец которой закреплен в теле оси 3, а другой - в корпусе барабана 10.
На барабан 4 намотан с фиксированным шагом мерный тяговый орган, выполненный из оптоволоконного световода 15, один конец которого выходит из торца барабана 4 и соединен с возможностью вращения с приемником 16 света (например, фотодиодом), установленным во втулке 6 и электрически соединенным со счетным устройством 17.
Второй конец оптоволоконного световода 15 жестко закреплен внутри разъемного корпуса груза 18 (например в форме сферы) и сопряжен с источником 19 света (например, светодиодом), установленным в коническом световом отражателе 20 и соединенным с одним полюсом автономного источника 21 питания, второй полюс которого соединен с подвижным контактом в виде эластичной мембраны 22, установленной в нижнем основании корпуса груза 18.
Устройство работает следующим образом.
Уровнемер устанавливают на горловине емкости. При этом оптоволоконный световод 15 намотан на барабан 4, находящийся в неподвижном состоянии, шестерни 7 и 8 скреплены с пазами соответственно в корпусе барабана 4 и корпусе устройства 1.
Выполняется условие равновесия системы
Gт= Rx, (1) где Gт - вес груза;
Rx - сила реакции опоры (сопряжения шестерни 8 с пазами в корпусе 1).
С помощью поворота барабана 10 уводят пластинчатую пружину 14 на величину, пропорциональную высоте емкости, в которой измеряют уровень жидкости. Нажатием на барабан 10 вводят в зацепление его фиксаторы 12 с фиксаторами 13 корпуса устройства, при этом происходит перемещение оси 3 и вывод из сопряжения шестерни 8 с пазами в корпусе 1 и барабан 4 начинает вращаться со скоростью
V= ω˙R (2) где R - радиус барабана;
ω - угловая скорость барабана.
При этом вращение для угловой скорости можно записать
ω= , (3) где ϕ1 - угол поворота барабана;
t - время поворота;
ϕ1 = f(Fупр), (4) где Fупр= -kϕ2;
Fупр - сила упругости пластинчатой пружины 14;
ϕ2 - угол поворота пружины 14;
К - коэффициент упругости пластинчатой пружины 14.
При вращении барабана 4 происходит сматывание с него оптоволоконного световода 15, который под действием силы тяжести груза 18 опускается в емкость, дойдя до границы раздела сред (газ-жидкость) вследствие различия плотностей этих сред и изменением силы сопротивления среды при условии
Fупр2 ≅ Rx, (5) где Fупр2 - сила упругости эластичной мембраны;
Rx - сила сопротивления среды.
Эластичная мембрана 22 прогибается и замыкает контакт автономного источника 21 питания, при этом включается источник 19 света и начинает работу оптоволоконный датчик.
Учитывая, что волоконный световод 15 намотан на барабан 4 с радиусом R, можно записать выражение для его длины
lo = 2 πRkn, (6) где lo - длина оптоволоконного световода, причем условие максимального светопропускания lo/d ≥ 2000 (3), где d - диаметр оптоволокна;
Rk - относительный радиус кривизны световода.
n - количество витков световода.
При падении груза 18 до границы раздела сред оптоволоконный световод сматывается с барабана на длину
l1= 2 π Rka1, (7) где a1 - количество смотанных витков.
При переходе из фазы движения в наджидкостном пространстве в фазу движения в жидкости до дна емкости включается в работу волоконно-оптический преобразователь (ВОП), диафрагму излучения которого можно записать в общем виде (4)
f( ϕ3)= fовхf ( ϕ3) ˙τ (ϕs), (8) где f(ϕ3) - диафрагма направленности источника света;
τ (ϕ3) - коэффициент светопропускания волокна.
Общую длину световода можно условно разделить на прямой участок смотанного волокна до дна емкости l2= 2 π Rka2, где а2 - количество смотанных витков и изогнутый участок с радиусом изгиба (4):
Rk= R= (nc+nu)/(nc-nu), (9)
nc и nu - показатели преломления соответственно сердцевины и оболочки,
и длиной l3= 2πR(n-а2) (10)
Светосила прямого участка световода описывается выражением (4)
Ао2= nc2-nu2 (11)
Относительная светосила изогнутого участка световода описывается выражением (4)
τ= . (12)
Вследствие того, что длина хода луча в изогнутом световоде в 1+ раз больше, чем в прямом, а также того, что в прямом световоде входная и выходная амплитуды равны, а в изогнутом она на выходе больше, полная светосила оптоволоконного преобразователя будет выражаться суммой светосил прямого и изогнутого участков, т. е. общая сила ВОП при начале работы датчика на границе раздела сред газ-жидкость
А2= Ао2+r2 (13)
Общая светосила ВОП при достижении грузом 18 под действием силы упругости пластинчатой пружины 14 дна емкости
А2= Ао2+r2 (14).
Таким образом изменение светосилы при движении груза 18 от границы раздела сред до дна емкости будет выражаться
Δ А= А12 (15)
Δ А= r1-r2 A = .
Так как a1= и a2= , преобразуя выражение (15), можно записать
ΔA= , (16)
l1-l2= h - высота уровня жидкости.
Высота l1 определяется началом работы ВОП при замыкании подвижного контакта 22, а высота l2 фиксируется силой упругости пластинчатой пружины 14, величина закрутки которой устанавливается пропорциональной высоте емкости от горловины до ее днища по градуировочной таблице.
Таким образом выражение для уровня жидкости можно записать:
h= . (17)
Предлагаемый портативный уровнемер жидкости может также работать в режиме свободного падения груза до границы раздела сред (при условии его положительной плавучести). При этом пластинчатая пружина 14 не взводится, а выполняет функцию противоинерционного устройства, останавливающего барабан 4 при достижении грузом 18 границы раздела сред. Для намотки оптоволоконного световода 15 на барабан 4 и ось 3 при помощи барабана 10 отводят в крайнее правое положение, при этом шестерни 7 и 9 находятся в сопряжении с пазами соответственно в корпусе барабана 4 и барабана 10. Вращением барабана 10 производят намотку оптоволокна на барабан 4.
Предлагаемый уровнемер в отличие от прототипа имеет более простую конструкцию, меньшую металлоемкость и более высокую точность измерений, так как в прототипе происходит визуальный съем сигнала об уровне, а в предлагаемом приборе - при помощи оптоволоконного преобразователя с внутренней амплитудой модуляцией интенсивности света, имеющего более высокую точность и дающего возможность автоматизации снятия показаний об уровне жидкости.
(56) Нефтеснабжение. М. , 1980 (ЦНИИГПЭМС. Научно-технический реферативный сборник. вып. 3). Уровнемер серии 801 производства фирмы Enraf Nonius (Голландия).
Авторское свидетельство СССР N 1137318, кл. G 01 F 23/22, 1985.
Зак Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М. : Энергоатомиздат, 1989, с. 128.
Вейнберг В. Б. , и Саттаров Д. К. Оптика световодов. , Изд. 2-е, перераб, и доп. Л. : Машиностроение, 1977, с. 320.
Формула изобретения: 1. ПОРТАТИВНЫЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ, содержащий корпус с размещенным в нем мерным тяговым органом, один конец которого соединен с грузом, а другой - с механизмом его намотки, автономный источник питания и блок индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции, мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - с блоком индикации, автономный источник питания размещен в корпусе, в котором на нижнем основании установлен подвижный контакт, а механизм намотки мерного органа снабжен противоинерционным узлом.
2. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что подвижный контакт выполнен в виде эластичной мембраны.
3. Уровнемер по п. 1, отличающийся тем, что противоинерционный узел выполнен в виде барабана, внутри которого установлена пластинчатая пружина.