Гидростатический нивелир

 

ПЩРОСТАТИЧЕСКИЙ НИВЕЛИР, содержащий заполненные жидкостью сообщающиеся сосуды, отделенные от атмосферы безреактивными мембранами и измеритель уровня жидкости, подключенньй к регистрирукяцему устройству, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений , снабжен устройством стабилизации уровня жидкости и двумя полностью заполненными жидкостью емкостями , входы которых отделены от выходов мембранами с ограничительными сетками, причем емкости соединены между собой измерителем уровня жидкости , а устройство для стабилизации уровня жидкости соединено с сосудом , служащим базовым и подключенным к первым входам установленных за i ним емкостей, вторые входы которь1х. связаны с другими сосудами, сообщаю (Л щимися трубками, состояощми из жестких и гибких, чередующихся между соCL бой звеньев..

союз советских социАлистических

РЕСПУБЛИК

g !! С 01 С 5/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР по делАм изОБРетений и ОткРытий (21) 3429421/18-10 (22) 22.04.82 (46) 30.10,83. Бюл. 1! 40 (72) Б.Я.Советов, В.А.Дубенецкий, 10.Â.ÂîðîHîâ и R.ß.Îðëoâ (71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (53) 528.54!(088.8 ) (56) 1. Васютинский И.Ю. Гидростатическбе нивелирование. M., "Недра", 1976, с. 56,57.

2. Авторское свидетельство СССР, Ф 257767; кл. G 01 С 9/22, 24.06.68 (прототип).

„л4)(57) ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ НИВЕЛИР, содержащий заполненные жидкостью сообщающиеся сосуды, отделенные от атмосферы безреактивными мембранами

„„Я0„„1051371 А и измеритель уровня жидкости,подключенный к регистрирующему устройству, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерений, снабжен устройством стабилизации уровня жидкости и двумя полностью заполненными жидкостью емкостя-: ми, входы которых отделены от выходов мембранами с ограничительными сетками, причем емкости соединены между собой измерителем уровня жидкости, а устройство для стабилизации уровня жидкости соединено с сосудом,. служащим базовым и подключенным к первым входам установленных эа ним емкостей, вторые входы которых g связаны с другими сосудами, сообщающимися трубками, состоящими из жестких и гибких, чередующихся между собой звеньев.

1 1051

Изобретение относится к измерительной технике и может б ITI и по Il зонлно в качестве датчика B лвтомл— тических cztcòåtlàê, в частности в системах сборл инфор. 1лции об Отклоне5 ниях От элдлнного уровня кОнтроль ных точек строящегося сулил и в системах выравнивания судия на стапеле, Известны гидростлтические нивелиры, построенные с ztcltoztz.зов линем прин. ципа. выравнивания уровней жидкостей н сооб1цяюг1ихся сосудах, измерения уровня жидкости в сообш;1юшихся сососудах 1 1 ), Для известных устройств хлрлктер15 на методическая погрешность, связанная с изменением устлновившегося уровня жидкости в сосудах при перемещении одного из них, Действительно, пусть высота одного из ко11трольных

20 сосудов увеличи;1лсь ня величину 9 Н.

Жидкость из сосуда начнет н1,1теклть

Она опустится до уровня, если ,5Н сосудов два и они одинлкового сечения. Этo зняченHe уроRztzt H афиh,czl рует ycòðozlство. Гсли число сосудов равно 11, то погрешность равна — гричем в каждом сосуде проявлг1

1 ляетсл влияние перемещения остальных.

1 асаясь расположения чувствитель30 ных элементов, необходимо отметить, что требован11я существующей технологии, например, в судостроении, обус ловливают необходимость устлновки эт11х элементов ня различной высоте ниже кОнтролируемь1х точек судна. Известнь1е устройства„не по воляют это сделать.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и результату является "Гидростятический нинелир", содержащий заполненные жид— костью сообщающиеся сосуды, отделенные от атмосферы безреактинными мембранами, измеритель уровня жидкости и регистрирующее устройство (2 ). 45

Недостатком указанного устройства является низкая точность, связанная с влиянием мениска и колебаний поверхности жидкости, а также с необходимостью установки измерите- 50 ля уровня только и верхней части устройства.

11ел ь изобретения — повышение то«ности измерений при определении от- 55 клонений от злдлнного положения контрольных точек судна при его постройке.

3/1 2 1,ЛлЛНИЛЯ ЦЕЛЬ ДОСтИГаЕтСЯ тЕМ, и о г11д рос тлтичес кий нивелир, содержлх1ий .. лпо:1ненные жидкостью cootlIRh щ11ес I сосуды, отделенные от лтмосферы безрелктивными мембранами, и измеритель уровня жидкости, подключенный к регистрирующему устройству, снабжен ус гройством для стабилизации уровня жидкости и двумя полностью заг1олнеги1ыми жидкостью емкостями, входы которых отделены от выходов мембранами с ограничительными сетками, причем емкости соединены между собой измерителем уровня жидкости, а устройство для стабилизации уровня жидкости соединено с сосудом, служащим базовым и подключенным к первым входам устлнозленных за ним емкостей, вторые вход;1 которых связаны с другими сосудами, сообщающимися трубками, состоящими из жестких и гибких

1ередую11ихся между собой звеньев.

Повышение чувствительности гидростатического нивелира достигается зл счет использования в устройстве компенсационного принципа сравнения давлений столбов жидкости, которые соответствуют уровням жидкости в сообщлющихся сосудах. Сравнение производится в мерной трубке, где пузырек газа перемещается под дазлением разности давлений. Чувствительность устройства 4 выряжается coat»ometzzeM

F1 =

5 р

Т тр где c ST — соответственно площади поперечных сечений сообщающегося сосуда и мерной трубки; dl — разност1давлений столбов жидкости; Г. — силы трения жидкости о стенки сосудон.

Беличинл А может быть ) 1, что является основной предпосылкой для создания гидростатического нивелира высокой точности, На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 и 3 — схематичное изображение гибкого соединительного звена, используемое для анализа и расчетов точности.

На фиг, 1 сосуд 1, являющийся базовым, связан с устройствоhl 2 стабилизации заданного уровня жидкости заполняющей этот сосуд, и через емкости 3, выходы которых соединены мерной трубкой 4 измерителя уро11ня

11з1дкости1 подключен к другl!I . г 1судам 5. Трубка 4 может быпь и. 1отон3 105137 лена иэ прозрачного материала и снабжена для регулировки устройства д..— лениями. 1(идкость в трубке разделена пузырьком газа, положение которого фиксируется регистрирующим устройС ством 6, а входы емкостей 3 отделены от выходов последовательно установленными ограничителем хода (сеткой ) 7 и безреактивной мембраной 8, расстояние между которыми определяется требуемь1м перемещением пузырька по трубке. Допускается изменение расположения ограничителей 7 по отношению к мембранам 8 при соблюдении зеркальной симметрии их положения относительно пузырька газа. Сосуды отделены от атмосферы безреактивными мембранами 9, и соединительные трубки с жидкостью состоят из жестких 10 и гибких 11 чередующихся меж20 ду собой звеньев. >жидкость в сосудах свободно перемещается от поверхности сосуда дс мембраны 8 емкости . 3, также свободно перемещается по мерной трубке жидкость и в простран25 стве, заключенном между мембранами 8 °

Устройство работает следующим обется.

Благодаря использованию в мерной трубке 4 гидро силения перемещения пузырька требования к точности устройства 6 снижаются на 1-2 порядка разом.

При равенстве давлений столбов жидкости на пузырек газа он находится в положении, соответствующим но30 левому отклонению контролируемого уровня жидкости в сосуде 5 от уровня, задаваемого жидкостью сосуда 1. Это положение фиксируется регистрирующим устройством б,измерительная часть которого может быть выполнена, например, в виде линейки фотодиодов, расположенных вдоль мерной трубки 4, и набора осветительных элементов, 40 расположенных с другой стороны трубки. Устройство 6 с помощью несложных арифметических операций определяет положение середины пузырька и сравнивает его с допустимыми гра45 .ницами области, соответствующеи, равенству уровней жидкости в сосудах 5.

При подъеме сосуда 5 выше требуемого положения увеличивается высота столба жидкости и давление последнего уже не будет уравновешено дав- 50 лением столба сосуда 1. ) (идкость из сосуда 5 начнет вытекать. Свободно перемещаясь по соединительным звеньям 10 и 11 и через ограничитель

7 (который может .быть выполнен в ви — 55 де сетки ), она передает давление на мембрану Я, а та, в свою очередь, на жидкость в трубке 4, В результате

1 4 этог о пузырек газа будет перемещать» ся вправо либо до момента выравнивания уровня в сосудах ) и 5, либо, если отклонение уровней велико, до упора мембраны 8 в ограничитель хода /, 11еремещени пузырька будет зафиксировано устройством 6. Из противоположного конца трубки 4 жидкость: будет вытекать, перемещая мембрану

8 соответствующей емкости 3 и увеличивая уровень в сосуде 1. Это увеличение компенсируется устройством 2, в результате чего уровень в сосуде .

1 остается постоянным. Тем самым предотвращается и изменение уровней жидкости в других сосудах 5. Выравнивание давления до атмосферного при опускании жидкости в сосуде 5 обеспечивается беэреактивной ме1«браной 9.

При опускании сосуда 5 гидростатический нивелир работает аналогично рассмотренному выше.

Для определения преимуществ устройства перечислим факторы влиякщие на точность, и затем оценим их при сопоставлении с известным устройством. Такими факторами. являются: изменение уровней и плотности жидкости под воздействием температуры жесткость мембраны 8, колебания поверхности жидкости, точность уст-. ройств 2 и 6, изменение высоты стол" бов жидкости при изгибах соединительных трубок.

Благодаря использованию принципа сравнения давлений в мерной трубке

4 исключается влияние на точность изменения уровней и плотностей жидкости при одинаковом нагреве составных частей устройства.

Оценивая влияние жесткости мембран 8, необходимо заметить, что исI пользование компенсационного принципа сравнения давлений при достаточно больной высоте столбов практически полностью исключает воздействие мембран на точность устройства. Касаясь влияния колебаний поверхности жидкости, следует отметить, что при использовании устройства на его показания влияет усредненный уровень колеблющейся поверхности жидкости (а не гребень волны, как в прототипе), в результате чего точностЬ повыша5 !05! сравнению с используемым в прототипе, а применение при этом дискретного способа съема информации повьппает надежность нивелира. Требования к точности устройства 2 могут

5 быть снижены при увеличении площади поверхности жидкости в сосуде 1. Этот сосуд базовый ) является эталонным и может быть установлен в любом месте, поэтому такое мероприятие в производственных условиях легко осуществимо.

Оценим изменение высоты столбов жидкости в сообщающихся сосудах при изгибе соединительных трубок. Рассмотрим изгиб соединительного звена, показанного на фиг. 2 и 3. В этом

/ звене жесткие обручи соединены жесткими связунщими алементами, вследствие чего становится возможным

20 предотвращение уменьшения сечения канала, пропускающего жидкость, Изменение объема жидкости в звене между двумя обручами равно t t= S (h1- 62) ° где S — - площадь поперечного сечения канала;61 — максимальная высота столба жидкости; h2 — высота столба при наклоне стенок. Используя это выражение, находим изменение объема жидкости в соединительной трубке, состоящей из жестких и гибких звеньев V S{H Н2), где Н вЂ” наибольшая длина трубкй; Н > — расстояние между крайними точками трубки при ее изгибе; 5 -площадь поперечного сече- 35 ния гибкого звена. Тогда изменение уровня жидкости в сосуде 5 равно

d Í, = — (н„-н,}, S где 5 — площадь поверхности жидкос-

40 ти в сосуде 5, Вычисление изменения уровня жидкости для обычных гибких трубчатых соединительных звеньев можно производить с достаточно высокой точностью по той же Формуле.

Иэ последнего выражения следует, I что протяженность гибких соединительных звеньев не влияет на изменение

Уровня жидкости при изгибах соединительных трубок. Путь к уменьшению погрешности лежит в сокращении площади поперечного сечения канала в гибких звеньях. Но при уменьшении диаметра канала до нескольких мил- 55 лиметров существенную погрешность начинают вносить такие факторы, как смачиваемость стенок и силы поверх371 б ностного наатяжения, Выход иэ положения состоит в использовании чередующихся жестких звеньев с диаметром достаточньм для исключения влияния сил поверхностного натяжения и гибких коротких звеньев малого .диамет— ра. Последнее приводит к тому, что силы, удерживающие столб жидкости на стенках, будут существенно меньше гидростатических сил.

Иэ вьппеуказанного следует, что изменение уровня жидкости в сосуде

5 при изгибе соединительных трубок можно оценить и при необходимости компенсировать. Устанавливая ограни— чители изгиба, можно зафиксировать верхнюю границу изменения уровня жидкости ° Пути компенсации указанной погрешности лежат в увеличении площади поперечного сечения верхней части сосудов с возможной установкой вертикальных сообщающихся перегородок — успокоителей жидкости.

Устройство, кроме более высокой точности, обладает и рядом других дополнительных достоинств. Отсутствие движущихся механических деталей приводит к повьппению надежности устройства.

Благодаря использованию соединений емкостей 3 с сообщающимися сосудами и 5 и трубкой 4, расположению сеток 7 и мембран 8 становится возможным размещение блоков 3 и 4 в любой части устройства. В частности, при использовании в судостроении целесообразно устанавливать мерную трубку 4 и блок 6 внизу на стапеле, чем существенно облегчается обслуживание устройства. При использовании жидкостей с различными плотностями становится возможным контроль поло— жения точек, находящихся на разных

Уровнях, а также уменьшение длины магистрали от сосуда !. Таким образом, область применения устройства можно зна пастельно расширить.

Конструктивно базовое устройство представляет собой сообщающиеся сосу-, ды,соединенные гибкими шлангами, Один из сосудов принят в качестве базового. Поверхность жидкости этого сосуда задает плоскость, с которой должны совпадать контрольные точки блоков строящегося судна. На поверхности жидкости сосудов, установленных в контрольных точках, нахогятся поплавки, соединенные штоком с индуктивными датчиками перемещений. Проствычисляет положение середины пузырь- ка и преобразует эту информацию в код, передаваемый в электронно-вычислителькую машину (ЭВМ f, Описанные модули установлены на нижней части стапеля непосредственно под точками закрепления контрольных сосудов, чем обеспечивается незначительный изгиб соединительных магистралей.

В устройстве использован компенсационный принцип сравнения давления столбов жидкости, который реализуется с помощью мембран, ограничителей их хода, мерной трубки и регистрирующего устройства. Предотвращение влияния атмосферного давления, изменения высоты столбов жидкости при изгибах соединительных магистралей обеспечивается соответственно установкой мембран, отделяющих жидкость от атмосферы и выполнениеМ соединительных магистралей в виде жестких и гибких соединительных звеньев.

Исключение взаимного влияния сосудов удалось достичь увеличением площади поверхности базового сосуда и установкой устройства стабилизации его уровня. Благодаря применению указанных мероприятий достигнута точность измерения отклонения от заданного уровня 1 мм, т.е. точность увеличена в 4-5 раэ по сравнению с. базовым объектом. При этом диапазон измерения отклонений от заданного уровня остался таким же, как и в базовом устройстве.

Благодаря использованию дискретного способа съема информации и отсутствию сложных механических конструкций удалось достичь расчетного времени наработки на отказ wl200 ч, т.е. увеличить в 5-6 раз по сравнению с базовым объектом.

Уменьшение веса контрольных сосу« дов, непосредственно устанавливаемых на корпусе судка, позволяет увеличить в 1,5 раза количество используемых датчиков, а размещение измерительных устройств на нижней части стапеля упрощает их обслуживание.

Отмеченные положительные характе ристики нивелира влияют в основном на качество построенных судов.

7 1051371 ранство кад поверхностью жидкости отделено от атмосферы гибкими безреактивными мембранами. Электронная усилительная часть нивелира конструк. тивно совмещена с индуктивным дат- 5 чиком перемещений и связана с системами регистрации и управления, которые находятся на стапеле.

Базовый объект обладает следующимИ характеристиками. Точность измерения отклонений контрольной точ, ки судна от заданной плоскости t4 мм.

Диапазон измерения отклонений +20 ми

Среднее время между ремонтами и настройкой нивелира 200 ч.

Предлагаемое устройство конструктивно представляет собой сообщающиеся сосуды, один из которых является базовым, а другие — контрольными.

Базовый сосуд имеет форму цилиндра

20 с диаметром поверхности жидкости

1000 мм и связан с устройством стабилизации его уровня. В состав,устройства стабилизации входят датчик отклонения уровня от нормы и уст- 25 ройство управления клапанами слива и наполнения базового сосуда. Датчик отклонения уровня также представляет собой нивелир, одно из колен которого заполнено ртутью и отделено от атмосферы мембраной, а вто30 рое установлено под поверхностью жидкости, Контрольный сосуд имеет форму цилиндра с диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Базовый и контрольные сосуды соединены с емкостями, в которых установлены мембраны и ограничители их хода, жесткими и гибкими соединительными звеньями.

Диаметры проходных отверстий у них соответственно равны 20 и 4 мм, а соотношение между длинами — 200:I.

Емкости с установленными в них решетками — ограничителями хода - и мембранами, соединяющая их мерная трубка и регистрирующее устройство 45 конструктивно выполнены в одном модуле. Регистрирующее устройство включает в себя линейку фотодиодов, расположенную вдоль мерной трубки, осветительные элементы, находящие- 50 ся с противоположной стороны трубки, и логическое устройство. Последнее

105) 37) д)и83

Сос гавитель Л. Колюбакина

Редактор Н.Безродная Техред С.Мигунова. Корректор А. Тяско

Заказ 8651/40 Тир ак 602 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll.3035, Москва, 5-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал IIIIII "Патент", r. Ухгород, ул. Проектная, 4