Гидростатический датчик уровня жидкости

 

СОЮЗ СО8ЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

Республик (sI)s G 01 F 23/18

IHOE ПАТЕНТНОЕ

ССР

СР) с

АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

7ä

1J

rs

1б тб

Ф г

Ю л

ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4922777/10 .(2 ) 23.03,91. (4 ) 07.02.93, Бюл. М 5 (7 ) Воронежское опытно-конструкторское б ро автоматики Научно-производственного объединения "Химавтоматика" (7 ) Е,Ф.Шполянский, Г,Л.Заграй и M.È.Ïûp н (5 ) Авторское свидетельство СССР, М 779812, кл. G 01 F 23/18, 1978. (5 ) ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УРОВН ЖИДКОСТИ

{5г) Использование; системы контроля и уч та жидкого химического сырья и продукта в различных отраслях промышленности, . 5U 1793247 А1

Сущность изобретения . корпус состоит из наружной 1 и внутренней 2 герметизированных концентричных оболочек, в состав которых входят вертикальные трубй 3 и 4 соответственно, внутренняя оболочка корпуса 2 содержит разделительные сильфоны

5 и б, подвижные торцы которых соединены с жестким центром 7 измерительной мембраны 8, наружный неподвижный бурт которой закреплен на наружной оболочке 1, ниже измерительной мембраны 8, содержит отверстия 10 для перехода контролируемой жидкости 11, при этом внутри внутренней оболочки 2 . размещен дифференциальный индуктивный преобразователь напряжения. 1 ил.

1793247

Изобретение относится к приборостроению, а именно к уровнемерам жидкости, и может найти применение в системах контроля и учета жидкого химического сырья и продуктов в различных отраслях промышленности.

Известен гидростэтический датчик уровня жидкости, содержащий чувствительный элемент в виде сильфона, передаточный механизм, поплавковый компенсатор плотности жидкости и регистратор перемещений, Принцип действия этого датчика уровня заключается в преобразовании давления гидростатического столба измеряемой жидкости, действующего на сильфон, и в преобразовании перемещения подвижного дна сильфона в выходной сигнал. Поплавковый компенсатор плотности жидкости обеспечивает компенсацию температурного изменения плотности контролируемой жидкости.

Недостатками этого известного датчика уровня является значительная сложность койетрукции и низкая точность измерений, обусловленная зависимостью деформации измерительного сильфона от изменения давления контролируемой Жйдкостй и несовершенством компенсации от изменения плотности контролируемой жидкости. Наиболее близким по технической сущности к изобретени1а является гидростатйческий датчик уровня жидкости, содержащий корпус, измерительный чувствительный элемент — сильфон, емкостный преобразователь перемещений, соединенный с подвижным дном измерительного сильфона и поплавковый компвнсатор плотности жидкости — неметаллический поплавок, соединенный разделительными сильфонами с корпусом датчика уровня.

Недостатками этого гидростатического датчика уровня жидкости являются значительные погрешностй от изменения давления контролируемой среды (т.е; давление измеряемого столба жидкости и статического давления газа над слоем жидкости воздействуют только нэ внешнюю поверхность измерительного сильфона) и от изменения плотности контролируемой жидкости при изменении ее температуры (вследствие неравенства коэффициентов объемного расширения контролируемой жидкости и неметаллического компенсационного поплавка). Кроме того, существенным недостатком этого уровнемера является затрудненный переход нэ измерение уровня новой жидкости (с новым значением плотности), т,е. в этом случае необходима замена компенсационного поплавка на поплавок с новым объемом (большим или меньшим прежнего обьема). Указанные недостатки обусловливают низкую точность измерений известного уровнемера.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в гидростатическом датчике уровня жидкости, содержащем корпус с разделительными сильфонами, упругий чувствительный элемент, преобразователь перемещений, механически соединенный с упругим чувствительным элементом и электрически соеди. ненный с блоком формирования выходного сигнала и компенсатор плотности жидкости, корпус выполнен в виде герметичной оболочки, содержащей две вертикальные трубы, чувствительный элемент выполнен в виде мембраны, неподвижный бурт которой соединен с наружной стенкой оболочки кор20 пуса, а подвижный жесткий центр мембраны соединен с внутренней стенкой оболочки корпуса посредством разделительных сильфонов, причем полость герметичной оболочки заполнена компенсационной жидкостью.

На чертеже представлена схема конструкции гйдростатического датчика уровня жидкости, Датчик уровня содержит корпус, состоящий из наружной 1 и внутренней 2 герме30 тизированных концентричных оболочек, в состав которых входят вертикальные трубы

3 и 4 соответственно, Внутренняя оболочка корпуса 2 содержит разделительные сильфоны 5 и 6. Подвижные торцы этих сильфонов 5 и 6 соединены с жестким центром 7 измерительной мембраны 0, наружный неподви>кный бурт которой закреплен на наружной оболочке корпуса t, Неподвижный торец сильфона 6 герметизирован дном 9, а

40 нижняя часть наружной оболочки 1- (ниже измерительной мембраны 8) содержит отверстия 10 для прохода контролируемой жидкости 11. Внутри внутренней оболочки 2 размещен дифференциальный индуктив45 ный преобразователь напряжения, содержащий магнитопроводы 12 и 13, катушки 14 и 15 и якорь 16. Якорь 16 соединен с жестким центром 7 измерительной мембраны 8 штоком 17, который закреплен также на уп50 ругих направляющих 18 и 19, закрепленных нэ оболочке 2, Полость между оболочками 1 и 2 заполнена компенсационной жидкостью

20, в качестве которой использована сэма контролируемая жидкость 11. Высота стол55 ба компенсационной жидкости 20 выбрана таким образом, что при нормальной температуре (+20 С) она равна верхнему пределу измерений, что является базовым столбом жидкости Не датчика уровня. Базовый столб компенсационной жидкости 20 отделен от

1793247! наджидкостного пространства в корпусе

21 емкости с контролируемой жидкостью эластичной манжетной мембраной 22, закрепленной на трубах 3 и 4, Индукционный п еобразователь перемещений проводами 5

2 соединен с блоком формирования выходн го сигнала 24, закрепленным фланцем 25 н корпусе емкости 21.

Гидростатический датчик уровня жидк сти работает следующим образом, 10

По мере изменения уровня контролир емой жидкости изменяется разность у илий, действующих на измерительную м мбрану со стороны базового столба ж дкости Н6 в компенсационной полости 15

I и измеряемого столба жидкости Н>. Эта разность усилий вызовет перемещение жеctKoãî центра 7 измерительной мембраны

8. Это перемещение мембраны 8 передается штоку 17 и якорю 16. Перемещение якоря 20

1 относительно торцов магнитопроводов

1 и 13 изменяет выходное напряжение на к тушках 14 и 15. Это выходное напряжение преобразуется блоком формирования выходного сигнала 24 в стандартный выход- 25 н и сигнал датчика уровня, например в . тбковый сигнал 0 — 20 мд. Таким образом, перемещение жесткого центра измерительной мембраны (а следовательно, и перемещение якоря индукционного преоб- 30 р зователя напряжения) является мерой уровня жидкости.

Равновесие измерительной системы д тчика уровня выражается зависимостью

P6 Н6 (S S1) g /Ъ Ни (Эм S2) g+ !.

+ Хц (2м + Z l + 22), (1) где Н6 — высота базового столба жидкости; . Ни — высота измеряемого столба жидко- 40 сти; р6 — плотность компенсационной жидкости, ри — плотность контролируемой жидкости; 45

g — ускорение силы тяжести;

Лм — перемещение жесткого центра измерительной мембраны;

SM — эффективная площадь измерительной мембраны; 50

S> и Sz — эффективные площади разде. ли тельных сильфонов

ZM — жесткость измерительной мембраны; Z< и Z2 — жесткости разделительных сильфонов.

При равенстве плотностей компенсационной и измеряемой жидкости (т,к. компенсационная полость заполнена самой контролируемой жидкостью) (2) P6= j4=P;

Разделительные сильфоны 5 и 6 выбраны с одинаковой эффективной площадью, Тогда

S1= S2= Sc (3) Подставив (2) и (3) и выражение (1) и заменив перемещение мембраныЛ на равное ему перемещение якоря i4, после преобразований получим р (5„- Б,Цф- Н„) ZM +2 Яс

Формула (4) является основной аналитической зависимостью гидростатического датчика уровня жидкости, из которой видно, что для конкретной конструкции датчика, для которой эффективные площади и жесткости мембраны и сильфонов известны, при известной плотности контролируемой жидкости, перемещение якоря, а следовательно и выходной сигнал датчика прямо пропорциональны значению измеряемого уровня жидкости Н ь т,к. высота базового столба жидкости Н6 постоянна (вернее, постоянно гидростатическое давление базового столба жидкости), Высокую точность измерения обеспечивают следующие технические решения, реализованные в предлагаемом датчике уровня;

1. Наличие базового столба компенсационной жидкости обеспечивает измерение уровня контролируемой жидкости относительно постоянной точки отсчета (постоянного "нуля") при любых значениях температуры контролируемой жидкости и окружающего воздуха, т.к, гидростатическое давление базового столба жидкости всегда постоянно, 2, Заполнение компенсационной полости самой контролируемой жидкостью обеспечивает высокоточную температурную компенсацию датчика уровня в широком диапазоне температур. т. к, плотность жидкости в контролируемой емкогти и в компенсационной полости при изменении температуры изменяются по одинаковому закону.

3. Разделение базового столба жидкости и наджидкостного пространства в емкости с контролируемой жидкостью эластичным разделителем обеспечивает неза1793247

Формула изобретения

Составитель Е, Шполянский

Техред М.Моргентал Корректор А. Обручар

Редактор Т. Федотов

Заказ 495 Тираж : Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 висимость измерений от статического давления контролируемой жидкости, т.к. и на компенсационную, и на измеряемую жидкости всегда воздействует одинаковое статическое давление среды.

4. Эластичный же разделитель исключает испарение компенсационной жидкости, а следовательно обеспечивает и постоянство давления ее столба, Таким образом, введение жидкостной компенсации плотности контролируемой жидкости вместо поплавковой (как это имеГидростатический датчик уровня жидко сти, содержащий корпус с разделительными сильфонами, упругий чувствительный элемент, преобразователь перемещений, механически соединен н ый с упругим чувствительным элементом и электрически — с блоком формирования выходного Сигнала, и компенсатор плотности жидкости, отличающийся тем, что, с целью ло место в известных уровнемерах) обеспечивает значительную более высокую точность измерений (не менее чем в 2 раза), а . также улучшает эксплуатационные характе5 ристики предлагаемого датчика уровня жидкости, т.к. при переходе на измерение уровня новой контролируемой жидкости достаточно слить из компенсационной полости "старую" контролируемую жидкость и

10 заменить ее "новой" (в уровнемере-прототипе для этого пришлось.бы заменить компенсационный поплавок). повышения точностй, корпус выполнен в виде герметичной оболочки, содержащей две вертикальные трубы, чувствительный элемент выполнен в виде мембраны, непод-. вижный бурт которой соединен с наружной стенкой оболочки корпуса, а подвижный жесткий центр мембраны соединен с внутренней стенкой оболочки корпуса посредством разделительных сильфонов, причем полость герметичной оболочки заполнена компенса-, ционной жидкостью,