Устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах

 

Использование: уровнемеры для измерения уровня жидкости в резервуарах. Сущность изобретения в устройстве приемник гидростатического давления 10 выполнен в виде поршня, на верхнем его торце выполнено сферическою углубление 11 с зеркальным покрытием 12, над которым установлены излучающий 13 и приемный 14 световоды, оптически сопряженные соответственно с источником 15 и приемниками 17,19 света, электрически соединенными с блоком питания 16, входами опорного и измеряемого напряжения аналого-цифрового преобразователя 18 и индикатором 20. Устройство имеет простую конструкцию, обеспечивает высокую надежность и стабильность измерений. 1 ил.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к средствам измерения уровня жидкости в резервуарах.

Известны составные метрштоки (МШС) для измерения уровня нефтепродуктов в стационарных и транспортных емкостях, содержащие два или более линейных измерительных звена в виде цилиндрических трубок с нанесенными на них метками (1).

Недостатками данной конструкции являются низкая точность ввиду большой вероятности случайных погрешностей и субъективности снятия показаний, низкие функциональные возможности и неудобства в работе из-за относительно большой длины метрштока (3,5. 4,5 м).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является фотоэлектрический датчик давления жидкостного уровнемера (2), выбранный в качестве прототипа, содержащий цилиндрический корпус с приемником гидростатического давления в виде верхнего и нижнего дисков, возвратный механизм в виде пружины и волоконно-оптический датчик перемещений приемника гидростатического давления, сопряженный с источником и приемником света и схемой обработки сигнала.

Данное устройство работает следующим образов. При помощи телескопической трубки опускают устройство на дно емкости с жидкостью. Гидростатическое давление жидкости, действуя на приемник давления, перемещает на определенное расстояние источник света со встроенным световодом, в результате чего увеличивается или уменьшается интенсивность света, принимаемого приемником, изменение которой пропорционально гидростатическому давлению, а следовательно, и уровню.

Кроме определения гидростатического давления (уровня) данное устройство позволяет измерять плотность жидкости тем же датчиком перемещения путем взвешивания определенного объема жидкости после извлечения прибора из емкости.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и ремонта, возможность увеличения погрешности вследствие процессов "старения" источников света.

Изобретение направлено на упрощение конструкции, повышение надежности и стабильности показаний прибора.

Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве приемник гидростатического давления выполнен в виде поршня, на верхнем торце которого выполнено сферическое углубление, покрытое зеркальным слоем, а приемный и передающий световоды установлены в средней части крышки цилиндрического корпуса на расстоянии, равном 2,5 диаметрам сферического углубления, при этом излучающий световод снабжен разветвителем, один конец которого сопряжен с источником света, а другой с вторым фотоприемником, электрически соединенным с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а конец приемного световода сопряжен с первым фотоприемником, электрически соединенным с входом измеряемого напряжения АЦП, электрически соединенного с блоками питания и индикации.

Изобретение поясняется чертежом.

Устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах содержит цилиндрический полый корпус 1, на нижнем конце которого при помощи разъемного соединения (например, резьбового) закреплена цилиндрическая полая емкость 2 для отбора проб, нижнее и верхнее основание которой снабжены сливными отверстиями 3 и 4, отверстие 4 закрыто сливной пробкой 5. В верхней части корпус 1 закрыт крышкой 6 с отверстиями 7 и 8, которые через трубку 9 соединены с атмосферой. Внутри цилиндрического корпуса 1 установлен с возможностью перемещения в вертикальной плоскости приемник гидростатического давления 10 в виде поршня, на верхнем торце которого выполнено сферическое углубление 11, а на его внешнюю поверхность нанесено зеркальное покрытие 12 (например, из серебра или алюминия). На расстоянии 2,5 диаметров сферического углубления 11 от зеркального покрытия 12 установлены в средней части крышки 6 излучающий 13 и приемный 14 световоды. Излучающий световод 13 снабжен волоконным разветвителем, один конец которого соединен с источником 15 света, электрически соединенным с блоком питания 16, а другой его конец соединен с вторым фотоприемником 17, соединенным с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 18 (АЦП). Конец приемного световода 14 соединен с первым фотоприемником 19, который электрически связан с блоком питания 16 и входом измеряемого напряжения АЦП 18 (например, КР572ПВ5), соединенного с блоком индикации 20.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии приемник гидростатического давления 10 находится под действием собственной силы тяжести в крайнем нижнем положении, соответствующем нулевой позиции в показаниях индикатора 20. Для измерения уровня жидкости устройство погружают в резервуар с жидкостью на его дно. Жидкость, находящаяся в peзepвyape, через отверстие 3 заполняет полую емкость 2, сила гидростатического давления воспринимается приемником 10 F₁= ρghS (1) где F₁ сила давления столба жидкости на приемник 10; S площадь приемника 10; ρ плотность жидкости; g ycкopeниe свободного падения; h высота уровня жидкости.

Сила F₁ давления столба противодействует силе тяжести приемника 10 F₂=mg, (2) где m масса приемника 10.

Уравнение равновесия системы можно записать (учитывая, что при измерениях сосуд открыт) PaS+F₁=F₂+PaS, (3)
где Pa атмосферное давление;
S площадь приемника 10.

Учитывая, что измерительная камера сообщается с атмосферой, можно исключить из выражения (3) силу PaS, тогда
F₁=F₂, (4)
rghS= mg,
ρhS= m,
тогда
Учитывая, что величины m, S и g постоянны и рассчитываются для конкретного диапазона измерений, можно сделaть вывод, что величина h будет прямо пропорциональна перемещению приемника 10 гидростатического давления, которое регистрируется волоконно-оптическим датчиком. Световой пучок, выходящий из торца излучающего световода 13, падая на сферическую зеркальную поверхность, отражается от нее и фокусируется на торце приемного световода 14. При перемещении приемника 10 гидростатического давления в результате уменьшения расстояния между торцами световодов 13, 14 и сферической зеркальной поверхностью происходит расфокусировка светового пучка. При этом лучистый поток, падающий на торец приемного световода 14, изменяется и соответственно изменяется сигнал фотоприемника 19.

Данным устройством также, как и прототипом, возможно измерять плотность жидкости. Измерение плотности жидкости данным устройством можно проводить следующими двумя способами.

1. Измерять гидростатическое давление на дне сосуда и на фиксированной высоте от горловины и по формуле вычислить плотность жидкости.

2. Устройство извлекают из резервуара. Так как полная емкость 2 остается заполненной жидкостью, а ее объем заранее известен (т. е. известен уровень жидкости в ней), а масса приемника 10 меньше массы жидкости, то по величине перемещения приемника 10 определяют плотность жидкости в зависимости от гидростатического давления в емкости 2 с известным уровнем жидкости.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет упростить конструкцию прибора, кроме того, повышается надежность работы прибора и стабильность его показаний за счет упрощения конструкции и конструктивного выполнения волоконно-оптического датчика.

Формула изобретения

Устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах, содержащее приемник гидростатического давления, размещенный в полом цилиндрическом корпусе, излучающий световод, связанный с источником света, подключенным к блоку питания, приемный световод, соединенный с первым фотоприемником, и блок индикации, отличающееся тем, что в него введены второй фотоприемник и аналого-цифровой преобразователь, а излучающий световод снабжен разветвителем, один конец которого сопряжен с источником света, а другой с вторым фотоприемником, электрически соединенным с опорным входом аналого-цифрового преобразователя, измерительный вход которого соединен с первым фотоприемником, а выход подключен к блоку индикации, при этом приемник гидростатического давления выполнен в виде поршня, установленного в цилиндрическом корпусе с возможностью вертикального перемещения, верхняя часть корпуса закрыта введенной крышкой с отверстиями, связанными с атмосферой, а нижняя часть корпуса сообщена с измеряемой средой, причем на верхнем торце поршня выполнено сферическое углубление, поверхность которого покрыта зеркальным слое, а излучающий и приемный световоды установлены в средней части крышки на расстоянии от зеркального слоя, равном 2,5 диаметрам сферического углубления.

РИСУНКИ

Рисунок 1