устройство для измерения уровня и плотности жидкости

Формула изобретения

Устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее поплавок измерения уровня, размещенный внутри вертикально расположенной защитной трубы с отверстиями, преобразовательный элемент, датчик температуры, измерительный блок, отличающееся тем, что оно снабжено полой насадкой с перемычкой, соединенной с защитной трубой, поплавком измерения плотности, установленным на нижнем конце поплавка измерения уровня с возможностью вертикального перемещения, и системой перемещения поплавка измерения плотности, причем поплавок измерения уровня выполнен в виде трубки, преобразовательный элемент выполнен в виде тензодатчика, сопряженного с поплавком измерения уровня, измерительный блок выполнен в виде управляющего микроконтроллера, а система перемещения поплавка измерения плотности выполнена в виде ферромагнитного диска, закрепленного на поплавке измерения плотности, и соленоида, соединенного с выходом управляющего микроконтроллера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня и плотности жидкости в замкнутых объемах.

Известно устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее поплавок с отверстием, мерные шкивы и шкивы с противовесом, счетчики (перфорированные диски), каждый из которых закреплен на торце мерного шкива, оптические датчики перемещения, многозвенный шарнирный буек, верхняя цилиндрическая часть которого установлена в отверстие поплавка, а нижняя расположена под поплавком, передающий элемент (мерную ленту), причем буек и поплавок связаны соответствующим мерным шкивом через мерную ленту, направляющие струны поплавка, микропроцессорный контроллер, входы которого подключены к выходам оптических датчиков перемещения (патент РФ №2047845, кл. G 01 F 23/30, G 01 F 23/36).

Недостатком известного устройства является низкая надежность и производительность контроля из-за того, что перфорированные диски сравнительно часто выходят из строя. Низкая точность контроля объясняется тем, что на оптические датчики и перфорированные диски может попасть пыль и влага, что приводит к погрешности измерения или потере информации. Кроме этого, устройство имеет ограниченный диапазон измерения, малые функциональные возможности и сложную кинематику конструкции. Это обусловлено тем, что нижняя часть буйка расположена под поплавком, а направляющие струны поплавка и буек прикреплены к днищу емкости.

Наиболее близким по своей технической сущности является устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее поплавок переменного объема с ферритовым кольцом, направляющую трубку, внутри которой расположены катушки индуктивности (преобразовательный элемент) и датчик температуры, измерительный блок, входы которого соединены с преобразовательным элементом и датчиком температуры, перфорированную трубку и систему поддува (систему перемещения поплавка) (а.с. СССР 1578584, кл. G 01 F 23/30, G 01 N 9/10).

Недостатком этого устройства является сложность конструкции и низкая производительность. Это обусловлено наличием поплавка переменного объема, преобразовательного элемента, выполненного в виде семнадцати катушек индуктивности, системы перемещения поплавка, которая смонтирована в виде баллона с газом, стрелочного манометра, арматуры с вентилями, которые открывают и закрывают вручную при каждом измерении и редуктора давления. Кроме этого, устройство не обеспечивает передачу данных для дальнейшей обработки.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и повышение производительности измерения.

Настоящая задача решается тем, что устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее поплавок измерения уровня, размещенный внутри вертикально расположенной защитной трубы с отверстиями, преобразовательный элемент, датчик температуры, измерительный блок, снабжено полой насадкой с перемычкой, соединенной с защитной трубой, поплавком измерения плотности, установленным на нижнем конце поплавка измерения уровня с возможностью их вертикального перемещения, и системой перемещения поплавка, причем поплавок измерения уровня выполнен в виде трубки, преобразовательный элемент выполнен в виде тензодатчика, сопряженного с поплавком измерения уровня, измерительный блок выполнен в виде управляющего микроконтроллера, а система перемещения поплавка измерения плотности выполнена в виде ферромагнитного диска, закрепленного на поплавке измерения плотности и соленоида, соединенного с выходом управляющего микроконтроллера.

На чертеже изображено устройство для измерения уровня и плотности жидкости.

Устройство для измерения уровня и плотности жидкости содержит вертикально расположенную защитную трубу 1 с отверстиями 2, внутри которой установлен поплавок 3 измерения уровня, нижний конец которого герметично закрыт, полую насадку 4, соединенную с защитной трубой 1, поплавок 5 измерения плотности, расположенный на нижнем конце поплавка 3, с возможностью вертикального перемещения, ферромагнитный диск 6 с отверстиями, закрепленный на поплавке 5, перемычку 7, смонтированную на нижнем конце полой насадки 4, направляющие штифты 8, которые установлены на перемычке 7, вырезы 9 для подвода измеряемой жидкости, датчик температуры 10, преобразовательный элемент 11 (тензодатчик), измерительный блок 12 (управляющий микроконтроллер), первый вход которого соединен с тензодатчиком 11, стержень 13, один конец которого соединен с поплавком 3 измерения уровня, а другой с тензодатчиком 11, систему перемещения поплавка 5 измерения плотности, включающую в себя ферромагнитный диск 6 и соленоид 14, который соединен с выходом управляющего микроконтроллера 12, задатчик предельного уровня, который содержит поплавок 15 предельного уровня с постоянным магнитом 16, геркон 17, который соединен с системой подачи жидкости (не показана) в емкость.

При измерении уровня жидкости устройство работает следующим образом.

В исходном положении электрический сигнал с выхода микроконтроллера 12 не поступает на соленоид 14. В этом случае поплавок 5 измерения плотности с ферромагнитным диском 6 расположены на перемычке 7.

При отсутствии жидкости тензодатчик 11 под действием силы тяжести поплавка 3 F_т=mg испытывает деформацию порядка 0,1 мм, где m - масса поплавка 3 измерения уровня, g=9,8 м/с ² - ускорение свободного падения. В данном случае на цифровом табло микроконтроллера 12 высвечивается "0". При поступлении жидкости в емкость на поплавок 3 измерения уровня действует выталкивающая сила F_в=ghS, где - плотность жидкости, h - высота уровня жидкости, S - площадь поперечного сечения поплавка. При этом деформация тензодатчика 11 уменьшается, вызывая изменение величины электрического сигнала на его выходе пропорционально уровню h жидкости. Электрический сигнал с выхода тензодатчика 11 поступает на вход микроконтроллера 12 и его цифровое табло показывает измеренный уровень h жидкости. При изменении уровня жидкости изменяется выталкивающая сила, которая действует на поплавок 3 измерения уровня, что приводит к изменению электрического сигнала тензодатчика 11 по линейному закону. При поступлении жидкости в емкость поплавок 15 предельного уровня с постоянным магнитом 16 под действием выталкивающей силы жидкости перемещается вдоль защитной трубы 1. Это происходит до момента размыкания контактов геркона 17. Система подачи жидкости (не показана) в емкость отключается и цифровое табло микроконтроллера 12 показывает предельный уровень.

При измерении плотности жидкости устройство работает следующим образом.

Микроконтроллер 12 запоминает величину электрического сигнала U₁, который поступает на его вход с выхода тензодатчика 11. При этом с выхода микроконтроллера 12 на соленоид 14 поступает электрическое напряжение и по его виткам протекает ток I. В результате этого соленоид 14 образует магнитный поток Ф, который перемещает вверх ферромагнитный диск 6 с поплавком 5 измерения плотности и он взаимодействует с поплавком 3 измерения уровня, увеличивая его вес. При этом нагрузка на тензодатчик 11 возрастает, что ведет к изменению величины его электрического сигнала U₂, который поступает от тензодатчика 11 на первый вход микроконтроллера 12.

Плотность жидкости определяется микроконтроллером 12 по формуле:

где k₁ - температурный коэффициент, определяемый микроконтроллером 12 по электрическому сигналу, который поступает на его второй вход от датчика температуры 10; k₂ - коэффициент пропорциональности; U=U ₁-U₂ - разность потенциалов электрических сигналов (U₁ - при измерении уровня, U₂ - при измерении плотности жидкости).

Цифровое табло микроконтроллера 12 в соответствии с соотношением (1) показывает измеренную плотность _ж жидкости.

После этого с выхода управляющего микроконтроллера 12 прекращается подача электрического напряжения на соленоид 14 и ферромагнитный диск 6 с поплавком 5 измерения плотности перемещаются вниз до перемычки 7. В этом случае поплавок 3 измерения уровня и поплавок 5 измерения плотности не взаимодействуют и устройство вновь переходит в режим измерения уровня.

Информация об измеренном уровне, плотности и температуре жидкости может быть передана для дальнейшей обработки на компьютер (не показан).

Устройство технологично из-за простоты конструкции и имеет высокую производительность, так как процесс перемещения поплавка измерения плотности осуществляется управляющим микроконтроллером.