CN101226074B - 旋转设备、泵系统以及用于确定旋转设备中液位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合式液位观测计-超声传感器，其特征在于，液位观测计具有容纳液体的外壳、用于观测所述外壳内液位的观测镜，并且超声传感器连接于所述外壳上，超声传感器能够响应于所述外壳内的液位，并用来提供包含关于所述外壳内液位信息的超声传感器信号。在操作中，观测镜提供相对于可在观测镜中观测到的液体，超声传感器是否正确工作的视觉验证。超声传感器信号可用于在设备本地或通过有线、无线电子装置自动发出警报或警告。在根据本发明的一些实施方式中，外壳具有指示其中正常液位的中心线。超声传感器被安装于外壳的中心线上、稍低于中心线或稍高于中心线的位置。

Description

旋转设备、泵系统以及用于确定旋转设备中液位的方法

相关申请的交叉引用 

本申请要求2007年1月19日提交的临时专利申请60/881,809的优先权，将所述专利申请的全部内容通过引用包含在这里。 

技术领域

本发明整体上涉及一种传感器或量计，更具体而言，涉及一种用于安装于泵系统的泵构成部分的轴承架或轴承箱中的传感器或量计。 

背景技术

通常，有很多种方法用来确定液位，比如，用来确定旋转设备的轴承架或箱中的油位。 

比如，观测镜(sight glass)油位计能以油位计的中心定位在所需油位的方式螺纹固定于轴承箱中。油位计使用透明玻璃或者塑料窗口6来观测油位。图8通过示例示出一种公知的量计5。当通过透明玻璃窗口6观测到的油位与量计上的液位标记一致时可获得正确的油位。观测镜油位计可利用一个小的挡板，挡板中心位置上刻有或钻有孔7，然而这种观测镜油位计的缺点在于其需人为定期地通过视觉来观测油位。 

电容传感器可以通过测量浸入油中的极板或线圈之间的电容值来确定油位。传感器极板或电极间油的存在通过电容的变化来反映。电容值是通过将电容值等同于油位的一些类型的电子装置来确定的，此外，公知的感应或电容传感器基本上通过螺纹固接于轴承箱的底部。传感器的长度使其能够穿过油突出。通过测量传感器的感应值或电容值推导出油位。当这种类型的传感器被连接到个人计算机(PC)、监控控制系统或者数据读取系统(SCADA)或分布式控制系统(DCS)时， 其可在低油位或者高油位时自动发出通知或警告。感应或者电容传感器必须以多种不同的长度存在以适应不同的轴承箱设计。为了确定油位或者油位的变化，需要对各个箱采用参考电容。多数情况下，将这种类型的传感器通过螺纹连接于排油孔插头连接件上，当排出油时必须要将电线等移开。另外，在箱的底部还需要额外的插头连接件。这种电容传感器的缺点是由于油内污染物的存在、传感器的准确校正及结构而使其可能不能正确指示油位。没有验证油位是否正确的方法。通过测量浸入油内的极板或者探针间的电容来确定油位。部份地通过油及空气的介电特性来确定电容值。遗憾的是，油的介电常数与空气的介电常数之间的差值非常小。空气的介电常数为1，而普通矿物油的介电常数为2。水的介电常数从48到88。如果油被甚至是非常少量的水污染，其介电特性可能发生极大的变化使得油位的测量不准确或者非常受质疑。 

水准塞可以水平地位于轴承箱中，使得螺纹孔的底部位于所需的油位。通过移去水准塞来检验液位。如果油流出，则液位太高。如果在底部螺线处观测到油，那么油位是正确的，而如果看不到油，那么油位太低。这种方法通常用于变速箱和齿轮箱。然而，水准塞的缺点是需要人为使用一些类型的工具来移去塞子并且视觉检测油的存在情况。移去水准塞会使油暴露于塞子周围的液体或固体污染物。 

浸量尺也通常被用于内燃机中来确定正确的油位。浸量尺上在所需油位的位置有标记、标线或孔。从汲取管中移去浸量尺并观测与浸量尺上的标记相对应的剩余油位即可给出油位指示，然而，这种使用浸量尺监测油位的缺点是需要人为地移去浸量尺，擦去油渍，重新插入浸量尺，移去浸量尺并且将湿的油线与浸量尺的标记相匹配。这也会将油暴露于环境的污染中。 

其他公知的液位检测技术包括美国专利NO.4152937中所披露的，其提供了一种液位传感器，具有共同位于封闭端管状保护外壳中的主级绕组和次级绕组的液位互导探针；以及美国专利NO.6520011中所披露的，其提供了一种粉末检测电容型传感器，具有内部包含一对电极 的传感器主体，及用来检测电极间电容变化以便得到传感器主体周围粉末的存在的电路，其中所述传感器被安装于粉末容器的壁上。 

发明内容

本发明提供了一种新的、独特的组合式液位观测计-超声传感器，其特征在于液位观测计具有用于容纳液体的外壳和用于观测其中液位的观测镜，超声传感器连接于外壳并响应于外壳中的液位。本发明还提供了一种包含与外壳中液位相关的信息的超声传感器信号。在操作中，观测镜提供相对于观测镜中可见的液体超声传感器是否正常工作的视觉验证。超声传感器信号可以用来在本地设备、或者通过有线或无线电子装置自动发出警报或警告。 

根据本发明的一些实施方式，外壳具有用于指示其中正常液位的中心线，超声传感器可被安装于外壳的中心线上，也可以稍低于或稍高于中心线。 

从实施方式中也可以想到组合式液位观测计和超声传感器的特征在于，其具有多个超声传感器，每个超声传感器相对于中心线安装于不同的位置。比如一个超声传感器可被安装于中心线上，另一个超声传感器可被安装于稍高于或稍低于中心线的位置。 

本发明也提供了一种新的、独特的具有将组合式液位观测计和超声传感器安装于其中的轴承架或轴承箱的泵，还提供了一种新的、独特的响应于这种超声传感器信号的泵控制器，其用来控制泵操作或用来提供声音警报或者可视警报亦或是上述功能的结合。本发明也提供了一种新的、独特的泵系统，其特征在于，将所述组合式液位观测计-超声传感器与所述泵控制器结合起来。 

此外，本发明也提供了一种新的、独特的方法，其特征在于包括以下步骤：安装组合式液位观测计和超声传感器，液位观测计具有容纳液体的外壳及用于观测其中液位的观测镜；用连接至该外壳的超声传感器检测该外壳中的液位；以及提供包含有与该外壳中的液位相关的信息的超声传感器信号。该方法的特征还在于包括响应超声传感器 信号的步骤；及控制泵操作、或提供声音或视觉警报或提供两者结合的步骤。 

当试图确定旋转设备中的油位时，本发明克服了现有技术的上述缺陷。将观测镜油位计与超声传感器组合提供了油位的可视指示，同时提供了可用于自动发出警报或警告的电子输出。自动警报可以在本地设备处提供也可通过有线或无线电子装置远程提供。观测镜油位计也提供超声传感器是否正常工作的视觉验证。可将超声传感器的电子输出配置为向远程发送警报或警告。本领域技术人员应当理解，本发明中所使用的超声传感器应用了声阻的物理原理。例如，由于空气的声阻约为零，而油的声阻约为1.5，所以声阻的失谐可用来为液体的测量提供依据。水的声阻为1.5且大多数的液体的声阻都大于1。油内的任何液体污染物都不会改变油的声阻到使得传感器不能将空气同液体区分开的程度。空气与油或者空气同受污染的油之间的声阻的失谐通常足够大，使得足以准确确定传感器表面油的存在与否。超声传感器也容许悬浮于油内的微小固体颗粒。 

在更广泛的含义上说，本发明提供了一种液位传感器，其特征在于液位计具有容纳液体的外壳，该液位计与连接至外壳的超声传感器结合起来，所述超声传感器用于响应外壳内的液位来提供包含外壳内液位信息的超声传感器信号。液位计还可包括安装于其上的观测镜来观测外壳内的液体。在一特殊应用中，液体为润滑液比如油，其作为像泵这样的旋转设备的轴承架的一部分。 

根据下面对发明典型实施方式的详述，本发明的上述及其他目的、特征及优点将更加显而易见。 

附图说明

附图不是按比例绘制的，其包含下列附图： 

图1是包含有根据本发明一些实施方式的组合式液位观测计-超声传感器的基本泵系统的示意图。 

图2是安装于泵的轴承架上的根据本发明一些实施方式的组合式 液位观测计-超声传感器的示意图。 

图3是构成图2所示组合式液位观测计-超声传感器的一部分的液位观测计的透视图。 

图4是构成图2所示组合式液位观测计-超声传感器的一部分的超声传感器的透视图。 

图5是图2所示组合式液位观测计-超声传感器的透视图。 

图6是根据本发明的一些实施方式的具有气泡水准仪的组合式液位观测计-超声传感器的透视图。 

图7是构成图6所示组合式液位观测计-超声传感器的一部分的气泡水准仪的透视图。 

图8是本领域公知的液位观测计的透视图。 

具体实施方式

图1通过实施方式示出泵系统或者其他合适的旋转设备10，其具有泵或者其他合适的旋转装置12，它们通过线13连接于泵控制器14，线13在泵12与泵控制器14之间提供数据信号及控制信号。 

根据本发明，泵12包括轴承架或者轴承箱16，其具有安装于其上的组合式油位观测计-超声传感器18。在操作中，与其图示及描述一致，组合式油位观测计-超声传感器18具有液位观测计40，所述观测计40具有容纳液体的外壳42及用于观察外壳内液位的观测镜44，在图2-3及5中最佳示出；还具有连接于外壳的超声传感器50，其对外壳中的液位做出响应以提供包含有关于外壳内液位信息的超声传感器信号，在图2、4及5中最佳示出。 

在一种实施方式中，向泵控制器14提供超声传感器信号，该传感器信号用以控制泵12的操作，包括关闭泵12或者用来在低油位、高油位或者油被污染的条件下发出声音或视觉警报或警告，比如与在这里图示及描述的一致。本发明的范围不是要限制于如何使用油位传感器或环境传感器信号、如何使用油位传感器信号或者环境传感器信号来控制泵12或者是发出何种类型的声音或者视觉警报或警告。 

泵12还可以包括其他本领域公知的泵模块20，其不构成本发明的部分，所以在此不做详细描述，其包括但不限于向泵12提供电力的电源模块以及现在公知的或未来发展的其他模块。此外，本发明的范围意图包括泵控制器14，其为独立模块或者形成为一个或者多个这种其他泵模块20的一部分，换言之，本发明的范围不是要限制于泵控制器14所执行的功能。 

泵控制器14包括组合式油位观测计-超声传感器模块22，其用于响应并处理沿线13的超声传感器信号来控制泵12的操作，比如，包括关闭泵12的操作或者在低油位或高油位情况下发出声音或视觉警报或警告。本领域有各种公知的不同类型和种类的泵控制器和/或监测设备14用来控制和/或监控泵。基于对这些公知模块的理解，本领域技术人员将能够用如本文这样的组合式油位观测计-超声液位传感器模块22来实现与本文描述一致的功能，包括关闭泵12或者通过沿线路13向泵12提供控制信号或通过向声音模块、显示模块或者是构成这种其他泵控制模块24的部分的一些组合提供数据信号或控制信号以在高油位或低油位情况下基于此发出声音或视觉警报或警告。作为示例，可通过硬件、软件、固件或其组合来执行所述组合式油位观测计-超声传感器模块22的功能，但是本发明的范围不是要限制于其任何特定的实施方式。在一种典型的软件执行中，所述模块可以是一个或多个基于微处理器的结构，包含微处理器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出装置及与其相连的控制总线、数据总线及地址总线。本领域技术人员能够通过适当的操作对所述基于微控制器的设备进行编程从而实现这里所描述的功能。本发明的范围不是要限制于使用公知技术或未来发展的技术的任何特定的实现方式。同前面描述的一致，在实施方式中可以得出组合有超声液位传感器模块22的油位观测计的功能在一个或多个其他泵模块20中执行。最后，使用超声进行这种比如油的液位测量的方法或技术在本领域是已知的，并且可以由本领域技术人员通过基于本文的描述来执行，而不需要过多的试验，且本发明的范围不是要限制于用于测量任何现在公知的或未来发展的液体的液位的测量方法及技术。

尽管本发明描述了比如泵的轴承架或轴承箱内油位的测量，但是本发明的范围并不意图限制于所测量流体的类型或种类。 

通过实施方式也可以想到，可以通过摄像机来可视地监测观测镜，所述摄像机提供可返回到模块22的有线或无线摄像信号以实现远程监控观测镜。 

具体方式 

根据本发明，图2-5示出一种组合式油位观测计-超声传感器18的实施方式，其被安装于泵的轴承架或轴承箱内。作为示例，组合式油位观测计-超声传感器18可以螺纹连接于外壳，但是本发明的范围是要包括用于将这种组合式油位观测计-超声传感器18与外壳连接或固定在一起的其他现在公知的或未来发展的方式、方法或技术。 

组合式油位观测计-超声传感器18包括通常以40表示的油位观测计(也见图3及图5)，其具有用来容纳液体例如油的外壳42和用来观测外壳内液位的观测镜44。如图所示，油位观测计具有外螺纹45、抽头安装孔46及用于旋转量计40的六角形构件47。 

组合式油位观测计-超声传感器18还包括通常以50指示的超声传感器(也见图4-5)，其被安装于外壳42的侧面上。作为示例，超声传感器50具有可被拧入到外壳42的抽头安装孔46中的外螺纹52，但是本发明的范围是要包括用于将超声传感器50与外壳42连接或固定在一起的任何其他现在公知的或未来发展的方式、方法或技术。超声传感器50可被定位并安装在油位观测计40的中心线CL之下1/16″或1/8″或1/4″的位置(见图3)，所述中心线相应于最低安全操作油位。同上述一致，当油位低于设定的安全操作油位时，超声传感器50提供电子通知或警告。超声油位传感器50可以被定位于油位观测计的中心线CL上、或高于或低于该中心线，以提供轴承架外壳中的高油位、正常油位或者低油位的电子通知。抽头安装孔46(见图3)的位置不限制于上述的尺寸或所述的位置。可根据给定的油位观测计50 的尺寸规格将超声传感器50安装于任何可能的位置。 

在本发明的另外一种实施方式中，多个超声油位传感器50可定位在油位观测计中相对于中心线CL的不同高度(见图3)。比如，两个超声油位传感器50能够在任何两个液位情况下发出警报或警告；或三个超声油位传感器能够在例如但不限定于此的高油位、正常油位或低油位的三个不同油位的情况下发出警报或警告。 

在操作中，维护人员在做日常维护时可通过油位观测计40的透明窗口44观察油位和其颜色以确定油位及油污染程度或质量。这不需要访问电子读出设备(未示出)。如果通过超声油位传感器50已经发出电子通知或警告，维护人员通过用油位观测计视觉检验油位来验证所发出警报的准确度。 

使用超声油位传感器的优势在于油位的监测是连续的并且不依赖于在观测到和校正低油位前数月或数日或数时的日常维护。 

油位观测计与超声油位传感器的组合克服了单独使用这些设计的缺点。由于超声油位传感器50能够连续地监测油位并将低油位情况向一些远程监控地电子发送通知，使得不需要对油位观测计进行人为的油位观测。当仅仅使用超声油位传感器时不能视觉验证油位及其质量，但其可通过油位观测计提供。 

准确确定使用油来润滑球轴承的旋转设备在油位上的微小变化是至关重要的。仅仅1/16″(英寸)的油位变化就会使得轴承由于缺少润滑而不能工作。本发明中所使用的超声油位传感器能够准确检测微小的油位变化。 

本发明不限于使用具有油位观测计的超声传感器。比如，任何能够检测油位微小变化的、具有电子输出的并且足够小到能够安装于油位观测计的传感器都可与油位观测计结合用来可靠地监测油位。 

本发明不局限于将超声油位传感器螺纹连接于油位观测计。超声传感器的头部可以嵌入或模制于油位观测计的主体内。 

本发明的另外一种实施方式使用了安装于油位观测计上或安装于其中的气泡水准仪60，如图6及图7所示。气泡水准仪60的目的是在安装且使观测镜油位观测计40水平时起作用。使观测镜油位观测计40水平确保了超声传感器50被定位于设定的合适油位。这类气泡水准仪60在本领域是公知的，并且本发明的范围不是要限制于任何特定类型或种类的现在公知的或未来发展的水准仪。 

其他应用 

根据本发明的组合式传感器可用于任何油润滑旋转设备，其易于取代现有的液位观测计。比如，本发明可用于与其它件润滑旋转设备相关的像变速箱、鼓风机、马达、压缩机、轧碎机等实质为旋转的设备中。其不需要用来适应油位或者环境传感器的其他操作。油位或者环境传感器可用于所有润滑型旋转设备，因为其易于取代现有的液位观测计及恒液面注油器。 

发明的范围 

应该理解，除非此处另外注明的情况，关于在本文描述的特定实施方式的任何特征、特性、替换或修改可以应用、使用或与本文描述的其他实施方式结合。而且，本文附图都不是按比例绘制的。 

尽管本发明对其典型实施方式作了描述和解释，但是在不脱离本发明本质及范围的情况下可做上述和各种其他的增添及删减。 

Claims (18)

1.一种泵，包括：

轴承架或轴承箱，所述轴承架或轴承箱具有安装于其中的组合式液位观测计-超声传感器；

所述组合式液位观测计-超声传感器包括液位观测计，所述液位观测计具有容纳用于对所述泵进行润滑的液体的外壳，所述外壳具有用于指示正常液位的中心线，所述液位观测计还具有安装于其中用于观测其中液位的观测镜；并且

所述组合式液位观测计-超声传感器还包括超声传感器，所述超声传感器安装在所述液位观测计的所述外壳的侧面上并被定位或安装在相对于所述中心线的一定位置处，所述中心线相应于最低安全操作液位，所述超声传感器响应于所述液位观测计的所述外壳内的液位，用来提供包含关于所述轴承架或轴承箱内对所述泵进行润滑的液体的高液位、正常液位或者低液位的电子通知的信息的超声传感器信号，所述超声传感器信号至少部分基于所述超声传感器相对于与最低安全操作液位相应的中心线的位置。

2.根据权利要求1所述的泵，其中所述超声传感器被定位或安装在所述外壳的侧面上所述中心线之上或之下大约1/16″或1/8″或1/4″的位置。

3.根据权利要求1所述的泵，其中所述观测镜提供相对于可在观测镜中观测到的液体，超声传感器是否正确工作的视觉验证。

4.根据权利要求1所述的泵，其中所述超声传感器信号用于自动发出警报或警告。

5.根据权利要求1所述的泵，其中所述超声传感器信号用于在本地设备处、或者通过有线或无线电子装置发出警报或警告。

6.根据权利要求1所述的泵，其中所述组合式液位观测计-超声传感器包含多个超声传感器，每个超声传感器被安装在相对于所述中心线的不同位置。

7.根据权利要求1所述的泵，其中所述组合式液位观测计-超声传感器包括相对于所述中心线安装于所述液位观测计上或其中的气泡水准仪，以辅助液位观测计的安装及水准。

8.一种泵系统，包括：

泵，所述泵包括：

轴承架或轴承箱，所述轴承架或轴承箱具有安装于其中的组合式液位观测计-超声传感器，

所述组合式液位观测计-超声传感器包括液位观测计，所述液位观测计具有容纳用于对所述泵进行润滑的液体的外壳，所述外壳具有用于指示正常液位的中心线，所述液位观测计还具有安装于其中用于观测其中液位的观测镜，

所述组合式液位观测计-超声传感器还包括超声传感器，所述超声传感器安装在所述液位观测计的所述外壳的侧面上并被定位或安装在相对于所述中心线一定位置处，所述中心线相应于最低安全操作液位，所述超声传感器响应于所述液位观测计的所述外壳内的液位，用来提供包含关于所述轴承架或轴承箱内对所述泵进行润滑的液体的高液位、正常液位或者低液位的电子通知的信息的超声传感器信号，所述超声传感器信号至少部分基于所述超声传感器相对于与最低安全操作液位相应的中心线的位置；

所述泵系统还包括：

泵控制器，其响应于所述超声传感器信号，用于控制泵操作或者提供声音或视觉警报，或是控制泵操作与提供声音或视觉警报的结合。

9.根据权利要求8所述的泵系统，其中所述超声传感器被定位或安装在所述外壳的侧面上所述中心线之上或之下大约1/16″或1/8″或1/4″的位置。

10.根据权利要求8所述的泵系统，其中所述观测镜提供相对于可在观测镜中观测到的液体，超声传感器是否正确工作的视觉验证。

11.根据权利要求8所述的泵系统，其中所述超声传感器信号用于自动发出警报或警告。

12.根据权利要求8所述的泵系统，其中所述超声传感器信号用于在本地设备处、或者通过有线或无线电子装置发出警报或警告。

13.根据权利要求8所述的泵系统，其中所述组合式液位观测计-超声传感器包含多个超声传感器，每个超声传感器被安装在相对于所述中心线的不同位置。

14.根据权利要求8所述的泵系统，其中所述组合式液位观测计-超声传感器包括相对于所述中心线安装于所述液位观测计上或其中的气泡水准仪，以辅助油位观测计的安装及水准。

15.一种用于确定泵系统中液位的方法，包括：

将组合式液位观测计-超声传感器安装在泵的轴承架或轴承箱中，所述组合式液位观测计-超声传感器包括液位观测计，所述液位观测计具有容纳用于对所述泵进行润滑的液体的外壳，所述外壳具有用于指示正常液位的中心线，所述液位观测计还具有安装于其中用于观测其中液位的观测镜，所述组合式液位观测计-超声传感器还包括超声传感器，所述超声传感器安装在所述液位观测计的所述外壳的侧面上并被定位或安装在相对于所述中心线的一定位置处，所述中心线相应于最低安全操作液位；和

用所述超声传感器感测所述液位观测计的所述外壳内的液位；及

提供包含关于所述轴承架或轴承箱内对所述泵进行润滑的液体的高液位、正常液位或者低液位的电子通知的信息的超声传感器信号，所述超声传感器信号至少部分基于所述超声传感器相对于与最低安全操作液位相应的中心线的位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述方法包括将所述超声传感器定位或安装在所述外壳的侧面上所述中心线之上或之下大约1/16″或1/8″或1/4″的位置。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述方法还包括响应于所述超声传感器信号自动发出警报或警告。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述方法还包括使用响应于超声传感器信号的泵控制器来控制泵，用于控制泵操作、提供声音或视觉警报、或者是控制泵操作与提供声音或视觉警报的结合。

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