CN101419470B - 自调节液面高度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明用于液面高度控制系统。本装置用于精确控制液面高度，结构简单。源液和工作液分离。液面高度由装置的虹吸管管口的高度决定，可以自由调节液面高度。液面高度误差可以通过密闭容器的截面面积和工作液面面积的比来调节，可以达到充分小的误差要求。

Description

自调节液面高度控制装置

一技术领域

本发明用于液面高度控制系统。

二背景技术

当前液面高度控制系统主要有两类。一是不使用传感器。通过液面高度的变化，由此产生的压力、重力、浮力变化，源液通过浮球、传动杆、阀门等机械装置，补偿液面高度。如中国专利9610025.4，专利94108500.7。二是使用传感器监控液面高度，把液面高度变化信息反馈到系统，源液通过机械装置补偿液面高度。如中国专利专利02805720.1，专利86106975。

这两类控制系统，共性是都使用复杂的机械装置，成本高，反复使用易损坏，寿命短，需定期维护，液面高度起伏较大。

中国专利02139542.X结构简单，无机械传动装置和控制阀门。但是存在如下缺陷：

第一，作为供体的源液体和要控制其液面高度的工作液体是连通的，这限制了使用范围。如工作液需要加热，而并不希望源液被加热；工作液是已过滤处理，而源没经过处理，不希望源液污染工作液；源液的化学组分和工作液不同等(如需控制反应槽内液面高度的情形)。

第二，液面高度误差较大，不能控制误差的幅度。3-5mm的液面高度误差是许多场合不允许的(如控制打印机墨盒内墨水液面高度)。其液面高度误差和出液口口径相关。如要求出液速度大，则要求有较大的出液口口径，此时液面高度误差相应变大。而小的出液速度，虽不要求较大的出液口口径，但不能及时补充工作液，同样会增大液面高度误差。

第三，在不相对移动密封容器位置时(如在大型供液装置情形)，工作液面高度不可调节。在实际应用中，要求调整高度的情形是常发生的。

第四，出液口要求和工作液连结，不便于设施的安装和使用。

三发明内容

在本发明中，保持了专利02139542.X结构简单的优点，消除了其源液和工作液连通、液面高度误差大、误差不能控制、液面高度不能方便调整的缺陷。精确控制液面高度，满足了生产和科研中对稳定液面的要求。

装置的主体为一密闭的载液容器，容器一般为柱形。容器顶面有进液口，底面有一组出液口。进液口和出液口都有阀门，用以密闭或开启进出口。在容器底面有一虹吸管，虹吸管一般垂直于底面安装。虹吸管在容器内的部分的高度应大于容器内液面的最大高度，在容器外的部分，其管口应低于出液口。虹吸管在容器外部分的长度，可以通过续接套管等方式调整。虹吸管管口应在同一个平面。见图1。

四附图说明

图1是液面控制装置示意图。C为密闭容器，K2为进水口，K1为出水口，V为虹吸管。

图2是系统工作示意图。密闭容器高为H，K2为进水口，K1为出水口，V为虹吸管。S0是容器内液面的高度，S1是出水口的液面，S2是虹吸管口的液面，S3是工作液面。H1是虹吸管底部管口和工作液面相接时，S0和容器顶面间的距离。H2是在P2上的压力平衡时，S0和容器项面间的距离。

五技术实施方式

结合具体实例说明工作过程。

在实例中装载源溶液的容器为圆柱形，高为H。源溶液和工作液都为水溶液，和大气接触的液面是自由面。

将出水口和虹吸管置于工作液面上方。虹吸管的管口平面和工作液的液面平行。当容器初始为空时，关闭进水口阀门，打开进水口阀门，注液。容器被注满后，关闭进水阀门，打开出水阀门。

设初始工作液面P3的高度H0小于虹吸管管口高度H3。此时由于容器内的液面是自由的，所以从出水口K1流出液体。当H0等于H3时，虹吸管管口和空气的接触被液面P3所阻绝，此时容器上方成为密闭空间。此时密闭空间内气体压力为大气压P₀。设此时容器内液面和容器顶部间的距离为H1。容器内的水由于重力的作用，通过出水口继续出水，并且虹吸管内水位上升(由于虹吸管的高度大于容器内液面的高度，所以虹吸管内的液体并不会流入容器)。当出水口液面的压力达到平衡时，由于出水口液面的表面张力大于其上方水柱的压力，出水口将停止出水。设此时容器上方密闭空间内气体压力为P₁，容器内液面和容器顶部间的距离为H2。见图2。

令

ΔH＝H2-H1。

ΔH是工作液面和虹吸管管口相接到出水口停止出水的这段时间内，容器内的液体下降的高度。

在出水口的液面压力平衡时，出水口停止出水。此时

P₀＝H4ρ+P₁。

式中

H4＝H-H2。

是容器内液面相对容器底部出水口的高度，ρ为容器内液体的密度。

设环境温度恒定。另由于虹吸管的直径远小于容器的直径，所以可以将虹吸管对容器内水面上方的气体压强的变化的贡献忽略不计。

$P_1=\frac{H1}{H2}{P}_0$

出水落差最大值为

$\mathrm{\ΔH}=\frac{H^2}{4*P_0}$

平衡时，工作液的液面高度为(忽略虹吸管内液体对工作液面高度的贡献)

$H3+\frac{H^2}{4*P_0}*\frac{S_1}{S_2}$

式中S₁，S₂分别为容器的截面面积及工作液面的面积。液面高度误差为

$\frac{H^2}{4*P_0}*\frac{S_1}{S_2}.$

对

$\frac{S_1}{S_2}=1,$ H＝0.5m

液面高度误差小于0.6mm。通过调整容器的截面面积和工作液面面积的比，可以充分减低工作液面高度的误差。

停止出水后，当工作液面下降时，虹吸管口K露出水面，由于虹吸管和液体的接触角大于90度，管口液面和工作液面分离，使得管口液面是自由面，并且由于管口直径的设定使得虹吸管口的液面的表面张力小于其上方的水柱的压力，虹吸管中的水将由于重力的原因流出。容器内的液面重新成为自由面，出水口开始出水。如此循环工作。

在以上的实例中显示，由于出液口在工作液上方，源液和工作液并不连通，工作液的液面高度就是虹吸管管口的高度。通过调节虹吸管的高度，可以方便地调节工作液面的高度。工作液面的高度误差可以通过调节密闭容器的截面面积和工作液面面积的比来控制，可以达到充分小的量级。

Claims (6)

1.一种液面高度控制装置，其特征为有一个装载源溶液的密封容器，此容器上部具有一个进液口，下部具有至少一个出液口，并配置一个虹吸管，虹吸管的一个端口在容器内，另一个端口在容器外并处于容器下方，当容器内装有所需的工作液体时，容器外的虹吸管管口的高度确定容器下方的工作液面的液面高度，装置通过容器内液面上方的气体压力的变化控制溶液的补充，从而控制容器下方的工作液面的液面高度。

2.根据权利要求1的液面高度控制装置，其特征为所配置的虹吸管，部分在容器内，部分在容器外，在容器外部分的长度可以调节，在容器内的管的高度应大于容器内液面的最大高度，在容器外部分的管口的水平高度小于出液口的水平高度。

3.根据权利要求1的液面高度控制装置，其特征为所配置的一组出液口，当容器内的液面不和大气接触，且出液口的液面压力达到平衡时，每个出液口液面的表面张力大于其上方水柱的压力，出液口的数量应该保证单位时间的总出液量大于所要控制液面高度的工作液的消耗量。

4.根据权利要求1的液面高度控制装置，其特征为所配置的虹吸管在容器外的管口处在同所要控制液面高度的工作液面平行的一个平面上，当在容器外的虹吸管口的液面和大气接触时，每个出液口液面的表面张力小于其上方水柱的压力。

5.根据权利要求1的液面高度控制装置，其特征为所配置的虹吸管，当工作液体在虹吸管中静止时，液面向管内凹陷。

6.根据权利要求1的液面高度控制装置，其特征为当容器为柱形时，所要控制液面高度的工作液面高度的误差由容器的高度H，及容器的水平截面的面积S1和所要控制液面高度的工作液面的液面面积S2确定，该误差的值为

$\frac{H^2}{4*P}*\frac{S1}{S2}$

其中P为大气压。

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