RU2008623C1

RU2008623C1 - Portable liquid-level gage

Info

Publication number: RU2008623C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Кабанов; А.Н. Литвиненко; Р.В. Бартко; М.А. Мусалев; А.А. Магирко
Original assignee: Ульяновское высшее военно-техническое училище им.Богдана Хмельницкого
Priority date: 1991-03-25
Filing date: 1991-03-25
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: instrumentation engineering. SUBSTANCE: gaging tie element is made of optofiber light conductor one of whose ends is connected to light source and other, to counter via light detector; self-contained power source is placed in weight casing whose bottom base has movable contact; gaging tie element winder has inertia control device. EFFECT: improved design. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения уровня жидкостей в резервуарах. The invention relates to instrumentation and can be used to measure the level of liquids in tanks.

Известен уровнемер жидкости, содержащий частично погруженный в жидкость и подвешенный в вертикальном положении чувствительный элемент в виде буйка, соединенный при помощи металлического тросика с измерительным барабаном, насаженным на вал серводвигателя, сматывающим и наматывающим тросик буйка и приводящим во вращение механический счетчик уровня жидкости. A liquid level gauge is known that contains a buoy-shaped sensing element partially immersed in a liquid and suspended in a vertical position, connected by a metal cable to a measuring drum mounted on a servomotor shaft, winding and winding a buoy cable and turning a mechanical liquid level counter into rotation.

Недостатками данного устройства являются невозможность измерения уровня в резервуарах различной вместимости, сложность конструкции и обслуживания, а также низкая точность измерений. The disadvantages of this device are the inability to measure the level in tanks of various capacities, the complexity of the design and maintenance, as well as the low accuracy of the measurements.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является портативный уровнемер жидкости, выбранный в качестве прототипа. Уровнемер содержит мерный тяговый орган в виде ленты с устройством его намотки и закрепленным на его конце датчиком конечных положений в виде ультразвукового излучателя и приемника, а также индикатор и автономный источник питания. The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed invention is a portable liquid level meter, selected as a prototype. The level gauge contains a measured traction body in the form of a tape with its winding device and an end position sensor fixed in its end in the form of an ultrasonic emitter and receiver, as well as an indicator and an autonomous power source.

Измерение уровня жидкости основано на определении разности истинных значений высот установки уровнемера над дном резервуара и над поверхностью жидкости. Значения высот определяются с помощью смотрового окна на шкале мерной ленты, а конечное положение высот фиксируется при помощи ультразвукового датчика. Measurement of the liquid level is based on determining the difference in the true values of the installation height of the level gauge above the bottom of the tank and above the surface of the liquid. The heights are determined using the viewing window on the scale of the measuring tape, and the final position of the heights is fixed using an ultrasonic sensor.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и низкая точность измерений. The disadvantages of this device are the design complexity and low measurement accuracy.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерений. The aim of the invention is to simplify the design and improve the accuracy of measurements.

Цель достигается тем, что мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - со счетным устройством, автономный источник питания помещен в корпус груза, нижнее основание которого снабжено подвижным контактом, а устройство намотки мерного тягового органа снабжено противоинерционным управляющим приспособлением. Эти признаки являются существенными для достижения цели, так как:
1. Мерный тяговый орган выполнен из оптоволоконного световода, один конец которого соединен с источником света, а другой через приемник света - со счетным устройством, для обеспечения съема сигнала об уровне жидкости в зависимости от суммарного радиуса изгиба оптоволокна и обеспечения его работоспособности. Этим также достигается высокая точность измерений. Кроме того, данная конструктивная особенность способствует простоте конструкции и обслуживания уровнемера.The goal is achieved by the fact that the measured traction body is made of a fiber optic fiber, one end of which is connected to a light source, and the other through a light receiver - to a counting device, an autonomous power source is placed in the cargo case, the lower base of which is equipped with a movable contact, and the measuring winding device traction body is equipped with anti-inertia control device. These signs are essential for achieving the goal, as:
1. Measured traction body is made of a fiber optic fiber, one end of which is connected to a light source, and the other through a light receiver - to a counting device, to ensure the removal of a signal about the liquid level depending on the total bending radius of the fiber and ensuring its operability. This also ensures high measurement accuracy. In addition, this design feature contributes to the simplicity of the design and maintenance of the level gauge.

2. Автономный источник питания помещен в корпус груза, нижнее основание которого снабжено подвижным контактом, для обеспечения работоспособности датчика с внутренней амплитудной модуляцией интенсивности света за счет включения источника питания на границе раздела сред, которое фиксируется подвижным контактом в виде эластичной мембраны. 2. An autonomous power source is placed in the cargo case, the lower base of which is equipped with a movable contact, to ensure the operability of the sensor with internal amplitude modulation of light intensity due to the inclusion of a power source at the interface, which is fixed by a movable contact in the form of an elastic membrane.

3. Устройство намотки мерного тягового органа снабжено противоинерционным управляющим приспособлением для исключения инструментальной погрешности прибора за счет обеспечения нормального натяжения смотанного с устройства оптоволокна сообщением противоинерционного момента устройству намотки мерного тягового органа. 3. The winding device of the measured traction body is equipped with an anti-inertia control device to exclude the instrumental error of the device by ensuring the normal tension of the optical fiber coiled from the device with a message of anti-inertia moment to the winding device of the measured traction body.

Кроме того, данный признак дает возможность регулирования сматывания оптоволоконного световода с устройства его намотки в зависимости от высоты емкости, в которой производятся измерения. In addition, this feature makes it possible to control the winding of the optical fiber from the device of its winding, depending on the height of the capacitance in which measurements are made.

Анализ предлагаемого устройства с прототипом приведен в таблице. Analysis of the proposed device with a prototype is shown in the table.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в предлагаемом техническом решении, и признать его соответствующим критерию "Существенные отличия". Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "novelty." An analysis of the known technical solutions (analogues) in the study area allows us to conclude that they lack features similar to the significant distinguishing features in the proposed technical solution, and recognize it as meeting the criterion of "Significant differences".

На чертеже показана принципиальная схема уровнемера. The drawing shows a schematic diagram of a level gauge.

Портативный уровнемер жидкости содержит цилиндрический пустотелый корпус 1, внутри которого установлено с возможностью вращения на осях 2 и 3 устройство намотки мерного тягового органа, например, в виде барабана 4 с ограничителями 5. The portable liquid level gauge contains a cylindrical hollow body 1, inside of which a winding device for a dimensional traction unit, for example, in the form of a drum 4 with limiters 5, is mounted for rotation on the axes 2 and 3.

Ось 2 снабжена втулкой 6 и жестко закреплена в теле корпуса 1, а ось 3 снабжена по крайней мере тремя шестеренками 7-9 и установлена одним концом с шестеренкой 7 с торца в отверстие корпуса барабана 4, которое снабжено по всей длине пазами по форме и размерам шестерни 7. Промежуточная часть оси 3 установлена в отверстие корпуса 1, которое снабжено в средней части пазами по форме и размерам шестерни 8, а второй конец оси 3, выходящий из корпуса 1, установлен в противоинерционном управляющем приспособлении в виде барабана 10, верхняя поверхность которого снабжена насечкой 11 и фиксаторами 12, выполненными по всей длине образующей барабана 10 и входящими в зацепление с фиксаторами 13, выполненными в теле корпуса 1. The axis 2 is provided with a sleeve 6 and is rigidly fixed in the body of the housing 1, and the axis 3 is provided with at least three gears 7-9 and is installed at one end with a gear 7 from the end into the hole of the drum 4, which is provided along the entire length with grooves in shape and size gears 7. The intermediate part of the axis 3 is installed in the hole of the housing 1, which is provided with grooves in the middle part in the shape and size of the gear 8, and the second end of the axis 3, emerging from the housing 1, is installed in the anti-inertia control device in the form of a drum 10, the upper surface of which about equipped with a notch 11 and latches 12, made along the entire length of the generatrix of the drum 10 and engaged with the latches 13, made in the body of the housing 1.

Внутри корпуса барабана 10 со стороны корпуса 1 выполнены пазы по форме и размерам шестерни 9 и установлена пластинчатая пружина 14, один конец которой закреплен в теле оси 3, а другой - в корпусе барабана 10. Inside the drum housing 10 from the housing 1 side, grooves are made in the shape and size of the gear 9 and a leaf spring 14 is installed, one end of which is fixed in the body of the axis 3, and the other in the drum housing 10.

На барабан 4 намотан с фиксированным шагом мерный тяговый орган, выполненный из оптоволоконного световода 15, один конец которого выходит из торца барабана 4 и соединен с возможностью вращения с приемником 16 света (например, фотодиодом), установленным во втулке 6 и электрически соединенным со счетным устройством 17. A fixed-pitch measured traction element is wound onto the drum 4 and made of fiber optic fiber 15, one end of which extends from the end of the drum 4 and is rotatably connected to a light receiver 16 (for example, a photodiode) installed in the sleeve 6 and electrically connected to a counting device 17.

Второй конец оптоволоконного световода 15 жестко закреплен внутри разъемного корпуса груза 18 (например в форме сферы) и сопряжен с источником 19 света (например, светодиодом), установленным в коническом световом отражателе 20 и соединенным с одним полюсом автономного источника 21 питания, второй полюс которого соединен с подвижным контактом в виде эластичной мембраны 22, установленной в нижнем основании корпуса груза 18. The second end of the optical fiber 15 is rigidly fixed inside the detachable body of the load 18 (for example in the form of a sphere) and is coupled to a light source 19 (for example, an LED) installed in a conical light reflector 20 and connected to one pole of an autonomous power source 21, the second pole of which is connected with a movable contact in the form of an elastic membrane 22 mounted in the lower base of the cargo body 18.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Уровнемер устанавливают на горловине емкости. При этом оптоволоконный световод 15 намотан на барабан 4, находящийся в неподвижном состоянии, шестерни 7 и 8 скреплены с пазами соответственно в корпусе барабана 4 и корпусе устройства 1. The level gauge is installed on the neck of the tank. When this optical fiber 15 is wound on the drum 4, which is stationary, the gears 7 and 8 are fastened with slots in the drum casing 4 and the device 1, respectively.

Выполняется условие равновесия системы
G_т= R_x, (1) где G_т - вес груза;
R_x - сила реакции опоры (сопряжения шестерни 8 с пазами в корпусе 1).The system equilibrium condition is satisfied
G _t = R _x , (1) where G _t - weight of the cargo;
R _x - reaction force of the support (pairing gear 8 with the grooves in the housing 1).

С помощью поворота барабана 10 уводят пластинчатую пружину 14 на величину, пропорциональную высоте емкости, в которой измеряют уровень жидкости. Нажатием на барабан 10 вводят в зацепление его фиксаторы 12 с фиксаторами 13 корпуса устройства, при этом происходит перемещение оси 3 и вывод из сопряжения шестерни 8 с пазами в корпусе 1 и барабан 4 начинает вращаться со скоростью
V= ω˙R (2) где R - радиус барабана;
ω - угловая скорость барабана.By turning the drum 10, the leaf spring 14 is withdrawn by a value proportional to the height of the container in which the liquid level is measured. By pressing the drum 10, its latches 12 are engaged with the latches 13 of the device body, while the axis 3 is displaced and the gear 8 is mated from the mating grooves in the housing 1 and the drum 4 starts to rotate at a speed
V = ω˙R (2) where R is the radius of the drum;
ω is the angular velocity of the drum.

При этом вращение для угловой скорости можно записать
ω=

, (3) где φ₁ - угол поворота барабана;
t - время поворота;
φ₁ = f(F_упр), (4) где F_упр= -kφ₂;
F_упр - сила упругости пластинчатой пружины 14;
φ₂ - угол поворота пружины 14;
К - коэффициент упругости пластинчатой пружины 14.In this case, the rotation for the angular velocity can be written
ω =

, (3) where φ ₁ is the angle of rotation of the drum;
t is the rotation time;
φ ₁ = f (F _Ex), (4) where F = -kφ _Ex _2;
F _CPR - the elastic force of the leaf spring 14;
φ ₂ - the angle of rotation of the spring 14;
K is the coefficient of elasticity of the leaf spring 14.

При вращении барабана 4 происходит сматывание с него оптоволоконного световода 15, который под действием силы тяжести груза 18 опускается в емкость, дойдя до границы раздела сред (газ-жидкость) вследствие различия плотностей этих сред и изменением силы сопротивления среды при условии
F_упр2 ≅ R_x, (5) где F_упр2 - сила упругости эластичной мембраны;
R_x - сила сопротивления среды.When the drum 4 rotates, the fiber optic fiber 15 is unwound from it, which, under the action of gravity of the load 18, is lowered into the container, reaching the interface of the media (gas-liquid) due to the difference in the densities of these media and the change in the resistance force of the medium, provided
F _cr2 ≅ R _x , (5) where F _cr2 is the elastic force of the elastic membrane;
R _x is the resistance force of the medium.

Эластичная мембрана 22 прогибается и замыкает контакт автономного источника 21 питания, при этом включается источник 19 света и начинает работу оптоволоконный датчик. The elastic membrane 22 bends and closes the contact of the autonomous power source 21, while the light source 19 is turned on and the fiber-optic sensor starts to work.

Учитывая, что волоконный световод 15 намотан на барабан 4 с радиусом R, можно записать выражение для его длины
l_o = 2 πR_kn, (6) где l_o - длина оптоволоконного световода, причем условие максимального светопропускания l_o/d ≥ 2000 (3), где d - диаметр оптоволокна;
R_k - относительный радиус кривизны световода.Given that the optical fiber 15 is wound on a drum 4 with a radius R, we can write the expression for its length
l _o = 2 πR _k n, (6) where l _o is the length of the optical fiber, and the condition for maximum light transmission l _o / d ≥ 2000 (3), where d is the diameter of the optical fiber;
R _k is the relative radius of curvature of the fiber.

n - количество витков световода. n is the number of turns of the fiber.

При падении груза 18 до границы раздела сред оптоволоконный световод сматывается с барабана на длину
l₁= 2 π R_ka₁, (7) где a₁ - количество смотанных витков.When cargo 18 falls to the interface of the media, the optical fiber is unwound from the drum to the length
l ₁ = 2 π R _k a ₁ , (7) where a ₁ is the number of coiled turns.

При переходе из фазы движения в наджидкостном пространстве в фазу движения в жидкости до дна емкости включается в работу волоконно-оптический преобразователь (ВОП), диафрагму излучения которого можно записать в общем виде (4)
f( φ₃)= f_овхf ( φ₃) ˙τ (φ_s), (8) где f(φ₃) - диафрагма направленности источника света;
τ (φ₃) - коэффициент светопропускания волокна.Upon transition from the phase of motion in the super-fluid space to the phase of motion in the liquid to the bottom of the tank, a fiber-optic transducer (FOP) is switched on, the radiation diaphragm of which can be written in general form (4)
f (φ ₃ ) = f _ovh f (φ ₃ ) ˙τ (φ _s ), (8) where f (φ ₃ ) is the diaphragm of the directivity of the light source;
τ (φ ₃ ) is the light transmittance of the fiber.

Общую длину световода можно условно разделить на прямой участок смотанного волокна до дна емкости l₂= 2 π R_ka₂, где а₂ - количество смотанных витков и изогнутый участок с радиусом изгиба (4):
R_k= R= (n_c+n_u)/(n_c-n_u), (9)
n_c и n_u - показатели преломления соответственно сердцевины и оболочки,
и длиной l₃= 2πR(n-а₂) (10)
Светосила прямого участка световода описывается выражением (4)
А_о ²= n_c ²-n_u ² (11)
Относительная светосила изогнутого участка световода описывается выражением (4)
τ=

. (12)
Вследствие того, что длина хода луча в изогнутом световоде в

1+

раз больше, чем в прямом, а также того, что в прямом световоде входная и выходная амплитуды равны, а в изогнутом она на выходе больше, полная светосила оптоволоконного преобразователя будет выражаться суммой светосил прямого и изогнутого участков, т. е. общая сила ВОП при начале работы датчика на границе раздела сред газ-жидкость
А₂= А_о ²+r₂ (13)
Общая светосила ВОП при достижении грузом 18 под действием силы упругости пластинчатой пружины 14 дна емкости
А₂= А_о ²+r₂ (14).The total length of the fiber can be divided into a straight section of the coiled fiber to the bottom of the tank l ₂ = 2 π R _k a ₂ , where a ₂ is the number of coiled coils and a curved section with a bending radius (4):
R _k = R = (n _c + n _u ) / (n _c -n _u ), (9)
n _c and n _u are the refractive indices of the core and shell, respectively,
and length l ₃ = 2πR (n-a ₂ ) (10)
The aperture ratio of the direct section of the fiber is described by the expression (4)
And _about ² = n _c ² -n _u ² (11)
The relative aperture of the bent section of the fiber is described by the expression (4)
τ =

. (12)
Due to the fact that the length of the beam in a curved fiber in

1+

times more than in the direct one, and also in that the input and output amplitudes are equal in the direct waveguide, and it is larger in the bent output, the full aperture of the fiber-optic converter will be expressed as the sum of the aperture values of the direct and bent sections, i.e., the total FOP power at the beginning of the sensor at the gas-liquid interface
A ₂ = A _o ² + r ₂ (13)
The general aperture of the GP when reaching the load 18 under the action of the elastic force of the leaf spring 14 of the bottom
A ₂ = A _o ² + r ₂ (14).

Таким образом изменение светосилы при движении груза 18 от границы раздела сред до дна емкости будет выражаться
Δ А= А₁-А₂ (15)
Δ А= r₁-r₂

A

= .Thus, the change in aperture during the movement of the load 18 from the interface to the bottom of the tank will be expressed
Δ A = A ₁ -A ₂ (15)
Δ A = r ₁ -r ₂

A

=.

Так как a₁=

и a₂=

, преобразуя выражение (15), можно записать
ΔA=

, (16)
l₁-l₂= h - высота уровня жидкости.Since a ₁ =

and a ₂ =

transforming expression (15), we can write
ΔA =

, (sixteen)
l ₁ -l ₂ = h is the height of the liquid level.

Высота l₁ определяется началом работы ВОП при замыкании подвижного контакта 22, а высота l₂ фиксируется силой упругости пластинчатой пружины 14, величина закрутки которой устанавливается пропорциональной высоте емкости от горловины до ее днища по градуировочной таблице.The height l _{1 is} determined by the start of the GP operation when the movable contact 22 closes, and the height l ₂ is fixed by the elastic force of the leaf spring 14, the twist of which is set proportional to the height of the container from the neck to its bottom according to the calibration table.

Таким образом выражение для уровня жидкости можно записать:
h=

. (17)
Предлагаемый портативный уровнемер жидкости может также работать в режиме свободного падения груза до границы раздела сред (при условии его положительной плавучести). При этом пластинчатая пружина 14 не взводится, а выполняет функцию противоинерционного устройства, останавливающего барабан 4 при достижении грузом 18 границы раздела сред. Для намотки оптоволоконного световода 15 на барабан 4 и ось 3 при помощи барабана 10 отводят в крайнее правое положение, при этом шестерни 7 и 9 находятся в сопряжении с пазами соответственно в корпусе барабана 4 и барабана 10. Вращением барабана 10 производят намотку оптоволокна на барабан 4.Thus, the expression for the liquid level can be written:
h =

. (17)
The proposed portable liquid level gauge can also work in the mode of free fall of cargo to the interface of the media (subject to its positive buoyancy). In this case, the leaf spring 14 does not cock, but acts as an anti-inertia device that stops the drum 4 when the load 18 reaches the media interface. For winding the optical fiber 15 onto the drum 4 and the axis 3 by means of the drum 10, they are taken to the extreme right position, while the gears 7 and 9 are in conjunction with the grooves in the housing of the drum 4 and the drum 10, respectively. By rotating the drum 10, the optical fiber is wound on the drum 4 .

Предлагаемый уровнемер в отличие от прототипа имеет более простую конструкцию, меньшую металлоемкость и более высокую точность измерений, так как в прототипе происходит визуальный съем сигнала об уровне, а в предлагаемом приборе - при помощи оптоволоконного преобразователя с внутренней амплитудой модуляцией интенсивности света, имеющего более высокую точность и дающего возможность автоматизации снятия показаний об уровне жидкости.
(56) Нефтеснабжение. М. , 1980 (ЦНИИГПЭМС. Научно-технический реферативный сборник. вып. 3). Уровнемер серии 801 производства фирмы Enraf Nonius (Голландия).The proposed level meter, in contrast to the prototype, has a simpler design, lower metal consumption and higher measurement accuracy, since the level signal is visually removed in the prototype, and in the proposed device, it is using a fiber optic converter with an internal amplitude modulating light intensity with higher accuracy and which makes it possible to automate the reading of liquid level readings.
(56) Oil supply. M., 1980 (TsNIIGPEMS. Scientific and technical abstract collection. Issue 3). Level meter of a series 801 production of Enraf Nonius firm (Holland).

Авторское свидетельство СССР N 1137318, кл. G 01 F 23/22, 1985. USSR author's certificate N 1137318, cl. G 01 F 23/22, 1985.

Зак Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М. : Энергоатомиздат, 1989, с. 128. Zack E. A. Fiber Optic Converters with External Modulation. M.: Energoatomizdat, 1989, p. 128.

Вейнберг В. Б. , и Саттаров Д. К. Оптика световодов. , Изд. 2-е, перераб, и доп. Л. : Машиностроение, 1977, с. 320. Weinberg V. B., and Sattarov D. K. Optics of optical fibers. , Ed. 2nd, revision, and add. L.: Mechanical Engineering, 1977, p. 320.

Claims

1. PORTABLE LIQUID LEVEL MEASURER, comprising a housing with a measuring traction body located in it, one end of which is connected to the load, and the other end to its winding mechanism, an autonomous power supply and an indication unit, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements and simplify structures, the traction measuring unit is made of a fiber optic fiber, one end of which is connected to a light source, and the other through a light receiver - to an indication unit, an autonomous power source is placed in a housing in which the lower base Credited movable contact, a winding mechanism protivoinertsionnym dimensional body is provided with a knot.

2. The level gauge according to claim 1, characterized in that the movable contact is made in the form of an elastic membrane.

3. The level gauge according to claim 1, characterized in that the anti-inertia unit is made in the form of a drum, inside which a leaf spring is installed.