RU2273829C2

RU2273829C2 - Device for measuring level and density of fluid

Info

Publication number: RU2273829C2
Application number: RU2004115869/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Бердников (RU); Алексей Михайлович Бердников; ев Геннадий Владимирович Пол (RU); Геннадий Владимирович Поляев; Василий Арсентьевич Цымбалист (RU); Василий Арсентьевич Цымбалист
Original assignee: ООО НПФ "Концептуальная энергетика"
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2006-04-10
Also published as: RU2004115869A

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: device has level measuring float disposed in vertical inside holed pipe, converting member, temperature detector, and measurement unit. Device also has hollow washer provided with bridge which washer is connected with protection pipe, density-measuring float mounted at lower end of level measuring float for vertical movement, and system for displacement of density-measuring float. Level-measuring float is made in form of tube. Converting member is made in form of resistance strain gauge conjugated with level-measuring float. Measurement unit is made in form of control microcontroller. System for displacing level-measuring float is made in form of ferromagnetic disc fastened to density-measuring float and to solenoid connected with output of control microcontroller.

EFFECT: simplified design; improved efficiency of measurement.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения уровня и плотности жидкости в замкнутых объемах.The invention relates to the field of instrumentation and can be used to measure the level and density of liquids in confined spaces.

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).A device for measuring the level and density of a liquid is known, comprising a float with a hole, measured pulleys and pulleys with a counterweight, counters (perforated disks), each of which is mounted on the end of the measuring pulley, optical displacement sensors, multi-link articulated buoy, the upper cylindrical part of which is installed in the hole of the float, and the bottom is located under the float, the transmitting element (measuring tape), and the displacer and the float are connected by a corresponding measuring pulley through the measuring tape, guiding strings of the float, micro a processor controller whose inputs are connected to the outputs of the optical displacement sensors (RF patent No. 2047845, class 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.A disadvantage of the known device is the low reliability and performance control due to the fact that perforated disks relatively often fail. The low accuracy of control is explained by the fact that dust and moisture can get on the optical sensors and perforated discs, which leads to measurement errors or loss of information. In addition, the device has a limited measurement range, small functionality and complex kinematics of the structure. This is due to the fact that the lower part of the displacer is located under the float, and the guiding strings of the float and displacer are attached to the bottom of the tank.

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).The closest in its technical essence is a device for measuring the level and density of a liquid, containing a variable-volume float with a ferrite ring, a guide tube, inside which there are inductors (converter element) and a temperature sensor, a measuring unit, the inputs of which are connected to the converter element and sensor temperature, a perforated tube and a blowing system (float movement system) (AS USSR 1578584, class 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.The disadvantage of this device is the design complexity and low productivity. This is due to the presence of a variable-volume float, a converter element made in the form of seventeen inductance coils, a float moving system, which is mounted in the form of a gas cylinder, an arrow gauge, valves with valves that open and close manually with each measurement and a pressure reducer. In addition, the device does not provide data transfer for further processing.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и повышение производительности измерения.The present invention is to simplify the design and increase the measurement performance.

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.The present problem is solved in that a device for measuring the level and density of a liquid, comprising a level measuring float located inside a vertically arranged protective pipe with holes, a conversion element, a temperature sensor, a measuring unit, is provided with a hollow nozzle with a jumper connected to the protective pipe, a measuring float density installed on the lower end of the float level measurement with the possibility of vertical movement, and a system for moving the float, and the float level measurement made in the form of a tube, the conversion element is made in the form of a strain gauge coupled to a level measuring float, the measuring unit is made in the form of a control microcontroller, and the density measuring float moving system is made in the form of a ferromagnetic disk fixed to the density measuring float and a solenoid connected to the control output microcontroller.

На чертеже изображено устройство для измерения уровня и плотности жидкости.The drawing shows a device for measuring the level and density of a liquid.

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.The device for measuring the level and density of the liquid contains a vertically arranged protective pipe 1 with holes 2, inside of which a level measurement float 3 is installed, the lower end of which is hermetically closed, a hollow nozzle 4 connected to the protective pipe 1, a density measurement float 5 located on the lower end float 3, with the possibility of vertical movement, a ferromagnetic disk 6 with holes, mounted on the float 5, a jumper 7 mounted on the lower end of the hollow nozzle 4, guide pins 8, which are installed They are provided on the jumper 7, cutouts 9 for supplying the measured liquid, a temperature sensor 10, a transducer element 11 (strain gauge), a measuring unit 12 (control microcontroller), the first input of which is connected to the strain gauge 11, a rod 13, one end of which is connected to the measurement float 3 level, and the other with a strain gauge 11, a system for moving the float 5 density measurement, which includes a ferromagnetic disk 6 and a solenoid 14, which is connected to the output of the control microcontroller 12, the level limiter, which contains wok ceiling 15 with the permanent magnet 16, the reed switch 17 which is connected to a fluid supply system (not shown) into the container.

При измерении уровня жидкости устройство работает следующим образом.When measuring the liquid level, the device operates as follows.

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.In the initial position, the electrical signal from the output of the microcontroller 12 does not enter the solenoid 14. In this case, the density measurement float 5 with a ferromagnetic disk 6 is located on the jumper 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/с² - 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=ρghS, где ρ - 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.In the absence of liquid, the strain gauge 11 under the action of the gravity of the float 3 F _t = mg experiences a strain of the order of 0.1 mm, where m is the mass of the float 3 level measurement, g = 9.8 m / s ² is the acceleration of gravity. In this case, “0” is displayed on the digital display of the microcontroller 12. On admission of fluid into the tank at the float 3 operates level measurement buoyant force F _in = ρghS, where ρ - density of the fluid, h - the height of the liquid level, S - cross-sectional area of the float. In this case, the strain of the strain gauge 11 is reduced, causing a change in the magnitude of the electrical signal at its output in proportion to the level h of the liquid. An electrical signal from the output of the strain gauge 11 is fed to the input of the microcontroller 12 and its digital display shows the measured liquid level h. When the liquid level changes, the buoyancy force changes, which acts on the float 3 of the level measurement, which leads to a change in the electrical signal of the strain gauge 11 according to a linear law. When liquid enters the tank, the limit level float 15 with a permanent magnet 16 moves along the protective tube 1 under the buoyancy force 1. This happens until the contacts of the reed switch 17 open. The liquid supply system (not shown) is turned off and the digital board of the microcontroller 12 shows the limit level.

При измерении плотности жидкости устройство работает следующим образом.When measuring the density of a liquid, the device operates as follows.

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.The microcontroller 12 remembers the magnitude of the electrical signal U ₁ , which is fed to its input from the output of the strain gauge 11. In this case, the output of the microcontroller 12 supplies the solenoid 14 with electrical voltage and its turns

current I flows. As a result, the solenoid 14 forms a magnetic flux Ф, which moves up the ferromagnetic disk 6 with the density measurement float 5 and it interacts with the level measurement float 3, increasing its weight. In this case, the load on the strain gauge 11 increases, which leads to a change in the magnitude of its electrical signal U ₂ , which is supplied from the strain gauge 11 to the first input of the microcontroller 12.

Плотность жидкости определяется микроконтроллером 12 по формуле:The density of the liquid is determined by the microcontroller 12 according to the formula:

где k₁ - температурный коэффициент, определяемый микроконтроллером 12 по электрическому сигналу, который поступает на его второй вход от датчика температуры 10; k₂ - коэффициент пропорциональности; ΔU=U₁-U₂ - разность потенциалов электрических сигналов (U₁ - при измерении уровня, U₂ - при измерении плотности жидкости).where k ₁ is the temperature coefficient determined by the microcontroller 12 by an electrical signal that is supplied to its second input from the temperature sensor 10; k ₂ is the coefficient of proportionality; ΔU = U ₁ -U ₂ - the potential difference of the electrical signals (U ₁ - when measuring the level, U ₂ - when measuring the density of the liquid).

Цифровое табло микроконтроллера 12 в соответствии с соотношением (1) показывает измеренную плотность ρ_ж жидкости.The digital display of the microcontroller 12 in accordance with the relation (1) shows the measured density ρ _{W of the} liquid.

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.After that, the output of the control microcontroller 12 stops the supply of electric voltage to the solenoid 14 and the ferromagnetic disk 6 with the float 5 density measurement moves down to the jumper 7. In this case, the float 3 level measurement and the float 5 density measurement do not interact and the device switches back to measurement mode level.

Информация об измеренном уровне, плотности и температуре жидкости может быть передана для дальнейшей обработки на компьютер (не показан).Information about the measured level, density and temperature of the liquid can be transferred for further processing to a computer (not shown).

Устройство технологично из-за простоты конструкции и имеет высокую производительность, так как процесс перемещения поплавка измерения плотности осуществляется управляющим микроконтроллером.The device is technologically advanced because of the simplicity of design and has high performance, since the process of moving the float to measure the density is carried out by the control microcontroller.

Claims

A device for measuring the level and density of a liquid, comprising a level measuring float located inside a vertically arranged protective pipe with holes, a converter element, a temperature sensor, a measuring unit, characterized in that it is provided with a hollow nozzle with a jumper connected to the protective pipe, a density measuring float mounted on the lower end of the level measurement float with the possibility of vertical movement, and a system for moving the density measurement float, wherein the measurement float I level is made in the form of a tube, the transducer element is made in the form of a strain gauge coupled to a level measuring float, the measuring unit is made in the form of a control microcontroller, and the density measuring float moving system is made in the form of a ferromagnetic disk fixed to the density measuring float, and a solenoid connected with the output of the control microcontroller.