SU1051371A1 - Гидростатический нивелир - Google Patents

Abstract

ПЩРОСТАТИЧЕСКИЙ НИВЕЛИР, содержащий заполненные жидкостью сообщающиес  сосуды, отделенные от атмосферы безреактивными мембранами и измеритель уровн  жидкости, подключенньй к регистрирук цему устройству, отличающийс  тем, что, с целью повьшени  точности измерений , снабжен устройством стабилизации уровн  жидкости и двум  полностью заполненными жидкостью емкост ми , входы которых отделены от выходов мембранами с ограничительными сетками, причем емкости соединены между собой измерителем уровн  жидкости , а устройство дл  стабилизации уровн  жидкости соединено с сосудом , служащим базовым и подключенным к первым входам установленных за i ним емкостей, вторые входы которь1х. св заны с другими сосудами, сообщаю (Л щимис  трубками, состо ощми из жестких и гибких, чередующихс  между соCL бой звеньев..

Description

9 7 ш. 1 Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика в автоматических системах, п частности в системах сбора Т1нфорг-1ации об отклонени х от заданного уровн  контрольных точек стро щегос  судна и в системах выравнивани  судна на стапеле Известны гидростатические нивелиры , построенные с исгюльзованием при ципа. выравнивани  уровней жидкостей в сообщающихс  сосудах, измерени  уровн  жидкости в сообщаюшихс  сососудах f 1 . Дл  известных устройств характерна метод 1ческа  погреганость, св занна  с изменением установившегос  уро н  жидкости в сосудах нри перемещении одного из них. Действительно, пусть высота одного из контрольных сосудов увеличилась на величину Л П. Жидкость из сосуда-начнет вытекать. Она опуститс  до уровн  сосудов два и они одинакового сечени . Это значение уровн  и зафиксирует устройство. Если чvICЛo сосудов Г вно fl5 то погрешность равна , причем в каждом сосуде про в л етс  вли ние перемещени  остальных Каса сь расположени  чувствительных элементов, необходимо отметить, что требовани  существующей технологии , например, в судостроении, обусловливают необходимость установки этих элементов на различной высоте ниже контролируемых точек судна. Известпые устройства не позвол ют это с делать. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и результату  вл етс  Гидростатический нивелир , содержащий заполненные жидкостью сообщанжшес  сосуды, отделенные от атмосферы безреактивными мемб ранами, измеритель уровн  жидкости и регистрирующее устройство .2 . Недостатком указанного устройства  вл етс  низка  точность, св занна  с вли вшем мениска и колебаний поверхности жидкости, а также с необходимостью установки измерител  уровн  только в верхней части устройства. Цель изобретени  - повышение точности измерений при определении отклонений от заданного положени  контрольных Точек судна при его п остройке . 712 Укпчаннп  цель достигаетс  тем, что гидростатический нивелир, содержавши плполненные жидкостью сообпаюнгиес  сосуды, отделенные от атмосферы безреактивными мембранами, и измеритель уровн  жидкости, подключенный к регистрирующему устройству, снабжен устройством дл  стабилизации уровн  жидкости и двум  полностью заполненны1-1и жидкостью емкост ми, входы которых отделены от выходов мембранами с ограничительными сетками, причем емкости соединены между собой измерителем уровн  жидкости, а устройство дл  стабилизации уровн  жидкости соединено с сосудом, служащим базовым и подключенным к первым входам устанозленньсх за ним емкостей, вторые ВХОД которых св заны с другими сосудами, сообщающимис  трубками , состо щими из жестких и гибких чередупишхс  между собой звеньев. Повыщение чувствительности гидростатического нивелира достигаетс  за счет использовани  в устройстве компенсационного принципа сравнени  давлений столбов жидкости, которые соответствуют уровн м жидкости в сообщающихс  сосудах. Сравнение производитс  в мерной трубке, где пузырек газа перемещаетс  под давлением разности давлений. Чувствительность устройства Д выражаетс  соотиопшнием Л тр где fj.,, S - соответственно площади поперечных сечений сообщающегос  сосуда и мерной трубки; ДР - разностт давлений столбов жидкости; F лы трени   идкости о стенки сосудов. Величина А может быть 1, что  вл етс  основной предпосылкой дл  создани  гидростатического нивелира высокой точности. На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 и 3 - схематичное изображение гибкого соединительного звена, используемое дл  анализа и расчетов точности. На фиг, 1 сосуд 1,  вл ющийс  базовым, св зан с устройством 2 стабилизации заданного уровн  жидкости заполн ющей этот сосуд, и через емкости 3, выходы которых соединены мерной трубкой А измерител  уровн  шщкости, подключен к дpyги ; сосудам 5. Трубка А может быть ичготов31 лена и:: прозрачного материала и снаб жена дл  регулировки устройства долени ьт . Жидкость в трубке разделена пузырьком газа, положение которого фиксируетс  perTicTpupyi uiMM устройством f, а Бходы емкостей 3 отде ,лены от выходов последовательно устанор .ленными ограничителем хода (сет кой ) 7 и безреактивной мембраной 8, рассто ние между которыми определ етс  требуемым перемещением пузырьк по трубке. Допускаетс  изменение рас положени  ограничителей 7 по отношению к мембранам 8 при соблюдении зеркальной симметрии их положени  относительно пузырька газа. Сосуды отделены от атмосферы безреактивными мембранами 9, и соединительные трубки с жидкостью состо т из жестких 10 и гибких 11 чередугалихс  меж ду собой звеньев. )Чидкость в сосудах свободно перемер;аетс  от поверх ности сосуда дс мембраны 8 емкости , 3, также свободно перемешаетс  по мерной трубке жидкость и в простран стве, заключенном между мембранами Устройство работает следующим об разом. При равенстве давлений столбов жидкости на иузырек газа он находит с  в положении, соответствую1,им нолевому отклонению контролируемого уровн  жидкости в сосуде 5 от уровн задаваемого жидкостью сосуда 1. Это положение фиксируетс  регистрирующим устройством6,измерительна  част которого может быть выполнена, например , в виде линейки фотодиодов, расположенных вдоль мерной трубки 4 и набора осветительных элементов, расположенных с другой стороны труб ки. Устройство 6 с помощью несложных арифметических операций определ ет положение середины пузырька и сравнивает его с допустимыми гра .пидами области, соответствующей, равенству уровней жидкости Б сосудах При подъеме сосуда 5 выше требуе мого положени  увеличиваетс  высота столба жидкости и давление, последнего уже не будет уравновешено давлением столба сосуда 1. )(идкость из сосуда 5 начнет вытекать. Свобод но перемеща сь по соединительным звень м 10 и 11 и через ограничител 7 ( который может .быть выполнен в ви де сетки), она передает давление на мембрану 8, а та, в свою очередь, на жидкость в трубке 4. В результат 14 этог.о пузырек газа будет перемещать-, с  вправо Либо до момента выравнивани  уровн  в сосудах 1 и 5, либо, е;сли отклонение уровней велико, до упора мембраны 8 к ограничитель хода /, Перемещени пузырька будет зафиксировано устройством 6. Из противоположного конца трубки 4 жидкость: будет вытекать, перемеща  мембрану 8 соответствующей e кocти 3 и увеличива  уровень в сосуде 1. Это увеличение компенсируетс  устройством 2, в результате чего уровень в сосуде 1 остаетс  посто нным. Тем самым предотнращаетс  и изменение уровней жидкости в других сосудах 5. Выравнивание давлени  до атмосферного при опускании жидкости в сосуде 5 обеспечиваетс  безреактивной мембраной 9. При опускании сосуда 5 гидростатический нивелир работает аналогично рассмотренному вьш)е. Дл  определени  преимуществ устройства перечислим факторы вли нщие на точность, и затем оценим их при сопоставлении с известным устройством . Такими факторами. вл ютс : изменение уровней и плотности жидкости под воздействием температуры, жесткость мембраны 8, колебани  поверхности жидкости, точность уст. ройств 2 и 6, изменение высоты столбов жидкости при изгибах соединительных трубок. Благодар  использованию принципа сравнени  давлений в мерной трубке 4 исключаетс  вли ние на точность изменени  уровней и плотностей жидкости при одинаковом нагреве составных частей устройства. Оценива  вли ние жесткости мембран 8, необходимо заметить, что использование компенсашюнного принципа сравнени  давлений при достаточно большой высоте столбов практически полностью исключает воздействие мембран на точность устройства. Каса сь вли ни  колебаний поверхнос- . ти жидкости, следует отметить, что при использовании устройства на его показани  вли ет усредненный уровень колеблющейс  поверхности жидкости (а не гребень волны, как в прототипе), в результате чего точность повышаетс . Благодар  использованию в мерной трубке 4 гидро§ силени  перемещени  пузырька требовани  к точности устройства 6 снижаютс  на 1-2 пор дка сравнению с используемым в прототипе , а применение при этом дискретного способа съема информации по вышает надежность нивелира. Требова ни  к точности устройства 2 могут быть снижены при увеличении площади поверхности жидкости в сосуде 1. Эт сосуд (базовый )  вл етс  эталонным и может быть установлен в любом мес те, поэтому такое меропри тие в пр Изводственных услови х легко осуществимо . Оценим изменение высоты столбов жидкости в сообщающихс  сосудах при изгибе соединительных трубок. Рассмотрим изгиб соединительного звена показанного на Лиг. 2 и 3. В этом Звене жесткие обручи соединены жест кими св зующими элементами, вследствие чего становитс  возможным п едотвращение уменьшени  сечени  к нала, пропускающего жидкость. Изменение объема жидкости в звене меж ду двум  обручами равно V S ( Ир, где S - площадь поперечного сечени  канала;h - максимальна  высота столба жидкости; 2 высота столба при наклоне стенок. Использу  это выражение, находим изменение объема жидкости в соединительной трубке, состо щей из жестких и гибких звень ев V « $( 2 f 1 наиболь ша  длина трубки; 2. Рассто ние между крайними точками трубки при е изгибе; iS -площадь поперечного сече ки  гибкого звена. Тогда изменение уровн  жидкос;,ти в сосуде 5 равно c f ( .), плоршдь поверхности жидкос ти в сосуде 5. Вычисление изменени  уровн  жидкости дл  обычных гибких трубчатых соединительных звеньев можно производить с достаточно высокой точност по той же формуле. Нз последнего выражени  следует, что прот женность гибких соединител ных звеньев не вли ет на изменение уровн  жидкости при изгибах соедини тельных трубак. Путь к уменьшению погрешности лежит в сокращении площади поперечного сечени  канала в гибких звень х. Но при уменьшении диаметра канала до нескольких миллиметров существенную погрешность начинают вносить такие факторы, как смачиваемость стенок и силы поверх16 ностного ллт жспи . Выход из положени  состоит в использовании чередую,щихс  жесткмх звеньев с диаметром достаточным дл  исключени  вли ни  сил поверхностного нат жени  и гибких коротких звеньев малого -диаметра . Последнее приводит к тому, что силы, удерживаюгд1е столб жидкости на стенках, будут сутцественно меньше гидростатических сил. Нз вьпиеуказанного следует, что изменение уровн  жидкости в сосуде 5 при изгибе соединительных трубок можно оценить и при необходимости компенсировать. Устанавлива  ограничители изгиба, можно зафиксировать верхнюю границу изменени  уровн  жидкости, Пути компенсации указанной погрешности лежат в увеличении площади поперечного сечени  верхней части сосудов с возможной установкой вертикальных сообщающихс  перегородок - успокоителей жидкости. Устройство, кроме более высокой точности, обладает ир дом других дополнительных достоинств. Отсутствие движущихс  механических деталей приводит к повышению надежности устройства . Благодар  использованию соединений емкостей 3 с сообщающимис  сосудами 1 и 5 и трубкой 4, расположению сеток 7 и мембран 8 становитс  возможным размещение блоков 3 и 4 в любой части устройства. В частности, при использовании в судостроении целесообразно устанавливать мерную трубку 4 и блок 6 внизу на стапеле, чем существенно облегчаетс  обслуживание устройства. При использовании  шдкостей с различными плотност ми становитс  возможным контроль положени  точек, наход щихс  на разных уровн х, а также уменьшение длины магистрали от сосуда 1. Таким образом, область применени  устройства можно знаштельно расширить. Конструктивно базовое устройство пр едставл ет собой сообщающиес  сосут ды соединенные гибкими щлангами. Один .из сосудов прин т в качестве базового. Поверхность жидкости этого осуда згщает плоскость, с которой олжны совпадать контрольные точки локов стро щегос  судна. На поверхности жидкости сосудов, установленых в контрольных точках, наход тс  поплавки, соединенные штоком с индуктивными датчиками перемещений. Пространство над поверхностью жидкости отделено от атмосферы гибкими безреактивными мембранами. Электронна  усилительна  часть нивелира конструктивно совмещена с индуктивным датчиком перемещений и св зана с системами регистрации и управлени , которые наход тс  на стапеле.

Базовый объект обладает следующими характеристиками. Точность измерени  отклонений контрольной точки судна от заданной плоскости tA мм Диапазон измерени  отклонений ±20 им Среднее врем  между ремонтами и настройкой нивелира 200 ч.

Предлагаемое устройство конструктивно представл ет собой сообщающиес  сосуды, один из которых  вл етс  базовым, а другие - контрольными. Базовый сосуд имеет форму цилиндра с диаметром поверхности жидкости 1000 мм и св зан с устройством стабилизации его уровн . В состав.устройства стабилизации вход т датчик отклонени  уровн  от нормы и устройство управлени  клапанами слива и наполнени  базового сосуда. Датчик отклонени  уровн  также предстал ет собой нивелир, одно из колен которого заполнено ртутью и отделе- но от атмосферы мембраной, а второе .установлено под поверхностью жидкости. Контрольный сосуд имеет форму цилиндра с диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Базовый и контрольиые сосуды соединены с емкост ми , в которых установлены мембраны и ограничители их хода, жесткими и гибкими соединительными звень ми. Диаметры проходных отверстий у них соответственно равны 20 и 4 мм, а соотношение между длинами - 200:1. Емкости с установленными в них решетками - ограничител ми хода - и мембранами, соедин юща  их мерна  трубка и регистрирующее устройство конструктивно выполнены в одном модуле . Регистрирующее устройство включает в себ  линейку фотодиодов, расположенную вдоль мерной трубки, осветительные элементы, наход щиес  с противоположной стороны трубки и логическое устройство. П 1следнее

вычисл ет положение середины пузьфька и преобразует эту информацию в код, передаваемый в электронно-вычислительную маиину (ЭВМ/. Описанные

модули установлены на нижней части стапел  непосредственно под точками закреплени  контрольных сосудов, чем обеспечиваетс  незначительный изгиб соединительных магистралей.

В устройстве использован компенсационный принцип сравнени  давлени  столбов жидкости, который реализуетс  с помощью мембран, ограничителей их хода, мерной трубки и регистрирующего устройства. Предотвращение вли ни  атмосферного давлени  изменени  высоты столбов жидкости при изгибах соединительных магистралей обеспечиваетс  соответственно

установкой мембран, отдел ющих жидкость от атмосферы и выполнением соединительных магистралей в виде жестких и гибких соединительных звеньев. Исключение взаимного вли ни .сосудов

удалось достичь увеличением площади поверхности базового сосуда и установкой устройства стабилиз;аций его уровн . Благодар  применению указанных меропри тий достигнута точность измерени  отклонени  от заданного уровн  /«1 мм, т.е. точность увеличена в Д-5 раз по сравнению с.базовым объектом. При этом диапазон измерени  отклонений от заданного уровн  осталс  таким же, как и в базовом устройстве.

Благодар  использованию дискретного способа съема информации и отсутствию сложных механических конструкций удалось достичь расчетного

времени наработки на отказ л/1200 ч, т.е. увеличить в 5-6 раз по сравнению с базовым объектом. .

Уменьшение веса контрольных сосудов , непосредственно устанавливаемьгх

на корпусе судна, позвол ет увеличить в 1,5 раза количество используемых датчиков, а размещение измерительных устройств на нижней части стапел  упрощает их обслуживание,

Отмеченные положительные характеристики нивелира вли ют в основном ; на качество построенных судов.

gjtts.Z

- дзаи .д

Claims (1)

1. 34) ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ НИВЕЛИР, содержащий заполненные жидкостью сообщающиеся сосуды, отделенные от атмосферы безреактивными мембранами и измеритель уровня жидкости, подключенный к регистрирующему устройству, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, снабжен устройством стабилизации уровня жидкости и двумя полностью заполненными жидкостью емкостями, входы которых отделены от выходов мембранами с ограничительными сетками, причем емкости соединены между собой измерителем уровня жидкости, а устройство для стабилизации уровня жидкости соединено с сосудом, служащим базовым и подключенным к первым входам установленных за ним емкостей, вторые входы которых, связаны с другими сосудами, сообщающимися трубками, состоящими из жестких и гибких, чередующихся между собой звеньев.