устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен
Классы МПК: | G05D9/12 с использованием электрических средств |
Автор(ы): | Нефедьев И.А., Нефедьев А.И., Нефедьев Д.И., Карпов А.Ф. |
Патентообладатель(и): | Нефедьев Иван Алексеевич, Нефедьев Алексей Иванович, Нефедьев Дмитрий Иванович, Карпов Алексей Федорович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-04-20 публикация патента:
20.05.2000 |
Изобретение относится к области систем автоматического регулирования. Технический результат заключается в повышении надежности регулирования предельного верхнего и нижнего уровней воды в резервуарах водонапорных башен в тяжелых условиях эксплуатации, связанных с влиянием на емкостные преобразователи паразитных емкостей и посторонних электрических полей при длинных соединительных проводниках, низких отрицательных температур окружающего воздуха, волн и водоворотов, обусловленных падающей водой из подводящей трубы. Устройство содержит мостовую схему с компаратором тока и экран гидравлического интегратора, обеспечивающие защиту емкостных преобразователей заявленного устройства от влияния паразитных емкостей и внешних электрических полей при длинных соединительных проводниках; гидравлический и электрический интеграторы, обеспечивающие защиту емкостных преобразователей и заявленного устройства от влияния волн и водоворотов, обусловленных падающей водой из подводящей трубы; экран гидравлического интегратора выполнен с двойными стенками и изоляционным материалом, обеспечивающим защиту емкостных преобразователей от низких отрицательных температур окружающей среды. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
Устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, содержащее преобразователи верхнего и нижнего предельных уровней в электрический сигнал, а также блок управления электродвигателем, к которому через исполнительный элемент подключен электродвигатель с водяным насосом, отличающееся тем, что оно снабжено гидравлическим и электрическим интеграторами, гидравлический интегратор выполнен в виде защитного экрана с трехзажимным подключением, охватывающего преобразователи верхнего и нижнего уровней, которые выполнены емкостными, в верхней и нижней частях защитного экрана расположены перегородки с отверстиями, при этом защитный экран выполнен двойным, пространство между стенками которого заполнено теплоизолирующим материалом, электрический интегратор выполнен в виде резистивно-емкостной цепочки, емкостные преобразователи включены каждый в мостовую схему с компаратором тока, в которой один из выводов емкостного преобразователя подключен к источнику переменного напряжения повышенной частоты, другой вывод - к одному из плеч компаратора тока, опорный конденсатор подключен соответственно к указанному источнику питания и второму плечу компаратора тока, а средняя точка плеч компаратора тока заземлена и присоединена к защитному экрану, вход электрического интегратора через фазочувствительный усилитель подключен к выходной обмотке компаратора тока, а к выходу электрического интегратора подключена схема сравнения, соединенная с блоком управления электродвигателем, при этом мостовые схемы с компаратором тока для регулирования верхнего и нижнего предельных уровней выполнены идентичными.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к средствам управления или регулирования неэлектрических величин с использованием электрических средств и предназначено для регулирования предельного верхнего и нижнего уровня воды в резервуарах водонапорных башен. Известны устройства для измерения и регулирования уровня заполнения резервуаров жидкостью, основанные на использовании механических и электромеханических методов [1] . Недостаток этих устройств заключается в невозможности их использования для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха, когда на поверхности образуется ледяной покров (корка) толщиной несколько миллиметров. Известны устройства для измерения и регулирования уровня заполнения резервуаров, основанные на ультразвуковом методе [1]. Их недостаток заключается в сложности устройства, а также невозможности регулирования уровня жидкости при волнах и водоворотах, образованных падающей из подводящей трубы водой, то есть переходных процессах в жидкости. Известно устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, содержащее:1. Манометр с контактной системой, настраиваемой на верхний и нижний предельный уровень воды в водонапорных башнях и присоединяемый к резервуару с водой в нижней его части. При этом давление столба воды передается по трубке манометру, градуированному в единицах уровня [1, 2]. 2. Контактный или бесконтактный исполнительный элемент, включающий или отключающий электродвигатель с насосом. Недостаток указанного устройства заключается в том, что в момент подачи воды из подводящей трубы столб падающей воды приводит к изменению давления на измерительный преобразователь манометра. При этом показания манометра изменяются, в результате чего контакты верхнего и нижнего предельного уровня замыкаются и размыкаются, что приводит к частому включению и выключению электродвигателя, пусковые токи которого выводят электродвигатель из строя. Известно устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, содержащее емкостной преобразователь уровня воды в электрический сигнал (датчик) с переменной диэлектрической постоянной, обкладки которого прилегают к трубке из диэлектрика, сообщающейся с резервуаром с водой [3]; мостовую измерительную схему и фазочувствительный усилитель [4, 5]; контактный или бесконтактный исполнительный элемент и электродвигатель с насосом. Достоинства емкостных преобразователей уровня воды в электрический сигнал: большая чувствительность, относительно малый вес и габариты, малые электромеханические силы между пластинами емкостного преобразователя. Недостаток указанного устройства заключается в том, что в нем емкостные преобразователи: чувствительны к влиянию паразитных емкостей и посторонних электрических полей (в особенности при длинных соединительных проводниках); подвержены влиянию низких отрицательных температур наружного воздуха, что может вывести электростатические преобразователи из строя или исказить их метрологические характеристики из-за образования корки льда на поверхности воды в резервуаре; подвержены влиянию волн и водоворотов на поверхности воды в резервуаре, что приводит к изменению емкости емкостных преобразователей и к частому включению и выключению электродвигателя, пусковые токи которого выводят электродвигатель из строя. Известно устройство (прототип) для регулирования уровня жидкости в емкости [6], содержащее датчики верхнего и нижнего уровней, подключенные к соответствующим входам блока управления, первый выход которого соединен с насосной установкой, генератор импульсов, а также последовательно соединенные таймер и привод вертикального перемещения, связанный с выходом датчика верхнего уровня, причем выход генератора импульсов подключен ко входу таймера, а второй выход блока управления связан со вторым входом привода вертикального перемещения. Недостаток прототипа заключается в невозможности его использования при температуре окружающей среды, близкой к нулю градусов по Цельсию и ниже, так как образование корки льда на поверхности воды может исказить метрологические характеристики или вывести из строя датчики верхнего и нижнего уровней. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке технического решения, которое обеспечивает получение следующего технического результата - повышение надежности заявленного устройства в тяжелых условиях эксплуатации, связанных с влиянием: паразитных емкостей и посторонних электрических полей при длинных соединительных проводниках; низких отрицательных температур окружающей среды; волн и водоворотов, обусловленных падающей водой из подводящей трубы. Эта задача решена в результате того, что устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, содержащее преобразователи верхнего и нижнего предельных уровней в электрический сигнал, а также блок управления электродвигаталем, к которому через исполнительный элемент подключен электродвигатель с водяным насосом, снабжено гидравлическим и электрическим интеграторами, гидравлический интегратор выполнен в виде защитного экрана с трехзажимным подключением, охватывающего преобразователи верхнего и нижнего уровней, которые выполнены емкостными, в верхней и нижней частях защитного экрана расположены перегородки с отверстиями, при этом защитный экран выполнен двойным, пространство между стенками которого заполнено теплоизолирующим материалом, электрический интегратор выполнен в виде резистивно-емкостной цепочки, емкостные преобразователи включены каждый в мостовую схему с компаратором тока, в которой один из выводов емкостного преобразователя подключен к источнику переменного напряжения повышенной частоты, другой вывод - к одному из плеч компаратора тока, опорный конденсатор подключен соответственно к указанному источнику питания и второму плечу компаратора тока, а средняя точка плеч компаратора тока заземлена и присоединена к защитному экрану, вход электрического интегратора через фазочувствительный усилитель подключен к выходной обмотке компаратора тока, а к выходу электрического интегратора подключена схема сравнения, соединенная с блоком управления электродвигателем, при этом мостовые схемы с компаратором тока для регулирования верхнего и нижнего предельных уровней выполнены идентичными. На фиг. 1 приведено устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен. Указанное устройство содержит емкостной преобразователь 1 верхнего предельного уровня в электрический сигнал; емкостной преобразователь 2 нижнего предельного уровня в электрический сигнал; опорные конденсаторы 3, 4; компаратор тока 5, состоящий из плеч (обмоток) 10, 11 и выходной обмотки 12; источник питания повышенной частоты 13; фазочувствительные усилители 14, 15: электрический интегратор верхнего предельного уровня, состоящий из резистора 16 и конденсатора 17 и аналогичный интегратор нижнего уровня 18, 19; схемы сравнения 20, 21: блок 22 управления электродвигателем; исполнительный контактный или бесконтактный элемент 23; электродвигатель 24 в комплекте с водяным насосом. На фиг. 2 представлена конструктивная схема гидравлического интегратора с емкостными преобразователями верхнего и нижнего предельного уровня в электрический сигнал. Гидравлический интегратор содержит емкостные преобразователи 1, 2, каждый из которых состоит из двух металлических пластин, покрытых слоем соответствующей изоляции (на фиг. 2 не показана); двойного защитного экрана в виде металлических стенок 25, 26 и изоляционного материала 27; перегородки 28 с отверстиями в нижней части защитного экрана (на фиг. 2 показано по одному отверстию в каждой перегородке), перегородки 29 с отверстиями в верхней части защитного экрана. Емкостной преобразователь 1, опорный конденсатор 3, компаратор тока 5, источник питания повышенной частоты 13, фазочувствительный усилитель 15 образуют мостовую схему с компаратором тока, в которой средняя точка плеч 6 и 7 заземлена, экраны емкостного преобразователя 1 и опорного конденсатора 3 заземлены. Мостовые схемы верхнего и нижнего предельного уровня выполнены идентичными. Работа устройства для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен заключается в следующем. Перед описанием работы указанного устройства рассмотрим физические основы его работы. Емкостной преобразователь уровня в электрический сигнал представляет собой плоский конденсатор, емкость С которого выражается формулой [4]:
![устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, патент № 2149441](/images/patents/322/2149441/2149441-2t.gif)
где
![устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, патент № 2149441](/images/patents/322/2149142/949.gif)
![устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, патент № 2149441](/images/patents/322/2149142/949.gif)
![устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, патент № 2149441](/images/patents/322/2149005/183.gif)
![устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, патент № 2149441](/images/patents/322/2149142/949.gif)
![устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, патент № 2149441](/images/patents/322/2149142/949.gif)
![устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, патент № 2149441](/images/patents/322/2149005/183.gif)
S - поверхность обкладок;
![устройство для регулирования уровня воды в резервуарах водонапорных башен, патент № 2149441](/images/patents/322/2149050/948.gif)
1. Измерения в промышленности: Справ, изд. В 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. - 2-е изд. М.: Металлургия, 1990. С. 12-37. 2. Большая советская энциклопедия, второе издание. Том 44, С. 325-326. Государственное научное издательство "Большая Советская энциклопедия", 1956. 3. Н. Аматуни и др. Электротехника и электрооборудование. М.: Росвузиздат, 1963. С.429-494. 4. Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин. М.-Л.: Изд-во "Энергия", 1966. С. 44-52. 5. Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. М.-Л.: Государственное энергетическое изд-во, 1958. С.470-471. 6. А.с. N1228082 (СССР). Устройство для регулирования уровня жидкости в емкости /В.Д. Шестаков, А.И. Волков, А.М. Смирнов, А.В. Кланюк, А.П. Солоха, В.И. Войтенко. - Опубл. в БИ N16, 30.04.86.
Класс G05D9/12 с использованием электрических средств