дискретный уровнемер

Формула изобретения

1. Дискретный уровнемер, содержащий вертикальную немагнитную трубу, внутри которой установлены герконы и резисторы, последовательно соединенные в цепь, оба конца которой через линию связи подключены к источнику тока, а также магнит, жестко связанный с поплавком, выполненным с возможностью перемещения вдоль трубы и обеспечения зоны взаимодействия с герконом по высоте, при этом один из выводов геркона подключен к точке соединения двух резисторов последовательной цепи, а другой вывод соединен с цепью, содержащей связанный с шиной разделительный резистор и общую выходную цепь, соединенную с индикатором, отличающийся тем, что соседние по высоте герконы подключены к двум различным шинам, каждая из которых соединена с выходной цепью через свой разделительный резистор, при этом величины сопротивления разделительных резисторов равны друг другу, крайние резисторы последовательной цепи, через которые верхний и нижний герконы соединены с источником тока, имеют сопротивления, наименьшие в цепи, а также выполнены условия:

l<М<2l, l=2 , М=3 ,

где

l - интервал установки герконов по высоте;

М - длина зоны взаимодействия поплавка с герконом.

- шаг дискретности,

2. Дискретный уровнемер по п.1, отличающийся тем, что магниты в поплавке установлены на n уровнях при условии, что n 1, где n - целое число.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области дистанционного измерения и контроля уровня жидкости в замкнутой емкости.

Известны дискретные уровнемеры (см. патенты ФРГ №2827223, кл. С 01 F 23/12, Швейцарии №№614804, кл. G 01 F 23/10; 630727, кл. G 01 F 23/12; США №№3200645 C1 73/313, 3678750 Int. C1. G 01 f 23/12; 4537070 Int C1³ G 01 F 23/12, РФ № 2178873 С2, МПК⁷ G 01 F 23/72, РФ на полезную модель №22245, МПК 6 G 01 F 23/62; авт. свид. № SU 1675686 А1, кл. G 01 F 23/62, 23/74), применяемые для дистанционного измерения уровня жидкости в замкнутой емкости бака.

Указанные уровнемеры содержат вертикальную немагнитную трубу, внутри которой установлены герконы и резисторы, последовательно соединенные в цепь, оба конца которой через линию связи подключены к источнику тока, а также магнит, жестко связанный с поплавком, выполненным с возможностью перемещения вдоль трубы и обеспечения зоны взаимодействия с герконом по высоте, при этом один из выводов геркона подключен к точке соединения двух резисторов последовательной цепи, а другой вывод соединен с общей шиной, связанной с выходной цепью. Таким образом, герконы выполняют функцию ползунка потенциометра, преобразующего величину уровня в сопротивление и производные параметры (ток, напряжение), в соответствии с заданной функциональной зависимостью. При этом максимальное число включенных в последовательную цепь резисторов

где

r - максимальное число резисторов,

N - число герконов.

Потенциометр уровнемера подключается через линию связи к измерительному устройству, связанному и, как правило, объединенному конструктивно с индикатором. Общим свойством для дискретных уровнемеров, отличающим их от аналоговых, является следующее: чем меньше шаг дискретности и больше точек измерения, тем точнее может быть измерен уровень. При размещении герконов по высоте отдается предпочтение постоянному интервалу их расположения, а соответствие выходной характеристики уровнемера заданной функциональной зависимости обеспечивается соответствующим сопротивлением резисторов.

При этом измерительное устройство для ряда дискретных уровнемеров (см. патенты США №№3200645, фиг.1 и 3678750, фиг.7) имеет логометрическую схему, которая, как и в аналоговых уровнемерах, реагирует на отношение токов в плечах потенциометра, равное отношению их сопротивлений, и обладает высокой чувствительностью во всем измеряемом диапазоне.

Однако при дискретном принципе измерения, который используется в информационной технике для обеспечения более высокой помехоустойчивости и удобства обработки информации, полностью использовать все преимущества логометрического метода измерения не представляется возможным. В связи с этим в ряде случаев для преобразования дискретного сигнала с выхода потенциометра оказывается более оправданным применение более простых и экономичных устройств, измеряющих относительную долю коммутируемого участка потенциометра только по величине тока в нем (см. патент США №3200645, фиг.6; авт. свид. № SU 1675686 А1) или по величине выходного напряжения на ползунке потенциометра, как, например, по патентам США №4537070, РФ на полезную модель №22245, в которых потенциометр применен как дискретный делитель напряжения. Таким образом, дискретные уровнемеры с более простым преобразователем могут с той же точностью производить выдачу дискретной информация о текущем значении количества жидкости.

С целью возможности беспрерывной выдачи уровнемером дискретной информации об уровне жидкости, предусматривается или взаимодействие поплавка одновременно с группой герконов, или, по крайней мере, перекрытие зон взаимодействия поплавка с двумя соседними герконами с использованием зоны перекрытия, как промежуточный измеряемый уровень. При этом достижимое число измеряемых уровней определяется формулой

где

m - число измеряемых уровней;

N - число герконов.

В то же время для известных дискретных уровнемеров (патенты ФРГ №2827223, фиг.4, патент США №3678750, фиг.7, патент РФ на полезную модель №22245) характерен такой недостаток схемы, как сокращение числа резисторов по сравнению с указанным в (1), за счет исключения, по крайней мере, одного из крайних в потенциометре, и, как следствие, допущение рабочего режима с возможностью, в момент достижения жидкостью предельного уровня, короткого соединения, по крайней мере, одним крайним герконом общей шины и одного из полюсов источника тока. Если такое соединение допускается для верхнего геркона, то указанная схема, хотя и обеспечивает выдачу выходного сигнала с амплитудой, равной напряжению источника, что расширяет диапазон используемого напряжения, однако снижает информативность уровнемера, вследствие уменьшения числа измеряемых дискретных уровней от указанного в (2) до

где

m- число измеряемых уровней;

N число герконов,

по причине неразличимости сигналов от одного верхнего геркона и одновременно включенных двух верхних герконов. Другой недостаток схемы в том, что она не позволяет отличить настоящую информацию о верхнем предельном уровне жидкости от ложной, которая может быть выдана при любом фактическом уровне в случае неисправности в линии связи в виде замыкания общей выходной цепи на цепь питания, подключенную к верхнему концу потенциометра. Недостоверность информации, в итоге, приводит к снижению объективности контроля уровня жидкости.

Недостатком известных дискретных уровнемеров (патенты Швейцарии №№614804, 630727, фиг.7; США №№3200645, 3678750, фиг.3; РФ на полезную модель 22245) является также применение в поплавке только одного кольцевого магнита или системы из нескольких стержневых магнитов, расположенных на одной высоте. Это не позволяет применить поплавок с типовыми характеристиками при разработке вариантов дискретного уровнемера для баков различного профиля и емкости, когда для достижения заданной дискретности и точности требуется обеспечить определенный шаг дискретности и необходимую зону взаимодействия поплавка с герконом. Вместо этого возникает необходимость при каждой новой разработке обеспечивать требуемый шаг дискретности или изменением габаритных и магнитных характеристик магнита поплавка, или для каждого дискретного уровня прибегать к объединению группы элементов в один функциональный модуль с параллельным или последовательным соединением герконов или сопряжению нескольких типовых конструктивных модулей, что усложняет и удорожает устройство.

Наиболее близким, принятым за прототип, является уровнемер по патенту США №4537070, кл. G 01 F 23/12, Н 01 Н 35/18, в котором герконы установлены с возможностью чередования взаимодействия поплавка с двумя и тремя герконами. Наличие в схеме уровнемера разделительных резисторов, последовательно соединенных с каждым из герконов, обеспечивает независимость их работы и равномерность выходной характеристики потенциометра, что повышает точность измерения уровня жидкости. Данный уровнемер отличается от других аналогов также вариантом устройства, в котором функциональный модуль, содержащий геркон, соединенный с резистором последовательной цепи и разделительным резистором, оформлен как конструктивный. Устройство позволяет формировать необходимую выходную характеристику дискретного уровнемера путем сопряжения соответствующего набора типовых модулей.

Известный уровнемер имеет следующие недостатки.

Введение разделительных резисторов с удвоением общего числа резисторов в схеме уровнемера приводит к расширению габаритов уровнемера, а также к усложнению его устройства и снижению надежности работы.

При зоне взаимодействия поплавка с герконами, обеспечивающей чередование взаимодействия с двумя и тремя герконами, для измерения максимального числа дискретных уровней, используется такое положение поплавка на крайнем участке рабочего дипазона, где он взаимодействует только с одиночным первым или одиночным последним герконом, однако при этом поплавок имеет тенденцию к выходу за пределы рабочего участка, и чем больше было охвачено герконов зоной одновременного взаимодействия, тем больше окажется выбег поплавка в крайнем положении. Для обеспечения требуемого рабочего хода поплавка, соответственно, подлежит увеличению вертикальный размер габаритов уровнемера, что приводит к увеличению диапазона незамеряемых уровней.

Недостаток данного уровнемера заключается также в том, что число резисторов в последовательной цепи потенциометра сокращено по сравнению с указанным в (1) за счет исключения крайнего нижнего, вследствие чего нижний геркон потенциометра в момент достижения жидкостью минимального измеряемого уровня соединяется напрямую с полюсом источника питания. Это не позволит отличить настоящую информацию о минимальном уровне жидкости от ложной, которая будет выдана при любом уровне жидкости в случае замыкания в линии связи выходной цепи уровнемера на цепь питания, что снизит достоверность измерения. При этом сопротивление разделительного резистора в цепи геркона, позволяющее обеспечить как независимость функционирования модуля, так и различимость включенного состояния одного или двух крайних герконов, не может быть эффективно использовано для контроля достоверности измерения и выявления неисправности линии, по причине высокоомной внешней нагрузки, которой является измеритель напряжения. Верхний геркон, в отличие от нижнего, не имеет по схеме прямой связи с источником. Однако, как отмечено в прототипе, все сопрягаемые модули должны быть ориентированы одинаково как конструктивно, так и по схеме, например обращены резистором последовательной цепи вверх. Поэтому, во избежание уменьшения используемого диапазона напряжения, в схеме верхнего модуля прототипа предусмотрено шунтирование верхнего резистора непосредственно на модуле проводником или посредством специального отвода от точки соединения двух верхних резисторов цепи. В результате данная мера, устраняя отмеченный недостаток, вновь приводит к возникновению другого, аналогичного описанному для нижнего плеча потенциометра и отличающегося тем, что в данном случае с полюсом источника питания напрямую оказывается связанным уже верхний геркон. В итоге случайное замыкание выходной цепи на верхнюю цепь питания при любом уровне жидкости будет воспринято как максимальное отношение сопротивлений, то есть как ложный сигнал о переполнении бака.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача уменьшения габаритов, упрощения устройства, а также повышения надежности работы, объективности контроля и точности измерения уровня жидкости.

Поставленная задача решается тем, что в дискретном уровнемере, содержащем вертикальную немагнитную трубу, внутри которой установлены герконы и резисторы, последовательно соединенные в цепь, оба конца которой через линию связи подключены к источнику тока, а также магнит, жестко связанный с поплавком, выполненным с возможностью перемещения вдоль трубы и обеспечения зоны взаимодействия с герконом по высоте, при этом один из выводов геркона подключен к точке соединения двух резисторов последовательной цепи, а другой вывод соединен с цепью, содержащей связанный с шиной разделительный резистор и общую выходную цепь, соединенную с индикатором, новым, согласно изобретению, является то, что соседние по высоте герконы подключены к двум различным шинам, каждая из которых соединена с выходной цепью через свой разделительный резистор, причем величины сопротивления разделительных резисторов равны друг другу.

Таким образом, если расматривать схему потенциометра предлагаемого уровнемера в виде аналогично размещенных по высоте функциональных модулей, как в прототипе, то, благодаря подключению смежных герконов к двум различным шинам, каждая из которых соединена с выходной цепью через свой разделительный резистор, схема модулей упрощается за счет вывода из их состава разделительных резисторов, при этом обеспечивается возможность сокращения общего числа разделительных резисторов в схеме до двух, что, без ухудшения технических характеристик дискретного уровнемера, упрощает его устройство, уменьшает габариты и повышает надежность работы. Кроме того, эти два остающиеся в схеме разделительных резистора могут быть размещены не внутри трубы, а, например, в головке корпуса уровнемера. Данное, более рациональное размещение элементов дополнительно позволяет уменьшить габариты уровнемера по сравнению с прототипом.

Другое преимущество предлагаемого уровнемера состоит в том, что крайние резисторы последовательной цепи, через которые верхний и нижний герконы соединены с источником тока, имеют сопротивления, наименьшие в цепи. Общее число резисторов в потенциометре при этом соответствует указанному в (1). Соединение герконов с источником через крайние резисторы, что не предусмотрено в прототипе, в предлагаемом уровнемере устраняет опасность отождествления на практике случайного замыкания цепей в линии связи с рабочим сигналом, что повышает объективность восприятия информации о достижении предельных уровней и в итоге - повышает объективность контроля уровня жидкости. Одновременно повышается точность измерения, так как благодаря наименьшему сопротивлению в последовательной цепи эти резисторы потребляют в ней минимальную мощность, что позволяет эффективнее распределить питающее напряжение между остальными резисторами последовательной цепи, с обеспечением максимального перепада между ступенями выходного дискретного сигнала.

К преимуществам также относится выполнение условия

где

l - интервал установки герконов по высоте;

М - длина зоны взаимодействия поплавка с герконом,

позволяющее, при постоянном интервале установки герконов l, иметь чередование одного и двух включенных герконов и минимальные габариты устройства при максимальном числе измеряемых уровней, а также выполнение условий

где - шаг дискретности,

что обеспечивает равенство по высоте зон взаимодействия с одним и двумя включенными герконами, улучшает равномерность выходной дискретной характеристики уровнемера и повышает точность измерения уровня жидкости.

Преимуществом предлагаемого уровнемера является также установка магнитов в поплавке на n уровнях при условии, что

где n - целое число.

Во вновь разрабатываемых вариантах уровнемера это позволяет, для изменения зоны взаимодействия поплавка с герконом с целью достижения необходимых параметров дискретности, обойтись без изменения габаритных и магнитных характеристик магнитов. Вместо этого оказывается достаточным изменить относительное расположение отдельных магнитов в проектируемой магнитной системе поплавка.

Для полного раскрытия сущности изобретения на Фиг.1 представлен разрез дискретного уровнемера в вертикальной плоскости; на Фиг.2 - принципиальная схема дискретного уровнемера и на Фиг.3 - предлагаемый вариант соотношения между интервалом установки герконов, длиной зоны взаимодействия поплавка с герконом и шагом дискретности.

В соответствии с Фиг.1 дискретный уровнемер содержит вертикальную немагнитную трубу 1, внутри которой установлены герконы 2 и резисторы 3, а также магниты 4, жестко связанные с поплавком 5, выполненным с возможностью перемещения вдоль трубы 1 и обеспечения зоны взаимодействия с каждым из герконов 2 по высоте. Герконы 2 установлены с интервалом по высоте l. Две пары стержневых постоянных магнитов 4 установлены в поплавке 5 горизонтально, например, на двух уровнях. Для предохранения измерительной части дискретного уровнемера от попадания посторонних предметов и демпфирования жидкости при работе уровнемера в баке транспортного средства к корпусу 6 уровнемера пркреплена перфорированная защитная труба 7.

На Фиг.2 дана принципиальная схема дискретного уровнемера, на которой показано, что резисторы 3 последовательно соединены в цепь, верхний конец 8 и нижний конец 9 которой через линию связи 10 подключены к источнику тока 11. Один из выводов каждого из герконов 2 подключен к точке соединения двух резисторов последовательной цепи, а другой вывод соединен с цепью, содержащей для одной группы герконов связанный с шиной 12 разделительный резистор 13, для другой группы - связанный с шиной 14 разделительный резистор 15 и общую выходную цепь 16. При этом соседние по высоте герконы 2 оказываются подключенными к двум различным шинам 12 и 14, каждая из которых соединена с выходной цепью 16 через свой из разделительных резисторов 13 и 15, причем сопротивления разделительных резисторов 13 и 15 равны друг другу. Крайние верхний резистор 17 и нижний резистор 18 последовательной цепи, через которые верхний и нижний герконы 2 соединены с источником тока 11, имеют сопротивление, наименьшее в цепи. Общая выходная цепь 16 посредством линии связи 10 соединена с индикатором уровня 19.

На Фиг.3 показаны, для примера, четыре геркона 2 с интервалом установки по высоте l, зона 20 взаимодействия поплавка 5 с герконом 2 длиной М и шаг дискретности с обеспечением условий

где

l - интервал установки герконов 2 по высоте;

М - длина зоны 20 взаимодействия поплавка 5 с герконом 2;

- шаг дискретности.

Дискретный уровнемер работает следующим образом.

При полностью заправленном баке магнитное поле магнитов 4 поплавка 5 удерживает в замкнутом состоянии контакты верхнего из герконов 2, а при пустом баке - нижнего. При подаче на концы 8 и 9 потенциометра напряжения питания, которое является для него входным напряжением, выходное напряжение, пропорциональное отношению нижнего плеча потенциометра к общему его сопротивлению, в первом случае поступает от точки соединения резистора 17 и верхнего из резисторов 3 через верхний из герконов 2 на шину 14 и далее через разделительный резистор 15 - в общую выходную цепь 16, а во втором случае через нижний из герконов 2 от точки соединения резистора 18 и нижнего из резисторов 3 через нижний из герконов 2 на шину 12 и далее через разделительный резистор 13 - в общую выходную цепь 16.

Изменение уровня жидкости (при расходе жидкости или при заправке бака жидкостью) приводит к перемещению поплавка 5 вдоль вертикальной немагнитной трубы 1 и его последовательному взаимодействию с остальными из герконов 2, соответственно вызывая замыкание контактов (включение) геркона каждого последующего уровня и размыкание (выключение) геркона предыдущего, т.е. герконы дискретного уровнемера выполняют функцию ползунка потенциометра, преобразующего величину уровня жидкости в сопротивление и производный от него параметр - напряжение, в соответствии с заданной функциональной зависимостью. Соответствие выходной характеристики данной функциональной зависимости обеспечивается постоянным интервалом размещения герконов 2 высоте и соответствующим сопротивлением резисторов 3. При одинаковых сопротивлениях резисторов последовательной цепи выходная характеристика имеет ступенчатый вид и общий характер, близкий к линейному. Благодаря высокоомной нагрузке, которой является индикатор уровня 19, сопротивление разделительных резисторов 13, 15, выбранное того же порядка, что и резисторов последовательной цепи, на вид выходной характеристики влияния не оказывает и характеристика приближается к заданной функциональной зависимости.

При этом благодаря тому, что поплавок выполнен с обеспечением условия (4), исключается возможность разрывов в выдаче сигнала или такие состояния потенциометра, когда включено три геркона одновременно. Как показано на Фиг.3, происходит чередование двух состояний: одно - когда поплавок взаимодействует только с одним из герконов, и другое - когда он взаимодействует одновременно с двумя соседними по высоте герконами. В первом состоянии напряжение, снимаемое с точки соединения двух резисторов последовательной цепи, поступает только через один включенный геркон соответственно на одну из шин 12, 14, с которой данный геркон соединен, и далее через соответствующий из разделительных резисторов 13 или 15 и общую выходную цепь 16 на индикатор уровня 19. Во втором состоянии напряжение от двух соседних точек потенциометра, через два включенных соседних по высоте геркона, поступает на обе шины 15 и 16.

Как показано на Фиг.3, наиболее равномерная ступенчатая характеристика образуется, если выполнены условия (5) и (6).

Таким образом, данная схема уровнемера, имеющая только два разделительных резистора 13 и 15, обеспечивает поступление от потенциометра в общую выходную цепь 16 и дальнейшую выдачу на индикатор уровня 19 выходного напряжения, содержащего дискретную информацию о текущем отношении сопротивлений, пропорциональном всем заданным, дискретно измеряемым уровням, число которых связано с числом герконов зависимостью (1).

В предлагаемом устройстве дискретного уровнемера используется максимально полно диапазон питающего напряжения, так как крайние верхний 17 и нижний 18 резисторы последовательной цепи, через которые верхний и нижний герконы соединены с источником тока 11, имеют сопротивление, наименьшее в цепи, в связи с чем падение напряжения на них также является наименьшим. При этом чем меньше сопротивление резистора 17, тем ближе амплитуда выходного напряжения к величине питающего, и чем меньше сопротивление резистора 18, тем ближе минимум выходного напряжения к нулевому значению. В результате напряжение, которое распределяется между остальными резисторами потенциометра, обеспечивает больший перепад между ступенями дискретного выходного сигнала. Вместе с тем, несмотря на наименьшее сопротивление резисторов 17 и 18, при неисправностях в линии связи индикатор уровня 19, выполненный с соответствующей разрешающей способностью, отличает амплитуду выходного напряжения от величины питающего - при случайном замыкании общей выходной цепи 16 на цепь питания, соединенную с верхним концом 8 последовательной цепи и соответствующую «плюсу», и аналогично отличает минимум выходного напряжения от нулевого - при замыкании общей выходной цепи 16 на цепь питания, связанную с нижним концом последовательной цепи 9 и соответствующую «корпусу». Этим исключается выдача ложной информации о предельных уровнях жидкости при неисправностях линии связи.

При разработке вариантов уровнемера для баков различного профиля и емкости, когда для достижения заданной дискретности и точности может дополнительно потребоваться изменение зоны взаимодействия поплавка 1 с герконом 5, производят дополнительное разнесение или сближение по высоте магнитов 2 в поплавке.

По сравнению с прототипом, подключение соседних по высоте герконов к двум различным шинам, каждая из которых соединена с выходной цепью через свой разделительный резистор, достигает той же дискретности и точности более простыми средствами, так как уменьшает количество примененных резисторов в число раз, приближающееся к двум, повышает надежность работы и уменьшает габариты уровнемера. Все герконы и резисторы могут быть установлены в одной плоскости, причем даже при горизонтальной ориентации осей герконов, резисторов и стержневых магнитов поплавка размеры сечения направляющей трубы разработанных и испытанных образцов уровнемера не превышают 12,5×25 мм².

Благодаря тому, что поплавок выполнен с обеспечением условия

где

l - интервал установки герконов по высоте, равный 8 мм;

М - длина зоны взаимодействия поплавка с герконом, равная 12 мм, незамеряемый уровень не превышает 15 мм, а благодаря тому, что в уровнемере выполнены условия

где

l - интервал установки герконов по высоте, равный 8 мм;

- шаг дискретности, равный 4 мм;

М - длина зоны взаимодействия поплавка с герконом, равная 12 мм, длина промежуточного дискретного участка по высоте является средней между соседними, что обеспечивает равномерный характер выходной характеристики уровнемера.

Установка двух пар типовых стержневых магнитов диаметром 2 и длиной 15 мм в поплавке на двух уровнях, то есть выполнение условия, что установка должна быть на n уровнях при условии, что n 1, где n - целое число, позволила обеспечить теми же магнитами в различных вариантах уровнемера шаг дискретности от 4 до 8 мм.

Введение в уровнемер крайних резисторов последовательной цепи, через которые верхний и нижний герконы соединены с источником тока, с сопротивлением не более 4 Ом, то есть значительно меньшим чем сопротивление от 30 до 150 Ом остальных резисторов последовательной цепи, дало возможность использовать максимально полно диапазон питающего напряжения 12,5 В, благодаря чему усилен перепад напряжения между соседними ступенями выходного напряжения, а величина погрешности измерения сохранена в пределах нормы не более ±4 мм, с обеспечением объективности контроля уровня жидкости. В прототипе же, если при общем числе резисторов 10 в последовательной цепи резистор верхнего типового модуля, не участвующий в формировании выходной характеристики уровнемера, остается задействованным, полезная часть используемого напряжения уменьшится на 10%, что пропорционально уменьшит перепад по напряжению между соседними ступенями дискретного выходного сигнала, кроме того, соответственно - длину деления и разрешающую способность стрелочного индикатора и в итоге понизит точность измерения уровня жидкости. В предлагаемом устройстве подобный недостаток исключен, поскольку на соединенном последовательно с остальными резисторами крайнем резисторе 4 Ом падение напряжения стремится к нулю и снижение точности измерения не происходит. Кроме того, в варианте прототипа, где нижний геркон связан с источником напрямую и одновременно предусмотрено шунтирование верхнего резистора, что создает аналогичную ситуацию, снижена объективность контроля предельных уровней жидкости. В предлагаемом уровнемере достоверность результата измерения предельного уровня стремится к 100%, поскольку сопротивление 4 Ом при исправной линии связи обеспечивает разницу выходного напряжения и напряжения на полюсе источника не менее 3%. Отсутствие этой разницы при неисправной линии связи окажется доступным для обнаружения современными средствами измерения и контроля.