уровнемер-расходомер жидкости в баке

Формула изобретения

1. Уровнемер-расходомер жидкости в баке, содержащий корпус, дифференциальный датчик давления с двумя входами, подключенный к индикатору уровня жидкости, пневмогидравлический блок, включающий герметичную полость, трубку со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака с контролируемой жидкостью одним концом, а другим концом соединенную с одним из входов дифференциального датчика давления, второй вход которого соединен с одним концом второй трубки со сквозным каналом, другой конец которой выведен в паровоздушную атмосферу под крышкой бака, кроме того, конец трубки со сквозным каналом, выведенной на дно бака, и конец трубки, выведенной в паровоздушную атмосферу под крышкой бака, соединены с соответствующими герметичными упругими элементами, образуя при этом внутреннюю полость пневматических каналов, изолированную от внешней среды, причем герметичные упругие элементы выполнены в виде мембранных коробок, часть сторон которых или все, в частности одна сторона, выполняются упругими, а остальные, соответственно, жесткими, при этом упругие стороны могут быть выполнены в виде ставок - мембран или гибких пленок или гофрированных пластин или упругого полого шарика, кроме того, герметичный упругий элемент, размещаемый внутри бака в жидкости, выполнен в углублении на дне бака, например в сливной горловине, кроме того, герметичный упругий элемент, размещаемый внутри бака в области паравоздушной атмосферы, выполнен внутри крышки бака, которая состоит из входного фланца, прикрепляемого к баку и на резьбовых соединениях с ним через уплотнение горловиной и корпусом, причем к корпусу винтами через пружинные шайбы и прокладку привинчена пластина, трубки пневматических каналов через штуцера и соединительные трубки подключены к входам дифференциального датчика давления, который крепится к корпусу болтом с шайбой и пружинной шайбой, электрические провода дифференциального датчика давления соединены с клеммой питания "+" от бортовой сети, а его корпус подключен к "массе" болтом, информационный сигнал снимается с сигнальной клеммы, кроме того, введен измерительный бак, в котором размещен пневмогидравлический блок уровнемера, кроме того, оба герметичных упругих элемента соединены между собой корпусом, выполненым в виде демпфирующего стакана, внутри которого размещается герметичный упругий элемент, устанавливаемый на дне бака с контролируемой жидкостью, причем корпус содержит коаксиальную с демпфирующим стаканом фиксирующую ось, соединяющую между собой герметичные упругие элементы, а демпфирующий стакан и коаксиальная с ним фиксирующая ось корпуса соединены между собой дисками жесткости, кроме того, демпфирующий стакан корпуса выполнен цилиндрическим, кроме того, демпфирующий стакан состоит из отдельных частей и подвижных муфт, охватывающих стыки отдельных частей, причем количество частей определяется, исходя из отношения максимальной высоты бака к длине отдельной части, трубка пневматического канала имеет вид упругой спирали, подвижные муфты имеют сквозные отверстия, в которых находятся шарики, с внешней стороны шарики охвачены упругими хомутами, или в виде упругих колец (пружинных шайб), на внешней стороне отдельных частей демпфирующего стакана, находящихся под подвижными муфтами, имеются канавки, находящиеся на расстоянии друг от друга, равном минимальному фиксируемому положению отдельных частей друг по отношению к другу, кроме того, нижняя отдельная часть демпфирующего стакана соединяется с вышерасположенной отдельной частью демпфирующего стакана с помощью резьбового соединения, максимальная длина отдельной нижней части в выдвинутом состоянии выполняется не меньшей минимального фиксируемого положения отдельных частей друг по отношению к другу, выше и ниже герметичного упругого элемента установлены шпонки, около нижнего торца демпфирующего стакана выполнены дроссельные отверстия, или непосредственно в его торце дроссельные вырезы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит преобразователь расхода в давление, второй дифференциальный датчик давления с двумя входами, подключенный к индикатору расхода жидкости, и блок компенсации изменения уровня жидкости с компенсирующим каналом, причем преобразователь расхода в давление, включающий присоединительные заборный и расходный штуцера, состоит из камеры, состоящей, в свою очередь, из двух отсеков - приемного и отделенного от него разделительной мембраной герметичного выходного отсека, выходной отсек подключен сквозным каналом, выполненным в виде трубки малого диаметра, к одному из двух входов второго дифференциального датчика давления.

2. Уровнемер-расходомер жидкости в баке по п.1, отличающийся тем, что в блоке компенсации изменения уровня жидкости компенсирующий канал представляет собой отводящую трубку, одним концом соединенную с трубкой, идущей от герметичного элемента, размещенного на дне бака с контролируемой жидкостью, вторым концом отводящая трубка подключена к одному из входов второго дифференциального датчика давления.

3. Уровнемер-расходомер жидкости в баке по п.1, отличающийся тем, что блок компенсации изменения уровня жидкости подключается к преобразователю расхода в давление, а компенсирующий канал представляет собой трубку, выведенную из бака с контролируемой жидкостью, причем второй конец этой трубки подключается к преобразователю расхода в давление между дополнительной мембраной и герметичным выходным отсеком, причем дополнительная мембрана разделяет преобразователь расхода в давление на две половины, первая половина соединена с заборным и расходным штуцерами, вторая половина соединена со сквозным каналом, выполненным в виде трубки малого диаметра, подключаемой к одному из двух входов второго дифференциального датчика давления, кроме того, центр дополнительной мембраны соединен штоком с центром разделительной мембраны герметичного выходного отсека.

4. Уровнемер-расходомер жидкости в баке по п.1, отличающийся тем, что герметичный элемент, размещенный на дне бака с контролируемой жидкостью, и соединенный с ним сквозной канал, выполненный в виде трубки малого диаметра, подключенной другим концом к входу первого дифференциального датчика давления, а также второй герметичный элемент, расположенный в паровоздушной атмосфере над контролируемой жидкостью - под крышкой бака, и соединенный с ним сквозной канал, выполненный в виде трубки, подключенной к другому входу первого дифференциального датчика давления, заполнены специальной незамерзающей жидкостью, например силиконовым маслом или антифризом.

5. Уровнемер-расходомер жидкости в баке по п.1, отличающийся тем, что выходной отсек преобразователя расхода в давление и сквозной канал, выполненный в виде трубки малого диаметра, заполнены специальной незамерзающей жидкостью, например силиконовым маслом или антифризом.

6. Уровнемер-расходомер жидкости в баке по любому из пп.1 и 4, отличающийся тем, что перед первым и вторым входом первого дифференциального датчика давления, подключенным к сквозным каналам, один из которых идет к герметичному элементу, размещенному на дне бака с контролируемой жидкостью, а второй к герметичному упругому элементу, расположенному в паровоздушной атмосфере над контролируемой жидкостью - под крышкой бака, находится пузырек воздуха.

7. Уровнемер-расходомер жидкости в баке по любому из пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что трубка компенсирующего канала, отведенная от трубки идущей от герметичного элемента, заполнена специальной незамерзающей жидкостью, например силиконовым маслом или антифризом.

8. Уровнемер-расходомер жидкости в баке по любому из пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что перед входом второго дифференциального датчика давления, соединенного со вторым концом трубки компенсирующего канала, находится пузырек воздуха.

9. Уровнемер-расходомер жидкости в баке по любому из пп.1, 3 и 5, отличающийся тем, что перед входом второго дифференциального датчика давления, соединенного со вторым концом сквозного канала, выполненного в виде трубки малого диаметра, соединенной с выходным отсеком преобразователя расхода в давление, находится пузырек воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения уровня и расхода различных жидкостей, например топлива в баках транспортных средств, в частности, в вездеходах топливовозах и снегоболотоходов, предназначенных для работы в особо тяжелых дорожно-климатических условиях при изменениях температуры в большом диапазоне до 100°C и при особо низких температурах до -70°C.

Применение таких устройств наиболее эффективно, когда требуется измерять уровень и расход в большом числе баков с соблюдением требований высокой надежности и точности. Так например, в двухзвенных топливовозах, может устанавливаться до двенадцати топливных баков. В каждом из них измерение уровня топлива обязательно, а расход измерять желательно. Для измерения этих двух; параметров применяются отдельные самостоятельные устройства - уровнемеры и расходомеры, соответственно, количество этих устройств будет достаточно большим. В результате на таком топливовозе придется установить 24 отдельных измерительных устройства. Большое число измерительных устройств снижает надежность, усложняет эксплуатацию и увеличивает стоимость. В то же время особенностью таких транспортных средств являются повышенные требования к надежности оборудования, особенно топливной аппаратуры - повышенная взрыво-пожаробезопасность в тяжелых дорожно-климатических условиях, при сохранении высокой точности и чувствительности. Предлагаемый уровнемер-расходомер соответствует этим требованиям.

При изменении уровня во время расхода жидкости под крышкой бака над контролируемой жидкостью может создаваться разряжение. Это происходит тогда, когда дроссельные отверстия в крышке бака закупорены, например, обледенели, загрязнились или конструктивно отсутствуют. Последнее имеет (1 место в случаях, когда жидкость находится в нескольких сообщающихся друг другом баках или когда баки имеют внутреннюю поджимающую оболочку. Кроме того, даже при наличии дроссельных отверстий, при быстром изменении уровня жидкости - при большом расходе, давление под крышкой бака не будет равно атмосферному. В этом случае измерение уровня и расхода с помощью известных устройств будут содержать большую погрешность. Это происходит также в баках, которые не сообщаются с окружающей средой, т.е. в герметичном объеме. К таким объектам могут относиться баки летательных и космических аппаратов (самолеты, ракеты), подводных лодок, а также емкости, у которых пары перекачиваемой жидкости не должны попадать в окружающую среду из-за экологической опасности, взрыво-пожаробезопасности.

Известно устройство для измерения расхода [патент РФ № 2362123. Расходомер. G01F 1/34. Опубл. 20.07.2009 г.], содержащее корпус, состоящий из двух половин, и включающий подводящее сопло и сопло, направляющее струю измеряемой среды в приемное отверстие, выполненное в корпусе, мембрану с телом положительной плавучести, разделяющую заполненную измеряемой средой камеру корпуса на две полости - надмембранную и подмембранную, сообщающуюся с полостью разряжения между соплами, выходной патрубок и дифференциально-трансформаторный преобразователь перемещения мембраны в выходной сигнал, отличающийся тем, что в корпусе расходомера выполнена дополнительная камера, разделенная мембраной со вторым телом положительной плавучести на две полости надмембранную и подмембранную, заполненные тестовой средой - водой, спиртом, эфиром или другой тестовой жидкостью с известной плотностью, равной плотности одной из компонент двухкомпонентной измеряемой среды, камеры корпуса разделены перегородкой и мембраной, подмембранная полость дополнительной камеры соединена каналом, содержащим мембрану, с полостью разряжения между соплами, в каналы, соединяющие подмембранные полости камер корпуса и полость разряжения между соплами, введены два герметизирующих элемента, при этом каналы объединены с двумя дифференциально-трансформаторными преобразователями перемещений мембран камер с подвижными сердечниками, преобразователи связаны с аналогово-цифровой системой, которая соединена с однокристальным микроконтроллером.

Кроме того, в качестве сердечников дифференциально-трансформаторньк преобразователей перемещения использовано магнитопроводящее твердое тело или не смачиваемая магнитная жидкость, помещенная в соединительные каналы.

Кроме того, герметизирующие элементы выполнены в виде поршней, жестко закрепленных на телах положительной плавучести.

Известное устройство имеет следующие недостатки.

1. Невозможность измерять одновременно с расходом жидкости из бака и уровень этой жидкости в баке.

2. Большие погрешности измерения, возникающие по следующим причинам:

- из-за изменений давления паровоздушной атмосферы под крышкой бака возникающих при изменении объема жидкости в баке при ее откачивании тогда, когда дроссельные отверстия в крышке бака засорены, например, обледенели, загрязнились или отсутствуют, а так как это давление влияет на результаты измерения расхода, то это приводит к увеличению погрешности;

- из-за изменений давления столба жидкости при ее откачивании из бака и, соответствующего, изменения уровня жидкости, а так как это давление также влияет на результаты измерения расхода, то это приводит к увеличению погрешности;

- во время движения транспортного средства по пересеченной местности создаются переменные динамические нагрузки - "болтанка", которые воспринимаются как изменения уровня жидкости в баке, что приводит к большим динамическим погрешностям определения расхода.

Известно устройство для измерения уровня жидкости в баке [патент РФ № 2301971. Способ измерения уровня жидкости в баке и устройство для его осуществления. G01F 23/16. Опубл. 27.06.2007 г.], содержащее корпус с установленным в герметичной полости емкостным датчиком давления, подключенным к задающему генератору, соединенному через частотомер с цифровым индикатором. Схема измерения устройства снабжена процессором, программа которого выполнена с возможностью отслеживания формы внутренней полости бака. Герметичная полость разделена емкостным датчиком давления на две - нижнюю и верхнюю герметичные полости. Нижняя мембрана расположена в нижней герметичной полости и является измерительной. Устройство снабжено также соединенной с нижней герметичной полостью трубкой со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака с контролируемой жидкостью. В верхней герметичной полости расположена верхняя мембрана емкостного датчика. Герметичная полость датчика снабжена трубкой со сквозным каналом (отверстием) для соединения с атмосферой. Обе трубки заполнены на 5-10 мм несмачивающей жидкостью (например, гель, ртуть и др.), образующей пробки. Столбики из несмачивающей жидкости закрыты от вредных испарений с обеих сторон любым промышленным маслом, например Нигрол, Тад и др. Над верхней герметичной полостью расположена электрическая схема измерений.

При измерении уровня жидкости в баке под давлением устройство снабжено дополнительным каналом для установки в газовый массив бака, который также заполнен на 5-10 мм несмачивающей жидкостью. Устройство также снабжено магнитным элементом для установки устройства в любом выбранном положении и месте. Емкостный датчик давления имеет цилиндрическую форму с гибкими круглыми мембранами.

Внутренняя полость датчика давления соединена каналом с атмосферой и выполнена с двумя сообщающимися полостями, разделенными неподвижной пластиной с отверстием. Средняя пластина экранирована наружными мембранами и является при большой толщине жестким каркасом. При работе в жидких средах под давлением внутренняя полость датчика соединена каналом с газовой подушкой, имеющейся в измеряемом баке.

Известное устройство имеет следующие недостатки.

1. Невозможность измерять одновременно уровень и расход жидкости из бака.

2. Устройство не может работать при низких температурах (до -70°C). Столбики из несмачивающей жидкости закрыты от вредных испарений с обеих сторон промышленным маслом, например Нигрол, Тад и др., которые при низких температурах загустеют и закупорят трубки. В связи с тем, что принцип действия данного устройства основан на перемещении жидкости по трубке, со сквозным каналом, установленной на дно бака с жидкостью, то ее закупорка означает потерю работоспособности устройства.

3. Кроме того при больших изменениях температуры происходит изменение физических свойств жидкости вплоть до выпадения в осадок ее компонентов (парафинов, серы и т.д.) и оседании их на частях измерительного оборудования. Конденсация паров воды из воздуха приводит к образованию кристаллов льда на всасывающих конструкциях, особенно расположенных в нижней части бака (т.к. вода тяжелее топлива). Известная конструкция имеет трубку со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака. Через трубку поднимается столбик контролируемой жидкости. Поэтому в процессе эксплуатации в ней может скапливаться грязь, отложения из соединений серы и парафина и другие загрязнения, в том числе кристаллы замерзшей воды. При низких температурах скорость отложений значительно ускоряется. В связи с тем, что принцип действия данного устройства основан на перемещении контролируемой жидкости (топлива) по трубке со сквозным каналом, то ее засорение означает потерю работоспособности устройства. Так как данная трубка представляет собой фактически капилляр с малым диаметром, то это может произойти достаточно быстро. Очистка трубки будет являться непростой задачей, так как в ней находится многослойный столбик различных жидкостей - гидрозатвор, состоящий из разделительной несмачивающей жидкости у которой с двух сторон выполняется изоляция из промышленного масла. При очистке трубки придется заменять и гидрозатвор, что достаточно сложно, особенно в полевых условиях.

Известно устройство для измерения уровня жидкости в баке (положительное решение по заявке 2009136291-28(051247) от 21.12.2010 г. Уровнемер жидкости в баке. G01F 23/16. Опубл. 10.042011 г.), взятое за прототип, содержащее корпус, дифференциальный датчик давления с двумя входами, подключенный к индикатору, пневмогидравлический блок, включающий герметичную полость, трубку со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака с контролируемой жидкостью одним концом, а другим концом соединенную с одним из входов дифференциального датчика давления, второй вход которого соединен с одним концом трубки со сквозным каналом, другой конец которой, выведен в паровоздушную атмосферу под крышкой бака, отличающийся тем, что конец трубки со сквозным каналом, выведенной на дно бака и конец трубки, выведенной в паровоздушную атмосферу под крышкой бака, соединены с соответствующими герметичными упругими элементами, образуя при этом внутреннюю полость соответствующего пневматического канала, изолированную от внешней среды.

Причем герметичные упругие элементы выполнены в виде мембранных коробок, часть сторон которых или все, в частности одна сторона, выполняются упругими, а остальные, соответственно, жесткими, при этом упругие стороны могут быть выполнены в виде ставок - мембран или гибких пленок или гофрированных пластин или упругого полого шарика.

Кроме того, герметичный упругий элемент, размещаемый внутри бака в жидкости выполнен в углублении на дне бака, например в сливной горловине.

Кроме того, герметичный упругий элемент, размещаемый внутри бака в области паровоздушной атмосферы, выполнен внутри крышки бака, которая состоит из входного фланца, прикрепляемого к баку и на резьбовых соединениях с ним через уплотнение горловиной и корпусом, причем к корпусу винтами через пружинные шайбы и прокладку привинчена пластина, трубки пневматических каналов через штуцера и соединительные трубки подключены к входам дифференциального датчика давления, который крепится к корпусу болтом с шайбой и пружинной шайбой, электрические провода дифференциального датчика давления соединены с клеммой питания "+" от бортовой сети, а его корпус подключен к "массе" болтом, информационный сигнал снимается с сигнальной клеммы.

Кроме того введен измерительный бак, в котором размещен пневмогидравлический блок уровнемера.

Кроме того оба герметичных упругих элемента соединены между собой корпусом, выполненным в виде демпфирующего стакана, внутри которого размещается герметичный упругий элемент, устанавливаемый на дне бака с контролируемой жидкостью, причем корпус содержит коаксиальную с демпфирующем стаканом фиксирующую ось, соединяющую между собой герметичные упругие элементы, а демпфирующий стакан и коаксиальная с ним фиксирующая ось корпуса соединены между собой дисками жесткости.

Кроме того демпфирующий стакан корпуса выполнен цилиндрическим.

Кроме того демпфирующий стакан состоит из отдельных частей и подвижных муфт, охватывающих стыки отдельных частей, причем количество частей определяется исходя из отношения максимальной высоты бака к длине отдельной части, трубка пневматического канала имеет вид упругой спирали, подвижные муфты имеют сквозные отверстия, в которых находятся шарики, с внешней стороны шарики охвачены упругими хомутами, или в виде упругих колец (пружинных шайб), на внешней стороне отдельных частей демпфирующего стакана, находящимися под подвижными муфтами, имеются канавки, находящиеся на расстоянии друг от друга равном минимальному фиксируемому положению отдельных частей друг по отношению к другу.

Кроме того нижняя отдельная часть демпфирующего стакана соединяется с вышерасположенной отдельной частью демпфирующего стакана с помощью резьбового соединения, максимальная длина отдельной нижней части в выдвинутом состоянии выполняется не меньшей минимальному фиксиуемому положению отдельных частей друг по отношению к другу, выше и ниже герметичного упругого элемента установлены шпонки, около нижнего торца демпфирующего стакана выполнены дроссельные отверстия, или непосредственно в его торце дроссельные вырезы.

К недостаткам известного устройства относится невозможность измерять одновременно с уровенем жидкости в баке и расход этой жидкости из бака, а также низкая точность и чувствительность.

Основной задачей, решаемой данным изобретением, является измерение одновременно с уровнем жидкости в баке и ее расхода из бака. К решаемым задачам также относятся обеспечение высокой надежности устройства в том числе:

- взрыво-пожаробезопасности, что важно когда контролируемой средой являются взрыво- и пожароопасные жидкости;

- метрологической надежности измерения уровня (количества) топлива и его расхода при использовании устройства на транспортных средствах, например, на вездеходах топливовозах и топливозаправщиках (снегоболотоходах) предназначенных для работы в особо тяжелых дорожно-климатических условиях при изменениях температуры в большом диапазоне и при низких температурах до -70°C.

Задачами, решаемыми данным изобретением являются также обеспечение высокой точности и чувствительности устройства, уменьшение динамической погрешности измерений, которая возникает по следующим причинам:

- из-за изменений давления паровоздушной атмосферы под крышкой бака, а так как это давление влияет на результаты измерения расхода, то появится соответствующая погрешность;

- при расходе жидкости из бака изменяется ее уровень и, в результате, изменяется давление столба жидкости, что также приводит к появлению соответствующей погрешности;

- из-за изменений давления жидкости, при движении транспортного средства по пересеченной местности и возникающих в результате этого колебаний жидкости в баке, также возникает соответствующая погрешность.

Решение данных задач достигается тем, что в предлагаемом уровнемере-расходомере жидкости в баке, содержащем корпус, дифференциальный датчик давления с двумя входами, подключенный к индикатору уровня жидкости, пневмогидравлический блок включающий герметичную полость, трубку со сквозным каналом для вертикального погружения ее на дно бака с контролируемой жидкостью одним концом, а другим концом соединенную с одним из входов дифференциального датчика давления, второй вход которого соединен с одним концом второй трубки со сквозным каналом, другой конец которой, выведен в паровоздушную атмосферу под крышкой бака, кроме того конец трубки со сквозным каналом, выведенной на дно бака и конец трубки, выведенной в паровоздушную атмосферу под крышкой бака, соединены с соответствующими герметичными упругими элементами, образуя при этом внутреннюю полость пневматических каналов изолированную от внешней среды в отличие от прототипа дополнительно содержится преобразователь расхода в давление, второй дифференциальный датчик давления с двумя входами, подключенный к индикатору расхода жидкости и блок компенсации изменения уровня жидкости с компенсирующим каналом, причем преобразователь расхода в давление состоит из камеры состоящей, в свою очередь, из двух отсеков - приемного и, отделенного от него разделительной мембраной, выходного отсека, а выходной отсек подключен сквозным каналом, выполненным в виде трубки малого диаметра к одному из двух входов второго дифференциального датчика давления.

Кроме того в уровнемере-расходомере жидкости в баке в блоке компенсации изменения уровня жидкости компенсирующий канал представляет собой отводящую трубку одним концом соединенную с трубкой, идущей от герметичного элемента размещенного на дне бака с контролируемой жидкостью, вторым концом отводящая трубка подключена к одному из входов второго дифференциального датчика давления.

Кроме того в уровнемере-расходомере жидкости в баке блок компенсации изменения уровня жидкости подключается к преобразователю расхода в давление, а компенсирующий канал представляет собой трубку, выведенную из бака с контролируемой жидкостью, причем второй конец этой трубки подключается к преобразователю расхода в давление между дополнительной мембраной и герметичным выходным отсеком, причем дополнительная мембрана разделяет преобразователь расхода в давление на две половины, первая половина соединена с заборным и расходным штуцерами, вторая половина соединена со сквозным каналом, выполненным в виде трубки малого диаметра подключаемой к одному из двух входов второго дифференциального датчика давления, кроме того центр дополнительной мембраны соединен штоком с центром разделительной мембраны герметичного выходного отсека.

Кроме того в уровнемере-расходомере жидкости в баке герметичный элемент размещенный на дне бака с контролируемой жидкостью и соединенный с ним сквозной канал, выполненный в виде трубки малого диаметра, подключенной другим концом ко входу первого дифференциального датчика давления, а также второй герметичный элемент, расположенный в паровоздушной атмосфере над контролируемой жидкостью - под крышкой бака и соединенный с ним сквозной канал, выполненный в виде трубки, подключенной к другому входу первого дифференциального датчика давления, заполнены специальной незамерзающей жидкостью, например, силиконовым маслом или антифризом.

Кроме того в уровнемере-расходомере жидкости в баке выходной отсек преобразователя расхода в давление и сквозной канал, выполненный в виде трубки малого диаметра заполнены специальной незамерзающей жидкостью, например, силиконовым маслом или антифризом.

Кроме того в уровнемере-расходомере жидкости в баке перед первым и вторым входом первого дифференциального датчика давления, подключенным к сквозным каналам, один из которых идет к герметичному элементу размещенному на дне бака с контролируемой жидкостью, а второй к герметичному упругому элементу, расположенному в паровоздушной атмосфере над контролируемой жидкостью - под крышкой бака, находится пузырек воздуха.

Кроме того в уровнемере-расходомере жидкости в баке трубка компенсирующего канала отведенная от трубки идущей от герметичного элемента заполнена специальной незамерзающей жидкостью, например, силиконовым маслом или антифризом.

Кроме того в уровнемере-расходомере жидкости в баке перед входом второго дифференциального датчика давления, соединенного со вторым концом трубки компенсирующего канала, находится пузырек воздуха.

Кроме того в уровнемере-расходомере жидкости в баке перед входом второго дифференциального датчика давления, соединенного со вторым концом сквозного канала, выполненного в виде трубки малого диаметра соединенной с выходным отсеком преобразователя расхода в давление находится пузырек воздуха.

Выполнение в устройстве дополнительно преобразователя расхода в давление, второго дифференциального датчика давления с двумя входами, подключенного к индикатору расхода жидкости и блока компенсации изменения уровня жидкости с компенсирующим каналом, причем преобразователь расхода в давление состоит из камеры состоящей, в свою очередь, из двух отсеков -приемного и, отделенного от него разделительной мембраной, выходного отсека, а выходной отсек подключен сквозным гидравлическим каналом, выполненным в виде трубки малого диаметра к одному из двух входов второго дифференциального датчика давления, позволяет измерять одновременно с уровнем жидкости в баке и ее расход из бака.

Высокая надежность устройства к взрыво-пожаробезопасности и высокая метрологическая надежность измерения уровня (количества) топлива и его расхода при использовании устройства на транспортных средствах, предназначенных для работы в особо тяжелых дорожно-климатических условиях при изменениях температуры в большом диапазоне и при низких температурах до -70°C обеспечивается за счет того, что электрические части уровнемера-расходомера размещаются вне контролируемой жидкости, уровень и расход которой измеряется, а полости и соединительные трубки выполнены герметичными отделенными от контролируемой жидкости разделительными мембранами.

Обеспечение высокой надежности устройства при его использовании на транспортных средствах, предназначенных для перемещения по пересеченной местности (вездеходов) и поэтому работающих в условиях повышенной тряски вызывающей раскачивание контролируемой жидкости, что создает большие динамические нагрузки на устройство и высокая точность устройства, уменьшение динамической погрешности измерений при изменений давления паровоздушной атмосферы под крышкой бака и из-за изменений давления столба жидкости во время ее расхода и соответствующего изменения уровня жидкости, а также из-за изменений давления жидкости при движении транспортного средства по пересеченной местности и возникающих в результате этого колебаний жидкости в баке обеспечивается тем, что в блоке компенсации изменения уровня жидкости компенсирующий канал представляет собой отводящую трубку от трубки идущий от герметичной полости предназначенной для размещения на дне бака с контролируемой жидкостью, вторым концом отводящая трубка подключена к одному из входов второго дифференциального датчика давления или тем, что блок компенсации изменения уровня жидкости подключается к преобразователю расхода в давление, а компенсирующий канал представляет собой трубку выведенную из бака с контролируемой жидкостью, причем второй конец этой трубки подключается к преобразователю расхода в давление между дополнительной мембраной и герметичным выходным отсеком, причем дополнительная мембрана разделяет преобразователь расхода в давление на две половины, первая половина соединена с заборным и расходным штуцерами, вторая половина соединена со сквозным каналом, выполненным в виде трубки малого диаметра подключаемой к одному из двух входов второго дифференциального датчика давления, кроме того центр дополнительной мембраны соединен штоком с центром разделительной мембраны герметичного выходного отсека.

Высокая чувствительность устройства обеспечиваются тем, что сквозной канал, выполненный в виде трубки идущей от герметичной полости, предназначенной для размещения на дне бака с контролируемой жидкостью, заполнен специальной незамерзающей жидкостью, например, силиконовым маслом или антифризом.

Таким образом, существенные признаки предлагаемого изобретения позволяют осуществлять одновременное измерение уровня (количества) и расхода различных жидкостей, например топлива в баках транспортных средств, в частности, в вездеходах топливовозах и снегоболотоходов, предназначенных для работы в особо тяжелых дорожно-климатических условиях при изменениях температуры в большом диапазоне и при низких температурах до -70°C. Кроме того существенные признаки предлагаемого изобретения способствуют меньшей зависимости работы уровнемера-расходомера от окружающей среды и условий эксплуатации, повышают надежность устройства при изменениях температуры в большом диапазоне и при низких температурах до -70°С, взрыво- и пожаробезопасность, в том числе метрологическую надежность.

Изобретение поясняется чертежами, на которых приведены следующие материалы:

на фиг.1 приведена функциональная схема разработанного уровнемера-расходомера жидкости в баке;

на фиг.2 приведен блок компенсации изменения уровня топлива подключаемый к преобразователю расхода в давление;

на фиг.3 приведен чертеж разработанного уровнемера-расходомера жидкости в баке.

Уровнемер-расходомер жидкости в баке согласно функциональной схеме на фиг.1 содержит пневмогидравлический блок 1, расположенный в баке 2. Максимальный уровень заполнения бака 2 жидкостью - H. Текущий уровень h_x. В баке 2 над жидкостью имеется пространство 3, заполненное паровоздушной атмосферой. Разработанный уровнемер-расходомер жидкости в баке содержит также электронный блок 4, расположенный вне бака 2, например, в приборном отсеке 5 снегоболотохода или в герметичном блоке поблизости от бака 2 - вне взрыво- пожароопасной зоны. Электронный блок 4 состоит из двух дифференциальных датчиков давления первого 6 и второго 7, включающих соответственно преобразователи давления 8 и 9 каждый с двумя входами для пневматических или гидравлических сигналов давления - "Вход-1" и "Вход-2" и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 10 и 11. Преобразователи давления 8 и 9 могут быть основаны на индуктивном, емкостном, полупроводниковом принципах действия, быть тензодатчиком (например, пневматический датчик давления MPX5010DP CASE 867С-05 или гидравлический датчик давления ST005PG1SPCF фирмы HONEYWELL []) или на другом принципе действия. Дифференциальные датчики давления 6 и 7 подключены соответственно к индикатору уровня жидкости 12 и к индикатору расхода жидкости 13, расположенных на приборной панели 14 снегоболотохода или, если ими оснащен снегоболотоход, к бортовому компьютеру 15, или к бортовой информационно-управляющей системе (БИУС). Для подключения к компьютеру в состав датчиков давления 6 и 7 входят АЦП 10 и 11.

Пневмогидравлический блок 1 состоит из двух частей. Первая часть 16 расположена в жидкости. Она состоит из герметичного элемента 17, который может представлять собой одну или несколько соединенных между собой мембранных коробок. У мембранной коробки часть сторон, в частности одна сторона (разделительная мембрана) 18, выполняется гибкой, а остальные, соответственно, жесткими. Гибкие стороны могут быть выполнены в виде вставок - мембран, гибких пленок, гофрированных пластинок, полого шарика и т.д.

Герметичный элемент 17 подключен сквозным пневматическим, гидравлическим или пневмогидравлическим каналом, выполненным в виде трубки 19 малого диаметра к входу "Входу-2" первого дифференциального датчика давления 6. Этот канал передает давление пропорциональное уровню жидкости в баке 2 на дифференциальный датчик давления 6, соответственно, через столб воздуха или специальной жидкости заполняющей трубку 19 и герметичный элемент 17.

Если в качестве дифференциального датчика давления 6 используется датчик пневматического давления, то канал выполняется пневматическим, трубка 19 и герметичный элемент 17 заполнены воздухом. В этом случае гибкая сторона герметичного элемента 17 выполняется упругой, на вход ("Вход-2") по трубке 19 будет подаваться воздух.

Если в качестве дифференциального датчика давления 6 используется датчик гидравлического давления, то канал выполняется гидравлическим, трубка 19 и герметичный элемент 17 заполнены специальной жидкостью, например, силиконовым маслом или каким-либо антифризом. В этом случае гибкая сторона герметичного элемента 17 выполняется в виде не упругой гибкой пленки ("вялая мембрана"), а на вход ("Вход-2") будет подаваться специальная жидкость. Такая конструкция обладает более высокой точностью и чувствительностью, однако гидравлические преобразователи давления намного дороже.

Преимущества пневматического (малая стоимость) и гидравлического способов (высокая точность и чувствительность) можно получить при использовании комбинированного - пневмогидравлического канала. В этом случае трубка 19 и герметичный элемент 17 заполнены специальной жидкостью, например, силиконовым маслом или каким-либо антифризом (как в гидравлическом способе), но перед входом "Вход-2" дифференциального датчика давления 6 находится пузырек воздуха.

Вторая часть 20 пневмогидравлического блока 1 расположена в паровоздушной атмосфере 3 над жидкостью (под крышкой бака). Она состоит из второго герметичного упругого элемента 21, аналогичного герметичному упругому элементу 17. Герметичный упругий элемент 21 подключен сквозным каналом-трубкой 22 ко входу "Вход-1" первого дифференциального датчика давления 6. Сквозной канал, выполненный в виде трубки 22, может быть выполнен также как и трубка 19 пневматическим, гидравлическим или пневмогидравлическим.

Конструкция второй части 20 пневмогидравлического блока 1 содержит узел крепления к крышке бака 2. Для уровнемеров с большим диапазоном измерения (H>0,3-10,5 м и более) для повышения жесткости конструкции герметичные упругие элементы 17 и 21 соединены между собой корпусом. Корпус выполнен в виде демпфирующего стакана 23. Пневмогидравлический блок 1 размещен внутри демпфирующего стакана 23. Для большего повышения жесткости герметичные упругие элементы 17 и 21 соединены между собой фиксирующей осью 24, соединяющей центры обоих герметичных упругих элементов и проходящей коаксиально внутри демпфирующего стакана 23. Демпфирующий стакан 23 выполняется негерметичным и заполнен контролируемой жидкостью.

В нижней части бака 2 имеется заборный штуцер 25, а в верхней части бака - заливная горловина 26. К заборному штуцеру 25 подсоединен преобразователь 27 расхода жидкости в давление. Жидкость, расходуемая из бака 2 отводится от преобразователя 27 расхода жидкости в давление с через расходный штуцер 28. При использовании штуцеров к баку 2 приваривается специальная бобышка с внутренней резьбой для соединения со штуцером (фиг.3). Кроме штуцерного соединения может применяться фланцевое соединение (фиг.2).

Преобразователь 27 расхода жидкости в давление состоит из камеры, состоящей из двух отсеков - приемного 29 и отделенного от него разделительной мембраной 30 герметичного выходного отсека 31. Отсек 31 выполнен аналогично герметичному упругому элементу 17 и может представлять собой одну или несколько соединенных между собой мембранных коробок. У мембранной коробки часть сторон, в частности одна сторона (разделительная мембрана) 30, выполняется гибкой, а остальные, соответственно, жесткими. Гибкие стороны могут быть выполнены в виде вставок - мембран, гибких пленок, гофрированных пластинок, полого шарика и т.д.

Герметичный выходной отсек 31 подключен сквозным пневматическим, гидравлическим или пневмогидравлическим каналом, выполненным в виде трубки 32 малого диаметра, ко входу "Вход-2" второго дифференциального датчика давления 7. Этот канал передает давление пропорциональное расходу жидкости из бака 2 на дифференциальный датчик давления 7, соответственно, через столб воздуха или специальной жидкости, заполняющей трубку 32 и герметичный выходной отсек 31.

Если в качестве дифференциального датчика давления 7 используется датчик пневматического давления, то канал выполняется пневматическим, трубка 32 и герметичный выходной отсек 31 заполнены воздухом. В этом случае гибкая сторона герметичного выходного отсека 31 выполняется упругой, на вход "Вход-2" дифференциального датчика давления 7 по трубке 34 будет подаваться воздух.

Если в качестве дифференциального датчика давления 7 используется датчик гидравлического давления, то канал выполняется гидравлическим, трубка 32 и герметичный выходной отсек 31 заполнены специальной жидкостью, например, силиконовым маслом или каким-либо антифризом. В этом случае гибкая сторона герметичного выходного отсека 31 выполняется в виде не упругой гибкой пленки ("вялая мембрана"), а на вход "Вход-2" дифференциального датчика давления 7 будет подаваться жидкость. Такая конструкция обладает более высокими точностью и чувствительностью, однако гидравлические преобразователи давления намного дороже.

Преимущества пневматического (малая стоимость) и гидравлического способов (высокая точность и чувствительность) можно получить при использовании комбинированного - пневмогидравлического канала. В этом случае трубка 32 и герметичный выходной отсек 31 заполнены специальной жидкостью, например, силиконовым маслом или каким-либо антифризом (как в гидравлическом способе), но перед входом "Вход-2" дифференциального датчика давления 7 находится пузырек воздуха.

Для повышения точности измерения расхода на вход "Вход-1" второго дифференциального датчика давления 7 подключается блок компенсации изменения уровня жидкости. Он может быть выполнен в виде компенсирующего пневматического, гидравлического или пневмогидравлического канала (аналогично каналу с трубкой 32) представляющего собой трубку 33 отведенную от трубки 19 идущей от герметичного элемента 17.

Кроме того, блок компенсации изменения уровня топлива может встраиваться в преобразователь 27 расхода в давление. В этом случае блок компенсации изменения уровня жидкости представляет собой компенсирующий канал в виде трубки 34 (фиг.2), выведенной из бака 2, например, вместе с заборным штуцером 25. Противоположным концом трубка 34 подключается к преобразователю 27 расхода в давление между дополнительной мембраной 35 и герметичным выходным отсеком 31. Мембрана 35 разделяет преобразователь 27 расхода в давление на две половины. Через одну половину проходит расходуемая жидкость, а вторая половина передает давление жидкости для измерения с помощью дифференциального датчика давления 7. Для этого центр дополнительной мембраны 35 соединен штоком 36 с центром разделительной мембраны 30 герметичного выходного отсека 31.

Размещение одного герметичного упругого элемента в углублении на дне бака, а второго герметичного упругого элемента внутри крышки бака, соединение их корпусом в виде демпфирующего стакана на фиг. не показано и осуществляется так же как и в прототипе.

Разработанный уровнемер-расходомер жидкости в баке работает следующим образом. Столб контролируемой жидкости высотой h_x - уровень, согласно функциональной схеме на фиг.1 оказывает давление P_nx на герметичный упругий элемент 17, расположенный на уровне дна бака 2. Кроме давления столба жидкости на герметичный упругий элемент 17 действует давление равное давлению P_ax паровоздушной атмосферы над контролируемой жидкостью в пространстве 3 внутри бака 2 - под его крышкой. Общее давление P на герметичный упругий элемент 17 равно

Измерение уровня основано на определении давления столба жидкости P_hx оказываемого на герметичный упругий элемент 17. Это давление зависит от значения уровня контролируемой жидкости и ее относительной плотности и не зависит от формы и объема резервуара. Оно рассчитывается по формуле:

где g - ускорение свободного падения.

Из этой формулы видно, что если плотность контролируемой жидкости неизменна, переменной величиной в формуле является высота h_x. Поэтому давление столба жидкости будет прямо пропорционально высоте h_x, т.е. уровню жидкости в баке 2, который можно определить по формуле

Согласно уравнению (1) давление столба жидкости в баке определяется как разность между общим давлением P оказываемым на герметичный упругий элемент 17 и давлением паровоздушной атмосферы P_ax внутри бака 2 - под его крышкой в пространстве 3 действующим на второй герметичный упругий элемент 21.

Давление на герметичный упругий элемент 17 Ps передается по каналу, выполненному в виде трубки 19, на "Вход-2" дифференциального датчика давления 6. В свою очередь давление паровоздушной атмосферы P_ax воздействует на герметичный упругий элемент 21. Он конструктивно распложен в части 20 пневмогидравлического блока 1 уровнемера, которая находится под крышкой бака 2. Давление, оказываемое на упругий элемент 21 P_ax, передается по каналу, выполненному в виде трубки 22 на вход "Вход-1" дифференциального датчика давления 6. В результате дифференциальный датчик давления 6 реализует решение уравнения (4) и его выходной электрический сигнал будет пропорционален давлению столба жидкости P_hx . Из формулы (1)-(4) видно, что паровоздушное давление полностью скомпенсировано и электрический сигнал дифференциального датчика давления 6 пропорционален только давлению столба жидкости и, соответственно, уровню жидкости в баке 2.

При использовании пневматического канала и, соответственно, упругой мембраны, ее гибкая сторона прогибается пропорционально давлению столба жидкости. Растяжение мембраны приводит к уменьшению объема воздуха в герметичном элементе 17 и трубке 19 и, соответственно, к увеличению давления на преобразователь давления 8. Преимуществом пневматического канала является малая стоимость дифференциального датчика пневматического давления. Однако при изменении температуры воздух изменяет свой объем (более сильно, чем специальная жидкость). Это воспринимается датчиком как изменение давления и, соответственно, как изменение уровня жидкости и увеличивает погрешность измерения. Кроме того, из-за сжимаемости воздуха, чувствительность к изменению уровня будет меньше.

При использовании гидравлического канала применяется не упругая мембрана. Давление в баке, пропорциональное уровню контролируемой жидкости, через эту мембрану передается по столбу специальной жидкости в трубке 19 на вход гидравлического дифференциального датчика 6. Так как жидкость не сжимается, то давление передается без потерь, что позволяет значительно повысить чувствительность у уровнемера-расходомера. Преимуществом гидравлического канала является высокая точность и чувствительность гидравлического дифференциального датчика давления 68.

При использовании пневмогидравлического канала давление жидкости в баке 2 через гибкую мембрану герметичного элемента 17 по столбу специальной несжимаемой жидкости в трубке 19 передается к дифференциальному датчику давления 6. Однако перед самым входом ("Вход-2") дифференциального датчика давления 6, в этом случае, размещается пузырек воздуха, что позволяет использовать более дешевый пневматический датчик давления. При этом изменение объема пузырька воздуха из-за его малых размеров существенно не сказывается на точность и чувствительность измерения уровня.

При расходе жидкости из бака 2 через заборный штуцер 25 на мембрану 30 будет оказываться давление P₀ равное сумме двух составляющих. Первая составляющая P - это давление такое же, как давление, оказываемое на герметичный упругий элемент 17, т.е. определяемое уровнем жидкости и давлением паровоздушной атмосферы под крышкой бака. Вторая составляющая - это гидродинамическое давление Р_г.д.. , определяемое расходом жидкости. С учетом формулы (1) можно записать

Давление P₀ по трубке 32 подается на "Вход-2" дифференциального датчика давления 7. Трубка 32, аналогично трубке 19, представляет собой канал передачи давления. Как и канал на основе трубки 19, он может быть выполнен пневматическим, гидравлическим или пневмогидравлическим.

Гидродинамическое давление Р_г.л. определяется из следующего уравнения

где S_мемб. - площадь мембраны 30; - угол между осью струи жидкости и мембраной 30.

Разработанное устройство позволяет компенсировать давление P , определяемое уровнем жидкости и давлением паровоздушной атмосферы под крышкой бака 2. В результате на выходе дифференциального датчика давления 7 будет сигнал пропорциональный гидродинамическому давлению Р_г.д.., которое определяется расходом жидкости из бака 2

Зная гидродинамическое давление Р_г.д.. , из уравнения (6), можно определить расход жидкости из бака 2 при известной ее плотности и известных конструктивных параметрах устройства

Компенсировать давление P , действующее на мембрану 30 вместе с гидродинамическим давлением, можно с помощью блока компенсации изменения уровня жидкости, который может иметь два варианта изготовления.

По первому варианту давление P по трубке 33, отведенной от трубки 19 герметичного элемента 17, подается на вход "Вход-1" дифференциального датчика давления 7. В дифференциальном датчике давления 7 давления, подаваемые на "Вход-1" и "Вход-2" вычитаются друг из друга согласно уравнению (7).

По второму варианту компенсация давления P осуществляется в преобразователе 27 расхода жидкости в давление. Для этого давление Р£ подается по трубке 34 в преобразователь 27 расхода в давление между дополнительной мембраной 35 герметичным выходным отсеком 31. В результате давление P будет действовать встречно суммарному гидравлическому давлению жидкости P₀ так, как это описывается уравнением (7). В этом случае по трубке 32 на "Вход-2" дифференциального датчика давления 7 будет подаваться только гидродинамическое давление Р_г.д.. "Вход-1" дифференциального датчика давления 7 при этом должен быть заглушен.

Таким образом, разработанная конструкция уровнемера-расходомера позволяет измерять с высокой точностью, как уровень, так и расход контролируемой жидкости из бака. Внутри бака с контролируемой жидкостью размещены только пневмогидравлические элементы конструкции, не содержащие механических подвижных элементов. Поэтому надежность уровнемера значительно повышается по сравнению с аналогами, в том числе по сравнению с поплавковыми уровнемерами, содержащими в баке с контролируемой жидкостью механические подвижные элементы конструкции.

Контролируемой жидкостью, уровень и расход которой измеряется, могут быть взрыво- и пожароопасные жидкости, различные виды топлива. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить взрыво- и пожаробезопасность так как все электрические элементы и соединения (электронный блок 4) устройства располагаются вне бака с контролируемой жидкостью - вне взрывопожароопасной зоны. Они могут размещаться, например, в приборном отсеке 5, или в специальном герметичном блоке поблизости от бака. Поэтому надежность разработанного уровнемера-расходомера значительно повышается по сравнению с аналогами.

Внутренняя полость каналов 22 и 19, а также герметичных элементов 17 и 22, а также герметичного выходного отсека 31 изолирована от внешней среды, что делает уровнемер-расходомер нечувствительным к образованию конденсата вследствие перепадов температуры, коррозионному воздействию агрессивных контролируемых жидкостей и к другим возмущающим воздействиям внешней среды и контролируемых жидкостей.

При изменении уровня жидкости в баке, например, при откачивании жидкости, под крышкой бака над контролируемой жидкостью может создаваться разряжение (при повышении уровня соответственно повышение давления). Это происходит тогда, когда дроссельные отверстия (на фиг. не показаны) в крышке бака 2 закупорены, например, обледенели, загрязнились или отсутствуют. Последнее может иметь место в тех случаях, когда жидкость находится в нескольких сообщающихся друг другом баках или когда применяются внутренние поджимные оболочки. Кроме того, даже при наличии дроссельных отверстий, при быстром изменении уровня жидкости, давление под крышкой бака не будет равно атмосферному. То есть давление P_ax при изменении уровня h_x тоже будет изменяться. В этом случае результаты измерения уровня и расхода с помощью известных устройств, которые не учитывают изменение давления паровоздушной атмосферы внутри бака над контролируемой жидкостью, будут содержать большую погрешность.

Предлагаемая конструкция в меньшей мере зависит от условий окружающей среды и условий эксплуатации с сохранением высокой точности и надежности устройства, при простоте обслуживания и невысокой стоимости.

Предлагаемая конструкция имеет более высокую надежность, так как чувствительные элементы выполнены герметичными и изменение свойств контролируемой жидкости (увеличение вязкости при низких температурах, выпадения в осадок ее компонентов парафинов, серы и т.д.) не отражается на их работоспособности. Предлагаемая конструкция имеет более высокую метрологическую надежность, так как при измерении уровня и расхода отсутствует погрешность от изменения давления в баке, что особенно актуально для особо тяжелых дорожно-климатических условий, а также выше динамическая точность при измерениях в процессе движения транспортного средства за счет демпфирования колебаний жидкости у пневматического канала.

Кроме того, предлагаемая конструкция более проста при изготовлении, технологии сборки, обслуживания и эксплуатации, т.е. проще и дешевле. Достоинством разработанного уровнемера-расходомера является высокая точность при высокой надежности.

В настоящее время на базе ОАО "Машиностроительная компания "Витязь" изготовлен опытный образец уровнемера-расходомера. Проведены стендовые сравнительные испытания уровнемера с ближайшими аналогами, которые подтвердили решение поставленных задач.