Сигналізатор рівня

1 Сигналізатор рівня, який складається з чутливого елемента, захисного кожуха і контактного пристрою, який відрізняється тим, що чутливий елемент виконано в вигляді стрічкової еластичної мембрани, робоча поверхня якої згорнута по периметру незамкненої кривої, яка складається з двох рівних ПІВКІЛ, сполучених загальною дотичною, і закріплена на вертикально установленій опорній пластині так, щоб віддаль між центрами ПІВКІЛ дорівнювала ширині опорної пластини, а відношення міжцентрової віддалі ПІВКІЛ ДО їх радіуса, довжини і ширини стрічкової мембрани, и віддаль від нижчого кінця опорної пластини знаходились при R=(5-7) мм в межах L/R=10-12, І_і=І_+(8,99,3)R, B=(0,7-0,8)L, I=(1,6-1,8)R, Де L - віддаль між центрами ПІВКІЛ (міжцентрова віддаль ПІВКІЛ), R - радіус ПІВКІЛ, І_і - довжина стрічкової мембрани, В - ширина стрічкової мембрани, 1 - віддаль від стрічкової мембрани до нижчого кінця опорної пластини 2 Сигналізатор рівня за п 1, який відрізняється тим, що на внутрішньому боці стрічкової мембрани і на опорній пластині попарно встановлені в вертикальній площині однойменними полюсами один одному назустріч плоскі ПОСТІЙНІ магніти, на ЗОВНІШНІЙ стороні пластини закріплена стопорна пластина, яка розміщена так, щоб вертикальні осі вказаних пластин співпадали, ширина стопорної пластини рівна ширині стрічкової мембрани, довжина визначається за формулою L2=Li+(1l5-1l6)Rl а максимальна товщина опорної пластини в зоні склеювання з стрічковою мембраною дорівнює товщині останньої і зменшується до нуля до краю пластини при ширині виступу для склеювання b=(1,4-1,6)R 1 О го Запропонований винахід відноситься до вимірювальної техніки і може найти використання в приладах, що здійснюють сигналізацію (світову і звукову) верхнього граничного рівня сипучих матеріалів (пісок, цукор, зерно, гранульовані добрива, дрібний гравій та ш) в ємностях, бункерах, сховищах Прилад може найти використання практично в усіх галузях промисловості (будівельна, харчова, хімічна та ш ) де необхідно вимірювати та сигналізувати верхні граничні рівні сипучих матеріалів з розмірами часток в межах СІЕ (0,6 - 5,0)мм, де СІЕ - еквівалентний діаметр гранули частки Відомий сигналізатор - покажчик рівня, який складається з корпусу -кожуха, металевої мембрани, контактного приладу, підімкненого в ланцюг сигналізації (Е Ф Шкатов, В В Шувалов Основы автоматизации технологических процессов химических производств Учебник для техникумов М Химия, 1988 - с 77) Недоліком відомого сигналізатора є низька чутливість до зміни рівня сипучого матеріалу, неможливість його використання в ємностях з надлишковим або негативним тиском, залежність межі спрацьовування від фізичних властивостей контрольованного матеріалу За прототип запропонованому сигналізаторові рівня може служити мембранний датчик рівня типу МДУ - 20, призначений для попередження аварійного накопичення зерна, борошна та Інших сипучих матеріалів, який складається з корпуса - кожуха, еластичної мембрани й контактного приладу (Промышленные приборі и средства автоматизации Справочник Под общ ред В В Черепкова 49307 Л Машиностроение, 1987 - с 847) Недоліком цього сигналізатора є наявність фальшивих зпрацьовувань під час вимкнення надлишкового тиску в ємкості, обмеженість тиску на мембрану, виникнення додаткової похибки зпрацювання при ЗМІНІ густини структури сипучого матеріалу В основу запропонованого винаходу поставлена задача усунення фальшивих зпрацювань під час виникнення надлишкового тиску в ємкості, підвищення чутливості сигналізатора, вменения похибки спрацювання при ЗМІНІ фізичних властивостей і структури сипучого матеріалу за рахунок того, що в сигналізатор рівня, який складається з чутливого елемента, захисного кожуха, контактного пристрою, чутливий елемент виконано в вигляді стрічкової мембрани робоча поверхня якої згорнута по периметру незамкнутої кривої, яка складається з двох рівних ПІВКІЛ, з'єднаних загальною дотичною, закріплена на вертикально установленій опорній пластині так, щоб віддаль між центрами ПІВКІЛ дорівнювало ширині опорної пластини, а відношення міжцентрової віддалі ПІВКІЛ ДО їх радіуса, довжина й ширина стрічкової мембрани, и віддаль від нижнього кінця опорної пластини була R = (5 - 7)мм в межах L / R = 1 0 - 1 2 , L1 = L + (8,9 - 9,3)R, B = (0,7 -0,2)І_,1= (1,6-1,8)Rfle L - віддаль між центрами ПІВКІЛ (міжцентрова віддаль ПІВКІЛ), R - радіус ПІВКІЛ, L1 - довжина стрічкової мембрани, В - ширина стрічкової мембрани, 1 - віддаль від стрічкової мембрани до нижчого кінця опорної пластини ВІДМІННІ ознаки запропонованого пристрою дозволяють усунути випадкові спрацювання при виникненні надлишкового тиску в ємкості, або зміни фізичних властивостей і структури сипучого матеріалу, підвищити чутливість сигналізатора На фіг 1, 2, 3 зображен сигналізатор рівня, який складається з опорної пластини 1, стрічкової еластичної мембрани 2, контрольного плоского постійного магніта 3, стабілізуючих плоских постійних магнітів 4, 5, 6, 7, геркона 8, стопорної пластини 9 і захисного кожуха 10, при цьому - стрічкова мембрана 2 і стопорна пластина жорстко закріплена на опорній пластині 1, - контрольний плоский постійний магніт 3 розміщено на внутрішній поверхні стрічкової мембрани 2, - геркон 8 встановлено в НІШІ Д опорної пластини 1 симетрично контрольному магніту 3 так, щоб при наближені магніта 3 до геркону 8 на віддаль меньше 2,0мм, останній обов'язково спрацював (замикаючи свої контакти), корпус геркона 8 прикріплено до стінок НІШІ додадково утримується в ній опорною пластиною 9, - стабілізуючи плоскі магніти 4, 6 закріплені на внутрішній поверхні стрічкової мембрани 2, - стабілізуючи плоскі магніти 5 і 7, встановлені в нішах опорної пластини 1 і розміщені симетрично (напроти) стабілізуючих магнітів 4 і 6, внаслідок чого при наближені магнітів 4, 6 та 5, 7 на віддаль ближче 3 - 4мм, останні починають відштовхуватись один від одного (див фіг 4), - захисний кожух 10 закріплено на опорной пластині 1 і, перекручуючи верхню зону стрічкової мембрани 2 на 15 - 20% и ширини, попереджує попадання контрольованого сипучого матеріалу в простір між мембраною та опорною пластиною зверху Робота сигналізатора рівня здійснюється таким чином Сигналізатор (фіг 1, 2, 3) розміщується вертикально (на заданій граничній висоті в ємкості - бункері) так, щоб горизонталь стрічкової мембрани 2 проходила через и центр і співпадала з межою спрацьовування (з рівнем сипучого матеріалу в бункері, при якому повинно відбутися спрацьовування сигналізатора - замикання контактів геркона -8) При подачі сипучого матеріалу в бункер останній поступово заповнює його, створюючи конус з вершиною в верхній частині (див фіг 5, 6), причому контрольований матеріал "безперервно" осипається з вершини конуса до периферії (до стінок) бункера В певний момент матеріал досягає рівня (нижчого краю) стрічкової мембрани 2 і починає спричиняти на неї тиск Мембрана поступово прогинається під дією матеріалу і при збільшені його рівня до горизонталі, що проходить через и центр (коли тиск сипучого матеріалу стає більше сили її упругості і сіл відштовхування стабілізуючих магнитів), вона прогинається на стільки, що контрольний магніт 3 наближається до геркону 8 на віддаль меньшу 2мм, що викликає замикання контактів геркона і вмикання системи світлозвукової сигналізації (при цьому може одночасно вимикатись система подачі сипучого матеріалу в бункер) В процесі витрати матеріалу рівень його (Н1, Н2 НЗ) в бункері знижується, що призводить до зменшення тиску матеріалу на стрічкову мембрану 2 В результаті, на певному рівні сипучого матеріалу сила упругості мембрани і сили відштовхування стабілізуючих плоских магнітів 4, 6 і 5, 7 (див фіг 4, 5, 6) повертають мембрану в вихідне положення (1-і, І2, Із - положення мембран) При цьому контрольний постійний магнії 3 відсувається від геркона 8 на віддаль не більшу 2мм, його контакти розмикаються - сигналізатор готується до нового спрацьовування при наступному збільшені рівня сипучого матеріалу в бункері (при досягненні матеріалом верхнього граничного значення) Обгрунтування оптимальності запропонованих розмірів-параметрів окремих елементів запропонованого сигналізатора рівня сипучих матеріалів 1 В процесі конструювання сигналізатора рівня розглядались й випробувались 4 варіанти закріплення мембрани 2 (фіг 7, 8, 9, 10) на опорній пластині 1 Вказані варіанти порівнювались з позицій 1) чутливості до змін рівня сипучого матеріалу в ємкості, 2) мінімізації розмірів стрічкової мембрани і сигналізатора (всіх ЙОГО складових частин), 3) зручність (простота) складення і закріплення складових частин сигналізатора рівня При всіх наведених вище прикладах кращі показники мав варіант (фіг 10), гірші (з позиції чутливості) варіант (фіг 9), потім (фіг 7) 2 Експериментально визначено, що чутли 49307 вість стрічкової мембрани до змін тиску на неї сипучого матеріалу залежить від товщини мембрани 5, L - міжцентрової відстані напівкіл (див фіг 3) та ширини В Товщина мембран знаходиться в межах 0,6 - 2,0мм, найчастіше вона не перевищує (в промислових зразках) 1,5мм, тому експерименти проводились, в основному, на мембранах товщиною материалу резини 1,5-1,6мм Експерименти показали, що чутливість стрічкової мембрани (фіг 10) в більший мірі залежить від міжцетрової віддалі L напівкіл, при ньому в межах L = (6 - 10) R вказана чутливість зростає активно, при L = (10 - 14) R - меньш активно, при L = (14 - 20) R істотно не зростає (при чьому при R 20R мембрана не зберігає заданої форми Тому за оптимальні будуть прийняті межі L = (10-12JR 3 Оптимальна ширина стрічкової мембрани визначалась виходячи з умов минімізацм и розмірів, з урахування необхідності установки кожуха 10 (фіг 1) для захисту від попадання зверху частокгранул сипкого матеріалу в просторі між стрічковою мембраною 2 і опорною пластиною 1 (для чого мембрана в верхній частині перекривається на 15 - 20% и ширини захисним кожухом) Експериментально встановлено, що чутливість стрічкової мембрани в межах В = (0,6 - 1,0)І_ істотно не залежить від ширини, але (з урахуванням установки захисного кожуха 10 і необхідності закріплення на поверхні мембрани плоских постійних магнитив 3, 4, 6) оптимальною можна вважати ширину мембрани В = (0,7 - 0,8)І_, де L - міжцентрова віддаль напівкіл периметру стрічкової мембрани 4 За замикаючий контактний пристрій править геркон 8, розміщений в НІШІ Д опорної пластини і закріплений на мембрані 2 контрольний постійний магніт 3 Вказані елементи забезпечують одночасно і герметичність контактів, а також мінімізацію зусіль (тиск сипучого материалу на стрічкову мембрану), яке викликає замикання контактів геркона Контрольний постійний плоский магніт 3, виконаний з смуги загартованої сталі (з якої виготовляються ножовочні полотна) з подальшим її намагнічуванням, і має товщину 0,5 - 0,8мм Експерименти, які проводились на протязі 4 років показали, що склеювання за допомогою клею 88 постійних магнітів (з мінімальною товщиною) з резиновою стрічковою мембраною забезпечує необхідну МІЦНІСТЬ (в процесі експериментів відклеювання магнітів не спостерігалось), а напруженість магнітного поля магніта за вказаний період практично не мінялась і гарантовано абезпечлала замикання контжпв геркона під час наближення мзгшта до геркона на віддаль (1 5 - 2 0) мм 5 Вказані плоскі ПОСТІЙНІ магніти 4, 6 та 5, 7, які наближені однойменними полюсами на віддаль З - 4мм, забезпечуючи взаємне відштовхування, створюють умови (при попарній їх установці на опорній плиті та мембрані 2) для "миттєвого" повернення стричкової мембрани (після зняття з неї на грузки-тиску сипучого матеріалу) в вихідне положення Експерименти показали, що навіть при усуненні з мембрани критичної довготривалої нагрузки, коли мембрана повністю притиснута до опорної пластини на кілька десяток діб, вона обо вязково повертається в вихідне положення Варто ВІДМІТИТИ, що закріплені за допомогою клею 88 на поверхні мембрани плоскі ПОСТІЙНІ стабілізуючи магніти 4, 6 не змінюють своєї чутливості та заданої оптимальної форми 6 В процесі випробувань запропонованого сигналізатора було встановлено, що приклеювання стабілізуючих постійних магнітів 5, 7 на плоску поверхню опорної пластини 1 і притиснення до них стабілізуючих магнітів 4, 6 (закріплених на стрічковій мембрані 2), як і контрольного магніта 3 до плоскої поверхні опорної пластини неприпустимо, тому що, по-перше, стабілізуючи магніти 4, 6 та 5, 7 при критичних нагрузках будуть вдарятися одні об другі, що може привести до руйнування їх кріплення та до зменшення напруженості магнітних полів, по-друге, змінять форму стрічкової мембрани (вона не повністю дотикується до опорної пластини, внаслідок чого порушується рівномірність поверхні мембрани) Для усунення наведених вище похибок в опорній плиті 1 виконані НІШІ А, В, С, Е, К (див фіг 4) в які при критичних нагрузках заглиблюються плоскі магніти і частково стрічкова мембрана, дякуючи чому вдається усунути всі перераховані вище явища, які негативно впливають на роботу стрічкової мембрани та магнітів 7 Експериментальна перевірка показала, що при однаковій товщині і площах поверхні стрічкової дісково-круглої (використованих в відомих мембранних сигналізаторах) мембрани чутливість стрічкової мембрани до зміни рівня сипучого матеріалу в ємкості в 8 - 10 раз вище, тому товщину стрічкової мембрани можна збільшувати в 1,5 - 2 рази при чому її чутливість все рівно буде в 2 - З рази вище, ніж у круглої 8 В процесі експериментів виявлено, що при установці нижніх танців опорної пластини і та стрічної мембрани 2 на одному рівні в деяких випадках спостерігається дострокове спрацьовування сигналізатора Так відбувається в момент мінізриву - зсуву сипучого матеріалу з його конуса, особливо при незначних об'ємах зрушеного матеріалу 8 момент зсуву матеріалу з конуса останній різко прогинає мембрану, а магніт 3 також ривком наближається до геркону 8, який спрацьовує, а мембрана, прогнувшись, "пропускає" сипучий матеріал за себе й повертається в висхідне положення, що приводить до виникнення додаткової похибки (до 10мм) Щоб не допускати подібних явищ, нижчий кінець опорної пластини 1 має бути зсунутий відносно нижчого кінця стрічкової мембрани 2 на величину 1 = (1,6 - 1,8)R В цьому випадку сипучий материал спочатку спирається на опорну пластину 1, яка не прогинається і не пропускає його далі до переферм бункера, а потім починає прогинати стрічкову мембрану 2 до того момента, поки не спрацює геркон 8 Оскільки при МІНІ зрушені і при поступовому находжені сипучого матеріалу до сигналізатора матеріал обов'язково фіксується нижчим кінцем опорної пластини, то дострокове спрацьовування сигналізатора (внаслідок операцій різкого прогинання стрічкової мембрани, пропускання мембраною сипучого матеріалу за себе, повернення після цього мембрани в висхідне положення) повністю виключено 49307 9 Порівняльні випробування сигналізаторів з круглою та стрічковою мембранами при однаковій їх товщині (1,0мм) матеріалах (медична резина) и площах робочої поверхні (80см ) показали, що при ЗМІНІ контрольованих матеріалів (гранульований пральний порошок, зерно, сіль, мілкий гравій) максимальна додаткова похибка сигналізатора з стрічковою мембраною складає і 4мм, а сигналізатора з круглою мембраною ±19мм, тобто додаткова похибка запропонованого сигналізатора з стрічковою мембраною приблизно в 5 разів менше в порівнянні з відомим сигналізатором з круглою мембраною, за рахунок зміни ЩІЛЬНОСТІ речовин і розмірів часток сипучих матеріалів Із наведеної вище інформації випливає, що при допустимій похибці механічних сигналізаторів з стрічковою мембраною можуть не перестроюватись-переградуюватись при ЗМІНІ густини і гранулометричного складу сипучих матеріалів в межах ВІДПОВІДНО р = (1200 - 2800)кг/м3 й d e = (0,8 5,0)мм 10 Експериментальні дослідження різних модифікацій запропонованого сигналізатора рівня сипучого материалу проводились на протязі 4х років За цей час було зафіксовано більше 24000 спрацьовувань сигналізатора, при цьому - фальшивих спрацьовувань сигналізатора (на піску, солі, зерні, гранульованих матеріалах для виготовлення пластичних мас) не спостерігалося, - при критичних навантаженнях на стрічкову мембрану (в процесі спеціально промодульованнх зсувів сипучого матеріалу) сигналізатор не втрачав своєї працездатності, 8 - надмірний і негативний тиск в ємкості не викликає фальшивих спрацьовувань і втрати працездатності сигналізатора, - чутливість сигналізатора до зміни рівня сипучого матеріалу в ємкості під час експериментальної перевірки не змінювалась (мембрана була виконана з вакуумної або медичної резини) На підставі аналізу одержаних під час експериментів даних, які наведені вище, можна зробити такі висновки Запропонований сигналізатор рівня сипучих матеріалів в порівняні з існуючими мембранними сигналізаторами - має більш високу (до 10 раз) чутливість до зміни рівня контрольованого матеріалу, - має меньші основну та додаткову похибки вимірювання сигналізації, - не потребує переградуювання при ЗМІНІ густини контрольованого матеріалу в межах 5 = (0,8 5,0)мм, - має більш високу працездатність (мембрана витримує критичні довготермінові навантаження) та галузь виконання, оскільки при використовуванні в об'єктах при надлишковому та негативному тиску не дає фальшивих спрацьовувань при ЗМІНІ тиску в об'єктах Усі вказані переваги забезпечуються завдяки використанню нових конструктивних рішень складових елементів запропонованого сигналізатора, параметри і співвідношення параметрів наведені в формулі винаходу і описі приладу й принципу його Д" ЧГ. 10 49307 J ЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖ/ЖІ ІГ. пг. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71