Устройство для контроля предельного уровня в ёмкости и/или трубопроводе

Изобретение относится к компонентам измерительных устройств и предназначено для контроля уровня жидких или сыпучих веществ в емкости и/или трубопроводе. Устройство содержит установленную на отметке заданного уровня заполнения механическую колебательную систему. Напряжение от внешнего генератора подаётся на преобразователи возбуждения, один и более пьезоэлементы 10 деформируются благодаря обратному пьезоэффекту. С помощью зажимного винта 14 и металлического кольца 4, опирающегося на выступ в патрубке 18, сообщают перемещение мембране 3 и штангам 1. Период колебаний системы штанг 1 и мембраны 3 увеличивается по мере погружения в более плотную среду. Один и более, пьезоэлементы 8 преобразователя обратной связи, благодаря прямому пьезоэффекту, преобразуют колебания механической системы в электрический сигнал для управления работой генератора. При наполнении или опорожнении ёмкости вещество достигает места, где установлено устройство и по мере погружения или осушения штанг изменяется период их колебаний. Изменение периода колебаний системы является мерой уровня вещества с большей плотностью в точке расположения устройства контроля предельного уровня. Техническим результатом является повышение эффективности работы устройства, а также расширение сферы применения для более вязких жидкостей и неоднородных сыпучих сред. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к компонентам измерительных устройств и предназначено для контроля уровня жидких или сыпучих веществ в емкости и/или трубопроводе.

Известно устройство для определения и контроля предельного уровня в емкости, которое состоит из механической колебательной структуры из диафрагмы и по крайней мере 2-х осциллирующих штанг, которые вдоль продольной оси введены в контейнер. Устройство содержит также преобразователи возбуждения и обратной связи, образованные пакетом компонентов, и металлическое кольцо, размещенное на конце пакета, смежного с диафрагмой и, по крайней мере, 2 шипа давления, размещенные между металлическим кольцом и диафрагмой, обеспечивающих передачу колебаний от преобразователя возбуждения на диафрагму с осциллирующими штангами [1].

Недостатком этого технического решения является сложность монтажа преобразователей возбуждения и обратной связи во внутренней полости устройства, т.к. их установка и соединение с мембраной осуществляется только на двух шипах давления. Кроме того, на шипах давления малых размеров происходит концентрация контактных механических напряжений, что снижает прочность мембраны и устройства в целом.

Известно устройство для определения или контроля уровня заполнения емкости, содержащее установленную на отметке заданного уровня заполнения механическую колебательную систему с цилиндрическим закрытым мембраной в концевой части корпусом, расположенные столбиком пьезоэлектрические элементы, которые во время работы приводят механическую колебательную систему в колебания и воспринимают колебания, зависящие от уровня заполнения в данный момент, и обеспечивают их дальнейшее преобразование и обработку, которые расположены между первым и вторым пестами, примыкающими к концевой части и к столбику, причем столбик зажат вдоль продольной оси корпуса между ввинченным в корпус нажимным винтом и мембраной [2].

Недостатком этого технического решения также является сложность монтажа преобразователей возбуждения и обратной связи в виде столбика пьезоэлементов в корпусе, т.к. их установка и соединение с мембраной осуществляется только в 1-й точке - в желобке, выполненном в форме песта, в котором установлена с возможностью поворота круглая купольная часть песта, передающего колебания столбика пьезоэлементов на мембрану. Кроме того, на упомянутом желобке также происходит концентрация контактных механических напряжений, что снижает прочность мембраны и устройства в целом.

Известно устройство для определения и контроля предельного уровня жидкости в емкости с механической колебательной структурой, которое состоит из двух и более колебательных штанг, выступающих в емкость и прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране, которая зажата на краях и образует с поверхностью штуцера непроницаемую внутреннюю полость. В полости размещены преобразователь возбуждения и преобразователь обратной связи, имеющие на обоих концах металлические кольца и состоящие из набора пьезоэлектрических элементов, включая один и более пьезоэлементов, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для того, чтобы колебание штанг было перпендикулярно к их продольной оси. Также один и более пьезоэлектрических элементов для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал. Зажимной винт прочно соединен с мембраной со стороны противоположной колебательным штангам, и характеризуется тем, что на стороне мембраны, противоположной колебательным штангам, сформировано плечо, которое радиально простирается вокруг внутренней круговой поверхности мембраны и передает линейные колебания преобразователя возбуждения к мембране [3].

Недостатком этого технического решения является недостаточная эффективность передачи колебаний от преобразователя возбуждения к осциллирующим штангам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, содержащее механическую колебательную систему, состоящую из двух и более штанг, выступающих в емкость, прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране, зажатой на краях и образующей с поверхностью штуцера непроницаемую внутреннюю полость, в которой размещены преобразователь возбуждения и преобразователь обратной связи, имеющие на обоих концах металлические кольца и состоящие из набора пьезоэлектрических элементов, включая один и более пьезоэлемент, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для того, чтобы колебания штанг были перпендикулярны к их продольной оси, а также один и более пьезоэлектрических элементов для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал, зажимной винт, прочно соединенный с мембраной со стороны, противоположной колебательным штангам, проходящий через преобразователи возбуждения и обратной связи, имеется дополнительное металлическое кольцо, размещенное между металлическим кольцом преобразователей и мембраной, соосно с металлическими кольцами преобразователей, причем дополнительное металлическое кольцо выполнено из того же материала, что и мембрана и штуцер и жестко связано с ними сваркой [4].

Недостатком этого технического решения является недостаточная эффективность передачи колебаний от преобразователя возбуждения к осциллирующим штангам.

Заявляемое в; качестве изобретения устройство для контроля предельного уровня в емкости позволяет устранить этот недостаток путем уменьшения механической связи мембраны с патрубком и увеличения эффективной площади мембраны, что приводит к увеличению амплитуды колебания штанг и электрического выходного сигнала преобразователя обратной связи. Решение позволяет расширить сферу применения для более вязких жидкостей и неоднородных сыпучих сред.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для контроля предельного уровня в емкости или трубе, содержащее механическую колебательную систему, которая состоит из двух или более штанг, выступающих в емкость и прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране, зажатой на краях и образующей с поверхностью штуцера или патрубка-удлинителя непроницаемую внутреннюю полость, в которой размещены преобразователь возбуждения и преобразователь обратной связи, имеющие на обоих концах металлические кольца и состоящие из набора пьезоэлектрических элементов, включая один или более пьезоэлементов, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для того, чтобы вынудить колебания штанг, перпендикулярно к их продольной оси, а также один или больше пьезоэлементов для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал, зажимного винта, прочно соединенного с мембраной со стороны, противоположной колебательным штангам, пронизывающего преобразователи возбуждения и обратной связи, была введена круговая канавка на внутренней поверхности патрубка резонатора, одной из поверхностей которой является внутренней поверхностью мембраны, шириной равная или большая толщины мембраны и остаточной толщиной стенок патрубка не менее половины толщины мембраны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема устройства, на фиг. 2÷5 - варианты исполнения устройства. Перемещение мембраны с прикрепленными штангами резонатора под действием пьезоэлементов определяется выражением:

где δ - перемещение центра мембраны, k - конструкционный коэффициент, r - радиус мембраны, Е - модуль упругости материала мембраны, h - толщина

мембраны, F - сила воздействия пьезоэлементов на центр мембраны.

Эффект достигается увеличением радиуса мембраны 3 за счет круговой канавки 2 на внутренней поверхности патрубка резонатора 18. При неизменной силе воздействия пьезоэлементов, в зависимости от геометрии канавки, перемещение штанг 1 может быть увеличено более, чем на 50%. При этом внешний размер преобразователя не изменяется.

Кроме увеличения амплитуды колебаний, круговая канавка уменьшает передачу деформаций мембраны на корпус резонатора 18, что приводит к локализации колебаний в области мембраны и устраняет влияние корпуса на амплитудно-частотные характеристики колебательной системы. Уменьшает количество паразитных колебаний от корпуса 18 к мембране 3.

Устройство для контроля предельного уровня в емкости, фиг. 1, содержит механическую колебательную систему, которая состоит из двух штанг 1, выступающих в емкость и прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране 3, зажатой на краях и образующей с поверхностью корпуса 18 и патрубка-удлинителя 19 непроницаемую внутреннюю полость 17, в которой размещен пьезопривод 20. Пьезопривод 20 состоит из последовательно установленных на трубчатом изоляторе 6 кольцевого изолятора 7, пьезоэлементов обратной связи 8, проставочного кольца 9, пьезоэлементов возбуждения 10 и кольцевого изолятора 13. Напряжение возбуждения и съем выходного сигнала с пьезоэлементов происходит через токосъемники 11 и соединительные провода 12. Пьезопривод 20 через дополнительное кольцо 5 опирается на основание 4 выполненное как одно целое с мембраной 3 и корпусом 18. Пьезопривод 20 прижимается к основанию 4 гайкой 14 через дополнительное кольцо 15. Гайка 14 накручивается на шпильку 16 выполненную как единое целое с мембраной 3. На пьезоэлементы 10 подается возбуждающее напряжение от внешнего генератора, которое преобразуется в продольные возвратно поступательные колебания шпильки 16 и мембраны 3. Далее колебания передаются на штанги 1, которые находятся в рабочей среде. Частота и характер колебаний штанг 1, которые зависят от характеристик среды, преобразуются пьезоэлементами обратной связи 8 в электрический сигнал, который поступает на вход внешнего усилителя. Устройство отличается тем, что за мембраной 3 присутствует канавка 2 которая механически устраняет жесткое закрепление мембраны 3. и приводит к увеличению амплитуды колебания штанг и электрического выходного сигнала преобразователя обратной связи. Решение позволяет расширить сферу применения для более вязких жидкостей и неоднородных сыпучих сред.

На фиг. 2 показан вариант исполнения устройства, в котором круговая канавка 2 на внутренней поверхности патрубка резонатора в продольном сечении имеет форму прямоугольника, одна из сторон которого является внутренней поверхностью мембраны.

На фиг. 3 показан вариант исполнения устройства, в котором круговая канавка 2 на внутренней поверхности патрубка резонатора в продольном сечении имеет форму прямоугольного треугольника, один из катетов которого является внутренней поверхностью мембраны.

На фиг. 4 показан вариант исполнения устройства, в котором круговая канавка 2 на внутренней поверхности патрубка резонатора в продольном сечении имеет форму трапеции, одна из сторон которой является внутренней поверхностью мембраны.

На фиг. 5 показан вариант исполнения устройства, в котором круговая канавка на внутренней поверхности патрубка резонатора в продольном сечении имеет форму сектора круга, один из радиусов которой является внутренней поверхностью мембраны.

Период вынужденных колебаний системы штанг 1 и мембраны 3 на частоте резонанса уменьшается по мере погружения штанг в более плотную среду. Пьезоэлементы 13, 14 служат для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал и управления работой генератора. При наполнении или опорожнении емкости вещество достигает места, где установлено устройство, и по мере погружения или осушения штанг изменяется их собственная частота колебаний. Изменение резонансной частоты системы является мерой уровня жидкости в точки расположения устройства контроля предельного уровня.

Источники информации

1. US 5191316, МПК В06 В 1/06; G01F 23/296; G01H 13/00; G08B 021/00 «Apparatus for determining and/or monitoring a predetermined contents level in acontainer» 02.03.1993.

2. RU 2247606, МПК 7 B06B 1/06 «Устройство для определения и/или контроля заданного уровня заполнения емкости» 01.03.2001.

3. US 5408168, МПК В06 В 1/06; G01F 23/296; G01F 023/28 «Device for determining and/or monitoring a predetermined filling level in a container 18.04.1995 - прототип.

4. Патент RU 2406980 МПК G01F 23/296 «Устройство для контроля предельного уровня в емкости» 2009.01.26

1. Устройство для контроля предельного уровня в ёмкости или трубе, содержащее механическую колебательную систему, которая состоит из двух или более штанг, выступающих в емкость и прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране, зажатой на краях и образующей с поверхностью штуцера или патрубка-удлинителя непроницаемую внутреннюю полость, в которой размещены преобразователь возбуждения и преобразователь обратной связи, имеющие на обоих концах металлические кольца и состоящие из набора пьезоэлектрических элементов, включая один или более пьезоэлементов, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для того, чтобы вынудить колебания штанг, перпендикулярно к их продольной оси, а также один или больше пьезоэлементов для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал, зажимного винта, прочно соединенного с мембраной со стороны, противоположной колебательным штангам, пронизывающего преобразователи возбуждения и обратной связи, отличающееся тем, что на внутренней поверхности патрубка резонатора имеется круговая канавка, одной из поверхностей которой является внутренняя поверхность мембраны, шириной равная или большая толщины мембраны, при этом остаточная толщина стенок патрубка не менее половины толщины мембраны.

2. Устройство для контроля предельного уровня в ёмкости или трубе по п.1, отличающееся тем, что круговая канавка на внутренней поверхности патрубка резонатора в продольном сечении имеет форму прямоугольника, одна из сторон которого является внутренней поверхностью мембраны.

3. Устройство для контроля предельного уровня в ёмкости или трубе по п.1, отличающееся тем, что круговая канавка на внутренней поверхности патрубка резонатора в продольном сечении имеет форму прямоугольного треугольника, один из катетов которого является внутренней поверхностью мембраны.

4. Устройство для контроля предельного уровня в ёмкости или трубе по п.1, отличающееся тем, что круговая канавка на внутренней поверхности патрубка резонатора в продольном сечении имеет форму трапеции, одна из сторон которой является внутренней поверхностью мембраны.

5. Устройство для контроля предельного уровня в ёмкости или трубе по п.1, отличающееся тем, что круговая канавка на внутренней поверхности патрубка резонатора в продольном сечении имеет форму сектора круга, один из радиусов которой является внутренней поверхностью мембраны.