Датчик пьезоэлектрического сигнализатора уровня и положения границы раздела жидких сред

 

iiI993132

Союз Советсник

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву—

{22)Заявлено 20.02.81 (21) 3251141/18-10 (51) M. К,д.

G 01 F 23/28 с присоединением заявки М

Гееудерстееевье1 кемвтет (23) Приоритет >

Опубликовано 30.01. 83. Бюллетень Лв 4

СССР де делам вэееретеки» н еткрытий (53) УДК- 681.128..82(088.8) Дата опубликования описания 30 .01.83 »" »» »»» —.» ° » .

А : .". ;

l д t. (72) Авторы изобретения

А.И.Трофимов и В.В.Мишук. 1:

Отделение Р 1 Томского ордена Октябрьской Революции ." и ордена Трудовго Красного Знамени пол{итехнйчвского, т института им. С.M.Êèðoâà (7l) Заявитель с (54) ДАТЧИК ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРА

УРОВНЯ И ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ЖИДКИХ

СРЕД

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровня и положения границы раздела жидких агрессивных, токсических, взрывоопасных сред в химической, гидрометаллургической, нефтяной и других отраслях промышленности.

Известен ультразвуковой сигнализатор уровня жидкости, содержащий генератор, блок сигнализации, два

t0 стержневых волновода,закрепленных в углах колебаний в металлическом стакане, приемный и излучающий пьезоэлементы, прикрепленные каждый

«15 к одному из торцов волноводов, и третий волновод, жестко прикрепленный к противоположным торцам волновода (1 ).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь для приема и иэлуче" ния ультразвуковых колебаний, содержащий, не менее двух кольцевых пьеэо-. элементов, закрепленных между двумя накладками, одна иэ которых является продольным волноводом, и фланец, установленный на продольном волнов де Г22.

Недостатком известного устройства является невысокая чувствительность при сигнализации уровня агрессивных и взрывоопасных сред.

Цель изобретения - повышение чувствительности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что датчик снабжен изгибным вол" новодом, жестко скрепленным в узле колебании с продольным волноводом, а каждый кольцевой пьезоэлемент состоит иэ излучающей и приемной частей, установленных с радиальными зазорами между ними, причем площадь приемной части составляет 15-20 площади излучающей части.

На фиг. 1 представлена конструкция датчика; на фиг. 2 - разрез А-А

993132

40 на фиг. 1; на фиг. 3 — разрез Б-Б на фиг. 1.

Датчик содержит прикрепЛенный к корпусу 1 опорный фланец 2, расположенный в узле колебательной скорости продольного волновода 3. Ко- . нец продольного волновода, находящийся в контролируемой среде, сочленен с чувствительным элементом дат чика - изгибным волноводом 4. На про" f0 тивоположном конце продольного волновода установлены друг над другом излучающие 5 и 6 и приемные и 8 части пьезоэлектрических элементов.

Излучающая 5 и приемная 7 части верх- 1 него слоя выполнены из одной и той же пьезоэлектрической пластины, части 6 и 8 нижнего слоя выполнены равным образом из другой. Между излучающими и приемными слоями установлены потенциальные электроды излучателя

9 и приемника 10, электрическисвязанные соответственно с генератором и блоком сигнализации (не показаны) . Пьезоэлектрические слои закреплены между накладками 3 и 11, в данном варианте, механической стяжкой с помощью шпильки 12 и гайки

13. Накладка 3 одновременно является продол ьным вол новодом.

В представленном варианте конст;рукции продольный волновод 3 является одновременно ступенчатым концентратором, а изгибный волновод 4 имеет вид плоского стержня, сочлененного посередине с концом концентратора.

Пьезоэлектрические слои имеют форму плоских колец, разделенных на излучающий и приемный. секторы. Разделение на секторы возможно двумя способами. По одному способу одна из металлических обкладок делится на секторы токонепроводящими промежутками, вторая же обкладка остается сбщей. По другому способу кольцо раз- 45 резается, например, алмазной фрезой на секторы. Угол сектора-приемника подбирается исходя из необходимого уровня выходного сигнала и обычно равен 60 .

Сигнализатор работает следующим об разом, Если рабочая частота генератора совпадает с частотой резонанса изгибного волновода в газе, то погружение такого волновода в жидкость вследствие инерции жидкости значительно уменьшает его резонансную частоту, что приводит к резкому падеHHIo выходного напряжения, снимаемого с приемного пьезопреобразователя, При ра вен ст ве: рабочей частоты и частоты резонанса изгибного волновода в жидкости при погружении волновода в жидкость выходное напряжение резко возрастает, а при извлечении.из жидкости — падает. Таким образом, контролировать уровень жидкости можно по обоим режимам возбуждения изгибного волновода.

Однако си гнал изац ию положен ия границы раздела жидких фаз, волновые сопротивления которых различаются намного меньше, чем волновые сопротивления сред газ - жидкость, можно осуществить только по второму режиму возбуждения изгибного волновода — по частоте его резонанса в жидкости, B этом случае чувствительность датчика к изменению жидких фаз резко возрастает. При переходе изгибного волновода из одной жидкой фазы в другую вследствие различия их волновых сопротивлений резонансная частота изгибного волновода ступенчато изменяется и соответственно ступенчато изменяется выходное напряжение.

При настройке рабочей частоты сигнализатора, например, на частоту резонанса изгибного волновода в жидкой фазе с наибольшей плотностью переход изгибного волновода в более легкие фазы ступенчато увеличивает резонансную частоту и вследствие отклонения частоты резонанса от рабочей приводит к ступенчатому падению выходного напряжения. При выходе же изгибного волновода из жидкой среды в газ выходное напряжение падает практически до нуля. Таким образом, при соответствующей настройке порогов срабатывания сигнализатора можно одновременно контролировать как уровень жидкой среды, так и положение границы раздела жидких фаз.

Данный режим возбуждения полезен и тем, что расширяет рабочий диапазон температур, так как температурные изменения физико-химических параметров водных растворов снижают вредное влияние температуры на частоту резонанса изгибного волновода в жидкости.

Это обеспечивает высокую чувствительность датчика, а также сниной системы и повышенную стабильность рабочих характеристик при изменении температуры и уровня жидкой среды, что позволяет использовать его также для сигнализации положения границы раздела жидких фаз. формула изобретения

Датчик пьезоэлектрического сигнализатора уровня и положения границы раздела жидких сред, содержащий не менее двух кольцевых пьезо-, элементов, закрепленных. между двумя .накладками, одна из которых является продольным волноводом, фланец, установленный на продольном волноводе, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжвн изгибным волноводом, жестко скрепленным в узле колебаний с продольным волноводом, а каждый кольцевой пьезоэлемент состоу ит из излучающей и приемной частей, установленных с радиальными зазорами между ними, причем площадь приемной части составляет 15-20 площади излучающей части.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 11 773442, кл. G 01 F 23/28, 1979.

2. Бабиков О.И. Контроль уровня с помощью ультРазвука, Ленинград, нЗнергия", 1971, с. 67, рис. 51 (прототип).

5 -- 993132 жает влияние на нее температуры, механических напряжений и временного старения пьезокерамики. Вследствие равенства резонансных частот излучателя и приемника упрощается также настройка рабочей частоты сигнализатора, Для повышения чувствительности иэгибный волновод должен быть выполнен с толщиной, которая на ра6очей частоте генератора соответствует скорости изгибной волны, равной

0,3-0,6 от скорости звука в жидкости, Чувствительные, элементы - изгибные волноводы -можнО изготавли-; вать в виде сменных насадок к продольному волноводу и крепить стандартными способами: сваркой, пайкой, на резьбе и т.д., Возможность использования насадок из разного материала и с разной геометрией (диски, круглые стержни )позволяют регулировать чувствительность датчика и стойкость чувствительного элемента к различным вредным воздействиям. Возможность быстрой смены чувствительного элемента улучшает также эксплуатационные характеристики сигнализатора.

Датчики предлагаемого сигнализатора могут быть легко примейены в дискретных и следящих уровнемерах.

Таким образом, предлагаемый сигнализатор является широкодиапазонным устройством, имеет технологическую конструкцио механической колебатель993132

Составитель Н.Бурбело

Редактор А.Фролова Техред Ж. Кастелевич

Корректор Г. Огар

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 446/59 Тираж 871 Подписное. ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5