УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И/ИЛИ КОНТРОЛЯ ПРЕДОПРЕДЕЛЕННОГО УРОВНЯ ЖИДКОЙ ИЛИ СЫПУЧЕЙ СРЕДЫ В ЕМКОСТИ

Предполагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к индикаторам уровня, приводимым в действие механическими или электрическими средствами, для измерения и контроля предопределенного уровня жидкой или сыпучей среды в емкости.
Известно устройство для определения предопределенного уровня среды в емкости, которое содержит детектор в виде лопастей, закрепленных на мембране. На мембране установлен преобразователь механических колебаний в электрические, в виде пьезоэлемента. Рабочие плоскости лопастей выполнены в виде прямоугольника (п. US №7102528 от 06.05.2004 г. МПК G08B 21/00, опуб. 05.09.2006 г).
Недостатком указанной формы лопастей является большой разброс положения точек детектирования при измерении уровня сред с разной плотностью.
Указанное устройство выбрано заявителем в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей предполагаемой полезной модели, решаемой авторами, является повышение точности и стабильности измерений путем увеличения чувствительности детектора к глубине погружения и исключения влияния плотности среды за счет конструктивных особенностей лопастей детектора..
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения и/или контроля предопределенного уровня жидкой или сыпучей среды в емкости, содержащем детектор в виде лопастей, связанных с источником колебаний, согласно полезной модели, лопасти детектора выполнены ромбической формы.
Выполнение лопастей детектора заявляемой формы позволяет повысить точность и стабильность измерений за счет того, что лопасти в виде ромба, позволяют повысить чувствительность детектора к глубине погружения и снижения разброса положения точек детектирования за счет снижения влияния на детектирование мешающих факторов, таких как вариации плотности среды и налипание частиц среды на детектор.
Частота колебаний лопастей детектора при их погружении определяется колебательными свойствами самого детектора и присоединенной массой жидкости:
,
где k - приведенный модуль упругости,
М - эквивалентная масса одной лопасти,
m - присоединенная масса жидкости, колеблющаяся вместе с лопастью.
В первом приближении, с учетом, что присоединенная масса существенно меньше, чем масса лопасти, можно записать:
,
0
где ω - частота колебаний лопастей детектора в воздухе, при этом m можно оценить из выражения:
m=ρ·S·d,
где ρ - плотность среды,
S - площадь погруженной части лопасти,
d - эффективная толщина слоя среды, принимающего участие в колебательном движении.
Следовательно, можно записать зависимость частоты от глубины погружения лопастей:
,
где .
Таким образом, частота колебаний лопастей детектора при их погружении является линейной функцией площади погруженной части и плотности среды. Или, что то же самое, изменение частоты пропорционально площади погруженной части и плотности среды.
Площадь погруженной части рассчитывается:
,
где y(x) - функция формы лопасти.
Для лопастей прямоугольной формы:
1
y(x)=A; 0≤x<L.
Для лопастей в форме ромба:
.
Зависимость изменения частоты собственных колебаний лопастей прямоугольной формы и в форме ромба от глубины погружения и плотности среды:
0
ω(h)=ω+Δω(h),
где h - глубина погружения,
ρ - плотность среды,
y(x) - функция формы лопасти,
0
ω - частота собственных колебаний лопастей в свободном пространстве,
β - эмпирический коэффициент пропорциональности.
Зависимость представлена на графике (см. фиг.3). Из графика видно, что лопасть в виде ромба более чувствительна к глубине погружения вблизи точки детектирования, так как имеет в этой области большую крутизну характеристики.
Таким образом, решая соответствующие уравнения, можно получить зависимость положения точки детектирования от относительной плотности среды (отношение плотности рабочей среды к плотности опорной среды, например воды) для лопастей прямоугольной формы и в форме ромба:
для лопастей прямоугольной формы:
,
где А1 - коэффициент уравнения формы;
для лопастей в форме ромба:
a
a
1
3
1
где …, k - коэффициенты уравнения формы,
1
2
x, x - координаты изломов уравнения формы,
L - длина лопасти.
Зависимость представлена на графике (см. фиг.4), из которого очевидно, что разброс положения точки детектирования в различных по плотности средах у лопастей в форме ромба меньше, чем у лопастей прямоугольной формы, что позволяет сделать вывод о большей стабильности положения точки детектирования у устройства с лопастями ромбической формы. Также устройство с лопастями ромбической формы более устойчиво к налипанию частиц среды на лопасти, так как налипшие частицы эквивалентно искажают фактическую плотность среды.
В результате проведенных патентных исследований не выявлено аналогичных технических решений, характеризуемых заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение обладает «новизной, может найти применение в промышленности, т.е. является «промышленно применимым».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - схема устройства; на фиг.2 - Вид А на фиг.1; на фиг.3 - график зависимости частоты колебаний детектора от глубины погружения в среду; на фиг.4 - график зависимости положения точки детектирования от относительной плотности среды (относительно плотности опорной среды, например воды).
Устройство для измерения и/или контроля предопределенного уровня жидкой или сыпучей среды в емкости содержит детектор 1 с лопастями 2, которые связаны с электромеханическим преобразователем 3 и электронным возбудителем колебаний 4, логическую схему принятия решения 5.
Устройство имеет элементы подключения к регистрирующим, контролируемым приборам (на фиг. не показано).
Устройство работает следующим образом.
Лопасти 2 приводятся в автоколебательное движение с помощью электромеханического преобразователя 3 и электронной системы возбуждения колебаний 4. С системы возбуждения на логическое устройство 5 передается сигнал, несущий информацию о частоте колебаний лопастей детектора, логическое устройство по принятому сигналу частоты принимает решение, находится ли детектор в среде или в свободном пространстве. В зависимости от принятого решения логическая схема формирует на своем выходе соответствующий набор сигналов.
Таким образом, заявляемая форма лопастей детектора позволяет повысить точность и стабильность измерений путем увеличения чувствительности детектора к глубине погружения и снижения разброса положения точек детектирования за счет снижения влияния на детектирование мешающих факторов, таких как вариации плотности среды и налипание частиц среды на детектор.