УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРЕДЕЛЬНОГО УРОВНЯ В ЁМКОСТИ И/ИЛИ ТРУБОПРОВОДЕ
DEVICE FOR MONITORING OF LIMIT LEVEL IN RESERVOIR AND/OR PIPELINE

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