УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR MEASURING LEVEL OF LIQUID AND BULKY MATERIALS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровня агрессивных сыпучих и жидких материалов любой вязкости при высокой температуре и давлении.
Широкое распространение получили ультразвуковые сигнализаторы уровня, в которых применяются пьезоэлектрические преобразователи с импульсным изменением импеданса акустической среды. В основу их работы положен принцип демпфирования ультразвуковых волн. Для повышения чувствительности данных сигнализаторов применяются волноводы продольных колебаний. В сигнализаторе сыпучих сред (А.И.Трофимов. Пьезоэлектрические измерительные преобразователи. - Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1983, с.240) волновод выполнен в виде акустического конденсатора, сочлененного входным концом с пьезотрансформатором, помещенным в тонкостенный стакан. При контакте волновода с материалом происходит резкое увеличение потерь на излучение и, соответственно, изменение выходного сигнала, снимаемого с пьезоэлемента. Но устройства с применением волновода продольных колебаний могут работать только в режиме сигнализатора, а дискретные уровнемеры, выполненные на основе данных пьезоэлектрических сигнализаторов уровня, громоздки, имеют большое количество пьезоэлементов. Например, уровнемер (А.И.Трофимов. Пьезоэлектрические измерительные преобразователи. - Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1983, с.243) выполнен в виде трубы, сваренной из отрезков труб, к внутренней стенке каждого из отрезков труб большего диаметра прикреплены два пьезоэлемента, один из которых подключен к генератору, другой - к измерительному прибору. Каждая ячейка уровнемера срабатывает при погружении ее в контролируемый материал, в результате не обеспечивается постоянное измерение уровня.
Известен способ контроля уровня вещества (а.с. СССР №565216, опубл. 30.06.77), заключающийся в том, что положение уровня определяют по разности логарифмических декрементов затухания свободных затухающих колебаний маятника в газовой и контролируемых средах.
Устройство, реализующее указанный способ, содержит маятник, укрепленный на растяжках, привод, соединенный с возбудителем, приемник колебаний, соединенный со схемой измерения логарифмического декремента затухания. Выход схемы установки логарифмического декремента затухания в газовой среде и выход схемы измерения логарифмического декремента затухания соединены с входом схемы сравнения, выход которого соединен с входом устройства сигнализации и сравнения.
При поступлении импульса с возбудителя привод приводит маятник в режим собственных затухающих колебаний. Если эти колебания существуют в газовой среде, то сигналы со схемы измерения и схемы установки на входе схемы сравнения одинаковы и устройство сигнализации не срабатывает. При повышении уровня вещества и касании им нижнего конца маятника затухание колебаний маятника в периоде возбуждающих импульсов наступает быстрее, что отмечается схемой измерения как увеличение логарифмического декремента затухания. Схема сравнения выдает сигнал на устройство сигнализации и управления, которое срабатывает и включает соответствующий сигнальный или управляющий элемент.
Данное устройство работает в режиме сигнализатора и не позволяет непрерывно измерять уровень вещества. Кроме того, наличие подвесов маятника усложняет возможность применения устройства в оборудовании герметичного исполнения.
Известно устройство для измерения уровня жидкости (патент РФ №2029919, опубл. 27.02.95). Данное устройство (прототип) содержит источник гармонических колебаний, упругий элемент, выполненный в виде резонансной пружины и шарнирно соединенный с чувствительным элементом, выполненным в виде стержня, датчик колебаний, связанный с чувствительным элементом, и индикатор. Между датчиком и индикатором последовательно включены согласующий усилитель и анализатор. Стержень шарнирно связан с жестким основанием, а датчик колебаний жестко установлен на стержне или выполнен бесконтактным и установлен на неподвижном основании.
С помощью источника гармонических колебаний через пружину и шарнир возбуждают резонансные колебания системы. С помощью датчика, согласующего усилителя, анализатора и индикатора определяют амплитуду колебаний, по величине которой судят об уровне жидкости.
Однако данное устройство непригодно для использования при контроле уровня агрессивных жидкостей в герметичных емкостях при наличии в них большого избыточного давления (выше нескольких атмосфер), так как наличие шарнирных соединений в устройстве не позволяет выполнить надежную герметизацию конструкции. Также наличие нескольких шарнирных механических соединений снижает надежность системы в целом. Кроме того, такое устройство непригодно для контроля уровня жидкости с высокой вязкостью (нефть, мазут и т.п.), так как повышенная вязкость такой среды не позволяет чувствительному элементу совершать колебательные движения с достаточной для проведения точных измерений амплитудой и длительностью.
Задачей данного изобретения является разработка устройства, имеющего высокую надежность и обеспечивающего измерение уровня агрессивных сыпучих и жидких материалов любой вязкости при высокой температуре и давлении.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения уровня жидких и сыпучих материалов, содержащем источник колебаний, упругий элемент, соединенный с чувствительным элементом, и последовательно включенные датчик колебаний, связанный с чувствительным элементом, согласующий усилитель, анализатор и индикатор, источник и датчик колебаний выполнены в виде пьезоэлемента, установленного на упругом элементе. Также в состав устройства дополнительно введены автогенератор, работающий в периодическом режиме, к выходу которого подключен пьезоэлемент, являющийся его частотозадающим элементом, и генератор импульсов, выходом подключенный к автогенератору.
Изобретение поясняется схемами, представленными на фиг.1 и 2.
Устройство для измерения уровня состоит из генератора импульсов 1, выходом соединенного с автогенератором 2, работающим в периодическом режиме. К выходу автогенератора 2 подключен пьезоэлемент 3, являющийся его частотозадающим элементом. Пьезоэлемент 3 сочленен с упругим элементом 4, выполненным в виде концентратора механических колебаний, и установлен в корпусе 5, который крепится к емкости 6 с контролируемым материалом 7. С упругим элементом 4 жестко соединен чувствительный элемент 8. Чувствительный элемент 8 может быть выполнен, например, в виде металлической коррозионностойкой трубки.
Пьезоэлемент 3 соединен также с выходом согласующего усилителя 9, выход усилителя 9 соединен с входом анализатора 10, выход которого подключен к входу индикатора 11.
Устройство работает следующим образом (см. фиг.1). С выхода генератора импульсов 1 на автогенератор 2 периодически подаются импульсы, разрешающие работу автогенератора 2. Для обеспечения стабильного режима колебаний пьезоэлемента 3 длительность импульсов с выхода генератора импульсов 1, разрешающих работу автогенератора 2, устанавливают как минимум на два порядка больше, чем период резонансных колебаний пьезоэлемента 3.
Во время действия этих импульсов автогенератор 2 формирует на своем выходе непрерывный электрический сигнал постоянной частоты, которая совпадает с резонансной частотой пьезоэлемента 3, подключенного к выходу автогенератора 2 и являющегося его частотозадающим элементом. Пьезоэлемент 3, работая в данный период времени как источник колебаний, преобразует электрический сигнал на выходе автогенератора 2 в механические колебания, которые передаются через упругий элемент 4 на чувствительный элемент 8 и заставляют его колебаться с частотой резонанса пьезоэлемента 3. После прекращения импульса с генератора импульсов 1 автогенератор 2 прекращает свою работу, и механические колебания чувствительного элемента 8 становятся свободнозатухающими, а их амплитуда и скорость затухания зависят от степени погружения чувствительного элемента в контролируемый материал 7. Эти колебания через упругий элемент 4 передаются на пьезоэлемент 3, который, работая теперь как датчик колебаний, преобразует их в электрический сигнал. В результате того, что частота свободнозатухающих колебаний совпадает с резонансной частотой пьезоэлемента 3, достигается высокая чувствительность измерений. Этот электрический сигнал поступает на вход согласующего усилителя 9. Так как амплитуда свободнозатухающих механических колебаний и их скорость затухания зависят от степени погружения чувствительного элемента в контролируемый материал, который является для них демпфером, амплитуда и скорость уменьшения переменного напряжения на выходе согласующего усилителя 9 пропорциональны уровню контролируемого вещества 7 в емкости 6. Анализатор 10 может выполнять функции как детектора с фильтром нижних частот для оценки средней амплитуды уменьшающегося напряжения, так и измерителя логарифмического декремента затухания для оценки скорости уменьшения переменного напряжения на выходе согласующего усилителя 9. Сигнал с выхода анализатора 10, пропорциональный уровню контролируемого материала 7 в емкости 6, поступает на вход индикатора 11, который отображает информацию об уровне контролируемого материала 7 в любой удобной для оператора форме.
При увеличении уровня контролируемого вещества 7 в емкости 6 увеличивается степень демпфирования свободнозатухающих колебаний чувствительного элемента 8, что приводит к уменьшению амплитуды сигнала на выходе согласующего усилителя 9 и увеличению скорости его затухания. Это приводит к уменьшению сигнала на выходе анализатора 10 и отображению этого изменения на выходе индикатора 11.
При уменьшении уровня происходит обратный процесс.
При наличии в рабочей емкости большого избыточного давления (более 10 атмосфер) для обеспечения условия герметичности упругий элемент 4 может быть закреплен на емкости с использованием неразборного соединения (например, сварного). В этом случае плоскость его соединения с емкостью 6 должна совпадать с плоскостью, проходящей через узел колебаний пьезоэлемента (см. фиг.2).
Применение пьезоэлемента, изготовленного из высокотемпературной пьезокерамики, позволяет расширить температурный диапазон использования заявляемого устройства.
Отсутствие в конструкции заявляемого устройства движущихся трущихся механических деталей и частей (шарниров, подвесов) обуславливает высокую степень надежности устройства.
В результате того, что контролируемый материал для чувствительного элемента является демпфером, поглощающим энергию механических колебаний, а пьезоэлемент в составе устройства работает в резонансном режиме, обеспечивается высокая чувствительность к изменению уровня даже вязких жидкостей и сыпучих веществ в отличие от прототипа, чувствительный элемент которого не может совершать колебательные движения с достаточной для проведения точных измерений амплитудой и длительностью.
Заявляемое устройство позволяет надежно измерять уровень агрессивной жидкости любой вязкости и сыпучих веществ любой степени текучести с высокой точностью в герметичных емкостях с высокой температурой и избыточным давлением.