УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
ULTRASOUND LIQUID LEVEL SENSOR

Изобретение относится к устройствам индикации уровня жидкости путем измерения параметров звуковых волн.
Устройства индикации уровня жидкости достаточно часто требуют разнесения основных узлов прибора, электроакустического преобразователя и чувствительного элемента - резонатора на необходимое расстояние. Особенно это важно в тех случаях, когда датчик используется в экстремальных условиях, вызванных наличием в рабочей зоне (в месте размещения чувствительного элемента датчика) высоких температур, высокой активности проникающего излучения, мощных электромагнитных помех, сильных вибраций, агрессивных веществ, опасных для элементов датчика и обслуживающего персонала и другими подобными факторами.
Для пространственного разнесения электроакустического преобразователя и резонатора можно использовать длинный металлический волновод. Однако простое увеличение длины волновода возможно лишь на небольшое расстояние (до одного метра) и в случае прямолинейного волновода.
Известны конструкции датчиков, в которых электроакустический преобразователь и резонатор разнесены на определенное расстояние.
В патенте US 9550260, публикация 24.01.2017, МПК G01F 023/296 раскрыта конструкция ультразвукового датчика, содержащего электроакустический преобразователь и множество акустических резонаторов, соединенных узкими трубками - волноводами с электроакустическими преобразователями. Для пропуска волноводов используются специальные фитинги.
В патенте US 8248888, публикация 21.08.2012, МПК G01S 015/00 раскрыта конструкция ультразвукового уровнемера с трубчатым волноводом, соединяющим электроакустический преобразователь с резонатором.
Использование трубчатых волноводов требует использования особых переходных устройств, в случае если волновод должен проходить через переборку, или экран.
Известна также конструкция датчика по патенту RU2127873, публикация 20.03.1999 «Ультразвуковой датчик уровня жидкости», который является наиболее близким аналогом и содержит электроакустический преобразователь и акустический резонатор.
Техническим результатом, достигаемым в данном изобретении, является расширение функциональных возможностей датчика, путем использования его в условиях высокой температуры, излучения, мощных электромагнитных помех, сильных вибраций, ударов и прочих негативных факторов. Кроме того, обеспечивается возможность монтажа, обслуживания, ремонта устройства без угрозы от неблагоприятных факторов для обслуживающего персонала.
Ультразвуковой датчик уровня жидкости включает акустический волновод, на одном конце которого расположен электроакустический преобразователь, на другом акустический резонатор. При этом акустический волновод включает гибкий металлический стержень, к каждому концу которого жестко присоединен цилиндрический волновод через конический акустический концентратор, при этом один цилиндрический волновод присоединен к электроакустическому преобразователю, а другой цилиндрический волновод присоединен к акустическому резонатору - чувствительному элементу датчика.
Использование гибкого металлического стержня для соединения акустического резонатора и электроакустического преобразователя расширяет возможности использования датчика. Появляется возможность дистанционно разнести акустический резонатор, чувствительный элемент датчика, и электроакустический преобразователь, позволяет упростить монтаж отдельных узлов прибора. При этом можно размещать чувствительный узел датчика -резонатор - в необходимой для мониторинга уровня жидкости зоне, а электроакустический преобразователь в безопасном и удобном для обслуживающего персонала в месте, характеризуемым нормальной температурой, отсутствием излучений, помех, вибраций.
Связь между электроакустическим преобразователем и резонатором -осуществляется путем передачи ультразвуковых импульсов по гибкому металлическому стержню, устойчивому к температуре, излучениям, вибрациям и другим, прочим неблагоприятным для преобразователя и обслуживающего персонала агрессивным воздействиям.
Для прохождения металлических переборок, стен, оболочек акустический волновод имеет участки волновода - цилиндрический волновод, по наружным поверхностям которых его можно герметически закреплять, например, сваркой в пересекаемые стены, оболочки, переборки.
Кроме того, гибкий металлический стержень может быть выполнен с возможностью придания ему формы, необходимой для размещения в выделенном для него пространстве.
Помимо этого, гибкий металлический стержень может быть выполнен в виде проволоки. В частности, гибкий металлический стержень в виде проволоки может иметь диаметр 3-6 мм.
Конический акустический концентратор вершиной жестко прикреплен к гибкому металлическому стержню - проволоке, а широкой частью жестко прикреплен к цилиндрическому волноводу. Кроме того, вершина упомянутого конического акустического концентратора имеет диаметр равный диаметру гибкого металлического стержня, а широкая часть упомянутого конического акустического концентратора имеет диаметр равный диаметру цилиндрического волновода.
В частности, один из цилиндрических волноводов выполнен с возможностью с возможностью жесткого прикрепления к акустическому резонатору.
В частном случае наружная поверхность, по меньшей мере, одного цилиндрического волновода выполнена с возможностью жесткого крепления в пересекаемой волноводом перегородке.
В частном случае, участок акустического волновода, включающий гибкий металлический стержень и конические акустические концентраторы, могут быть помещены в гибкую защитную трубку. Трубка внутри может быть снабжена адаптерами для фиксации гибкого волновода внутри защитной трубки и выполнена с возможностью прикрепления к наружным поверхностям гибкого металлического стержня.
Изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена конструкция датчика, установленного в рабочем положении.
На Фиг 2 приведена конструкция электроакустического преобразователя в корпусе с подсоединенным акустическим волноводом.
На Фиг 3 показана конструкция акустического волновода датчика.
На Фиг 4 показана конструкция акустического волновода в оболочке.
На Фиг 5 приведена часть оболочки акустического волновода с адаптерами.
На Фиг. 6 показан вариант выполнения акустического резонатора датчика с закрытой полостью.
Ультразвуковой датчик уровня жидкости содержит акустический резонатор 1 соединенный акустическим волноводом 3 с электроакустическим преобразователем 2 (Фиг. 1). Акустический волновод 3 включает гибкий металлический стержень 4, к каждому концу которого жестко присоединен цилиндрический волновод 5 через конический акустический концентратор 6. Один цилиндрический волновод 5 подсоединяется к акустическому резонатору 1, другой к электроакустическому преобразователю 2. Гибкий металлический стержень 4 может быть выполнен в виде гибкого прутка, проволоки диаметром 3-6 мм. Гибкий металлический стержень 4 с двух сторон жестко прикреплен к вершинам конических акустических концентраторов 6, которые в свою очередь переходят в цилиндрические волноводы 5 (Фиг. 3). Как показано на рисунке, вершина упомянутого конического акустического концентратора 6 имеет диаметр близкий к диаметру гибкого металлического стержня 4, а широкая часть упомянутого конического акустического концентратора 6 имеет диаметр близкий к диаметру цилиндрического волновода 5. Электроакустический преобразователь 2 может устанавливаться в корпус 10 (Фиг. 2) который позволяет установить его на любом основании. В корпусе 10 может располагаться электронный блок 12.
Если это необходимо, акустический волновод 3 наружной поверхностью любого из цилиндрических волноводов 5 может быть жестко и герметично установлен в любой переборке или основании примерно в области подсоединения 7 волновода 6 (Фиг. 3). На Фиг 1 показано крепление цилиндрического волновода 5 к переборке 13 с помощью сварного шва 14. При этом гибкий металлический стержень 4 (проволока) может принимать форму удобную для размещения стержня 4 в выделенном для него пространстве.
Акустический резонатор 1 в данном датчике может быть применен различных типов. Например, как это показано на Фиг. 6, с закрытой полостью 11
Участок акустического волновода 3, включающий гибкий металлический стержень 4 и конические акустические концентраторы 6, может быть помещены в гибкую защитную трубку 8, например, гофрированную металлическую трубку, с целью защиты их от загрязнений, жидкостей и повреждений (Фиг. 4).
Гибкая защитная трубка 8 может быть снабжена адаптерами 9 (Фиг. 5) для фиксации гибкого волновода внутри защитной трубки и может быть прикреплена к наружным поверхностям гибкого металлического стержня 4. Адаптеры 9 могут представлять собой конусные втулки с внутренним отверстием для проволоки чуть больше, чем диаметр гибкого стержня (проволоки) 4.
С помощью импульсного генератора (на рисунках не показан) электронного блока 12, электроакустического преобразователя 2, цилиндрического волновода 5 и конического акустического концентратора 6, который также является акустическим согласователем в гибкий металлический стержень 4 (проволоку) передаются импульсные акустические колебания. С противоположного конца тонкого гибкого металлического стержня с помощью акустического концентратора 6 колебания поступают в цилиндрический волновод 5, к противоположному концу которого прикреплен акустический резонатор 2. Достигнув резонатора, акустический импульс вызывает собственные колебания резонатора 2, длительность которых зависит от среды (жидкой или газообразной) в которой он находится.
Собственные колебания резонатора 1 распространяясь в направлении, обратном по отношению к движению возбуждающего импульса последовательно через цилиндрический волновод 5, конический акустический концентратор 6, тонкий гибкий металлический стержень 4, конический акустический концентратор 6 и цилиндрический волновод 5, попадают к электроакустическому преобразователю 2. На клеммах преобразователя 2 образуется электрический импульсный сигнал форма, свойства, вид которого определяется видом (формой, свойствами) собственных колебаний акустического резонатора 1. Электрическая схема 12 обрабатывает принятые колебания, оценивает декремент затухания собственных колебаний резонатора 1 и принимает решение о среде - жидкость или не жидкость, в которой находится резонатор 1
Ослабление сигнала при распространении его по гибкому стержню ограничивает возможную для использования длину этого стержня. Практически подтверждена возможность использования в сигнализаторе уровня жидкости гибкого стержня длиной до 12 метров.
Устройство по предполагаемое изобретению позволяет использовать гибкий металлический стержень, проволоку в составе акустического волновода при создании волновода необходимой длины и конфигурации. Использование гибкой длинной металлической проволоки для соединения основных частей датчика позволит упростить монтаж его отдельных узлов. Появляется возможность дистанционно разнести чувствительный элемент датчика (акустический резонатор) и электроакустический преобразователь. В этом случае можно размещать чувствительный узел датчика -акустический резонатор - в необходимой для мониторинга уровня жидкости зоне, и необходимом положении, а электроакустический преобразователь в безопасном и удобном для обслуживающего персонала месте, характеризуемым нормальной температурой, отсутствием излучений, помех, вибраций.
В этом случае связь между электроакустическим преобразователем и чувствительным элементом устройства - резонатором - осуществляется путем передачи ультразвуковых импульсов по гибкой тонкой металлической проволоке, устойчивой к температуре, излучениям, вибрациям и другим, прочим неблагоприятным для преобразователя и обслуживающего персонала агрессивным воздействиям.