УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к средствам для измерения уровня жидких или сыпучих веществ, а точнее для индикации уровня путем измерения параметров звуковых или ультразвуковых волн, направленных непосредственно в среду с сыпучими или жидкими веществами.

Известны датчики для измерения уровня жидких или сыпучих материалов, содержащие несколько пьезоэлектрических элементов, покрытых для предупреждения коррозии и электропроводимости защитными мультиморфными веществами [1,2,3]
Такие датчики неудобны в использовании, для размещения их в закрытых емкостях требуются дополнительные устройства, которые тем не менее не обеспечивают полную герметичность емкостей, при этом мультиморфные покрытия из каучукоподобных материалов [1,2] довольно быстро разрушаются в активных средах, уровень которых измеряется.

Наиболее близким по технической сущности является ультразвуковой датчик [4] состоящий из эластичного кожуха, внутри которого в имеющейся камере размещен пьезоэлемент, окруженный звукопроводящим материалом, заполняющим пространство между пьезоэлементом и дном камеры, в которой он размещен внутри эластичного кожуха, изготовленного из нитрильного или натурального каучука, а в качестве звукопередающего материала использован полиуретан, при этом внутренние стороны камеры и звукопроводящий материал, расположенный на верхней стороне протектора покрыты тонким слоем звукопоглощающего материала, изготовленного из ячеистого пластика.

Такой датчик удобен в использовании, но он мало приспособлен для работы в агрессивных средах, так как слабо защищен сам датчик от воздействия химически активных веществ среды, в которой производят измерения уровня. Кроме того звукопередающий материал, изготовленный из полиуретана, не обеспечивает оптимального акустического согласования пьезоэлемента со средой, так как в полиуретане коэффициент затухания довольно высок. Такой датчик требует дополнительных приспособлений для установки в закрытых емкостях, содержащих агрессивные вещества, такие как кислоты, щелочи и другие.

Целью изобретения является улучшение акустических характеристик датчика и повышение его устойчивости к воздействию химически активных сред, в которых определяют уровень.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике, содержащем корпус, заполненный звукопоглощающим материалом, пьезоэлемент и звукопроводящий элемент, дно корпуса представляет собой мембрану, прикрепленную к корпусу прижимным кольцом с зазором, в котором размещены изолирующие прокладки, а на мембране внутри корпуса установлен протектор с пьезоэлементом, при этом корпус датчика, мембрана и прижимное кольцо выполнены из стали с нанесенным на их внешних сторонах покрытием из фторопласта, протектор изготовлен из вакуумной резины, а звукопоглощающий материал из вибропоглощающего кремнийорганического каучука.

От известного решения заявляемое устройство отличается тем, что корпус, изготовлен из звукопроводящего материала стали, а звукопоглощающий материал, заполняющий корпус из вибропоглощающего кремнийорганического каучука, протектор и пьезоэлемент размещены на мембране, которая является дном корпуса. Это позволяет судить о соответствии заявляемого решения критерию изобретения "новизна".

Постоянной проблемой при разработке датчиков для измерения уровня жидкостей или сыпучих материалов является защита датчиков от воздействия этих материалов. Использование для этих целей каучукоподобных материалов [1,2,4] неэффективно, так как каучукоподобный материал довольно быстро разрушается в химически активных средах. И для того, чтобы продлить сохранность таких датчиков, необходимы дополнительные средства, значительно усложняющие конструкцию и ухудшающие его акустические свойства.

Для того, чтобы значительно продлить сохранность датчика и при этом не усложнять его конструкцию, в заявленном решении дно корпуса выполнено в виде мембраны, прикрепленной к нему прижимным кольцом с зазором, в котором размещены изолирующие прокладки. Такая конструкция довольно проста и удобна для использования в химически активных средах и для того, чтобы защитить датчик от воздействия этих сред корпус, мембрана и прижимное кольцо выполнены из стали с нанесенным на их внешних сторонах покрытием из фторопласта.

При этом, чтобы датчик можно было использовать и в закрытых емкостях, не нарушая их герметичности, и в то же время не ухудшать его акустических свойств в заявляемом устройстве мембрана прикреплена к корпусу датчика прижимным кольцом с зазором, в котором размещены изолирующие прокладки. Такое крепление мембраны позволяет не ухудшить акустические свойства датчика по сравнению со свободной мембраной, не закрепленной по периметру [4]
Анализ информации в этой области техники не выявил сходных решений, что позволяет судить о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

Для того, чтобы предупредить отражение и переотражение от внутренних стенок корпуса, изготовленного из стали, его внутренняя полость заполнена звукопоглощающим материалом, таким как вибропоглощающий кремнийорганический каучук. В отличии от [1,2,4] каучукоподобный материал используется не как защитное покрытие, а как звукопоглощающий материал (демпфер).

Кроме того такой материал для демпфирования значительно снижает добротность пьезоэлемента.

Как известно, добротность пьезоэлемента определяет длительность свободных затухающих колебаний после окончания воздействия на пьезоэлемент импульса возбуждения.

Качество демпфирования определяется эффективностью рассеивания ультразвука как можно в меньшем объеме (габаритах) и возможностью снизить добротность до требуемых пределов.

Используемый, как звукопоглощающий материал, вибропоглощающий кремнийорганический каучук имеет следующие характеристики: коэффициент затухания 99% ультразвуковой энергии на расстоянии 5 мм, добротность снижается в 7-8 раз, что позволяет увеличить мертвую зону до 100-200 мм с датчиком, работающим на частоте 50 кГц.

Таким образом, то что демпфер изготовлен из вибропоглощающего кремнийорганического каучука позволяет значительно улучшить акустические свойства датчика.

Для того, чтобы не ухудшить акустическую согласованность такого датчика, звукопроводящий элемент изготовлен из вакуумной резины.

Известно, что акустическое согласование со средой пьезоэлемента, который является излучателем, заключается в том, чтобы выбрать такой материал, у которого акустическое сопротивление
Z ρx [ C, (1)
Z_ср < Z_пр < Z_n (2) где Z_ср акустическое сопротивление среды (газа),
Z_пр акустическое сопротивление протектора,
Z_n акустическое сопротивление излучателя (пьезоэлемента),
ρ плотность вещества,
С скорость звука в веществе.

Эти параметры у вакуумной резины соответствуют такому условию, так как если судить по данным, полученным в результате эксперимента, которые приведены в таблице, коэффициент затухания в 1,5 раза меньше, чем у того же полиуретана.

Кроме того, для акустической согласованности пьезоэлемента и газа требуется как можно меньшая толщина протектора, чтобы по возможности уменьшить затухание звука в протекторе. Как известно, оптимальное согласование происходит тогда, когда толщина протектора равна половине длины волны
H , (3) где Н толщина протектора; λ длина волны звука в протекторе, которая определяется, исходя из выражения
λ , (4) где С скорость звука в протекторе, F частота излучения.

Например, при частоте F 50 кГц,
λ резины 20,8 мм, а λ полиуретана 32 мм, отсюда
H резины 10,4 мм,
H полиуретана 16 мм, отсюда K 1.5.

Таким образом толщина протектора, изготовленного из резины, при прочих равных условиях в 1,5 раза меньше, чем толщина протектора из полиуретана.

Как было ранее отмечено, исходя из таблицы, коэффициент затухания у вакуумной резины в 1,5 меньше, чем у полиуретана.

Общий выигрыш:
К К˙К 1,5 х 1,5 2,25.

На чертеже показан пример конкретной реализации устройства, где 1 пьезокерамический элемент, например, типа ЦТС-19,2 звукопередающий элемент из вакуумной резины (протектор), 3 звукопоглощающий материал (демпфер), 4 стальная мембрана, 5 изолирующие резиновые прокладки, 6 корпус датчика, 7 прижимное кольцо, 8 покрытие из фторопласта, 9 электрические выводы, 10 фланец крепления датчика к емкости с жидкостью, уровень которой определяют.

Работает устройство следующим образом.

Электрический импульс от генератора амплитудой 300 В, частотой 50 кГц и длительностью 200 мкс подается на пьезокерамический элемент 1 через электрические выводы 9. Пьезокерамический элемент преобразовывает этот импульс в акустический, который, проходя через протектор 2 и стальную мембрану 4, передается в сторону жидкости, уровень которой измеряется и в звукопоглощающий материал 3, в котором происходит его полное затухание во внутренней полости датчика. Стальная мембрана 4, защищая внутреннюю полость датчика от внешних воздействий в момент излучения, передает акустический импульс в среду, совершая колебательные движения. Колебательные движения мембраны не передаются на корпус датчика 6 и прижимное кольцо 7, так как она зафиксирована между изолирующими прокладками 5, которые демпфируют колебания краев мембраны.

Прижимное кольцо 7 соединено с корпусом 6 так, чтобы обеспечить полную герметичность внутренней полости датчика, например, резьбовым соединением.

Поступивший акустический импульс, отразившись от поверхности жидкости, уровень которой измеряется, возвращается на датчик, проходя через мембрану 4, протектор 2, воздействует на пьезокерамический элемент 1, где акустический импульс преобразуется в электрический сигнал, который по электрическим выводам поступает на устройство регистрации.

Использование: в средствах определения уровня жидких или сыпучих материалов с использованием акустического излучения. Сущность: пьезокерамический элемент 1 преобразовывает электрический импульс в акустический, который, проходя через протектор 2, изготовленный из вакуумной резины, и стальную мембрану 4, передается в сторону жидкости, уровень которой измеряется, и в демпфер 3 из кремнийорганического каучука, в котором происходит его полное затухание во внутренней полости датчика. Стальная мембрана 4, защищая внутреннюю полость датчика от внешних воздействий в момент излучения, передает акустический импульс в жидкость, совершая колебательные движения. Колебательные движения мембраны не передаются на корпус датчика 6 и прижимное кольцо 7, так как она зафиксирована между изолирующими прокладками 5, которые демпфируют колебания краев мембраны. 1 ил., 1 табл.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ, содержащий корпус, заполненный звукопоглощающим материалом, в котором размещены пьезоэлемент и звукопроводящий элемент, отличающийся тем, что дно корпуса выполнено в виде мембраны, прикрепленной к нему прижимным кольцом с зазором, в котором размещены изолирующие прокладки, а внутри корпуса на мембране установлены звукопроводящий элемент с пьезоэлементом, при этом корпус датчика, мембрана и прижимное кольцо выполнены из стали с нанесенным на их внешние стороны покрытием из фторопласта, протектор изготовлен из вакуумной резины, а звукопоглощающий материал, заполняющий корпус, из вибропоглощающего кремнеорганического каучука.