СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ Российский патент 2023 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к сигнализаторам уровня, и предназначено для использования в различных отраслях народного хозяйства преимущественно для контроля уровня жидкостей в объектах, к работе которых предъявляются повышенные требования к надежности.

Известен ультразвуковой сигнализатор уровня, работающий на принципе прохождения, состоящий из высокочастотного генератора, датчика с двумя расположенными соосно на небольшом расстоянии щупами (обычно -пьезоэлектрическими преобразователями, в которых генератором ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент), один из которых является излучателем, другой - приемником ультразвуковых колебаний, полосового усилителя и индикаторного устройства с релейным выходом (см. книгу: Контроль уровня с помощью ультразвука. О.И. Бабиков. «Энергия», 1971, стр. 37-38). Принцип действия сигнализатора основан на значительной разности коэффициентов передачи двухщупового датчика в газовой и жидкой средах: акустическая связь между щупами возможна только при заполнении пространства между ними жидкостью. При подъеме (опускании) уровня в какой-то момент жидкость касается верхнего щупа (отрывается от верхнего щупа) и между щупами устанавливается (пропадает) акустическая связь, что проявляется в виде скачкообразного изменения состояния индикаторного устройства. Описанный сигнализатор обладает повышенной информационной надежностью, его продольная ось располагается в контролируемой емкости вертикально (перпендикулярно поверхности жидкости). В случае, когда установка сигнализатора непосредственно в емкости невозможна, его располагают в байпасе - вертикальной трубке, присоединенной к емкости в ее нижнем и верхнем сечениях. В разрыв трубки вваривается камера, в которой монтируется сигнализатор. Для вертикального (как и для горизонтального) расположения двухщупового датчика требуется камера достаточно большого размера, что ограничивает область применения сигнализаторов, использующих принцип прохождения.

Существенно меньшие габариты камеры требуются для установки выбранного в качестве прототипа ультразвукового сигнализатора уровня импедансного типа, работающего на принципе демпфирования, который содержит только один щуп (см. книгу: Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Советская энциклопедия, 1979, стр. 319-320). Сигнализатор уровня включает пьезоэлемент, акустически присоединенный к вибратору и электрически включенный в цепь положительной обратной связи полосового усилителя, и подключенное к выходу усилителя индикаторное устройство с релейным выходом. Вибратор представляет собой цилиндрический стержень с пояском для крепления к корпусу щупа, причем общая длина вибратора равна половине длины продольной ультразвуковой волны на частоте резонанса пьезоэлемента, а поясок находится посередине, т.е. в плоскости узла колебаний. Такая конструкция обеспечивает максимальную добротность резонансной системы «пьезоэлемент-вибратор» и гарантирует возникновение автоколебаний в системе «операционный усилитель-пьезоэлемент» при нахождении вибратора в воздухе. Принцип действия сигнализатора основан на срыве возбуждения генератора ультразвуковых колебаний при контакте вибратора с жидкостью. Когда вибратор контактирует с газом (воздухом), сопротивление пьезоэлемента, вносимое излучением (сопротивление излучения), мало, и в схеме создаются условия для возникновения генерации. При этом наличие напряжения на выходе индикаторного устройства свидетельствует о том, что уровень жидкости находится ниже волновода. Когда вибратор погружается в жидкость, сопротивление излучения пьезоэлемента резко увеличивается, его добротность падает, и условия для возникновения генерации нарушаются: отсутствие напряжения на выходе индикаторного устройства свидетельствует о контакте вибратора с жидкостью.

Описанный сигнализатор может быть установлен в байпасной трубке как вертикально, так и горизонтально, причем предпочтительной является именно горизонтальная установка, при которой камера имеет минимальные размеры. Особенность работы сигнализатора при горизонтальной установке заключается в том, что в момент срабатывания граница между жидкостью и газом скользит по излучающей поверхности вибратора, вследствие чего изменяется площадь смачиваемой поверхности вибратора и, соответственно, изменяется сопротивление излучения. Поскольку изменение уровня обычно сопровождается колебаниями поверхности жидкости, изменение площади смачиваемой поверхности вибратора и, соответственно, сопротивления излучения тоже носит периодический характер. Периодические изменения сопротивления излучения приводят к периодическому срыву автоколебаний, что проявляется в виде периодического изменения состояния выхода индикаторного устройства (ложных срабатываний). Если сигнализатор находится в контуре управления объекта, ложные срабатывания могут привести к аварийной ситуации.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - повышение надежности работы сигнализатора уровня, работающего на принципе демпфирования, при горизонтальном расположении оси вибратора.

Данная задача решается за счет того, что в сигнализатор уровня, включающий корпус, полуволновой вибратор, прикрепленный к корпусу с помощью пояска, расположенного на середине высоты вибратора, пьезоэлемент, акустически присоединенный к вибратору, полосовой усилитель с положительной обратной связью, в которую включен пьезоэлемент, и подключенное к выходу усилителя индикаторное устройство с релейным выходом, введены первый и второй резисторы и двухполюсный переключатель, причем в качестве индикаторного устройства используется выпрямитель, выход которого подключен к управляющему входу двухполюсного переключателя, при этом резисторы через двухполюсный переключатель включены в цепь обратной связи усилителя последовательно с пьезоэлементом так, что в каждом положении переключателя в цепь обратной связи включен только один резистор, причем при наличии на выходе выпрямителя напряжения высокого уровня в цепь обратной связи включается первый резистор, а при наличии напряжения низкого уровня - второй резистор, при этом сопротивление первого резистора подбирается из условия срыва автоколебаний при погружении вибратора в жидкость на глубину, составляющую 2/3 диаметра вибратора и более, а сопротивление второго резистора - из условия поддержания автоколебаний при погружении вибратора в жидкость на глубину, составляющую 1/3 диаметра вибратора и менее.

Сущность изобретения поясняется рисунками, на которых представлены: на фиг. 1 - блок-схема предлагаемого сигнализатора и схема его установки в байпасную трубку контролируемой емкости, на фиг. 2 - схема расположения уровней срабатывания сигнализатора при подключении первого и второго резисторов.

Сигнализатор уровня (фиг. 1) содержит круглый корпус 1, к которому с помощью пояска, расположенного на середине высоты, прикреплен цилиндрический полуволновой вибратор 2. К вибратору акустически присоединен (например, приклеен) пьезоэлемент 3 цилиндрической формы. Пьезоэлемент 3 включен в цепь обратной связи полосового усилителя с положительной обратной связью 4 через двухполюсный переключатель 5 (например, электромеханическое реле, управляющим входом которого является обмотка): в одном положении реле - через первый резистор 6 с меньшим сопротивлением, в другом положении - через второй резистор 7 с большим сопротивлением. Выход усилителя 4 подключен к входу выпрямителя 8, выход которого подключен к управляющему входу двухполюсного переключателя 5. Корпус 1 устанавливается горизонтально в камеру 9, вваренную в байпасную трубку 10, присоединенную к контролируемой емкости 11 в ее нижнем и верхнем сечениях. Уровень жидкости в емкости 11 совпадает с уровнем в байпасной трубке 10.

Сигнализатор работает следующим образом. Пусть в начальный момент уровень воды располагается ниже вибратора 2, т.е. он находится в воздухе. Отток энергии в воздух из-за низкой плотности воздуха незначителен, поэтому сопротивление цепи обратной связи равно сумме сопротивления внутренних потерь пьезоэлемента 3 и сопротивления первого резистора 6. Указанное суммарное сопротивление таково, что в цепи обратной связи усилителя 4 поддерживаются незатухающие колебания на резонансной частоте, определяемой осевой длиной вибратора 2. Выпрямитель 8 преобразовывает синусоидальный выходной сигнал усилителя 4 в постоянное напряжение, которым двухполюсный переключатель 5 включает в цепь обратной связи резистор 6. При подъеме уровня в байпасе вибратор 2 начинает погружаться в жидкость. При погружении возникает отток энергии в жидкость, к сопротивлению цепи обратной связи добавляется сопротивление излучения, потери в контуре увеличиваются, и колебания в какой-то момент срываются. Сопротивление резистора 6 подобрано таким образом, что срыв автоколебаний происходит при погружении вибратора 2 на глубину, составляющую 2/3 диаметра вибратора (плоскость А-А) и более. При срыве колебаний уровень напряжения на выходе выпрямителя 8 скачком изменяется с высокого на низкий и переводит двухполюсный переключатель 5 во второе положение. При этом в цепь обратной связи автогенератора вместо первого резистора 6 включается второй резистор 7, сопротивление которого больше сопротивления резистора 6 и подобрано таким образом, что возобновление автоколебаний происходит при погружении вибратора на глубину, составляющую 1/3 диаметра вибратора (плоскость Б-Б) и менее. В этом случае небольшие случайные колебания уровня (размах которых не превышает 1/3 диаметра вибратора) не могут привести к срабатыванию сигнализатора, т.е. вероятность появления ложных срабатываний (проявляющихся как «дребезг» сигнала компаратора) существенно снижается.

Были проведены сравнительные испытания макета предлагаемого и известного сигнализаторов уровня с диаметром вибраторов 8 мм. Сигнализаторы устанавливались горизонтально в емкости с водой так, чтобы при изменении уровня они срабатывали одновременно. Сигнализатор, изготовленный в соответствии с заявляемым техническим решением, был настроен таким образом, что возобновление автоколебаний происходило при погружении вибратора на 2,5 мм. После срабатывания сигнализаторов в емкости создавались колебания уровня с амплитудой 2 мм. Испытание показало, что колебания уровня приводят к появлению ложных срабатываний у известного сигнализатора, в то время как у предлагаемого сигнализатора они отсутствуют в пределах разности уровней (плоскости А-А и Б-Б), при которых происходит срыв автоколебаний и их возобновление (составлявшей 2,5 мм). Указанная разность обычно называется дифференциалом срабатывания, т.е. применение заявляемого технического решения создает у сигнализатора, работающего на принципе демпфирования, дифференциал срабатывания, который можно регулировать подбором величин первого и второго сопротивлений.

Таким образом, применение заявляемого технического решения обеспечивает повышение надежности контроля уровня с помощью ультразвукового сигнализатора, основанного на принципе демпфирования, при его расположении в байпасе - за счет исключения ложных срабатываний при наличии колебаний уровня в момент срабатывания.

Дополнительным достоинством описанного технического решения является предотвращение ложных срабатываний за счет перекрестной акустической помехи в случае, когда в общем корпусе размещаются три вышеописанных датчика, как, например, в сигнализаторе ИС-555. Трехканальный сигнализатор применяют в случаях, когда требуется обеспечить повышенную надежность контролируемого объекта, например, в космической или авиационной технике, атомной промышленности (при этом обычно используется мажоритарный принцип резервирования «2 из 3»: сигнализатор считается сработавшим, если сработали два из трех входящих в его состав датчиков). Для уменьшения взаимовлияния каналов частоты автоколебаний разносятся на величину, превышающую ширину полосы пропускания. Для этого вибраторы выполняются с разными (достаточно близкими) резонансными частотами. При этом той части акустической энергии, которая поступает через корпус датчика через крепежные пояски вибраторов от находящегося в режиме автоколебаний датчика на соседний датчик недостаточно для возбуждения в последнем вынужденных колебаний за счет эффекта «захвата частоты». Вибраторы датчиков располагаются на разной высоте, причем стенки камеры находятся на небольшом расстоянии от вибраторов. Как показал опыт эксплуатации трехканальных сигнализаторов, при прохождении через камеру поверхности раздела «газ/жидкость» (уровня) возникают ложные срабатывания, когда при частичном погружении в жидкость одного из каналов, за счет поступления на уже погруженный в жидкость другой канал ультразвуковой волны в последнем возобновляются автоколебания на частоте первого канала, т.е. его состояние изменяется с «жидкость» на «газ». Применение заявляемого технического решения благодаря наличию дифференциала срабатывания исключает подобные ложные срабатывания.

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам измерения уровня жидких сред. Сигнализатор уровня включает корпус, полуволновой вибратор, прикрепленный к корпусу с помощью пояска, расположенного на середине высоты вибратора, пьезоэлемент, акустически присоединенный к вибратору, полосовой усилитель с положительной обратной связью, в которую включен пьезоэлемент, и подключенное к выходу усилителя индикаторное устройство. В анализатор введены первый и второй резисторы и двухполюсный переключатель, причем индикаторное устройство выполнено в виде выпрямителя, выход которого подключен к управляющему входу двухполюсного переключателя, при этом резисторы через двухполюсный переключатель включены в цепь обратной связи усилителя последовательно с пьезоэлементом так, что в каждом положении переключателя в цепь обратной связи включен только один резистор, причем при наличии на выходе компаратора напряжения высокого уровня в цепь обратной связи включается первый резистор, при этом сопротивление первого резистора подбирается из условия срыва автоколебаний при погружении вибратора в жидкость на глубину, составляющую 2/3 диаметра вибратора и более, а сопротивление второго резистора - из условия поддержания автоколебаний при погружении вибратора в жидкость на глубину, составляющую 1/3 диаметра вибратора и менее. Технический результат - повышение надежности измерений. 2 ил.

Сигнализатор уровня, включающий корпус, полуволновой вибратор, прикрепленный к корпусу с помощью пояска, расположенного на середине высоты вибратора, пьезоэлемент, акустически присоединенный к вибратору, полосовой усилитель с положительной обратной связью, в которую включен пьезоэлемент, и подключенное к выходу усилителя индикаторное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены первый и второй резисторы и двухполюсный переключатель, причем индикаторное устройство выполнено в виде выпрямителя, выход которого подключен к управляющему входу двухполюсного переключателя, при этом резисторы через двухполюсный переключатель включены в цепь обратной связи усилителя последовательно с пьезоэлементом так, что в каждом положении переключателя в цепь обратной связи включен только один резистор, причем при наличии на выходе компаратора напряжения высокого уровня в цепь обратной связи включается первый резистор, при этом сопротивление первого резистора подбирается из условия срыва автоколебаний при погружении вибратора в жидкость на глубину, составляющую 2/3 диаметра вибратора и более, а сопротивление второго резистора - из условия поддержания автоколебаний при погружении вибратора в жидкость на глубину, составляющую 1/3 диаметра вибратора и менее.