Устройство для определения уровня жидкости Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к технике измерения уровня жидких сред и может найти применение для автоматического измерения массы и уровня жидкости в емкостях,

Известен акустический уровнемер, в котором о контролируемом уровне судят по количеству полуволн звуковых колебаний, укладывающихся в воздушном зазоре между источником волн и зеркалом контролируемой жидкости. С ростом контролируемого уровня воздушный зазор уменьшается, частота колебаний растет, длина полуволны уменьшается. Стоячая полна в указанных уровнемерах возбуждается с помощью автогенератора, включающего резонирующий сголб воздуха в зазоре, возбудитель-приемник колебаний и усилитель обратной связи. Выходной сигнал прибора зависит только от величины воздушного зазора и скорости звука в воздухе или в другой среде в над- уровневом пространстве. Энергия в отраженной волне зависит от соотношения импедансов сред. При изменении плотности жидкости меняется энергия в отраженной волне, что не сказывается на выходном

сигнале прибора. Поэтому по показаниям акустического уровнемера в условиях изменения плотности жидкости нельзя определить ее массу в емкости.

Известен датчик уровня жидкости, содержащий трубчатый резонатор,закрепленный на упругом элементе, систему возбуждения и сьема малцх изгибных колебаний резонатора, вторичный прибор. Внутренняя полость резонатора сообщается с основной емкостью, в которой измеряют уровень жидкости.

Период колебаний резонатора зависит как от уровня жидкости в нем, так и от плотности контролируемой среды, Это не позволяет получить однозначную информацию о массе жидкости в емкости в условиях изменения плотности контролируемой среды, например, в результате изменения температуры.

Наиболее близким к предлагаемому является вибрационный уровнемер жидкости, содержащий два сообщающихся между собой и с основной емкостью резонатора, которые выполнены в виде сдвоенных

(/

с

VJ

DS

vj СО СЛ ГО

трубчатых камертонов, причем второй резонатор установлен в плоскости, проходящей через днище основной емкости, а первый - в плоскости, перпендикулярной днищу основной емкости, каждый резонатор снабжен системой возбуждения автоколебаний, состоящей из возбудителя, приемника и усилителя положительной обратной связи, выходы урилителей через измерители периодов колебаний подключены к блоку обработки сигналов, в котором периоды колебаний, вычитаются, выход блока обработки сигна лов подключен ко вторичному прибору.

Выходной сигнал первого резонатора зависит от уровня и плотности контролируемой жидкости, а выходной сигнал второго резонатора зависит только от плотности контролируемой жидкости.

Недостатком вибрационного уровнемера является низкая точность измерений, обусловленная различными полями неинформативных параметров резонаторов, определяемыми различными местами их установки. Другим недостатком являются большие габаритные размеры устройства. Кроме тогс( по выходному сигналу уровнемера нельзя определить массу жидкости в контролируемой емкости, что ограничивает функциональные возможности устройства.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет одновременного определения массы контролируемой жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения уровня жидкости, содержащее трубчатый камертонный резонатор, закрепленный упруго на основании, блок возбуждения изгибных автоколебаний резонатора, измерительный блок, первый вход которого подключен к выходу блока возбуждения изгибных автоколебаний, и индикатор, подключенный к выходу измерительного блока, дополнительно снабжено возбудителем-приемником акустических волн, закрепленным а верхней части резонатора, и автогенератором, в цепь которого включен возбудитель-приемник акустических волн, при этом второй вход измерительного блока подключен к выходу автогенератора.

Такая комбинация вибрационного и акустического уровнемеров позволяет измерять уровень и плотность контролируемой жидкости с повышенной точностью. Действительно, период колебаний Ti акустического уровнемера зависит от контролируемого уровня h согласно соотношению

Т|-. l-h. Tl с п

(1)

где L- общая длина резонатора вибрационного уровнемера;

L-h - длина резонатора акустического уровнемера;

с,п - скорость звука в надуровневом пространстве и номер гармоники.

Период Та колебаний вибрационного уровнемера зависит от уровня h и плотности р контролируемой жидкости согласно соотношению

15

T2 27rVa -p -h3+b ,

(2)

где а

Ь

S .

Г0

ЗН

S - проходное сечение трубки; Н - изгибная жесткость трубки резонатора;

10 - момент инерции трубки с закреп- ленными на ней деталями.

Решая в измерительном блоке (1) и (2) соЁместно, получим

SТ2 - 4л2 b

4л2 U ( L - Ti en )3 h L-Ticn

(3)

35 Имея зависимость площади сечения емкости S от уровня h при заданных значениях h и р, можно вычислить массу жидкости в емкости по формуле

40

М - р / S(h)dh

(4)

5

0

5

Тбчность определения р, h, а следовательно, и М, зависит от точности в измерении Ti и Т2 и определении констант с. а, Ь. Точность определения Ti и Т2 зависит от частоты ге Тноратбрэ заполнения pTi рТг , fr 100 МГц. Величины с,а,Ь довольно точно могут быть определены экспериментально, при пустом р 8ь 1,29 кг/м и заполненном дистиллированной иодой / РВОД 998,2 кг/м3 резонаторах рс, ра, pb, порядка ,

Предложенное техническое решение отличается от известных решений большей точностью измерений и-меньшими габаритными размерами и весом.

На чертеже изображено устройство для определения уровня жидкости.

Устройство содержит трубчатый резонатор 1, упруго закрепленный на основании и сообщающийся с основной емкостью 2, уровень жидкости в которой определяют. Блок возбуждения малых изгибных автоко- лебаний включает возбудитель 3 колебаний, приемник Л, усилитель 5 автогенератора. Возбудитель-приемник 6 акустических волн установлен в верхней части резонатора. Усилитель 7 акустического автогенератора пополняет энергию в стоячей звуковой волне в резонаторе. Выходы усилителей автогенераторов подключены ко входам измерительного блока 8, последний осуществляет вычисление h, р , М по соотноше- ниям (3) ч (4). В качестве измерительного блока может быть использован микропроцессор с преобразователями период-код. Числовые значения L, а, Ь, с сводят в память процессора. В качестве индикатора 9 может быть использовано алфавитно-цифровое печатающее устройство. Устройство может работать в условиях изменения массовой плотности контролируемой жидкости 10.

Устройство работает следующим обра- зом.

По закону сообщающихся сосудов уровни жидкости в емкости 2 и в резонаторе 1 выравниваются. Элементами 3,4,5 резонатор 1 приводится в режим малых изгибных автоколебаний с частотой порядка 20 Гц и девиацией 3-5 Гц при изменении уровня от О до 1 м. Частота колебаний уменьшается с увеличением уровня и плотности контролируемой жидкости, а период колебаний рас- тет. Одновременно в узком телесном угле внутри резонатора при помощи обратимого пьезоэлемента б с концентратором и усилителя автогенератора 7 возбуждается стоячая волна, длина которой при постоянной скорости распространения зсвисит только от расстояния между пьезоэлементом и

уровнем жидкости в резонаторе. Частота колебаний давления в стоячей волне растет с ростом контролируемого уропнп or 200 до 3500 Гц, период акустических колебаний уменьшается. Сигналы обоих а сто ген ораторов поступают в измерительный блок 8, в котором происходит преобразование периодов в код и последующий расчет значений массы жидкости в емкости М, плотности жидкости р и уровня h. Указанные значения регистрируются индикатором 9.

Предложенное техническое решение может найти применение для измерения уровня и массы жидкостей о условиях невесомости, когда инерционные силы создаются резонатором 1, а средой для передачи акустических колебаний являются пары контролируемой жидкости. Если надуровневые объемы резонатора и емкости соединить, можно производить измерения при любом давлении или разрежении.

Формула изобретения Устройство для определения уровня жидкости, содержащее трубчатый камертонный резонатор, закрепленный упруго на основании, блок возбуждения изгибных автоколебаний резонатора, измерительный блок, первый вход которого подключен к выходу блока возбуждения изгибных автоколебаний, и индикатор, подключенный к выходу измерительного блока, отличающееся тем, что, с целью пооышения точности и расширения функциональных возможностей за счет одновременного определения массы контролируемой жидкости, в него дополнительно введены возбудитель-приемник акустических волн, закрепленный « верхней части резонатора, и автогенератор, в цепь которого включен возбудитель-приемник акустических волн, при этом второй выход измерительного блока подключен к выходу автогенератора.

N

:%

/7

Использование: в измерительной технике для непрерывного измерения уровня и массы жидкости. Сущность изобретения: при измерении в резонаторе возбуждаются автоколебания двух типов, изгибные колебания резонатора и акустические, вызывающие стоячую волну в верхней части резонатора 7. Частота изгибных колебаний зависит от уровня и плотности, частота акустических колебаний зависит только от уровня. По данным сигналам в измерительном блоке определяется уровень и плотность, а также масса жидкости. 1 ил.