Датчик пьезоэлектрического сигнализатора уровня и положения границы раздела жидких сред Советский патент 1983 года по МПК G01F23/296 

() ДАТЧИК ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРА УРОВНЯ И ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ЖИДКИХ Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использова но для контроля уровня.и положения границы раздела жидких агрессивных, токсических, взрывоопасных сред в хи м иче ско и, г ид ромет а лл у р ги че с кой, нефтяной и других отраслях промышленности. Известен ультразвуковой сигнализатор уровня жидкости, содержащий генератор, блок сигнализации, два стержневых волновода,закрепленных в углах колебаний в металлическом . стакане, приемный и излучающий пьезоэлементы, прикрепленные каждый к ОДНОМУ из торцов волноводов, и тр тий волновод, жестко прикрепленный к противоположным торцам волновода 1 . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь для приема и излуче ния ультразвуковых колебаний, содер жащий, не менее двух кольцевых пьезо СРЕД . элементов, закрепленных между двумя накладками, одна из которых является продольным волноводом, и фланец, установленный на продольном волноводе 2 . Недостатком известного устройства является невысокая чувствительность при сигнализации уровня агрессивных и взрывоопасных сред. Цель изобретения - повышение чувствительности устройства. Поставленная цель достигается тем, что датчик снабжен изгибным волноводом, жестко скрепленным в узле колебании с продольным волноводом, а каждый кольцевой пьезоэлемент состоит из излучающей и приемной частей, установленных с радиальными зазорами между ними, причем площадь приемной части составляет 15-20 площади излучающей части. На фиг. 1 представлена конструкция датчика; на фиг. 2 - разрез А-А 3 на фиг. 1; на фиг, 3 разрез Б-Б на фиг. 1, Датчик содержит прикрепленный к корпусу 1 опорный фланец 2, расположенный в узле колебательной скорости продольного волновода 3. Конец продольного волновода, находящийся в контролируемой среде, сочле нен с чувствительным элементом датчика - изгибным волноводом Ц, На пр тивопоЛожном конце продольного волновода установлены друг над другом излучающие 5 и 6 и приемные 7 и 8 части пьезоэлектрических элементов. Излучающая 5 и приемная 7 части верх- $ него слоя выполнены из одной и той же пьезоэлектрической пластины, час ти 6 и 8 нижнего слоя выполнены рав ным образом из другой. Между излуча ющими и приемными слоями установлен потенциальные электроды излучателя 9 и приемника 10, электрически связанные соответственно с генератором и блоком сигнализации (не показаны). Пьезоэлектрические слои закреплены между накладками 3 и 11, в данном варианте, механической стя кой с помощью шпильки 12 и гайки 13. Накладка 3 одновременно является продольным волноводом. в представленном варианте конструкции продольный волновод 3 является одновременно ступеячатым конце тратором, а изгибный волновод имеет вид плоского стержня, сочлененно го посередине с концом концентратора. Пьезоэлектрические слои имеют форму плоских колец, разделенных на излучающий и приемный сёкторь. Разделение на секторы возможно двумя способами. По одному способу одна и металлических обкладок делится на секторы токонепроводящими промежутками , вторая же обкладка остается общей. По другому способу кольцо ра резается, например, алмазной фрезой на секторы. Угол сектора-приемника подбирается исходя из необходимого уровня выходного сигнала и обычно равен 60°, Сигнализатор работает следующим образом. Если рабочая частота генератора совпадает с частотой резонанса изгибного волновода в газе, то погружение такого волновода в жидкость вследствие инерции жидкости знамительно уменьшает его резонансную ча 2 стоту, что приводит к резкому падению выходного напряжения, снимаемого с приемного пьезопреобразователя. При равенстве рабочей частоты и частоты резонанса изгибного волновода в жидкости при погружении волно.вода в жидкость выходное напряжение резко возрастает, а при извлечении.из жидкости - падает. Таким образом, контролировать уровень жидкости можно по обоим режимам возбуждения изгибного волновода. Однако сигнализац1«з положения границы раздела жидких фаз, волновые сопротивления которых различаются наМНОГО меньше, чем волновые сопротивления сред газ - жидкость, можно осуществить только по второму режиму возбуждения изгибного волновода - по частоте его резонанса в жидкости. В этом случае чувствительность датчика к изменению жидких фаз резко возрастает. При переходе изгибного волновода из одной жидкой фазы в другую вследствие различия их волновых сопротивлений резонансная частота изгибного волновода ступенчато изменяется и соответственно ступенчато изменяется выходное напряжение. При настройке рабочей частоты сигнализатора, капример, на частоту резонанса изгибного волновода в жидкой фазе с наибольшей плотностью переход изгибного волновода в .более легкие фазы ступенчато увеличивает резонансную частоту и вследствие отклонения частоты резонанса от рабочей приводит к ступенчатому падению выходного напряжения. При выходе же изгибного волновода из жидкой среды в газ выходное напряжение падает практически до нуля. Таким образом, при соответствующей настройке порогов срабатывания сигнализатора можно одновременно контролировать как уровень жидкой среды, так и положение границы раздела жидких фаз. Данный режим возбуждения полезен и тем, что расширяет рабочий диапазон температур, так как температурные изменения физико-химических параметров водных растворов снижают вредное влияние температуры на частоту резонанса изгибного волновода а жидкости. Это обеспечивает высокую чувствительность датчика, а также сни5жает влияние на нее температуры, . механических напряжений и временного старения пьезокерамики. Вследствие равенства резонансных частот излучателя и приемника упрощается также настройка рабочей частоты сигнализатора, Для повышения чувствительности изгибный волновод должен быть выполнен с толщиной, которая на рабочей частоте генератора соответствует скорости изгибной волны, равной 0,3-0,6 от скорости звука в жидкости. Чувствительные, элементы - изгибные волноводы - можнб изготавливать в виде сменных насадок к продольному волноводу и крепить стандартными способами: сваркой, пайкой, на резьбе и т.д.. Возможность использования насадок из разного материала и с разной геометрией (диски, круглые стержни)позволяют регулировать чувствительность датчика и стойкость чувствительного элемента к различным вредным воздействиям. Возможность быстрой смены чувствительного элемента улучшает также эксплуатационные характери стики сигнализатора. Датчики предлагаемого сигнализатора могут быть легко применены в дискретных и следящих уровнемерах. Таким образом, предлагаемый сигн лизатор является широкодиапазонным устройством, имеет технологическую конструкцию механической колебател 26 ной системы и повышенную стабильность рабочих характеристик при изменении температуры и уровня жидкой. среды, что позволяет использовать его также для сигнализации положения границы раздела жидких фаз. формула изобретения Датчик пьезоэлектрического сигнализатора уровня и положения границы раздела жидких сред, содержащий не менее двух кольцевых пьезоэлементов, закрепленных.между двумя накладками, одна из которых является продольным волноводом, фланец, установленный на продольном волнОводе, отл ичающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен изгибным волноводом, жестко скрепленным в узле колебан1 с продольным волноводом, а каждый кольцевой пьезоэлемент состоит из излучающей и приемной частей установленных с радиальными зазорами между ними, причем площадь приемной части составляет 15-20 ; площади излучающей части. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР , кл. G 01 F 23/28, 1979. 2.Бабиков О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука, Ленинград, Энергия, 1971, с. 67, рис. 51 (прототип).