устройство для определения и/или контроля уровня загруженного материала в емкости

Формула изобретения

1. Устройство для определения и/или контроля уровня заполняющего емкость материала или для определения технологического параметра заполняющего емкость материала, содержащее закрепленный на мембране вибрационный узел, который располагается на отметке заданного уровня заполнения таким образом, что он погружен в заполняющий емкость материал на определенную глубину, а также приемопередающий блок, который возбуждает в мембране и вибрационном узле при заданной частоте передачи колебания и который принимает колебания вибрационного узла, и блок регулирования и обработки, который определяет достижение заданного уровня заполнения по заданному изменению частоты или определяет по частоте колебаний вибрационного узла плотность заполняющего емкость материала, отличающееся тем, что приемопередающий блок (6) выполнен в виде дискообразного пьезоэлектрического элемента (15), на первой стороне (16) которого расположен электродный узел (24), причем электродный узел (24) содержит по меньшей мере два передающих электрода (20, 21) и два принимающих электрода (18, 19), при этом при, по существу, точечной симметрии расположены первый передающий электрод (20) напротив второго передающего электрода (21) и первый принимающий электрод (18) напротив второго принимающего электрода (19).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передающие электроды (20, 21) и/или принимающие электроды (18, 19) приемопередающего блока (6) выполнены, по существу, одинаковой формы.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что передающие электроды (20, 21) и/или принимающие электроды (18, 19) выполнены в виде 90-градусных круговых сегментов.

4. Устройство по п.1, 2 или 3, отличающееся тем, что первый и второй передающие электроды (20, 21) или первый и второй принимающие электроды (18, 19) имеют противоположную поляризацию.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что предусмотрен инвертор (22), инвертирующий электрический сигнал, присутствующий на одном из обоих передающих электродов (20, 21) приемопередающего блока (6).

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что оно содержит дифференциальный усилитель (23), на входы которого с обоих принимающих электродов (18, 19) поступают электрические сигналы.

7. Устройство по п.1, 2 или 3, отличающееся тем, что передающие электроды (20, 21) и принимающие электроды (18, 19) приемопередающего блока (6) имеют равнонаправленную поляризацию.

8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что пьезоэлектрический элемент (15) на своей второй стороне (17), противолежащей первой стороне (16) с расположенным на ней электродным узлом (24), содержит по меньшей мере частично, электропроводящее покрытие (29).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что на первой стороне (16) пьезоэлектрического элемента (15) с расположенным на ней электродным узлом (24) выполнен соединительный электрод (28), который по меньшей мере на одном участке на второй стороне (17) пьезоэлектрического элемента (15) соединен с электропроводящим покрытием (29), образующим соединенный на массу электрод.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля уровня заполняющего емкость материала или для определения плотности среды в емкости, содержащее закрепленный на мембране вибрационный узел, располагаемый на отметке заданного уровня заполнения таким образом, что он погружен в среду на определенную глубину, а также приемопередающий блок, который при заданной частоте возбуждения возбуждает в мембране и вибрационном узле колебания и принимает колебания вибрационного узла и блок регулирования и обработки, который определяет достижение заданного уровня заполнения по заданному изменению частоты или плотность среды на основе частоты колебаний вибрационного узла.

Известны устройства, содержащие, по меньшей мере, один вибрационный элемент, так называемый вибрационный детектор, для определения или контроля уровня заполняющего емкость материала. Вибрационный элемент представляет собой обычно, по меньшей мере, один вибрационный стержень, закрепленный на мембране. Посредством электромеханического преобразователя, например пьезоэлектрического элемента, мембрана приводится в колебания. Вследствие колебаний мембраны колебания совершает и закрепленный на ней вибрационный элемент.

Вибрационные детекторы, выполненные в виде приборов измерения уровня заполнения, используют эффект, при котором частота и амплитуда колебаний зависят от степени покрытия вибрационного элемента: если на воздухе вибрационный элемент может совершать колебания свободно и без затухания, то при его частичном или полном погружении в среду частота и амплитуда колебаний меняются. Следовательно, на основании заданного изменения частоты (обычно частоту замеряют) можно однозначно сделать вывод относительно достижения заданного уровня заполняющего емкость материала. Приборы для измерения уровня заполнения используются главным образом в целях предупреждения переполнения или холостой работы насоса.

Затухание колебаний вибрационного элемента зависит, кроме того, от плотности загруженного материала. Поэтому при постоянной степени покрытия существует функциональная зависимость от плотности загруженного материала, вследствие чего наиболее приемлемыми для определения уровня заполнения и плотности являются вибрационные детекторы. На практике для контроля и определения уровня заполнения или плотности загруженного материала в емкости принимают колебания мембраны и преобразуют их, по меньшей мере, одним пьезоэлектрическим элементом в принимаемые электрические сигналы. Затем принятые электрические сигналы обрабатываются в блоке обработки. В случае определения уровня заполнения блок обработки сигналов контролирует частоту и/или амплитуду колебаний вибрационного элемента и сигнализирует о состоянии: "Датчик перекрыт" или "Датчик не перекрыт" в том случае, когда измеренные величины оказываются меньше или больше заданной контрольной величины. Соответствующее сообщение может передаваться обслуживающему персоналу оптически и/или акустически. В качестве альтернативы или дополнительно применяется процесс коммутирования, например открывается или закрывается питательный или спускной клапан.

Из ЕР 0985916 А1 известен чрезвычайно оптимальный вариант выполнения приемопередающего блока, через который, во-первых, мембрана вибрационного датчика приводится в колебания и, вовторых, принимаются колебания мембраны и преобразуются в электрические сигналы. Приемопередающие электроды выполнены преимущественно полукруглой формы и располагаются на одной и той же стороне дискообразного пьезоэлектрического элемента; сам пьезоэлектрический элемент имеет однородную поляризацию и круговое сечение. Приемопередающие электроды располагаются симметрично оси, лежащей в плоскости мембраны, при этом ось соответствует диагонали круговой поверхности пьезоэлектрического элемента.

На стороне пьезоэлектрического элемента, противолежащей его стороне с находящимся на ней электродным узлом, располагается почти по всей поверхности соединенный на массу электрод. В случае если мембрана и корпус вибрационного детектора являются электропроводящими, то достаточно создать через мембрану электрический контакт между соединенным на массу электродом и корпусом. Если по соображениям техники безопасности не допускается электропроводящее соединение между мембраной или корпусом и пьезоэлектрическим элементом, то между мембраной и пьезоэлектрическим элементом прокладывают слой изоляции. В таком случае соединяемый на массу электрод подключается через соединительный электрод, расположенный на стороне пьезоэлектрического элемента, на которой находится электродный узел.

В основу изобретения положена задача усовершенствовать приемопередающий блок вибрационного детектора таким образом, чтобы свести к минимуму влияние паразитных сигналов.

Данная задача решается в результате того, что приемопередающий блок выполнен в виде дискообразного пьезоэлектрического элемента, на первой стороне которого расположен электродный узел, содержащий, по меньшей мере, два передающих и два принимающих электрода, причем при по существу точечной симметрии расположены первый передающий электрод против второго передающего электрода и первый принимающий электрод против второго принимающего электрода.

Техническое решение согласно изобретению обеспечивает одновременно несколько преимуществ:

1. Применение пьезоэлектрического диска в качестве приемопередающего блока обеспечивает возможность использования малого пространства в вибрационном детекторе.

2. Дискообразный пьезоэлектрический приемопередающий блок относительно прост в изготовлении.

3. В результате симметричного расположения приемопередающих электродов устройства подключения обеих электродных пар легко взаимозаменяемы. Поэтому исключается ошибочное контактирование электродов.

4. Электрическое контактирование может достигаться простым способом на одной стороне, например способом оплавления, так как электроды и противоположные электроды приемопередающего блока расположены на одной и той же стороне пьезоэлектрического элемента.

В предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению передающие электроды и/или принимающие электроды приемопередающего блока выполнены, по существу, одинаковой формы. Это особо оптимально ввиду указанных выше преимуществ, вытекающих из симметричного построения электродного узла.

Кроме того, предпочтительным вариантом выполнения устройства согласно изобретению является то, что передающие электроды и/или приемные электроды выполнены в виде 90-градусных круговых сегментов.

В предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению предусматривается, что первый и второй передающие электроды или первый и второй приемные электроды имеют противоположную поляризацию. Предпочтительно применять инвертор, инвертирующий передаваемый сигнал, присутствующий на одном из обоих передающих электродов приемопередающего блока. Кроме того, в предпочтительном варианте выполнения устройства, согласно изобретению, указанное устройство содержит дифференциальный усилитель, на входы которого поступают с обоих принимающих электродов принимаемые сигналы. Благодаря этому варианту выполнения достигается существенное повышение помехоустойчивости по отношению к синфазным помехам, например фону сети или посторонним вибрациям. В известных устройствах синфазные помехи до настоящего времени подавлялись за счет того, что в электронике применяется гальваническое разделение. В техническом решении согласно изобретению можно полностью отказаться от трансформатора, необходимого для гальванического разделения, что заметно сказывается на снижении производственной себестоимости.

В другом предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению передающие и принимающие электроды приемопередающего блока имеют равнонаправленную поляризацию, при этом оба передающих и принимающих электрода расположены по отношению друг к другу по точечной симметрии. Паразитные сигналы, вызываемые посторонней вибрацией, исключаются, так как они по величине одинаковы, но имеют противоположный знак.

Кроме того, в соответствии с обоими вариантами выполнения устройства согласно изобретению пьезоэлектрический элемент содержит на второй стороне, противолежащей первой стороне с расположенным на ней электродным узлом, по меньшей мере, частично электропроводящее покрытие. Такой вариант выполнения может применяться в сочетании с передающими и/или приемными электродами как с равнонаправленной, так и встречно направленной поляризацией.

В целях упрощения изготовления, в частности для обеспечения контактирования приемопередающего блока при технологической операции, например при оплавлении, на стороне пьезоэлектрического элемента, на которой располагается электродный блок, выполнен соединительный электрод, который соединен, по меньшей мере, на одном участке с электропроводящим образующим соединенный на массу электрод покрытием, нанесенным на вторую сторону пьезоэлектрического элемента.

В предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению предусмотрено, что соединительный электрод имеет форму полосы и что сторона пьезоэлектрического элемента, на которой располагается электродный узел, разделена предпочтительно на две части с одинаковой поверхностью.

Более подробно изобретение поясняется ниже с помощью чертежей, на которых представлено:

на фиг.1 - схематично устройство, согласно изобретению,

на фиг.2а - вид сверху на первую сторону пьезоэлектрического элемента с электродным узлом в первом варианте выполнения устройства согласно изобретению,

на фиг.2b - вид сбоку на пьезоэлектрический элемент, представленный на фиг.2а,

на фиг.2с - вид сверху на вторую сторону пьезоэлектрического элемента в первом предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению,

на фиг.3 - вид сверху на электродный узел в первом предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению,

на фиг.4 - схематично электрическое контактирование в варианте выполнения устройства согласно изобретению, представленном на фигурах 2-3,

на фиг.5а - вид сверху на первую сторону пьезоэлектрического элемента, на которой расположен электродный узел, во втором варианте выполнения устройства согласно изобретению,

на фиг.5b - вид сверху на вторую сторону пьезоэлектрического элемента, на которую нанесено электропроводящее покрытие, во втором предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению,

на фиг.6 блок-схема во втором предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению, представленном на фигурах 5а и 5b.

На фиг.1 схематично представлено устройство для определения и/или контроля уровня заполняющего емкость материала согласно изобретению, причем емкость и заполняющий ее материал на фиг.1 отдельно не выделены. Представленное на фиг.1 устройство 1 пригодно, как уже пояснялось выше, наряду с определением уровня заполнения также для определения плотности заполняющего емкость материала. Если при определении уровня заполнения вибрационный узел 2 только при достижении предельного уровня погружается или не погружается в загруженный материал, то при контроле или определении плотности оно постоянно находится в погруженном состоянии заполняющий емкость материал на определенную глубину. В качестве емкости может применяться, например, резервуар или труба, по которой перемещается заполняющий емкость материал.

Устройство 1 содержит, по существу, цилиндрический корпус. На боковой поверхности корпуса выполнена резьба 7. Резьба 7 служит для крепления устройства 1 на отметке заданного уровня заполнения и выполнена в соответствующем отверстии в емкости. Само собой разумеется, что могут применяться и другие виды крепления, например фланец, заменяющие резьбовое соединение.

Корпус вибрационного детектора 1 заканчивается мембраной 5, расположенной на его концевом, заходящим в емкость 3 участке, при этом мембрана 5 зажата своим краевым участком в корпусе. На мембране 5 закреплен входящий внутрь емкости вибрационный узел 2. В данном случае вибрационный узел 2 имеет форму камертона и содержит, следовательно, два разнесенных между собой, закрепленных на мембране 5 и входящих внутрь емкости вибрационных стержня 3, 4.

Мембрана 5 приводится в колебания приемопередающим блоком 6, причем передающий блок при заданной частоте передачи возбуждает в мембране 5 колебания, а приемный блок принимает ответные сигналы вибрационного узла 2. Приемопередающий блок 6 согласно изобретению детально поясняется с помощью приведенных ниже фигур. Вследствие колебаний мембраны 5 вибрационный узел 2 также совершает колебания, причем частота колебаний отличается, когда вибрационный узел 2 входит в контакт с загруженным материалом и масса согласована с загруженным материалом и когда вибрационный узел 2 выполнен с возможностью колебаний свободно и без контакта с заполняющим емкость материалом.

Пьезоэлектрические элементы выполнены с возможностью изменения своей толщины в зависимости от разницы напряжения, приложенного в направлении поляризации. Если приложено переменное напряжение, то толщина колеблется: при увеличении толщины уменьшается диаметр пьезоэлектрического элемента, при уменьшении же толщины соответственно увеличивается диаметр пьезоэлектрического элемента.

Вследствие такого поведения пьезоэлектрического элемента 15 разница напряжений вызывает прогибание заделанной в корпус мембраны 5. Расположенные на мембране 5 вибростержни 3, 4 вибрационного узла 2 вследствие колебаний мембраны 5 совершают встречно направленные колебания вокруг своей продольной оси.

Принимаемые электрические сигналы по линиям передачи данных 8, 9 подаются в блок регулирования и обработки 10. Блок регулирования и обработки 10 подключен к блоку памяти 11, в котором хранятся уставки. Сообщение о достижении заданного уровня заполнения или заданной плотности передается обслуживающему персоналу в данном случае через выходной блок 14. Кроме того, на фиг.1 представлен контрольно-управляющий пункт 12, расположенный на удалении от вибрационного детектора 1. Блок регулирования и обработки 10 и контрольный пункт 12 связаны между собой линией 13 передачи данных. Предпочтительно, чтобы связь осуществлялась на цифровой основе в целях повышения помехозащищенности. Разумеется, решение согласно изобретению может быть применено и в компактном датчике.

На фиг.2а представлен вид сверху на первую сторону 16 пьезоэлектрического элемента 15, на которой расположен электродный узел 24, в первом предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению. На фиг.2b представлен вид сбоку на пьезоэлектрический элемент 15, представленный на фиг.2а, на фиг.2с представлен вид сверху на вторую сторону 17 пьезоэлектрического элемента 15. На первой стороне 16 пьезоэлектрического элемента 15 расположен электродный узел 24, состоящий из четырех электродов 18, 19, 20, 21. В представленном случае электроды 18, 19, 20 и 21 представляют собой 90-градусные круговые сегменты, причем два соответствующих электрода 18, 19, 20, 21 расположены напротив друг друга при точечной симметрии по отношению к центру круга. Два противолежащих электрода с точечной симметрией выполнены в виде передающих электродов 20, 21; два остальных электрода 18, 19 выполнены в виде приемных электродов.

Как уже отмечалось выше, на вторую сторону 17 пьезоэлектрического элемента 15 нанесено металлическое покрытие 29, которое выполняет функцию соединенного на массу электрода. Соединенный на массу электрод расположен на обращенной к мембране 5 стороне пьезоэлектрического элемента 15. Если корпус вибрационного детектора или датчика плотности 1 и мембрана 5 выполнены из электропроводящего материала и имеют потенциал массы, то достаточно электрически соединить электропроводящее покрытие 29 с мембраной 5 с помощью, например, электропроводного клея или паяльной пасты.

В связи с описанием фигур 3 и 4 рассматривается предпочтительный вариант выполнения пьезоэлектрического элемента 15, который применяется всегда тогда, когда по соображениям техники безопасности не допускается электропроводящее соединение между пьезоэлектрическим элементом 15 и мембраной 5 или корпусом вибрационного детектора 1 или когда мембрана или корпус вибрационного детектора 1 выполнены из диэлектрического материала. В случае необходимости, как это описано в ЕР 0985916 А1, между мембраной 5 и соединенным на массу электродом прокладывают диэлектрический материал, например, в виде стеатитовой шайбы. Соответствующее место в описании ЕР 0985916 А1 дополняет соответствующее описание настоящей заявки.

На фиг.3 представлен предпочтительный вариант выполнения электродного узла 24 с двумя передающими 20, 21 и двумя приемными электродами 18, 19. Электроды 18, 19, 20, 21 имеют однородную поляризацию. Соответственно два противолежащих электрода 18, 19, 20, 21 с точечной симметрией образуют передающие электроды 20, 21 или принимающие электроды 18, 19. Благодаря соотношениям симметрии электродного узла 24 передающие электроды 20, 21 и принимающие электроды 18, 19 легко взаимозаменяются. Это положение отражено на фиг.3 символически маркировками подключения E/S и S/E. Благодаря специальному электродному узлу в сочетании с равнонаправленной поляризацией электродов автоматически исключаются синфазные помехи от посторонних вибраций.

На фиг.4 схематически представлено электрическое контактирование в варианте выполнения устройства согласно изобретению, представленному на фигурах 2-3. Такой вид контактирования пригоден, разумеется, и для второго варианта выполнения электродного узла 24 пьезоэлектрического элемента 15. Представленное на фиг.3 и фиг.6 контактирование отдельных электродов 18, 19, 20, 21 электродного узла 24 достигается с помощью токоведущих дорожек (жил). Предпочтительно, чтобы токоведущие дорожки 25, 26, 27 были встроены в так называемые гибкие перемычки. Гибкая перемычка представляет собой гибкую ленту, посредством которой соединены между собой отдельные токоведущие дорожки. Выполнение такой гибкой перемычки раскрыто в уже цитированных материалах ЕР 0985916.

В ЕР 0985916 А1 описан также вариант выполнения, представленный на фигурах 3 и 4 и обеспечивающий контактирование соединенного на массу электрода, а также передающего и принимающего электродов 18, 19, 20, 21 на первой стороне 16 пьезоэлектрического элемента 15. Контактирование на первой стороне 16 достигается с помощью соединительного электрода 18, который в представленном случае имеет вид уширенной диагонали и находится поверх цилиндрической боковой поверхности пьезоэлектрического элемента 15, в электрическом контакте с электропроводящим покрытием 29 на второй стороне пьезоэлектрического элемента. Благодаря этому возможно за один прием выполнить все необходимые контактирования способом оплавления, что естественно обеспечивает существенное сокращение времени и расходов.

На фиг.5а представлен вид сверху на первую сторону 16 с расположенным на ней электродным узлом 24 согласно второму варианту выполнения приемопередающего блока 6 согласно изобретению. Оба электрода 19, 20 на левой стороне пьезоэлектрического элемента 15 поляризованы противоположно обоим электродам 18, 21 на правой стороне пьезоэлектрического элемента 15.

На фиг.5b представлен вид сверху на вторую сторону пьезоэлектрического элемента 15 с расположенным на ней электропроводящим покрытием 29 согласно второму варианту выполнения устройства. Как уже описывалось выше, электропроводящее покрытие 29 может быть прямо соединено на массу через электропроводящую мембрану 5 и электропроводящий корпус. Вместе с тем возможно обеспечить потенциал массы для электропроводящего покрытия 29 через соединительный электрод 28 на первой стороне 16 пьезоэлектрического элемента с расположенным на ней электродным узлом 24.

На фиг.6 представлена блок-схема для второго варианта выполнения устройства согласно изобретению (фиг.5а, фиг.5b) или приемопередающего блока согласно изобретению. Инвертированный через инвертор 22 передаваемый сигнал поступает на передающий электрод 21; неинвертированный передаваемый сигнал поступает на передающий электрод 20. Следовательно, на обоих передающих электродах 20, 21 присутствуют передаваемые сигналы, которые по своей величине являются равными, но обладают противоположными знаками. Если возникает синфазная помеха от (на фигуре обозначена как помеха), вызванная, например, фоном сети и/или посторонними вибрациями, то от приемного электрода 18 поступает сигнал E₁=+Е+ и от приемного электрода 19 сигнал Е₂=-Е+. Оба эти сигнала подаются на входы дифференциального усилителя 23, на выходе которого формируется сигнал Е=E₁-Е ₂=+2Е, очищенный от синфазной помехи. Поэтому с помощью устройства согласно изобретению, в частности приемопередающего блока, становится возможным очень просто и эффективно подавлять помехи, воздействующие на оба расположенные с точечной симметрией электрода 18, 19; 20, 21.

Блок-схема для схемы с обратной связью в первом варианте выполнения устройства согласно изобретению раскрыта в неоднократно упоминавшихся материалах ЕР 0985916 А1, вследствие чего здесь нет необходимости в подробном описании.

Перечень позиций

1 вибрационный детектор или датчик плотности

2 вибрационный узел

3 вибростержень

4 вибростержень

5 мембрана

6 приемопередающий блок

7 резьба

8 линия передачи данных

9 линия передачи данных

10 блок регулирования и обработки

11 блок памяти

12 контрольный пункт

13 линия передачи данных

14 выходной блок

15 пьезоэлектрический элемент

16 первая сторона пьезоэлектрического элемента

17 вторая сторона пьезоэлектрического элемента

18 приемный электрод

19 приемный электрод

20 передающий электрод

21 передающий электрод

22 инвертор

23 дифференциальный усилитель

24 электродный узел

25 первая токоведущая дорожка

26 вторая токоведущая дорожка

27 третья токоведущая дорожка

28 соединительный электрод

29 электропроводящее покрытие