устройство для контроля предельного уровня в емкости

Формула изобретения

1. Устройство для контроля предельного уровня в емкости, содержащее механическую колебательную систему, которая состоит из двух или более штанг, выступающих в емкость и прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране, зажатой на краях и образующей с поверхностью штуцера или патрубка-удлинителя непроницаемую внутреннюю полость, в которой размещены преобразователь возбуждения и преобразователь обратной связи, имеющие на обоих концах металлические кольца и состоящие из набора пьезоэлектрических элементов, включая один или более пьезоэлементов, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для того, чтобы вынудить колебания штанг, перпендикулярно к их продольной оси, а также один или больше пьезоэлементов для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал, зажимного винта, прочно соединенного с мембраной со стороны, противоположной колебательным штангам, пронизывающего преобразователи возбуждения и обратной связи, отличающееся тем, что в него введено дополнительное металлическое кольцо, размещенное между мембраной и металлическим кольцом преобразователей, обращенным к данной мембране, соосно с ними, или упомянутое дополнительное металлическое кольцо выполнено за одно целое с металлическим кольцом преобразователей, кроме того, дополнительно введен патрубок, выполненный за одно целое с мембраной, причем дополнительное металлическое кольцо имеет диаметр не меньше диаметра внутренней полости, а толщину - не менее 2 толщин мембраны, и сделано из того же материала, что мембрана и штуцер и патрубок-удлинитель, и прочно связано с ним сваркой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на патрубке и штуцере или патрубке-удлинителе имеются цилиндрические пазы с диаметром, равным или больше диаметра дополнительного металлического кольца, и суммарной толщиной, равной или больше толщины дополнительного металлического кольца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для контроля уровня жидких или сыпучих веществ в емкости.

Известно устройство для определения и контроля предельного уровня в емкости, которое состоит из механической колебательной структуры из диафрагмы и по крайней мере двух осциллирующих штанг, которые вдоль продольной оси введены в контейнер. Устройство содержит также преобразователи возбуждения и обратной связи, образованные пакетом компонентов, и металлическое кольцо, размещенное на конце пакета, смежного с диафрагмой и по крайней мере два шипа давления, размещенных между металлическим кольцом и диафрагмой, обеспечивающих передачу колебаний от преобразователя возбуждения на диафрагму с осциллирующими штангами [1].

Недостатком этого технического решения является сложность монтажа преобразователей возбуждения и обратной связи во внутренней полости устройства, т.к. их установка и соединение с мембраной осуществляется только на двух шипах давления. Кроме того, на шипах давления малых размеров происходит концентрация контактных механических напряжений, что снижает прочность мембраны и устройства в целом.

Известно устройство для определения или контроля уровня заполнения емкости, содержащее установленную на отметке заданного уровня заполнения механическую колебательную систему с цилиндрическим закрытым мембраной в концевой части корпусом, расположенные столбиком пьезоэлектрические элементы, которые во время работы приводят механическую колебательную систему в колебания и воспринимают колебания, зависящие от уровня заполнения в данный момент, и обеспечивают их дальнейшее преобразование и обработку, которые расположены между первым и вторым пестами, примыкающими к концевой части и к столбику, причем столбик зажат вдоль продольной оси корпуса между ввинченным в корпус нажимным винтом и мембраной [2].

Недостатком этого технического решения также является сложность монтажа преобразователей возбуждения и обратной связи в виде столбика пьезоэлементов в корпусе, т.к. их установка и соединение с мембраной осуществляется только в 1-й точке - в желобке, выполненном в форме песта, в котором установлена с возможностью поворота круглая купольная часть песта, передающего колебания столбика пьезоэлементов на мембрану. Кроме того, на упомянутом желобке также происходит концентрация контактных механических напряжений, что снижает прочность мембраны и устройства в целом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для определения и контроля предельного уровня жидкости в емкости с механической колебательной структурой, которое состоит из двух и более колебательных штанг, выступающих в емкость и прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране, которая зажата на краях и образует с поверхностью штуцера непроницаемую внутреннюю полость. В полости размещены преобразователь возбуждения и преобразователь обратной связи, имеющие на обоих концах металлические кольца и состоящие из набора пьезоэлектрических элементов, включая один и более пьезоэлементов, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для того, чтобы колебание штанг было перпендикулярно к их продольной оси. Также один и более пьезоэлектрических элементов для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал. Зажимной винт прочно соединен с мембраной со стороны противоположной колебательным штангам, и характеризуется тем, что на стороне мембраны, противоположной колебательным штангам, сформировано плечо, которое радиально простирается вокруг внутренней круговой поверхности мембраны и передает линейные колебания преобразователя возбуждения к мембране [3].

Недостатком этого технического решения является недостаточная эффективность передачи колебаний от преобразователя возбуждения к осциллирующим штангам.

Заявляемое в качестве изобретения устройство для контроля предельного уровня в емкости позволяет устранить этот недостаток путем увеличения амплитуды колебаний штанг и электрического выходного сигнала преобразователя обратной связи. Это позволит расширить сферу его применения в более вязких и неоднородных сыпучих средах.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее механическую колебательную систему, состоящую из двух и более штанг, выступающих в емкость, прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране, зажатой на краях и образующей с поверхностью штуцера непроницаемую внутреннюю полость, в которой размещены преобразователь возбуждения и преобразователь обратной связи, имеющие на обоих концах металлические кольца и состоящие из набора пьезоэлектрических элементов, включая один и более пьезоэлемент, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для того, чтобы колебания штанг были перпендикулярны к их продольной оси, а также один и более пьезоэлектрических элементов для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал, зажимной винт, прочно соединенный с мембраной со стороны, противоположной колебательным штангам, проходящий через преобразователи возбуждения и обратной связи, было введено дополнительное металлическое кольцо, размещенное между металлическим кольцом преобразователей и мембраной, соосно с металлическими кольцами преобразователей, причем дополнительное металлическое кольцо выполнено из того же материала, что и мембрана и штуцер и жестко связано с ними сваркой. Также дополнительно введен патрубок, выполненный как единое целое с мембраной. Причем дополнительно введенное кольцо имеет диаметр не меньше диаметра внутренней полости, а толщину не менее двух толщин мембраны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства, на фиг.2, 3 - варианты исполнения устройства, на фиг.4-7 - материалы, подтверждающие эффективность предлагаемого технического решения, полученные с помощью компьютерного моделирования: на фиг.4 -геометрическая расчетная модель, на фиг.5 - зависимости коэффициента преобразования КП и амплитуды колебаний штанги U от диаметра металлического кольца, передающего колебания преобразователя возбуждения на мембрану, а на фиг.6 - зависимости этих же параметров от толщины металлического кольца.

Устройство для контроля предельного уровня в емкости, фиг.1-3, содержит механическую колебательную систему, которая состоит из двух или более штанг 1, выступающих в емкость и прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране 3, зажатой на краях и образующей с поверхностью штуцера 7 или патрубка-удлинителя 8 непроницаемую внутреннюю полость 22, в которой размещены преобразователь возбуждения 11, 12 и преобразователь обратной связи 13, 14, имеющие на обоих концах металлические кольца 10, 15. Кольца 10, 15 состоят из набора пьезоэлектрических элементов 11,12,13,14, включая один или более пьезоэлементов 11, 12, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для того, чтобы вынудить колебания штанг 1, перпендикулярно к их продольной оси, а также один или больше пьезоэлементов 13, 14 для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал, зажимного винта 4, 9, прочно соединенного с мембраной 3 со стороны, противоположной колебательным штангам, пронизывающего преобразователи возбуждения и обратной связи 11, 12, 13, 14, отличается тем, что в него введены дополнительно металлическое кольцо 6, размещенное между мембраной 3 и металлическим кольцом преобразователей 10, обращенным к мембране 3, соосно с ними, или дополнительно металлическое кольцо 6 выполнено за одно целое с металлическим кольцом преобразователей 10, кроме того, дополнительно введен патрубок 5, выполненный за одно целое с мембраной 3, причем дополнительное металлическое кольцо 6 имеет диаметр не меньше диаметра внутренней полости 22, а толщину не менее двух толщин мембраны 3, сделано из того же материала, что и мембрана 3, и штуцер 7 или патрубок-удлинитель 8, и прочно связано с ними, например, сваркой.

Дополнительное металлическое кольцо 6 может быть выполнено за одно целое с металлическим кольцом преобразователей 10, обращенным к мембране 3.

Устройство может иметь на патрубке 4 и штуцере 7 или патрубке-удлинителе 8 цилиндрические пазы 27, 28 с диаметром, равным или больше диаметра дополнительного металлического кольца 6, и суммарной толщиной, равной или больше толщины дополнительного металлического кольца 6.

Устройство содержит также электроизоляторы 16, 20, токосъемники 21 между пьезоэлементами 11, 12, 13, 14 и изоляторами 16 и проводники линий связи 17, 18, 19 с электронным преобразователем.

На фиг.2, 3 показаны варианты исполнения устройства, когда дополнительное металлическое кольцо 6 выполнено за одно целое с металлическим кольцом преобразователей 10, обращенным к мембране 3. При этом возможны варианты исполнения с патрубком-удлинителем 8 и штуцером 7 с резьбовым соединением 23 и шестигранником под ключ 24, фиг.2 или фиг.3 с патрубком-удлинителем и фланцем 25 с отверстиями под болты 26.

Устройство устанавливается в верхней, или нижней, или любой другой части емкости, где необходимо контролировать уровень, и работает следующим образом: напряжение от внешнего генератора подается на преобразователи возбуждения 11,12, которые деформируются благодаря пьезоэффекту. С помощью зажимного винта 4, 9 и дополнительного металлического кольца 6, опирающегося на патрубок 5, сообщают перемещение мембране 3 и штангам 1. Резонансная частота системы штанг 1 и мембраны 3 уменьшается по мере погружения штанг в вязкую среду. Пьезоэлементы 13, 14 служат для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал и управления работой генератора. При наполнении или опорожнении емкости вещество достигает места, где установлено устройство, и по мере погружения или осушения штанг изменяется их собственная частота колебаний. Изменение резонансной частоты системы является мерой уровня жидкости в точки расположения устройства контроля предельного уровня.

Подтверждением эффективности предлагаемого технического решения являются результаты расчетов характеристик устройства, полученные с помощью компьютерного моделирования.

На фиг.4 показана геометрическая расчетная модель устройства. На фиг.5 приведены расчетные зависимости коэффициента преобразования КП и амплитуды колебаний штанги U от относительного диаметра металлического кольца, передающего колебания преобразователя возбуждения на мембрану. На фиг.6 показаны расчетные зависимости КП и амплитуды колебаний U от относительной толщины металлического кольца при различных толщинах мембраны h_m.

На фиг.5: 1 - расчетная точка для прототипа; 2, 3 - расчетные точки для предлагаемого устройства при относительной толщине металлического кольца h₁ /h_m=2 и 5, где h_m - толщина мембраны; 4, 5 - расчетные зависимости для прототипа от относительного радиуса металлического кольца r₁/r₀, где r ₀ - радиус внутренней полости, при относительной толщине металлического кольца 2 и 5, соответственно. Под коэффициентом преобразования КП понимается отношение заряда, появляющегося на электродах преобразователя обратной связи, к напряжению генератора, питающего преобразователь возбуждения, раскачивающий штанги.

Источники информации

1. US 5191316, МПК B06B 1/06; G01F 23/296; G01H 13/00; G08B 021/00 «Apparatus for determining and/or monitoring a predetermined contents level in a container» 02.03.1993.

2. RU 2247606, МПК 7 B06B 1/06 «Устройство для определения и/или контроля заданного уровня заполнения емкости» 01.03.2001.

3. US 5408168, МПК B06B 1/06; G01F 23/296; G01F 023/28 «Device for determining and/or monitoring a predetermined filling level in a container» 18.04.1995 - прототип.