Накладной датчик уровня жидкости

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике контроля уровня жидкости и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Накладной датчик уровня жидкости содержит корпус, пьезоэлемент и магнитное кольцо. Пьезоэлемент помещен в корпус, который герметично закрыт крышкой и имеет сальниковый ввод для соединительного кабеля. Магнитное кольцо помещено в металлическую обойму, которая навинчивается на корпус датчика. Внутри магнитного кольца установлен подвижный поршень из немагнитного материала. В выемку на одном торце подвижного поршня вклеен пьезоэлемент по боковой цилиндрической поверхности так, чтобы передняя поверхность пьезоэлемента была акустически связана с внешней поверхностью емкости, а задняя поверхность пьезоэлемента оставалась свободной и ничем не демпфировалась. Пьезоэлемент прижат к поверхности стенки пружиной, которая надета на поршень. На другом торце поршня закреплена плата с радиоэлементами, два вывода которой подключены к пьезоэлементу, а два других - к соединительному кабелю. Толщина пьезоэлемента выбирается из условия, чтобы собственная резонансная частота колебаний пьезоэлемента по толщине была близка или совпадала с резонансом стенки контролируемого резервуара. Радиус пьезоэлемента должен отвечать условию нахождения толщины стенки в пределах ближней зоны поля излучения пьезоэлемента. Технический результат состоит в контроле уровня жидкости снаружи, не нарушая целостности резервуара и не останавливая технологический процесс для монтажа датчика. 2 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой технике контроля уровня жидкости и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях промышленности.

Известны ультразвуковые датчики уровня, принцип действия которых основан на фиксации прохождения ультразвуковым сигналом промежутка между излучателем и приемником при заполнении промежутка жидкостью (см. авт.св. СССР 757856, кл. G 01 F 1/66). Недостатком такого датчика является сильная зависимость показаний от загазованности и загрязнения жидкости.

Известны также ультразвуковые датчики уровня, работающие по принципу демпфирования колебаний пьезоэлемента при соприкосновении датчика с жидкостью (см. авт. св. СССР 775626, кл. G 01 F 23/28). Недостатком такого датчика является требование размещения внутри контролируемого резервуара. Наиболее близким по технической сущности является датчик ультразвукового сигнализатора уровня агрессивных жидкостей (см. авт. св. СССР 756214, кл. G 01 F 23/28).

Датчик, содержащий корпус, выполненный в виде цилиндрического стакана, к дну которого прикреплены изолирующий контур, выполненный в виде цилиндрического кольца, и концентратор в виде цилиндра. С торцом цилиндра сочленен пьезопреобразователь, электроды которого подключены к автогенератору, соединенному со схемой сигнализации. Недостатком такого датчика также является необходимость размещения его внутри резервуара.

Целью изобретения является контроль уровня жидкости снаружи без нарушения целостности резервуара и без остановки технологического процесса для монтажа датчика.

Поставленная цель достигается тем, что накладной датчик уровня жидкости содержит магнитное кольцо, обеспечивающее крепление датчика к стальной стенке емкости, причем магнитное кольцо помещено в металлическую обойму, которая навинчивается на корпус датчика, а внутри магнитного кольца установлен подвижный поршень из немагнитного материала, в выемку на торце которого вклеен пьезоэлемент по боковой цилиндрической поверхности так, чтобы передняя поверхность пьезоэлемента была акустически связана с внешней поверхностью емкости, а задняя поверхность пьезоэлемента оставалась свободной и ничем не демпфировалась, причем толщина пьезоэлемента выбирается из условия, когда собственная резонансная частота колебаний пьезоэлемента по толщине близка или совпадает с резонансом стенки контролируемого резервуара, а радиус пьезоэлемента должен отвечать условию нахождения толщины стенки в пределах ближней зоны поля излучения пьэзоэлемента, причем пьезоэлемент прижат к поверхности стенки пружиной, надетой на поршень, на другом торце которого закреплена плата с радиоэлементами, два вывода которой подключены к пьезоэлементу, а два других к соединительному кабелю.

На фиг.1 приведена конструктивная схема предлагаемого датчика, а на фиг. 2 показана электрическая схема.

Датчик содержит магнитное кольцо 1, стальную обойму 2, немагнитный поршень 3 с надетой на него пружиной 4 и вклеенным пьезоэлементом 5, а также с закрепленной винтом 6 платой 7 с радиоэлементами, подключенной к пьезоэлементу и к соединительному кабелю 8, закрепленному в сальнике 9, установленном в корпусе 10, закрытом крышкой 11. Плата с радиоэлементами содержит трансформатор 12, конденсаторы 13 и 14, диоды 15, 16 и резистор 17.

Датчик работает следующим образом. По соединительному кабелю 8 подается переменное напряжение с частотой резонанса стенки емкости, т.е. на этой частоте в толщине стенки укладывается целое число полуволн.

где F - частота возбуждения пьезоэлемента, С - скорость звука в материале стенки, Н - толщина стенки, n - целое число (1,2,3,...).

На этой частоте амплитуда колебаний пьезоэлемента максимально зависит от наличия или отсутствия жидкости в месте установки датчика. При отсутствии жидкости амплитуда больше, при наличии жидкости меньше. Для обеспечения локальности зондирования уровня радиус пьезоэлемента выбирается из условия нахождения толщины стенки в пределах ближней зоны поля излучения пьезопреобразователя, т.е. должно выполняться условие где R - радиус пьезоэлемента, длина волны ультразвуковых колебаний в стенке.

В этом случае ультразвуковой луч не будет расходиться, обеспечивая локальность ультразвукового пятна.

На катоде диода 15 выделяется постоянное напряжение, зависящее от амплитуды колебаний пьезоэлемента.

Таким образом, переменное напряжение в кабеле 8 будет иметь постоянную составляющую, зависящую от положения уровня жидкости в контролируемой емкости.

Формула изобретения

Накладной датчик уровня жидкости, содержащий пьезоэлемент, помещенный в корпус, герметично закрытый крышкой и имеющий сальниковый ввод для соединительного кабеля, отличающийся тем, что он содержит магнитное кольцо, обеспечивающее крепление датчика к стальной стенке емкости, причем магнитное кольцо помещено в металлическую обойму, которая навинчивается на корпус датчика, а внутри магнитного кольца установлен подвижный поршень из немагнитного материала, в выемку на торце которого вклеен пьезоэлемент по боковой цилиндрической поверхности так, чтобы передняя поверхность пьезоэлемента была акустически связана с внешней поверхностью емкости, а задняя поверхность пьезоэлемента оставалась свободной и ничем не демпфировалась, причем толщина пьезоэлемента выбирается из условия, чтобы собственная резонансная частота колебаний пьезоэлемента по толщине была близка или совпадала с резонансом стенки контролируемого резервуара, а радиус пьезоэлемента должен отвечать условию нахождения толщины стенки в пределах ближней зоны поля излучения пьезоэлемента, причем пьезоэлемент прижат к поверхности стенки пружиной, надетой на поршень, на другом торце которого закреплена плата с радиоэлементами, два вывода которой подключены к пьезоэлементу, а два других - к соединительному кабелю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2