Датчик пьезоэлектрического сигнализатора уровня и положения границы раздела жидких сред

оооо,993132 Союз СоветсиикСоциалистичвскикРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Зая еле но 20, 02. 81 (21) 32511 ч 1/18-10(23)Приоритет .о Опубликовано 30.01.83. Бюллетень М 4 СССР дв делам вэееретевий и еткрытийДата опубликования описания 30 .01.83 72) Авторы изобретения А.И.Трофимов и В,В Отделение Ю 1 Томского орд и ордена Трудовго Красногоинститута им. С.М.К 7) Заявител(5 Й) ДАТЧИК ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРАУРОВНЯ И ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ЖИДКИХСРЕД элементов, закрепленных между двумянакладками, одна иэ которых является продольным волноводом, и фланец,установленный на продольном волноводе 2 .Недостатком известного устройстваявляется невысокая чувствительностьпри сигнализации уровня агрессивныхи взрывоопасных сред.Цель изобретения - повышение чувствительности устройства.Поставленная цель достигаетсятем, что датчик снабжен изгибным вол"новодом, жестко скрепленным в узлеколебании с продольным волноводом,а каждый кольцевой пьезоэлемент состоит иэ 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 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровня и положения границы раздела жидких агрессивных, токсических, взрывоопасных сред в химической, гидрометаллургической, 5 нефтяной и других отраслях промышленности.Известен ультразвуковой сигнализатор уровня жидкости, содержащий генератор, блок сигнализации, два10 стержневых волновода,закрепленных в углах колебаний в металлическом стакане, приемный и излучающий пьезоэлементы, прикрепленные каждый15 к одному из торцов волноводов, и третий волновод, жестко прикрепленный к противоположным торцам волново" да 1 .Наиболее близким по технической сущност и к предлагаемому является преобразователь для приема и иэлуче" ния ультразвуковых колебаний, содержащий,не менее двух кольцевых пвеэо-. ф-"ффф л,чеза.%щ шук А:.",: . ". дона Октябрьской Роевоолоюцоии ." Знамени полйтехййчвскоо, рована фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Бна фиг, 1,Датчик содержит прикрепЛенный ккорпусу 1 опорный фланец 2, расположенный в узле колебательной скорости продольного волновода 3, Конец продольного волновода, находящийся в контролируемой среде, сочленен с чувствительным элементом датчика - изгибным волноводом ч. На про" 10тивоположном конце продольного волновода установлены друг над другомизлучающие 5 и 6 и приемные 7 и 8части пьезоэлектрических элементов.Излучающая 5 и приемная 7 части верхнего слоя выполнены из одной и тойже пьезоэлектрической пластины, части 6 и 8 нижнего слоя выполнены равным образом из другой. Между излучающими и приемными слоями установленыпотенциальные электроды излучателя9 и приемника 10, электрически.связанные соответственно с генератором и блоком сигнализации (не показаны), Пьезоэлектрические слоизакреплены между накладками 3 и 11,в данном варианте, механической стяжкой с помощью шпильки 12 и гайки13. Накладка 3 одновременно является продольным волноводом,30В представленном варианте конст,рукции продольный волновод 3 является одновременно ступенчатым концентратором, а изгибный волновод 1 имеет вид плоского стержня, сочлененного посередине с концом концентратора.Пьезоэлектрические слои имеютформу плоских колец, разделенных наизлучающий и приемный секторы. Разделение на секторы возможно двумяспособами. По одному способу одна иэметаллических обкладок делится насекторы токонепроводящими промежутками, вторая же обкладка остаетсясбщей. По другому способу кольцо раэреэается, например, алмазной фрезойна секторы. Угол сектора-приемникаподбирается исходя из необходимогоуровня выходного сигнала и обычноравен 60.Сигнализатор работает следующимоб разом,Если рабочая частота генераторасовпадает с частотой резонанса изгибного волновода в газе, то погружение такого волновода в жидкостьвследствие инерции жидкости значительно уменьшает его резонансную ча ао 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 в жидкости,Это обеспечивает высокую чувствительность датчика, а также снистоту, что приводит к резкому падению выходного напряжения, снимаемого с приемного пьезопреобразователя, При равенстве рабочей частоты и частоты резонанса изгибного волновода в жидкости при погружении волновода в жидкость выходное напряжение резко возрастает, а при извлечении.из жидкости - падает, Таким образом, контролировать уровень жидкости можно по обоим режимам возбуждения изгибного волноводаОднако сигнализацию 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, например, 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.ной системы и повышенную стабильность рабочих характеристик при изменении температуры и уровня жидкойсреды, цто позволяет использовать еготакже для сигнализации положенияграницы раздела жидких фаз. Фо 1:мула изобретения Датчик пьезоэлектрического сигнализатора уровня и положения границы раздела жидких сред, содержащий не менее двух кольцевых пьезо-,15 элементов, закрепленных. между двумя.накладками, одна из которых является продольным волноводом, фланец,установленный на продольном волноводе, о т л и ч а ю щ и й с я тем,20 что, с целью повышения чувствитель -ности, он снабжвн изгибным волноводом, жестко скрепленным в узле колебаний с продольным волноводом, акаждый кольцевой пьезоэлемент состо 25 ит 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 экспертизе1. Авторское свидетельство СССРЮ 773442, кл. 6 01 Г 23/28, 19792. Бабиков О.И. Контроль уровня35 с помощью ультразвука ЛенинградНЗнергия", 1971, с. 67, рис. 51(прототип). 5 993132жает влияние на нее температуры,механических напряжений и временного старения пьезокерамики. Вследствие равенства резонансных частотизлучателя и приемника упрощаетсятакже настройка рабочей частотысигнализатора,Для повышения чувствительностииэгибный волновод должен быть выполнен с толщиной, которая на рабочей частоте генератора соответствует скорости изгибной волны, равной0,3-0,6 от скорости звука в жидкости,Чувствительные, элементы - изгибные волноводы -можнО изготавли-;вать в виде сменных насадок к продольному волноводу и крепить стандартными способами: сваркой, пай"кой, на резьбе и т.д Возможностьиспользования насадок из разногоматериала и с разной геометрией1,диски, круглые стержни )позволяютрегулировать чувствительность датчика и стойкость чувствительногоэлемента к различным вредным воздействиям. Возможность быстрой смены чувствительного элемента улуцша"ет также эксплуатационные характеристики сигнализатора,Датчики предлагаемого сигнализатора могут быть легко примейены вдискретных и следящих уровнемерах,Таким образом, предлагаемый сигнализатор является широкодиапазоннымустройством, имеет технологическуюконструкцио механической колебатель993132 рбелович ор А.фролова Тираж 871 НИИПИ Государстве по делам изобрет 3035, Москва, Всн ного комитета СССРний и открытий