ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ УРОВНЯ

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам контроля уровня жидкости в технологических сосудах.

Известен датчик положения уровня [1], содержащий чувствительный элемент (ЧЭ), включающий пьезоэлектрические излучатель и приемник, находящиеся в корпусе и соединенные с преобразователем. Возможности применения указанного датчика ограничены. Так, например, при использовании для контроля нефти, мазута, нефтепродуктов из-за наличия в них вязких компонентов (парафинов, битума) возможно загрязнение чувствительного элемента, в результате чего могут произойти ложные срабатывания датчика. При использовании в определенных температурных условиях возможно и обледенение ЧЭ, что также может вызвать ложные срабатывания.

Известен также датчик положения уровня [2], выбранный в качестве прототипа, содержащий чувствительный элемент с пьезоэлементами возбуждения и контроля, узел крепления, штангу, преобразователь с токовым ключом, при этом пьезоэлемент возбуждения и пьезоэлемент контроля, связанные через предварительный усилитель и полосовой фильтр, образуют контур возбуждения ультразвуковых колебаний.

Описанный датчик имеет определенные преимущества: уменьшается возможность обледенения ЧЭ и загрязнения вязкими компонентами, присутствующими в контролируемых жидкостях. Однако при использовании датчика в кипящих, сильнопенящихся и неоднородных жидкостях возможны ложные срабатывания.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности срабатывания датчика и расширение диапазона использования датчика.

Поставленная задача достигается тем, что в датчик положения уровня, содержащий чувствительный элемент с пьезоэлементами возбуждения и контроля, узел крепления, штангу, преобразователь с токовым ключом, в отличие от известного в него введены выносные элементы, объединенные одними концами и соединенные с преобразователем штангой, а на других концах, удаленных друг от друга на расстояние рабочего зазора, размещены держатели, в полостях которых закреплены соответственно пьезоэлемент возбуждения и пьезоэлемент контроля, при этом выносные элементы и держатели выполнены из материала, проводящего звуковые колебания и устойчивого к агрессивным жидкостям, а в преобразователь введены формирователь импульсов возбуждения и усилитель-формирователь, первый и второй задатчики времени, блок отсчета времени, блок анализа состояния и блок формирования сигнала управления, при этом пьезоэлемент возбуждения связан с выходом формирователя импульсов возбуждения, соединенным также с запускающим входом блока отсчета времени, а пьезоэлемент контроля связан с входом усилителя-формирователя, выход которого соединен с входом остановки счета блока отсчета времени, первый и второй задатчики времени, а также блок отсчета времени связаны с входами блока анализа состояния, первый и второй выходы которого связаны соответственно с первым и вторым входами блока формирования сигналов управления, выход которого соединен с токовым ключом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведен конкретный вариант выполнения датчика положения уровня:
на фиг.1 - конструкция предлагаемого датчика положения уровня; на фиг.2 - функциональная схема датчика.

Датчик положения уровня содержит чувствительный элемент 1 с пьезоэлементом возбуждения 2 и пьезоэлементом контроля 3, закрепленными, например, пайкой, в полостях держателей 4 и 5 соответственно, при этом держатели размещены на выносных элементах 6 и 7 в виде стержней, соединенных штангой 8 с преобразователем 9, узел крепления 10 с одного торца штанги, который выполнен в предлагаемом варианте в виде переходной втулки. Выносные элементы 6 и 7 установлены на штанге 8 со стороны ее другого торца посредством втулки 11, объединяющей их. При этом держатели 4, 5, выносные элементы 6, 7 и втулку 11 предлагается выполнить из материала, проводящего звуковые колебания и устойчивого к агрессивным жидкостям, в качестве которого может быть выбрана нержавеющая сталь, например, марки 12Х18Н10Т, т. к. она хорошо проводит звуковые колебания и отвечает всем требованиям, предъявляемым к материалу для предлагаемой конструкции. Через держатели 4, 5 выносные элементы 6, 7, выполненные полыми, и втулку 11 пьезоэлементы электрически связаны с преобразователем посредством двухпроводного кабеля 12. Функциональная схема датчика включает формирователь импульсов возбуждения (ФИВ) 13, выход которого соединен с пьезоэлементом возбуждения 2, усилитель-формирователь 14, вход которого соединен с пьезоэлементом контроля 3, а выход - с входом остановки счета блока отсчета времени (БОВ) 15, запускающий вход которого соединен с выходом формирователя импульсов возбуждения 13. Выходы первого задатчика времени (ЗB₁) 16 и второго задатчика времени (ЗВ₂) 17, а также блока отсчета времени 15 связаны соответственно с первым, вторым и третьим входами блока анализа состояния 18, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования сигнала управления 19, выход которого соединен с токовым ключом 20. При этом блок анализа состояния (БАС) 18 предлагается выполнить в виде первой и второй схем сравнения CC₁ 21 и СС₂ 22, первый и второй входы первой CC₁ 21 связаны соответственно с первым и третьим входами блока анализа состояния, т.е. с первым задатчиком времени ЗB₁ 16 и БОВ 15, а первый и второй входы СС₂ 22 связаны соответственно со вторым и третьим входом блока анализа состояния, т.е. с ЗВ₂ 17 и БОВ 15. Выходы первой и второй схем сравнения CC₁ 21 и СС₂ 22 связаны соответственно с первым и вторым выходами БАС 18. Блок формирования сигналов управления (БФСУ) 19 выполнен в виде первого задающего генератора ЗГ₁ 23 и второго задающего генератора ЗГ₂ 24, а также первого и второго ключей КЛ₁ 25, КЛ₂ 26, при этом вход ЗГ₁ 23 связан с первым входом БФСУ, следовательно, с выходом первой схемы сравнения CC₁ 21, а выход - с первым ключом КЛ₁ 25; выход ЗГ₂ 24 связан со вторым ключом КЛ₂ 26, вход управления которого соединен со вторым входом БФСУ, следовательно, с выходом второй схемы сравнения СС₂ 22, а выход КЛ₂ 26 связан с входом управления первого ключа КЛ₁ 25, вход которого, в свою очередь, соединен с выходом БФСУ, т.е. с токовым ключом (ТКЛ) 20.

Преобразователь 9 предлагается конструктивно выполнить в виде электронной платы, расположенной в литом прямоугольном корпусе из алюминиевого сплава. Корпус преобразователя предлагается снабдить сальниковым вводом с переходной гайкой для подстыковки трубы или металлорукава. Плата преобразователя соединена клеммным соединителем для подключения соединительного кабеля.

Принцип работы датчика основан на измерении интервала времени между выдачей возбуждающего импульса на пьезоэлемент возбуждения (ПВ) и регистрацией полученного отклика от пьезоэлемента контроля (ПК).

При этом ПК регистрирует два ответных импульса:
импульс, прошедший через рабочий зазор между ПВ и ПК;
импульс, прошедший через металлические элементы конструкции датчика.

Интервал времени прохождения импульса ультразвуковых колебаний по металлическим элементам конструкции датчика t_констр определяется длиной выносных элементов с держателями и скоростью распространения звука в металле: t_констр = 2l/V_ме, где: l - суммарная длина выносного элемента и держателя; V_ме - скорость распространения звука в металле.

Интервал времени прохождения импульса ультразвуковых колебаний через рабочий зазор определяется величиной рабочего зазора d и скоростью распространения звука в контролируемой жидкости V_ж или газе V_г (воздухе): t_ж = d/V_ж; t_г = d/V_г.

При погружении ПВ и ПК в жидкость, которая характеризуется высокой скоростью распространения звука (1000...2500 м/с) время распространения импульса ультразвуковых колебаний от ПВ до ПК через рабочий зазор будет малым (15-20 мкс).

При нахождении ПВ и ПК в газовой среде (в воздухе), учитывая, что скорость распространения ультразвука мала (331 м/с), время распространения ультразвуковых колебаний от ПВ до ПК через рабочий зазор увеличивается в 3-8 раз (100 мкс).

Однако величина рабочего зазора и длина выносных элементов выбрана таким образом, чтобы при нахождении ПВ и ПК в воздухе первым приходил на ПК импульс, прошедший по элементам конструкции датчика, т.к. он более мощный.

Размеры d и l выбраны такими, чтобы соблюдать соотношение 3t_ж ≤ t_констр ≤ 0,8t_г (1).

Конкретные соотношения между d и l зависят от используемого материала датчика и контролируемой жидкости. При значениях скоростей для стали V_зв.ст = 5200 м/с и жидкости V_зв.ж = 1500 м/с, чтобы выполнить соотношение (1) 5,2d ≤ l ≤ 6,3d.

Устройство функционирует следующим образом.

Импульс возбуждения с выхода формирователя импульса возбуждения (ФИВ) 13 поступает на вход пьезоэлемента возбуждения 2 и на запускающий вход блока отсчета времени 15, выполненного в виде таймера (Т). ПВ 2 преобразует электрический импульс с выхода ФИВ 13 в ультразвуковую волну, которая, распространяясь в рабочей среде, достигает пьезоэлемента чувствительного ПК 3. ПК 3 выполняет обратное преобразование ультразвуковых колебаний в электрический сигнал, который затем поступает на вход усилителя-формирователя (УФ) 14. УФ 14 осуществляет усиление сигнала до необходимого уровня, частотную фильтрацию для подавления шумовых составляющих и преобразование в форму логического сигнала для обеспечения возможности его обработки последующими узлами схемы. Сформированный сигнал выхода УФ 14 поступает на вход остановки счета таймера (Т) - БОВ 15. Таким образом, на выходе таймера фиксируется код, соответствующий интервалу времени между выдачей импульса возбуждения и появлением принятого сигнала на выходе УФ 14, величина которого зависит от времени распространения ультразвуковых колебаний, которая, в свою очередь, зависит от типа среды распространения (жидкость или газ).

Первая схема сравнения (CC₁) сравнивает заданное значение времени, хранящееся в виде кода в первом задатчике времени ЗB₁ 16, выполненном в виде первой ячейки памяти (ЯП₁) со значением текущего времени в виде кода на выходе таймера Т. Код в ЯП₁ соответствует пороговому значению, лежащему в интервале времени между временем распространения ультразвука в жидкой среде и временем распространения ультразвука в газовой среде. Если текущее время распространения больше порога, заданного ЗB₁ 16, на выходе CC₁ 21 устанавливается логическая единица, которая переключает первый задающий генератор ЗГ₁ 23 блока формирования управляющих сигналов в режим генерации сигнала частотой 125 Гц, соответствующей состоянию датчика "Сухой". Соответственно, если текущее время распространения меньше порога, заданного ЗB₁ 16 (ЯП₁), на выходе CC₁ 21 устанавливается логический ноль, который переключает первый задающий генератор ЗГ₁ 23 в режим генерации сигнала частотой 15 Гц, соответствующей состоянию датчика "Залит". Сформированный таким образом сигнал через первый ключ КЛ₁ 25 блока формирования сигналов управления поступает на вход токового ключа 20, который формирует необходимую переменную составляющую питающего напряжения датчика для индикации состояния последнего.

Второе устройство сравнения СС₂ 22 сравнивает код, хранящийся во втором задатчике времени ЗВ₂ 17, выполненном в виде второй ячейки памяти (ЯП₂) с кодом на выходе таймера Т. Код в ЯП₂ соответствует значению максимального интервала времени распространения ультразвука для данной конструкции датчика, по истечении которого в случае отсутствия сигнала можно судить о неработоспособности датчика. Таким образом, если текущее время распространения меньше порога, заданного ЯП₂, на выходе СС₂ 22 устанавливается логический ноль, который с выхода СС₂ 22 поступает на вход управления второго ключа КЛ₂ 26 и размыкает его. При этом колебания с частотой 0.25 Гц с выхода второго задающего генератора ЗГ₂ 24 не поступают на вход управления ключа КЛ₁ 25. Таким образом, сигнал с выхода ЗГ₁ 23 поступает на вход ТКЛ 20 в непрерывном режиме, что является признаком подтверждения работоспособности датчика. Соответственно, если текущее время распространения больше порога, заданного ЗВ₂ 17, на выходе СС₂ 22 устанавливается логическая единица, которая замыкает ключ КЛ₂ 26. При этом колебания с выхода второго задающего генератора ЗГ₂ 24 поступают на вход управления первого ключа КЛ₁ 25, вызывая его коммутацию с частотой 0,25 Гц. Таким образом, сигнал с выхода ЗГ₁ 23 поступает на вход ТКЛ 20 в прерывистом режиме (2с работа - 2с перерыв), что является признаком потери работоспособности датчиком.

В связи с тем, что в предлагаемом датчике оценка показаний производится по анализу времени распространения звука, которое при переходе датчика в зону пены или в зону неоднородности остается прежним или ничтожно меняется по сравнению со временем распространения звука в жидкой среде, можно судить об уровне, исключая ложные срабатывания, в отличие от прототипа, при использовании которого оценка производится по амплитуде распространения ультразвуковых колебаний.

Литература
1. ЕР, заявка 0409458, G 01 F 23/28, 23.01.91.

2. RU, патент 2126957, G 01 F 23/296 (прототип).