RU2387955C1

RU2387955C1 - Device for measuring level of liquid and bulky materials

Info

Publication number: RU2387955C1
Application number: RU2008141787/28A
Authority: RU
Inventors: Максим Петрович Козлов (RU); Максим Петрович Козлов; Владислав Александрович Корсаков (RU); Владислав Александрович Корсаков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Сибирский химический комбинат"
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2010-04-27

Abstract

FIELD: measurement technique.

SUBSTANCE: invention refers to measurement technique and my be used to monitor level of aggressive bulky and liquid materials of any viscosity and at high temperature and pressure. Device for measuring level of liquid contains source of fluctuations, resilient member connected with sensitive element, coupling amplifier, analyser and indicator. Here the source and sensor of fluctuations are made as piezoelectric cell mounted on resilient member. Additionally the device includes active oscillator working in periodical mode to which output piezoelectric cell being its frequency-setting element is connected, and pulse generator connected by its output to active oscillator.

EFFECT: reliable measuring level of aggressive liquid of any viscosity and bulky materials of any flow rate with high accuracy in leakproof containers with high temperature and positive pressure.

2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровня агрессивных сыпучих и жидких материалов любой вязкости при высокой температуре и давлении.The invention relates to measuring technique and can be used to control the level of aggressive bulk and liquid materials of any viscosity at high temperature and pressure.

Широкое распространение получили ультразвуковые сигнализаторы уровня, в которых применяются пьезоэлектрические преобразователи с импульсным изменением импеданса акустической среды. В основу их работы положен принцип демпфирования ультразвуковых волн. Для повышения чувствительности данных сигнализаторов применяются волноводы продольных колебаний. В сигнализаторе сыпучих сред (А.И.Трофимов. Пьезоэлектрические измерительные преобразователи. - Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1983, с.240) волновод выполнен в виде акустического конденсатора, сочлененного входным концом с пьезотрансформатором, помещенным в тонкостенный стакан. При контакте волновода с материалом происходит резкое увеличение потерь на излучение и, соответственно, изменение выходного сигнала, снимаемого с пьезоэлемента. Но устройства с применением волновода продольных колебаний могут работать только в режиме сигнализатора, а дискретные уровнемеры, выполненные на основе данных пьезоэлектрических сигнализаторов уровня, громоздки, имеют большое количество пьезоэлементов. Например, уровнемер (А.И.Трофимов. Пьезоэлектрические измерительные преобразователи. - Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1983, с.243) выполнен в виде трубы, сваренной из отрезков труб, к внутренней стенке каждого из отрезков труб большего диаметра прикреплены два пьезоэлемента, один из которых подключен к генератору, другой - к измерительному прибору. Каждая ячейка уровнемера срабатывает при погружении ее в контролируемый материал, в результате не обеспечивается постоянное измерение уровня.Widespread ultrasonic level switches, which use piezoelectric transducers with a pulsed change in the impedance of the acoustic medium. Their work is based on the principle of damping of ultrasonic waves. To increase the sensitivity of these signaling devices, waveguides of longitudinal vibrations are used. In the detector of granular media (A. I. Trofimov. Piezoelectric transducers. - Tomsk: Tomsk Publishing House, University of 1983, p. 240), the waveguide is made in the form of an acoustic capacitor articulated at the input end with a piezotransformer placed in a thin-walled glass . Upon contact of the waveguide with the material, there is a sharp increase in radiation losses and, accordingly, a change in the output signal taken from the piezoelectric element. But devices using a longitudinal waveguide can only work in the detector mode, and discrete level gauges made on the basis of piezoelectric level signaling devices are bulky and have a large number of piezoelectric elements. For example, a level gauge (A. I. Trofimov. Piezoelectric transducers. - Tomsk: Tomsk Publishing House, University of 1983, p. 243) is made in the form of a pipe welded from pipe sections to the inner wall of each pipe section of a larger two piezoelectric elements are attached to the diameter, one of which is connected to the generator, the other to the measuring device. Each cell of the level gauge is triggered when it is immersed in a controlled material, as a result, a constant level measurement is not provided.

Известен способ контроля уровня вещества (а.с. СССР №565216, опубл. 30.06.77), заключающийся в том, что положение уровня определяют по разности логарифмических декрементов затухания свободных затухающих колебаний маятника в газовой и контролируемых средах.A known method of controlling the level of matter (AS USSR No. 565216, publ. 30.06.77), which consists in the fact that the position of the level is determined by the difference of the logarithmic damping decrements of the free damped oscillations of the pendulum in gas and controlled environments.

Устройство, реализующее указанный способ, содержит маятник, укрепленный на растяжках, привод, соединенный с возбудителем, приемник колебаний, соединенный со схемой измерения логарифмического декремента затухания. Выход схемы установки логарифмического декремента затухания в газовой среде и выход схемы измерения логарифмического декремента затухания соединены с входом схемы сравнения, выход которого соединен с входом устройства сигнализации и сравнения.A device that implements this method contains a pendulum mounted on braces, a drive connected to the pathogen, an oscillation receiver connected to a measurement circuit of the logarithmic attenuation decrement. The output of the installation circuit of the logarithmic attenuation decrement in the gas medium and the output of the measurement circuit of the logarithmic attenuation decrement are connected to the input of the comparison circuit, the output of which is connected to the input of the signaling and comparison device.

При поступлении импульса с возбудителя привод приводит маятник в режим собственных затухающих колебаний. Если эти колебания существуют в газовой среде, то сигналы со схемы измерения и схемы установки на входе схемы сравнения одинаковы и устройство сигнализации не срабатывает. При повышении уровня вещества и касании им нижнего конца маятника затухание колебаний маятника в периоде возбуждающих импульсов наступает быстрее, что отмечается схемой измерения как увеличение логарифмического декремента затухания. Схема сравнения выдает сигнал на устройство сигнализации и управления, которое срабатывает и включает соответствующий сигнальный или управляющий элемент.Upon receipt of a pulse from the pathogen, the drive drives the pendulum into its own mode of damped oscillations. If these fluctuations exist in a gas medium, then the signals from the measurement circuit and the setup circuit at the input of the comparison circuit are the same and the alarm device does not work. With an increase in the level of a substance and its touching the lower end of the pendulum, the damping of the oscillations of the pendulum in the period of exciting pulses occurs faster, which is noted by the measurement scheme as an increase in the logarithmic damping decrement. The comparison circuit provides a signal to the signaling and control device, which is triggered and includes a corresponding signal or control element.

Данное устройство работает в режиме сигнализатора и не позволяет непрерывно измерять уровень вещества. Кроме того, наличие подвесов маятника усложняет возможность применения устройства в оборудовании герметичного исполнения.This device operates in the alarm mode and does not allow continuous measurement of the substance level. In addition, the presence of pendulum suspensions complicates the possibility of using the device in sealed equipment.

Известно устройство для измерения уровня жидкости (патент РФ №2029919, опубл. 27.02.95). Данное устройство (прототип) содержит источник гармонических колебаний, упругий элемент, выполненный в виде резонансной пружины и шарнирно соединенный с чувствительным элементом, выполненным в виде стержня, датчик колебаний, связанный с чувствительным элементом, и индикатор. Между датчиком и индикатором последовательно включены согласующий усилитель и анализатор. Стержень шарнирно связан с жестким основанием, а датчик колебаний жестко установлен на стержне или выполнен бесконтактным и установлен на неподвижном основании.A device for measuring liquid level is known (RF patent No. 2029919, publ. 02.27.95). This device (prototype) contains a source of harmonic oscillations, an elastic element made in the form of a resonant spring and pivotally connected to a sensitive element made in the form of a rod, an oscillation sensor associated with the sensitive element, and an indicator. A matching amplifier and analyzer are connected in series between the sensor and the indicator. The rod is pivotally connected to a rigid base, and the vibration sensor is rigidly mounted on the rod or made non-contact and mounted on a fixed base.

С помощью источника гармонических колебаний через пружину и шарнир возбуждают резонансные колебания системы. С помощью датчика, согласующего усилителя, анализатора и индикатора определяют амплитуду колебаний, по величине которой судят об уровне жидкости.Using a source of harmonic oscillations, the system resonates through the spring and hinge. Using a sensor, matching amplifier, analyzer and indicator, the amplitude of oscillations is determined, the value of which is used to judge the liquid level.

Однако данное устройство непригодно для использования при контроле уровня агрессивных жидкостей в герметичных емкостях при наличии в них большого избыточного давления (выше нескольких атмосфер), так как наличие шарнирных соединений в устройстве не позволяет выполнить надежную герметизацию конструкции. Также наличие нескольких шарнирных механических соединений снижает надежность системы в целом. Кроме того, такое устройство непригодно для контроля уровня жидкости с высокой вязкостью (нефть, мазут и т.п.), так как повышенная вязкость такой среды не позволяет чувствительному элементу совершать колебательные движения с достаточной для проведения точных измерений амплитудой и длительностью.However, this device is unsuitable for use in monitoring the level of aggressive liquids in sealed containers in the presence of a large overpressure (above several atmospheres), since the presence of articulated joints in the device does not allow reliable sealing of the structure. Also, the presence of several articulated mechanical joints reduces the reliability of the system as a whole. In addition, such a device is unsuitable for controlling the level of a liquid with a high viscosity (oil, fuel oil, etc.), since the increased viscosity of such a medium does not allow the sensitive element to oscillate with sufficient amplitude and duration for accurate measurements.

Задачей данного изобретения является разработка устройства, имеющего высокую надежность и обеспечивающего измерение уровня агрессивных сыпучих и жидких материалов любой вязкости при высокой температуре и давлении.The objective of the invention is to develop a device having high reliability and providing a measurement of the level of aggressive bulk and liquid materials of any viscosity at high temperature and pressure.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения уровня жидких и сыпучих материалов, содержащем источник колебаний, упругий элемент, соединенный с чувствительным элементом, и последовательно включенные датчик колебаний, связанный с чувствительным элементом, согласующий усилитель, анализатор и индикатор, источник и датчик колебаний выполнены в виде пьезоэлемента, установленного на упругом элементе. Также в состав устройства дополнительно введены автогенератор, работающий в периодическом режиме, к выходу которого подключен пьезоэлемент, являющийся его частотозадающим элементом, и генератор импульсов, выходом подключенный к автогенератору.The problem is solved in that in a device for measuring the level of liquid and bulk materials containing an oscillation source, an elastic element connected to a sensitive element, and a vibration sensor connected in series with a sensitive element, a matching amplifier, analyzer and indicator, a source and a vibration sensor made in the form of a piezoelectric element mounted on an elastic element. Also, the oscillator operating in periodic mode is additionally introduced into the device, to the output of which a piezoelectric element is connected, which is its frequency-setting element, and a pulse generator connected to the oscillator by the output.

Изобретение поясняется схемами, представленными на фиг.1 и 2.The invention is illustrated by the diagrams presented in figure 1 and 2.

Устройство для измерения уровня состоит из генератора импульсов 1, выходом соединенного с автогенератором 2, работающим в периодическом режиме. К выходу автогенератора 2 подключен пьезоэлемент 3, являющийся его частотозадающим элементом. Пьезоэлемент 3 сочленен с упругим элементом 4, выполненным в виде концентратора механических колебаний, и установлен в корпусе 5, который крепится к емкости 6 с контролируемым материалом 7. С упругим элементом 4 жестко соединен чувствительный элемент 8. Чувствительный элемент 8 может быть выполнен, например, в виде металлической коррозионностойкой трубки.The device for measuring the level consists of a pulse generator 1, the output connected to the oscillator 2, operating in periodic mode. A piezoelectric element 3 is connected to the output of the oscillator 2, which is its frequency-setting element. The piezoelectric element 3 is coupled with an elastic element 4, made in the form of a mechanical vibration concentrator, and installed in the housing 5, which is attached to the container 6 with the controlled material 7. Sensitive element 8 is rigidly connected to the elastic element 4. Sensitive element 8 can be made, for example, in the form of a metal corrosion-resistant tube.

Пьезоэлемент 3 соединен также с выходом согласующего усилителя 9, выход усилителя 9 соединен с входом анализатора 10, выход которого подключен к входу индикатора 11.The piezoelectric element 3 is also connected to the output of the matching amplifier 9, the output of the amplifier 9 is connected to the input of the analyzer 10, the output of which is connected to the input of the indicator 11.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1). С выхода генератора импульсов 1 на автогенератор 2 периодически подаются импульсы, разрешающие работу автогенератора 2. Для обеспечения стабильного режима колебаний пьезоэлемента 3 длительность импульсов с выхода генератора импульсов 1, разрешающих работу автогенератора 2, устанавливают как минимум на два порядка больше, чем период резонансных колебаний пьезоэлемента 3.The device operates as follows (see figure 1). From the output of the pulse generator 1 to the oscillator 2, pulses are periodically applied allowing the operation of the oscillator 2. To ensure a stable oscillation mode of the piezoelectric element 3, the duration of the pulses from the output of the pulse generator 1, enabling the operation of the oscillator 2, is set at least two orders of magnitude longer than the period of the resonant oscillations of the piezoelectric element 3.

Во время действия этих импульсов автогенератор 2 формирует на своем выходе непрерывный электрический сигнал постоянной частоты, которая совпадает с резонансной частотой пьезоэлемента 3, подключенного к выходу автогенератора 2 и являющегося его частотозадающим элементом. Пьезоэлемент 3, работая в данный период времени как источник колебаний, преобразует электрический сигнал на выходе автогенератора 2 в механические колебания, которые передаются через упругий элемент 4 на чувствительный элемент 8 и заставляют его колебаться с частотой резонанса пьезоэлемента 3. После прекращения импульса с генератора импульсов 1 автогенератор 2 прекращает свою работу, и механические колебания чувствительного элемента 8 становятся свободнозатухающими, а их амплитуда и скорость затухания зависят от степени погружения чувствительного элемента в контролируемый материал 7. Эти колебания через упругий элемент 4 передаются на пьезоэлемент 3, который, работая теперь как датчик колебаний, преобразует их в электрический сигнал. В результате того, что частота свободнозатухающих колебаний совпадает с резонансной частотой пьезоэлемента 3, достигается высокая чувствительность измерений. Этот электрический сигнал поступает на вход согласующего усилителя 9. Так как амплитуда свободнозатухающих механических колебаний и их скорость затухания зависят от степени погружения чувствительного элемента в контролируемый материал, который является для них демпфером, амплитуда и скорость уменьшения переменного напряжения на выходе согласующего усилителя 9 пропорциональны уровню контролируемого вещества 7 в емкости 6. Анализатор 10 может выполнять функции как детектора с фильтром нижних частот для оценки средней амплитуды уменьшающегося напряжения, так и измерителя логарифмического декремента затухания для оценки скорости уменьшения переменного напряжения на выходе согласующего усилителя 9. Сигнал с выхода анализатора 10, пропорциональный уровню контролируемого материала 7 в емкости 6, поступает на вход индикатора 11, который отображает информацию об уровне контролируемого материала 7 в любой удобной для оператора форме.During the action of these pulses, the oscillator 2 generates at its output a continuous electrical signal of constant frequency, which coincides with the resonant frequency of the piezoelectric element 3 connected to the output of the oscillator 2 and which is its frequency-setting element. Piezoelectric element 3, working as a source of oscillations at a given time, converts the electrical signal at the output of the oscillator 2 into mechanical vibrations, which are transmitted through the elastic element 4 to the sensitive element 8 and cause it to oscillate with the resonance frequency of the piezoelectric element 3. After the pulse is terminated from the pulse generator 1 the oscillator 2 stops its operation, and the mechanical vibrations of the sensing element 8 become free-damping, and their amplitude and decay rate depend on the degree of immersion pheno- element controlled material 7. These oscillations through the elastic member 4 are transmitted to the piezoelectric element 3, which is now working as an oscillation sensor, converts them into an electrical signal. As a result of the fact that the frequency of free-damping oscillations coincides with the resonant frequency of the piezoelectric element 3, a high measurement sensitivity is achieved. This electrical signal is fed to the input of matching amplifier 9. Since the amplitude of free-damping mechanical vibrations and their attenuation rate depend on the degree of immersion of the sensitive element in the controlled material, which is a damper for them, the amplitude and rate of decrease of the alternating voltage at the output of matching amplifier 9 are proportional to the level of controlled substances 7 in the tank 6. The analyzer 10 can act as a detector with a low-pass filter to estimate the average amplitude of voltage and the logarithmic attenuation decrement meter to estimate the rate of decrease of the alternating voltage at the output of the matching amplifier 9. The signal from the output of the analyzer 10, proportional to the level of the controlled material 7 in the tank 6, is fed to the input of the indicator 11, which displays information about the level of the controlled material 7 in any form convenient for the operator.

При увеличении уровня контролируемого вещества 7 в емкости 6 увеличивается степень демпфирования свободнозатухающих колебаний чувствительного элемента 8, что приводит к уменьшению амплитуды сигнала на выходе согласующего усилителя 9 и увеличению скорости его затухания. Это приводит к уменьшению сигнала на выходе анализатора 10 и отображению этого изменения на выходе индикатора 11.With an increase in the level of the controlled substance 7 in the tank 6, the degree of damping of free-damped oscillations of the sensing element 8 increases, which leads to a decrease in the amplitude of the signal at the output of the matching amplifier 9 and an increase in its attenuation rate. This leads to a decrease in the signal at the output of the analyzer 10 and the display of this change at the output of the indicator 11.

При уменьшении уровня происходит обратный процесс.When the level decreases, the reverse process occurs.

При наличии в рабочей емкости большого избыточного давления (более 10 атмосфер) для обеспечения условия герметичности упругий элемент 4 может быть закреплен на емкости с использованием неразборного соединения (например, сварного). В этом случае плоскость его соединения с емкостью 6 должна совпадать с плоскостью, проходящей через узел колебаний пьезоэлемента (см. фиг.2).If there is a large excess pressure in the working tank (more than 10 atmospheres) to ensure the tightness condition, the elastic element 4 can be fixed to the tank using a non-separable connection (for example, welded). In this case, the plane of its connection with the capacity 6 should coincide with the plane passing through the node of the oscillations of the piezoelectric element (see figure 2).

Применение пьезоэлемента, изготовленного из высокотемпературной пьезокерамики, позволяет расширить температурный диапазон использования заявляемого устройства.The use of a piezoelectric element made of high-temperature piezoelectric ceramics allows you to expand the temperature range of the use of the inventive device.

Отсутствие в конструкции заявляемого устройства движущихся трущихся механических деталей и частей (шарниров, подвесов) обуславливает высокую степень надежности устройства.The absence in the design of the claimed device of moving rubbing mechanical parts and parts (hinges, suspensions) causes a high degree of reliability of the device.

В результате того, что контролируемый материал для чувствительного элемента является демпфером, поглощающим энергию механических колебаний, а пьезоэлемент в составе устройства работает в резонансном режиме, обеспечивается высокая чувствительность к изменению уровня даже вязких жидкостей и сыпучих веществ в отличие от прототипа, чувствительный элемент которого не может совершать колебательные движения с достаточной для проведения точных измерений амплитудой и длительностью.As a result of the fact that the controlled material for the sensitive element is a damper that absorbs the energy of mechanical vibrations, and the piezoelectric element in the device operates in a resonant mode, high sensitivity to changes in the level of even viscous liquids and bulk solids is provided, unlike the prototype, the sensitive element of which cannot make oscillatory movements with sufficient amplitude and duration for accurate measurements.

Заявляемое устройство позволяет надежно измерять уровень агрессивной жидкости любой вязкости и сыпучих веществ любой степени текучести с высокой точностью в герметичных емкостях с высокой температурой и избыточным давлением.The inventive device allows you to reliably measure the level of aggressive liquids of any viscosity and bulk solids of any degree of fluidity with high accuracy in sealed containers with high temperature and overpressure.

Claims

A device for measuring the level of liquid and bulk materials containing an oscillation source, an elastic element connected to the sensing element, and sequentially connected oscillation sensor connected to the sensing element, a matching amplifier, analyzer and indicator, characterized in that the oscillation source and sensor are made in the form a piezoelectric element mounted on an elastic element, and an oscillator operating in periodic mode, the output of which is connected to a piezoelectric element, is additionally included in the device a frequency-setting element, and a pulse generator connected to an oscillator by the output.