СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД В РЕЗЕРВУАРАХ Российский патент 1998 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к технике контроля технологических параметров жидких сред в резервуарах для промышленных производств и может найти применение в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовки и других отраслях промышленности.

Известен способ ультразвукового контроля параметров жидких сред, например уровня жидкости в резервуарах, заключающийся в том, что в стенку резервуара по нормали к ней в зоне контроля уровня периодически вводят ультразвуковые колебания, принимают отраженные от противоположной стенки импульсные сигналы и сигналы акустической реверберации в стенке резервуара, выделяют огибающую импульсов реверберации в заданной временной зоне и по ее амплитуде судят о наличии жидкости на контролируемом уровне [1].

Недостатком данного способа контроля является низкая точность и надежность контроля уровня, так как изменения амплитуды огибающей реверберационных импульсов, по которой судят об уровне при демпфировании стенки жидкостью, незначительны и зависят от акустического сопротивления контактного слоя между акустическим преобразователем и стенкой резервуара.

Известен другой способ ультразвукового контроля уровня жидкости в резервуарах, заключающийся в том, что в стенку резервуара под углом с ней параллельно поверхности контролируемой среды в зоне контроля уровня вводят продольную ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости нормальной волны (волны Лэмба), распространяющейся в стенке, а после прохождения некоторого фиксированного расстояния по стенке принимают волну Лэмба и используют ее амплитуду в качестве информационного сигнала об уровне [3].

Недостатком этого способа контроля уровня жидкости, снижающим его надежность и точность, является нестабильность амплитуды информационного сигнала при изменении толщины стенок в резервуаре из-за коррозии или воздействия на них агрессивных сред и зарастании остаточными компонентами жидких реагентов.

К недостаткам второго способа следует отнести низкую надежность, обусловленную нестабильностью информационного сигнала в результате изменений акустического сопротивления контактного слоя между акустическими преобразователями и стенкой резервуара.

Более близким (прототипом) предложенному способу является второй аналог.

От известного способа предложенный отличается тем, что одновременно дополнительно возбуждают поверхностную волну, не испытывающую затухания при демпфировании стенки резервуара жидкостью в зоне контроля уровня, принимают ее тем же акустическим приемником, ослабляют принятый входной сигнал, содержащий обе волны, выделяют в нем амплитуду поверхностной волны, детектируют ее и формируют пороговый сигнал, значение которого запоминают, сравнивают амплитуду поверхностной волны с пороговым сигналом и при ее снижении формируют периодическую последовательность управляющих импульсов, число которых пропорционально величине снижения амплитуды поверхностной волны относительно порогового сигнала и обратно пропорционально значению первоначально введенного ослабления, направляют импульсы в цепи ослабления входного сигнала и восстанавливают амплитуду информационной нормальной волны.

Сущность предлагаемого способа контроля уровня поясняется акустической схемой на фиг. 1 и заключается в следующем.

В стенку резервуара с контролируемой жидкой средой периодически направляют под разными углами α и β продольные ультразвуковые колебания (УЗК), которые возбуждают с помощью генератора и акустического преобразователя (излучателя), установленного на поверхности резервуара в зоне контроля уровня.

Углы ввода α и β продольных УЗК выбирают таким образом, чтобы в стенке в результате преломлений на внешней поверхности формировались нормальные и поверхностные волны.

При известных толщине стенки, частотe УЗК и их скорости распространения в волноводе акустического преобразователя и материале стенки углы ввода α и β определяют из соотношений

где
C₁ - скорость звука в волноводе акустического излучателя;
C_ф - фазовая скорость выбранной моды нормальной волны;
C_R - скорость поверхностной волны.

Внутри стенки и нa ее поверхности нормальная и поверхностная волны проходят определенное заданное расстояние L в направлении акустического приемника и поступают на его вход. Приемник УЗК выполняют аналогично излучателю и устанавливают в зоне контроля уровня на линии параллельной плоскости поверхности контролируемой жидкой среды.

Скорость нормальной C_ф и поверхностной C_R волн и их путь от излучателя к приемнику различны, поэтому в пределах одного периода возбуждающих импульсов выделяют амплитуду каждой из волн, так как их временное положение относительно импульса возбуждения различно.

По амплитуде нормальной волны выбранной моды выделяют информацию о наличии или отсутствии жидкой среды на контролируемом уровне, по амплитуде поверхностной волны - о влиянии дестабилизирующих факторов на амплитуду нормальной волны.

Разделение основано на различной реакции нормальной и поверхностной волн на воздействие жидкой среды на стенку резервуара в зоне контроля.

Демпфирование внутренней поверхности стенки резервуара жидкостью приводит к резкому снижению амплитуды нормальной волны вследствие перехода части энергии УЗК в жидкость, амплитуда поверхностной волны при этом не изменяется. Экспериментально установлено, что амплитуды нормальной и поверхностной волн изменяются пропорционально при изменении акустического сопротивления контактного слоя.

В предлагаемом способе используют свойства поверхностной волны для устранения влияния акустического контакта на надежность и точность контроля уровня. Для этого вводят ослабление входного сигнала, в котором выделяют амплитуду поверхностной волны, соответствующую нормальному акустическому контакту преобразователей со стенкой, преобразуют ее в постоянное направление и запоминают. Затем при изменении акустического сопротивления контактного слоя преобразуют изменившуюся амплитуду в постоянное напряжение, которое сравнивают с исходным, и в зависимости от разности этих напряжений пропорционально уменьшают ослабление входного сигнала и увеличивают амплитуду информационной нормальной волны.

Известно устройство для контроля физических параметров жидких сред, в частности, уровня в закрытых резервуарах, содержащее два идентичных наклонных акустических преобразователя, установленных на внешней поверхности резервуара на фиксированном расстоянии навстречу друг другу, последовательно соединенные возбудитель и усилитель мощности, подключенный к одному из акустических преобразователей, последовательно соединенные усилитель, селекторный каскад (первым входом), детектор и измерительный каскад, последовательно соединенные синхронизатор, блок задержки, формирователь стробoимпульса, подключенные - синхронизатор ко входу возбудителя, а формирователь стробoимпульса к второму входу первого селекторного каскада, включенного между усилителем и детектором [2].

Недостатком этого устройства является низкая надежность и точность, обусловленная зависимостью информационных сигналов от влияния дестабилизирующих факторов, например, изменяющегося акустического сопротивления контактного слоя между акустическими датчиками и стенкой резервуара.

Целью предлагаемого устройства является повышение надежности и точности контроля уровня жидких сред в закрытых резервуарах при изменении акустического контакта датчиков УЗК со стенкой.

Эта цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит последовательно соединенные второй блок задержки, второй формирователь стробоимпульсов, второй селекторный каскад (первым входом), второй пиковый детектор, компаратор (первым входом), схему совпадений (первым входом), счетчик, дешифратор, блок аналоговых ключей, выход которого подключен на второй вход аттенюатора, причем вход второго блока задержки и второй вход схемы совпадений подключены к выходу синхронизатора; последовательно соединенные второй акустический преобразователь, суммирующее устройство, аттенюатор (первым входом), усилитель, выход которого подключен на второй вход второго селекторного каскада; источник опорного напряжения, подключенный ко второму входу компаратора.

Функциональная схема устройства и импульсно-потенциальные диаграммы, поясняющие его работу приведены на фиг. 1, 2.

Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, возбудитель 2 и усилитель мощности 3, подключенный выходом к акустическому излучателю 6, состоящему из пьезопреобразователей 4, 5, установленных на волноводе 7 под углами α и β; акустический приемник 8, состоящий из пьезопреобразователей 10, 11, установленных на волноводе 9 под углами α и β, подключенный выходом на вход последовательной цепи, состоящей из суммирующего устройства 12, аттенюатора 13, усилителя 14, выходом подключенного на вторые входы селекторных каскадов 15, 16, последовательную цепь, состоящую из блока задержки 20, формирователя 18, селекторного каскада 16, пикового детектора 22 и измерительного каскада 23, входом эта цепь подключена к выходу синхронизатора 1; последовательную цепь, состоящую из блока задержки 19, формирователя 17, селекторного каскада 15, пикового детектора 21, компаратора 24, на второй вход которого подключен источник опорного напряжения 25, схему совпадений 26, второй вход которой подключен к синхронизатору 1, счетчика 27, дешифратора 28, блока аналоговых ключей 29, входом эта цепь также подключена к синхронизатору 1, выход блока 29 подключен к аттенюатору 13, стенку 30 резервуара, на которой установлены акустические излучатель 6 и приемник 8.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Генератор импульсов, состоящий из синхронизатора 1, возбудителя 2 и усилителя мощности 3 вырабатывает последовательность импульсов (1e), которые поступают на пьезопреобразователи 4, 5 излучателя 6. Преобразователи 4, 5 возбуждают в волноводе 7 упругие продольные УЗК, которые под углами α и β вводят в стенку резервуара.

В точке ввода на внешней поверхности стенки продольные УЗК преломляются и образуют поверхностную волну 31 и нормальную волну необходимой моды 32. Внутри стенки и по поверхности две волны проходят определенное заданное расстояние L, на котором устанавливают акустический приемник 8. На границе стенка-волновод 9 поверхностная и нормальная волны трансформируются в продольные УЗК, которые возбуждают пьезопреобразователи 10, 11, установленные на волноводе 9 под теми же углами α и β.
Выходные электрические сигналы преобразователей 10, 11, эквивалентные амплитуде поверхностной и нормальной волн, суммируют в суммирующем устройстве 12. Выходной сигнал (12ж) суммирующего устройства направляют в многоступенчатый аттенюатор 13, в котором введены все ступени ослабления. Количество ступеней ослабления сигнала (12ж) определяется допустимым диапазоном изменения амплитуды нормальной волны 32 и точностью, с которой осуществляется ее корректировка. Минимально допустимый сигнал на выходе аттенюатора при полностью введенном ослаблении должен превышать порог чувствительности усилителя 14, подключенного к выходу аттенюатора 13. В выходном сигнале усилителя с помощью селекторных каскадов 15, 16 выделяют амплитуду нормальной (16л) и поверхностной (15к) волн. Для этого по сигналам (1е) синхронизатора 1 блоки задержки 19, 20 формируют импульсы, длительность которых соответствует времени распространения (τ₁ и τ₂) амплитуды нормальной и поверхностной волн.

По заднему фронту импульсов формирователи 17, 18 вырабатывают стробоимпульсы (17з и 18и), которые управляют работой селекторных каскадов 15, 16.

Пиковые детекторы 21, 22 преобразуют амплитуды поверхностной и нормальной волн в пропорциональные постоянные напряжения. Напряжение (21м) пикового детектора 22 управляет работой измерительного каскада 23, в котором установлен собственный порог срабатывания U_c.

При демпфировании внутренней поверхности стенки жидкостью в зоне контроля постоянное напряжение (22н) на выходе пикового детектора, пропорциональное амплитуде нормальной волны (12б), снижается относительно порога срабатывания U_c измерительного каскада 23, сигнализируя наличие жидкости на уровне контроля.

Постоянное напряжение пикового детектора 21 поступает на вход компаратора 24, на втором входе которого устанавливают по амплитуде поверхностной волны (12а) с помощью источника опорного напряжения 25 уровень опорного напряжения (21м), соответствующий нормальному акустическому контакту преобразователей со стенкой резервуара. При изменении акустического контакта (увеличение сопротивления контактного слоя) напряжение (21м) на выходе пикового детектора 21 снижается относительно опорного U_оп на ΔU, переключая компаратор 21, который устанавливают на входе схемы совпадений 26, разрешающий потенциал (24о).

Импульсы синхронизатора (1е) последовательно через схему совпадений 26 проходят на вход счетчика 27 и переключают его. Дешифратор 28 преобразует состояние счетчика в последовательность потенциалов (28с) на своих выходах, которые подключены к блоку аналоговых ключей 29. Аналоговые ключи последовательно по сигналам (28с) выключают ступени ослабления аттенюатора 13, восстанавливая тем самым амплитуду нормальной волны 32.

Предложенное изобретение является новым, так как оно не известно из предшествующего уровня техники, относящейся к определению уровня жидких сред в закрытых резервуарах и использует неизвестный способ ультразвукового контроля физических параметров жидких сред, в частности, уровня в закрытых резервуарах, заключающийся в том, что в зоне контроля в стенку резервуара под определенным углом к ней параллельно поверхности контролируемой среды с помощью акустического излучателя периодически вводят ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости нормальной волны выбранной моды, распространяющейся на фиксированном участке стенки, принимают эту волну акустическим приемником и используют ее амплитуду в качестве информационного сигнала об уровне, отличающийся тем, что одновременно дополнительно возбуждают поверхностную волну, нечувствительную к демпфированию стенки резервуара жидкостью, принимают ее тем же акустическим приемником, ослабляют принятый входной сигнал, содержащий обе волны, выделяют в нем амплитуду поверхностной волны, детектируют ее и формируют пороговый сигнал, значение которого запоминают, сравнивают амплитуду поверхностной волны с пороговым сигналом и при ее снижении формируют периодическую последовательность управляющих импульсов, число которых пропорционально величине снижения амплитуды поверхностной волны относительно порогового сигнала и обратно пропорционально значению первоначально введенного ослабления, направляют управляющие импульсы в цепи ослабления входного сигнала и восстанавливают амплитуду информационной нормальной волны.

Предлагаемое устройство, которое содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, возбудитель 2 и усилитель мощности 3, подключенный выходом к акустическому излучателю 6, состоящему из преобразователей 4, 5, установленных на волноводе 7 под углами α и β; акустический приемник 8, состоящий из преобразователей 10, 11, установленных на волноводе 9 под углами α и β и подключенный выходом на вход последовательной цепи, состоящей из суммирующего устройства 12, аттенюатора 13, усилителя 14, выходом подключенного на вторые входы селекторных каскадов 15, 16; последовательную цепь, состоящую из блока задержки 20, формирователя 18, селекторного каскада 16, пикового детектора 22 и измерительного каскада 23, входом подключенного к выходу синхронизатора 1; последовательную цепь, состоящую из блока задержки 19, формирователя 17, селекторного каскада 15, пикового детектора 21, компаратора 24, на второй вход которого подключен источник опорного напряжения 25, схему совпадений 26, второй вход которой подключен к синхронизатору 1, счетчика 27, дешифратора 28, блока аналоговых ключей 29, входом подключенную к синхронизатору 1, а выходом - к аттенюатору 13; стенку 30 резервуара, на которой установлены акустические излучатель 6 и приемник 8.

Предложенные изобретения имеют изобретательский уровень, так как они используют неизвестные способ и устройство, повышающие надежность и точность контроля уровня жидких сред в закрытых резервуарах за счет компенсации влияния акустического сопротивления контактного слоя на амплитуду информационной нормальной волны.

Предложенные изобретения применимы в промышленности для контроля уровня жидких сред в резервуарах высокого давления гидропрессов, емкостях с жидким хлором и аммиаком, промсосудах и маслоотделителях холодильно-компьютерных агрегатов, емкостях с концентрированными кислотами и т.д.

Список литературы
1. Патент США 4145917, 73/53, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР N 599203 G 01 F 23/28, 1978.

3. Авторское свидетельство СССР N 343155, G 01 F 23/28, 1972.

Изобретение может быть использовано в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей отраслях промышленности. С помощью одного наклонного акустического излучателя с двумя углами ввода УЗК в стенке резервуара возбуждают два типа ультразвуковых волн - нормальную волну необходимой моды и поверхностную волну, которые распространяются параллельно плоскости поверхности контролируемой жидкости по периметру резервуара внутри стенки и по ее внешней поверхности; прием УЗК осуществляют идентичным излучателю акустическим приемником, который устанавливают на определенном расстоянии относительно излучателя в зоне контроля уровня. По амплитуде нормальной волны выделяют информацию о наличии или отсутствии жидкой среды на контролируемом уровне. Корректировку амплитуды нормальной волны при изменении акустического сопротивления контактного слоя осуществляют по амплитуде поверхностной волны. Устройство содержит два акустических преобразователя, генератор, измерительный каскад, два селекторных каскада, два пиковых детектора, два блока задержки, два формирователя стробоимпульса, компаратор, схему совпадения, счетчик, дешифратор, блок аналоговых ключей, аттенюатор, суммирующее устройство, усилитель, источник опорного напряжения. Повышена надежность и точность контроля. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ ультразвукового контроля уровня в резервуарах, заключающийся в том, что в зоне контроля в стенку резервуара под определенным углом к ней с помощью акустического излучателя периодически вводят продольную ультразвуковую волну так, чтобы в стенке резервуара в результате преломления на ее внешней поверхности формировалась нормальная волна выбранной моды, распространяющаяся на фиксированном участке стенки, принимают эту волны акустическим приемником и используют ее амплитуду в качестве информационного сигнала об уровне, причем излучатель и приемник располагают по линии, параллельной поверхности контролируемой жидкости, отличающийся тем, что одновременно дополнительно возбуждают поверхностную волну, нечувствительную к демпфированию стенки резервуара жидкостью в зоне контроля уровня, принимают ее тем же акустическим приемником, ослабляют принятый входной сигнал, содержащий обе волны, выделяют в нем амплитуду поверхностной волны, детектируют ее и формируют пороговый сигнал, значение которого запоминают, при изменении акустического сопротивления контактного слоя сравнивают изменившуюся амплитуду поверхностной волны с пороговым сигналом и при ее снижении формируют периодическую последовательность управляющих импульсов, число которых пропорционально величине снижения амплитуды поверхностной волны и обратно пропорционально величине первоначального введенного ослабления, направляют управляющие импульсы в цепи ослабления входного сигнала и восстанавливают амплитуду информационного сигнала. 2. Устройство для контроля уровня в резервуарах содержащее акустический излучатель и акустический приемник, установленные на внешней поверхности резервуара по линии, параллельной поверхности контролируемой жидкости на фиксированном расстоянии навстречу друг другу, генератор, усилитель и первый пиковый детектор, соединенный с измерительным каскадом, при этом акустический излучатель и акустический приемник содержит первые пьезопреобразователи, установленные на волноводах под углом α к стенке резервуара, отличающееся тем, что генератор состоит из последовательно соединенных синхронизатора, возбудителя и усилителя мощности, соединенного с акустическим излучателем, усилитель последовательно соединен с первым входом первого селекторного каскада и первым пиковым детектором, синхронизатор последовательно соединен с первым пиковым блоком задержки, первым формирователем стробоимпульса, вторым входом первого селекторного каскада, второй блок задержки последовательно соединен с вторым формирователем стробоимпульса, первым входом второго селекторного каскада, вторым пиковым детектором, первым входом компаратора, первым входом схемы совпадений, счетчиком, дешифратором, блоком аналоговых ключей, выход которого подключен на второй вход аттенюатора, вход второго блока задержки и второй вход схемы совпадения подключены к выходу синхронизатора, акустический приемник последовательно соединен с суммирующим устройством, первым входом аттенюатора и усилителем, выход которого подключен к второму входу второго селекторного каскада, второй вход компаратора подключен к источнику опорного напряжения, причем акустические излучатель и приемник содержат вторые пьезопреобразователи, установленные на волноводах под углом β к стенке резервуара.