УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИСТАНЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1999 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к технической акустике и предназначено для дистанционного непрерывного контроля уровня воды в водозаборных скважинах, оно может быть использовано также в нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

Разработка и совершенствование технических средств при исследовании и освоении водоносных горизонтов разведочно-эксплуатационными скважинами на воду в настоящее время приобретает актуальное значение.

Одними из основных технических средств для этой цели являются скважинные уровнемеры. С помощью этих приборов можно проводить гидрогеологические исследования проницаемых горизонтов как во время проходки скважин, так и после ее окончания [1] . По результатам измерения уровня жидкости в скважине (например, в период откачки или в период восстановления уровня после откачки) судят о величине и скорости изменения гидродинамического давления в проницаемых горизонтах.

По способу изменения уровнемеры подразделяются на два типа: дискретного и непрерывного действия. Наибольшую информацию о гидрогеологических свойствах водоносного пласта дают уровнемеры непрерывного действия.

Известен ряд конструкций дистанционных уровнемеров, с помощью которых в настоящее время измеряют уровень воды в скважине [1].

Широков распространены электроконтактные уровнемеры, замеряющие уровень воды по электросигналу, полученному по датчику при его контакте с поверхностью воды.

Они очень просты и надежны в эксплуатации. Однако эти приборы дискретного действия, поэтому результаты измерений, полученные с их помощью, недостаточно полно отражают гидрогеологическое состояние пласта. Кроме того, электроконтактные уровнемеры обладают низкой точностью.

Известны мембранные уровенемеры, выходной величиной которых является перемещение мембраны или усилие, передаваемое ею в зависимости от гидростатического давления. Применение приборов данного типа в скважинах ограничено большим диаметром скважинного снаряда. Точность мембранных уровнемеров не высока: абсолютная погрешность в измерении глубины положения уровня порядка 0,2 м [1].

Наиболее эффективны для дистанционного непрерывного контроля уровня жидкости в скважине ультразвуковые уровнемеры [2].

Известен, например, уровнемер для дистанционного измерения уровня воды в наблюдательных скважинах, содержащий измерительный и эталонный приемоизлучающий датчики плоской формы [3]. Устройство обладает недостаточной точностью вследствие того, что для контроля уровня используется расходящийся акустический луч, формируемый излучателем плоской формы.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее две пары пьезоизлучателей и пьезоприемников плоской формы, разделенные на два акустических канала рефлектором в виде колпака с плоскопараллельной крышей, помещенные в уровнемерную трубку, стенки которой выполнены из материала, акустическое сопротивление которого близко к акустическому сопротивлению контролируемой жидкости [4].

Данное устройство обладает нелостаточной точностью вследствие того, что для индикации положения уровня жидкости используются расходящиеся ультразвуковые лучи, формируемые плоскими излучателями и рефлектором плоской формы.

Известно [5] , что характеристика направленности плоского излучателя определяется выражением:

где θ - угол расхождения луча, λ - длина волны, D - диаметр излучения.

Можно показать, что для условий скважины при частоте 0,5 МГц и диаметре излучателя 30 мм угол θ =7^o. Для этого случая величина расширения луча на расстоянии 1 м от излучателя будет составлять 24 см. Расширение луча уменьшает интенсивность колебаний. При отражении от плоского рефлектора расширение еще больше увеличивается. В итоге это вызывает ошибку в измерении времени, распространения ультразвукового сигнала в контролируемой среде и, как следствие, снижение точности в определении положения уровня. Задачей изобретения является повышение точности определения положения уровня и расширение области применения уровнемера для различных сред. Технический результат изобретения состоит в повышении интенсивности зондирующего и отражающего сигналов.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что ультразвуковой дистанционный уровнемер, содержащий приемоизолирующий пьезопреобразователь, рефлектор и электронную измерительную схему, отличается тем, что приемоизолирующий пьезопреобразователь выполнен в форме сферы, а рефлектор - в форме вогнутого сферического зеркала, в фокусе которого размещен пьезопреобразователь, при этом верхняя полусфера пьезопреобразователя снабжена поглотителем, а диаметр сферы пьезопреобразователя не менее 2-х длин волн.

Использование пульсирующей сферы в качестве приемоизлучающего пьезопреобразователя, размещенного в фокусе вогнутого сферического зеркала, позволяет сформировать направленное излучение ультразвуковых волн, снизив величину расхождения прямого луча. При приеме отраженных от контролируемой границы раздела сред ультразвуковых волн применение рефлектора в форме вогнутого сферического зеркала дает возможность сфокусировать на сферическом приемнике, помещенном в фокусе рефлектора, расходящийся луч, повысив тем самым амплитуду регистрируемого сигнала и точность в определении положения уровня. Для исключения попадания на стенки скважины рассеянных волн, излучаемых верхней полусферой пьезопреобразователя, она снабжена поглотителем из резиноподобного материала.

Известно, что для пульсирующей сферы величина реактивного сопротивления излучения определяется отношением диаметра (D) сферы к длине волны (λ) в контролируемой среде [5].

При значении отношения Д/λ ≥ 2 реактивное сопротивление резко уменьшается и не зависит от частоты. В этой связи соотношение размеров сферического пьезопреобразователя и длины волны в контролируемой среде должно отвечать этому критерию с целью уменьшения рассеяния ультразвуковых волн.

В отличие от заявляемого изобретения в устройстве [4], выбранном за прототип, зондирующий и отраженный луч формируются плоскими излучателем и рефлектором, исключающими концентрацию интенсивности прямого и обратного луча.

Таким образом, изобретение отвечает критерию "новизна".

Использование изобретения позволит достичь результат, удовлетворяющий потребность.

Таким образом, изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый ультразвуковой дистанционный уровнемер схематично представлен на чертеже.

Уровнемер содержит корпус 1, выполненный из диэлектрического поглощающего звук материала, в верхней части корпуса размещен рефлектор 2 в форме вогнутого сферического зеркала, в фокусе которого установлен приемоизлучающий пьезопреобразователь 3 в форме сферы. Рефлектор выполнен из нержавеющей стали. Пьезопреобразователь 3 снабжен поглотителем 4 из резиноподобного материала, покрывающим верхнюю полусферу. Корпус уровнемера крепится к трос-кабелю 5, снабженному по всей длине миллиметровой шкалой.

Уровнемер содержит электронный измерительный блок, включающий генератор импульсов 6, усилитель-ограничитель 7, формирователь прямоугольных импульсов 8, делитель частоты "на 2" 9 индикатор 10.

Устройство работает следующим образом.

Уровнемер на трос-кабеле, снабженном миллиметровой шкалой, опускается в скважину. При достижении уровня воды сферическим приемоизлучающим пьезопреобразователем 3 на индикаторе 10 возникает сигнал, вызванный излучением в воду ультразвукового сигнала и приемом отраженных от границы раздела вода-воздух и сфокусированных рефлектором ультразвуковых волн.

При появлении сигнала на индикаторе 10 на миллиметровой шкале отмечают начальное положение уровня. Так определяется статический уровень воды в скважине.

Для контроля величины скорости распространения ультразвука в воде уровнемер опускается в воду на глубину, фиксируемую с помощью шкалы трос-кабеля. Время распространения ультразвукового сигнала в воде определяется следующим образом. Генератор 6 вырабатывает с определенной частотой повторения электрические импульсы, поступающие на приемоизлучающий пьезопреобразователь 3 сферической формы. Одновременно с генератора 6 подается синхроимпульс на индикатор 10 (например, осциллограф), который запускает временную развертку прибора. Пьезопреобразователь 3 преобразует электрические импульсы в ультразвуковые. Ультразвуковые импульсы формируются вогнутым сферическим рефлектором в параллельный пучок и направляются вверх к границе раздела "вода-воздух". Отразившись от границы раздела сред, ультразвуковые импульсы фиксируются этим рефлектором на пьезопреобразователе и с помощью него преобразуются в электрические сигналы. Эти сигналы поступают на вход усилителя-ограничителя 7, с выхода которого они подаются на формирователь прямоугольных импульсов 8.

Сформированные прямоугольные импульсы поступают на делитель частоты "на 2" 9. Делитель частоты 9 формирует на выходе импульс только тогда, когда на его вход поступает отраженный импульс. С выхода делителя частоты сигнал поступает на индикатор 10 и останавливает временную развертку, фиксируя время распространения ультразвукового сигнала от излучателя до границы раздела сред и обратно. По известной глубине размещения уровнемера в воде и измеренному времени распространения ультразвукового сигнала определяют известным образом скорость звука в контролируемой среде, в данном случае в воде.

Далее уровнемер опускают в скважину на глубину, большую на 1-2 м предполагаемого динамического уровня, т.е. того уровня, который устанавливается при отборе воды насосом, и производят подъем воды из скважины. Процесс смещения уровня воды в скважине непрерывно фиксируется на временной шкале индикатора 10 по положению отраженного от границы раздела сред импульса. По результатам измерения строят диаграмму изменения положения уровня от времени отбора воды и по ней устанавливают рациональный режим откачки.

Достигнув динамического уровня, выключают насос и исследуют процесс восстановления уровня воды в скважине, контролируя положение сигнала на временной шкале индикатора. По полученным данным строят кривую восстановления уровня, характер которой позволяет сделать вывод о фильтрационных свойствах пласта и степени кольматации фильтра скважины.

Предлагаемый ультразвуковой дистанционный уровнемер, в отличие от прототипа, обладает большой точностью, достигаемой повышением интенсивности зондирующего и отраженного сигналов путем формирования направленного излучения на границу раздела сред и фокусирования на приемнике отраженных волн. В отличие от прототипа он не имеет ограничения по величине акустического сопротивления контролируемой жидкости и может быть использован для различных жидких сред.

Источники информации, принятые во внимание
1. Квашнин Г.П. Технология вскрытия и освоения водоносных пластов. М.: Недра, 1987, с. 225-227.

2. Бабиков О. И. Контроль уровня с помощью ультразвука. -М.: Энергия, 1971, с. 30-50.

3. Авторское свидетельство СССР N 436241, М.кл. G 01 F 23/28, N 26, 15.07.74.

4. Авторское свидетельство СССР N 512380, М.кл. G 01 F 23/28, БИ N 16, 30.04.76 (прототип).

5. Тюлин В.Р. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. М.: Наука, 1976, с.156-157.

Ультразвуковой дистанционный уровнемер содержит приемно-излучающий пьезопреобразователь, выполненный в форме сферы, рефлектор - в форме вогнутого сферического зеркала, в фокусе которого размещен пьезопреобразователь, электронную измерительную схему. Верхняя полусфера пьезопреобразователя снабжена поглотителем. Диаметр сферы пьезопреобразователя не менее двух длин волн. Изобретение направлено на повышение точности производимых измерений. 1 ил.

Ультразвуковой дистанционный уровнемер, содержащий приемно-излучающий пьезопреобразователь, рефлектор и электронную измерительную схему, отличающийся тем, что приемно-излучающий пьезопреобразователь выполнен в форме сферы, а рефлектор - в форме вогнутого сферического зеркала, в фокусе которого размещен пьезопреобразователь, при этом верхняя полусфера пьезопреобразователя снабжена поглотителем, а диаметр сферы пьезопреобразователя не менее двух длин волн.