СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД В РЕЗЕРВУАРАХ Российский патент 1999 года по МПК G01F23/284 

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких сред в резервуарах в теплоэнергетической, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.

Известен способ измерения жидких сред в резервуарах, когда в них размещают акустические излучатель и приемник, излучают в направлении контролируемой поверхности раздела сред ультразвуковую волну, принимают отраженную волну и измеряют суммарное время прохождения ультразвуковой волны от излучателя до границы раздела сред и от границы раздела сред до приемника [Бабиков О. И. Контроль уровня с помощью ультразвука. - М.: Энергия, 1970 г.-80 с. (Б-ка по автоматике. Вып.459)].

Недостатком способа является значительная погрешность измерения из-за непостоянства параметров среды, в которой распространяется ультразвуковая волна.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ измерения уровня теплоносителя в резервуаре, когда в последний помещают металлический волновод, контактирующий с жидкостью по ее высоте, возбуждают на одном конце волновода продольную упругую волну нулевого порядка, принимают отраженную от другого конца волновода упругую волну и определяют уровень интенсивности отраженной упругой волны [Мельников В.И., Усынин Г.Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. - М.: Энергоатомиздат, 1987 г. - 168 с.].

Недостатком способа является то, что на результат измерения влияют непостоянство параметров теплоносителя и нестабильность частоты генератора, возбуждающего в волноводе продольную упругую волну нулевого порядка.

Для достижения технического результата - повышение точности измерения уровня жидких сред в резервуарах за счет снижения погрешностей, вызываемых непостоянством параметров жидкости и нестабильностью частоты генератора возбуждения возбуждают продольную упругую волну нулевого порядка на одном конце металлического первого волновода, размещенного в жидкой среде по высоте резервуара, принимают после прохождения по волноводу упругую волну, отраженную от другого защемленного конца первого волновода, и определяют уровень интенсивности упругой волны в месте приема, возбуждают и принимают так же, как и в первом волноводе, продольные упругие волны нулевого порядка во втором и третьем, дополнительно устанавливаемых в резервуарах по его высоте, волноводах, определяют уровни интенсивности в каждом из них отдельно, вычисляют относительные уровни интенсивности упругих волн у приемных концов попарно выбранных волноводов - "второго- первого" и "второго-третьего" или "первого-третьего" и "второго- третьего" и находят отношение относительных уровней интенсивности продольных упругих волн для выбранных пар, причем второй волновод изолирован от жидкой среды, а третий контактирует с жидкой средой по всей длине.

При распространении по волноводу продольных упругих колебаний в последнем, кроме затухания собственно в материале волновода, имеет место дополнительное затухание упругих волн, вызванное излучением волны поверхностью волновода в среду, где он размещен.

При возбуждении продольных волн нулевого порядка с одного конца в трех металлических идентичных волноводах длиной L₀ и приеме отраженных от другого конца их упругих волн, причем первый волновод помещен в жидкую среду на глубину L (L≤L_o), а второй и третий размещены по всей длине L_o в газовой и жидкостной средах соответственно, уровни сигналов U₁, U₂, U₃ на выходах приемных трактов их описываются выражениями
U₁= k₁•k₂•U₀•exp•[(-2)•(α_ж•L+α_г•(L-L₀))] (1)
U₂= k₁•k₂•U₀•exp•(-2)•α_г•L₀ (2)
U₃= k₁•k₂•U₀•exp•(-2)•α_ж•L₀ (3)
где U_o - уровень сигнала возбуждения упругих волн в волноводах;
k₁ и k₂ - коэффициенты, характеризующие соответственно параметры трактов возбуждения и приема волноводов;
α_ж и α_г - коэффициенты затухания упругих волн в волноводах, размещенных в жидкой и газовой средах;
L_o - длина волноводов;
L - уровень жидкости в резервуаре.

Коэффициент 2 в формулах (1)-(3) учитывает двухкратное прохождение упругой волны по волноводу от места возбуждения до места приема, вследствие отражения ее от второго конца волновода.

Выражения (1), (2), (3) получены для случая, когда параметры трактов возбуждения и приема всех трех волноводов идентичны.

Уровни интенсивности принятых сигналов для каждого волновода будут соответственно равны:
B₁= ln(U₁/U₀) = ln(k₁•k₂)-2α_ж•L-2α_г•(L₀-L) (4)
B₂= ln(U₂/U₀) = ln(k₁•k₂)-2α_г•L₀ (5)
B₃= ln(U₃/U₀) = ln(k₁•k₂)-2α_ж•L₀ (6)
Отношения относительных уровней интенсивности для пар волноводов "второй-первый" и "второй-третий" или пар волноводов "первый-третий" и "второй-третий" будут соответственно равны:
Q₁=[B₂ - B₁)/(B₂ - В₃)] = L/L_o (7)
Q₂=[B₁ - В₃)/(В₂ - В₃)] = 1- (L/L_o) (8)
и при идентичных параметрах трактов излучения и приема всех трех волноводов отношение уровней интенсивности выбранных пар волноводов обеспечивают независимость показаний уровнемера от параметров контролируемой среды и стабильности частоты генератора возбуждения упругих волн в волноводах.

На чертеже представлена структурная схема уровнемера, реализующего способ.

Уровнемер содержит три одинаковых волновода 1, 2 и 3 длиной L_o, каждый из которых помещен в корпуса 4, 5 и 6, причем волновод 1 контактирует с жидкой средой, уровень L которой измеряется. Это обеспечивается перфорацией корпуса 4. Волновод 2 изолирован от жидкой среды, а волновод 3 контактирует с жидкой средой по всей длине L_o, что обеспечивается конструкцией корпусов 5 и 6. Корпуса 4, 5 и 6 с волноводами 1, 2 и 3 размещены в резервуаре 7.

Возбуждение упругих волн в волноводах и их прием осуществляется совмещенными преобразователями 8 (преобразователи 8 работают попеременно сначала в режиме возбуждения продольных волн, затем в режиме приема отраженных волн), которые запитываются от генератора возбуждения 9.

Каждый канал приема упругих волн, кроме преобразователя 8, работающего в режиме приема, содержит усилитель 10, запираемый на момент возбуждения упругих волн в волноводе для предотвращения перегрузки, и блок логарифмирования 11.

Сигналы с выхода блоков 11 поступают в блок вычисления 12 отношения относительных уровней интенсивности.

Уровнемер работает следующим образом.

Импульсы напряжения U_o от генератора 9 возбуждают с помощью преобразователей 8 в волноводах упругие продольные волны нулевого порядка, каждая из которых при распространении вдоль волновода до защемленного конца и обратно испытывает дополнительные затухания, определяемые акустическим сопротивлением среды (жидкость или газ) и размерами поверхности (длиной) волновода, контактирующей с жидкой средой.

Отраженные от защемленных концов волноводов упругие волны преобразователями 8, работающими в режиме приема, преобразуются в напряжения, которые после усиления в усилителях 10 (U₁, U₂ и U₃) и логарифмирования в блоках 11 (B₁, B₂ и В₃) поступают на входы блока 12, где обрабатываются по одному из алгоритмов (7) или (8).

Источники информации
1. Бабиков О. И. Контроль уровня с помощью ультразвука. - М.: Энергия, 1970 г. - 80 с. (Б-ка по автоматике. Вып. 459).

2. Мельников В.И., Усынин Г. Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. - М.: Энергоатомиздат, 1987 г. - 168 с.

Способ используется в автоматике и измерительной технике для измерения уровня жидких сред в резервуарах. В резервуар по его высоте, где размещен в жидкой среде первый волновод, помещают дополнительно второй и третий волноводы. Во всех волноводах возбуждают упругие продольные волны нулевого порядка и принимают их после прохождения по волноводам. Измеряют уровни интенсивности упругих волн в попарно выбранных волноводах "второй-первый" и "второй-третий" или "первый-третий" и "второй-третий" и находят отношение относительных уровней интенсивности продольных упругих волн для выбранных пар. Второй волновод изолирован от жидкой среды, а третий контактирует с жидкой средой по всей длине. Повышена точность измерений за счет снижения погрешностей, вызываемых непостоянством параметров жидкой среды и нестабильностью частоты генератора возбуждения. 1 ил.

Способ измерения уровня жидких сред в резервуарах, включающий возбуждение продольной упругой волны нулевого порядка на одном конце металлического первого волновода, размещенного в жидкой среде по высоте резервуара, прием упругой волны после прохождения по волноводу, отраженной от другого защемленного конца первого волновода, и определение уровня интенсивности упругой волны в месте приема, отличающийся тем, что возбуждают и принимают так же, как и в первом волноводе, продольные упругие волны нулевого порядка во втором и третьем, дополнительно устанавливаемых в резервуаре по его высоте, волноводах, определяют уровни интенсивности в каждом из них отдельно, вычисляют относительные уровни интенсивности упругих волн у приемных концов попарно выбранных волноводов "второго-первого" и "второго-третьего" или "первого-третьего" и "второго-третьего" и находят отношение относительных уровней интенсивности продольных упругих волн для выбранных пар, причем второй волновод изолирован от жидкой среды, а третий контактирует с жидкой средой по всей длине.