СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2000 года по МПК G01F23/296 

Предлагаемое изобретение относится к технике контроля параметров жидкости, например их уровня, в технологических резервуарах и трубопроводах различных производств и может найти применение в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовки и других отраслях промышленности.

Известен способ непрерывного контроля уровня жидких сред, заключающийся в том, что в стенке резервуара возбуждают нормальную ультразвуковую волну (УЗВ), которая распространяется по стенке перпендикулярно поверхности контролируемой жидкости и испытывает затухание в результате демпфирования стенки жидкостью в зависимости от уровня заполнения резервуара, затем принимают эту волну ниже уровня заполнения, измеряют амплитуду принятых ультразвуковых волн, по величине которой судят о контролируемом параметре [Л1].

Недостатком такого способа является узкий диапазон и низкая точность измерения уровня из-за нелинейной зависимости амплитуды принятой УЗВ от изменений уровня жидкости, демпфирующей стенку резервуара или трубопровода.

Известен другой способ непрерывного измерения уровня жидких сред, заключающийся в том, что в стене резервуара, частично заполненного жидкостью, над границей заполнения возбуждают одну из мод волн Лэмба, которая распространяется в стенке под углом к поверхности жидкости, отличным от 90^o и 180^o, принимают ультразвуковую волну в стенке ниже границы заполнения под тем же углом, измеряют амплитуду УЗВ, по которой судят об уровне жидкости в резервуаре [Л2].

Недостатком такого способа являются низкая надежность и точность измерения, обусловленные зависимостью амплитуды нормальной УЗВ от незначительных изменений параметров стенки и контролируемой среды (толщины, несплошности, каверн, плотности жидкой среды).

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и точности измерения уровня жидкости в промышленных резервуарах и трубопроводах с различными толщинами стенок и диаметрами.

Более близким (прототипом) к предложенному способу является второй.

От известного способа предложенный отличается тем, что в точке ввода на внешней поверхности в стенке возбуждают сдвиговую УЗВ, которую направляют по винтовой линии с многократными отражениями в процессе распространения в точках, лежащих на внутренней и внешней поверхностях стенки на траектории винтовой линии, а принимают в точках отражений на внешней поверхности, используют экспериментальную зависимость амплитуды сдвиговой УЗВ от уровня жидкости в области, близкой к линейной, определяют для этой области конкретную точку приема, выделяют в этой точке амплитуды сдвиговой УЗВ, по которой судят об уровне жидкости. Благодаря этим отличительным операциям способа измерения реализуется возможность пропорционального (линейного) измерения уровня жидкости в трубопроводах и резервуарах, по форме близких к цилиндру. Техническим результатом этого является расширение диапазона непрерывного измерения уровня, а также повышение надежности и точности в условиях изменяющихся параметров стенок резервуаров и находящихся в них жидких сред.

На фиг. 1а представлена функциональная схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит акустические излучатель 1 и приемник 2, генератор возбуждения 3 продольной ультразвуковой волны 4, подключенный выходом к акустическому излучателю 1, стробируемый усилитель 5, входом подключенный к акустическому приемнику 2, временной селектор 6, входом подключенный к генератору 3, а выходом к стробируемому усилителю 5, измерительно-регистрирующий блок 7, подключенный к выходу стробируемого усилителя 5, резервуар или трубопровод 8 с контролируемой жидкой средой 9 и внутренними 10 и внешними 11 поверхностями резервуара 8, содержащим точки m_k, n_k отражения сдвиговой ультразвуковой волны 12.

Способ заключается в следующем:
В наклонном акустическом излучателе 1, установленном на внешней поверхности 11 резервуара или трубопровода 8 с контролируемой жидкой средой 9, с помощью генератора 3 возбуждают продольную ультразвуковую волну 4. Продольную УЗВ вводят в стенку под пространственным углом γ к внешней поверхности резервуара или трубопровода. Пространственный угол γ образован углами α и β, которые выбирают в соответствии с условиями возбуждения в стенке сдвиговой УЗВ и распространения ее по винтовой линии.

На фиг. 1б показан угол α, который определяется как угол между центральным лучом пучка излучения и его проекцией на плоскость, касательную к поверхности резервуара или трубопровода в точке ввода ультразвуковых колебаний.

Угол ввода ϕ = 90-α выбирают между 1-ым и 2-ым критическими углами, так чтобы в стенке возбуждалась сдвиговая ультразвуковая волна 12.

На фиг. 1в показан угол β, который определяют как угол между направлением винтовой линии и образующей резервуара или трубопровода. Угол β выбирают из условия:
90-θ/2 ≥ β ≥ θ/2,
где θ - половина угла расхождения пучка лучей при излучении в плоскую поверхность.

Наклонный акустический приемник 2, который выполняют аналогично излучателю 1, размещают на определенном расстоянии L на внешней поверхности 11 стенки в точках отражений (m₁, m₂,...m_k) сдвиговой ультразвуковой волны 12 навстречу излучателю под тем же пространственным углом γ. Расстояние L между акустическими излучателем 1 и приемником 2 выбирают в соответствии с заданным диапазоном измерений уровня l и погрешностью измерений δ, используя экспериментальную, экспоненциальную зависимость затухания амплитуды A сдвиговой УЗВ, распространяющейся в стенке от уровня h жидкой среды, находящейся внутри резервуара или трубопровода (фиг. 2).

Эта зависимость не изменяет своего характера в широком диапазоне толщин стенок, соответствующих условиям возбуждения сдвиговой УЗВ, и является функцией количества отражений (n₁, n₂ ...n_k-1) от внутренней поверхности стенки, соприкасающейся с жидкой средой (фиг. 3а).

Выбор области экспоненты [M,N] (фиг. 2), близкой к линейной, осуществляют в соответствии с заданным диапазоном измерений уровня l и погрешностью измерений δ. С этой целью данный участок [M,N] аппроксимируют отрезком прямой линии [CD], проведенной по касательной к экспоненте.

Максимальную погрешность измерений δ определяют как проекцию угла отрезка прямой линии [CD] на ось расстояний L между излучателем 1 и приемником 2.

Расстояние L находят через количество отражений m_k сдвиговой УЗВ от внешней поверхности резервуара 11.

При этом проекция прямой линии [CD] (диапазон l линейных измерений уровня) будет составлять:
l = 1/N(m_k - m_q),
где N - коэффициент, учитывающий количество отражений от внешней поверхности на один виток винтовой линии;
m_q - начальная точка диапазона l;
m_k - конечная точка диапазона l.

По конечной точке m_k диапазона измерений уровня определяют положение акустического приемника 2 относительно излучателя 1. По начальной точке m_q диапазона линейного измерения уровня определяют границу частичного заполнения резервуара или трубопровода, ниже которой устанавливают акустический приемник 2.

В точках отражений (m₁, m₂,...m_k); (n₁, n₂,...n_k-1) (фиг. 3а) сдвиговая УЗВ при ее распространении в стенке расщепляется на поверхностно-продольную волну и новую сдвиговую УЗВ. Поэтому на выходе акустического приемника 2 наблюдают не только одну информационную сдвиговую УЗВ, но и группу поверхностно-продольных волн, поступивших на вход приемника 2 от всех предыдущих отражений сдвиговой УЗВ (фиг. 3б). Так как скорость и путь распространения сдвиговой УЗВ и поверхностно-продольных волн различны, то информационную сдвиговую УЗВ выделяют в результате временного разделения принятого сигнала.

С этой целью выходной сигнал акустического приемника 2 (фиг. 1а) подают на вход стробируемого по времени усилителя 5. Стробимпульс СИ (фиг. 3в) формируют с помощью временного селектора 6. Выделенную на выходе усилителя 5 в результате стробирования амплитуду сдвиговой УЗВ (фиг. 3г) подают на вход аналогового или аналого-цифрового регистрирующего измерительного блока 7.

Предложенное изобретение является новым, так как оно неизвестно из предшествующего уровня техники, относящейся к измерению уровня жидких сред, находящихся в резервуарах и трубопроводах, и использует неизвестный способ, заключающийся в том, что в стенках резервуара или трубопровода, частично заполненных жидкостью, над границей заполнения возбуждают сдвиговую УЗВ, которую направляют по винтовой линии с многократными отражениями в процессе распространения в точках, лежащих на внутренней и внешней поверхностях стенки на траектории винтовой линии, а принимают в точках отражений на внешней поверхности, используют экспериментальную зависимость амплитуды сдвиговой УЗВ от уровня жидкости в области, близкой к линейной, определяют для этой области конкретную точку приема, выделяют в этой точке амплитуду сдвиговой УЗВ, по которой судят об уровне жидкости.

Предложенное изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно использует неизвестный способ, повышающий надежность и точность непрерывного измерения уровня жидких сред в промышленных резервуарах.

Предложенное изобретение применимо в промышленности при непрерывном измерении уровня различных жидких сред, в том числе агрессивных, находящихся в отрытых и закрытых резервуарах и трубопроводах с различными диаметрами и толщинами стенок.

Литература
1. А.с. СССР N 877342 опубл. 1.07.1981 г., G 01 F 23/28.

2. А.с. СССР N 1462113 опубл. 1.09.1988 г., G 01 F 23/28.

Изобретение относится к технике контроля параметров жидкости, например их уровня, в технологических резервуарах и трубопроводах различных производств и может найти применение в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовки и других отраслях промышленности. Возбуждают ультразвуковую волну (У3В), распространяющуюся в стенке по винтовой линии с многократными отражениями от внутренней и вешней поверхностей трубопровода или резервуара в точках, лежащих на винтовой линии. Используют экспериментальную экспоненциальную зависимость амплитуды сдвиговой У3В от уровня жидкости. Определяют по этой зависимости область, близкую к линейной, задающую диапазон L измерений уровня с погрешностью δ. Определяют конкретную точку приема сдвиговой УЗВ на внешней поверхности резервуара или трубопровода относительно точки измерения. Выделяют в этой точке амплитуду сдвиговой УЗВ, соответствующей уровню жидкости в резервуаре или трубопроводе. Обеспечено повышение точности и надежности измерения уровня жидкости в промышленных резервуарах и трубопроводах с различными толщиной стенок и диаметром. 3 ил.

Способ непрерывного измерения уровня жидких сред, заключающийся в том, что в стенке резервуара или трубопровода, частично заполненных жидкостью, над границей заполнения возбуждают ультразвуковую волну (УЗВ), которая распространяется в стенке под углом к поверхности жидкости, отличным от 90^o и 180^o, принимают ее ниже границы заполнения под тем же углом, измеряют амплитуду принятых ультразвуковых колебаний, по которой судят о контролируемом параметре, отличающийся тем, что в точке ввода на внешней поверхности в стенке возбуждают сдвиговую УЗВ, которую направляют по винтовой линии с многократными отражениями в процессе распространения в точках, лежащих на внутренней и внешней поверхностях стенки резервуара на траектории винтовой линии, а принимают в точках отражений на внешней поверхности, используют экспериментальную зависимость амплитуды сдвиговой УЗВ от уровня жидкости в области, близкой к линейной, определяют для этой области конкретную точку приема, выделяют в этой точке амплитуду сдвиговой УЗВ, по которой судят об уровне жидкости.