СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01F23/296 G01F23/68 

Изобретение относится к ультразвуковым контрольно- измерительным устройствам и может быть использовано для контроля уровня жидкостей.

Известен способ ультразвуковой локации, заключающийся в том, что измеряется время распространения через воздушную или жидкую среду акустических колебаний от источника излучения до границы раздела сред и обратно [Хамидуллин В.К. Ультразвуковые контрольно-измерительные устройства и системы. Л.: Из-во Ленинградского Университета, 1989, с. 152-155]. Недостатком данного метода является невозможность его применения для измерения уровня тяжелых нефтепродуктов (мазута), которые при их использовании содержат некоторое количество воды и постоянно подогреваются, вследствие этого среда над жидкостью представляет собой паро-воздушную смесь, в которой существуют значительные градиенты температуры и конвенционные потоки. Это приводит к изменению скорости распространения, коэффициентов поглощения и отражения звука в процессе измерения и, как следствие, к высокой погрешности измерений. Коррекция результатов, путем введения дополнительного эталонного измерительного канала и различных поправок [патент США N 5085077, кл. G 01 F 23/28], не позволяет добиться необходимой точности, вследствие того, что данные процессы не являются стационарными. Локация через жидкость затруднена вышеназванными причинами, а также и осаждением на поверхности излучателя и приемника сигнала в процессе эксплуатации отложений, например парафинов.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ измерения уровня жидкости посредством измерения времени, необходимого для прохождения ультразвуковым импульсом по металлическому ферромагнитному стержню от излучателя, расположенного на одном из концов стержня, до поверхности жидкости. При этом на стержень на всем расстоянии возможного изменения уровня жидкости наматывают измерительную обмотку, коаксиально со стержнем располагается плавающий на поверхности жидкости поплавок, внутри которого расположены постоянные магниты. За счет магнитострикции в измерительной обмотке, в момент времени, соответствующий проходу ультразвуковым импульсом области стержня, находящейся в магнитном поле магнитов поплавка, генерируется электрический импульс и соответствующая электронная схема определяет требуемое время и рассчитывает уровень жидкости [патент России N 2060472, класс G 01 F 23/28].

К недостаткам прототипа следует отнести невозможность его применения для измерения уровня жидкости в больших емкостях высотой десять и более метров с точностью порядка миллиметров, что связано со сложностью прецизионного изготовления измерительной катушки такой длины и ее защитой от механических повреждений и химических воздействий.

Целью изобретения является создание достаточно простой по конструкции и надежной измерительной системы для измерения уровня жидкостей, включая тяжелые нефтепродукты, в больших емкостях (высотой более 10 метров).

Поставленная цель достигается тем, что в способе ультразвукового измерения уровня измеряется время прохождения акустического сигнала по звукопроводу, установленному вертикально внутри емкости, от излучателя до приемника, при этом, согласно изобретению акустический сигнал возбуждают пьезокерамическим излучателем, размещенным внутри плавающего на поверхности жидкости поплавка, коаксиально охватывающего звукопровод, по которому протекает переменный электрический ток, обеспечивающий индукционное питание и синхронизацию излучателя.

На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит генератор синусоидального сигнала частотой 15-20 кГц 1, генератор прямоугольных импульсов длительностью несколько мкс и периодом следования порядка 0,01 секунды 2, блок согласования и гальванической развязки 3, звукопровод - металлический стержень 4, приемник ультразвуковых колебаний 5, состоящий из пьезокерамики и предварительного усилителя, поплавок 6, блок определения времени прохождения акустического сигнала 7, блок расчета уровня жидкости 8; внутри поплавка находятся: вторичная обмотка 9 блока питания 10, фильтр 11, формирователь импульса 12, пьезокерамический излучатель 13.

Способ ультразвукового измерения уровня жидкости осуществляют следующим образом. Генератор 1 вырабатывает переменное напряжение частотой 15-20 кГц, которое через блок 3 постоянно подается на стержень 4. Переменный ток, текущий по стержню, индуцирует в обмотке 9 электрическое напряжение, которое преобразуется блоком питания в напряжение питания формирователя импульса 12. Генератор 2 вырабатывает синхроимпульс, который в блоке 3 складывается с синусоидальным напряжением и индуктивно через обмотку 9 поступает на вход фильтра 11, который выделяет его из общего сигнала. Далее синхроимпульс подается на вход формирователя 12, который синхронно формирует электрический импульс заданной длительности, подаваемый на пьезокерамический излучатель 13. Пьезокерамический излучатель вырабатывает акустический сигнал, который через стенки корпуса поплавка 6, жидкость, на поверхности которой он плавает, достигает стержня 4 и, распространяясь по нему, достигает приемника ультразвуковых колебаний 5, где происходит преобразование акустического сигнала в электрический импульс, который поступает на один из входов блока 8. На другой вход данного блока подается синхроимпульс непосредственно с генератора 2. В блоке 8 определяется время задержки между синхроимпульсом и сигналом с приемника 5. Это время зависит от расстояния между пьезокерамическим излучателем 13 и стержнем, которое является сравнительно небольшим (1-2 мм) и постоянным и учитывается в виде поправок, расстояния от поверхности жидкости до пьезоприемника и соответствующих скоростей звука, которые фактически можно считать постоянными и известными. В блоке 8 по определенному алгоритму вводятся необходимые поправки и на основе значений времени задержки и скорости звука в металлическом стержне 4 вычисляют уровень жидкости в емкости.

Высокая надежность системы и возможность ее применения для измерения уровня жидкости, включая тяжелые нефтепродукты, в больших емкостях обеспечивается: отсутствием механической и электрической проводной связи между излучателем и другими блоками системы и его защитой от механических повреждений корпусом поплавка; изготовлением звукопровода - металлического стержня и корпуса поплавка из коррозионностойких марок стали; изоляцией всех блоков системы, кроме поплавка и стержня, от внутреннего объема емкости; использованием в качестве излучателя и приемника ультразвукового импульса пьезокерамических преобразователей.

Таким образом, используемая совокупность новых признаков позволяет ультразвуковым методом измерять уровень жидкости в автоматическом режиме в емкостях большого объема с высокой точностью, при этом в качестве жидкости могут быть тяжелые нефтепродукты, требующие подогрева.

При ультразвуковом измерении уровня жидкости измеряют время прохождения акустического ультразвукового импульса по звукопроводу, установленному вертикально внутри емкости, от излучателя до приемника. Акустический сигнал возбуждают пьезокерамическим излучателем, размещенным внутри плавающего на поверхности жидкости поплавка, коаксиально охватывающего звукопровод, по которому протекают переменный электрический ток и синхроимпульсы, обеспечивающие соответственно индукционное питание и индукционную синхронизацию пьезокерамического излучателя. Обеспечена простота и надежность системы для измерения уровней жидкостей, включая тяжелые нефтепродукты, в больших емкостях высотой более 10 м. 1 ил.

Способ ультразвукового измерения уровня жидкости путем измерения времени прохождения акустического ультразвукового импульса по звукопроводу, установленному вертикально внутри емкости, от излучателя до приемника, отличающийся тем, что акустический сигнал возбуждают пьезокерамическим излучателем, размещенным внутри плавающего на поверхности жидкости поплавка, коаксиально охватывающего звукопровод, по которому протекает переменный электрический ток, обеспечивающий индукционное питание и синхронизацию излучателя.