СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ НАЛИЧИЯ (ПРОСКОКА) ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 2002 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к технике контроля наличия жидкости в технологических резервуарах и трубопроводах с цилиндрической или близкой к ней формой и может найти применение в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовки и других отраслях промышленности.

Известен способ непрерывного измерения уровня жидких сред, заключающийся в том, что в стенке резервуара или трубопровода, частично запомненных жидкостью, над границей заполнения возбуждают ультразвуковую (У. З. ) волну, 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 У. З. волну, 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 У. З. волны от уровня жидкости в области, близкой к линейной, определяют для этой области конкретную точку приема, выделяют в этой точке амплитуду сдвиговой У. З. волны, по которой судят об уровне жидкости [Л1] .

Недостатком данного способа является сравнительно низкая надежность контроля наличия жидкости в заданной зоне трубопровода и узкий диапазон непрерывного измерения уровня, обусловленные низким коэффициентом демпфирования У. З. волны из-за незначительного расстояния между излучателем и приемником У. З. волны.

Известен другой способ ультразвукового контроля уровня жидкости в резервуаре или трубопроводе, заключающийся в том, что в точке ввода, лежащей на внешней поверхности стенки резервуара или трубопровода, периодически возбуждают нормальную У. З. волну, которая распространяется в стенке от точки ввода к точке приема и испытывает затухание в зависимости от уровня жидкости, причем точка приема нормальной У. З. волны удалена от точки ввода вдоль образующей резервуара или трубопровода на заданное расстояние, принимают нормальную У. З. волну, измеряют ее амплитуду и по амплитуде судят о наличии жидкости в контролируемой зоне резервуара или трубопровода. [Л2] .

Недостатком данного способа является низкая надежность и точность, обусловленные тем, что при заполнении резервуара или трубопровода только часть внутреннего сечения трубопровода соприкасается с жидкой средой, демпфирующей стенку.

Более близким (прототипом) предложенному способу является второй.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и точности определения наличия (проскока) жидкости в трубопроводах, когда жидкость заполняет не все сечение трубопровода, а вбрасывается под давлением в зону контроля, частично оседая на внутренних поверхностях стенок трубопровода.

От известного способа предлагаемый отличается тем, что точку приема У. З. волны выбирают на пересечении винтовых траекторий, образованных двумя симметричными боковыми ультразвуковыми лучами излучателя с прямоугольным основанием, угол раскрытия основного лепестка диаграммы направленности которого выбирают на уровне 0,7, а точку приема У. З. волны удаляют от точки ввода на расстояние, кратное нечетному числу полупериодов винтовой траектории каждого ультразвукового луча, излучатель и приемник У. З. волны располагают оппозитно на противоположных сторонах трубопровода, причем число полупериодов определяют в зависимости от коэффициента демпфирования У. З. волны и чувствительности электроакустического тракта, суммируют в точке приема боковые ультразвуковые лучи, по которым формируют амплитуду У. З. волны, запоминают напряжение, соответствующее амплитудному значению в каждом периоде возбуждения У. З. волны, сравнивают с определенным эталонным напряжением и по разности напряжений судят о наличии жидкости в трубопроводе.

Благодаря этим отличительным операциям способа реализуется возможность контроля наличия (проскока) жидкости в контролируемой зоне трубопровода при частичном соприкосновении жидкости с внутренним сечением трубопровода. Техническим результатом этого является расширение области контроля параметров различных жидких сред, находящихся под нормальным или избыточным давлениях в промышленных резервуарах и трубопроводах, а также повышение надежности и точности их контроля.

На фиг. 1, 2 представлена функциональная схема устройства одной из реализаций предложенного способа, на фиг. 3 представлена импульсно-потенциальная диаграмма, поясняющая работу устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство содержит акустический излучатель 1 (фиг. 1) и акустический приемник 2 с наклонными волноводами 3, 4 с прямоугольным основанием, устанавливаемые на внешней поверхности трубопровода 5; последовательно соединенные генератор 6, блок задержки 7, формирователь 8, стробируемый усилитель 9 (первым входом), пиковый детектор 10, измерительно-регистрирующий блок 11 (первым входом); причем выход генератора 6 соединен также с акустическим излучателем 1, а второй вход стробируемого усилителя 9 - с выходом акустического приемника 2; источник эталонного напряжения 12, выход которого подключен на второй вход измерительно-регистрирующего блока 11.

Способ заключается в следующем.

На внешней поверхности трубопровода 5 устанавливают акустический излучатель 1 с наклонным основанием и прямоугольным волноводом 3, в котором с помощью периодической последовательности импульсов 23 генератора 6 возбуждают продольную У. З. волну 15. На границе раздела волновод-стенка трубопровода продольная У. З. волна 15 трансформируется в точке ввода 18 в У. З. волну 16, которая распространяется вдоль трубопровода 5, испытывая затухание, в том числе и в результате воздействия жидкой среды 17 (фиг. 2) на внутреннюю поверхность 19 стенки трубопровода 5.

Наличие жидкой среды в контролируемой зоне трубопровода оценивают по изменению амплитуды 21 (фиг. 3) У. З. волны 16 при попадании жидкости на внутреннюю поверхность стенки трубопровода. Амплитуда 21 изменяется тем больше, чем больше расстояние L (фиг. 1) между точкой ввода 18 и точкой приема 20 У. З. волны 16. С этой целью расстояние L увеличивают за счет создания условий для распространения У. З. волны 16 по винтовым траекториям 13, 14, за счет чего повышается амплитуда У. З. волны в точке приема 20 при заданной чувствительности электроакустического тракта. Точку приема 20 У. З. волны, возбуждаемой в точке 18, выбирают на пересечении боковых У. З. лучей 13', 14', соответствующих углам раскрытия θ₁,θ₂ на уровне 0,7 основного лепестка диаграммы направленности прямоугольного излучателя 1.

Общее выражение для диаграммы направленности прямоугольного излучателя имеет вид

где p - акустическое давление, создаваемое У. З. волной в заданном направлении;
p_о - акустическое давление, создаваемое в направлении акустической оси излучателя;
θ₁,θ₂- углы, соответствующие У. З. лучам по двум перпендикулярным направлениям;
λ - длина У. З. волны в, стенке трубопровода;
a - длина стороны прямоугольного сечения излучателя (приемника);
b - ширина стороны прямоугольного сечения излучателя (приемника).

Для формирования винтовых траекторий 13, 14 угол раскрытия θ_10.7 основного лепестка диаграммы направленности на уровне 0,7 выбирают в соответствии с выражением

где λ- длина У. З. волны в стенке трубопровода; а - длина стороны прямоугольного сечения излучателя (приемника);
У. З. волну 16 в стенке трубопровода возбуждают так, что в направлении "b" излучение практически отсутствует. При излучении в направлении "a" симметричные относительно точки ввода 18 боковые У. З. лучи 13', 14' направляют по винтовым траекториям 13, 14 и суммируют в точке приема 20, соответствующей нечетному числу полупериодов винтовой траектории каждого У. З. луча 13' или 14'. При этом акустические излучатель 1 и приемник 2 будут расположены оппозитно на противоположных сторонах трубопровода, а число полупериодов определяют в соответствии с заданным коэффициентом демпфирования К У. З. волны 16 и чувствительностью электроакустического тракта γ. Коэффициент демпфирования К определяют как отношение напряжений на входе стробируемого усилителя 9 при пустом U₀ и заполненном жидкостью U₁ трубопроводе K= U₀/U₁.

Чувствительность γ определяют как минимальное по абсолютной величине напряжение U₁ на входе стробируемого усилителя 9, при котором выполняется заданный коэффициент демпфирования К. Информативный сигнал в виде амплитуды 21 (фиг. 3) о наличии жидкости в трубопроводе формируют на выходе акустического приемника 2 (фиг. 1).

С выхода акустического приемника 2 информативный сигнал 21 направляют на первый вход стробируемого усилителя 9. Одновременно на второй вход направляют стробимпульс 22 (фиг. 3), который вырабатывают на выходе формирователя 8. Стробимпульс 22 вырабатывают с задержкой относительно импульса возбуждения 23 генератора 6 на время τ, соответствующее времени распространения боковых У. З. лучей 13', 14' от точки ввода 18 до точки приема 20. Импульс задержки 24 формируют в блоке задержки 7 по импульсу 23 на выходе генератора 6.

Выходной сигнал 25 стробируемого усилителя 9 направляют на вход пикового детектора 10, в котором запоминают его амплитудное значение в каждом периоде возбуждения.

С выхода пикового детектора 10 сигнал 26 направляют в измерительно-регистрационный блок 11, в котором его сравнивают с эталонным сигналом 27 от источника эталонного напряжения 12. Уровень эталонного сигнала 27 выбирают превышающим уровень помех, создаваемый от других типов волн, распространяющихся в трубопроводе. По результатам сравнения на выходе измерительно-регистрационного блока 11 формируют сигнал 28 о наличии жидкости в трубопроводе.

Предложенное изобретение является новым, так как оно не известно из предшествующего уровня техники, относящейся к определению уровня или наличия жидких сред, находящихся в резервуарах и трубопроводах, и использует неизвестный способ, заключающийся в том, что в стенке трубопровода с помощью наклонного излучателя У. З. волны с прямоугольным основанием периодически возбуждают У. З. волну, которую направляют вдоль трубопровода от точки ввода к точке приема, а точку приема выбирают на пересечении винтовых траекторий, образованных двумя симметричными боковыми ультразвуковыми лучами прямоугольного излучателя с углом раскрытия основного лепестка диаграммы направленности на уровне 0,7, а точку приема У. З. волны удаляют от точки ввода на расстояние, кратное нечетному числу полупериодов винтовой траектории каждого ультразвукового луча, при этом излучатель и приемник У. З. волны располагают оппозитно на противоположных сторонах трубопровода, причем число полупериодов винтовых траекторий определяют в зависимости от коэффициента демпфирования У. З. волны и чувствительности электроакустического тракта, суммируют в точке приема боковые ультразвуковые лучи, по которым формируют амплитуду У. З. волны, запоминают напряжение, соответствующее амплитудному значению в каждом периоде возбуждения У. З. волны, сравнивают с определенным эталонным напряжением и по разности напряжений судят о наличии жидкости в трубопроводе.

Предложенное изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно использует неизвестный способ, повышающий надежность и точность определения наличия (проскока) жидкости в трубопроводах с различными диаметрами и толщинами стенок при их заполнении жидкой средой как при нормальном, так и избыточном давлениях, в случае, когда только часть внутренней поверхности трубопровода в контролируемой зоне соприкасается с жидкостью.

Предложенное изобретение применимо при контроле уровня и проскока жидких и газожидкостных сред, в том числе агрессивных (жидкий хлор, жидкий аммиак и др. ) в абгазных трубопроводах и трубопроводах испарителей различных производств химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Источники информации
1. Патент N 2149362 G 01 F 23/296.

2. Бражников Н. И. и др. Новый метод бесконтактной ультразвуковой уровнеметрии жидкостей. Материалы семинара "Современные методы и приборы автоматического контроля и регулирования технологических процессов. " Общество "Знание" РСФСР МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, Москва, 1988 г.

Изобретение относится к технике контроля и наличия жидкости в технологических резервуарах и трубопроводах с цилиндрической или близкой к ней формой и может быть применено в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовке и других отраслях промышленности. В точке ввода, которая находится на внешней поверхности трубопровода, с помощью наклонного излучателя периодически возбуждают ультразвуковую волну. Ультразвуковая волна распространяется в стенке от точки ввода к точке приема. Точку приема выбирают на пересечении винтовых траекторий, которые образованы двумя симметричными боковыми ультразвуковыми лучами излучателя. Угол раскрытия основного лепестка диаграммы направленности излучателя выбирают на уровне 0,7. Точка приема ультразвуковой волны удалена от точки ввода на заданное расстояние вдоль трубопровода, равное кратному нечетному числу полупериодов винтовой траектории каждого ультразвукового луча. Суммируют в точке приема боковые ультразвуковые лучи, по которым формируют амплитуду волны. Запоминают напряжение, которое соответствует амплитудному значению в каждом периоде возбуждения ультразвуковой волны, и сравнивают с эталонным напряжением. По разности напряжений судят о наличии или проскоке жидкости в трубопроводе. Технический результат состоит в повышении надежности и точности определения наличия или проскока жидкости в трубопроводах. 3 ил.

Способ ультразвукового контроля наличия или проскока жидкости в трубопроводе, заключающийся в том, что в точке ввода, лежащей на внешней поверхности стенки трубопровода, с помощью наклонного излучателя периодически возбуждают ультразвуковую волну, которая распространяется в стенке от точки ввода к точке приема и испытывает затухание в зависимости от уровня жидкости, заполняющей трубопровод, причем точка приема ультразвуковой волны удалена от точки ввода на заданное расстояние вдоль трубопровода, принимают ультразвуковую волну, отличающийся тем, что точку приема ультразвуковой волны выбирают на пересечении винтовых траекторий, образованных двумя симметричными боковыми ультразвуковыми лучами излучателя, угол раскрытия основного лепестка диаграммы направленности которого выбирают на уровне 0,7, а точку приема ультразвуковой волны удаляют от точки ввода на расстояние, кратное нечетному числу полупериодов винтовой траектории каждого ультразвукового луча, причем число полупериодов определяют в зависимости от коэффициента демпфирования ультразвуковой волны и чувствительности электроакустического тракта, суммируют в точке приема боковые ультразвуковые лучи, по которым формируют амплитуду ультразвуковой волны, запоминают напряжение, соответствующее амплитудному значению в каждом периоде возбуждения ультразвуковой волны, сравнивают с определенным эталонным напряжением и по разности напряжений судят о наличии или проскоке жидкости в трубопроводе.