СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В СОСУДЕ Российский патент 2002 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к области бесконтактного контроля уровня жидкости в сосудах и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности, а также на транспорте.

Известны способы ультразвукового контроля уровня жидкости в сосудах, основанные на возбуждении колебаний в стенке сосуда ультразвуковым преобразователем, установленным на наружной поверхности стенки сосуда, и приеме сигнала этим или другим преобразователем, также укрепленным на наружной стенке. О наличии (отсутствии) жидкости на определенном уровне судят по различию принятых сигналов в присутствии жидкости и без нее [1, 2, 3] .

В способах [1, 2] излучатель и приемник ультразвуковых колебаний разнесены и находятся на одной вертикали наружной стенки сосуда. Воздействие излучателя возбуждает в стенке поперечные волны, бегущие от излучателя к приемнику. Интенсивность принятых колебаний зависит не только от упругих свойств стенки, но и от наличия жидкости за ней, поскольку жидкость является в данном случае поглотителем энергии колебаний. По разности амплитуд пришедшей волны при отсутствии жидкости между излучателем и приемником и при наличии таковой судят о присутствии жидкости в этом промежутке. Ясно, что точность определения уровня в этом способе будет определяться минимальной базой, т. е. расстоянием между излучателем и приемником, которое пока не удается сделать меньше нескольких сантиметров, кроме того, степень поглощения сигнала жидкостью не велика и изменение сигнала можно не заметить для жидкостей с малой вязкостью, например воды, на фоне обычных помех при уменьшении базы. Снижение вязкости может произойти при повышении температуры жидкости и тем самым существенно повлиять на величину изменения сигнала. В способе [2] предлагается устранить этот фактор путем введения в схему прибора температурной коррекции, однако главный недостаток способа при этом не устраняется.

В способе [3] эти недостатки преодолены тем, что пьезоэлектрический преобразователь выполняет функцию импульсного излучателя колебаний, а после действия импульса возбуждения принимает реверберационные импульсы, отраженные от внутренней поверхности стенки сосуда. Строится огибающая амплитуд отраженных импульсов, форма которой имеет вид плавно спадающей во времени кривой, причем степень спада зависит от поглощающих свойств жидкости за стенкой сосуда. Затем устанавливают определенный уровень спада огибающей и величину времени от начала процесса до достижения этого уровня при отсутствии жидкости за стенкой сосуда.

При появлении жидкости на уровне установки преобразователя степень спада отраженных импульсов увеличится и временной интервал, необходимый для достижения заданного уровня, уменьшится, что и будет зарегистрировано схемой сравнения с эталонным интервалом. Недостатком способа является возрастание неопределенности при фиксировании временного промежутка для жидкостей с малым затуханием (кривая спада амплитуд становится весьма пологой), и, как следствие, происходит снижение достоверности способа.

Наиболее близким к заявленному способу по числу общих признаков является способ ультразвукового контроля уровня жидкости в сосуде в месте установки пьезоэлектрического преобразователя, выполняющего функции импульсного возбуждения колебаний в стенке сосуда и приема колебаний, представляющих собой смесь реверберационных импульсов, отраженных от внутренней поверхности стенки сосуда и собственных колебаний преобразователя [4] .

Преобразователь крепится к наружной поверхности стенки сосуда так, чтобы обеспечить акустический контакт его чувствительного элемента со стенкой. С помощью электрического генератора радиоимпульсов пьезоэлектрический преобразователь посылает в стенку сосуда акустический радиоимпульс высокой частоты, длительность которого меньше времени пробега импульса между стенками. После излучения импульса преобразователь начинает работать как приемник реверберационных импульсов, одновременно регистрируя при этом собственные колебания чувствительного элемента. Взаимодействуя, эти два типа колебаний образуют сложную интерференционную картину затухающих электрических колебаний на выходе преобразователя. При отсутствии жидкости за стенкой сосуда на отдельных участках переходного процесса в результате интерференции имеют место отдельные всплески. При наличии жидкости за стенкой, вследствие ее демпфирующих свойств, всплески, как правило, исчезают и процесс становится более регулярным. Участки процесса колебаний, особенно, где находятся всплески, подвергаются временной селекции, в этих временных пределах производят линейное усиление, пиковое детектирование колебаний с последующим интегрированием амплитуд и сравнение по величине выработанного электрического напряжения с эталонным, который соответствует сигналу, выработанному при отсутствии жидкости за стенкой сосуда.

Недостатком предлагаемого способа является его малая достоверность и высокая зависимость результата от условий измерения.

Действительно, поскольку контроль уровня жидкости основан на одновременном приеме собственных колебаний чувствительного элемента преобразователя и колебаний стенки сосуда, характер процесса существенно зависит как от параметров жидкости и от параметров стенки сосуда, так и от параметров преобразователя. Даже при небольшом изменении хотя бы одного из этих параметров картина процесса резко изменяется, что характерно для всех интерференционных процессов, изменяется положение селектируемого временного промежутка и амплитуды всплесков, что неизбежно приведет к снижению достоверности способа и его чувствительности к изменению основных параметров датчика, стенки сосуда и материала жидкости. При любом изменении одного из параметров необходима тщательная калибровка и настройка прибора.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности контроля уровня жидкости в сосуде путем уменьшения влияния на результат параметров преобразователя, материала стенки сосуда и свойств жидкости, а также упрощение процедуры контроля за счет исключения дополнительной калибровки способа при смене вида жидкости и типа сосуда.

Для решения поставленной задачи в способе ультразвукового контроля уровня жидкости в сосуде, включающем импульсное возбуждение колебаний в стенке сосуда пьезоэлектрическим преобразователем, установленным на ее наружной поверхности, прием колебаний этим же преобразователем, преобразование колебаний в электрический сигнал, временную селекцию приемного электрического сигнала, его обработку и принятие решения о наличии или отсутствии жидкости за стенкой сосуда на уровне установки пьезоэлектрического преобразователя путем сравнения электрических напряжений, соответствующих обработанному и эталонному электрическим сигналам, введены новые признаки, а именно: возбуждение и прием колебаний производят пьезоэлектрическим преобразователем, имеющим период собственных колебаний, по крайней мере, на порядок меньший времени между приходом отраженных от внутренней поверхности стенки сосуда импульсов, подавляют собственные колебания пьезоэлектрического преобразователя с помощью демпфера, в выбранном временном интервале производят нелинейное усиление, квадратичное детектирование и накопление электрических сигналов, соответствующих этим импульсам, а за пределами выбранного временного интервала электрические сигналы подавляют.

Наиболее стабильным результат контроля получается, если в качестве временного интервала выбирают интервал между пятым и пятнадцатым отраженными импульсами.

Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение независимости способа от собственных характеристик датчика и уменьшение влияния на достоверность контроля уровня жидкости параметров контролируемой жидкости и параметров стенки сосуда, что позволяет исключить дополнительные калибровки способа для выбора временного интервала и, следовательно, упростить процедуру контроля.

Указанный технический результат достигается за счет демпфирования преобразователя и предложенных методов обработки сигнала, что позволяет выделить наиболее информативную область реверберационного сигнала, в котором сравнительное влияние жидкости проявляется максимально.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующая способ, а на фиг. 2 - амплитудно-временное распределение отраженных импульсов. При этом на фиг. 2а показана картина распределения после первого линейного каскада усиления, на фиг. 2б - картина распределения после стробирования, нелинейного усиления и квадратичного детектирования (сплошная линия - при отсутствии жидкости, пунктирная линия - при наличии жидкости).

Предложенный способ осуществляется с помощью устройства, представленного на фиг. 1, на наружной стенке сосуда укреплен электрический преобразователь 1, чувствительный элемент которого находится в акустическом контакте со стенкой сосуда и с демпфером - поглотителем собственных колебаний чувствительного элемента, встроенного в корпус преобразователя, см. , например, [1] стр. 62, рис. 29.

Блок запуска 2 подсоединен к входу генератора видеоимпульсов 3, выход которого соединен с реле приема передач 4. Реле 4 соединено с преобразователем 1, со входом линейного усилителя 5, усиливающего отраженные импульсы, выработанные преобразователем 1, и соединено со входом генератора строб-импульса 6, который подсоединен к блоку установки строб-импульса 7. Выход усилителя 5 соединен со входом нелинейного усилителя 8. К усилителю 8 подсоединен и блок 7. Выход усилителя 8 подсоединен к входу квадратичного детектора 9, который соединен со входом блока 10, интегрирующего и накапливающего сигналы от нескольких возбуждающих импульсов и преобразующего их в постоянное напряжение. Выход блока 10 соединен со входом запоминающего устройств 11, один выход которого соединен с инвертором знака напряжения 12, а другой - со входом блока сравнения 13, который сравнивает величину напряжений с блока 12 с подаваемым на его вход напряжением с блока 11. Блок 13 соединен со входом сигнального устройства 14, срабатывающего при превышении заданного уровня входного сигнала с блока 13.

Контроль уровня жидкости в сосуде предлагаемым способом осуществляется следующим образом. В зависимости от толщины и материала стенки сосуда выбирают параметры ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя. Если толщина стенки - h, а скорость звука в материале - c, то длительность задающего импульса с генератора - T₁ (см. фиг. 2а) должна удовлетворять неравенству T₁ << 2h/c.

Время затухания процесса собственных колебаний преобразователя T₂ (см. фиг. 2а) также должно быть меньше времени двойного пробега возбужденного импульса, т. е. T₂ = nT_o < 2h/c. В этом соотношении T_o - период собственных колебаний преобразователя, а n - число колебаний, после которого процесс можно считать затухающим. Величина n определяется конструкцией и материалом демпфера. Расчеты и практика показывают, что для стальных стенок сосудов толщиной 5 мм и более T₁ и T_o должны быть не более нескольких микросекунд, а величину n для обычных демпферов можно обеспечить в пределах 5 - 10.

Пьезоэлектрический преобразователь плотно до создания акустического контакта присоединяют к контролируемой поверхности сосуда (фиг. 1). Прижим осуществляют через слой вязкой жидкости или полимерную пленку толщиной 0,1 - 0,2 мм с помощью пружин и струбцин либо с помощью постоянного магнита; если возможно по условиям работы, преобразователь следует стационарно закрепить на стенке сосуда.

- Возбуждают в стенке сосуда импульсы механических колебаний, для чего на электрический вход пьезоэлектрического преобразователя с генератора 3 через реле приема-передачи 4 подают видеоимпульс длительностью T₁.

Свободные колебания, амплитуда которых условно показана на фиг. 2а, за время T успевают практически затухнуть до прихода отраженного импульса.

- Принимают отраженные импульсы от противоположной поверхности стенки сосуда. Для этого по прошествии времени T₁ реле 4 отключает генератор и подключает преобразователь к приемной части схемы. Электрические сигналы от отраженных механических импульсов усиливаются предварительным линейным усилителем 5.

- Производят временную селекцию электрических сигналов, соответствующих принятым импульсам отраженных колебаний, при этом одновременно реле 4 включает генератор строб-импульса 6, блок установки строб-импульса 7 устанавливает строб-импульс на заданный временной промежуток T₄, который отстоит от начала включения на расстоянии T₁ + T₂ + T₃ (фиг. 2). При этом сигналы на временном интервале T₁ + T₂ + T₃ и T₅ подавлены.

Проведенные эксперименты показали, что для жидкостей с вязкостью от 5•10^-3 до 5 Пз (это соответствует весьма широкому классу жидкостей за исключением высоковязких нефтей и вязких смазочных материалов), временной промежуток можно выбрать достаточно стабильным, например между пятым и пятнадцатым отраженными импульсами.

- Производят нелинейное усиление и квадратичное детектирование электрических сигналов: импульсы с усилителя 5 поступают на нелинейный усилитель 8, усиливаются им в ограниченном стробом временном промежутке и далее поступают на вход квадратичного детектора 10. Благодаря нелинейному усилению и квадратичному детектированию удается существенно повысить разрешающую способность прибора - чувствительность к наличию жидкости за стенкой. Разность в амплитудах передних фронтов отраженных импульсов при отсутствии жидкости и при ее наличии после линейного усиления в выбранном временном промежутке достигает 3-6 дБ, даже после 10-15 отражений (см. на фиг. 2а сплошные и пунктирные ограничительные линии), тогда как в результате нелинейной обработки и усиления она может достигнуть 12-30 дБ (см. фиг. 2б).

- Накапливают принятые сигналы, для чего продетектированные сигналы подают в блок 10, где они интегрируются и превращаются в постоянное напряжение, уровень которого дополнительно повышают за счет накопления сигнала от нескольких посылочных импульсов генератора 3.

- Определяют наличие или отсутствие жидкости за стенкой сосуда на уровне установки преобразователя, при этом с блока 10 электрическое напряжение подается на вход запоминающего устройства 11, где может храниться заданное оператором время или непрерывно подаваться на последующие блоки. С блока 11 напряжение подается, с одной стороны, на инвертор знака 12, а с него на сравнивающее устройство 13; с другой стороны, с блока 11 оно подается непосредственно на блок 13. При ситуации, принятой за основную, напряжение на выходе блока будет отсутствовать, при изменении ситуации (при появлении, или наоборот, при исчезновении жидкости за стенкой) блок 13 выработает разностное напряжение, возбуждающее сигнальное устройство 14, которое и воспримет оператор как изменение ситуаций за стенкой сосуда.

Как показали результаты эксперимента, проведенного с жидкостями разных вязкостей от 510 до 5 Пз, на сосудах с различной толщиной стенки от 3 до 30 мм из стали, чугуна и алюминия предложенный способ позволит обеспечить контроль уровня с достоверностью не менее 0,98 без дополнительных калибровок временного интервала при изменении указанных условий эксперимента с точностью определения уровня жидкости не менее 2 мм.

Источники информации
1. О. И. Бабиков. Ультразвуковые приборы контроля. Л. , 1985 г. , с. 6-8.

2. SU 877342 A, 30.10.81.

3. SU 1348656 А, 30.10.87.

4. SU 987398 A, 07.01.83 (прототип).

Изобретение относится к области бесконтактного контроля уровня жидкости и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности, а также на транспорте. Возбуждают и принимают колебания в стенке сосуда установленным на ее наружной поверхности пьезоэлектрическим преобразователем. Преобразуют колебания в электрический сигнал. Период собственных колебаний преобразователя на порядок меньше времени между приходом отраженных от внутренней поверхности стенки сосуда импульсов. Подавляют собственные колебания преобразователя с помощью демпфера. Производят временную селекцию принятого электрического сигнала. Нелинейное усиление, квадратичное детектирование и накопление электрических сигналов, соответствующих этим импульсам, производят во временном интервале между пятым и пятнадцатым отраженными импульсами. За пределами этого интервала электрические сигналы подавляют. Решение о наличии или отсутствии жидкости за стенкой на уровне установки пьезоэлектрического преобразователя принимают путем сравнения напряжений отработанного и эталонного сигналов. Технический результат состоит в повышении достоверности контроля уровня жидкости в сосуде и упрощении процедуры контроля результатов измерений. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ ультразвукового контроля уровня жидкости в сосуде, включающий импульсное возбуждение колебаний в стенке сосуда пьезоэлектрическим преобразователем, установленным на ее наружной поверхности, прием колебаний этим же преобразователем, преобразование колебаний в электрический сигнал, временную селекцию принятого электрического сигнала, его обработку и принятие решения о наличии или отсутствии жидкости за стенкой на уровне установки пьезоэлектрического преобразователя путем сравнения напряжений обработанного и эталонного электрических сигналов, отличающийся тем, что возбуждение и прием колебаний производят пьезоэлектрическим преобразователем, имеющим период собственных колебаний по крайней мере на порядок меньше времени между приходом отраженных от внутренней поверхности стенки сосуда импульсов, подавляют собственные колебания пьезоэлектрического преобразователя с помощью демпфера, в выбранном временном интервале производят нелинейное усиление, квадратичное детектирование и накопление электрических сигналов, соответствующих этим импульсам, а за пределами выбранного временного интервала электрические сигналы подавляют. 2. Способ ультразвукового контроля по п. 1, отличающийся тем, что в качестве временного интервала выбирают интервал между пятым и пятнадцатым отраженными импульсами.