АКУСТОИМПЕДАНСНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2004 года по МПК G01F23/28 

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, основанный на измерении величины энергии ультразвуковой волны, проходящей из одной среды в другую [Бабиков О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука. М: Энергия, 1970 г., 80 с. (Б-ка по автоматике. Вып.459, с.18-20)].

Недостатком способа является непостоянство чувствительности по диапазону преобразования из-за логарифмической зависимости измеряемого уровня от интенсивности ультразвуковой волны, обусловленное дифракционным расхождением ультразвукового луча, зависимостью добротности электроакустических преобразователей и скорости ультразвуковой волны от параметров контролируемой среды.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является акустоимпедансный 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, считывают 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 непостоянство чувствительности по диапазону преобразования из-за логарифмической зависимости уровня от интенсивности отраженной от конца волновода ультразвуковой волны.

Техническая задача - создание акустоимпедансного способа измерения уровня жидких сред, при котором обеспечивается линейная зависимость уровня от интенсивности отраженной от конца волновода ультразвуковой волны.

Технический результат - постоянство чувствительности акустоимпедансного способа измерения уровня жидких сред в диапазоне преобразования.

Для достижения технического результата размещают металлический волновод в жидкой среде по высоте резервуара, возбуждают в волноводе продольную упругую волну нулевого порядка на одном конце металлического волновода, считывают прямые и отраженные от другого конца волновода упругие волны нулевого порядка, определяют уровни интенсивности прямых и отраженных упругих волн нулевого порядка, последовательно запоминают на первом и втором элементах памяти с конденсаторами С напряжения прямого и отраженного сигналов, пропорциональные соответствующим интенсивностям прямой и отраженной упругих волн нулевого порядка, подключают к первому элементу памяти с конденсатором С резистор, сравнивают напряжения прямого и отраженного сигналов и измеряют промежуток времени от момента подключения резистора к первому элементу памяти с конденсатором С до момента равенства напряжения на резисторе R и напряжения на конденсаторе С второго элемента памяти.

Кроме того, возбуждение и считывание упругих волн нулевого порядка осуществляют в точках металлического волновода, находящихся на расстоянии, превышающем "мертвую зону" канала считывания прямой упругой волны нулевого порядка.

При распространении по металлическому волноводу продольных упругих волн нулевого порядка в последнем, кроме затухания собственно в материале металлического волновода, имеет место дополнительное затухание упругих волн нулевого порядка, вызванное излучением их поверхностью волновода в жидкую среду. Зависимость между интенсивностями прямой и отраженной волны описывается уравнением
J = J₀exp(-2[α_жH+α_г(H_m-H)+α_мH_m]). (1)
Интенсивности прямой J₀ и отраженной J упругих волн нулевого порядка в металлическом волноводе связаны соответственно с напряжениями U₀ и U прямой и отраженной упругих волн нулевого порядка на элементе считывания квадратичной зависимостью
U₀ ² = kJ₀ и U² = kJ. (2)
С учетом (2) уравнение (1) принимает вид
U = U₀exp(-[α_жH+α_г(H_m-H)+α_мH_m]), (3)
где α_м - коэффициент поглощения упругих волн материала волновода;
α_ж и α_г - коэффициенты затухания продольных упругих волн нулевого порядка, вызванные излучением упругих волн нулевого порядка поверхностью волновода соответственно в жидкой и газовых средах;
Н_m и Н - максимальный и текущий уровни жидкой среды;
k - коэффициент пропорциональности.

На первом и втором элементах памяти с конденсаторами С соответственно запоминают напряжения U₀ и U.

При подключении к конденсатору С первого элемента памяти резистора R напряжение на последнем будет изменяться с течением времени t по закону
U* = U₀exp (-t/RC). (4)
Через промежуток времени Δt напряжение U* на резисторе R сравняется с напряжением U на конденсаторе С второго элемента памяти (3)
U* = U. (5)
Тогда, с учетом (3) и (4) выходной информативный интервал времени Δt связан с уровнем H линейной зависимостью
Δt = kH + b, (6)
где k = (α_ж-α_г)RC - чувствительность способа; (7)
b = (α_г+α_м)H_mRC. (8)
При нормальных условиях эксплуатации
α_ж = const,
α_г = const, (9)
α_м = const
и, следовательно, чувствительность способа измерения уровня k по диапазону преобразования постоянна, чем и обеспечивается достижение технического результата.

При возбуждении упругой волны нулевого порядка из-за ненулевой длительности импульса возбуждения и переходных процессов во входной цепи канала считывания прямой упругой волны нулевого порядка возникает переходный процесс длительностью t_мз (мертвая зона). Считывание сигнала в это время невозможно. Пространственное разнесение преобразователей возбуждения и считывания на расстояние, превышающее путь, проходимый упругой волной нулевого порядка за время t_мз со скоростью c_min
d = t_мз * c_min, (10)
позволяет, во-первых, исключить влияние переходного процесса на работу схемы и, во-вторых, сформировать идентичные каналы считывания для прямой и отраженной упругих волн, что дополнительно обеспечивает неизменность чувствительности способа измерения.

На фиг. 1 и 2 представлены структурная схема и временная диаграмма акустоимпедансного уровнемера.

Акустоимпедансный уровнемер содержит металлический волновод 1 длиной H_m, который контактирует с жидкой средой, находящейся в резервуаре 2, уровень Н которой измеряют преобразователи возбуждения 3 и считывания 4 продольных упругих волн нулевого порядка, генератор возбуждения 6, выходом подключенный к преобразователю возбуждения 3, первый и второй элементы памяти 9 и 10 с конденсаторами С, входом подключенные к преобразователю считывания 4 соответственно через ключи 7 и 8, резистор R, подключенный к первому входу компаратора 12 и через ключ 11 к конденсатору С первого элемента памяти 9. Конец волновода со стороны генератора возбуждения помещен в демпфер 5, а другой конец оставлен свободным.

Выход второго элемента памяти 10 с конденсатором С подключен ко второму входу компаратора 12, выход которого подключен к второму входу блока управления 14 и к первому входу формирователя временных интервалов 13, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления 14.

Синхронизация генератора работы ключей 7, 8, 11 и блока формирования временных интервалов 13 в соответствии с алгоритмом функционирования осуществляется от блока управления 14 соответственно с первого, второго, третьего и четвертого выходов; включение уровнемера осуществляется при подаче сигнала "запуск" на первый вход блока управления 14.

Расстояние между преобразователями возбуждения 3 и считывания 4 равно d.

Акустоимпедансный уровнемер работает следующим образом.

В исходном состоянии ключи 7, 8 и 11 разомкнуты. По команде "запуск", поступающей на первый вход блока управления 14 в момент времени t₁ (фиг.2) на выходе 1 блока управления 14, возникает импульс напряжения U_14.1, запускающий генератор возбуждения 6; на выходе последнего формируется импульс возбуждения U₆ длительностью τ.
Через промежуток времени
(t₂ - t₁) = d/c_min ≥ t_мз (11)
на втором выходе блока управления 14 возникает импульс напряжения U_14.2 длительностью
t₂* - t₂ ≥ d(c_mах - c_min)/ (c_mах • c_min) = τ, (12)
под действием которого срабатывает ключ 7 и вход первого элемента памяти 9 с конденсатором С подключается к преобразователю считывания 4.

В уравнениях (11) и (12)
c_mах и c_min - максимально и минимально возможные скорости продольных упругих волн нулевого порядка в волноводе. (Скорость продольных упругих волн в волноводе зависит, например, от изменения температуры контролируемой среды).

Через время (t₂*-t₂) ключ 7 разомкнется. За это время конденсатор С первого элемента памяти 9 зарядится до напряжения U₀, соответствующего интенсивности J₀ прямой упругой волны нулевого порядка.

Через время
(t₃ - t₁) = 2H_m/c_min (13)
от момента запуска генератора возбуждения 6 на выходе 3 блока управления 14 возникает импульс напряжения U_14.3 длительностью
t₃* - t₃ = 2H_m(c_max - c_min)/ (c_max • c_min) + τ, (14)
под действием которого срабатывает ключ 8 и подключает вход второго элемента памяти 10 с конденсатором С к преобразователю считывания 4.

Через время (t₃*-t₃) ключ 8 возвращается в исходное состояние. За это время конденсатор С второго элемента памяти 10 зарядится до напряжения U, соответствующего интенсивности J отраженной упругой волны.

Через время (t₄-t₁) на выходе 4 блока управления 14 возникает импульс напряжения U_14.4, под действием которого срабатывает ключ 11 и подключает резистор R к конденсатору С первого элемента памяти 9, который разряжается согласно уравнению (4). Одновременно с этим импульсом с входа 4 блока управления 14 запускается формирователь временных интервалов 13.

Когда напряжение U* на резисторе R сравняется с напряжением U, на выходе второго элемента памяти 10 с конденсатором С, компаратор 12 срабатывает и на выходе формирователя временных интервалов 13 будет сформирован импульс длительностью (6)
t₅ - t₄ = Δt = kH + b.

Одновременно с этим с выхода компаратора 12 на первый вход блока управления 14 поступает сигнал, возвращающий схему в исходное состояние.

Через интервал времени
T ≥ H_m/c_min + t_мз + Δt_max (15)
цикл работы уровнемера повторяется.

Здесь
Δt_max = kH_m + b (16)
- промежуток времени, в течение которого происходит разрядка напряжения на конденсаторе С первого элемента памяти 9 при максимальном H_m уровне жидкости.

Источники информации
1. Бабиков О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука. М.: Энергия, 1970 г., 80 с. (Б-ка по автоматике. Вып. 459, с. 18-20).

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

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. Способ включает размещение металлического волновода в жидкой среде по высоте резервуара, возбуждение в волноводе продольной упругой волны нулевого порядка на одном конце металлического волновода, считывание прямой и отраженной от другого конца волновода упругих волн нулевого порядка, определение уровней интенсивностей прямой и отраженной упругих волн нулевого порядка. При этом последовательно запоминают на первом и втором элементах памяти с конденсаторами С напряжения прямого и отраженного сигналов, соответствующие интенсивностям прямой и отраженной упругих волн нулевого порядка. Подключают к первому элементу памяти с конденсатором С резистор. Сравнивают напряжения прямого и отраженного сигналов. Измеряют промежуток времени от момента подключения резистора к первому элементу памяти с конденсатором С до момента равенства напряжения на резисторе R и напряжения на конденсаторе второго элемента памяти. Технический результат состоит в обеспечении постоянства чувствительности акустоимпедансного способа измерения уровня жидких сред в диапазоне преобразования. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Акустоимпедансный способ измерения уровня жидких сред, включающий размещение металлического волновода в жидкой среде по высоте резервуара, возбуждение в волноводе продольной упругой волны нулевого порядка на одном конце металлического волновода, считывание прямой и отраженной от другого конца волновода упругих волн нулевого порядка, определение уровней интенсивностей прямой и отраженной упругих волн нулевого порядка, отличающийся тем, что последовательно запоминают на первом и втором элементе памяти с конденсаторами С напряжения прямого и отраженного сигналов, соответствующие интенсивностям прямой и отраженной упругих волн нулевого порядка, подключают к первому элементу памяти с конденсатором С резистор, сравнивают напряжения прямого и отраженного сигналов и измеряют промежуток времени от момента подключения резистора к первому элементу памяти с конденсатором С до момента равенства напряжения на резисторе R и напряжения на конденсаторе С второго элемента памяти.2. Акустоимпедансный способ измерения уровня жидких сред по п.1, отличающийся тем, что возбуждение и считывание упругих волн нулевого порядка осуществляется в точках металлического волновода, находящихся на расстоянии, превышающем “мертвую зону” канала считывания прямой упругой волны нулевого порядка.