Бесконтактный способ определения границы раздела двух сред Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности, к вопросам контроля уровня жидкости и сыпучих твердых сред и может найти применение в химической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен способ контроля уровня жидкости, согласно которому происходит сквоз- ное прохождение ультразвуковых колебаний через сосуд с жидкостью. При этом наличие жидкости в зоне прохождения ультразвукового пучка определяют по амплитуде принятого сигнала которая будет максимальной при прохождении через жидкость и минимальной при прохождении через воздух.

Недостатком данного способа является низкая точность измерений и ограниченная область его возможного применеп - обус ловленные следующими причинами. В реальных технологических жидкостях, как правило, находятся газовые пузырьки или твердые частицы. При этом происходит увеличение затухания ультразвуковой ЕОЛНЫ и, соответственно, сильное уменьшение амплитуды принимаемого сигнала Этэ приводит к ошибкам при контроле и дела э г в ряде случаев применение этого способа невозможным.

-ч

sl

о

ч1

о

ОНаиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является способ установления поверхности раздела между газообразной и жидкой средами или между двумя жидкими средами с однослойном сосуде, заключающийся в том, что возбуждают в стенке сосуда акустические колебания с помощью излучающего элект- роакустическогр преобразователя (ЭАП), ус- танавливаемого с наружно стороны стенки, принимают акустические колебания, распространяющиеся в стенке резервуара, с помощью приемного ЭАП, устанавливаемого также с внешней стороны стенки, а о положении границы судят по амплитудным параметрам принимаемых колебаний.

Недостатком указанного способа является то, что при изменении акустического контакта излучающего и приемного ЭАП со стенкой резервуара амплитуда принимаемых колебаний может изменяться больше, чем от влияния границы раздела сред. Это может привести в ошибкам в определении границы раздела сред или к снижению точности измерений. Долговременные изменения акустического контакта в стационарных установках могут быть скомпенсированы периодической подстройкой амплитуды излучаемых колебаний или коэффициента усиления усилителя. Однако в нестационарных условиях, когда изменение контакта может происходить практически мгновенно (например, в переносных сигнализаторах уровня, при воздействии сильных вибраций и т.д.), применение данного способа неизбежно будет связано с большими ошибками измерений, величина которых будет определять область возможного применения способа.

Цель предлагаемого изобретения - повысить точность измерений и расширить область возможного применения способа в условиях меняющегося внешнего акустического поля.

Поставленная цель достигается тем, что в бесконтактном способе определения границы раздела двух сред в резервуарах, одновременно, с помощью одного излучающего ЭАП возбуждают в стенке резервуара две изгибные волны, частоты которых выбирают из соотношений:

fa

Сж2 VTZpQ-o2) 2ЬяE

ч

где Сж - скорость волны в жидкости;

fi.fa -соответственно частоты двух возбуждаемых изгибных волн;

h - толщина стенки резервуара; р- плотность материала стенки; 5Е - модуль Юнга;

а- коэффициент Пуассона. При определении амплитудных параметров с помощью фильтрации разделяют принятые колебания с частотами fi и h. 10 Для возбуждения приема двух волн используют собственную резонансную частоту излучающего и приемного ЭАП и частоту первой гармоники (в связи с этим частота h выбирается меньшей, чем 0,5 f i). Также для 15 возбуждения и приема двух волн можно использовать широкополосные ЭАП.

Положение границы раздела двух сред можно определять:

-по отношению амплитуд огибающих 20 импульсов первой и второй волн;

-по отношению средних значений амплитуд нескольких вступлений двух волн.

Предложенный способ отличается от известного тем, что:

251) происходит одновременное излучение двух волн с помощью одного излучающего ЭАП;

2)возбуждают две изгибные волны;

3)частоты возбуждаемых волн выбира- 30 ют из предложенных соотношений (форм.

1.2);. I...

4)при приеме фильтрацией выделяют каждую из этих волн;

5)определяют амплитудные параметры 35 двух волн;

6)о положении границы раздела двух сред судят по разностным амплитудным параметрам этих волн.

Схема проведения измерений по пред40 латаемому способу представлена на чертеже,

Способ осуществляется следующим образом. Исходя из значения толщины стенок резервуара с контролируемой жидкостью, а

45 также свойств жидкости и материгшэ стенки, по условиям (1),(2) выбирают частоты излучения ft и fa. В качестве излучающего и приемного ЭАП (1,2; фиг.1) могут быть использованы как широкополосные преобра50 зователи с высокой добротностью. Выбирают величину порогового значения отношения амплитудных параметров Кпор. Подают на вход излучателя (1, фиг.1) электрические импульсы, содержащие частоты fi

55 и fa. прижимают преобразователи « стенке резервуара, при этом в стенке во,збуждают- ся одновременно две изгибные волны с указанными частотами. Распространяясь в стенке резервуара (3, фиг.1), изгибные коле

бания поступают на приемный ЭАП (2, фиг. 1) и преобразуются в электрические сигналы, фильтрацией выделяют колебания с частотами fi и fa (4, фиг.1) и определяют их амплитудные параметры (5, фиг.1). Если уровень жидкости в резервуаре (6, фиг.1) находится ниже зоны распространения этих волн, амплитудные характеристики на частотах fi и fa зависят только от качества акустического контакта, отношение ампли- тудных параметров двух волн будет меньше Кпор. В случае, если уровень жидкости достигнет зоны распространения излучаемых и принимаемых волн, то амплитудные параметры колебаний с частотой f 1 будут умень- шаться, причем выбор частоты по формуле (1) обеспечивает максимальную величину затухания волны под влиянием контакта с жидкостью. Колебания с частотой fa по- прежнему будут зависеть в основном от уровня акустического сигнала. При этом величина отношения амплитудных параметров колебаний с частотами fi и fa превысит значение Кпор. Таким образом, по величине отношения амплитудных параметров коле- баний с частотами fi и fa можно судить о наличии жидкости в зоне контроля,

При определении границы раздела по отношению амплитуд огибающих колебаний с частотами f i и fa практическая реали- зация данного способа является наиболее простой. Использование в качестве информативного параметра отношения средних значений амплитуд позволяет существенно повысить надежность, а соответственно, и точность измерений, однако аппаратурная реализация в этом случае будет более сложной.

Пример конкретного выполнения способа.

Необходимо контролировать уровень сжиженного хлора в стальных контейнерах с толщиной стенок 8 ± 0,5 мм с помощью переносного сигнализатора уровня.

Из формулы (1) определим одну из излу- чаемых частот, подставив в (1) следующие значения используемых параметров: h 8 мм для стали Е 16 1010 Н/м2

,8 103 кг/м3

(,28

для сжиженного хлорарж 1,5 103 кг/м3

Сж 1400м/с

В результате получаем для fi 29,5 кГц

Выберем для излучения и приема двух частот пьезокерамический преобразова- тель с частотой основного резонанса fp 12 кГц. Частота первой гармоники для преобразователей такого типа определяют как fr 2,5 fp 30 кГц. Таким образом, частота

основного резонанса будет соответствовать условию (2), а частота первой гармоники будет соответствовать условию), fh цапая ча излучатель импульсы электрических колебаний, содержащие частоты fi и h мы будем возбуждать в стенке контейнера акустические импульсы изгибных волн с этими частотами.

Выберем пороговое значение отношение амплитуд Кпор 3. Путем подбора коэффициента усиления для каждой из частот установим амплитуды принимаемых импульсов, при уровне жидкости ниже зоны распространения волн, AOI Ао2 3 В . Определим коэффициенты затухания изгиб- ной волны, вызванного влиянием жидкости, по формуле:

, (А)

2/ 1 Ус2/сж2-1

где С - скорость изгибной волны;

Сж -скорость звука в жидкости;

РЖ,/9- плотность сжиженного хлора и материала стенки соответственно;

h - толщина стенки контейнера,

Скорость изгибных волн определим по формуле:

-Y

Т

(fh)2

(5)

ЗрО-о2)

где Е - модуль Юнга;

и- коэффициент Пуассона;

f- частота колебаний.

Для стальной стенки толщиной 8 мм получим на частоте fa 12 к Гц Са 906 м/с, на частоте fi 30 кГц, Ci 1430 м/с. Для частоты fa 12 кГц получим «2 0,02 мм , для частоты fi 30 кГц, а 0.14 .

Исходя из полученных.данных и конструкции контейнера выберем расстояние между излучателем и приемником L 150 мм.

В случае, если граница раздела находится ниже зоны распространения изгибных волн, отношение максимальных

Апо амплитуд импульсов двух волн К 1.

AOI

В случае, когда изгибные волны будут распространяться в контакте с жидкостью (граница раздела выше места расположения ЭАП), амплитуда волны с частотой будет определяться из следующего выражения: Аа Аоа cos(lrta L)(6)

Поставив значения параметров, получим Аа 2,9 В. Амплитуда волны с частотой fi будет равна AI Aoi е.фДля этой частоты получим AI 7 В. То есть на этой частоте будут регистрироваться только акустические помехи, амплитуда которых, как

правило, на два порядка меньше AOL Отношение амплитуд двух волн в этом случае будет

v 2 2.93 Q-r. v

К Knop

Таким образом, при контакте зоны распространения изгибных волн с жидкостью отношение амплитуд волн станет меньше выбранной нами пороговой величины, что даст возможность определить по величине К положение границ раздела сред. Подставив в формулы (4), (5) значения h 8,5 мм, получим а 0,05, ац 0,017. В этом случае, если ЭАП будут находиться ниже уровня жидкости, К 5,0 Кпор- Аналогичным образом для h 7 мм получим а 0,06 мм; az 0,021; К 5,1 Кпор. Изменения акустического контакта на выбранных частотах будут практически одинаково влиять на амплитуды AI и А2, а их отношение почти не будет изменяться.

Таким образом, поставленная задача по определению границы раздела сред в контейнерах с сжиженным хлором в условиях изменяющегося контакта ЭАП со стенками контейнера решается с помощью предлагаемого способа,

Формула изобретения

1. Бесконтактный способ определения границы раздела двух сред, при котором возбуждают в стенке резервуара с наружной ее стороны акустические колебания с фиксированной частотой и амплитудой, принимают распространившиеся в стенке колебания, определяют амплитудные параметры принятых колебаний, по изменению которых судят о положении границы раздела, отличающийся тем, что, с целью

повышения точности и расширения области применения за счет обеспечения возможности работы в условиях меняющегося внешнего акустического поля, возбуждают в стенке резервуара одновременно две из- гибные волны, частоты которых выбраны из соотношения

§

где f 1 и f2 - соответственно частоты возбуждаемых волн;

Сж - скорость звука в жидкости;

Е - модуль Юнга материала стенки;

h - толщина стенки;

р- плотность материала стенки;

а - коэффициент Пуассона материала стенки,

причем при определении амплитудных параметров с помощью фильтрации разделяют колебаний с частотами f 1 и f2 и находят разностную амплитудную характеристику,

2.Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что возбуждают колебания на частотах, равных собственной резонансной частоте излучателя и частоте ее первой гармоники;

3.Способ по пп. 1 и 2, отличаю- щ и и с я тем, что возбуждение и прием колебаний осуществляют широкополосными электроакустическими преобразователями.

4.Способ по пп. 1- 3, о т л и ч а ю щ и йс я тем, о положении границы раздела двух сред судят по отношению максимальных или средних значений амплитуд.

н

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к вопросам контроля уровня жидких и сыпучих сред, и может найти применение в химической, металлургической и других отраслях промышленности Сущность изобретения. Изобретение позволяет повысить точность измерения за счет компенсации влияния изменения акустического контакта преобразо- вателей на результаты определения положения границ раздела Изобретение дает возможность расширить область применения, позволяя определять положение границы раздела о условиях бы;тро меняющегося акустического контакта преобразователей. С помощью одного электроакустического преобразователя одновременно излучают в стенку резервуара две изгибные волны с различными частотами. Частоты выбирают в зависимости от толщины и упругих параметров материала стенки. При приеме фильтрацией выделяют каждую из этих волн. Определяют амплитудные параметры каждой из этих волн, о положении границы раздела двух сред судят по отношению указанных параметров. При этом расстояние между точками излучения и приема выбирают из условий, которые обеспечивают изменение отношения амплитудных параметров при контакте зоны распространения этих волн с жидкостью на величину, большую выбранного значения. 1 с. и 3 з,п. ф- лы, 1 ил. С/) С

/ / / f . / / / /: /.у