Бесконтактный способ определения границы раздела двух сред
Изобретение относится к контрольноизмерительной 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 преобразователей 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. флы, 1 ил. С/) С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 F 23/28
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4927015/10 (22) 21.12.90 (46) 23.10,92. Бюл. ¹ 39 (71) Отраслевой научно-технический комплекс Союзцветавтоматика" (72) А.Г.Некрасов и Л.А.Кондрашов (56) Патент Австрии ¹ 379020, кл; G 01 F 23/28, 1980. (54) БЕСКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД В
РЕЗЕРВУАРАХ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной 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 преобразователей на результаты определения положения границ раздела. Изобретение
Изобретение относится к контрольноизмерительной 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 сквозное 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 жид„„Я „„1770766 Al 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 иэгибные волны с различными частотами. Частоты выбирают в зависимости от толщины и упругих параметров материала стенки. При приеме фильтрацией в деляют 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 эоны распространения этих волн с жидко:тью на величину, большую выбранного значения. 1 с. и 3 з.п. ф- лы, 1 ил. кость и минимальной при прохождении через воздух, Недостатком данного способа является низкая точность измерений и ограниченная область его возможного примене н;., обусловленные следующими причинами. В реальных технологических жидкос ях, ка правило, находятся газовые пузырьки или твердые частицы. При этом происк< дит уве личение затухания ультразвуковой ьолны и, соответственно, сильное уменьшение амплитуды принимаемого сигнала. Зт приводит к ошибкам при контроле и дела» в ряде случаев применение этого способа невозможным.
1770766
Наиболее 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 электроакустического преобразователя (ЭАП), устанавливаемого с наружной стороны стенки, принимают акустические колебания, распространяющиеся в стенке резервуара, с помощью приемного ЗАП, 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, Зто 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 нестациона рных 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: (2) где С - скорость волны в жидкости;
f1,fz — соответственно частоты двух возбуждаемых изгибных волн;
h — толщина стенки резервуара; р- плотность материала стенки;
5 Š— модуль 10нга;
0 - коэффициент Пуассона.
При определении амплитудных параметров с помощью фильтрации разделяют принятые колебания с частотами f< и fz, 10 Для возбуждения приема двух волн используют собственную резонансную частоту излучающего и приемного ЭАП и частоту первой гармоники (в связи с этим частота fz выбирается меньшей, чем 0,5 f>). Также для
15 возбуждения и приема двух волн можно испольэовать 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:
25 1) происходит одновременное излучение двух волн с помощью одного излучающего ЭАП;
2) возбуждают две изгибные волны;
3) частоты возбуждаемых волн выбира30 ют из предложенных соотношений (форм.
1.2);
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 лагаемому способу представлена на чертеже, Способ осуществляется следующим образом. Исходя из значения толщины стенок резервуара с контролируемой жидкостью, а
45 также свойств жидкости и материала стенки, по условиям (1),(2) выбирают частоты излучения fg u fg. В качестве излучающего и приемного ЭАП (1,2; фиг.1) могут быть использованы как широкополосные преобра50 эователи с высокой добротностью.
Выбирают величину порогового значения отношения амплитудных параметров Кпор.
Подают на вход излучателя (1, фиг.1) электрические импульсы, содержащие частоты f>
55 и f2. прижимают преобразователи к стенке резервуара, при этом в стенке возбуждаются одновременно две изгибные волны с указанными частотами. Распространяясь в стенке резервуара (3, фиг.1), иэгибные коле
1770766 бания поступают на приемный ЭАП (2, фиг.1) и преобразуются в электрические сигналы, фильтрацией выделяют колебания с частотами fi u f2 (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 f1 и f2 зависят только от качества акустического контакта, отношение амплитудных параметров двух волн будет меньше
К««рр. В случае, если уровень жидкости достигнет зоны распространения излучаемых и принимаемых волн, то амплитудные параметры колебаний с частотой f> будут уменьшаться, причем выбор частоты по формуле (1) обеспечивает максимальную величину затухания волны под влиянием контакта с жидкостью, Колебания с частотой f2 попрежнему будут зависеть в основном от уровня акустического сигнала. При этом величина отношения амплитудных параметров колебаний с частотами fq u f2 превысит значение Клор, Таким образом, по величине отношения амплитудных параметров колебаний с частотами fr u f2 можно судить о наличии жидкости в зоне контроля, При определении границы раздела по отношению амплитуд огибающих колебаний с частотами f1 и f2 практическая реализация 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 излучаемых частот, подставив в (1) следующие значения используемых параметров: h = 8 мм для стали Е = 16 10 Н/м2 р=7,8 . 10 кгlм
0= 0,28 для сжиженного xnopa =- 1,5 10 кг/м
Сж = 1400 м/с
В результате получаем для f1 = 29,5 кГц
Выберем для излучения и приема двух частот пьезокерамический преобразователь с частотой основного резонанса fp = 12 кГц, Частота первой гармоники для преобразователей такого типа определяют как
f« = 2,5 fp = 30 кГц. Таким образом. частота
«« (f h)2 (5)
3р (1 — а2) где Š— модуль (Юнга;
0 - коэффициент Пуассона;
f — частота колебаний.
Для стальной стенки толщиной 8 мм получим на частоте 12 = 12 к Гц C2 = 906 м/с, на частоте f> = 30 кГц, С« =- 1430 м/с. Для частоты f2 = 12 кГц получим а2 = 0,02 мм
-1 для частоты f1 = 30 кГц, а« =- 0,14 мм
Исходя из полученных. данных и конструкции контейнера выберем расстояние между излучателем и приемником L = 150 мм, В случае, если граница раздела нахо45 дится ниже зоны распространения изгибных волн, отношение максимальных
А02 амплитуд импульсов двух волн К = — = 1, Ао|
В случае, когда иэгибные волны будут рас50 пространяться в контакте с жидкостью (граница раздела выше места расположения
ЭАП), амплитуда волны с частота««будет определяться из следующего выражения:
А2 = А02 COS («ГХ2! «) (6)
Поставив значения параметров, получим A2 = 2,9 В. Амплитуда волны с частотой
f1 будет равна A« = Ao> е .«Цля этой частоты получим А1 = 10 . 7 В. То есть на этой
-и . частоте будут регMGTpHpoBBT«только акустические помехи, амплитуда которых, как
30 основного резонанса будет соответствовать условию (2), а частота первой гармоники будет соответствовать условию
Выберем пороговое значение отноше10 ние амплитуд Клор = 3. Путем подбора коэффициента усиления для каждой из частот установим амплитуды принимаемых импульсов, при уровне жидкости ниже эоны распространения волн, Ao> = Ао2 = 3 В .
15 Определим коэффициенты затухания иэгибной волны, вызванного влиянием жидкости, по формуле: а (4) г p «. c Я„
20 где С вЂ” скорость изгибной волны;
Cæ — скорость звука в жидкости; рж,p — плотность сжиженного хлора и материала стенки соответственно;
25 h — толщина стенки контейнера, Скорость изгибных волн определим по формуле:
1770766 правило, на два порядка меньше Ао1. Отношение амплитуд двух волн в этом случае будет
А2 «2,93
K= — = =97 > Кпор.
Ai 003
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 а1 = 0,05, а = 0,017. В этом случае, если ЭАП будут находиться ниже уровня жидкости, К = 5,0 > К ор. Аналогичным образом для п=7мм получим а1 =006 мм; а =0,021; К =5,1 > Кпор, Изменения акустического контакта на выбранных частотах будут практически одинаково влиять на амплитуды А1 и Az, 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 3All 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 эа счет обеспечения возможности работы в условиях меняющегося внешнего акустического поля, возбуждают в
5 стенке резервуара одновременно две изгибные волны, частоты которых выбраны из соотношения
10 с.
2Ьж Е
f1
f <—
2 где f> и fz — соответственно частоты возбуждаемых волн;
Сж — скорость звука в жидкости;
Š— модуль Юнга материала стенки;
h — толщина стенки; р- плотность материала стенки; о — коэффициент Пуассона материала
20 стенки, причем при определении амплитудных параметров с помощью фильтрации разделя-. ют колебаний с частотами f> и fz и находят разностную амплитудную характеристику.
2. Способ по п.1;отличающийся тем, что возбуждают колебания на частотах, равных собственной резонансной частоте излучателя и частоте ее первой гармоники:
3. Способ по пп. 1 и 2, отл ич а юшийся тем, что возбуждение и прием. колебаний осуществляют широкополосными электроакустическими преобразователями.
4. Способпопп.1-3,отли ча ю щи йс я тем, о положении границы раздела двух сред судят по отношению максимальных или средних значений амплитуд.
1770766
Составитель Л.Кондрашов
Редактор Т.Шагова Техред М.Моргентал Корректор А,Ворович
Заказ 3733 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101
