Устройство для ультразвукового контроля уровня или наличия жидкости в трубопроводе

 

Изобретение относится к технике автоматического контроля уровня или наличия жидкости в технологических трубопроводах и может быть использовано в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовке и других отраслях промышленности. Устройство содержит два излучающих и приемный электроакустические преобразователи, которые установлены на внешней поверхности стенки трубопровода. Второй излучающий преобразователь установлен диаметрально противоположно первому излучающему преобразователю. Первый и второй излучающие преобразователи равноудалены от приемного преобразователя. Импульсный генератор подключен выходом к излучающим преобразователям. Приемный преобразователь, усилитель, первый ждущий блокинг-генератор, первый сумматор, интегратор, усилитель постоянного тока, второй сумматор соединены последовательно. Вход второго ждущего блокинг-генератора подключен к выходу импульсного генератора, а выход - на вход первого сумматора. Вход пикового детектора подключен к выходу усилителя, а выход - на первый вход второго сумматора. Импульсный генератор, третий ждущий блокинг-генератор, селектор, усилитель соединены последовательно. К первому входу компаратора подключен выход второго сумматора, ко второму входу - источник эталонного напряжения. Выход компаратора подключен на вход индикатора. Технический результат состоит в повышении надежности и точности контроля уровня или наличия жидкости в трубопроводах с разной толщиной стенок и разным диаметром. 2 ил.

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

Известно устройство для контроля уровня жидких сред по затуханию ультразвуковых волн, распространяющихся в стенке резервуара, содержащее генератор, акустические излучатель и приемник, усилитель и регистратор, а также времяизмерительный блок, подключенный одним из входов к блоку задержки сигнала генератора, а другим входом к усилителю и сумматору, входы которого соединены с выходом усилителя и времяизмерительного блока, а выходы - к регистратору [1] .

Недостатками известного устройства являются низкая надежность и небольшая точность, обусловленные тем, что при заполнении резервуара или трубопровода жидкостью, частицы растворенного в ней воздуха могут оседать на стенке в зоне установки акустических излучателя и приемника, искажая (уменьшая) демпфирующее действие жидкости на распространение ультразвуковых волн в контролируемой зоне.

Известно также устройство для ультразвукового контроля уровня жидких сред в закрытых резервуарах, содержащее излучающий и приемный электроакустические преобразователи (ЭАП) нормальных волн, установленные по вертикали на стенке резервуара, импульсный генератор, усилитель и индикатор и которое снабжено цепью, состоящей из последовательно соединенных первого ждущего блокинг-генератора, первого сумматора, интегратора, усилителя постоянного тока и второго сумматора, а также второго ждущего блокинг-генератора и пикового детектора, причем к выходу импульсного генератора подключен вход первого ждущего блокинг-генератора и вход пикового детектора, выход пикового детектора подключен к одному из входов второго сумматора, выход сумматора соединен с индикатором; второй ждущий блокинг-генератор, соединенный входом с импульсным генератором, а выходом с одним из входов первого сумматора [2] .

Недостатком известного устройства является также низкая точность, обусловленная зависимостью демпфирующих свойств жидкости от геометрических размеров резервуара, в частности толщины стенки, так как нормальные волны формируются только в тонких листах, трубах и оболочках.

Другим недостатком известного устройства является низкая надежность, обусловленная зависимостью амплитуды нормальной ультразвуковой волны, несущей информацию об уровне, от других типов волн, которые одновременно возбуждаются в стенке резервуара или трубопровода.

Задачами настоящего изобретения является повышение надежности и точности контроля уровня или наличия жидкости в промышленных резервуарах и трубопроводах с различными толщинами стенок и диаметрами.

Более близким (прототипом) предложенному устройству является второй [2] . От выбранного прототипа предложенное устройство отличается тем, что оно дополнительно содержит второй излучающий ЭАП, подключенный к выходу импульсного генератора и установленный диаметрально противоположно первому излучающему ЭАП в плоскости поперечного горизонтального сечения трубопровода, а первый и второй излучающие ЭАП равноудалены от приемного ЭАП; последовательно соединенные третий ждущий блокинг-генератор и селектор, выход которого подключен на второй вход усилителя, а вход третьего ждущего блокинг-генератора на выход импульсного генератора, компаратор, подключенный первым входом на выход второго сумматора, источник эталонного напряжения, подключенный своим выходом на второй вход компаратора, выход которого подключен на вход индикатора.

Это позволяет повысить надежность и точность контроля уровня или наличия различных жидких сред в резервуарах и трубопроводах с различными толщинами стенок и диаметрами.

Функциональная схема устройства и импульсно-потенциальные диаграммы, поясняющие его работу приведены на фиг. 1, 2.

Устройство содержит два идентичных излучающих ЭАП 1, 2, которые установлены на внешней поверхности трубопровода или резервуара на диаметрально противоположных сторонах в плоскости поперечного горизонтального сечения, приемный ЭАП 3, который установлен на фиксированном расстоянии L от излучающих ЭАП и равноудален от них; импульсный генератор 4, выходом подключен на входы излучающих ЭАП 1, 2; последовательно соединены приемный ЭАП 3, усилитель 5, пиковый детектор 6, второй сумматор 7, компаратор 8, индикатор 9; селектор 10, подключен выходом на второй вход усилителя 5, последовательно соединены первый сумматор 11, интегратор 12, усилитель постоянного тока 13, выход которого подключен к второму входу второго сумматора 7; первый ждущий блокинг-генератор 14 подключен входом к выходу усилителя 5, а выходом - на вход первого сумматора 11; второй ждущий блокинг-генератор 15 подключен входом к выходу импульсного генератора 4, а выходом - на второй вход первого сумматора 11; третий ждущий блокинг-генератор 16 подключен входом к импульсному генератору 4, а выходом на вход селектора 10; источник эталонного напряжения 17, выход которого подключен на второй вход компаратора 8, а выходом подключен на вход индикатора 9, сигнализирующего уровень или наличие жидкости в трубопроводе.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Наклонные излучающие электроакустические преобразователи (ЭАП) 1, 2 (фиг. 1) с цилиндрическими волноводами 18, 19, (фиг. 1) и пьезоэлектрическими преобразователями 20, 21 (фиг. 1) установлены на внешней поверхности стенки 23 (фиг. 1) трубопровода резервуара 24 на диаметрально противоположных сторонах в плоскости поперечного горизонтального сечения трубопровода (оппозитно).

В волноводах 18, 19, возбуждают продольные ультразвуковые волны (УЗВ), которые направляют в стенку трубопровода под углом α. Возбуждение продольных УЗВ осуществляют с помощью импульсного генератора 4 (фиг. 1), который вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов 22 (фиг. 2), поступающих на пьезоэлектрические преобразователи 20, 21.

На границе раздела волноводы 18, 19, - стенка 23 трубопровода 24 (фиг. 1) продольные УЗВ преобразуют в нормальные или поперечные УЗВ путем подбора угла ввода α.Угол α подбирают, зная толщину стенки 23 трубопровода 24, материал волноводов 18, 19, а также частоту прозвучивания. Возбужденные в стенке 23 двумя излучающими ЭАП 1, 2 УЗВ направляют в точку приема 25 (фиг. 1), в которой размещен приемный ЭАП 3 (фиг. 1), причем точка приема 25 равноудалена от излучающих ЭАП 1, 2.

Угол раскрытия диаграммы направленности излучающих ЭАП 1, 2 выбран таким образом, чтобы крайние ультразвуковые лучи А, Б, соответствующие уровню 0,1 основного лепестка диаграммы направленности каждого ЭАП 1, 2, попадали в зоны приема приемного ЭАП 3. Пройдя по стенке путь от излучающего ЭАП 1, 2 до точки приема 25 и испытав изменение амплитуды в зависимости от уровня контролируемой жидкости или ее наличия на внутренней поверхности 26 трубопровода 24, а также изменения амплитуды и скорости распространения в зависимости от температуры стенки, УЗВ с амплитудами 27 и 28 (фиг. 2) от первого и второго ЭАП соответственно, направлены в точку приема 25 на вход приемного ЭАП 3. Приемный ЭАП 3 выполнен идентично излучающим ЭАП 1, 2. Поскольку точка приема 25, равноудалена от излучающих ЭАП 1, 2, то возбужденные УЗВ с амплитудными значениями 27 и 28 от первого и второго ЭАП складываются в фазе и образуют на выходе ЭАП 3 суммарный информационный сигнал с амплитудой 29 (фиг. 2). Информационный сигнал 29 с выхода приемного ЭАП 3 направлен на вход усилителя 5 (фиг. 1). Помимо информационного сигнала 29 с выхода приемного ЭАП 3 на вход усилителя 5 поступают сигналы других типов волн, также распространяющиеся в стенке со своими амплитудами 30, 31, 32, 33 (фиг. 2) и скоростями. При попадании жидкости на внутреннюю поверхность трубопровода 26 (фиг. 1) амплитуда суммарного информационного сигнала 29 (фиг. 2) резко уменьшается. Изменение суммарной амплитуды является признаком наличия жидкости в трубопроводе. Для выделения информационного сигнала 29 и подавления помех в виде других типов волн с амплитудами 30, 31, 32, 33 формируют стробимпульс 34 (фиг. 2) с длительностью τ₁, который направлен на второй вход усилителя 5. Формирование стробимпульса 34 осуществлено в селекторе 10 по заднему фронту импульса 35 (фиг. 2) на выходе третьего ждущего блокинг-генератора 16. В свою очередь, третий ждущий блокинг-генератор 16 запущен по импульсу 22 на выходе импульсного генератора 4.

Длительность τ₂ импульса 35 третьего ждущего блокинг-генератора выбрана меньше на время τ₃, чем время задержки τ информационного сигнала 29 относительно переднего фронта импульса 22: τ₃= 2t, где t= 1/f; t - период основной частоты информационного сигнала.

Соответственно длительность τ₁ стробимпульса 34 установлена равной 2τ₃ и превышает диапазон заранее измеренных температурных изменений Δτ.Для формирования сигнала об уровне жидкости стробированный сигнал 36 (фиг. 2) с выхода усилителя 5 подан на вход пикового детектора 6 (фиг. 1), в котором запоминают его амплитудное значение и преобразуют в постоянное напряжение 37 (фиг. 2). С выхода пикового детектора 6 постоянное напряжение 37 подано на вход второго суммирующего устройства 7 (фиг. 1). Одновременно для корректировки изменений амплитуды информационного сигнала 29 в зависимости от температуры стенки трубопровода вырабатывают на выходе первого сумматора 11 (фиг. 1) импульс 40 (фиг. 2), длительность которого τ₆ меняется при изменении температуры стенки. С этой целью выходной сигнал усилителя 5 подан на вход первого ждущего блокинг-генератора 14 (фиг. 1), который вырабатывает нормированный по амплитуде импульс 38 (фиг. 2) постоянной длительности τ₄. По импульсу 22 импульсного генератора 4 запускают второй ждущий блокинг-генератор 15 (фиг. 1), на выходе которого формируют нормированный импульс 39 (фиг. 2) постоянной длительности τ₅. С выходов первого 14 и второго 15 ждущих блокинг-генераторов нормированные импульсы τ₄ и τ₅ поданы на вход сумматора 11. Так как длительность импульсов τ₄ и τ₅ постоянна, а время запуска первого ждущего блокинг-генератора 14 зависит от скорости распространения УЗВ излучающих ЭАП 1, 2, а скорость УЗВ, в свою очередь, зависит от температуры стенки трубопровода, то на выходе первого сумматора 11 в результате логического суммирования будет сформирован импульс 40 переменной длительности τ₆. Импульс 40 подан на вход интегратора 12 (фиг. 1), в котором он преобразован в напряжение постоянного тока 41 (фиг. 2). Коррекция осуществлена путем подачи напряжения 41 на второй вход второго сумматора 7 через согласующий усилитель постоянного тока 13 (фиг. 1).

На выходе второго сумматора 7 формируют информационный сигнал 42 (фиг. 2), равный алгебраической сумме двух напряжений 37 и 41, который направляют на первый вход компаратора 8. На второй вход компаратора поступает напряжение 43 (фиг. 2) от источника эталонного напряжения 17 (фиг. 1), уровень которого соответствует определенному количеству жидкости на внутренней поверхности стенки трубопровода. При уменьшении сигнала 42 при демпфировании стенки 26 жидкостью ниже уровня эталонного напряжения 43 (фиг. 2) на выходе компаратора 8 (фиг. 1) вырабатывается сигнал 44, который направляют на вход индикатора 9 (фиг. 1).

Предложенное изобретение является новым, так как оно неизвестно из предшествующего уровня техники, относящейся к определению уровня или наличия жидкости в резервуарах и трубопроводах, и использует неизвестное устройство, которое содержит: два идентичных излучающих ЭАП, установленных на внешней поверхности трубопровода или резервуара на диаметрально противоположных сторонах в плоскости поперечного горизонтального сечения, приемный ЭАП, установленный на фиксированном расстоянии от излучающих ЭАП и равноудаленный от них; последовательно соединенные первый излучающий ЭАП, импульсный генератор, второй блокинг-генератор, первый сумматор, интегратор, усилитель постоянного тока, второй сумматор, компаратор и индикатор; последовательно соединенные приемный ЭАП, усилитель, пиковый детектор, выход которого подключен на второй вход второго сумматора; последовательно соединенные третий ждущий блокинг-генератор, селектор, выход которого подключен на второй вход усилителя, а вход третьего ждущего блокинг-генератора на выход импульсного генератора, первый ждущий блокинг-генератор, подключенный входом на выход усилителя, а выходом на второй вход первого сумматора; источник эталонного напряжения, подключенный на второй вход компаратора, второй излучающий ЭАП, подключенный к выходу импульсного генератора.

Предложенное изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно использует неизвестное устройство, повышающее надежность и точность контроля уровня или наличия жидкости, заполняющей резервуар или трубопровод полностью или частично за счет расширения зоны контроля и повышения чувствительности в результате синфазного сложения сигналов от излучающих ЭАП в зоне размещения приемного ЭАП, а также сигнала выделения информационного сигнала из помех в результате стробирования усилителя.

Предложенное изобретение применимо в промышленности для контроля уровня или "проскока" жидкости в абгазных трубопроводах и резервуарах с жидкими хлором и аммиаком, резервуарах высокого давления гидропрессов, в испарителях, рессиверах и т. д.

Литература.

1. А. С. СССР 798492, з-ка 2172770, БИ 3, 1981, G 01 F 23/28.

2. А. С. СССР 877342, з-ка 2879411, БИ 40, 1981, G 01 F 23/28.

Формула изобретения

Устройство для ультразвукового контроля уровня или наличия жидкости в трубопроводе, содержащее излучающий и приемный электроакустические преобразователи (ЭАП) ультразвуковых волн, установленные по вертикали на внешней поверхности стенки трубопровода или резервуара встречно на фиксированном расстоянии друг от друга, импульсный генератор, подключенный выходом к излучающему ЭАП, цепь из последовательно соединенных приемного ЭАП, усилителя, первого ждущего блокинг-генератора, первого сумматора, интегратора, усилителя постоянного тока, второго сумматора, второй ждущий блокинг-генератор, входом подключенный к выходу импульсного генератора, а выходом - на вход первого сумматора, пиковый детектор, подключенный входом к выходу усилителя, а выходом - на первый вход второго сумматора, индикатор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй излучающий ЭАП, который подключен к выходу импульсного генератора и установлен диаметрально противоположно первому излучающему ЭАП в плоскости поперечного горизонтального сечения трубопровода, а первый и второй излучающие ЭАП равноудалены от приемного ЭАП, последовательно соединены третий ждущий блокинг-генератор и селектор, выход которого подключен на второй вход усилителя, а вход третьего ждущего блокинг-генератора на выход импульсного генератора, компаратор подключен первым входом на выход второго сумматора, источник эталонного напряжения подключен выходом на второй вход компаратора, выход которого подключен на вход индикатора, сигнализирующего уровень или наличие жидкости в трубопроводе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2