Способ непрерывного ультразвукового контроля уровня жидких сред в технологических резервуарах

 

Изобретение относится к технике контроля наличия жидкости в технологических резервуарах с цилиндрической или близкой к ней формой и может применяться в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. С помощью наклонного акустического излучателя возбуждают нормальную ультразвуковую волну, которую направляют перпендикулярно поверхности контролируемой жидкости. Наклонные акустический излучатель и приемник устанавливают на противоположных сторонах введенного в резервуар стержня на одном уровне и с углами ввода (α и 180-α) выше возможного уровня заполнения резервуара жидкостью. Стержень опускают до дна резервуара параллельно образующей резервуара. Принимают акустическим приемником ультразвуковую волну, отраженной от нижней поверхности стержня. Измеряют амплитуду отраженной нормальной ультразвуковой волны, которую преобразуют в постоянное напряжение, которое с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуют в десятичный код индикатора. По показаниям индикатора судят об уровне контролируемой жидкой среды. Технический результат состоит в расширении диапазона измерения непрерывного уровня жидкости в резервуарах и повышении точности контроля уровня. 2 ил.

Изобретение относится к технике контроля уровня и наличия жидкости в технологических резервуарах и трубопроводах различных производств и может найти применение в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовке и других отраслях промышленности.

Известен способ непрерывного измерения уровня жидких сред, заключающийся в том, что в стенке резервуара или трубопровода, частично заполненных жидкостью, над границей заполнения возбуждают ультразвуковую (у.з.) волну, которая распространяется в стенке под углом к поверхности жидкости, отличным от 90 и 180^o, принимают ее ниже границы заполнения под тем же углом, причем в точке ввода на внешней поверхности в стенке возбуждают сдвиговую у.з. волну, которую направляют по винтовой линии с многократными отражениями в процессе распространения в точках, лежащих на внутренней и внешней поверхностях стенки резервуара на траектории винтовой линии, а принимают в точках отражений на внешней поверхности, используют экспериментальную зависимость амплитуды сдвиговой УЗВ от уровня жидкости в области, близкой к линейной, определяют для этой области конкретную точку приема, выделяют в этой точке амплитуду сдвиговой УЗВ, по которой судят об уровне жидкости [1].

Недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная методической ошибкой измерения, возникающей при расширении диапазона непрерывного измерения уровня.

Известен другой способ непрерывного измерения уровня жидких сред, заключающийся в том, что в стенке резервуара с помощью наклонного акустического излучателя, установленного на ее внешней поверхности выше возможного уровня заполнения резервуара жидкостью, возбуждают нормальную у.з. волну, которую направляют вдоль образующей резервуара, принимают эту волну наклонным акустическим приемником, установленным на той же стороне на уровне дна резервуара и встречно акустическому излучателю, измеряют амплитуду принятой нормальной у.з. волны, по величине которой судят о контролируемом уровне жидкости [2].

Недостатком такого способа являются также узкий диапазон и низкая точность измерения уровня из-за нелинейной зависимости амплитуды принятой у.з. волны от изменений уровня жидкости, демпфирующей стенку резервуара.

Более близким (прототипом) предложенному способу является второй. От известного способа предложенный отличается тем, что наклонные акустические излучатель и приемник устанавливают на противоположных сторонах введенного в резервуар стержня на одном уровне и с углами ввода (α и 180-α), причем стержень опускают до дна резервуара параллельно образующей резервуара, при этом принимают акустическим приемником нормальную у.з. волну, отраженной от нижней поверхности стержня, измеряют амплитуду отраженной нормальной у.з. волны, детектируют, преобразуют, индицируют и судят об уровне контролируемой жидкой среды.

Техническим результатом такого способа являются расширение диапазона измерения непрерывного уровня жидкости в резервуарах и повышение точности контроля уровня.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства одного из решений предложенного способа, а на фиг.2 - импульсно-потенциальная диаграмма, поясняющая работу устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство содержит: последовательно соединенные акустический излучатель 1 с прямоугольным волноводом 2, установленный на поверхности стержня 3, генератор 6, последовательно соединенные акустический приемник 12, с прямоугольным волноводом 13, установленный на поверхности стержня 3, логарифмический усилитель 15, пиковый детектор 17, аналого-цифровой преобразователь 19, цифровой индикатор 20.

Реализация способа и работа устройства осуществляется следующим образом.

Акустический излучатель 1 с наклонным прямоугольным волноводом 2 устанавливают на поверхности стержня 3 с одной его стороны выше возможного уровня заполнения резервуара 4 жидкостью 5. Генератор 6 вырабатывает периодическую последовательность импульсов 7, с помощью которой в прямоугольном волноводе 2 акустического излучателя 1 вырабатывают продольную у.з. волну 8. Продольную у. з. волну 8 направляют в стержень 3 под углом α, который выбирают из соотношения: где C₁ - скорость продольной у.з. в волноводе акустического излучателя; С₂ - фазовая скорость выбранной моды нормальной волны.

Направленная продольная у.з. волна 8 на границу раздела волновод-стержень под углом α в стержне 3 формирует нормальную у.з. волну 9, которую направляют вдоль стержня к его нижней поверхности 10. При отсутствии жидкости 5 в резервуаре 4 у.з. волна 9 отражается от нижней поверхности 10 стержня и поступает в виде отраженной у.з. волны 11 на вход акустического приемника 12 с прямоугольным волноводом 13, причем угол ввода равен 180-α. В акустическом приемнике 12 осуществляют преобразование отраженной у.з. волны 11 в электрический сигнал 14 (фиг.2). При этом электрический сигнал 14 при отсутствии жидкости будет иметь максимальную амплитуду.

При наличии жидкости в резервуаре амплитуда сигнала 14 будет изменяться (уменьшаться) по экспоненциальному закону в результате демпфирования поверхности стержня 3 в области его соприкосновения с жидкостью 5.

С выхода акустического приемника 12 сигнал 14 об уровне жидкости направляют на вход логарифмического усилителя 15, динамическую характеристику которого формируют в соответствии с коэффициентом затухания нормальных у.з. волн 9, 11 при их распространении по стержню от акустического излучателя 1 к акустическому приемнику 12 и коэффициентом демпфирования поверхности стержня жидкостью 5. При этом на выходе логарифмического усилителя 15 получают сигнал 16, амплитуда которого пропорциональна уровню жидкости в резервуаре.

Сигнал 16 направляют на вход пикового детектора 17 для преобразования в постоянное напряжение 18, уровень которого соответствует уровню жидкости в резервуаре. С выхода пикового детектора 17 постоянное напряжение 18 направляют на вход аналого-цифрового преобразователя 19, в котором осуществляют его преобразование в десятичный код индикатора 20, по показаниям которого судят об уровне жидкости в резервуаре.

Предложенное изобретение является новым, так как оно неизвестно из предшествующего уровня техники, относящейся к определению уровня или наличия жидких сред в резервуарах и использует неизвестный способ, заключающийся в том, что с помощью наклонных акустических излучателя и приемника, установленных на поверхности введенного в резервуар стержня с двух его сторон и с углами ввода α и 180-α, выше возможного уровня заполнения резервуара, причем стержень опущен до дна резервуара параллельно его образующей, возбуждают нормальную у.з. волну, которую направляют вдоль стержня, а принимают отраженную от нижней поверхности стержня нормальную у.з. волну, измеряют амплитуду отраженной у.з. волны, детектируют, преобразуют, индицируют и судят об уровне контролируемой жидкой среды в резервуаре.

Предложенное изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно использует неизвестный способ, повышающий точность и надежность измерения уровня жидких сред в резервуарах, а также расширяет диапазон непрерывного измерения уровня жидкости.

Предложенное изобретение применимо в промышленности при контроле уровня и наличия жидких сред, находящихся в открытых и закрытых резервуарах при нормальном и избыточном давлениях в них.

ЛИТЕРАТУРА 1. Патент RU 2149362, G 01 F 23/296, опубл. 20.05.2000 г.

2. А.С. СССР 877342, G 01 F 23/28, опубл. 01.07.1981 г.

Формула изобретения

Способ непрерывного ультразвукового контроля уровня жидких сред в технологических резервуарах, заключающийся в том, что с помощью наклонного акустического излучателя, установленного выше возможного уровня заполнения резервуара жидкой средой, возбуждают нормальную ультразвуковую волну, которую направляют перпендикулярно поверхности контролируемой жидкой среды, принимают ультразвуковую волну наклонным акустическим приемником и измеряют амплитуду ультразвуковой волны, отличающийся тем, что наклонные акустические излучатель и приемник устанавливают на противоположных сторонах введенного в резервуар стержня на одном уровне и с углами ввода (α и 180-α), причем стержень опускают до дна резервуара параллельно образующей резервуара, при этом принимают акустическим приемником ультразвуковую волну отраженной от нижней поверхности стержня, при этом измеряют амплитуду отраженной нормальной ультразвуковой волны, которую преобразуют в постоянное напряжение, которое с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуют в десятичный код индикатора, по показаниям которого судят об уровне контролируемой жидкой среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2