Способ ультразвукового контроля границы раздела несмешивающихся сред в резервуаре
Изобретение относится к технике контроля наличия жидкости в технологических резервуарах и трубопроводах различных производств и может найти применение в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовке и других отраслях промышленности. Способ заключается в том, что с помощью первого акустического преобразователя (АП) в стенку резервуара периодически вводят у.з. волну, принимают многократно отраженные от внутренней поверхности стенки импульсы у.з. волны, преобразуют их в электрический сигнал, усиливают, выделяют путем стробирования, детектируют и ограничивают снизу. Продольную у.з. волну вводят под углом к внешней поверхности стенки резервуара. Формируют в точке ввода продольной у.з. поперечную у.з. волну, которую направляют вдоль стенки. Производят прием поперечной у.з. волны вторым АП, смещенным относительно первого АП по вертикали на расстояние относительно точки ввода, равное удвоенной проекции пути, прошедшего поперечной у.з. волной от точки отражения до точки приема на внешнюю поверхность резервуара. В качестве выделенного информационного сигнала принимают первый отраженный от внутренней поверхности стенки сигнал поперечной у.з. волны, измеряют амплитуду, формируют опорный сигнал, постоянное значение которого выбирают как среднее арифметическое значение между амплитудами сигналов поперечной у.з. волны, отраженной от границы раздела стенки с контролируемыми средами, обладающими различными удельными акустическими сопротивлениями. Сравнивают информационный, детектированный сигнал с опорным и по разности значений судят о границе раздела несмешивающихся сред. Технический результат состоит в повышении надежности и точности ультразвукового контроля границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к технике контроля наличия жидкости в технологических резервуарах и трубопроводах различных производств и может найти применение в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовке и других отраслях промышленности.
Известен способ ультразвукового контроля границы раздела несмешивающихся сред, заключающийся в том, что с помощью акустического преобразователя в стенке резервуара возбуждают ультразвуковую (у.з.) волну, которую вводят по нормали к ее поверхности, принимают тем же акустическим преобразователем (АП) многократно отраженные от внутренних поверхностей стенки резервуара импульсы у.з. колебаний, преобразуют их в импульсные электрические сигналы, выделяют огибающую импульсных сигналов, задают два временных местоположения заднего фронта огибающей на фиксированном уровне амплитуды, меньшем пикового значения амплитуды огибающей, формируют опорный импульс, соответствующий середине заданных временных местоположений, определяют знак временного интервала между опорным импульсом и импульсом, сформированным в момент равенства амплитуды заднего фронта электрического импульсного сигнала фиксированному амплитудному уровню, а о границе раздела несмешивающихся сред судят по знаку этого интервала [1].
Недостатком данного способа является низкие точность и надежность, обусловленные размытостью границы раздела двух сред из-за плавного спада заднего фронта огибающей импульсов реверберации.
Известен другой способ контроля параметров сред, заключающийся в том, что с помощью акустического преобразователя в стенке резервуара возбуждают у.з. волну, которую вводят по нормали к ее поверхности, принимают тем же АП многократно отраженные от внутренних поверхностей стенки импульсы у.з. колебаний, преобразуют их в импульсный электрический сигнал, выделяют огибающую отраженных импульсных сигналов, отсекают огибающую снизу пропорционально ее амплитуде, формируют импульс по величине, пропорциональной этой амплитуде, а по длительности, равной длительности усеченной огибающей, интегрируют этот импульс, сравнивают результат с опорным значением, соответствующим регламентируемому параметру среды, и по разнице судят о контролируемом параметре [2].
Недостатком данного способа являются также низкие надежность и точность, обусловленные зависимостью амплитуды импульсов реверберации не только от физико-химического состояния среды и соответственно ее акустического сопротивления ультразвуку, но также и от площади соприкосновения среды со стенкой резервуара.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и точности ультразвукового контроля границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями.
Более близким (прототипом) предложенному способу является второй.
От известного способа предложенный отличается тем, что продольную у.з. волну вводят под углом к внешней поверхности стенки резервуара, формируют в точке ввода продольной у.з. волны поперечную у.з. волну, которую направляют вдоль стенки, производят прием поперечной у.з. волны вторым АП, смещенным относительно первого АП по вертикали на расстояние относительно точки ввода равное удвоенной проекции пути, прошедшего поперечной у.з. волной от точки отражения до точки приема, на внешнюю поверхность резервуара, а в качестве выделенного информационного сигнала принимают первый отраженный от внутренней поверхности стенки сигнал поперечной у.з. волны, измеряют его амплитуду, формируют опорный сигнал, постоянное значение которого выбирают как среднее арифметическое значение между амплитудами сигналов поперечной у.з. волны, отраженной от границы раздела стенки с контролируемыми средами, обладающими различными удельными акустическими сопротивлениями, сравнивают информационный детектированный сигнал с опорным и по разности значений судят о границе раздела несмешивающихся сред.
Техническим результатом такого способа является повышение точности и надежности получения информации о границе раздела несмешивающихся сред в диапазоне толщин стенок технологических резервуаров и трубопроводов от 200 до 1 мм по стали.
На фиг.1 представлена функциональная схема одной из реализации предложенного способа, а на фиг.2 - импульсно-потенциальная диаграмма, поясняющая работу устройства.
Устройство содержит: первый АП 1 с наклонным волноводом 2, установленным на внешней поверхности 3 резервуара 4, и генератор 5, последовательно соединенные второй АП 9 с наклонным волноводом 13, установленным на внешней поверхности 3 резервуара 4, усилитель 16 (первым входом), ограничитель 21, детектор 22, компаратор 24 (первым входом), индикатор 28, формирователь стробимпульса 19, входом подключенный на выход генератора, а выходом - на второй вход усилителя, источник опорного напряжения 26, выходом подключенный на второй вход компаратора 24.
Реализация способа и работа устройства осуществляется следующим образом.
АП 1 с наклонным волноводом 2 устанавливают на внешней поверхности 3 резервуара 4. Генератор 5 вырабатывает периодическую последовательность импульсов 6 (фиг.2), с помощью которой в волноводе 2 возбуждают продольную у.з. волну 7 (фиг.1). В точке ввода 8 продольную у.з. волну вводят в стенку под углом 
, который выбирают в зависимости от толщины стенки резервуара и линейных геометрических размеров АП.
На границе раздела волновод 2 - стенка 3 продольная у.з. волна 7 трансформируется в поперечную у.з. волну 9. Многократно отраженную от внутренней поверхности стенки поперечную у.з. волну 9 направляют вдоль стенки к приемному АП 10. Приемный АП 10 размещают в точке 11 выхода первого отражения 12 поперечной у.з. волны 9 от внутренней поверхности стенки 13. Принятые у.з. колебания первого отражения поперечной у.з. волны направляют в волновод 14 приемного АП 10, в котором осуществляют преобразование в электрический информационный сигнал 15 (фиг.2). С выхода приемного АП 10 сигнал 15 передают на вход усилителя 16, в котором осуществляют усиление до необходимой амплитуды. В принятом сигнале 15 выделяют только его амплитуду 17, для чего усилитель 16 стробируют импульсом 18, который вырабатывают в формирователе 19 стробимпульса (фиг.1). Выделенный таким образом информационный сигнал 17 ограничивают снизу на нулевом уровне, оставляя только его положительную амплитуду 20 (фиг.2). Ограничение осуществляют в ограничителе 21. Ограниченный сигнал 20 детектируют в пиковом детекторе 22, преобразуя его в постоянное напряжение 23, эквивалентное информационному сигналу 15. Это напряжение 23 подают на первый вход компаратора 24. Амплитуда информационного сигнала 20 несет информацию об акустическом сопротивлении каждой контролируемой среды 1 или II, соприкасающейся с внутренней поверхностью стенки резервуара или трубопровода в зоне установки излучающего и приемного АП.
При соприкосновении со стенкой контролируемой среды с меньшим акустическим сопротивлением информационный сигнал 20 (фиг.3) имеет большую амплитуду, и наоборот. Поэтому для регистрации границы раздела несмешивающихся сред формируют опорное напряжение (Uоп) 25, уровень которого составляет среднее арифметическое значение между амплитудами принятых информационных сигналов, отраженных от границы раздела стенки с контролируемыми средами, имеющими различное удельное акустическое сопротивление для поперечной у.з. волны. Опорное напряжение 25 вырабатывают в источнике опорного напряжения 26 и подают на второй вход компаратора 24. На выходе компаратора 24 осуществляют сравнение детектированного информационного сигнала 23 и опорного сигнала 25, и в случае положительной разности вырабатывают на выходе компаратора положительную ступень напряжения 27, по которой судят о границе раздела несмешивающихся сред. Для индикации границы раздела выходной сигнал 27 компаратора 24 подают на вход индикатора 28.
Предложенное изобретение является новым, так как оно неизвестно из предшествующего уровня техники, относящейся к определению границы раздела несмешивающихся сред, и использует неизвестный способ, заключающийся в том, что в стенку резервуара с помощью АП с наклонным волноводом, установленным на внешней поверхности трубопровода, вводят продольную у.з. волну, которая преломляясь в точке ввода, трансформируется в поперечную у.з. волну и распространяется вдоль стенки с многократными отражениями от ее внутренней поверхности, принимают эту волну вторым АП с наклонным волноводом, установленным также на внешней поверхности резервуара и смещенным относительно первого АП по вертикали на расстояние, относительно точки ввода равное удвоенной проекции пути, прошедшего поперечной у.з. волны от точки отражения до точки приема, на внешнюю поверхность резервуара, выделяют в принятом сигнале путем стробирования первое отражение поперечной у.з. волны от внутренней поверхности стенки, ограничивают выделенный информационный сигнал снизу, на нулевом уровне, детектируют положительную амплитуду выделенного сигнала, формируют опорный сигнал, постоянное значение которого выбирают как среднее арифметическое значение между амплитудами поперечной у.з. волны, отраженных от границы раздела стенки с контролируемыми средами, обладающими различными удельными акустическими сопротивлениями, сравнивают информационный детектированный сигнал с опорным и по разности судят о границе раздела несмешивающихся сред.
Предложенное изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно использует неизвестный способ, повышающий надежность и точность контроля границы раздела несмешивающихся сред в резервуарах и трубопроводах с толщинами стенок от 200 мм до 1 мм по стали.
Предложенное изобретение применимо в промышленности при контроле границы раздела несмешивающихся сред, находящихся в сепараторах, испарителях, трубопроводах и резервуарах при нормальном и избыточном давлениях в них.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.С. СССР №1348656, G 01 F 23/28, опубл. 30.10.1987 г.
2. А.С. СССР №892293, G 01 N 29/02, опубл. 23.12.1981 г.
Формула изобретения
Способ ультразвукового (у.з.) контроля границы раздела несмешивающихся сред, заключающийся в том, что с помощью первого акустического преобразователя (АП) в стенку резервуара периодически вводят у.з. волну, принимают многократно отраженные от внутренней поверхности стенки импульсы у.з. волны, преобразуют их в электрический сигнал, усиливают, выделяют путем стробирования, детектируют и ограничивают снизу, отличающийся тем, что продольную у.з. волну вводят под углом к внешней поверхности стенки резервуара, формируют в точке ввода продольной у.з. волны поперечную у.з. волну, которую направляют вдоль стенки, производят прием поперечной у.з. волны вторым АП, смещенным относительно первого АП по вертикали на расстояние относительно точки ввода, равное удвоенной проекции пути, прошедшего поперечной у.з. волной от точки отражения до точки приема на внешнюю поверхность резервуара, а в качестве выделенного информационного сигнала принимают первый отраженный от внутренней поверхности стенки сигнал поперечной у.з. волны, измеряют его амплитуду, формируют опорный сигнал, постоянное значение которого выбирают как среднее арифметическое значение между амплитудами сигналов поперечной у.з. волны, отраженной от границы раздела стенки с контролируемыми средами, обладающими различными удельными акустическими сопротивлениями, сравнивают информационный, детектированный сигнал с опорным и по разности значений судят о границе раздела несмешивающихся сред.
РИСУНКИ
