Способ ультразвукового контроля уровня жидких сред в резервуарах

 

Изобретение относится к технике контроля технологических параметров жидких сред в резервуарах и может найти применение в металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. С помощью одного акустического излучателя возбуждают нормальную антисимметричную волну нулевого порядка (волну Лэмба) и продольную волну, которые распространяются параллельно плоскости поверхности контролируемой жидкости по периметру резервуара (волна Лэмба) и через стенки и контролируемую среду по хорде в плоскости горизонтального сечения резервуара (продольная волна). Прием ультразвуковых колебаний осуществляется одним акустическим приемником. На вход приемника акустические сигналы двух типов волн приходят с задержкой относительно импульса возбуждения на время, определяемое скоростью распространения этих волн в конкретной среде и расстоянием до акустического приемника. В принятом сигнале выделяют максимально изменяющиеся в зависимости от присутствия жидкости на контролируемом уровне значения информационных сигналов каждой волны, которые затем сравнивают с порогом чувствительности приемного устройства и нормируют их по результатам сравнения. Выделенные таким образом и пронормированные сигналы направляются на вход промежуточного запоминающего устройства ПЗУ, формирующего на элементах памяти необходимые состояния для выработки сигнала сигнализации. Изобретение позволяет повысить точность и надежность сигнализации уровня в промышленных условиях. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к технике контроля технологических параметров жидких сред в резервуарах для промышленных производств и может найти применение в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Известен способ ультразвукового контроля уровня жидкости в резервуарах, заключающийся в том, что в стенку резервуара по нормали к ней в зоне контроля уровня периодически вводят ультразвуковые колебания, принимают от противоположной стенки отраженные импульсные сигналы и импульсные сигналы акустической реверберации в стенке резервуара, выделяют огибающую импульсов реверберации в заданной временной зоне и по ее амплитуде судят о наличии или отсутствии жидкости на контролируемом уровне [1].

Недостатком данного способа контроля является низкая точность, надежность контроля уровня, из-за незначительных изменений амплитуды огибающей реверберационных импульсов при демпфировании стенки жидкостью в зоне контроля.

Известен другой способ контроля уровня жидкости, заключающийся в том, что в стенку резервуара под углом к ней параллельно поверхности контролируемой среды в зоне контроля уровня вводят продольную ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости нормальной волны (волны Лэмба), распространяющейся в стенке, а после прохождения некоторого фиксированного расстояния по стенке принимают волну Лэмба и используют ее амплитуду в качестве информационного сигнала об уровне [2].

Недостатком этого способа контроля уровня жидкости, снижающим его надежность и точность, является нестабильность амплитуды информационного сигнала при изменении толщины стенок в резервуаре из-за коррозии или воздействия на них агрессивных сред, а также узкий динамический диапазон информационного сигнала при значительной (более 30 мм) толщине стенок или их зарастании остаточными компонентами жидких реагентов.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности и точности сигнализации уровня жидкости в резервуарах при наличии различных воздействий в промышленных условиях.

Более близким прототипом предложенному способу является второй. От известного способа предложенный отличается тем, что ультразвуковую волну вводят в стенку резервуара параллельно поверхности контролируемой жидкой среды, а ультразвуковая волна, распространяющаяся на фиксированном участке стенки, является волной Лэмба, одновременно там же излучателем возбуждают в стенке резервуара продольную ультразвуковую волну, распространяющуюся в плоскости горизонтального сечения резервуара по хорде окружности резервуара через стенку, контролируемую жидкую среду и противоположную стенку, принимают эту волну тем же приемником во временной зоне, отличной от временной зоны приема волны Лэмба, выделяют в каждой временной зоне амплитудные значения волны Лэмба или продольной волны, формируют по ним на заданном пороговом уровне чувствительности нормированные информационные сигналы, с помощью которых управляют промежуточным запоминающим устройством (ПЗУ), на выходе которого получают один сигнал по наличию на входе ПЗУ двух или хотя бы одного из нормированных информационных сигналов за период следования возбуждающих импульсов, по которому судят о наличии жидкости на контролируемом уровне в резервуаре. Реализация способа поясняется акустической и функциональной схемой на фиг.1 и импульсно-потенциальной диаграммой на фиг.2 и заключается в следующем.

В стенку 1 резервуара с контролируемой жидкой средой 2 периодически направляют продольную ультразвуковую волну (УЗВ) 7, которую возбуждают с помощью генератора 3 и акустического преобразователя (излучателя) 4, установленного на внешней поверхности резервуара в зоне контроля уровня.

Акустический излучатель 4 содержит пьезоэлектрический преобразователь 5 и волновод 6, через который под углом α к внешней поверхности стенки вводят ультразвуковую волну 7.

Угол ввода α продольной УЗВ выбирают таким образом, чтобы фазовая скорость движения фронта УЗВ по поверхности ввода (скорость следа) в волноводе совпадала с фазовой скоростью, возбуждаемой в стенке волны Лэмба 8, например, антисимметричной волны нулевого порядка a₀ . Эту волну направляют по периметру резервуара в направлении, параллельном плоскости поверхности контролируемой жидкости, принимают после прохождения некоторого фиксированного расстояния по стенке акустическим приемником 12. Акустический приемник 12 конструктивно выполнен аналогично излучателю 4 и содержит волновод 10 и пьезоэлектрический преобразователь 11, с помощью которого волну Лэмба 8 преобразуют в импульсы электрических колебаний.

Если жидкость в резервуаре на уровне установки излучающего и приемного акустических преобразователей (на контролируемом уровне) отсутствует, то волна Лэмба не испытывает затухания, вызванного жидкостью, и амплитуда волны на выходе акустического приемника имеет максимальную амплитуду 4 фиг.2б.

При наличии жидкости на контролируемом уровне внутренняя поверхность стенки 1 демпфируется и амплитуда информационной волны Лэмба резко уменьшается, достигая минимального значения 2 фиг. 2а.

Возбужденная в стенке продольная волна 9 (фиг.1) преломляется при переходе в жидкость 2, если жидкость находится на контролируемом уровне, и распространяется к противоположной стенке резервуара по хорде в плоскости горизонтального сечения резервуара (фиг.1).

Преломляясь при переходе из жидкости в стенку и из стенки в волновод 10 акустического приемника 12, продольная волна поступает на вход пьезопреобразователя 11 с помощью которого ее преобразуют в импульс электрических колебаний максимальной амплитуды 3 (фиг.2а).

При отсутствии жидкости 2 на контролируемом уровне в результате резкого различия акустических сопротивлений материала стенки резервуара и воздуха, соприкасающегося с ней, на выходе приемника 12 электрические импульсы будут отсутствовать или их амплитуда 5 фиг.2в будет на несколько порядков ниже, чем при наличии жидкости.

Таким образом, в принятом за время одного периода сигнале будут присутствовать информационные сигналы двух типов волн, принятые с задержкой по времени τ₁,τ₂ (фиг.2) относительно импульса возбуждения.

Время задержки для каждого сигнала определяется скоростью распространения ультразвуковых волн разных типов в конкретной среде и расстоянием между излучателем и приемником ультразвуковых волн.

Путем стробирования короткими импульсами 6, 7 (фиг.2д) длительностью τ₃ и τ₄, , вырабатываемыми устройством стробирования 13 (фиг.1), выделяют в принятом сигнале максимально изменяющиеся значения информационных сигналов каждой волны 9, 10 (фиг. 2е, ж) в зависимости от присутствия жидкости на контролируемом уровне.

Выделенные сигналы сравнивают с порогом чувствительности u_пор приемного устройства 14 (фиг.1), нормируют по амплитуде и длительности 11, 12 (фиг.2 з, и) и направляют в промежуточное запоминающее устройство ПЗУ 15 (фиг.1). В ПЗУ на логических элементах памяти формируют необходимые состояния для выработки одного сигнала сигнализации 14 (фиг.2 л) по наличию на входе ПЗУ двух или хотя бы одного информационного сигнала о наличии жидкости на контролируемом уровне. С выхода ПЗУ сигнал сигнализации подают на вход регистрирующего устройства 16 (фиг.1), с помощью которого осуществляют индикацию о наличии жидкости на контролируемом уровне.

Предложенное изобретение является новым, так как оно неизвестно из уровня техники, относящейся к определению уровня жидкости в резервуарах.

Предложенное изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно использует неизвестный способ, заключающийся в одновременном контроле уровня двумя ультразвуковыми методами: методом демпфирования стенки резервуара жидкостью и методом ультразвукового прозвучивания резервуара, при котором сигнал сигнализации об уровне формируется при наличии информационных сигналов, полученных по двум или хотя бы по одному из методов.

Предложенное изобретение применимо в промышленности для контроля уровня жидких сред в резервуарах высокого давления гидропрессов, емкостях с жидким хлором и аммиаком, промсосудах и маслоотделителях холодильно-компрессорных агрегатов, в ресиверах воздушных компрессоров, емкостях с концентрированными кислотами и т.д.

Формула изобретения

Способ ультразвукового контроля уровня жидких сред в резервуарах, заключающийся в том, что в зоне контроля в стенку резервуара под определенным углом к ней с помощью акустического излучателя периодически вводят ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости ультразвуковой волны, распространяющейся на фиксированном участке стенки, принимают эту волну акустическим приемником, отличающийся тем, что ультразвуковую волну вводят в стенку резервуара параллельно поверхности контролируемой жидкой среды, а ультразвуковая волна, распространяющаяся на фиксированном участке стенки, является волной Лэмба, одновременно тем же излучателем возбуждают в стенке резервуара продольную ультразвуковую волну, распространяющу в плоскости горизонтального сечения резервуара по хорде окружности резервуара через стенку, контролируемую жидкую среду и противоположную стенку, принимают эту волну тем же приемником во временной зоне, отличной от временной зоны приема волны Лэмба, выделяют в каждой временной зоне амплитудные значения волны Лэмба или продольной волны, формируют на ним на заданном пороговом уровне чувствительности нормированные информационные сигналы, с помощью которых управляют промежуточным запоминающим устройством (ПЗУ), на выходе которого получают один сигнал по наличию на входе ПЗУ двух или хотя бы одного из нормированных информационных сигналов за период следования возбуждающих импульсов, по которому судят о наличии жидкости на контролируемом уровне в резервуаре.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2