Устройство ультразвукового контроля уровня жидких сред в резервуарах

 

Изобретение относится к технике контроля параметров жидкости, например их уровня в технологических резервуарах различных производств. Устройство реализует метод контроля уровня жидкости с помощью двух наклонных акустических преобразователей (излучателя и приемника УЗС), размещенных на внешней поверхности резервуара на некотором фиксированном расстоянии друг от друга в плоскости, параллельной поверхности контролируемой жидкости и электронного устройства. Формируются сигнал УЗС, который разбивается на две составляющие - нормальную и продольную. Прием УСЗ осуществляют идентичным акустическим приемником, место установки которого определяют точкой входа продольной волны. Принятый сигнал усиливают, выделяют в нем путем стробирования амплитудные значения каждой волны, детектируют их, нормируют, присваивают нормируемым значениям состояние нулей "0" и единиц "1", осуществляют сравнение этих состояний, логически суммируют, интегрируют, сравнивают с заданным порогом и вырабатывают на выходе соответствующий сигнал. Это позволяет повысить надежность и точность контроля уровня жидких сред в технологических резервуарах различных производств. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к технике контроля параметров жидкости, например их уровня в технологических резервуарах различных производств, и может найти применение в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, водоподготовки и других отраслях промышленности.

Известно устройство для контроля физических параметров жидких сред в закрытых емкостях, содержащее два устанавливаемых на фиксированном расстояние друг от друга на внешней поверхности емкости идентичных клиновых ультразвуковых (акустических) преобразователя, соединенных последовательно один с усилителем мощности и возбудителем, а другой - с приемным усилителем, селекторным каскадом, детектором и измерительным каскадом; последовательно соединенные синхронизатор, блок задержки, формирователь стробимпульса, подключенные - синхронизатор ко входу возбудителя, а формирователь стробимпульса - к селекторному каскаду, включенному между усилителем и детектором [1].

Недостатком известного устройства является низкая надежность и точность контроля, обусловленные резким изменением амплитуды нормальной волны при изменении толщины стенки в результате коррозии, зарастания или под воздействием жидкой среды с абразивными свойствами.

Известно также устройство, в котором используются прямые акустические преобразователи, установленные соосно по диаметру навстречу друг другу по различным сторонам резервуара [2].

Недостатком известного устройства является низкая надежность и точность, обусловленные зависимостью амплитуды информационного сигнала от геометрических размеров контролируемого объекта, а также зависимостью затухания ультразвуковых колебаний (УЗК) от количества нерастворенного воздуха или других газов в контролируемой жидкой среде.

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

Прототипом предложенному устройству является первое устройство [1].

От выбранного прототипа предложенное устройство отличается тем, что оно дополнительно содержит последовательно соединенные второй формирователь стробимпульса, второй селекторный каскад (первый вход), второй пиковый детектор (первый вход), вторую схему совпадений (первый вход), суммирующую схему (второй вход), интегратор (первый вход), выходом подключенный на вход измерительного каскада; последовательно соединенные инвертирующий каскад и первую схему совпадений (первый вход), подключенные - инвертирующий каскад к выходу первого пикового детектора, а первая схема совпадений к первому входу суммирующей схемы; последовательно соединенный третий блок задержки и третий формирователь стробимпульса, подключенные входом третьего блока задержки на параллельно соединенные входы первого и второго блоков задержки, вторыми входами первого и второго пиковых детекторов на выход синхронизатора, а выходом третьего формирователя стробимпульса на параллельно соединенные вторые входы первой и второй схем совпадений; согласующее устройство, включенное между вторым акустическим преобразователем и приемным усилителем, выход которого подключен на вторые входы первого и второго селекторных каскадов.

Это позволяет повысить надежность и точность контроля уровня жидких сред в технологических резервуарах различных производств.

На фиг. 1 представлены акустическая и функциональная схемы описываемого устройства. На фиг. 2 - импульсно-потенциальные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит два идентичных акустических преобразователя 4, 8, устанавливаемых на внешней поверхности резервуара 29 на фиксированном расстоянии навстречу друг другу; последовательно соединенные синхронизатор 1, возбудитель 2, усилитель мощности 3, выходом подключенный к первому акустическому преобразователю 4, содержащему пьезоэлемент 5 и волновод 6; последовательно соединенные первый блок задержки 15, первый формирователь стробимпульса 17, первый селекторный каскад (первый вход) 13, первый пиковый детектор (первый вход) 19, инвертирующий каскад 21, первую схему совпадений (первый вход) 22, суммирующую схему (первый вход) 26, интегратор 27, измерительный каскад 28; последовательно соединенные второй блок задержки 16, второй формирователь стробимпульса 18, второй селекторный каскад (первый вход) 14, второй пиковый детектор (первый вход) 20, вторую схему совпадений (первый вход) 23, выходом подключенную на второй вход суммирующей схемы 26; последовательно соединенные акустический преобразователь 8, содержащий пьезопреобразователь 10 и волновод 9, согласующее устройство 11, приемный усилитель 12, выходом подключенный на вторые входы селекторных каскадов 13, 14; последовательно соединенные третий блок задержки 24 и третий формирователь стробимпульса 25, подключенные третий блок задержки 24 на параллельно соединенные входы первого 15 и второго 16 блоков задержки, вторые входы первого 19 и второго 20 пиковых детекторов и выход синхронизатора 1, а выход третьего формирователя стробимпульса 25 подключен на вторые входы первой 22 и второй 23 схем совпадений.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Генератор импульсов, состоящий из синхронизатора 1, возбудителя 2 и усилителя мощности 2 (Рис. 1) на выходе усилителя мощности 3 вырабатывает периодическую последовательность импульсов 33 (Рис. 2), которые направляют в акустический преобразователь (излучатель) 4 (Рис. 1) ультразвуковых волн (УЗВ), установленный на внешней поверхности резервуара 29 (Рис. 1) в зоне контроля уровня. Излучатель 4 содержит пьезопреобразователь 5 и волновод 6 (Рис. 1). Под действием электрических импульсов пьезопреобразователь 5 возбуждает в волноводе 6 упругие продольные ультразвуковые колебания (УЗК), которые под углом вводят в стенку 7 резервуара 29 (Рис. 1). При известных толщине стенки 7 резервуара, частоте УЗК, их скорости распространения в материале волновода 6 и стенки 7 с помощью угла в результате преломления продольных УЗК в точке ввода формируют нормальные волны 30 типа Q₀, a₁, S₀, S₁ и продольные волны 31 (Рис. 1). При этом угол ввода продольных УЗК выбирают из соотношения где C₁ - фазовая скорость продольной волны в волноводе акустического излучателя Cq₀, S₀ - фазовая скорость симметричной и асимметричной моды нормальной волны в стенке резервуара, а угол ввода Y (Рис. 1) продольной волны в жидкость определяют из соотношения где C₂ - фазовая скорость продольной волны в стенке резервуара.

Нормальные волны типа Q₀, S₀, Q₁, S₁ распространяются в стенке по периметру резервуара в направлении второго акустического преобразователя (приемника) 8 (Рис. 1). Продольные волны распространяются также в направлении приемника 8 через стенки резервуара и контролируемую жидкую среду. Расстояние, на котором устанавливают приемник 8 на внешней поверхности резервуара в зоне контроля уровня, выбирают так, чтобы продольные волны прошли через контролируемую среду по диаметру или хорде 32 (Рис. 1) в горизонтальной плоскости сечения резервуара и попали на вход приемника 8.

Приемник 8 конструктивно выполняют идентично излучателю 4 с волноводом 9 и пьезопреобразователем 10 (Рис. 1) из аналогичных материалов.

Скорость распространения нормальных 30 и продольных 31 волн и их путь от излучателя к приемнику различны, поэтому на выходе приемника 8 в пределах одного периода импульсы от нормальной 35 и продольной 36 (Рис. 2) волны разделены во времени (t₁ и t₂ соответственно Рис. 2).

Выходные электрические импульсы приемника 8 направляют через согласующее устройство 11 на вход приемного усилителя 12 (Рис. 1), который их усиливает и передает на вторые входы селекторных каскадов 13, 14 (Рис. 1).

В селекторных каскадах 13, 14 с помощью стробимпульсов 37, 38 (Рис. 2) выделяют амплитудные значения импульсов только одной нормальной 35 или продольной 36 волны соответственно. Выделение амплитудных значений УЗВ осуществляют с помощью блоков задержки 15, 16 и формирователей стробимпульсов 17, 18 (Рис. 1).

В блоках задержки 15, 16 формируют импульсы 39, 40 (Рис. 2), длительность которых соответствует времени распространения нормальных и продольных УЗВ от излучателя 4 к приемнику 8. Передний фронт импульсов задержки 39, 40 вырабатывают по сигналам синхронизатора 1, которые совпадают с моментом излучения УЗВ в стенку 7 резервуара 29, а задний фронт формируется несколько раньше с момента поступления выходных импульсов приемника 8 на вход согласующего устройства 11.

В формирователях 17, 18 по заднему фронту импульсов блоков задержки 15, 16 вырабатывают стробимпульсы 37, 38 заданной длительности ₁, ₂, которые направляют на первые входы селекторных каскадов 13, 14.

С выходов селекторных каскадов стробированные импульсные сигналы 41, 42 (Рис. 2) нормальных и продольных УЗВ подают на первые входы пиковых детекторов 19, 20 (Рис. 1), которые преобразуют импульсные сигналы в нормированные постоянные напряжения 43, 44 (Рис. 2).

При контроле продольными волнами наличие постоянного напряжения на выходе пикового детектора 20, которому присваивают значение логической единицы "1", сигнализирует о присутствии жидкости на контролируемом уровне - уровне установки акустических излучателей 4 и приемника 8.

При контроле уровня нормальными волнами присутствию жидкости на контролируемом уровне соответствует состояние логического нуля "0" 45 (Рис. 2) на выходе пикового детектора 19. Это несоответствие связано с тем, что внутренняя поверхность стенки резервуара в зоне контроля (установки акустических излучателя и приемника) демпфируется жидкостью и амплитуда сигнала на входе приемника 8 резко падает в результате перехода части энергии УЗВ в жидкую среду, что соответствует нулевому состоянию на выходе пикового детектора 19.

Для формирования необходимого состояния логической "1" при наличии жидкости на контролируемом уровне выходной сигнал пикового детектора 19 инвертируют в интервале 21 (Рис. 1). Выходной сигнал 46 (Рис. 2) инвертора 21 и сигнал 44 пикового детектора 20 подают соответственно на первые входы схем совпадений 22, 23 (Рис. 1), на вторые входы которых приводят стробимпульс, сформированный с помощью блока задержки 24 и формирователя 25 (Рис. 1). Момент запуска блока задержки 24 и формирования переднего фронта импульса задержки 47 (Рис. 2) совпадает с импульсом 33 синхронизатора 1. Длительность импульса задержки 47 (Рис. 2) выбирают такой, чтобы она превышала время распространения от акустического излучателя 4 к акустическому приемнику 8 как нормальных (t₁), так и продольных (t₂) УЗВ, но не превышала длительности периода следования T импульсов 33 синхронизатора 1. По заднему фронту импульса задержки 47 (Рис. 2) формируют стробимпульс 48 (Рис. 2).

Стробированные сигналы на выходе схем совпадений 22, 23 направляют на входы суммирующей схемы (логическое "ИЛИ") 26 (Рис. 1). Выходные сигналы суммирующей схемы 26, полученные от двух УЗВ или одной из них, направляют на вход интегратора 27 (Рис. 2). В интеграторе 27 осуществляют накопление сигнала до заданного (порогового) уровня 49 (Рис. 2). Пороговый уровень 49 устанавливают в измерительном каскаде 28, который вырабатывает импульс сигнализации 50 (Рис. 2) при достижении или превышении сигналом интегратора 27 установленного порога 49.

Предложенное изобретение является новым, так как неизвестно из предшествующего уровня техники, относящейся к определению уровня жидкости в резервуарах и использует неизвестное устройство, которое содержит: два идентичных акустических преобразователя, устанавливаемых на внешней поверхности резервуара; последовательно соединенные синхронизатор, возбудитель, усилитель мощности (первый акустический преобразователь); последовательно соединенные первый блок задержки, первый формирователь стробимпульса, первый селекторный каскад, первый пиковый детектор, интегрирующий каскад, первую схему совпадений, суммирующую схему интегратор, измерительный каскад; последовательно соединенные второй блок задержки, второй формирователь стробимпульса, второй селекторный каскад, второй пиковый детектор, вторую схему совпадений; последовательно соединенные второй акустический преобразователь, согласующее устройство, приемный усилитель; последовательно соединенные третий блок задержки, третий формирователь стробимпульса.

Предложенное изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно использует неизвестное устройство, повышающее надежность и точность контроля уровня в промышленных резервуарах, которое реализует два ультразвуковых метода контроля - демпфирования нормальных волн в стенке жидкостью в зоне установки акустических преобразователей и прозвучивания продольными волнами через стенки и контролируемую жидкость.

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

Литература 1. А.с. СССР 599203 опубл. 25.03.78 МКИ G 01 F 23/28 2. "Ultrasonics" 1966 г. том. 4, апрель, стр. 96и

Формула изобретения

Устройство для контроля уровня жидких сред в резервуарах, содержащее два идентичных акустических преобразователя, устанавливаемых на внешней поверхности резервуара на фиксированном расстоянии навстречу друг другу, последовательно соединенные возбудитель и усилитель мощности, подключенный выходом к первому акустическому преобразователю, последовательно соединенные приемный усилитель, селекторный каскад, пиковый детектор (первый вход), последовательно соединенные синхронизатор, блок задержки, формирователь стробимпульса, подключенные - синхронизатор ко входу возбудителя, а формирователь стробимпульса к первому входу селекторного каскада, включенного между приемным усилителем и пиковым детектором, измерительный каскад, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит последовательно соединенные второй блок задержки, второй формирователь стробимпульса, второй селекторный каскад (первый вход), второй пиковый детектор (первый вход), вторую схему совпадений (первый вход), суммирующую схему (второй вход), интегратор, выходом подключенный на вход измерительного каскада, последовательно соединенные инвертирующий каскад и первую схему совпадений (первый вход), подключенные - инвертирующий каскад к выходу первого пикового детектора, а первая схема совпадений к первому входу суммирующей схемы, последовательно соединенные третий блок задержки и третий формирователь стробимпульса, подключенные - входом третьего блока задержки на параллельно соединенные входы первого и второго блоков задержки, вторыми входами первого и второго пиковых детекторов на выход синхронизатора, а выходом третьего формирователя стробимпульса на параллельно соединенные вторые входы первой и второй схем совпадений, согласующее устройство, включенное между вторым акустическим преобразователем и приемным усилителем, вход которого подключен на вторые входы селекторных каскадов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2