Акустоимпедансный ультразвуковой сигнализатор уровня жидкости
ACOUSTIC IMPEDANCE ULTRASONIC LIQUID LEVEL INDICATOR

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения уровня жидкости в различных, в том числе и в агрессивных средах, при эксплуатации, как в нормальных условиях, так и при повышенных температуре и давлении. Оно может применяться в химических и нефтехимических производствах, в энергетической, топливной и других отраслях хозяйственной деятельности.
Принцип работы известных устройств основан на излучении акустических волн, их приеме, усилении, преобразовании и измерении. Известные конструкции ультразвуковых сигнализаторов уровня жидкости (СУ) включают генератор импульсов, акустические излучатель и приемник, подключенные к электрической схеме, содержащей усилитель, преобразователь и измеритель сигналов, прошедших через контролируемую среду. Примером такого технического решения является ультразвуковой сигнализатор уровня жидкости, описанный в авторском свидетельстве СССР №570781 (1973 г) [1]. Современный вариант устройства: ультразвуковой сигнализатор уровня "Echotel 961/962" [2] производства компании "Magnetrol".
Существенным недостатком таких устройств является то, что акустические излучатель и приемник, изготовленные из пьезокерамики, погружены в контролируемую среду, вследствие чего возникают проблемы при работе в средах при высокой температуре. Это связано с тем, что теплостойкость керамики ограничена «точкой Кюри» (для распространенной пьезокерамики типа ЦТС - не более 350С°). Кроме этого, весьма сложно подобрать конструкционные материалы для крепления пьезоэлементов и организации их электрических выводов в датчике при необходимости работать в широком температурном диапазоне (-200 - +400С°) и высоком давлении (20 МПа). Большинство известных материалов при высокой температуре быстро деградируют.
Перечисленные недостатки отсутствуют у сигнализаторов, использующие металлические волноводы для передачи ультразвуковых сигналов к месту контроля среды, в частности, сигнализатор, описанный в заявке на полезную модель №15132 от 09.02.2000 [3]. Указанный акустоимпедансный сигнализатор жидкости включает цилиндрический трубчатый корпус, с встроенным в его стенку кольцевым чувствительным элементом, акустический волновод, размещенный внутри корпуса и присоединенный первым концом к чувствительному элементу, а вторым - к пьезопреобразователю, а также электронную схему для генерации, приема и обработки акустических сигналов. При этом кольцевой чувствительный элемент представляет собой часть корпуса в пространстве между расположенными в плоскостях поперечного сечения корпуса двумя кольцевыми проточными канавками.
При погружении чувствительного элемента в контролируемую жидкую среду ультразвуковая волна в нем демпфируется этой средой за счет излучения части энергии в жидкость, что и фиксируется электронной схемой по затуханию ультразвукового импульса, прошедшего по чувствительному элементу.
Несмотря на удовлетворительные эксплуатационные характеристики, известный сигнализатор имеет ряд недостатков, главный из которых это нарушение работы прибора с длинным акустическим волноводом при его существенном нагревании или охлаждении. Это связано с тем, что скорость ультразвуковой волны меняется при изменении температуры волновода. В частности, в волноводе из нержавеющей стали (12Х18Н10Т) при нагреве на 500°С скорость звука уменьшается примерно на 10%. Поэтому принимаемый полезный сигнал в волноводе приходит позже, чем ожидается, в результате настройка прибора нарушается, и он перестает работать. Другой недостаток устройства обусловлен сложностью конструкции кольцевого чувствительного элемента, сформированного двумя узкими канавками внутри трубы, точное изготовление которых достаточно трудоемко. Кроме того, при использовании сигнализатора для контроля уровня вязких и застывающих сред возникает проблема увеличения времени стекания жидкости с чувствительного элемента или даже застывания продукта на поверхности датчика.
Перед разработчиком стоит задача повышения надежности работы сигнализатора с длинным волноводом при эксплуатации в широком температурном диапазоне и высоком давлении, упрощение и повышение прочности конструкции устройства, а также возможности использования прибора для контроля вязких сред.
Поставленная задача решается, благодаря акустоимпедансному ультразвуковому сигнализатору уровня жидкости, чувствительный элемент которого содержит цилиндрический трубчатый корпус с встроенным в его стенку кольцевым чувствительным элементом, являющийся частью корпуса, акустический волновод, размещенный внутри корпуса и присоединенный первым концом к чувствительному элементу, а вторым - к пьезопреобразователю, а также электронную схему для генерации, приема и обработки акустических сигналов. При этом чувствительный элемент образован одиночой кольцевой канавкой на внутренней стенке трубчатого корпуса шириной от 1 мм до 4 мм и толщиной стенки более 0,8 мм, а диаметр волновода выбирается в диапазоне от 0,5 мм до 2 мм. Пьезопреобразователь выполнен в виде конуса, присоединенного вершиной к волноводу и прикрепленного к его плоской стороне пьезоэлементом в виде диска, при этом диаметр пьезоэлемента находится в пределах от 2 мм до 4 мм. Электронная схема содержит генератор импульсов, два компаратора уровня напряжения, два формирователя задержанных строб-импульсов, задатчик уровня и триггер. При этом пьезопреобразователь подключен к выходу генератора импульсов и к первым входам компараторов. Вторые входы компараторов подключены к задатчику уровня. Выход генератора также подключен к управляющему входу первого компаратора через первый формирователь задержанных строб-импульсов. А выход первого компаратора подключен к управляющему входу второго компаратора через второй формирователь задержанных строб-импульсов. Выход второго компаратора подключен к триггеру. Кроме того, сигнализатор может оснащаться нагревательным элементом, помещенным внутрь корпуса в непосредственной близости от чувствительного элемента.
Отличительные признаки заявляемого устройства в совокупности с известными обеспечивают решение поставленной задачи - повышение надежности работы сигнализатора при эксплуатации в широком температурном диапазоне и высоком давлении, упрощение и повышение прочности конструкции устройства, а также возможность использования прибора для контроля вязких сред. Конструкция чувствительного элемента становится более простой по сравнению с известной и более технологичной, а электронная схема обеспечивает автоматическую подстройку приема зондирующих импульсов при изменении времени их распространения по волноводу, обусловленному вариацией температуры контролируемой среды. Подогрев чувствительного элемента уменьшает вероятность застывания на его поверхности вязкого продукта.
Конструкция акустоимпедансного ультразвукового сигнализатора жидкости поясняется рисунком фиг. 1. Он включает корпус 1, с размещенным в нем акустическим волноводом 2. Верхний кончик волновода 2 присоединен к пьезопреобразователю, выполненному в виде конуса 3 с закрепленным к его верхней плоскости дисковым пьезоэлементом 4. В нижней части корпуса изнутри выполнена канавка, образующая кольцевой чувствительный элемент 5, к которому прикреплен нижний кончик волновода 2. Корпус загерметизирован донышком 6.
Внутри корпуса в непосредственной близости от чувствительного элемента 5 размещен нагревательный элемент 7.
Конструкция пьезопреобразователя выбрана из условия преобразования значительной части электрического импульса генератора в продольную волну нулевого порядка в стержневом волноводе. При этом центральная частота импульса в данной конструкции определяется диаметром пьезоэлемента и находится в диапазоне 600 - 1000 кГц в выбранном нами интервале диаметров пьезоэлементов 2-4 мм. Этот диапазон частот также хорошо согласуется с диаметром волновод.
Диаметр волновода в диапазоне 0,5-2 мм выбирается из следующих условий. Минимальное значение 0,5 мм ограничено, во-первых, технологическими возможностями крепления волновода к преобразователю и к чувствительному элементу (возникают существенные потери энергии передаваемых ультразвуковых импульсов из-за несогласованности волновых сопротивлений), во-вторых, влиянием контакта волновода со стенками корпуса (возникают паразитные отражения сигнала). Максимальное значение ограничено тем, что с увеличением диаметра волновода увеличивается дисперсия передаваемых импульсных сигналов, что приводит увеличению длительности (расплыванию) принимаемых импульсов.
Ширина канавки, образующей чувствительный элемент, в пределах 1-4 мм обусловлено тем, что нами экспериментально показано именно в этом диапазоне размеров обеспечивается преобразование значительной части продольной волны в волноводе в изгибные волны в чувствительном элементе. Отметим, что минимальное значение - 1 мм определяется сложностью изготовления узкой канавки и крепления в ней волновода. Максимальное значение - 4 мм определяется также тем, что уменьшается прочность корпуса при повышении давления контролируемой среды.
Толщина стенки чувствительного элемента не должна быть меньше 0,8 мм, поскольку условием работоспособности сигнализатора является превышение скорости изгибной волны в чувствительном элементе скорости ультразвука в контролируемой среде. Только в этом случае акустическая энергия излучается в жидкость, вследствие чего и происходит фиксируемое нами затухание ультразвуковых импульсов. А особенностью изгибных волн нулевого порядка, которые используются в данной конструкции, является уменьшение скорости их распространения при уменьшении толщины волновода. Например, для контроля уровня воды (скорость звука в воде 1500 м/с) групповая скорость изгибной волны в чувствительном элементе должна быть больше 1500 м/с [4].
Работает сигнализатор следующим образом. Электрический импульс с выхода генератора 8 через резистор 9 подается на обкладки пьезоэлемента 4. В согласующем конусе 3 формируется ультразвуковой импульс продольных волн нулевого порядка, который по волноводу 2 поступает к чувствительному элементу 5. В месте присоединения волновода 2 к чувствительному элементу 5 первая часть энергии импульса продольной волны отражается обратно, а вторая часть преобразуется в две изгибные волны, которые распространяются по кольцу чувствительного элемента 5 навстречу друг другу (по и против часовой стрелки). Пробежавшие по кольцу импульсы возвращаются в точку присоединения волновода, где происходит обратное преобразование изгибных волн в импульс продольной волны. Далее по волноводу 2 оба указанных импульса продольных волн последовательно возвращаются к пьезоэлементу 4, где преобразуются в электрические и поступают на входы первого 10 и второго 11 компараторов напряжения. Причем задержка между этими двумя импульсами определяется временем пробега изгибных волн по кольцевому чувствительному элементу. Уровень срабатывания компараторов (уровень дискриминации) задается задатчиком напряжения 12.
Время распространения импульсов определяется скоростью звука в волноводе и его длиной ожидаемая задержка их прихода (и ее вариации при изменении температуры) известны. Исходя из этого задается время задержки и длительность задержанного строб-импульса формирователя 13 (фиг. 2). При этом длительность самого импульса выбирается такой, чтобы первая продольная волна всегда приходила в данный временной интервал независимо от вариации скорости звука в волноводе.
В результате срабатывание первого компаратора 10 происходит в интервале временем ожидаемого прихода (длительностью) Отметим также, что амплитуда первого импульса, являющегося продуктом отражения части энергии от места присоединения волновода к чувствительному элементу, не зависит от наличия или отсутствия контролируемой жидкости вокруг чувствительного элемента. Поэтому первый компаратор 10 всегда срабатывает в момент прихода первой волны. Сигнал с выхода компаратора 10 запускает работу второго формирователя задержанных строб-импульсов 14, который активирует работу второго компаратора 11. Компаратор 11 находится в режиме ожидания прихода второй продольной волны, он срабатывает, если амплитуда волны выше заданного уровня дискриминации или не срабатывает, если она отсутствует.
Таким образом, когда чувствительный элемент находится в газовой среде (не погружен в жидкость), изгибные волны не демпфируются, поскольку нет излучения звука в среду, и амплитуда принимаемых компаратором 11 импульсов велика. Компаратор фиксирует превышение амплитуды принимаемых импульсов заданного уровня дискриминации и выдает сигнал на вход триггера 15, который формирует сигнал на выходе прибора об отсутствии жидкости на чувствительном элементе. Если же чувствительный элемент сигнализатора погружен в жидкость то, амплитуда изгибных волн значительно уменьшается, компаратор 11 фиксирует снижение амплитуды принимаемых импульсов ниже уровня дискриминации, срабатывание триггера прекращается и таким образом выдается сигнал о наличии жидкости.
Для расширения диапазона применения прибора в застывающих средах типа мазут, вакуумный гайзоль чувствительный элемент может оснащаться встроенным обогревателем 7. Благодаря этому происходит снижение вязкости контролируемого продукта и его ускоренное стекание с поверхности датчика.
Предлагаемое устройство было изготовлено и испытано. В нем использовался трубчатый корпус длиной 400 мм, изготовленный из стали 12Х18Н10Т, диаметром 20 мм с толщиной стенки 2 мм. Чувствительный элемент выполнен в виде кольцевой канавки на внутренней поверхности корпуса шириной 2 мм и глубиной 1 мм. Волновод изготовлен из стальной проволоки диаметром 0,8 мм длиной 400 мм. Акустический преобразователь изготовлен на основе пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 3 мм. Рабочая частота ультразвука - 700 кгц. Частота электрических импульсов генератора 1 кгц. Электрическая схема изготовлена с использованием типовых микросхем.
У3-сигнализатор был испытан в различных жидкостях: в воде, нефтепродуктах, растворителях, химических реагентах, сжиженных газах, в температурном диапазоне -200 - +400° С, при давлении среды до 20, 0 МПа.
Показана устойчивая и надежная работа сигнализатора во всех опробованных средах.
Источники информации:
1. Описание к авторскому свидетельству СССР №570781, опубл. 30.08.1977.
2. http://literature.magnetrol.com/8/51-136.pdf.
3. Описание к полезной модели РФ №15132, опубл. 09.02.2000.
4. Мельников В.И., Дробков В.П., Контелев В.В. Акустические методы диагностики газожидкостных потоков. М.: Энергоатомиздат, 2006. 351 с.