УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК УРОВНЯ РАЗДЕЛА СРЕД

Полезная модель относится к приборостроению, а именно к устройствам контроля уровня раздела сред в технологических емкостях, а также к области автоматизации производственных процессов в различных отраслях, в том числе в радиохимических производствах.
В технологических переделах радиохимического производства требуется контроль таких параметров, как сигнализация заданного уровня раздела сред: жидкость-воздух, несмешивающихся жидкость-жидкость (водная-органическая фазы) в экстракционных аппаратах, концентрация суспензий, предельный уровень осадков процессах осаждения и др. Для измерения этих параметров по физической сути пригоден ультразвуковой метод.
Однако, для его применения требуется адаптация конструкции датчика к условиям технологического объекта, а для радиохимического производства - обеспечение возможности вертикального дистанционного монтажа/демонтажа датчика в аппараты через перекрытие радиационной зоны каньона, также часто требуются малые габариты датчика или необходимость размещения его вне аппарата.
В многообразии промышленных ультразвуковых (УЗ) датчиков для дефектоскопии или технологического контроля сред готовые технические решения, в особенности для специфических условий радиохимического производства, отсутствуют. Некоторые аналоги УЗ приборов такие как в (Бабиков О.И. Ультразвуковые приборы контроля. - Л.: Машиностроение, 1985, с. 16, 17) не отвечают условию малогабаритности и не могут устанавливаться снаружи емкости.
Наиболее близким прототипом является датчик положения уровня (патент RU 2126957, опубл. 1999 г.), содержащий чувствительный элемент (ЧЭ), соединенный с преобразователем штангой, а также узел крепления, чувствительный элемент выполнен из пьезоэлементов возбуждения и контроля, помещенных в корпус обтекаемой формы из изолирующего материала, проводящего звуковые колебания и устойчивого к агрессивным жидкостям, при этом пьезоэлементы возбуждения и контроля механически связаны с корпусом, проводящим звуковые колебания, и электрически соединены через усилитель и полосовой фильтр, образуя контур возбуждения УЗ колебаний. При этом корпус чувствительного элемента предлагается выполнить из изолирующего материала, проводящего звуковые колебания и устойчивого к агрессивным жидкостям, и покрытия с низкими адгезионными свойствами.
Определение положения уровня жидкости основано на различии в способности жидкости и газов поглощать энергию УЗ колебаний, возбуждаемых в контуре возбуждения из двух пьезоэлементов, корпуса и генератора возбуждения колебаний. Пока ЧЭ датчика находится в газовой среде УЗ колебания в его корпусе практически не поглощаются внешней средой. Когда уровень жидкости оказывается выше ЧЭ, сигнал датчика падает.
Недостатками прототипа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные способностью сигнализировать только уровень границы раздела фаз (ГРФ) воздух-жидкость, когда амплитуда УЗ колебаний в его корпусе падает. Данный датчик не может располагаться вне технологической емкости на его внешней поверхности. Ограничены возможности его миниатюризации по проходному диаметру.
Технической проблемой является разработка конструкции малогабаритного ультразвукового датчика и расширение его функциональных возможностей для контроля параметров технологических процессов.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей заявляемого ультразвукового датчика с малогабаритными размерами.
Технический результат достигается ультразвуковым датчиком уровня раздела сред, содержащим чувствительный элемент, размещенный в корпусе и электрически соединенный с преобразователем в узле крепления, причем ЧЭ содержит пьезоэлемент для горизонтального излучения и приема ультразвука, отраженного от стенки контролируемой емкости с измеряемой средой, а корпус датчика выполнен в виде длинномерной трубки малого диаметра с заглушкой снизу, в стенке которой на заданной высоте выполнено глухое отверстие для размещения пьезоэлемента, изолированного от корпуса с помощью демпфера ультразвуковых помех, выполненного из композитного изолирующего материала, заполняющего отверстие, при этом пьезоэлемент снаружи покрыт защитным слоем.
Описание предлагаемой полезной модели поясняется чертежами на фигурах:
фиг. 1 - конструкция заявляемого У3 датчика;
фиг. 2 - вид А глухого отверстия;
и
и
фиг. 3 - параметры УЗ информационного импульса (амплитуда А, и временной интервал Т) датчика;
фиг. 4 - вырез отстойной части смесителя-отстойника, заполненной тяжелой органической и водной фазами с установленным в ней У3 датчиком;
фиг. 5 - зависимость временного интервала между возбуждающим и информационным импульсами от уровня ГРФ на фиг. 4;
фиг. 6 - приемная емкость кристаллизатора с водной рубашкой, заполняемая уплотненными кристаллами ГНУ, с датчиком в рубашке для сигнализации предельного уровня заполнения приемной емкости кристаллами;
фиг. 7 - временная диаграмма аналогового сигнала УЗ датчика, установленного как на фиг. 6, в одном из циклов кристаллизации.
Решение технической проблемы реализуется с помощью конструкции У3 датчика уровня раздела сред, показанной на фиг. 1 и содержащей чувствительный элемент 1, размещенный в корпусе 2 и соединенный электрически с преобразователем 3 в узле крепления 4, чувствительный элемент 1 содержит пьезоэлемент 5 для горизонтального излучения и приема УЗ сигнала, отраженного от стенки контролируемой емкости с измеряемой средой, а корпус 1 датчика 11 выполнен в виде длинномерной трубки 6 малого диаметра, с заглушкой 7 снизу, в стенке которой на заданной высоте, выбираемой из условий контроля и конструкции емкости, выполнено глухое отверстие 8 для размещения чувствительного элемента 1 с пьезоэлементом 5, изолированным от корпуса 2 с помощью демпфера 9 УЗ помех, представляющего собой композитный изолирующий материал, например, на основе тиокола, заполняющий отверстие, при этом пьезоэлемент 5 снаружи покрыт защитным слоем 10, например, из эпоксидной смолы. Горизонтальный вид глухого отверстия 8 показан на фиг. 2.
Предлагаемый датчик может использовать как эффект изменения степени поглощения ультразвука при прохождении контролируемой среды, так и эффект изменения скорости ультразвука в зависимости от состава среды.
При изменении степени поглощения отраженного ультразвука в зависимости от состава контролируемой среды информационным сигналом является максимальная амплитуда электрического импульса в электронном блоке, работающем в импульсном режиме, показанная на фиг. 3. При изменении скорости ультразвука от состава контролируемой среды информационным сигналом является временной интервал между возбуждающим электрическим импульсом и электрическим импульсом, соответствующим регистрации отраженного ультразвука в электронном блоке 17, что показано на фиг. 3.
Максимальная амплитуда регистрируемого сигнала или указанный временной интервал могут преобразовываться в пропорциональный аналоговый выходной сигнал датчика.
Использование различных эффектов поведения ультразвука, проходящего в контролируемых средах, расширяет функциональные возможности предлагаемого датчика в контроле различных технологических параметров.
В каждом конкретном случае контроля выбирается наиболее эффективный метод, обеспечивающий наибольшее изменение выходного сигнала от контролируемого параметра.
В качестве примера использования и работы УЗ датчика на фиг. 4 приведена схема датчика 11 для сигнализации положения ГРФ водной и органической фаз в малогабаритном смесителе-отстойнике 12 для одного из экстракционных процессов.
4
6
3
3
В данном случае в экспериментах использовалась органическая фаза с тяжелым разбавителем в виде смеси гексахлорбутадиена (CCl) 70 об.% и экстрагента трибутилфосфата (ТБФ) 30 об.% (плотность смеси 1490 кг/м) и вода (плотность 998 кг/м).
Поскольку органическая фаза является агрессивной средой, то датчик 11 устанавливается в глухом кармане 13 с небольшим зазором 14, который заполнен водой, обеспечивающей хороший и долговечный акустический контакт. Сам карман установлен через штуцер 15 отстойника 12. Плоскость пьезоэлемента 5 при установке датчика должна быть параллельна стенке отстойника 16 и отстоять от нее на расстоянии в пределах 25-100 мм, при частоте УЗ сигнала 2,5 МГц.
Верхняя часть датчика 11 механически соединена с узлом крепления 4. Через него пьезоэлемент 5 связан электрически с электронным блоком 17.
В данном случае пьезоэлемент работает в режиме эхо-сигнала, т.е. излучает и принимает отраженный от стенки отстойника 16 ультразвук. На фиг. 5 приведен график зависимости временного интервала между излучающим и принимаемым импульсами в зависимости ГРФ по отношению к ЧЭ датчика.
При положении ГРФ в области 130-140 мм чувствительный элемент 1 находится в водной фазе и временной интервал между возбуждающим и информационным импульсами минимален (42 мкс).
При положении ГРФ в области 145-155 мм чувствительный элемент 1 находится в органической фазе и временной интервал максимален (55 мкс). При положении ГРФ в области 140-150 мм имеет место переход от одной фазы к другой в области нахождения чувствительного элемента 1. Такой характер зависимости временного интервала от положения ГРФ обусловлен тем, что скорость ультразвука в водной фазе (1490 м/с) больше, чем скорость ультразвука в данной органической фазе (примерно 1000 м/с), как было установлено в ходе опытов.
2
3
2∙
2
Другим примером применения У3 датчика 11 может служить задача сигнализации предельного уровня накопления уплотненных кристаллов гексагидрата нитрата уранила (UO(NO)6HO) (ГНУ) в приемной емкости линейного противоточного кристаллизатора с целью обеспечения его непрерывной работы.
В кристаллизаторе в узле накопления и выгрузки используются две приемные емкости, работающие попеременно по сигналу наполнения каждой из них уплотненными кристаллами и переключения рабочего потока на свободную от кристаллов емкость, заполненную азотно-кислым раствором.
Приемная емкость 18 с установленным датчиком 11 схематично представлена на фиг. 6.
Приемная емкость 18 имеет цилиндрическую форму и окружена нагревательной нагревательной рубашкой 19, в которой находится вода, подогреваемая после заполнения емкости накопившимися уплотненными кристаллами ГНУ для их выгрузки. В нагревательной рубашке 19 установлен датчик 11 так, что его чувствительный элемент 1 с пьезоэлементом 5 находится чуть ниже крышки емкости. Нагревательная рубашка 19 обеспечивает надежный акустический контакт со средой. Пьезоэлемент 5 в импульсном режиме излучает ультразвук и принимает отраженный от противоположной стенки с амплитудой, зависящей от плотности кристаллов в области чуть ниже крышки приемной емкости 18.
Перед началом работы емкость 18 заполняется промывным водным раствором. Затем через патрубок 20 из колонны (на фиг. 6 не показано) подается жидкий раствор с кристаллами ГНУ, образовавшимися в рабочей зоне колонны с объемной концентрацией 5-10%. Кристаллы ГНУ движутся вниз, где накапливаются и уплотняются примерно до 50 об.%, как показано на Фиг. 5.
При почти полном накоплении емкости уплотненными кристаллами ГНУ, когда их уровень достигает чувствительного элемента 1 датчика 11, располагаемого чуть ниже крышки емкости, сигнал, поступающий от пьезоэлемента 5 датчика, резко уменьшается из-за увеличения степени поглощения ультразвука средой с уплотненными кристаллами ГНУ.
Сигнал датчика, поступающий через преобразователь 3 в узле крепления 4 в электронный блок 17, обрабатывается и формируется в управляющие команды для переключения потока кристаллов, образующихся в рабочей зоне колонны, на другую емкость и подготовке заполненной емкости к опорожнению и приведения ее к начальному состоянию.
На фиг. 7 приведена диаграмма выходного аналогового сигнала датчика во времени в ходе заполнения приемной емкости кристаллами ГНУ. Как следует из диаграммы, зона 1 отражает выход кристаллизатора на режим. зона 2 соответствует стабильному режиму работы кристаллизатора, зона 3 - подход уровня уплотненных кристаллов к крышке, где находится ЧЭ элемент датчика, т.е. соответствует практически полному заполнению приемной емкости уплотненными кристаллами ГНУ, при котором происходит резкое понижение УЗ сигнала. При понижении сигнала датчика ниже выбранного опорного сигнала в пределах 5-10% шкалы подается команда на переключение приемной емкости.
Приведенные примеры использования ультразвукового датчика подтверждают его расширенные функциональные возможности для контроля параметров технологических процессов. Изготовленные для испытания и применения малогабаритные датчики имеют достаточно малый поперечный диаметр 8-12 мм.