СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ТРУБОПРОВОДЕ
METHOD OF DETERMINING LEVEL OF LIQUID IN HORIZONTAL METAL PIPE

Изобретение относится к технике контроля наличия и определения уровня жидкости в горизонтальных трубопроводах, в частности металлических, и может быть использовано на атомных электростанциях, тепловых электростанциях и в других отраслях промышленности, обладающих большим количеством трубопроводов различного сечения.
Из патента РФ №2178552 (МПК G01F 23/296, дата публикации 20.01.2002) известен способ определения уровня жидкости в вертикальном металлическом трубопроводе. Способ характеризуется тем, что с помощью акустического излучателя воздействуют на внешнюю поверхность вертикального металлического трубопровода, вызывая звуковую (а конкретнее - ультразвуковую) волну, и регистрируют прохождение продольных ультразвуковых волн первым и вторым приемниками, вырабатывающими электрические сигналы. При этом акустический излучатель следует устанавливать ниже контролируемого уровня жидкости. Первый приемник и акустический излучатель расположены с одной стороны внешней поверхности трубопровода, а второй приемник - с другой стороны внешней поверхности трубопровода. Электрические сигналы первого и второго приемников подают на блок регистрации, состоящей из суммирующего устройства, усилителя, компараторов, источника эталонных напряжений, схемы совпадений, промежуточного запоминающего устройства и информационно-регистрирующего устройства.
Недостатками данного способа являются:
- невозможность определения уровня жидкости в горизонтальном трубопроводе;
- низкая точность и надежность определения из-за отсутствия учета состояния поверхностей металлических трубопроводов, отражающие свойства которых минимальны, а также из-за того, что регистрируют только продольные волны;
- необходимость расположения акустического излучателя ниже контролируемого уровня жидкости, в то время как определение уровня жидкости является назначением данного способа;
- необходимость многократного переноса приемников по высоте трубопровода;
- сложная для настройки электрическая схема;
- отсутствие мобильности, поскольку требуется привязка к сети переменного тока в 220 В.
Из патента США №6192751 (МПК G01F 23/296, G01N 29/024, G01N 29/032, G01N 29/50, дата публикации 27.02.2001) известен способ определения уровня жидкости в горизонтальном трубопроводе, взятый в качестве прототипа изобретения. Способ характеризуется тем, что на внешнюю поверхность горизонтального металлического трубопровода воздействуют вертикально установленным излучателем, вызывая звуковую волну, и регистрируют прохождение звуковой волны приемником. Излучатель и приемник расположены на внешней поверхности горизонтального металлического трубопровода, например сверху, и могут быть ориентированы либо горизонтально, либо вертикально. Электрические сигналы, образующиеся в приемнике, подают на блок регистрации, состоящий из сигнального процессора и дисплея. Сигнальный процессор регистрирует наличие жидкости на определенном уровне, и на дисплей выводится величина уровня жидкости в горизонтальном трубопроводе.
Недостатками данного способа являются:
- низкая точность и надежность определения, поскольку, во-первых, одним приемником принимают и продольные и поперечные волны, во-вторых, не учитывают влияние толщины стенок трубопровода на конечный результат;
- низкая достоверность измерений для трубопроводов с проточной жидкостью;
- отсутствие мобильности.
В предлагаемом способе определения уровня жидкости используются акустические свойства металлического трубопровода, заполненного жидкостью, и регистрации с помощью переносного устройства продольной и поперечной звуковых волн, вызванных механическим ударником на поверхности трубопровода.
Сущность изобретения заключается в том, что для осуществления способа на внешнюю поверхность горизонтального металлического трубопровода воздействуют вертикально установленным излучателем, возбуждая звуковую волну, разделяющуюся на продольные и поперечные звуковые волны, регистрируют проходящие через горизонтальный металлический трубопровод продольные и поперечные звуковые волны приемником, подают электрические сигналы с приемника на блок регистрации. Отличительными признаками изобретения является то, что в качестве излучателя используют механический ударник, в качестве приемника используют два пьезодатчика. При этом первый пьезодатчик и механический ударник расположены сверху на внешней поверхности горизонтального металлического трубопровода, а второй пьезодатчик расположен снизу на внешней поверхности горизонтального металлического трубопровода диаметрально противоположно механическому ударнику. Блок регистрации принимает с первого и второго пьезодатчиков электрические сигналы в виде первого и второго переменных напряжений соответственно, преобразовывает их в первое и второе постоянные напряжения соответственно, заряжает конденсаторы хранения до первого и второго заряда соответственно. После подключения одинаковых нагрузочных сопротивлений к конденсаторам хранения блок регистрации вычисляет разность времени разрядов конденсаторов хранения, пропорциональную уровню жидкости горизонтального металлического трубопровода, и преобразует эту разность в цифровой код для индикации на жидкокристаллическом дисплее величины уровня жидкости в горизонтальном металлическом трубопроводе в процентах от максимального уровня жидкости в горизонтальном металлическом трубопроводе. При этом механический ударник может быть выполнен в виде вертикального цилиндра с установленным внутри него цанговым захватом, удерживающим стальной шарик, и с пусковой кнопкой в верхнем основании вертикального цилиндра, через пружину воздействующей на стальной шарик и разжимающей цанговый захват для выталкивания стального шарика и ударения его по горизонтальному металлическому трубопроводу. Первый пьезодатчик и механический ударник устанавливают на расстоянии не более 0,2 м друг от друга. Блок регистрации содержит два амплитудных детектора, модуль вычислителя разности напряжений, дешифратор, жидкокристаллический индикатор и блок питания. Амплитудные детекторы подключены к модулю вычислителя разности напряжений, модуль вычислителя разности напряжений, дешифратор и жидкокристаллический дисплей соединены последовательно. Блок питания подключен к амплитудным детекторам, модулю вычислителя разности напряжений, дешифратору и жидкокристаллическому дисплею.
В результате практического применения способа повышаются точность, надежность и достоверность определения величины уровня жидкости в горизонтальном металлическом трубопроводе (как для стоячей жидкости, так и для проточной). Кроме того, способ осуществляется с помощью устройства в переносном виде, что позволяет определять уровни жидкости на любых удаленных трубопроводах, т.е. делает его мобильным. При этом способ свободен от толщины стенок горизонтального металлического трубопровода, т.е. нет необходимости учитывать упомянутую толщину стенок, т.к. за счет сильного удара возникают мощные звуковые волны. Кроме того, способ не критичен к точности места крепления пьезодатчиков на горизонтальном металлическом трубопроводе.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
фиг.1 - конструкция механического ударника,
фиг.2 - общая функциональная схема устройства для выполнения способа,
фиг.3 - схема модуля вычислителя,
фиг.4 - векторная диаграмма, поясняющая принцип работы блока регистрации.
На фиг.1 представлен механический ударник (1), который состоит из:
- нижней части корпуса (2),
- верхней части корпуса (3),
- цангового захвата (4),
- стального шарика (5),
- пружины сжатия (6),
- пусковой кнопки (7),
- возвратной пружины (8),
- крышки (9).
На фиг.2 представлена общая функциональная схема устройства для выполнения способа, которое состоит из:
- механического ударника (1),
- горизонтального металлического трубопровода (10) (фрагмент),
- первого пьезодатчика (11),
- второго пьезодатчика (12),
- прижимных магнитов (13),
- блока регистрации (14),
- первого амплитудного детектора (15),
- второго амплитудного детектора (16),
- модуля вычислителя разности напряжений (17),
- дешифратора (18),
- жидкокристаллического дисплея (19),
- блока питания (20) на ±15 В.
На фиг.3 представлена схема модуля вычислителя разности напряжений (17), который состоит из:
- схемы «Выборка и хранение» сигнала первого пьезодатчика (21),
- схемы «Выборка и хранение» сигнала второго пьезодатчика (22),
- коммутатора (23),
- первого нагрузочного сопротивления (24),
- второго нагрузочного сопротивления (25),
- ждущего мультивибратора (26),
- генератора тактовой частоты (27),
- компаратора (28),
- сумматора (29),
- схемы пускового импульса (30).
Конструктивно механический ударник (1) состоит из металлического корпуса, состоящего из двух частей. Нижняя часть корпуса (2) выполнена в виде вертикального цилиндра, имеющего на конце сужение, необходимое для удержания стального шарика (5) внутри механического ударника (1) (см. фиг.1). В верхней части корпуса (3) расположен цанговый захват (4) для удержания стального шарика (5) и пружина сжатия (6), работающая на выталкивание стального шарика (5). Верхняя часть корпуса (3) резьбовым соединением соединена с нижней частью корпуса (2). Верхняя часть корпуса (3) через резьбу соединена с пусковым механизмом, который состоит из пусковой кнопки (7), возвратной пружины (8) и крышки (9). При нажатии на пусковую кнопку (7) происходит разжимание цангового захвата (4) и пружина сжатия (6), разжимаясь, выталкивает стальной шарик (5), который, ударяя по металлической поверхности горизонтального трубопровода (10), возбуждает в ней поверхностную звуковую волну. Распространяясь по поверхности трубопровода, звуковая волна разделяется на продольную W1 и поперечную W2 волны, как показано на фиг.2.
Кроме того, на фиг.2 показано, что механический ударник (1) расположен вертикально и установлен сверху на внешней поверхности горизонтального металлического трубопровода (10), уровень жидкости в котором следует определить. Также сверху на внешней поверхности горизонтального металлического трубопровода (10) на расстоянии не более 0,2 м от механического ударника (1) установлен первый пьезодатчик (11). Диаметрально противоположно механическому ударнику (1) (т.е. снизу) на внешней поверхности горизонтального металлического трубопровода (10) расположен второй пьезодатчик (12). Первый и второй пьезодатчики (11, 12) прикреплены к горизонтальному металлическому трубопроводу (10) с помощью прижимных магнитов (13). Электрические сигналы с первого и второго пьезодатчиков (11, 12) поступают в блок регистрации (14), состоящий из первого амплитудного детектора (15), второго амплитудного детектора (16), модуля вычислителя разности напряжений (17), дешифратора (18), жидкокристаллического дисплея (19) и блока питания (20). А именно, электрические сигналы с первого пьезодатчика (11) поступают в первый амплитудный детектор (15), со второго пьезодатчика (12) - во второй амплитудный детектор (16). Первый и второй амплитудные детекторы (15, 16) соединены с модулем вычислителя разности напряжений (17). При этом модуль вычислителя разности напряжений (17), дешифратор (18) и жидкокристаллический дисплей (19) соединены последовательно. Блок питания (20) подключен к первому амплитудному детектору (15), второму амплитудному детектору (16), модулю вычислителя разности напряжений (17), дешифратору (18) и жидкокристаллическому дисплею (19).
На фиг.3 показана схема модуля вычислителя разности напряжений (17).
Схема «Выборка и хранение» сигнала первого пьезодатчика (21) соединена с выходом первого амплитудного детектора (15), а схема «Выборка и хранение» сигнала второго пьезодатчика (22) соединена с выходом второго амплитудного детектора (16). Выходы схемы «Выборка и хранение» сигнала первого пьезодатчика (21) и схемы «Выборка и хранение» сигнала второго пьезодатчика (22) подключены к первому и второму входам коммутатора (23), на третий управляющий вход которого поступает выход ждущего мультивибратора (26). Первый и второй выходы коммутатора (23) подключены через первый и второй нагрузочные сопротивления (24 и 25), выполненные равными, к первому и второму входам компаратора (28). Выход компаратора (28) соединен с первым входом сумматора (29), а выход генератора тактовой частоты (27) соединен со вторым входом сумматора (29). Выход сумматора (29) соединен со входом дешифратора (18). Также в модуль вычислителя разности напряжений (17) входит схема пускового импульса (30), соединенная своим входом с входом первого амплитудного детектора (15) и своим выходом управляющая схемами «Выборка и хранение» (21, 22) и ждущим мультивибратором (26).
Как было сказано выше, горизонтальный металлический трубопровод (10) с жидкостью представляет собой акустическую систему, которая оказывает определенное сопротивление (поглощение) распространению звука. Внутренняя поверхность горизонтального металлического трубопровода (10), соприкасающаяся с жидкостью, оказывает сопротивление проходящим звуковым волнам больше, чем внутренняя поверхность горизонтального металлического трубопровода (10), не соприкасающаяся с жидкостью. Поэтому при уровне жидкости в системе, показанной на фиг.2, после удара механическим ударником (1) первый пьезодатчик (11) зарегистрирует сигнал продольной W1 звуковой волны амплитудой большей, чем второй пьезодатчик (12) для поперечной звуковой волны W2.
Следует иметь в виду, что амплитуда и период звуковой волны зависят от твердости металла трубопровода и, в первую очередь, от качества подготовки рабочих мест для механического ударника и пьезодатчиков. Также следует избегать процедуры определения уровня жидкости вблизи сварных швов на горизонтальных металлических трубопроводах, которые в свою очередь также препятствуют распространению звуковых волн.
Способ определения уровня жидкости в горизонтальном металлическом трубопроводе осуществляется следующим образом.
Перед процедурой определения проводится подготовка мест для установки первого и второго пьезодатчиков (11, 12) на горизонтальном металлическом трубопроводе (10) и места для установки механического ударника (1) методом зачистки наждачной бумагой средней зернистости. Место для механического ударника (1) должно быть удалено на расстояние не более 0,2 м от места установки первого пьезодатчика (11). На подготовленные зачищенные места горизонтального металлического трубопровода (10) с помощью прижимных постоянных магнитов (13) сверху устанавливают первый пьезодатчик (11), а снизу, диаметрально противоположно месту установления механического ударника (1), - второй пьезодатчик (12). Затем подводят и устанавливают в вертикальном положении на зачищенное место механический ударник (1), предварительно включив блок регистрации (14). Нажимают на пусковую кнопку (7) механического ударника (1), при этом цанговый захват (4) механического ударника разжимается и пружина сжатия (6) механического ударника (1) выталкивает стальной шарик (5) вниз. Стальной шарик (5) ударяет по поверхности горизонтального металлического трубопровода (10), вызывая звуковую волну. Звуковая волна распространяется по поверхности горизонтального металлического трубопровода (10), разделяясь на продольную W1 и поперечную W2 звуковые волны. Эти волны распространяются не только по металлу горизонтального трубопровода, но и проникают внутрь данного трубопровода (10). Как пример, на фиг.2 показан фрагмент горизонтального металлического трубопровода (10), не полностью заполненного проточной жидкостью. Продольная звуковая волна W1, как видно из фиг.2, поступает на первый пьезодатчик (11) без ощутимых потерь, а поперечная звуковая волна W2 достигнет второго пьезодатчика (12) с потерей своей мощности из-за акустического сопротивления системы, т.к. жидкость является хорошим поглотителем (демпфером) звука. В результате того что стальной шарик ударяет по горизонтальному металлическому трубопроводу с постоянной силой в любом опыте, повышается точность определений.
Электрический сигнал, вырабатываемый первым пьезодатчиком (11), а именно первое переменное напряжение ~U1, имеет переменный и затухающий по времени вид, как показано на фиг.4а. Электрический сигнал второго пьезодатчика (12), а именно второе переменное напряжение ~U2, имеет тот же колебательный и затухающий характер, только меньшей амплитуды из-за демпфирования системы (сопротивления жидкости), как показано на фиг.4б, т.е. ~U1>~U2. Оба переменных напряжения ~U1 и ~U2 с первого (11) и второго (12) пьезодатчиков поступают, соответственно, на первый (15) и второй (16) амплитудные детекторы блока регистрации (14), которые преобразовывают их в первое и второе постоянные напряжения +U1 и +U2 соответственно, как показано на фиг.4в и 4г. Поскольку ~U1>~U2, то и +U1>+U2. Далее первое и второе постоянные напряжения +U1 и +U2 первого и второго пьезодатчиков (11, 12) поступают на соответствующие схемы «Выборка и хранение» (21, 22) и заряжают их внутренние конденсаторы хранения до зарядов Q1 и Q2 соответственно (см. фиг.4д, 4е) по разрешающему пусковому импульсу от схемы (30) (см. фиг.4ж). По переднему положительному фронту пускового импульса (фиг.4ж) запускается ждущий мультивибратор (26), который вырабатывает отрицательный импульс длительностью около 3 сек (фиг.4з). Положительный задний фронт этого импульса включает коммутатор (23). В результате этого включения заряды Q1 и Q2 схем «Выборка и хранение» передаются на, соответственно, первый и второй нагрузочные сопротивления (24 и 25), на которых эти заряды разряжаются на входные цепи компаратора (28) (фиг.4д, е). Компаратор (28) открывается напряжением +U2, соответствующим нулевому заряду Q2 второго пьезодатчика (12), а закрывается от напряжения +U1, соответствующего нулевому заряду Q1 сигнала первого пьезодатчика (11). В результате этого на выходе компаратора получается импульс (фиг.4и).
Разность Δt времени разрядов первого и второго конденсаторов хранения равна:
Δt=tразр.1-tразр.2,
где tразр.1 - время разряда первого конденсатора хранения до нулевого значения Q1, tразр.2 - время разряда второго конденсатора хранения до нулевого значения Q2. Разность времени разрядов Δt пропорциональна уровню жидкости в горизонтальном металлическом трубопроводе.
Затем импульс компаратора (28) (фиг.4и) поступает на первый вход сумматора (29), на второй вход которого поступают импульсы тактовой частоты (фиг.4к). Результатом работы сумматора (29) является выделение импульсов тактовой частоты, пропорциональное разности времени разрядов напряжений первого и второго пьезодатчиков (11 и 12). С выхода сумматора (27) импульсный сигнал (фиг.4л) поступает на дешифратор (18) (см. фиг.2), в котором последовательность импульсов тактовой частоты преобразуется в цифровой код для трехцифрового семисегментного жидкокристаллического дисплея (19).
Тактовая частота генератора выбирается таким образом, чтобы уровень жидкости в горизонтальном металлическом трубопроводе, пропорциональный разности Δt времени разрядов напряжений пьезодатчиков, выводился жидкокристаллическим дисплеем (20) в процентах. Диапазон тактовой частоты генератора лежит в пределах 10 кГц. Но для точной настройки жидкокристаллического дисплея (19) в модуле вычислителя разности напряжений (17) предусмотрена регулировка тактовой частоты генератора (27), который работает постоянно. При измерении уровня полностью наполненного жидкостью трубопровода любого диаметра необходимо иметь 100 импульсов тактовой частоты, чтобы результат измерения был 100%. Для пустого трубопровода допускается прохождение не более 1-2 импульсов тактовой частоты.
Питание первого амплитудного детектора (15), второго амплитудного детектора (16), модуля вычислителя (17), дешифратора (18) и жидкокристаллического дисплея (19) осуществляет блок питания (20).
Для случая когда направление жидкости в горизонтальном металлическом трубопроводе неизвестно, определение уровня жидкости осуществляется возбуждением звуковой волны слева и справа от закрепленных пьезодатчиков. Наибольший результат при таком определении покажет направление жидкости в горизонтальном металлическом трубопроводе, и этот результат принимается за основной. Такое свойство определителя уровня добавляет удобство для его пользователя.
Калибровка переносного устройства для определения уровня жидкости является важной процедурой для его правильной и надежной работы. Калибровка проводится сначала на пустых горизонтальных металлических трубопроводах различного сечения с регулировкой и выводом на жидкокристаллический дисплей результата в 0%. Затем переносное устройство калибруют на заполненных жидкостью горизонтальных металлических трубопроводах с помощью регулирования тактовой частоты и выводом результата регистрации в 100% на жидкокристаллический дисплей. Процедуру калибровки можно повторить, что позволит осуществлять регистрацию уровня жидкости более уверенно.
В настоящее время проведены успешные лабораторные испытания способа и устройства определения уровня жидкости в горизонтальных металлических трубопроводах сечением 80 мм и 200 мм теплоцентрали, а также готовятся опытные испытания на атомной электростанции.