УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В.И. МЕЛЬНИКОВА
VI MELNIKOV 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, эксплуатирующихся как в нормальных условиях, так и при повышенных температурах 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. Известная конструкция ультразвукового сигнализатора уровня жидкости (СУ) включает генератор импульсов, акустические излучатель и приемник, подключенный к электрической схеме, содержащей усилитель, преобразователь и измеритель сигналов, прошедших через контролируемую среду.
Наиболее близким по совокупности признаков и достигаемому техническому результату к заявляемому устройству является ультразвуковой сигнализатор уровня жидкости, разработанный В.И.Мельниковым [1].
Известный сигнализатор содержит волновод, помещенный в цилиндрический защитный корпус, акустический преобразователь продольных волн, кольцевой чувствительный элемент и электрическую схему. Волновод первым своим концом подключен к акустическому преобразователю, а вторым - к чувствительному элементу. Чувствительный элемент выполнен в виде кольца, образованного кольцевыми проточными канавками по окружности трубки, выполняющей роль корпуса. Акустический преобразователь соединен с электрической схемой.
Электрическая схема состоит из генератора импульсов, усилителя принятых сигналов, компаратора уровня напряжения и формирователя задержанных строб-импульсов. Выход генератора и вход усилителя подключены к акустическому преобразователю, выход усилителя соединен с входом компаратора уровня напряжения, стробирующий вход которого соединен с выходом формирователя задержанных строб-импульсов. Запуск формирователя осуществляется от генератора синхронно с подачей импульсов на акустический преобразователь. Время задержки строб-импульсов относительно импульсов генератора выбрано равным времени прохождения акустических сигналов по волноводу к чувствительному элементу и обратно.
Работает сигнализатор следующим образом. Импульсы с выхода генератора импульсов поступают на акустический преобразователь, где преобразуются в продольные акустические волны и по волноводу достигают чувствительного элемента. В кольцевом чувствительном элементе формируются две изгибные волны, которые распространяются навстречу друг другу и возвращаются в точку излучения - место крепления волновода с кольцом. Здесь происходит обратное преобразование изгибных волн в продольную волну, которая по волноводу возвращается к преобразователю, где превращается в электрический сигнал и после усиления подается на вход компаратора. Одновременно с этим на компаратор с выхода формирователя задержанных строб-импульсов поступает строб-импульс, который включает компаратор на прием импульсов, прошедших с выхода усилителя. Время задержки строб-импульсов определяется временем пробега акустических импульсов от момента излучения до их прихода после прохождения по тракту волновод - чувствительный элемент и обратно.
Компаратор срабатывает при условии, если амплитуда принятого сигнала превышает заданный уровень дискриминации. Это происходит, если чувствительный элемент сигнализатора находится в газовой среде, то есть затухание изгибных волн в нем незначительно. При погружении чувствительного элемента в жидкую среду амплитуда акустической волны, проходящей по нему, значительно уменьшается вследствие излучения и ухода акустической энергии в окружающую жидкость, и срабатывание компаратора прекращается. Выход компаратора подключается к исполнительному реле или световому индикатору состояния среды.
С помощью сигнализатора определяют уровень жидкости в заданной зоне в емкости с контролируемой средой. При этом чувствительный элемент может находиться как непосредственно в контролируемой среде, так и вне ее, выше уровня раздела сред.
Несмотря на удовлетворительные эксплуатационные характеристики, известный сигнализатор имеет ряд недостатков. Во-первых, из-за того, что длина чувствительного элемента ограничена длиной окружности защитной трубки, затухание изгибных волн в жидкости с низким волновым сопротивлением, например в сжиженном газе, незначительно, что приводит к ненадежной работе устройства в этом случае. Во-вторых, для успешной работы устройства из-за особенностей физических закономерностей распространения продольных волн в волноводах их диаметр выбирают не более 1 мм, а это приводит к возникновению технологических трудностей при решении задачи соединения волновода с чувствительным элементом, встроенным в стенку защитной трубки, и крепления волновода внутри этой трубки. В-третьих, диаметр погружной части сигнализатора выбирается исходя из необходимой длины чувствительного элемента (которая равна длине окружности трубки) и поэтому довольно значительна (обычно не менее 16 мм). Это увеличивает габариты погружной части сигнализатора, негативно сказывается на скорости осушения чувствительного элемента при использовании СУ для контроля вязких жидкостей, уменьшая быстродействие устройства, кроме того, увеличивается влияние отложений на поверхности чувствительного элемента.
Перед разработчиком стоит задача повышения надежности работы сигнализатора при эксплуатации в различных жидкостях, упрощение и повышение прочности конструкции устройства.
Поставленная задача решается благодаря ультразвуковому сигнализатору уровня жидкости, содержащему акустический волновод, размещенный в корпусе, и чувствительный элемент, первый кончик волновода соединен с акустическим преобразователем, а второй - с чувствительным элементом, преобразователь подключен к генератору электрических импульсов и компаратору уровня напряжения, при этом генератор электрических импульсов также соединен с управляющим входом компаратора через формирователь задержанных строб-импульсов, отличающемуся тем, что первый кончик волновода изогнут под прямым углом к своей оси, а чувствительный элемент выполнен в виде стержня и присоединен ко второму кончику волновода через узел уплотнения в виде двойного конуса, конус снабжен буртиком, которым герметично соединяется с корпусом, причем с обеих сторон буртика выполнены кольцевые канавки.
Кроме того, на поверхности чувствительного элемента по его длине нанесены одно или более углубления, преимущественно треугольной формы.
Отличительные признаки заявляемого устройства в совокупности с известными обеспечивают решение поставленной задачи - повышение надежности работы устройства в средах с низким волновым сопротивлением, увеличение быстродействия, уменьшение влияния отложений, повышение технологичности и надежности устройства в процессе длительной его эксплуатации. Кроме того, сигнализатор приобретает возможность определять несколько значений уровня среды.
В предлагаемом устройстве изгибание волновода под прямым углом обеспечивает эффективную генерацию в нем изгибной волны за счет преобразования из продольной волны, вырабатываемой акустическим преобразователем на основе пьезоэлемента. При падении продольной волны перпендикулярно оси волновода большая часть ее энергии преобразовывается в энергию изгибной волны.
Благодаря физическим свойствам изгибной волны нулевого порядка ее передача по волноводу сопровождается меньшей дисперсией акустических импульсов при увеличении диаметра волновода и частоты ультразвука, что позволяет существенно увеличить диаметр волновода, по сравнению с продольными волнами. Увеличение диаметра волновода от 0,8 мм до 2-3 мм значительно упрощает технологию присоединения волновода, например, при помощи сварки, увеличивает прочность изделия и процент выхода качественных датчиков.
Узел уплотнения в виде двойного конуса с буртиком, снабженным канавками, обеспечивает эффективную передачу изгибных ультразвуковых волн в чувствительный элемент практически без появления отражения от него. Конус герметизируется в корпусе путем его приваривания по внешней образующей. При этом в процессе сварки канавки не деформируются при расплавлении металла, что позволяет получить стабильные и повторяющиеся свойства узла уплотнения с точки зрения акустики. Кроме того, канавки препятствуют распространению акустической волны за пределы конуса, блокируя перетечку акустической энергии в корпус датчика.
Чувствительный элемент выполняется в виде стержня, причем его диаметр обычно выбирают равным диаметру волновода. Длина чувствительного элемента выбирается исходя из обеспечения надежной работы устройства в средах с низким волновым сопротивлением таким образом, чтобы амплитуда принятого отраженного сигнала при погружении в жидкость уменьшалась бы не менее чем в 8-10 раз. Эта длина определяется величиной постоянной затухания акустической энергии в чувствительном элементе в контролируемой жидкости. Отметим, что изгибная волна более эффективно излучается в жидкость, в отличие от продольной (постоянная затухания изгибной волны на два порядка больше, чем у продольной волны). Поэтому длина чувствительного элемента обычно не превышает 50-60 мм. За счет использования чувствительного элемента малого диаметра вязкая жидкость не задерживается на нем, что увеличивает быстродействие и уменьшает влияние отложений.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает большей технологичностью и надежностью в процессе длительной его эксплуатации.
Сигнализатор для контроля нескольких значений уровня жидкости по высоте формируется за счет удлинения чувствительного элемента до 100 или более миллиметров и формирования на его поверхности не менее одного углубления треугольной формы. Акустические импульсы, распространяясь по чувствительному элементу вниз, частично отражаются вначале от первого углубления, затем второго, третьего и т.д., а затем от кончика чувствительного элемента, в той же последовательности возвращаются обратно и принимаются преобразователем. При наличии жидкости энергия ультразвука в погруженной части чувствительного элемента демпфируется и импульсы, отраженные от кончика чувствительного элемента и углублений, находящихся под уровнем воды, затухают. Импульсы, отраженные от углублений на чувствительном элементе, расположенных выше уровня жидкости, регистрируются электронной частью сигнализатора.
Конструкция сигнализатора поясняется Фиг.1. Сигнализатор состоит из корпуса 1 с размещенным в нем волноводом 2 с преобразователем 3, присоединенным к первому кончику волновода. Второй кончик волновода присоединен через узел уплотнения в виде конуса 4 к чувствительному элементу 5, при этом двойной конус 4 по буртику герметично соединен с корпусом 1. С обеих сторон буртика выполнены кольцевые канавки 10. Электрическая схема состоит из генератора электрических импульсов 6, компаратора 7 уровня напряжения и формирователя задержанных строб-импульсов 8. Выход компаратора подключен к сигнальной лампе 9.
Работает сигнализатор следующим образом. Электрические импульсы с выхода генератора 6 подаются на преобразователь 3, где преобразуются в ультразвуковые импульсы продольных волн. В месте гиба волновода 2 продольные волны преобразуются в изгибные и по волноводу через узел уплотнения 4 поступают к чувствительному элементу 5. Кольцевые канавки 10 на буртике двойного конуса 4 препятствуют перетеканию акустической энергии в корпус сигнализатора. Пройдя по длине чувствительного элемента до его кончика и обратно, ультразвуковые импульсы возвращаются к преобразователю 3 и в виде электрических импульсов поступают на вход компаратора 7 (Фиг.1, полезный сигнал). Одновременно на управляющий вход компаратора поступают строб-импульсы с выхода формирователя задержанных строб-импульсов 8, разрешающие его срабатывание (Фиг.1, строб-сигнал). Использование стробирования предотвращает срабатывание компаратора в любое другое время, например в момент посылки импульса генератором. Когда чувствительный элемент находится в газовой среде (не погружен в жидкость), изгибные волны в чувствительном элементе не ослабляются (поскольку нет омывающей его жидкости, то, следовательно, звук не излучается в среду), и амплитуда принимаемых компаратором 7 импульсов выше уровня дискриминации. Компаратор фиксирует превышение амплитуды принимаемых импульсов заданного уровня дискриминации и выдает сигнал об отсутствии жидкости в контролируемом объеме соответствующим свечением сигнальной лампы 9.
Когда чувствительный элемент 5 погружается в жидкость, ультразвук в чувствительном элементе затухает, компаратор 7 фиксирует снижение амплитуды принимаемых импульсов ниже уровня дискриминации и выдает сигнал о наличии жидкости в контролируемом объеме. Свечение сигнальной лампы 9 изменяется.
Рассмотрим конструкцию сигнализатора для контроля нескольких значений уровня жидкости, например двух (Фиг.2). В нем чувствительный элемент 5 удлиняют, например, до 100 мм, на его поверхности на середине длины с двух сторон наносят углубления, например, треугольной формы 11, а в электронную схему добавляют управляющий микропроцессор 10. При использовании углублений треугольной формы отраженный ультразвуковой импульс практически не искажается по форме, что улучшает повторяемость результатов при тиражировании изделия.
Работает сигнализатор следующим образом. Акустический импульс от преобразователя 3, двигаясь по волноводу 2, достигает чувствительного элемента 5. Перемещаясь по нему вниз, импульс частично отражается вначале от углубления 11, а затем полностью от кончика чувствительного элемента (Фиг.2, полезный сигнал 1, полезный сигнал 2). Далее эти два отраженных импульса возвращаются обратно к преобразователю 3.
Устройство может фиксировать три состояния уровня жидкости. При отсутствии жидкости вокруг чувствительного элемента, затухание ультразвука не происходит и оба отраженных импульса регистрируются электронной схемой. Если часть чувствительного элемента 5 погружается в жидкость, например, на 50 мм, то акустическая энергия в нем гасится за счет демпфирования и импульс, отраженный от кончика чувствительного элемента, затухает. Схема фиксирует наличие жидкости в контролируемом объеме ниже углубления и отсутствие ее выше. Если чувствительный элемент 5 погружается в жидкость полностью, то оба отраженных импульса полностью затухают, что и регистрирует электронная схема.
Микропроцессор 10 синхронизирует работу генератора импульсов 6, управляет временными задержками формирователя задержанных строб-импульсов 8 и компаратора 7, с целью обеспечения регистрации двух отраженных импульсов, приходящих на вход компаратора в различные моменты времени (Фиг.2, строб-импульс 1 и строб-импульс 2). Микропроцессор также регистрирует срабатывания компаратора и в конечном итоге индицирует положение уровня жидкости.
Опытные образцы сигнализатора были изготовлены и испытаны.
В сигнализаторах использовались волноводы длиной от 300 мм и чувствительные элементы длиной 60 мм, изготовленные из проволоки диаметром 2 мм. Использовалась стальная проволока марки 12Х18Н10Т. Акустические преобразователи были изготовлены из пьезокерамики ЦТС-19. Согласующий конус имел диаметр по внешнему буртику 8 мм, ширина канавок 1 мм. Рабочая частота ультразвука - 900 кГц. Частота посылки электрических импульсов генератора 1 кГц.
В электрической схеме были применены типовые микросхемы и микропроцессор производства компании Atmel.
Работа сигнализаторов была проверена в различных жидкостях, в частности в воде, нефтепродуктах, растворителях, химических реагентах, сжиженных газах, в температурном диапазоне от -200 до +400°С, при давлении среды до 20 МПа.
Показана устойчивая и надежная работа устройств во всех опробованных средах.
Источники информации
1. Свидетельство №15132, приоритет от 09.03.2000.
2. Свидетельство РФ №971, опубл. 16.10.95, бюл. №10.