Ультразвуковой акустоимпедансный измеритель уровня жидкости
ULTRASOUND ACOUSTOIMPEDANCE LIQUID LEVEL METER

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения уровня жидкой среды в различных технологических установках эксплуатирующихся, как в нормальных условиях, так и при повышенных температуре и давлении.
Устройство может применяться в химических и нефтехимических производствах, в энергетической, топливной и других отраслях хозяйственной деятельности.
Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее волновод, закрепленный на его конце электроакустический преобразователь, подключенный к нему генератор импульсов, последовательно соединенные усилитель, пиковые детекторы и вычислитель [1].
Недостатком известного устройства является низкая точность измерений. Практически оно может использоваться лишь для грубой оценки уровня жидкости.
Наиболее близким по совокупности признаков и достигаемому техническому результату к заявляемому устройству является акустоимпедансный ультразвуковой волноводный уровнемер жидкости, содержащий вертикально ориентированный волноводный чувствительный элемент, волновод связи и электроакустический преобразователь, подключенный к электрической схеме, содержащей генератор импульсов, усилитель, вычислитель и индикатор [2]. Вычислитель осуществляет временную селекцию импульсов, отраженных от кончиков чувствительного элемента, измерение их амплитуды, вычисление логарифма отношения измеренных амплитуд, нормировку и выработку выходного сигнала прибора, пропорционального контролируемому уровню.
Недостатком данного технического решения является низкая точность измерений, обусловленная зависимостью затухания ультразвуковых волн в чувствительном элементе от физических свойств контролируемой жидкости, в которую он погружен.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение погрешности измерения уровня жидкости при изменении ее физических свойств, например, при нагреве (охлаждении) или смене давления. Таких как плотность и скорость звука в контролируемой жидкости.
Акустоимпедансный ультразвуковой волноводный уровнемер жидкости, содержащий вертикально ориентированный волноводный чувствительный элемент, волновод связи и электроакустический преобразователь, подключенный к электрической схеме, содержащей генератор импульсов, усилитель, микропроцессор и индикатор, дополнительно включает последовательно соединенные второй чувствительный элемент, выполненный в виде кольца, второй волновод связи, второй электроакустический преобразователь, а также вторые усилитель и генератор импульсов, подключенные к микропроцессору, при этом второй чувствительный элемент размещен в нижней части вертикально ориентированного волноводного чувствительного элемента.
Технический результат, достигаемый в данном изобретении, заключается во введении в состав устройства дополнительного (второго) чувствительного элемента, который всегда должен находиться под уровнем жидкости для измерения акустического волнового сопротивления контролируемой жидкости. Полученные данные используются для коррекции результатов измерения уровня, полученные в основном канале измерений.
Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию «новизна».
Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и, таким образом, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».
На чертеже (фиг. 1) представлена конструкция уровнемера.
Устройство состоит из волноводного вертикально ориентированного чувствительного элемента 1, соединенного через согласующий узел 2 и волновод связи 3 с электроакустическим преобразователем 4. Согласующий узел 2 прикреплен к корпусу 5. Чувствительный элемент 1 поддерживается дистанционирующими элементами 6. Преобразователь 4 подключен к выходу генератора 7 и входу усилителя 8. Выход усилителя 8 подключен к микропроцессору 9, который осуществляет обработку принятых сигналов, вырабатывает выходной сигнал, отражаемый на подключенном к нему индикаторе 10, а также управляет работой генератора 7.
Второй чувствительный элемент 11 выполнен в виде кольца и размещен в подвеске 12, соединенной с корпусом 5 при помощи соединительной трубки 15. Второй чувствительный элемент 11 соединен со вторым электроакустическим преобразователем 13 вторым волноводом связи 14, размещенном в соединительной трубке 15. Преобразователь 13 подключен к выходу второго генератора 16 и входу усилителя 17. Выход усилителя 17 подключен к микропроцессору 9.
Работает устройство следующим образом. Микропроцессор 9 запускает генератор 7, который генерирует видеоимпульс 18 (Фиг. 2,а). При помощи электроакустического преобразователя 4 видеоимпульс преобразуется в ультразвуковой импульс, который по волноводу связи 3 через согласующий узел 2 достигает чувствительного элемента 1. При этом акустический импульс частично отражается вначале от согласующего узла 2, а потом от нижнего конца чувствительного элемента 1. Затем оба импульса возвращаются к преобразователю 4 и от него поступают на вход усилителя 8 в виде электрических радиоимпульсов 19 и 20 (Фиг. 2,а), далее с выхода усилителя 8 на первый вход микропроцессора 9.
В процессе обработки сигнала в те моменты времени, когда ожидается прием радиоимпульсов 19 и 20 микропроцессор 9 генерирует два строб - сигнала (временных окна) 21 и 22 (Фиг. 2,а). Затем определяет амплитуду принятых радиоимпульсов 19 и 20 как А1 и А2 (Фиг. 2,б) и находит логарифм их отношения - ln(А1/А2).
Поясним вышеизложенное следующими рассуждениями. При погружении чувствительного элемента в жидкость изменение амплитуды акустической волны, вследствие демпфирования, определяется формулой:
где δ - постоянная затухания;
- длина чувствительного элемента, погруженная в жидкость (уровень жидкости); Постоянная затухания:
где к - константа, зависящая от диаметра и материала волновода и частоты ультразвука;
ρ с - акустическое волновое сопротивление жидкости;
ρ и с - плотность и скорость звука в жидкости, соответственно.
Отсюда следует, что уровень жидкости определяется соотношением:
0
1
где а и a - константы, зависящие от индивидуального исполнения прибора, определяемые при калибровке.
Таким образом, измеренное значение уровня жидкости зависит от ρс - акустического волнового сопротивления жидкости.
На следующем этапе микропроцессор 9 запускает генератор 16, генерирующий видеоимпульс 23 (Фиг. 2,б), который вторым электроакустическим преобразователем 13 преобразуется в ультразвуковой импульс, распространяющийся по второму волноводу связи 14 до второго чувствительного элемента 11. Часть акустического импульса отражается от места соединения волновода связи 14 с чувствительным элементом 11. Другая часть пробегает по кольцу чувствительного элемента 11 и возвращается к месту его соединения с волноводом связи 14. Далее оба импульса по волноводу связи 14 возвращаются к преобразователю 13, а затем в виде электрических радиоимпульсов 24 и 25 (Фиг. 2,б) поступают на вход усилителя 17 и с его выхода на второй вход микропроцессора 9.
В те моменты времени, когда ожидается прием радиоимпульсов 24 и 25 (Фиг. 2,б) микропроцессор 9 генерирует два строб - сигнала (временных окна) 26 и 27 (Фиг. 2,б). Затем определяет амплитуду принятых радиоимпульсов 24 и 25. как A3 и А4 (Фиг. 2,б) и находит логарифм их отношения - ln(А3/А4). Акустическое волновое сопротивление жидкости - ρс определяется согласно соотношению:
2
3
где а и а - константы, зависящие от индивидуального исполнения прибора, определяемые при калибровке
d - диаметр кольцевого чувствительного элемента 8.
После того, как волновое сопротивление контролируемой жидкости определено, его значение учитывается микропроцессором при вычислении уровня по формуле (3). Далее процесс повторяется с заданной периодичностью. Определенная таким образом величина уровня контролируемой жидкости отражается на индикаторе 10 стандартизованном виде, например, как токовый сигнал в диапазоне 4-20 мА.
Нами были изготовлены и испытаны опытные образцы акустоимпедансного измерителя уровня жидкости.
Корпус уровнемера изготовлен из трубы диаметром 30 мм с толщиной стенки 2 мм. Чувствительный элемент и волноводы связи изготовлены из проволоки диаметром 1 мм. Кольцевой чувствительный элемент выполнен в виде проточки на трубке диаметром 20×2 мм, имеет ширину 2 мм и глубину 1 мм. Общая длина погружной части уровнемера около 1 м. Материалы - сталь марки 12Х18Н10Т.
Электроакустические преобразователи изготовлены на основе пьезо-керамики ЦТС-19. Рабочая частота ультразвука около 700 кГц. Частота посылки акустических импульсов 1 кГц.
В электрической схеме обработки ультразвуковых сигналов были применены типовые микросхемы и микропроцессор производства компании Atmel.
Прибор был испытан в различных жидкостях: воде, бензине, керосине, ацетоне и других в температурном диапазоне от 0 до +30°С. При этом показана устойчивая и надежная работа уровнемера без перенастройки прибора. Погрешность измерений не превышала 1%.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №1116382, приоритет от 19.07.1982.
2. Авторское свидетельство СССР №1525473, приоритет от 04.06.1986.