УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ ЧЕРЕЗ НИЖНЮЮ СТЕНКУ ЦИСТЕРНЫ

Изобретение относится к области измерения уровня жидкости, в частности к измерителю уровня звукопрозрачных жидкостей, которые находятся в стационарных и транспортируемых стальных емкостях без их вскрытия.
Большинство известных измерителей уровня жидкости в емкостях являются инвазивными, например: емкостные, резонансные, поплавковые и др.
t
2
Создание неинвазивных ультразвуковых измерителей уровня жидкости сопровождается техническими сложностями, связанными с тем, что коэффициент пропускания по мощности границы твердое тело-жидкость определяется выражением K=4(z1/z2)/((1+z1/z2)), где z1 и z2 - акустические сопротивления жидкости и стальной стенки цистерны z=ρ×c, где ρ - плотность, с - скорость звука. (Лепендин Л.Ф. Акустика: Учеб. Пособие для втузов. Москва: Высшая школа. 1978 г, с.182) [1]. Как известно, акустическое сопротивление стали более чем в 30 раз превышает акустическое сопротивление жидкости, поэтому в прямом и обратном направлении через границу их раздела проходит менее 12% мощности падающей ультразвуковой волны. Вследствие этого амплитуда отраженной от свободной поверхности жидкости ультразвуковой волны мала, что затрудняет ее регистрацию. Эту проблему решают путем повышения мощности зондирующих импульсов, применения малошумящих усилителей в приемнике, повышения приемопередающих характеристик и улучшения согласования ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя со стальной стенкой.
Известен способ ультразвукового измерения уровня жидкости, в частности, в топливных баках самолетов. Ультразвук от преобразователя передается в жидкость через внешнюю нижнюю поверхность стенки бака, отражается от границы жидкость-газ, и ультразвуковое эхо принимается преобразователем. Уровень жидкости определяется на основе времени прихода ультразвукового эха. (US 2009/0019929 А1, МПК 8 G01F 23/296, 22-01-2009) [2]. Ультразвуковой преобразователь выполнен в одном блоке с измерительным электронным устройством и предназначен для измерения в местах свободного доступа. Однако известное устройство нельзя использовать при измерении уровня жидкости в железнодорожных цистернах, которые имеют ограниченное пространство доступа в нижней части.
Известно устройство для определения наличия или отсутствия жидкости за металлической стенкой сосуда на уровне установки ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя. (RU 2178551, МПК 7 G01F 23/296, 20-01-2002) [3]. Для определения уровня жидкости преобразователь устанавливают в разных точках по вертикали и принимают решение о наличии или отсутствии жидкости путем сравнения электрических напряжений, соответствующих обработанному и эталонному электрическим сигналам. Для обеспечения независимости результатов измерений от собственных характеристик ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя и уменьшения влияния параметров контролируемой жидкости и параметров стенки сосуда на достоверность контроля используется демпфирование преобразователя, выбор рабочей частоты, фильтрация и другие способы обработки сигнала. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь плотно, до создания акустического контакта, присоединяют к контролируемой поверхности сосуда и осуществляют прижим через слой вязкой жидкости или полимерную пленку толщиной 0,1-0,2 мм с помощью пружин и струбцин, либо с помощью постоянного магнита. Известное устройство не позволяет оперативно проводить измерение жидкости в железнодорожных цистернах, имеющих большую высоту.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели техническим решением по конструктивному выполнению и назначению является ультразвуковой портативный уровнемер (УУП1-П1), предназначенный для оперативного измерения уровня звукопрозрачных жидкостей, которые находятся в стационарных резервуарах и в железнодорожных цистернах, сквозь однослойную стенку резервуаров и цистерн без их разгерметизации (Ультразвуковой портативный уровнемер УУП1-П1, рекламный проспект, ООО «НДЛТД», Украина, http://www.nd-ltd/com/UUP1/htme) [4], принимаемый за прототип.
Устройство-прототип содержит ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, магнитный фиксатор для установки преобразователя на внешней поверхности нижней стенки стальной цистерны через слой контактной смазки. Преобразователь подключен кабелем к измерительному блоку с вычислителем, имеющему внутренний источник питания. Измеряют время прохождения ультразвуковой волны до границы раздела жидкой и воздушной среды и обратно и по известной формуле определяют пройденное ультразвуковой волной расстояние, соответствующее уровню жидкости в цистерне. Однако конструкция ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя в рекламном описании не раскрыта.
Преобразователь с магнитным фиксатором в различных вариантах исполнения может быть снабжен несъемной или съемной рукояткой. В первом случае несъемную рукоятку необходимо удерживать рукой, чтобы исключить ослабление контакта рабочей поверхности ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с внешней поверхностью стенки цистерны. Во втором случае затруднительно осуществлять снятие и фиксацию рукоятки, что создает неудобства при установке преобразователя на внешней поверхности нижней стенки цистерны. Кроме того, усилие прижима рабочей поверхности ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя к внешней поверхности нижней стенки цистерны зависит от силы притяжения магнитов, толщины лакокрасочного покрытия цистерны и ее шероховатости, что приводит к нестабильности акустического контакта и, следовательно, к снижению точности измерений. В то же время, так как толщина контактной смазки меняется в зависимости от усилия прижима рабочей поверхности ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, амплитуда и частота реверберации (переотражений) ультразвуковой волны в слое контактной смазки будет отличаться от измерения к измерению. При этом наличие тонкого слоя контактной смазки, ограниченного двумя поверхностями с высоким акустическим импедансом, приводит к многократным переотражениям ультразвуковой волны в слое контактной смазки и высокочастотным искажениям формы волны, что увеличивает частоту и амплитуду реверберации, увеличивает искажения формы импульса ультразвуковой волны и приводит к снижению надежности приема и передачи ультразвуковой волны измерительным устройством.
Техническим результатом, настоящей полезной модели, является повышение надежности приема и передачи ультразвуковой волны измерительным устройством за счет исключения зависимости усилия прижима рабочей поверхности ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя к внешней поверхности нижней стенки цистерны от толщины лакокрасочного покрытия и шероховатости поверхности цистерны, а также уменьшения частоты и амплитуды реверберации в контактной смазке.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения уровня жидкости ультразвуковым методом через нижнюю стенку цистерны содержит ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, размещенный в корпусе, снабженном рукояткой, имеющий акустический контакт через слой смазки с наружной поверхностью нижней стенки цистерны с жидкостью, подключенный кабелем к электронному измерительному блоку и магнитный фиксатор, содержащий магниты с магнитопроводами.
Согласно полезной модели, ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь имеет расположенный на рабочей поверхности согласующий слой, выполненный из упругого эластичного материала, магнитный фиксатор расположен между ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем и рукояткой и установлен на поперечной оси, жестко закрепленной в корпусе, с возможностью поворота магнитного фиксатора относительно корпуса с образованием рычага после установки магнитного прижима на цистерну, рукоятка жестко закреплена на противолежащем от ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя конце корпуса.
В частном случае исполнения устройства:
- магнитный фиксатор состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых содержит два магнитопровода, расположеных на поперечной оси, и постоянный магнит между ними, причем один из полюсов магнита обращен к одному магнитопроводу, а второй полюс к другому;
- толщина согласующего слоя составляет λ/4+n λ/2, где λ - длина ультразвуковой волны в материале согласующего слоя, n=0, 1, 2, 3, 4;
- согласующий слой выполнен из полиуретана;
- согласующий слой выполнен из резины;
- согласующий слой выполнен из отвержденного компаунда на основе полиуретана.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для измерения уровня жидкости ультразвуковым методом через нижнюю стенку цистерны.
На фиг.2 приведен схематический чертеж ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, поперечное сечение.
На фиг.3 приведен чертеж устройства для измерения уровня жидкости ультразвуковым методом в цистерне с жидкостью, в аксонометрии.
На фиг.4 приведен схематический чертеж магнитного фиксатора в рабочем положении, где а - вид сбоку, б - сечение АА.
На фиг.5 приведено изображение хода ультразвуковой волны в цистерне с жидкостью.
Устройство для измерения уровня жидкости ультразвуковым методом через нижнюю стенку цистерны (фиг.1, 2, 3) содержит ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 1, имеющий акустический контакт через согласующий слой 2 и слой контактной смазки 3 с наружной поверхностью нижней стенки 4 цистерны с жидкостью 5 и закрепленный внутри корпуса 6. Магнитный фиксатор 7 расположен между ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем 1 и рукояткой 8 и установлен на поперечной оси 9, жестко закрепленной в корпусе 6 с возможностью поворота магнитного фиксатора 7 относительно корпуса 6, с образованием рычага после установки устройства на цистерну. Рукоятка 8 жестко закреплена на противолежащем относительно ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя 1 конце корпуса 6. Магнитный фиксатор 7 (фиг.4) состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых содержит два магнитопровода 10, 11, расположенные на поперечной оси 9 и постоянный магнит 12 между ними, причем один из его полюсов N обращен к магнитопроводу 10, а второй полюс S к магнитопроводу 11.
Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 1 (фиг.2) содержит пьезоэлектрический элемент 13 из пьезокерамики типа ЦТС-19, ПКР-73, ПКР-1, эффективно работающей в режиме излучение-прием. На верхней и нижней поверхностях пьезоэлектрического элемента 13 нанесены электроды 14, 15 соответственно. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 1 имеет расположенный на рабочей верхней поверхности согласующий слой 2, выполненный из упругого эластичного материала, например, из полиуретана, резины, отвержденного компаунда на основе полиуретана, имеющий значение акустического импеданса близкое к акустическому импедансу контактной жидкости 3, в качестве которой могут быть использованы глицерин, силиконовое или минеральное масло. Толщина согласующего слоя 2 больше толщины слоя контактной смазки 3 и составляет λ/4+n λ/2, где λ - длина ультразвуковой волны в материале согласующего слоя, n=0, 1, 2, 3, 4.
Электроды 14, 15 подключены экранированным кабелем 18, проходящим внутри корпуса 6 и рукоятки 8, к электронному измерительному блоку 19, который предназначен для возбуждения, приема ультразвуковых колебаний пьезоэлектрического преобразователя 1, измерения времени прохождения ультразвуковых колебаний через жидкость 5, вычисления и индикации уровня жидкости в цистерне. Для подавления собственных колебаний пьезоэлектрического элемента 13 его нижняя поверхность (фиг.2) имеет акустический контакт с демпфером 20, а боковая поверхность пьезоэлектрического элемента 13 и демпфера 20 покрыта защитным компаундом 21 для дополнительного демпфирования и герметизации.
На ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 1 наносят слой контактной жидкости 3, рукояткой 8 перемещают корпус 6 к нижней поверхности стенки 4 цистерны, при этом магнитопроводы 10, 11 притягиваются к стальной стенке 4 цистерны. При отпускании рукоятки 8 последняя под действием собственного веса перемещается вниз, и корпус 6, поворачиваясь относительно поперечной оси 9, прижимает ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 1 согласующим слоем 2 через контактную смазку 3 к стенке 4 цистерны с получением акустического контакта. Усилие прижима ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя 1 обеспечивается действием рычага, образованного поперечной осью 9, длиной и массой рукоятки 8 и расстоянием от ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя 1 до поперечной оси 9 и не зависит от силы притяжения магнитного фиксатора 7, толщины лакокрасочного покрытия цистерны и шероховатости ее поверхности, что повышает стабильность акустического контакта. При поступлении импульса возбуждения от электронного измерительного блока 19 на электроды 14, 15 ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 1 возбуждает ультразвуковые колебания, которые проходят через согласующий слой 2, контактную смазку 3, стенку 4 цистерны и жидкость 5 в цистерне (Фиг.5). Ультразвуковые колебания, отражаясь от границы раздела жидкость - газовоздушная смесь, попадают на ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 1, сигнал с которого по кабелю 18 поступает на электронный измерительный блок 19, который измеряет время прохождения ультразвуковых колебаний от пьезоэлектрического преобразователя 1 до границы раздела жидкость - газовоздушная смесь и обратно и вычисляет уровень жидкости в цистерне.
Для измерения уровня жидкости ультразвуковым методом важен выбор рабочей частоты, более высокие частоты быстро затухают в среде, а более низкие имеют большую длину волны и, следовательно, понижают точность измерений. Оптимальным является диапазон в сотни килогерц, так для частоты 600 кГц длина волны в воде и других жидкостях составляет примерно 2,5 мм. Скорость звука в используемых контактных смазках составляет от 1800 до 2200 м/с, поэтому для рабочей частоты в 600 кГц толщина четвертьволнового слоя такой смазки равна 0,8 мм, что сложно обеспечить в переносном устройстве при различных погодных условиях, влияющих на густоту смазки, состоянии внешней поверхности стенки цистерны с учетом ее кривизны и непостоянном усилии прижима рабочей поверхности ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя к стенке цистерны. Увеличение толщины согласующего слоя позволит улучшить согласование пьезоэлектрического преобразователя со стенкой цистерны.
1
1
2
2
1
2
1
2
Так как, толщина согласующего слоя 2 больше толщины слоя контактной смазки 3 и выбрана из условий оптимального подавления переотраженной в согласующем слое 2 ультразвуковой волны и допустимого затухания основной, прошедшей через него ультразвуковой волны, и составляет 1/4, 3/4, 5/4, 7/4, 9/4 длины ультразвуковой волны в материале согласующего слоя 2, а их акустические импедансы близки, то частота реверберации f=1/(2(h/c+h/c)), где h - толщина согласующего слоя 2, h - толщина контактной смазки 3, c - скорость звука в согласующем слое 2, c - скорость звука в контактной смазке 3, возникающих между рабочей поверхностью пьезоэлектрического элемента 13 и стенкой 4 цистерны, определяется только толщиной согласующего слоя 2 и слабо зависит от толщины контактной смазки 3. При этом высокочастотные искажения формы импульса отсутствуют, а низкочастотные искажения имеют малую амплитуду, поскольку затухают в согласующем слое большей толщины, чем слой контактной смазки, что вместе с обеспечением стабильности усилия прижима повышает надежность приема и передачи ультразвуковой волны, что является основным требованием при неинвазивном измерении уровня жидкости ультразвуковым методом.
Источники информации:
1. Лепендин Л.Ф. Акустика: Учеб. Пособие для втузов. Москва: Высшая школа. 1978 г, с.182.
2. US 2009/0019929 А1, МПК 8 G01F 23/296, 22-01-2009
3. RU 2178551, МПК 7 G01F 23/296, 20-01-2002
4. Ультразвуковой портативный уровнемер УУП1-П1, рекламный проспект, ООО «НДЛТД», Украина, http://www.nd-ltd/com/UUPl/htme - прототип.