СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРАХ
METHOD FOR ULTRASONIC MEASUREMENT OF LEVEL OF LIQUID IN RESERVOIRS AND APPARATUS FOR ULTRASONIC MEASUREMENT OF LEVEL OF LIQUID IN RESERVOIRS

Изобретение относится к технике контроля технологических параметров жидких сред в резервуарах для промышленных производств и может найти применение в химической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности, преимущественно для контроля уровня грязных жидкостей с отложениями агрессивных жидкостей в резервуарах, имеющих внутренние конструкции.
Известен способ ультразвукового контроля уровня жидкости в резервуарах (авторское свидетельство СССР №343155, G01F 23/28, 1972), заключающийся в том, что в стенку резервуара под углом с ней параллельно поверхности контролируемой среды в зоне контроля вводят продольную ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости нормальной волны (волны Лэмба), распространяющейся в стенке, а после прохождения некоторого фиксированного расстояния по стенке принимают волну Лэмба и используют ее амплитуду в качестве информационного сигнала о положении уровня жидкости.
Недостатком этого способа контроля уровня жидкости, снижающим его надежность и точность, является нестабильность амплитуды информационного сигнала при изменении толщины стенок в резервуаре из-за коррозии или воздействия на них агрессивных сред и зарастания остаточными компонентами жидких реагентов. Нестабильность информационного сигнала, при таком способе, обусловливается также изменениями акустического сопротивления контактного слоя между акустическими преобразователями и стенкой резервуара.
Известно устройство (авторское свидетельство СССР №343155, G01F 23/28, 1972), которое реализует указанный способ контроля уровня в закрытых резервуарах, содержащее два идентичных наклонных акустических преобразователя, установленных на внешней поверхности резервуара на фиксированном расстоянии навстречу друг другу, последовательно соединенные возбудитель и усилитель мощности. Подключенный к одному из акустических преобразователей, последовательно соединенные усилитель, селекторный каскад (первым входом), детектор и измерительный каскад, последовательно соединенные синхронизатор, блок задержки, формирователь стробо-импульса, подключенные - синхронизатор к входу возбудителя, а формирователь стробо-импульса к второму входу первого селекторного каскада, включенного между усилителем и детектором.
Недостатком этого устройства является низкая надежность и точность, обусловленная зависимостью информационных сигналов от влияния дестабилизирующих факторов, например изменяющегося акустического сопротивления контактного слоя между акустическими датчиками и стенкой резервуара.
Известен другой способ контроля уровня жидкости (патент РФ №2112221, G01F 23/296, 1998), заключающийся в том, что ультразвуковую волну вводят в стенку резервуара параллельно поверхности жидкой среды, а ультразвуковая волна, распространяющаяся на фиксированном участке стенки, является волной Лэмба, одновременно там же излучателем возбуждают в стенке резервуара продольную ультразвуковую волну, распространяющуюся в плоскости горизонтального сечения резервуара по хорде окружности резервуара через стенку, контролируемую жидкую среду и противоположную стенку. Принимают эту волну тем же приемником во временной зоне, отличной от временной зоны приема волны Лэмба, выделяют в каждой временной зоне амплитудные значения волны Лэмба или продольной волны, формируют по ним на заданном пороговом уровне чувствительности нормированные информационные сигналы, с помощью которых управляют промежуточным запоминающим устройством (ПЗУ), на выходе которого получают один сигнал по наличию на входе ПЗУ двух или хотя бы одного из нормированных информационных сигналов за период следования возбуждающих импульсов, по которому судят о наличии жидкости на контролируемом уровне в резервуаре.
Недостатком второго способа контроля уровня жидкости является недостаточная надежность, обусловленная тем обстоятельством, что время прохождения продольной волны гораздо больше, чем волны Лэмба, поэтому временной интервал ее приема может совпасть (наложиться) с приемом отраженных сигналов, распространяемых в стенке резервуара. Кроме всего прочего, амплитудная нестабильность ее сигнала обусловлена изменяющимися свойствами жидкости, уровень которой контролируется.
Известен третий способ контроля уровня жидкости (патент РФ №2123172, G01F 23/296, 1998) - принят за прототип способа.
В этом способе так же как и в первом в стенку резервуара под углом к ней параллельно поверхности контролируемой среды в зоне контроля вводят продольную ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости нормальной волны (волны Лэмба), но в отличие от первого одновременно дополнительно возбуждают поверхностную волну, не испытывающую затухания при демпфировании стенки резервуара жидкостью в зоне контроля уровня, принимают ее тем же акустическим приемником, ослабляют принятый входной сигнал, содержащий обе волны. Выделяют в нем амплитуду поверхностной волны, детектируют ее и формируют пороговый сигнал, значение которого запоминают, сравнивают амплитуду поверхностной волны с пороговым сигналом и при ее снижении формируют периодическую последовательность управляющих импульсов, число которых пропорционально величине снижения амплитуды поверхностной волны относительно порогового сигнала и обратно пропорционально значению первоначально введенного ослабления, направляют импульсы в цепи ослабления входного сигнала и восстанавливают амплитуду информационной нормальной волны.
К недостаткам последнего способа контроля уровня жидкости, снижающим его надежность и точность, следует отнести то, что в качестве опорного сигнала в нем используется поверхностная волна, скорость которой меньше скорости волны Лэмба, используемой в качестве информационной. Вследствие этого временная зона приема опорного сигнала может совпасть с действием других волн, распространяемых в стенке резервуара, в том числе отраженных, снижающих надежность выделения ее сигнала. Кроме этого конечные геометрические размеры излучателя и приемника при параллельном их расположении, относительно контролируемого уровня, создают так называемый краевой эффект, проявляющийся в том, что в зоне контроля уровня жидкости, ограниченной по высоте размерами площади их контакта с поверхностью резервуара, образуется гистерезисная зависимость амплитуды информационного сигнала от положения уровня жидкости, при его прохождении зоны контроля. Такая зависимость вносит некоторую неоднозначность в определение положения уровня жидкости, тем самым снижается и точность. Третий недостаток связан с тем обстоятельством, что первоначальная настройка и запуск контроля уровня жидкости априори предполагает наличие хорошего акустического контакта излучателя и приемника, а также относительную неизменность акустических характеристик трактов прохождения поверхностной волны и волны Лэмба, что не всегда может соблюдаться.
Известно устройство (патент РФ №2123172, G01F 23/296, 1998) - принят за прототип устройства. Устройство, реализующее данный способ, состоит из акустических излучателя и приемника, содержащих по два пьезопреобразователя, установленных под разными углами на волноводе для возбуждения в стенке поверхностной и нормальной волны Лэмба. При этом акустический приемник и излучатель установлены на внешней поверхности резервуара по линии, параллельной поверхности контролируемой жидкости на фиксированном расстоянии навстречу друг другу. Кроме этого устройство содержит электронный блок формирования и выделения сигналов, подключенный своим выходом к передатчику акустических сигналов, а входом - к приемнику акустических сигналов. Электронный блок формирования и выделения сигнала включает в себя синхронизатор, выход которого подключен к возбудителю, первому входу схемы совпадения, первой и второй линиям задержки. Выход возбудителя связан с усилителем мощности, выход которого является выходом блока формирования и выделения сигнала, а входом - вход сумматора, выход которого подключен к первому входу аттенюатора, связанного своим выходом через усилитель со вторыми входами двух селекторных каналов. Первые входы этих селекторных каналов через соответствующие формирователи связаны с выходами первой и второй линий задержки. Выход второго селекторного канала через второй пиковый детектор подключен к измерительному каналу. Выход первого селекторного канала через первый пиковый детектор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к задатчику опорного напряжения. Выход компаратора подключен ко второму входу схемы совпадения, выход которой через последовательно соединенные счетчик, дешифратор и блок аналоговых ключей связан со вторым входом аттенюатора.
Недостатком этого устройства является недостаточная точность и надежность. Конструкция акустического излучателя и приемника, содержащих по два пьезопреобразователя, образующих тем самым два тракта прохождения и выделения сигналов различными элементами акустического излучателя и приемника, требует идентичности влияния внешних факторов, в частности температуры, на характеристики этих элементов, что практически затруднительно, и приводит к искажению итогового сигнала о положении контролируемого уровня жидкости. Недостаточная точность обусловлена также тем, что гистерезисная характеристика зависимости амплитуды информационного сигнала от положения уровня жидкости в зоне контроля, близко примыкающей к линии, на которой располагаются акустический излучатель и приемник, создает неоднозначную связь уставки сравнения амплитуды информационного сигнала с положением уровня жидкости в этой зоне.
Недостаточная надежность устройства обусловлена его сложностью. В его структуре присутствуют элементы цепи автоподстройки усиления принимаемых акустических сигналов, которая сама требует предварительной настройки. Причем, априори предполагается, что такая настройка должна проводиться при хорошем акустическом контакте излучателя и приемника с поверхностью резервуара. Соблюдение этого условия в реальности требует дополнительных непростых технических процедур.
Технический эффект изобретения - повышение надежности и точности контроля уровня жидкости в резервуаре.
Единый технический результат при осуществлении группы изобретений для способа достигается тем, что в способе в зоне контроля в стенку резервуара с помощью ультразвукового излучателя периодически вводят нормальную волну, распространяющуюся по стенке резервуара, принимают эту волну акустическим приемником, установленным на фиксированном расстоянии от излучателя, используют энергетическую характеристику этой волны в качестве информационного сигнала для определения положения уровня жидкости в зоне контроля относительно установленных излучателя и приемника, причем излучатель и приемник располагают на внешней поверхности резервуара согласно изобретению так, что ввод акустических сигналов излучателем и приемником осуществляют перпендикулярно к поверхности стенки резервуара, и располагают их по высоте так, чтобы зона контроля уровня жидкости находилась между ними, возбуждающие и принимающие соответственно в ней одновременно симметричную и антисимметричную волны Лэмба нулевой моды, затем оцифровывают с помощью аналого-цифрового преобразования принятые сигналы, выделяют цифровые последовательности, относящиеся к симметричной и антисимметричной волнам Лэмба нулевой моды, вычисляют отношение энергетических характеристик этих волн, сравнивают его с постоянной, наперед заданной величиной и формируют сигнал, индицирующий положение уровня жидкости в зоне контроля, соответствующего заданной величине отношения характеристик сигналов.
Таким образом устраняется зависимость информационного сигнала от нестабильности акустических характеристик излучателя и приемника, качества их контакта с поверхностью и одновременно устраняется неоднозначность определения уровня, связанная с так называемым краевым эффектом, повышая в целом надежность и точность определения уровня жидкости в резервуаре.
Технический результат, включая надежное определение положения уровня жидкости в резервуаре, достигается тем, что в качестве информационной величины, по которой определяют положение уровня жидкости, используют отношение энергетических характеристик симметричной и антисимметричной волн Лэмба нулевого порядка. Одновременное возбуждение и прием этих волн, разнесенных во времени, осуществляется акустическими пьезопреобразователями, установленными нормально к поверхности резервуара, осуществлящих, таким образом, преимущественное их возникновение. Симметричная и антисимметричная волны Лэмба нулевого порядка имеют различные скорости распространения в стенке резервуара, превышающие скорость поверхностной волны, поэтому их прием осуществляется в начальной временной зоне, «чистой» от действия других волн, повышая тем самым надежность их выделения. Использованием в качестве информационной величины именно отношения энергетических характеристик сигналов этих волн достигается устранение дестабилизирующих внутренних факторов конструкции самого устройства, связанных с нестабильностью характеристик элементов трактов формирования и выделения сигналов, а также самих волн Лэмба и внешних факторов, влияющих на каналы формирования и выделения сигналов: качество акустического контакта излучателя и приемника с поверхностью резервуара, температура окружающей среды и жидкости резервуара.
Технический результат, состоящий в повышении точности определения положения уровня, достигается тем, что излучатель и приемник располагают по высоте так, чтобы зона контроля уровня жидкости находилась между ними.
Такое расположение устраняет неоднозначность определения уровня, которое наблюдается в зоне, определяемой геометрическими размерами излучателя и приемника, при расположении их по линии, параллельной уровню жидкости, связанную с краевым эффектом.
Различная степень затухания при распространении по стенке резервуара и демпфирования жидкостью симметричной и антисимметричной волн Лэмба отражается в отношении их сигналов. Величина этого отношения зависит от соотношения длины участка стенки резервуара, соприкасающейся с жидкостью, и свободным, вдоль линии, на которой расположены приемник и излучатель. В зоне контроля величина этого отношения однозначно определяет положение уровня жидкости по линии установки излучателя и приемника. На этом отношении не сказывается влияние внешних факторов на приемник, излучатель и приемопередающие тракты, поскольку этим отношением они в значительной мере компенсируются.
Технический результат, состоящий в повышении надежности, достигается также тем, что формирование акустических сигналов двух типов, симметричных и антисимметричных волн Лэмба осуществляется по одним и тем же каналам преобразователей, что значительно снижает разброс влияния дестабилизирующих внешних факторов, особенно температуры, на итоговое значение сигнала, или существенно снижает границы такого влияния.
Наряду с единым техническим эффектом способ обеспечивает и дополнительный технический эффект, состоящий в расширении функциональных возможностей способа, который достигается тем, что позволяет контролировать несколько положений уровня жидкости в зоне контроля без перестановки приемника и излучателя изменением уставки сравнения отношения энергетических характеристик сигналов.
Дополнительный эффект, состоящий в расширении функциональных возможностей, достигается в зависимом п.2 формулы изобретения в том случае, когда формирование акустических сигналов излучателем осуществляют подачей на него электрического импульса П-образной формы длительностью, превышающей время прохождения антисимметричной волной Лэмба нулевой моды расстояния между излучателем и приемником, фиксируя таким образом приемником волны, возбуждаемые только передним фронтом импульса.
Этот П-образный импульс возбуждения формирует передним своим фронтом только короткие импульсы симметричных и антисимметричных волн Лэмба нулевого порядка, не перекрывающиеся даже на коротких расстояниях между излучателем и приемником, что позволяет использовать этот способ и для резервуаров небольших размеров.
Технический эффект достигается в зависимых пп.3 и 4 формулы изобретения на способ и в том случае, когда в качестве отношения энергетических характеристик используют отношение амплитуд или интегральных значений выделенных оцифрованных сигналов симметричной и антисимметричной волн Лэмба нулевой моды.
Такое определение итогового значения сигнала позволяет усреднять полученные значения за определенный период, что значительно устраняет случайные шумовые флуктуации сигналов, а также влияние внешних акустических сигналов, вызванных работой других механизмов.
Единый технический результат при осуществлении группы изобретений для устройства достигается тем, что в устройство для контроля уровня жидкости в резервуарах, содержащее акустический излучатель и акустический приемник, включающие пьезопреобразователи, установленные на внешней поверхности резервуара на фиксированном расстоянии друг от друга, приемный усилитель, усилитель мощности, выход которого подключен к акустическому излучателю, блок формирования и преобразования сигналов, вход которого связан с выходом приемного усилителя, а выход - со входом усилителя мощности, согласно изобретению излучатель и приемник акустических сигналов установлены по высоте так, что зона контроля уровня жидкости оказывается между ними, каждый из которых содержит по одному пьезопреобразователю, установленному с возможностью перпендикулярного ввода к поверхности стенки резервуара акустических сигналов для возбуждения одновременно симметричной и антисимметричной нормальных волн Лэмба нулевой моды, при этом вход приемного усилителя подключен к выходу акустического приемника, а блок формирования и преобразования сигнала выполнен в виде микроконтроллера.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства для определения положения уровня в резервуаре.
На фиг.2 представлена схема расположения акустического излучателя и приемника на стенке резевуара.
Устройство для контроля уровня жидкости в резервуарах содержит акустический излучатель 1 и акустический приемник 2, содержащие по одному пьезопреобразователю 3 каждый, установленные на внешней поверхности стенки 4 резервуара по линии, пересекающей зону контроля положения уровня жидкости на фиксированном расстоянии друг от друга и расположенные перпендикулярно к поверхности стенки резервуара, усилитель мощности 5, выход которого подключен к акустическому излучателю 1 и приемный усилитель 6, подключенный своим входом к акустическому приемнику 2, с помощью которых формируют и принимают соответственно сигналы нормальных симметричных и антисимметричных волн Лэмба нулевой моды. Вход усилителя мощности и выход приемного усилителя связаны с выходом и входом блока формирования и обработки сигнала 7, выполненного на основе микроконтроллера и включающий в свой состав аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, преобразующий сигнал, поступающий на вход блока формирования и обработки сигнала 7 в цифровую последовательность, которая поступает в оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 9, хранящее цифровую последовательность, относящуюся к одному периоду сигналов, которые обрабатываются одним из способов, по программе записанной в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10 центральным процессором (ЦП) 11, реализующий программу обработки, формирующий импульсы на выходе блока формирования и обработки сигналов 7 и выдающий сигнал индикации о результате отбработки на индикатор 12.
На фиг.2 показано возможное расположение акустического излучателя 1 и акустического приемника 2 на внешней поверхности резервуара 4 относительно положения уровня жидкости 13, находящегося в зоне контроля 14.
Устройство работает следующим образом. Центральный процессор 11 формирует серию периодических импульсов, которые усиливаются усилителем мощности 5 и подаются на акустический излучатель 1, пьезопреобразователь 3 которого преобразует их в акустические сигналы. Эти сигналы вводятся в стенку резервуара с внешней его поверхности, перпендикулярно к ней, возбуждая преимущественно симметричную и антисимметричную волну Лэмба нулевой моды. Затем эти волны распространяются по стенке резервуара в разных направлениях, часть их энергии достигает и приемника акустических сигналов 2, конструктивно выполненного аналогично излучателю 1. Энергия акустических волн Лэмба, достигших приемника, преобразуется его пьезопреобразователем 3 в электрические импульсы, которые усиливаются приемным усилителем 6 и поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 8 блока формирования и преобразования сигналов 7, который преобразует их в цифровые последовательности, и записываются в ОЗУ 9. Затем по программе, хранимой в ПЗУ 10 центральным процессором 11, выполняется преобразование хранимой в ОЗУ 9 последовательности одним или несколькими способами в результирующий сигнал, индицирующий положение уровня в зоне контроля. Это преобразование заключается в выделении из них значений, относящихся к симметричным и антисимметричным волнам Лэмба нулевой моды, определение по ним энергетических характеристик этих волн (амплитуд, суммы значений, относящихся к их импульсам), вычисление отношения между ними и сравнение с заданной уставкой (или несколькими уставками). По этим сравнениям вырабатываются сигналы для индикации, поступающие на внешний индикатор 12 положения уровня 13 в зоне контроля 14.
Формирование и прием одним и тем же пьезопреобразователем 3 двух типов акустических волн, обеспеченные конструкцией прямоугольной контактной призмы акустического излучателя и акустического приемника устройства, а также их перпендикулярной установкой к поверхности стенки резервуара, обеспечивает их преимущественное формирование и одинаковое влияние на них внешних факторов (акустический контакт и температура), которые компенсируются в итоговом сигнале, при вычислении отношений характеристик их сигналов. Формирование, таким образом, нормальных волн Лэмба нулевой моды, отличающихся наибольшей скоростью, позволяет их затем выделять в «чистой» временной зоне, свободной от действия других составляющих. Экспериментально найдено подтверждение, что антисимметричные волны Лэмба в большей степени, чем симметричные, поглощаются жидкостью при их распространении в стенке резервуара на пути контакта этой жидкости по внутренней поверхности. Таким образом, сигналы симметричных волн Лэмба выступают в качестве опорных значений в результирующем значении отношения характеристик симметричных и антисимметричных волн Лэмба, однозначно связывая его с положением уровня жидкости 13, находящегося в зоне контроля 14, поскольку он определяет длину пути контакта внутренней стенки с жидкостью, а значит, и степень поглощения, находящегося между акустическим излучателем 1 и акустическим приемником 2.
Наличие цифровой обработки сигналов в устройстве позволяет оптимальным образом обеспечивать реализацию способов определения итогового сигнала индицирующего положение уровня жидкости и производить его настройку без определения предварительных данных о состоянии качества акустического контакта излучателя и приемника.