УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР
ULTRASONIC LEVEL GAUGE

Изобретение относится к ультразвуковым контрольно-измерительным устройствам и может быть использовано для контроля уровня жидкостей в резервуарах.
Известен ультразвуковой уровнемер, зондирующий поверхность жидкости ультразвуковым излучением через газовую среду и измеряющий время распространения ультразвуковых колебаний от излучателя до границы раздела двух сред и обратно (Уровнемер ультразвуковой. Руководство по эксплуатации. Санкт-Петербург. Размещен на сайте www.vzljot.ru).
Недостатками такого уровнемера является сложность создания электроакустических преобразователей, имеющих малые габариты и вес (Хамидуллин В.К. Ультразвуковые контрольно-измерительные устройства и системы. Издательство Ленинградского университета, 1989, с.152-154), а также необходимость в применении мощных электроакустических преобразователей для компенсации значительного затухания интенсивности ультразвуковых колебаний, которое наблюдается при распространении их в газовой среде (А.А.Горбатов, Г.Е.Рудашевский. Акустические методы измерения расстояний и управления. Энергоиздат 1981, с.39-44).
Известен импульсный измеритель уровня жидкости, измеряющий уровень жидкости в резервуаре, зондируя поверхность жидкости через стенку сосуда электроакустическим преобразователем, прикрепленным ко дну резервуара с наружной стороны (И.А.Бородина и др. Акустические методы измерения и контроля уровней жидкости в резервуарах. Издательство Саратовского университета, 2002, с.9-14). Применение такого уровнемера затруднительно, если сосуд с жидкостью находится под землей и отсутствует доступ к его донной поверхности с наружной стороны.
Известен уровнемер-сигнализатор ультразвуковой УУС, позволяющий измерить уровень жидкости в резервуаре с недоступной донной стенкой, содержащий погружной датчик, который размещается на специальной штанге, опускаемой на дно сосуда через фланец (http://benc.kiev.ua/).
Недостатком такого уровнемера является сложность его эксплуатации, так как непосредственно излучатель-приемник акустических колебаний погружен в жидкость, и при выходе его из строя необходима остановка технологического процесса и разгерметизация сосуда, что особенно нежелательно при наличии в резервуаре токсичной жидкости (например, этилмеркаптан, применяемый в газовой промышленности для одоризации природного газа).
Прототипом предлагаемого изобретения является ультразвуковое устройство для измерения уровня жидкостей (авторское свидетельство СССР №1721444, кл. G01F 23/28. Опубликовано в бюл. №11 от 23.03.92), содержащее заполненный жидкостью звукопровод, выполненный в виде трубы L-образной формы, на одном конце которой закреплен электроакустический преобразователь, а другой конец закрыт пластиной, (причем сгибы звукопровода снабжены отражателями, установленными под углом 45° относительно осевой линии трубы), поплавок, установленный снаружи звукопровода, от которого должно происходить отражение ультразвуковых волн.
К недостаткам прототипа относятся наличие в составе устройства подвижного поплавка, уровень погружения которого зависит от свойств жидкости, отсутствие учета зависимости скорости распространения ультразвука от температуры, а также наличие на нижнем конце звукопровода пластины, которая уменьшает интенсивность падающих на поверхность поплавка ультразвуковых волн.
Техническим результатом применения предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно в нем отсутствуют подвижные части в составе, учитывается зависимость скорости распространения ультразвуковых волн от температуры, а также не содержит в составе пластину на нижнем конце звукопровода.
Сущность изобретения заключается в том, что отражатель в конце звукопровода выполнен в виде угольника с прямым углом между его сторонами и горизонтальной площадкой между ними, который ориентирован относительно звукопровода таким образом, что часть излучения от электроакустического преобразователя попадает на горизонтальную площадку под прямым углом, а часть - на сторону угольника под углом в 45° к поверхности.
На чертеже приведена схема ультразвукового уровнемера, поясняющая его устройство и принцип работы.
Ультразвуковой уровнемер состоит из вертикально закрепленного на резервуаре 5 с жидкостью звукопровода 3, на нижнем конце которого установлен отражатель 4 в виде угольника с прямым углом между сторонами и горизонтальной площадкой между ними. Нижний конец звукопровода с отражателем погружается в жидкость (уровень которой необходимо измерить) до дна резервуара. На верхнем конце звукопровода, находящегося с наружной стороны резервуара, установлено 90° колено 2, на котором устанавливается электроакустический преобразователь 1. Ко второму выходу колена подводится трубопровод, по которому происходит процесс перемещения жидкости в резервуар или из него.
Уровнемер работает следующим образом. Для работы уровнемера необходимо, чтобы звукопровод и колено были заполнены жидкостью. Их заполнение жидкостью произойдет при операциях по перемещению жидкости через звукопровод. Если жидкость уже находится в резервуаре, то звукопровод и колено заполняют жидкостью, создав в резервуаре избыточное давление. Ультразвуковые импульсы, излучаемые электроакустическим преобразователем 1 через стенку колена 2, попадают в звукопровод и, распространяясь в нем, достигают отражателя 4. Часть излучения отразится от горизонтальной площадки отражателя и по звукопроводу вернется к электроакустическому преобразователю. Другая часть излучения попадет на наклонную поверхность отражателя, отразившись от нее, достигнет другой наклонной поверхности отражателя и, отразившись от нее, достигнет границы раздела газ-жидкость 6 под прямым углом. Отразившись от этой границы, ультразвуковая волна вернется к электроакустическому преобразователю. Зная расстояние от электроакустического преобразователя до горизонтальной площадки отражателя (его предварительно необходимо измерить), время распространения ультразвуковой волны до отражателя и время распространения до поверхности жидкость-газ, определяют уровень жидкости в резервуаре по формулам
1
1
1
2
l=ν·t; l+h=ν·t
откуда ,
где
1
l - расстояние (фиксированное значение для данного резервуара) от электроакустического преобразователя до дна резервуара;
ν - скорость распространения ультразвука в жидкости;
1
t - время распространения ультразвука от электроакустического преобразователя до дна резервуара;
2
t - время распространения ультразвука от электроакустического преобразователя до уровня жидкости