УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР
ULTRASONIC LEVEL METRE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для непрерывного контроля уровня жидкости в закрытых емкостях, находящихся под давлением, в технологических процессах химической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.
Известны различные устройства для акустического измерения уровня жидкости.
Известно устройство (Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Акустические методы контроля. Кн.2, М.: Высшая школа, 1991), в котором акустическая волна излучается электроакустическим преобразователем, расположенным на днище емкости с жидкостью. Акустическая волна распространяется в жидкости, доходит до границы раздела жидкость-газ и отражается. Электроакустический преобразователь принимает отраженную волну и преобразует в электрический сигнал. По времени задержки определяют границу жидкость-газ в емкости.
Известно устройство (Бабиков О.И., Контроль уровня с помощью ультразвука. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1971), содержащее два акустических преобразователя, расположенных в горизонтальной плоскости друг против друга на наружной стенке емкости. Сигнал, возбуждаемый одним преобразователем, доходит до второго только в том случае, если уровень жидкости находится выше плоскости расположения преобразователей.
Недостатком этих устройств является то, что они применимы в условиях, когда поверхность жидкости является ровной, зеркальной. Если поверхность жидкости колеблется, то данные устройства дают большую погрешность в измерении.
Известны устройства для ультразвукового измерения уровня жидкости, принцип действия которых основан на реверберации акустических импульсов в стенке емкости (Бакурский Н.Н. Ахременко В.В. Сигнализатор уровня жидкости с накладными акустическими зондами. Газовая промышленность. 1997. №5). Ультразвуковой преобразователь в данном устройстве расположен на внешней поверхности емкости с жидкостью и одновременно выполняет роль излучателя и приемника. Данное устройство свободно от перечисленных выше недостатков. Однако из-за необходимости использования повышенных уровней мощности при работе преобразователя на высокой частоте происходят частые случаи отказа устройства. Кроме этого, снижение точности измерения происходит за счет осаждения на внутренней поверхности стенки емкости различных вязких отложений (парафин, мазут и др.), что приводит к дополнительному затуханию ультразвуковой волны и уменьшению коэффициента отражения от внутренней стенки емкости. Недостатком также является то, что данные устройства могут работать, в основном, как сигнализаторы уровня жидкости, т.е. определяют наличие жидкости выше или ниже допустимого уровня, и не могут дать точного определения положения уровня жидкости в емкости. Эту задачу выполняют ультразвуковые уровнемеры.
Наиболее близким к заявляемому является ультразвуковой уровнемер, описанный в (А.С. 1462113 G01F 23/28, опубл. 28.02.89), работа которого основана на использовании акустических волн Лэмба. Волны Лэмба - это акустические волны, которые могут распространяться в ограниченных с двух сторон средах, т.е. в пластинах. При этом акустический контакт с жидкостью может существенно изменять характеристики этих волн. Такое изменение может служить индикатором наличия жидкости в емкости. Волны Лэмба разделяются на семейства: антисимметричные и симметричные. Ультразвуковой уровнемер, выбранный в качестве прототипа, содержит генератор и два преобразователя - излучающий и приемный для возбуждения и приема волн Лэмба в стенке емкости, расположенные на внешней поверхности емкости, частично заполненной жидкостью. Преобразователи установлены выше и ниже границы заполнения жидкости под некоторым углом к вертикали. К приемному преобразователю подключен блок регистрации сигнала.
Однако данное устройство не позволяет существенно повысить точность измерения, создавая лишь некоторое растяжение зависимости затухания от уровня жидкости. Кроме этого при больших и малых уровнях жидкости эти зависимости являются нелинейными. Данная конструкция приводит к смещению акустического луча относительно приемного преобразователя, которое зависит от уровня жидкости, и вызывает дополнительное изменение амплитуды выходного сигнала. Нелинейность характеристики и дополнительное изменение затухания в свою очередь снижают точность измерения и приводят к необходимости дополнительного учета этих факторов при измерениях.
Задачей создания заявляемого устройства является повышение точности измерения.
Решение указанной задачи достигается за счет того, что ультразвуковой уровнемер содержит по крайней мере одну пару преобразователей - излучающий и приемный соответственно для возбуждения и приема антисимметричной волны Лэмба в стенке емкости, частично заполненной жидкостью, установленные на внешней поверхности емкости, а также высокочастотный генератор и блок регистрации. Новым является то, что введен блок синхронизации, соединенный с блоком регистрации и высокочастотным генератором, частота которого f связана с толщиной стенки емкости h соотношением: f=(3-6)/h. В качестве излучающего и приемного преобразователей использованы преобразователи продольных объемных акустических волн, установленные на поверхности емкости через согласующие призмы, выполненные из полиуретана. Преобразователем может служить металлизированная пьезокерамическая пластина. Для возбуждения и приема антисимметричных волн Лэмба могут быть использованы антенные фазированные решетки, состоящие из цепочки преобразователей, располагающиеся непосредственно на стенке емкости. Излучающий и приемный преобразоватили расположены на одной вертикали в верхнем и нижнем допустимых уровнях жидкости соответственно. Уровнемер может быть снабжен вторым блоком регистрации с дополнительно установленной второй парой преобразователей, причем первая и вторая пары расположены по вертикали параллельно друг другу и установлены в верхнем и нижнем допустимом уровне жидкости соответственно параллельно ее поверхности, а оба блока регистрации синхронизируются одним блоком синхронизации.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема ультразвукового уровнемера с вертикальным расположением излучающего и приемного преобразователей; на фиг.2 представлен уровнемер, содержащий две пары преобразователей - излучающий и приемный, расположенные параллельно друг другу, с дополнительным блоком регистрации; на фиг.3 представлена схема возбуждения и приема антисимметричных волн Лэмба в стенке емкости с помощью преобразователей продольных объемных акустических волн и согласующих призм; на фиг.4 представлены схема возбуждения и приема антисимметричных волн Лэмба в стенке емкости с помощью излучающих и приемных преобразователей в виде антенных фазированных решеток; на фиг.5 представлена зависимость затухания волн Лэмба от параметра hf в стальной пластине, контактирующей с одной стороны с жидкостью, где h - толщина стенки емкости, f - частота волны Лэмба.
Ультразвуковой уровнемер содержит (фиг.1) закрепленные на внешней поверхности металлической емкости 1, частично заполненной жидкостью 2, излучающий и приемный преобразователи 3, 4 волн Лэмба (излучатель 3 и приемник 4). Излучатель 3 для возбуждения антисимметричных волн Лэмба в стенке емкости и приемник 4 этих волн расположены на одной вертикали в верхнем и нижнем допустимом уровне жидкости 2. Излучатель 3 подключен к высокочастотному генератору 5, а сигнал с приемника 4 следует в блок регистрации 6. Общую синхронизацию высокочастотного генератора 5 и блока регистрации 6 осуществляют блоком синхронизации 7. Уровнемер может содержать (фиг.2) две пары преобразователей - излучающие 3/1, 3/2 и приемные 4/1, 4/2, при этом первая и вторая пары преобразователей расположены по вертикали параллельно друг другу и установлены на стенке емкости 1 в верхнем и нижнем допустимом уровне жидкости 2 соответственно параллельно ее поверхности. В этом случае используют один высокочастотный генератор 5 и два блока регистрации 6 для каждой пары преобразователей, синхронизируемые блоком синхронизации 7.
Излучатель 3 состоит (фиг.3) из входного пьезоэлектрического преобразователя 8 продольной объемной акустической волны, которая после прохождения согласующей призмы 9 возбуждает волны Лэмба в стенке емкости 12. В качестве материала призмы выбран полиуретан. Для приема волны Лэмба также использована согласующая полиуретановая призма 10 и выходной пьезоэлектрический преобразователь 11. В качестве пьезоэлектрического преобразователя можно использовать одну или несколько склеенных металлизированных пьезокерамических пластин. Если, например, преобразователь состоит из трех пластин, то это позволяет снизить подводящее напряжение в три раза по сравнению с одиночной пластиной. Геометрические параметры призм 9, 10 определяют из условия равенства проекций всех волновых векторов на плоскость стенки, что обеспечивает максимальную эффективность взаимного преобразования продольных объемных акустических волн и волн Лэмба.
Излучатель 3 и приемник 4 могут быть выполнены в виде антенной фазированной решетки (фиг.4), состоящей из совокупности преобразователей продольной объемной акустической волны 13, 14, находящихся непосредственно на поверхности стенки емкости 12. При этом пространственный период этой решетки должен быть равен длине волны антисимметричной волны Лэмба первого порядка, а сдвиг фаз между соседними элементами антенны должны быть равен 360/n, где n - число элементов на периоде решетки.
ВЧ генератор 5 (фиг.1), подключенный к излучателю 3, имеет частоту генерации, зависящую от толщины стенки емкости 12. Частота генератора 5 (f Гц) связана с толщиной стенки емкости (h мм) следующим соотношением: f=(3-6)/h. Эта зависимость установлена на основании расчетов и экспериментальных данных и позволяет выбрать в качестве информационной волны антисимметричную волну Лэмба первого порядка с рабочей частотой, однозначно определяемой толщиной стенки емкости. Амплитуда антисимметричной волны Лэмба первого порядка является наиболее чувствительной к присутствию жидкости, контактирующей со стенкой емкости, причем эта чувствительность определяется только произведением hf, где h - толщина стенки емкости, f - частота волны Лэмба. Выбор для каждого значения толщины стенки соответствующего оптимального значения рабочей частоты волны позволит повысить точность измерения. На фиг.5 приведены зависимости затухания от параметра hf для антисимметричных и симметричных волн Лэмба первого и второго порядков, которые распространяются в стальной пластине, контактирующей с дистиллированной водой, где кривые 15 и 16 относятся к симметричным волнам Лэмба первого и второго порядков, а кривые 17 и 18 относятся к антисимметричным волнам Лэмба первого и второго порядков. Из графика видно, что для антисимметричной волны Лэмба первого порядка 17 максимум затухания соответствует параметру hf=4.2 м/с. В этом случае генератор должен работать с частотой f=4.2(м/с)/h. Если в качестве жидкости использовать наиболее часто встречающиеся жидкости, такие как бензин, керосин, нефть и т.д., то оптимальная частота волны будет лежать в диапазоне f=(3-6)(м/с)/h. В этом случае достигается наиболее высокая чувствительность сигнала к присутствию жидкости, контактирующей со стенкой емкости. Используя это соотношение можно определить, что при толщине стенки, например, 50 мм, оптимальная рабочая частота сигнала составляет f=100-120 кГц.
Для обработки сигнала, поступающего с приемника 4, к нему подключен блок регистрации 6, который выполнен в виде последовательно соединенных стробируемых усилителей (фиг.1). Для стробирования используются импульсы с блока синхронизации 7. Блок регистрации содержит также детектор, пиковый вольтметр и индикатор. Блок синхронизации 7 с другой стороны соединен с ВЧ генератором 5.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
2
С помощью входного излучателя 3 в стенке емкости 1 возбуждают несколько мод Лэмба, в том числе антисимметричную волну Лэмба первого порядка при соответствующих значениях выбранной частоты ВЧ генератора 5 и толщины стенки 12 емкости (фиг.1). Пьезоэлектрическая пластина 8 (фиг.3) возбуждает продольную объемную акустическую волну, которая проходит через полиуретановую призму 9 и на границе призмы и стенки емкости 12 преобразуется в волны Лэмба. Этим волнам Лэмба соответствует одинаковый волновой вектор, который в точности равен проекции волнового вектора объемной волны в полиуретане на стенку емкости. Поэтому скорость продольной объемной акустической волны в призме должна быть меньше фазовой скорости антисимметричной волны Лэмба первого порядка. По этой причине в качестве материала призмы выбран полиуретан. Возбужденные антисимметричные волны Лэмба принимают приемником 4, который преобразует их в электрический сигнал, поступающий в блок регистрации 6. При использовании двух пар преобразователей - излучателей 3/1, 3/2 и приемников 4/1, 4/2 (фиг.2) каждый излучатель 3/1 и 3/2 возбуждает набор антисимметричных волн Лэмба, которые распространяются в горизонтальном направлении и принимаются соответствующими приемниками 4/1 и 4/2. Если уровень жидкости находится ниже нижней пары 3/2-4/2, то на выходе обоих приемников амплитуды сигналов имеют некоторое определенное значение U. Если уровень жидкости находится между нижней 3/2-4/2 и верхней 3/1-4/1 парами, то на выходном приемнике 4/2 амплитуда сигнала существенно уменьшается и становится равной U. При этом амплитуда сигнала на выходе приемника 4/1 остается равной A. И наконец для уровня жидкости, расположенного выше верней пары 3/1-4/1 амплитуды сигналов на выходе обоих приемников 4/1 и 4/2 уменьшаются до значения U. Таким образом, по известным амплитудам сигналов на выходе приемников 4/1 и 4/2 можно определить положение уровня жидкости. При использовании в качестве излучателя 3 и приемника 4 антенных фазированных решеток 13, 14 (фиг.4) происходит следующее. Каждый элемент излучающей решетки возбуждает в стенке емкости целый набор волн Лэмба. Если сдвиги фаз на соседних элементах отличаются на величину 360/n, где n - число элементов на длине волны антисимметричной волны Лэмба первого порядка, то для этой волны сигналы от всех элементов складываются. Таким образом, амплитуда указанной волны становится приблизительно равной сумме амплитуд от каждого элемента фазированной решетки. Что касается других волн Лэмба, то для них указанное условие не выполняется, и их амплитуды оказываются существенно меньшими. Это означает, что фазированная решетка обладает свойством эффективно возбуждать только выбранный тип волны. Благодаря свойству обратимости точно такая же решетка может принимать эффективно только выбранную волну антисимметричную волну Лэмба первого порядка, эффективность приема других типов волн существенно ниже. Для того, чтобы выделить полезный информационный сигнал, соответствующий антисимметричной волне Лэмба первого порядка, используют импульсный режим. Поскольку групповые скорости волн Лэмба различны, то соответствующие электрические сигналы будут иметь различную задержку, и их можно анализировать отдельно. При контакте стенки емкости 12 с жидкостью 2 происходит незначительное изменение скорости и значительное изменение затухания волны. Это означает, что при использовании в качестве информационной волны антисимметричной волны Лэмба первого порядка анализируемый электрический импульс сохраняет свое время задержки при изменении уровня жидкости, но при этом существенно меняет амплитуду. Поэтому для подавления нежелательных импульсов, соответствующих паразитным волнам Лэмба, и для анализа только информационного импульса используют стробирование в блоке регистрации 6. В блоке регистрации сигнал усиливается, при этом усилители включаются на время прихода стробирующего импульса с блока синхронизации 7.
Таким образом, блок регистрации 6 позволяет выбрать информационный импульс, соответствующий антисимметричной волне Лэмба первого порядка. Это осуществляется благодаря тому, что групповая скорость этой волны сильно отличается от скорости других волн. При этом, если расстояние между излучателем 3 и приемником 4 составляет порядка 100 длин волн (2,5 м при толщине стенки 50 мм и рабочей частоте 100 кГц), то изменение амплитуды сигнала благодаря присутствию жидкости составляет порядка 20 дБ. Изменение амплитуды импульса на 1 дБ соответствует изменению уровня жидкости на 12 см. Если приемная аппаратура уверенно оценивает изменение мощности импульса менее чем 0,5 дБ, то это соответствует точности измерения уровня жидкости меньше, чем 6 см. Для промышленных емкостей, имеющих высоту несколько метров, это достаточно точный параметр.
Был разработан и создан ультразвуковой уровнемер, который прошел государственную аттестацию и прошел опытную проверку на реальных объектах газопромышленного предприятия на емкостях передавливания конденсата. Эти уровнемеры рекомендованы к промышленному производству.