Ультразвуковое устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах

Устройство относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к ультразвуковым измерителям уровня, и может быть использовано для измерения уровня жидкости в резервуарах, в том числе в автомобильных и авиационных (крыльевых и фюзеляжных) топливных баках.
Известны ультразвуковые устройства для измерения уровня жидкости в резервуарах,содержащиеэлектроакустическийпреобразователь,
контактирующий с наружной поверхностью днища резервуара, соединенный с первым входом электронного блока приема-передачи и обработки информации, и второй электроакустический преобразователь, контактирующий с боковой поверхностью резервуара на уровне заведомо ниже минимального уровня жидкости в резервуаре на известном расстоянии L от противоположной стенки резервуара, соединенный со вторым входом электронного блока приемапередачи и обработки информации 1-5-3.
Недостатками известных устройств является ограниченная область применения и малая точность.
Недостатки известных устройств объясняются следующим образом.
Применение известных устройств возможно только для тех резервуаров, днища которых допускают горизонтальную  установку электроакустического преобразователя. В противном случае, в связи с тем, что отражение акустического импульса от границы раздела жидкость-газ и от стенок резервуара
происходит по законам геометрической акустики, на электроакустический преобразователь попадает многократно переотраженный границами раздела и стенками резервуара сигнал, точное вычисление пути прохода которого невозможно.
Применение известного устройства возможно только для тех резервуаров,
на боковую стенку которых возможна постановка второго электроакустического преобразователя.
Изменение температуры жидкости, уровня налива, ветровая нагрузка, деформация резервуара приводят к отклонению истинного значения мерной базы Lucm от заложенного в расчетной формуле значения мерной базы L.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковое устройство для измерения уровня жидкости в резервуаре 4, содержащее электроакустический преобразователь, контактирующий с наружной
поверхностью днища резервуара, соединенный со входом электронного блока
приема-передачи и обработки информации, и трубу, размещенную внутри резервуара соосно контактной поверхности электроакустического преобразователя.
Известное устройство позволяет проводить измерения уровня жидкости при негоризонтальном положении днища резервуара. Однако, в этом случае известное устройство обладает малой точностью. Кроме того, известное устройство не позволяет проводить измерение малых уровней.
Недостатки известного устройства объясняются следующим образом.
При отличном от горизонтального расположения днища резервуара отраженный от поверхности раздела газ-жидкость импульс распространяется в соответствии с законами геометрической акустики и приходит на контактную поверхность электроакустического преобразователя после отражений от стенок
t
трубы, вследствие чего время его прохождения увеличивается, и, следовательно, измеренное время прохождения сигнала зависит от угла наклона днища резервуара и не соответствует времени- прямого прохождения акустического сигнала до границы раздела сред.
Для обеспечения одинакового уровня жидкости в трубе и резервуаре в соответствии с законами сообщающихся сосудов предложенная в устройствепрототипе труба перфорирована в верхней части сосуда, заполненной газом, при этом в нижней части трубы, расположенной в жидкости, имеется конический раструб. Подобная конструкция ограничивает минимально измеряемый уровень, в частности, не могут быть измерены уровни ниже конического раструба. Кроме того, наличие конического раструба приводит к появлению отраженного от него эхосигнала, что усложняет помехо-сигнальную обстановку и затрудняет выделение полезных - отраженных от границы раздела фаз - сигналов.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Техническим результатом при этом является увеличение точности измерений и расширение диапазона измерений в части измерения малых уровней.
Достижение указанного технического результата достигается тем, что в известном устройстве для измерения уровня жидкости в резервуаре, содержащем электроакустический преобразователь, контактирующий с наружной поверхностью днища резервуара, соединенный со входом электронного блока приема-передачи и обработки информации, и трубу, размещенную внутри резервуара соосно контактной поверхности электроакустического преобразователя имеющую перфорацию в части, расположенной в области резервуара, заполненного газом
введены следующие признаки, а именно: труба, выполненная перфорированной
преобразователя, при этом в ультразвуковое устройство введен электронный датчик угла наклона, выход которого соединен со вторым входом электронного блока приема-передачи и анализа информации.
Наилучшие результаты достигаются, если диаметр трубы D, диаметр контактной поверхности электроакустического преобразователя d, максимальный измеряемый уровень L связаны соотношениями
59°Л D
d L а также если диаметр трубы О, диаметр перфорирующих отверстий b и
частота излучения f связаны соотношением
( s Ч с )
где С - скорость звука в рабочей среде,
S- площадь поверхности трубы, приходящаяся на одно отверстие.
Достижение заявленного технического результата объясняется следующим образом. Каждому углу наклона резервуара и, соответственно, отклонению оси трубы от вертикали, при данном диаметре трубы однозначно соответствует время
прохождения отраженного границей раздела импульса и истинное значение
уровня жидкости в резервуаре.
При соотношении  обеспечивается минимизация излучения акустической энергии вне трубы.
59° A D
Условие  с учетом того, что раствор основного лепестка
d L
характеристики направленности кругового преобразователя диаметра d равен 5
направленности излучателя внутри трубы и, следовательно, отсутствие многократных переотражений внутри трубы.
В работах 6,7 исследовано распространение звуковой волны в жесткой трубе кругового сечения D, перфорированной отверстиями, и показано, что при выполнении условия
B±«(±Ltf S I С )
где Ъ - диаметр перфорирующего отверстия;
S- площадь поверхности трубы, приходящаяся на одно отверстие;
f- частота излучения;
С - скорость звука в рабочей среде,
затуханием звука в трубе можно пренебречь, а структура поля в трубе не отличается от структуры поля в трубе без отверстий, т.е. практически отсутствует излучение из отверстий во внешнюю по отношению к трубе область.
На практике достаточно знак « заменить на знак  0,1.
На Фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. Ультразвуковое устройство для измерения уровня содержит электроакустический преобразователь 1, например, описанный в 8, контактирующий с наружной поверхностью днища резервуара 2, соединенный с первым входом электронного блока приема-передачи и обработки информации 3, например, аналогичный описанному в 2,3, электронный датчик угла наклона 4, например, авиагоризонт, описанный в работе 9, выход которого соединен со вторым входом электронного блока приема-передачи и обработки информации 3, перфорированную с постоянным сечением по длине, жестко соединенную с днищем резервуара, установленную соосно контактной поверхности электроакустического преобразователя 1 трубу 5, диаметр которой D, диаметр контактной поверхности электроакустического преобразователя d, максимальный измеряемый уровень L,
диаметр перфорирующих отверстий b и частота излучения f связаны соотношениями
59°А D
o,(/Y
s Ч с )
Работа устройства осуществляется  следующим образом. При включении блок приема-передачи и обработки информации 3 генерирует электрический сигнал заданной частоты f, который, поступает на электроакустический преобразователь 1, который преобразует электрический импульс в акустические колебания. Последние проходят через стенку резервуара 2, канализируются перфорированной трубой 5, распространяются в рабочей среде 6, доходят до искомой границы рабочей среды 7, отражаются от нее и также, канализируясь внутри трубы 5, приходят на стенку резервуара 2, проходят через нее и принимаются электроакустическим преобразователем 1. Электроакустический преобразователь 1 преобразует отраженные от границы раздела 7 акустические колебания в электрический импульс, который поступает на первый вход блока приема-передачи и обработки информации 3. Одновременно на второй вход электронного блока приема-передачи и обработки информации 3 поступают данные с выхода электронного датчика угла наклона 4. В блоке 3 производится обработка принятых сигналов и вычисление расстояния L по формуле
6
С - скорость звука в рабочей среде,
.т - время прохождения сигнала до границы жидкость-газ и обратно.
Наличия электронного датчика угла наклона позволяет решить
поставленную техническую задачу, а именно, обеспечить повышение точности измерения уровня жидкости в резервуаре и при отношениях размеров,, отличающихся от заявленных, при этом конструкция трубы обеспечивает измерение малых уровней.
Источники информации.
1.Свидетельство РФ на полезную модель №7497.
2.М.Я.Андреев, Ю.А.Корякин, И.Л.Рубанов. Ультразвуковые уровнемеры УЗУ-2 и УЗУ-2Т. Датчики и системы, №1, 2002г.
3.М.Андреев, Ю.Корякин, И.Рубанов, Ю.Флеер, Л.Войтасик. Ультразвуковые уровнемеры и системы на их основе. IT - решения в нефтегазовой отрасли. Специальное приложение к №6 Нефть и капитал, 2002г.
4.Патент США №5119676.
5.М.Д.Смарышев. Направленность гидроакустических антенн. Л., Судостроение, 1973г.
6.И.А.Урусовский. Излучение звука из перфорированной трубы, внутри которой распространяется гармоническая волна. Акуст. ж., 1972, т. 18, №3.
7.И.А.Урусовский. Автореферат  на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. М., Акустический институт им. академика НААндреева, 1993г.
8.Свидетельство РФ на полезную модель №23541.
ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
1.Ультразвуковое устройство для измерения уровня жидкости в резервуаре, содержащее электроакустический преобразователь, контактирующий с наружной поверхностью днища резервуара, соединенный с первым входом электронного блока приема-передачи и обработки информации, и трубу, размещенную внутри резервуара соосно контактной поверхности электроакустического преобразователя и имеющую перфорацию в части трубы, расположенной в газовой фазе, отличающееся тем, что труба выполнена перфорированной по всей длине и имеющей
по всей длине постоянное сечение, жестко соединенной с днищем резервуара в месте контакта с ним электроакустического
преобразователя, при этом в ультразвуковое устройство введен электронный датчик угла наклона, выход которого соединен со вторым входом электронного блока приема-передачи и анализа информации.
2.Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр трубы D связан с диаметром of контактной
поверхности электроакустического преобразователя и
максимальным измеряемым уровнем L соотношением
t
59°Я D
tg -
d L
3. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр трубы D, диаметр перфорирующих отверстий b и частота излучения f связаны соотношением
где С - скорость звука в рабочей среде;
S - площадь поверхности трубы, приходящаяся на одно отверстие.
s ( с )