RU1770766C - Contact-free method of determining interface of two media - Google Patents
Contact-free method of determining interface of two mediaInfo
- Publication number
- RU1770766C RU1770766C SU904927015A SU4927015A RU1770766C RU 1770766 C RU1770766 C RU 1770766C SU 904927015 A SU904927015 A SU 904927015A SU 4927015 A SU4927015 A SU 4927015A RU 1770766 C RU1770766 C RU 1770766C
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waves
- frequencies
- interface
- wall
- amplitude
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относитс к контрольно- измерительной технике, в частности к вопросам контрол уровн жидких и сыпучих сред, и может найти применение в химической , металлургической и других отрасл х промышленности Сущность изобретени . Изобретение позвол ет повысить точность измерени за счет компенсации вли ни изменени акустического контакта преобразо- вателей на результаты определени положени границ раздела Изобретение дает возможность расширить область применени , позвол определ ть положение границы раздела о услови х бы;тро мен ющегос акустического контакта преобразователей . С помощью одного электроакустического преобразовател одновременно излучают в стенку резервуара две изгибные волны с различными частотами . Частоты выбирают в зависимости от толщины и упругих параметров материала стенки. При приеме фильтрацией выдел ют каждую из этих волн. Определ ют амплитудные параметры каждой из этих волн, о положении границы раздела двух сред суд т по отношению указанных параметров. При этом рассто ние между точками излучени и приема выбирают из условий, которые обеспечивают изменение отношени амплитудных параметров при контакте зоны распространени этих волн с жидкостью на величину, большую выбранного значени . 1 с. и 3 з,п. ф- лы, 1 ил. С/) СThe invention relates to a control and measuring technique, in particular to questions of controlling the level of liquid and granular media, and may find application in the chemical, metallurgical and other industries. The invention improves the accuracy of measurements by compensating for the effect of changes in the acoustic contact of the transducers on the results of determining the position of the interface. The invention makes it possible to expand the scope of application, allowing to determine the position of the interface on the conditions of the changing acoustic contact of the transducers. Using one electro-acoustic transducer, two bending waves with different frequencies are simultaneously emitted into the tank wall. Frequencies are selected depending on the thickness and elastic parameters of the wall material. When taken by filtration, each of these waves is isolated. The amplitude parameters of each of these waves are determined; the position of the interface between two media is judged with respect to the indicated parameters. In this case, the distance between the points of emission and reception is selected from conditions that ensure a change in the ratio of the amplitude parameters when the propagation zone of these waves contacts the liquid by an amount greater than the selected value. 1 sec and 3 s, n. flowers, 1 ill. C /) C
Description
Изобретение относитс к контрольно- измерительной технике, в частности, к вопросам контрол уровн жидкости и сыпучих твердых сред и может найти применение в химической, металлургической, пищевой и других отрасл х промышленности.The invention relates to a control and measuring technique, in particular, to questions of controlling the level of liquid and bulk solids, and may find application in the chemical, metallurgical, food and other industries.
Известен способ контрол уровн жидкости , согласно которому происходит сквоз- ное прохождение ультразвуковых колебаний через сосуд с жидкостью. При этом наличие жидкости в зоне прохождени ультразвукового пучка определ ют по амплитуде прин того сигнала котора будет максимальной при прохождении через жидкость и минимальной при прохождении через воздух.A known method for controlling the liquid level, according to which there is a through passage of ultrasonic vibrations through the vessel with the liquid. In this case, the presence of liquid in the passage zone of the ultrasonic beam is determined by the amplitude of the received signal, which will be maximum when passing through the liquid and minimum when passing through air.
Недостатком данного способа вл етс низка точность измерений и ограниченна область его возможного применеп - обус ловленные следующими причинами. В реальных технологических жидкост х, как правило, наход тс газовые пузырьки или твердые частицы. При этом происходит увеличение затухани ультразвуковой ЕОЛНЫ и, соответственно, сильное уменьшение амплитуды принимаемого сигнала Этэ приводит к ошибкам при контроле и дела э г в р де случаев применение этого способа невозможным .The disadvantage of this method is the low accuracy of measurements and the limited scope of its possible application, due to the following reasons. In actual process fluids, gas bubbles or particulate matter are typically present. In this case, the attenuation of the ultrasonic EOLNA increases and, accordingly, a strong decrease in the amplitude of the received signal Ete leads to errors in the control and, in some cases, the application of this method is impossible.
-ч-h
slsl
оabout
ч1ch1
оabout
ОНаиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности вл етс способ установлени поверхности раздела между газообразной и жидкой средами или между двум жидкими средами с однослойном сосуде, заключающийс в том, что возбуждают в стенке сосуда акустические колебани с помощью излучающего элект- роакустическогр преобразовател (ЭАП), ус- танавливаемого с наружно стороны стенки, принимают акустические колебани , распростран ющиес в стенке резервуара , с помощью приемного ЭАП, устанавливаемого также с внешней стороны стенки, а о положении границы суд т по амплитудным параметрам принимаемых колебаний .The closest to the proposed solution in technical essence is a method of establishing an interface between a gaseous and a liquid medium or between two liquid media with a single-layer vessel, the method being that acoustic waves are excited in the vessel wall by means of a radiating electroacoustic transducer (EA). mounted on the outside of the wall, receive acoustic vibrations propagating in the wall of the tank, using the receiving EAP, also installed on the outside of the They are judged by the amplitude of the received oscillations.
Недостатком указанного способа вл етс то, что при изменении акустического контакта излучающего и приемного ЭАП со стенкой резервуара амплитуда принимаемых колебаний может измен тьс больше, чем от вли ни границы раздела сред. Это может привести в ошибкам в определении границы раздела сред или к снижению точности измерений. Долговременные изменени акустического контакта в стационарных установках могут быть скомпенсированы периодической подстройкой амплитуды излучаемых колебаний или коэффициента усилени усилител . Однако в нестационарных услови х, когда изменение контакта может происходить практически мгновенно (например , в переносных сигнализаторах уровн , при воздействии сильных вибраций и т.д.), применение данного способа неизбежно будет св зано с большими ошибками измерений, величина которых будет определ ть область возможного применени способа.The disadvantage of this method is that when the acoustic contact of the emitting and receiving EAP with the tank wall changes, the amplitude of the received vibrations can change more than from the influence of the medium interface. This can lead to errors in determining the interface between media or to a decrease in the accuracy of measurements. Long-term changes in acoustic contact in stationary installations can be compensated by periodically adjusting the amplitude of the emitted oscillations or the gain of the amplifier. However, under non-stationary conditions, when the contact change can occur almost instantly (for example, in portable level switches, when exposed to strong vibrations, etc.), the application of this method will inevitably be associated with large measurement errors, the magnitude of which will determine the region possible application of the method.
Цель предлагаемого изобретени - повысить точность измерений и расширить область возможного применени способа в услови х мен ющегос внешнего акустического пол .The aim of the invention is to increase the accuracy of measurements and expand the scope of the possible application of the method in conditions of a changing external acoustic field.
Поставленна цель достигаетс тем, что в бесконтактном способе определени границы раздела двух сред в резервуарах, одновременно, с помощью одного излучающего ЭАП возбуждают в стенке резервуара две изгибные волны, частоты которых выбирают из соотношений:The goal is achieved in that in a non-contact method for determining the interface between two media in tanks, simultaneously, using one emitting EAP, two bending waves are excited in the tank wall, the frequencies of which are selected from the relations:
fafa
Сж2 VTZpQ-o2) 2Ь ECf2 VTZpQ-o2) 2b E
чh
где Сж - скорость волны в жидкости;where Sj is the wave velocity in the liquid;
fi.fa -соответственно частоты двух возбуждаемых изгибных волн;fi.fa, respectively, the frequency of two excited bending waves;
h - толщина стенки резервуара; р- плотность материала стенки; 5Е - модуль Юнга;h is the wall thickness of the tank; p is the density of the wall material; 5E - Young's modulus;
а- коэффициент Пуассона. При определении амплитудных параметров с помощью фильтрации раздел ют прин тые колебани с частотами fi и h. 10 Дл возбуждени приема двух волн используют собственную резонансную частоту излучающего и приемного ЭАП и частоту первой гармоники (в св зи с этим частота h выбираетс меньшей, чем 0,5 f i). Также дл 15 возбуждени и приема двух волн можно использовать широкополосные ЭАП.a - Poisson's ratio. When determining the amplitude parameters by filtering, the received vibrations with frequencies fi and h are separated. 10 In order to excite reception of two waves, the intrinsic resonant frequency of the emitting and receiving EAP and the frequency of the first harmonic are used (therefore, the frequency h is chosen to be less than 0.5 f i). Broadband EAPs can also be used to generate and receive two waves.
Положение границы раздела двух сред можно определ ть:The position of the interface between two media can be determined:
-по отношению амплитуд огибающих 20 импульсов первой и второй волн;- regarding the amplitude ratio of the envelopes of 20 pulses of the first and second waves;
-по отношению средних значений амплитуд нескольких вступлений двух волн.- in relation to average values of amplitudes of several arrivals of two waves.
Предложенный способ отличаетс от известного тем, что:The proposed method differs from the known in that:
251) происходит одновременное излучение двух волн с помощью одного излучающего ЭАП;251) there is a simultaneous emission of two waves with the help of one emitting EAP;
2)возбуждают две изгибные волны;2) excite two bending waves;
3)частоты возбуждаемых волн выбира- 30 ют из предложенных соотношений (форм.3) the frequencies of the excited waves are selected 30 from the proposed relations (forms.
1.2);. I...1.2) ;. I ...
4)при приеме фильтрацией выдел ют каждую из этих волн;4) when received by filtration, each of these waves is isolated;
5)определ ют амплитудные параметры 35 двух волн;5) determine the amplitude parameters 35 of two waves;
6)о положении границы раздела двух сред суд т по разностным амплитудным параметрам этих волн.6) the position of the interface between two media is judged by the difference amplitude parameters of these waves.
Схема проведени измерений по пред40 латаемому способу представлена на чертеже ,The scheme of measurements according to the proposed method is presented in the drawing,
Способ осуществл етс следующим образом . Исход из значени толщины стенок резервуара с контролируемой жидкостью, аThe method is carried out as follows. Based on the wall thickness of the tank with the controlled fluid, and
45 также свойств жидкости и материгшэ стенки , по услови м (1),(2) выбирают частоты излучени ft и fa. В качестве излучающего и приемного ЭАП (1,2; фиг.1) могут быть использованы как широкополосные преобра50 зователи с высокой добротностью. Выбирают величину порогового значени отношени амплитудных параметров Кпор. Подают на вход излучател (1, фиг.1) электрические импульсы, содержащие частоты fi45 also the properties of the liquid and the material wall, according to conditions (1), (2), the radiation frequencies ft and fa are chosen. As a radiating and receiving EAP (1,2; Fig. 1), they can be used as broadband converters with high quality factor. The value of the threshold value of the ratio of the amplitude parameters Kpor is selected. Electric pulses containing frequencies fi are fed to the input of the emitter (1, Fig. 1)
55 и fa. прижимают преобразователи « стенке резервуара, при этом в стенке во,збуждают- с одновременно две изгибные волны с указанными частотами. Распростран сь в стенке резервуара (3, фиг.1), изгибные коле55 and fa. the transducers are pressed "against the wall of the tank, while in the wall into, two bending waves with the indicated frequencies are excited simultaneously. Spread in the tank wall (3, Fig. 1), bending wheels
бани поступают на приемный ЭАП (2, фиг. 1) и преобразуютс в электрические сигналы , фильтрацией выдел ют колебани с частотами fi и fa (4, фиг.1) и определ ют их амплитудные параметры (5, фиг.1). Если уровень жидкости в резервуаре (6, фиг.1) находитс ниже зоны распространени этих волн, амплитудные характеристики на частотах fi и fa завис т только от качества акустического контакта, отношение ампли- тудных параметров двух волн будет меньше Кпор. В случае, если уровень жидкости достигнет зоны распространени излучаемых и принимаемых волн, то амплитудные параметры колебаний с частотой f 1 будут умень- шатьс , причем выбор частоты по формуле (1) обеспечивает максимальную величину затухани волны под вли нием контакта с жидкостью. Колебани с частотой fa по- прежнему будут зависеть в основном от уровн акустического сигнала. При этом величина отношени амплитудных параметров колебаний с частотами fi и fa превысит значение Кпор. Таким образом, по величине отношени амплитудных параметров коле- баний с частотами fi и fa можно судить о наличии жидкости в зоне контрол ,the baths are received at the receiving EAP (2, Fig. 1) and converted into electrical signals, filtering out vibrations with frequencies fi and fa (4, Fig. 1) and determining their amplitude parameters (5, Fig. 1). If the liquid level in the tank (6, Fig. 1) is below the propagation zone of these waves, the amplitude characteristics at the frequencies fi and fa depend only on the quality of the acoustic contact, the ratio of the amplitude parameters of the two waves will be less than Kpor. If the liquid level reaches the propagation zone of the emitted and received waves, then the amplitude parameters of the oscillations with a frequency f 1 will decrease, and the choice of frequency according to formula (1) provides the maximum amount of wave attenuation under the influence of contact with the liquid. Fluctuations with the frequency fa will continue to depend mainly on the level of the acoustic signal. In this case, the ratio of the amplitude parameters of the oscillations with frequencies fi and fa will exceed the value of Kpor. Thus, by the ratio of the amplitude parameters of the oscillations with the frequencies fi and fa, one can judge the presence of liquid in the control zone,
При определении границы раздела по отношению амплитуд огибающих колебаний с частотами f i и fa практическа реали- заци данного способа вл етс наиболее простой. Использование в качестве информативного параметра отношени средних значений амплитуд позвол ет существенно повысить надежность, а соответственно, и точность измерений, однако аппаратурна реализаци в этом случае будет более сложной .In determining the interface by the ratio of the amplitudes of the envelopes of the vibrations with frequencies f i and fa, the practical implementation of this method is the simplest. The use of the ratio of the average values of the amplitudes as an informative parameter can significantly increase the reliability and, consequently, the accuracy of measurements, however, hardware-based implementation in this case will be more complicated.
Пример конкретного выполнени способа.An example of a specific embodiment of the method.
Необходимо контролировать уровень сжиженного хлора в стальных контейнерах с толщиной стенок 8 ± 0,5 мм с помощью переносного сигнализатора уровн .It is necessary to control the level of liquefied chlorine in steel containers with a wall thickness of 8 ± 0.5 mm using a portable level indicator.
Из формулы (1) определим одну из излу- чаемых частот, подставив в (1) следующие значени используемых параметров: h 8 мм дл стали Е 16 1010 Н/м2From formula (1) we determine one of the radiated frequencies, substituting in (1) the following values of the used parameters: h 8 mm for steel E 16 1010 N / m2
,8 103 кг/м3, 8 103 kg / m3
(,28(, 28
дл сжиженного хлорарж 1,5 103 кг/м3for liquefied chlorine 1.5 1.5 kg / m3
Сж 1400м/сSq 1400m / s
В результате получаем дл fi 29,5 кГцAs a result, we obtain for fi 29.5 kHz
Выберем дл излучени и приема двух частот пьезокерамический преобразова- тель с частотой основного резонанса fp 12 кГц. Частота первой гармоники дл преобразователей такого типа определ ют как fr 2,5 fp 30 кГц. Таким образом, частотаFor the emission and reception of two frequencies, we choose a piezoceramic transducer with a fundamental resonance frequency fp 12 kHz. The first harmonic frequency for this type of transducer is defined as fr 2.5 fp 30 kHz. Thus the frequency
основного резонанса будет соответствовать условию (2), а частота первой гармоники будет соответствовать условию), fh цапа ча излучатель импульсы электрических колебаний , содержащие частоты fi и h мы будем возбуждать в стенке контейнера акустические импульсы изгибных волн с этими частотами .of the fundamental resonance will correspond to condition (2), and the frequency of the first harmonic will correspond to the condition), fh a pulser emitter electrical oscillation pulses containing frequencies fi and h, we will excite acoustic pulses of bending waves with these frequencies in the container wall.
Выберем пороговое значение отношение амплитуд Кпор 3. Путем подбора коэффициента усилени дл каждой из частот установим амплитуды принимаемых импульсов , при уровне жидкости ниже зоны распространени волн, AOI Ао2 3 В . Определим коэффициенты затухани изгиб- ной волны, вызванного вли нием жидкости, по формуле:We choose the threshold value of the ratio of amplitudes Kpor 3. By selecting the gain for each frequency, we establish the amplitudes of the received pulses, at a liquid level below the wave propagation zone, AOI Ao2 3 V. We determine the attenuation coefficients of a bending wave caused by the influence of a liquid by the formula:
, (А), (AND)
2/ 1 Ус2/сж2-12/1 Us2 / szh2-1
где С - скорость изгибной волны;where C is the speed of the bending wave;
Сж -скорость звука в жидкости;Sg is the speed of sound in a liquid;
РЖ,/9- плотность сжиженного хлора и материала стенки соответственно;РЖ, / 9 - density of liquefied chlorine and wall material, respectively;
h - толщина стенки контейнера,h is the wall thickness of the container,
Скорость изгибных волн определим по формуле:The speed of bending waves is determined by the formula:
-Y-Y
ТT
(fh)2(fh) 2
(5)(5)
ЗрО-о2)ЗРО-о2)
где Е - модуль Юнга;where E is Young's modulus;
и- коэффициент Пуассона;and - Poisson's ratio;
f- частота колебаний.f is the oscillation frequency.
Дл стальной стенки толщиной 8 мм получим на частоте fa 12 к Гц Са 906 м/с, на частоте fi 30 кГц, Ci 1430 м/с. Дл частоты fa 12 кГц получим «2 0,02 мм , дл частоты fi 30 кГц, а 0.14 .For a steel wall with a thickness of 8 mm, we obtain Ca 906 m / s at a frequency of 12 kHz, Ca 306 m / s at a frequency of fi, and Ci 1430 m / s. For the frequency fa 12 kHz, we obtain "2 0.02 mm, for the frequency fi 30 kHz, and 0.14.
Исход из полученных.данных и конструкции контейнера выберем рассто ние между излучателем и приемником L 150 мм.Based on the obtained data and the container design, we choose the distance between the emitter and receiver L 150 mm.
В случае, если граница раздела находитс ниже зоны распространени изгибных волн, отношение максимальныхIf the interface is below the zone of propagation of bending waves, the ratio of the maximum
Апо амплитуд импульсов двух волн К 1.Apo of the amplitudes of the pulses of the two waves K 1.
AOIAOI
В случае, когда изгибные волны будут распростран тьс в контакте с жидкостью (граница раздела выше места расположени ЭАП), амплитуда волны с частотой будет определ тьс из следующего выражени : Аа Аоа cos(lrta L)(6)In the case when the bending waves propagate in contact with the liquid (the interface is higher than the location of the EAP), the amplitude of the wave with frequency will be determined from the following expression: Аа Аоа cos (lrta L) (6)
Поставив значени параметров, получим Аа 2,9 В. Амплитуда волны с частотой fi будет равна AI Aoi е.фДл этой частоты получим AI 7 В. То есть на этой частоте будут регистрироватьс только акустические помехи, амплитуда которых, какBy setting the values of the parameters, we obtain Aa 2.9 V. The amplitude of the wave with frequency fi will be equal to AI Aoi e. For this frequency, we will get AI 7 V. That is, only acoustic noise will be recorded at this frequency, the amplitude of which, like
правило, на два пор дка меньше AOL Отношение амплитуд двух волн в этом случае будетas a rule, two orders of magnitude less than AOL The ratio of the amplitudes of the two waves in this case will be
v 2 2.93 Q-r. vv 2 2.93 Q-r. v
К KnopTo Knop
Таким образом, при контакте зоны распространени изгибных волн с жидкостью отношение амплитуд волн станет меньше выбранной нами пороговой величины, что даст возможность определить по величине К положение границ раздела сред. Подставив в формулы (4), (5) значени h 8,5 мм, получим а 0,05, ац 0,017. В этом случае, если ЭАП будут находитьс ниже уровн жидкости, К 5,0 Кпор- Аналогичным образом дл h 7 мм получим а 0,06 мм; az 0,021; К 5,1 Кпор. Изменени акустического контакта на выбранных частотах будут практически одинаково вли ть на амплитуды AI и А2, а их отношение почти не будет измен тьс .Thus, upon contact of the bending wave propagation zone with the liquid, the ratio of the wave amplitudes will become less than the threshold value chosen by us, which will make it possible to determine the position of the interface between media from the value of K. Substituting h values of 8.5 mm into formulas (4) and (5), we obtain a 0.05, ac 0.017. In this case, if the EAP are below the liquid level, K 5.0 Kpor - Similarly for h 7 mm we get a 0.06 mm; az 0.021; K 5.1 Kpor. Changes in acoustic contact at the selected frequencies will almost equally affect the amplitudes of AI and A2, and their ratio will hardly change.
Таким образом, поставленна задача по определению границы раздела сред в контейнерах с сжиженным хлором в услови х измен ющегос контакта ЭАП со стенками контейнера решаетс с помощью предлагаемого способа,Thus, the task of determining the interface between media in containers with liquefied chlorine under conditions of changing contact of the EA with the container walls is solved using the proposed method,
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU904927015A RU1770766C (en) | 1990-12-21 | 1990-12-21 | Contact-free method of determining interface of two media |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU904927015A RU1770766C (en) | 1990-12-21 | 1990-12-21 | Contact-free method of determining interface of two media |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU1770766C true RU1770766C (en) | 1992-10-23 |
Family
ID=21569486
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU904927015A RU1770766C (en) | 1990-12-21 | 1990-12-21 | Contact-free method of determining interface of two media |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU1770766C (en) |
-
1990
- 1990-12-21 RU SU904927015A patent/RU1770766C/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Патент Австрии № 379020, кл. G01 F 23/28, 1980. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10215613B2 (en) | System and method for non-intrusive and continuous level measurement of a liquid | |
US4954997A (en) | Sensor device using lamb elastic waves for detecting the presence of a liquid at a predetermined level | |
US6202494B1 (en) | Process and apparatus for measuring density and mass flow | |
US6186004B1 (en) | Apparatus and method for remote, noninvasive characterization of structures and fluids inside containers | |
US4679430A (en) | Ultrasonic liquid interface detector | |
US4118983A (en) | Method of and device for controlling gas-liquid or liquid-liquid interface in monolayer reservoirs | |
US11215489B2 (en) | Apparatus and method for measuring the flow velocity of a fluid in a pipe | |
US3470734A (en) | Apparatus for measuring the surface weight of a material | |
EP0119790A1 (en) | Liquid level monitoring | |
RU1770766C (en) | Contact-free method of determining interface of two media | |
US3748637A (en) | Sonar transducer assembly | |
RU2112221C1 (en) | Method of ultrasonic checking of liquid media level in reservoirs | |
JPH0798240A (en) | Ultrasonic water level measurement method and device | |
GB2128326A (en) | Non-intrusive liquid level switch | |
US3171095A (en) | Stream and sound speed instrument | |
SU1364973A1 (en) | Device for determining density of liquids | |
SU537253A1 (en) | Ultrasonic Liquid Level Meter | |
RU2334224C1 (en) | Method of ultrasonic measuring of average grain size | |
JPH06148148A (en) | Ultrasonic attenuation measuring method, and material characteristic evaluating method | |
SU723431A1 (en) | Method of monitoring liquid physical parameters | |
SU1437772A1 (en) | Method and apparatus for determining concentration of free gas in gas-liquid medium | |
SU1196751A1 (en) | Method of measuring occluded gas in liquid | |
SU1462113A1 (en) | Method of continuous check of field media level | |
Braithwaite | Some measurements of acoustic conditions in rivers | |
SU1388782A1 (en) | Ultrasonic method of checking alternation of construction material characteristics |