RU2188398C1

RU2188398C1 - Method of ultrasonic indication of level of loose media contained in reservoir

Info

Publication number: RU2188398C1
Application number: RU2001113225A
Authority: RU
Inventors: В.А. Казинцев; Ю.Ф. Соловьев; А.С. Вольнов; М.Ю. Фокин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Союзцветметавтоматика"
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2002-08-27

Abstract

FIELD: monitoring presence of loose media in technological accumulating reservoirs; metallurgy; chemical, mining-and-dressing and other industries. SUBSTANCE: ultrasonic wave is periodically excited in acoustic radiator by square pulses; said wave is directed in parallel with surface of medium under test. Acoustic radiator and receiver and their waveguides are mounted at level under test on one side of vertical wall of reservoir at angle relative to each other in horizontal plane, symmetrically relative to point of intersection of central rays of directional pattern of radiation field and reception of acoustic path. Reflector is mounted din point of intersection of central rays. Point of intersection is located at distance equal to 1/4-1/3 of diameter of accumulating reservoir. Ultrasonic wave reflected from reflector is received by acoustic receiver and ultrasonic oscillations are converted into electrical intelligence signal. Amplitude magnitude is separated in intelligence signal and threshold signal is shaped whose level is selected to be equal to half minimum amplitude of intelligence signal and amplitudes of intelligence and threshold signals are compared. Generated difference signal is integrated for definite number of pulse repetition periods of exciting pulses, then it is indicated to judge of presence of loose medium at level being checked. EFFECT: enhanced reliability and accuracy of ultrasonic monitoring of level in accumulating reservoirs of large diameters. 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике контроля уровня сыпучих сред, находящихся в технологических накопительных емкостях, и может найти применение в металлургической, химической, горнообогатительной и других отраслях промышленности. The invention relates to techniques for controlling the level of granular media located in technological storage tanks, and can find application in the metallurgical, chemical, mining and other industries.

Известен способ ультразвуковой (у.з.) сигнализации уровня сыпучих сред в емкости, заключающийся в том, что акустические излучатель и приемник устанавливают на противоположных сторонах накопительной емкости или конвейере навстречу друг другу, возбуждают в акустическом излучателе у.з. волну, которую направляют параллельно поверхности контролируемой среды, принимают у.з. волну акустическим приемником, преобразуют ее в информационный электрический сигнал, измеряют амплитудное значение информационного сигнала и по его изменению судят о наличии сыпучей среды на контролируемом уровне [1]. A known method of ultrasonic (ultrasonic) signaling the level of granular media in the tank, which consists in the fact that the acoustic emitter and the receiver are installed on opposite sides of the storage tank or conveyor towards each other, excited in the acoustic emitter ultrasonic the wave, which is sent parallel to the surface of the controlled medium, take the wave by an acoustic receiver, convert it into an informational electric signal, measure the amplitude value of the informational signal, and judging by its change, the presence of a granular medium at a controlled level [1].

Недостатком данного способа являются низкие надежность и точность, обусловленные расхождением диаграммы направленности поля излучения и приема акустического тракта при больших расстояниях между акустическими излучателем и приемником, установленными на противоположных сторонах накопительной емкости. The disadvantage of this method is the low reliability and accuracy due to the divergence of the radiation pattern of the radiation field and the reception of the acoustic path at large distances between the acoustic emitter and the receiver mounted on opposite sides of the storage capacitance.

Известен другой способ ультразвуковой сигнализации наличия жидких и жидкосыпучих сред, заключающийся в том, что в стенке резервуара возбуждают у. з. колебания, принимают эти колебания на той же стороне резервуара выше места возбуждения, формируют из принятых у.з. сигналов электрические, сравнивают электрические сигналы с пороговым сигналом, формируют первые нормальные сигналы, принимают колебания, прошедшие через резервуар на его противоположной стороне, формируют из принятых сигналов электрические, сравнивают электрические сигналы с пороговым сигналом, формируют вторые нормальные сигналы, вычитают из первых нормальных сигналов вторые нормальные сигналы, формируют электрический выходной сигнал наличия жидкосыпучего вещества на контролируемом уровне при амплитуде разности, равной нулю, и сигнал наличия жидкости при отрицательной амплитуде разности нормированных сигналов [2]. There is another method of ultrasonic signaling the presence of liquid and free-flowing media, which consists in the fact that in the tank wall excite y. h. oscillations, take these oscillations on the same side of the reservoir above the place of excitation, form from the accepted ultrasound electrical signals, compare electrical signals with a threshold signal, generate the first normal signals, receive oscillations that have passed through the reservoir on its opposite side, form electrical signals from the received signals, compare electrical signals with a threshold signal, form the second normal signals, subtract the second from the first normal signals normal signals, form an electrical output signal of the presence of a free-flowing substance at a controlled level with a difference amplitude of zero, and with drove the presence of liquid when the negative amplitude of the normalized difference signal [2].

Недостатками данного способа являются также низкие надежность и точность, обусловленные наличием пузырьков растворенного воздуха или несплошностью жидкосыпучей или газожидкостной смеси внутри резервуара при его заполнении под давлением и связанного с этим высокого акустического сопротивления для продольных ультразвуковых колебаний, проходящих через стенки резервуара и находящуюся в нем среду. The disadvantages of this method are also low reliability and accuracy due to the presence of bubbles of dissolved air or the discontinuity of a free-flowing or gas-liquid mixture inside the tank when it is filled under pressure and the associated high acoustic resistance for longitudinal ultrasonic vibrations passing through the walls of the tank and the medium inside it.

Наиболее близким (прототипом) к предложенному способу является первый. The closest (prototype) to the proposed method is the first.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и точности определения наличия сыпучих сред на контролируемом уровне в накопительных емкостях больших диаметров, когда в силу расхождения диаграммы направленности поля излучения и приема происходит резкое снижение чувствительности электроакустического тракта сигнализатора уровня. The objective of the present invention is to increase the reliability and accuracy of determining the presence of granular media at a controlled level in storage tanks of large diameters, when due to the divergence of the radiation field pattern and reception there is a sharp decrease in the sensitivity of the electro-acoustic path of the level switch.

От известного способа предложенный отличается тем, что акустические излучатель и приемник устанавливают на одной стороне вертикальной стенки емкости под углом друг к другу в горизонтальной плоскости симметрично относительно точки пересечения центральных лучей диаграммы направленности поля излучения и приема акустического тракта, а в точке пересечения центральных лучей устанавливают отражатель, причем точка пересечения удалена относительно точки излучения у.з. волны только на расстояние 1/4-1/3 диаметра накопительной емкости, принимают отраженную от отражателя у.з. волну, преобразуют ее колебания в электрический информационный сигнал, выделяют в нем амплитудное значение, формируют пороговый сигнал, сравнивают амплитуды информационного сигнала с пороговым, вырабатывают разностный сигнал, интегрируют его за определенное число периодов следования возбуждающих импульсов, индицируют и судят о наличии сыпучей среды на контролируемом уровне. The proposed method differs from the known method in that the acoustic emitter and receiver are mounted on one side of the vertical wall of the container at an angle to each other in the horizontal plane symmetrically with respect to the intersection point of the central rays of the radiation field pattern and the reception of the acoustic path, and a reflector is installed at the intersection of the central rays and the intersection point is removed relative to the radiation point waves only at a distance of 1 / 4-1 / 3 of the diameter of the storage capacity, take reflected from the reflector wave, transform its oscillations into an electrical information signal, extract the amplitude value in it, form a threshold signal, compare the amplitudes of the information signal with a threshold, generate a difference signal, integrate it for a certain number of periods of excitation pulses, indicate and judge the presence of granular medium on a controlled level.

Благодаря этим отличительным операциям способа реализуется возможность у.з. контроля уровня сыпучих материалов в закрытых и открытых емкостях больших диаметров и расширяется область его возможного применения. Техническим результатом такого способа является повышение надежности и точности у.з. контроля в накопительных емкостях больших диаметров. Thanks to these distinctive operations of the method, the possibility of ultrasound is realized. control the level of bulk materials in closed and open containers of large diameters and the scope of its possible application is expanding. The technical result of this method is to increase the reliability and accuracy of ultrasonic testing. control in storage tanks of large diameters.

На фиг. 1-3 представлены функциональные схемы устройства одного из решений предложенного способа, а на фиг.4 импульсно-потенциальная диаграмма, поясняющая работу устройства, реализующего предложенный способ. In FIG. 1-3 are functional diagrams of a device of one of the solutions of the proposed method, and Fig. 4 is a potential pulse diagram explaining the operation of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит последовательно соединенные акустический излучатель 4 с наклонным волноводом 6, генератор 12, последовательно соединенные акустический приемник 5 с наклонным волноводом 7, стробируемый усилитель 16 (первым входом), пиковый детектор 21, компаратор 23 (первым входом), интегратор 28 (первым входом), индикационное устройство 31; схему управления 29 входом, подключенную на выход генератора 12, а выходом - на второй вход интегратора 28, источник опорного напряжения 25, подключенный выходом на второй вход компаратора 23. The device comprises a series-connected acoustic emitter 4 with an inclined waveguide 6, a generator 12, series-connected acoustic receiver 5 with an inclined waveguide 7, a gated amplifier 16 (first input), a peak detector 21, a comparator 23 (first input), an integrator 28 (first input) indicating device 31; the control circuit 29 of the input connected to the output of the generator 12, and the output to the second input of the integrator 28, the reference voltage source 25 connected by the output to the second input of the comparator 23.

Реализация способа и работа устройства осуществляется следующим образом. The implementation of the method and the operation of the device is as follows.

В отверстии 1 стенки 2 накопительной емкости 3 с одной ее стороны устанавливают акустические излучатель 4 и приемник 5 с волноводами 6,7, акустические оси которых направлены в горизонтальной плоскости встречно под определенным углом β. Угол наклона β выбирают в зависимости от местоположения точки пересечения центральных лучей 8,9 диаграммы направленности излучения и приема акустического тракта. В точке пересечения 10 устанавливают отражатель 11. В свою очередь, точку пересечения 10 выбирают в зависимости от диаметра накопительной емкости 3, определяющего расстояние L от излучателя до отражателя как 1/3 - 1/4 от диаметра D. При таком способе установки акустических излучателей 4 и приемника 5 размеры технологического отверстия 1 в стенке 2 больше, чем при других возможных способах их выполнения и установки (фиг.1). Acoustic emitter 4 and receiver 5 with waveguides 6,7, the acoustic axes of which are directed horizontally in the opposite direction at a certain angle β, are installed in the hole 1 of the wall 2 of the storage tank 3 on one side. The inclination angle β is selected depending on the location of the intersection point of the central rays of the 8.9 radiation pattern and reception of the acoustic path. A reflector 11 is installed at the intersection 10. In turn, the intersection 10 is selected depending on the diameter of the storage tank 3, which determines the distance L from the emitter to the reflector as 1/3 - 1/4 of the diameter D. With this method of installing acoustic emitters 4 and the receiver 5, the dimensions of the technological hole 1 in the wall 2 are larger than with other possible methods for their implementation and installation (figure 1).

Для уменьшения технологического отверстия 1 акустические излучатель 4 и приемник 5 устанавливают вторым способом, а именно параллельно в горизонтальной плоскости, а их волноводы 6,7 выполняют наклонными со скошенной под углом β внешней гранью (фиг.2). To reduce the technological hole 1, the acoustic emitter 4 and the receiver 5 are installed in the second way, namely in parallel in the horizontal plane, and their waveguides 6,7 are made inclined with the outer face oblique at an angle β (Fig. 2).

Третий способ установки акустического излучателя 4 и приемника 5 с этой же целью заключается в том, что волноводы 6,7 выполняют так, что акустические оси направлены параллельно к поверхности отражателя 11, при этом в точке 10 установки отражателя 11 будут отражаться боковые лучи диаграммы направленности поля излучения (фиг.3). Потери энергии излучения при этом незначительны, так как угол β для боковых лучей лежит в пределах угла раскрытия φ основного лепестка диаграммы направленности излучателя, т.е. The third way of installing the acoustic emitter 4 and the receiver 5 for the same purpose is that the waveguides 6,7 perform so that the acoustic axes are parallel to the surface of the reflector 11, while at the point 10 of the installation of the reflector 11 will be reflected side rays of the radiation pattern radiation (figure 3). The radiation energy loss is negligible, since the angle β for the side rays lies within the opening angle φ of the main lobe of the radiation pattern, i.e.

где λ - длина волны у.з. колебаний,
a - диаметр пьезоэлемента в виде круглого диска.

where λ is the ultrasonic wavelength fluctuations
a is the diameter of the piezoelectric element in the form of a round disk.

С помощью генератора 12 в акустическом излучателе 4 периодически прямоугольными импульсами 13 (фиг.4) возбуждают у.з. волну 14, которую под углом β направляют в сторону отражателя 11. На поверхности отражателя 11 у.з. волна 14 трансформируется в отраженную у.з. волну 15, которую под тем же углом β принимают акустическим приемником 5. В акустическом приемнике 5 колебания принятой отраженной у.з. волны 15 преобразуют в электрический информационный сигнал 16 (фиг. 4). Информационный сигнал 16 направляют на вход стробируемого усилителя 17, в котором осуществляют усиление и выделение амплитудного значения 18. Выделение осуществляют с помощью формирователя 19, который запускают по сигналам генератора 12. На выходе формирователя вырабатывают стробимпульс 20 (фиг.4), середина которого соответствует временному положению амплитуды информационного сигнала 16. Выделенный на выходе стробируемого усилителя 17 сигнал 18 передают на вход пикового детектора 21 для преобразования в постоянное напряжение 22 (фиг.4) за период следования импульсов 13 генератора 12. Постоянное напряжение 22 с выхода пикового детектора 21 подают для сравнения на первый вход компаратора 23. На второй вход компаратора 23 подают опорное напряжение 24 (фиг.4) от источника 25. Уровень опорного напряжения 24 выбирают равным половине минимальной амплитуды "A_min" 26 (фиг. 4) информационного сигнала, снижение которого в отсутствие сыпучей среды обусловлено запыленностью или турбулентностью газовой среды внутри накопительной емкости 3. При снижении амплитуды 18 информационного сигнала 26 и соответственно напряжения 22 ниже уровня опорного напряжения 24 в результате наличия сыпучей среды между акустическим излучателем 4 и отражателем 11 на выходе компаратора 23 в каждом периоде следования возбуждающих импульсов 13 формируют импульс 27 (фиг.4). С выхода компаратора 23 импульс 27 подают на вход интегратора 28 для накопления за определенное число "n" периодов, устанавливаемых схемой управления 29. На выходе интегратора вырабатывают сигнал 30 определенной амплитуды "А_maх" за "n" периодов, заданной схемой управления 29. Сигнал 30 подают на вход индицирующего устройства 31 для визуальной сигнализации наличия сыпучей среды на контрольном уровне.Using a generator 12 in the acoustic emitter 4 periodically rectangular pulses 13 (Fig.4) excite the ultrasound. wave 14, which is directed at an angle β towards the reflector 11. On the surface of the reflector 11 wave 14 is transformed into a reflected ultrasound wave 15, which at the same angle β is received by the acoustic receiver 5. In the acoustic receiver 5, the oscillations of the received reflected ultrasound waves 15 are converted into an electrical information signal 16 (Fig. 4). The information signal 16 is sent to the input of the gated amplifier 17, in which the amplification and extraction of the amplitude value 18 is carried out. The extraction is carried out using a shaper 19, which is triggered by the signals of the generator 12. At the output of the shaper, a strobe 20 is generated (Fig. 4), the middle of which corresponds to the time the position of the amplitude of the information signal 16. The signal 18 allocated at the output of the gated amplifier 17 is transmitted to the input of the peak detector 21 for conversion to a constant voltage 22 (Fig. 4) for a period for studying pulses 13 of generator 12. A constant voltage 22 from the output of the peak detector 21 is supplied for comparison to the first input of the comparator 23. At the second input of the comparator 23, a reference voltage 24 (Fig. 4) is supplied from the source 25. The level of the reference voltage 24 is chosen equal to half the minimum amplitude "A _min " 26 (Fig. 4) of the information signal, the decrease of which in the absence of granular medium is caused by the dustiness or turbulence of the gaseous medium inside the storage tank 3. When the amplitude 18 of the information signal 26 decreases, and accordingly about voltage 22 below the level of the reference voltage 24 as a result of the presence of granular medium between the acoustic emitter 4 and the reflector 11 at the output of the comparator 23 in each period following the exciting pulses 13 form a pulse 27 (figure 4). From the output of the comparator 23, the pulse 27 is fed to the input of the integrator 28 for accumulation for a certain number of "n" periods set by the control circuit 29. At the output of the integrator, a signal 30 of a certain amplitude "A _max " is _generated for "n" periods specified by the control circuit 29. The signal 30 is fed to the input of the indicating device 31 for visual signaling the presence of granular medium at the control level.

Предложенное изобретение является новым, так как оно неизвестно из предшествующего уровня техники, относящейся к определению уровня сыпучих сред, и использует неизвестный способ, заключающийся в том, что акустические излучатель и приемник устанавливают на вертикальной стенке емкости под углом друг к другу в горизонтальной плоскости симметрично относительно точки пересечения центральных лучей диаграммы направленности поля излучения и приема акустического тракта, причем в точке пересечения центральных лучей устанавливают отражатель, который удаляют от акустического излучателя на расстояние от 1/4 до 1/3 диаметра накопительной емкости, возбуждают у.з. волну, которую направляют параллельно поверхности контролируемой среды, принимают отраженную от отражателя у.з. волну, преобразуют ее в электрический информационный сигнал, выделяют в нем амплитудное значение, формируют пороговый сигнал, сравнивают амплитуду информационного сигнала с пороговым, вырабатывают разностный сигнал, интегрируют его за определенное число периодов следования возбуждающих импульсов, индицируют и судят о наличии сыпучей среды на контролируемом уровне. The proposed invention is new, because it is unknown from the prior art relating to the determination of the level of granular media, and uses an unknown method, namely, that the acoustic emitter and receiver are mounted on a vertical wall of the container at an angle to each other in the horizontal plane symmetrically relative to the point of intersection of the central rays of the radiation field pattern and the reception of the acoustic path, and a reflector is installed at the point of intersection of the central rays , which is removed from the acoustic emitter at a distance of 1/4 to 1/3 of the diameter of the storage capacity, excite ultrasound the wave, which is directed parallel to the surface of the controlled medium, receive reflected from the reflector wave, convert it into an electrical information signal, extract the amplitude value in it, form a threshold signal, compare the amplitude of the information signal with a threshold, generate a difference signal, integrate it for a certain number of periods of excitation pulses, indicate and judge the presence of granular medium at a controlled level .

Предложенное изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно использует неизвестный способ, повышающий надежность и точность контроля уровня сыпучих материалов в накопительных емкостях с большими диаметрами. The proposed invention has an inventive step, as it uses an unknown method that increases the reliability and accuracy of control of the level of bulk materials in storage tanks with large diameters.

Предложенное изобретение применимо в промышленности при контроле уровня сыпучих материалов в различных гидрометаллургических, химических и других технологических процессах различных производств. The proposed invention is applicable in industry to control the level of bulk materials in various hydrometallurgical, chemical and other technological processes of various industries.

Источники информации
1. Бабиков О.И. Ультразвуковые приборы контроля. - Ленинград: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985 г.Sources of information
1. Babikov O.I. Ultrasonic monitoring devices. - Leningrad: Engineering, Leningrad Branch, 1985

2. А.С. СССР 1471078, опубл. 07.04.1989, БИ 13, G 01 F 23/28. 2. A.S. USSR 1471078, publ. 04/07/1989, BI 13, G 01 F 23/28.

Claims

1. The method of ultrasonic signaling the level of granular media in the tank, which consists in the fact that the acoustic emitter and the receiver are installed at a controlled level, periodically with rectangular pulses, an ultrasonic wave is excited in the acoustic emitter, which is sent parallel to the surface of the controlled medium, the ultrasonic wave is periodically received by the acoustic receiver, converted ultrasonic vibrations into an electrical information signal, characterized in that the acoustic emitter and receiver and their waveguides are installed on one side of the vertical wall of the capacitance at an angle to each other in the horizontal plane symmetrically with respect to the intersection point of the central rays of the radiation field pattern and reception of the acoustic path, and a reflector is installed at the intersection point of the central rays, the intersection point being removed at a distance of 1 / 4-1 / 3 of the diameter of the storage tank, receive the ultrasonic wave reflected from the reflector, while the amplitude value is formed in the information signal, forming comfort threshold signal, the level of which is chosen equal to half the minimum amplitude of the information signal, the amplitudes of the information and threshold signals are compared, a difference signal is generated, it is integrated over a certain number of periods of excitation pulses, they are indicated and judged about the presence of granular medium at a controlled level.

2. The method of ultrasonic signaling the level of granular media in the tank according to claim 1, characterized in that the waveguides are made inclined.

3. The method of ultrasonic signaling the level of granular media in the tank according to claim 1, characterized in that the acoustic emitter and receiver and their waveguides are made so that their acoustic axis are directed normally to the surface of the reflector.