RU2248530C2

RU2248530C2 - Acoustic level sensor

Info

Publication number: RU2248530C2
Application number: RU2002129276/28A
Authority: RU
Inventors: Э.А. Болтенко (RU); Э.А. Болтенко; А.А. Савинов (RU); А.А. Савинов; В.Р. Цой (RU); В.Р. Цой
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2005-03-20

Abstract

FIELD: measurement technology; determination of level of heat-transfer agent in power plant passages.

SUBSTANCE: proposed acoustic level sensor includes pulse generator connected to radiating piezo element, waveguide, sensitive element and secondary equipment which includes acoustic signal converter, analog-to-digital converter and personal computer. Sensitive element is connected to waveguide and terminates in two sections having length l; they are located at angle π/2 relative to direction of gravity force in plane located at angle α relative to direction of gravity force. Angle α is within 0 ≤ α ≤ π/2.

EFFECT: increased resolving power of sensor.

4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при определении уровня теплоносителя в каналах энергетических установок.The present invention relates to the field of measurement technology and can be used to determine the level of coolant in the channels of power plants.

Известен акустический датчик, содержащий излучатель, подающий и приемный волноводы, приемник сигналов (Мельников В.И., Усынин Г.Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ г. М: Энергоатомиздат, 1987, с.75). Индикация фазового состояния среды, находящейся в контролируемом объеме, образуемом подающим и приемным волноводоми, осуществляется за счет различия акустической проводимости жидкой и газовой (паровой) фаз. Датчик используется для определения локального истинного объемного паросодержания.A known acoustic sensor containing an emitter, a supply and a receiving waveguide, a signal receiver (Melnikov V.I., Usynin GB, Acoustic methods for diagnosing two-phase coolants in nuclear power plants of the city of M: Energoatomizdat, 1987, p. 75). Indication of the phase state of the medium in a controlled volume formed by the supply and receiver waveguides is carried out due to the difference in the acoustic conductivity of the liquid and gas (vapor) phases. The sensor is used to determine the local true volumetric vapor content.

Принцип акустического зондирования положен в основу акустозондового метода контроля уровня двухфазного теплоносителя ЯЭУ - ядерные энергетические установки (Вьюгин А.Б. Разработка и исследование акустозондового метода контроля уровня двухфазного теплоносителя ЯЭУ, автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Нижний Новгород, 2002).The principle of acoustic sounding is the basis of the acoustosonde method for controlling the level of a two-phase coolant for nuclear power plants - nuclear power plants (Vyugin AB Development and research of the acoustosonde method for controlling the level of a two-phase coolant for nuclear power plants, abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical science. Nizhny Novgorod, 2002 )

Основной недостаток датчика уровня заключается в том, что индикация фазы (уровня) достигается в точке (плоскости). Для представительного измерения уровня теплоносителя, например, в корпусе реактора необходима установка большого качества волноводов.The main disadvantage of the level sensor is that an indication of the phase (level) is achieved at a point (plane). For a representative measurement of the coolant level, for example, in the reactor vessel, it is necessary to install high-quality waveguides.

Кроме того, для получения надежного результата о состоянии теплоносителя в той или иной точке необходимо некоторое время (3-7 с), т.е. датчик уровня не позволяет измерять уровень теплоносителя в динамических (аварийных режимах).In addition, to obtain a reliable result on the state of the coolant at one point or another, some time is required (3-7 s), i.e. the level sensor does not allow measuring the coolant level in dynamic (emergency conditions).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является ультразвуковой уровнемер (Трофимов А.И., Мишук В.В. Ультразвуковой уровнемер. Авторское свидетельство СССР №827980. кл. G 01 F 23/28, 1979 г.) содержащий генератор импульсов, подключенный к излучающему пьезоэлементу, волновод, чувствительный элемент, закрепленный на волноводе в направлении нормали к его продольной оси и вторичную аппаратуру, включающую преобразователь акустических сигналов, аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed invention is an ultrasonic level meter (Trofimov A.I., Mishuk V.V. Ultrasonic level meter. USSR author's certificate No. 827980. Class G 01 F 23/28, 1979) containing a generator pulses connected to the radiating piezoelectric element, waveguide, sensing element mounted on the waveguide in the direction normal to its longitudinal axis and secondary equipment, including an acoustic signal transducer, analog-to-digital converter, personal computer Yyteri.

Основной недостаток датчика, используемого в качестве уровнемера, заключается в том, что определение уровня достигается в плоскости. Для представительного измерения уровня по высоте сосуда, например, корпуса реактора, необходима установка большого количества датчиков. При размещении чувствительного элемента по направлению силы тяжести не удается однозначно определить уровень жидкости, так как отсутствуют опорные точки, от которых возможно проводить определение (измерение) амплитуды сигнала. Характеристика датчика нелинейна.The main disadvantage of the sensor used as a level gauge is that level detection is achieved in the plane. For a representative level measurement along the height of the vessel, for example, the reactor vessel, it is necessary to install a large number of sensors. When placing the sensing element in the direction of gravity, it is not possible to unambiguously determine the liquid level, since there are no reference points from which it is possible to determine (measure) the amplitude of the signal. The characteristic of the sensor is non-linear.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении разрешающей способности датчика, что обеспечивается тем, что чувствительный элемент подсоединен к волноводу и оканчивается двумя отрезками длиной l, расположенными под углом π/2 к направлению силы тяжести, и расположен в плоскости, размещенной под углом α к направлению силы тяжести, причем угол α лежит в пределах 0<α<π/2.The technical result to which the invention is directed is to increase the resolution of the sensor, which is ensured by the fact that the sensitive element is connected to the waveguide and terminates in two segments of length l, located at an angle π / 2 to the direction of gravity, and located in a plane placed at an angle α to the direction of gravity, and the angle α lies in the range 0 <α <π / 2.

Достижение технического результата, заключающееся в повышении разрешающей способности, обеспечивается тем, что датчик имеет две опорные точки чувствительного элемента. Такими опорными точками являются отрезки длиной l, расположенные под углом π/2 к направлению силы тяжести. Благодаря прохождению акустического сигнала от этих отрезков к приемнику удается четко зафиксировать моменты взаимодействия среды с чувствительным элементом, причем в пределах между отрезками удается построить зависимость амплитуды сигнала от плотности среды (уровня) и, соответственно, определить уровень в пределах между отрезками чувствительного элемента. Длины отрезков не должны превышать длины чувствительного элемента и, как правило, выбираются из конструктивных соображений - удобства размещения датчика в канале. Расположение чувствительного элемента в плоскости, размещенной под углом α к направлению силы тяжести, преследует ту же цель - повышение разрешающей способности. При α=0 имеем максимальную разрешающую способность, в случае α=π/2 разрешающая способность минимальна - уровень фиксируется в точке (плоскости).The achievement of the technical result, which consists in increasing the resolution, is ensured by the fact that the sensor has two reference points of the sensing element. Such reference points are segments of length l located at an angle π / 2 to the direction of gravity. Due to the passage of the acoustic signal from these segments to the receiver, it is possible to clearly capture the moments of interaction of the medium with the sensitive element, and within the limits between the segments, it is possible to construct the dependence of the signal amplitude on the density of the medium (level) and, accordingly, determine the level between the segments of the sensitive element. The lengths of the segments should not exceed the length of the sensitive element and, as a rule, are selected from design considerations - the convenience of placing the sensor in the channel. The location of the sensitive element in a plane placed at an angle α to the direction of gravity pursues the same goal - increasing resolution. For α = 0, we have the maximum resolution, in the case α = π / 2, the resolution is minimal - the level is fixed at a point (plane).

На фиг.1 показан один элемент акустического датчика уровня. Датчик состоит из генератора 1, подающего радиоимпульсы на пьезоэлемент 3, излучающий акустическую энергию. 4 - волновод, передающий акустический сигнал на чувствительный элемент 5, 2 - вторичная аппаратура - включает преобразователь акустических сигналов, АЦП (аналого-цифровой преобразователь), персональный компьютер ПК и др.Figure 1 shows one element of an acoustic level sensor. The sensor consists of a generator 1, which supplies radio pulses to the piezoelectric element 3, emitting acoustic energy. 4 - a waveguide that transmits an acoustic signal to a sensitive element; 5 - secondary equipment - includes an acoustic signal converter, ADC (analog-to-digital converter), personal computer PC, etc.

Датчик работает следующим образом. При подаче на пьезоэлемент электрического радиоимпульса акустический сигнал по волноводу достигает чувствительного элемента раздваивается, проходит через плечи чувствительного элемента, отражается от места подсоединения волновода к чувствительному элементу и от его свободных концов - отрезков длиной l (возможно выполнение чувствительного элемента в виде замкнутого контура). Далее сигнал приходит на приемную аппаратуру и соответствующим образом обрабатывается.The sensor operates as follows. When an electric radio pulse is applied to the piezoelectric element, the acoustic signal bifurcates through the waveguide of the sensing element, passes through the shoulders of the sensing element, and is reflected from the point where the waveguide is connected to the sensing element and from its free ends - segments of length l (it is possible to make the sensitive element in the form of a closed loop). Next, the signal arrives at the receiving equipment and is processed accordingly.

На фиг.2 показана качественная зависимость амплитуды выходного сигнала для различных случаев. На фиг.2 приведена зависимость для случая, когда нижнее плечо соприкасается с жидкостью. Далее показано изменение амплитуды сигнала при дальнейшем подъеме жидкости вплоть до полного затопления второго плеча датчика жидкостью (1/2). Как видно из фиг.2, амплитуда изменяется от максимального значения А_mах, соответствующего нахождению чувствительного элемента в газе, до значения A₁ и А₂, когда одно плечо датчика соприкасается с газом A₁ и, соответственно, второе плечо соприкасается с жидкостью А₂. Как видно, датчик позволяет не только точно зафиксировать дискретные значения уровня (при значениях амплитуд A₁ и А₂ но и определить его промежуточные значения, когда значения амплитуд лежат в интервале A₁ и А₂.Figure 2 shows the qualitative dependence of the amplitude of the output signal for various cases. Figure 2 shows the dependence for the case when the lower shoulder is in contact with the liquid. The following shows the change in the signal amplitude with a further rise in the liquid up to the complete flooding of the second arm of the sensor with liquid (1/2). As can be seen from figure 2, the amplitude varies from the maximum value of A _max corresponding to the location of the sensing element in the gas, to the value of A ₁ and A ₂ when one arm of the sensor is in contact with the gas A ₁ and, accordingly, the second arm is in contact with the liquid A ₂ . As you can see, the sensor allows you to not only accurately record the discrete level values (for amplitudes A ₁ and A ₂ but also to determine its intermediate values when the amplitudes lie in the range A ₁ and A ₂ .

В качестве примера рассмотрим работу уровнемера в условиях: высоких температур и давлений. Уровнемер, фиг.3, устанавливался в стендовый компенсатор объема. Уровнемер содержал несколько (n1, n2, n3, n4) элементов, включающих волновод, чувствительный элемент и излучатель. Расстояние между отрезками l составляло 0,5 м, последнее позволило контролировать дискретно уровень в 8-ми точках и иметь практически линейное распределение сигнала в промежуточных точках (между отрезками 1). На фиг.4 показано изменение уровня при искусственном сбросе жидкости из компенсатора. Как видно, датчик позволяет зафиксировать уровень жидкости как в ряде дискретных точек, так и получить значения уровня в промежуточных точках.As an example, consider the operation of a level gauge in conditions of high temperatures and pressures. The level gauge, figure 3, was installed in a bench volume compensator. The level gauge contained several (n1, n2, n3, n4) elements, including a waveguide, a sensitive element, and an emitter. The distance between the segments l was 0.5 m, the latter made it possible to discretely control the level at 8 points and to have a practically linear distribution of the signal at intermediate points (between segments 1). Figure 4 shows the level change during artificial discharge of liquid from the compensator. As you can see, the sensor allows you to record the liquid level in a number of discrete points, as well as to obtain the level values at intermediate points.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить разрешающую способность измерения уровня, в том числе и в динамических режимах.Thus, the proposed technical solution allows to increase the resolution of the level measurement, including in dynamic modes.

Claims

An acoustic level sensor containing a pulse generator connected to a radiating piezoelectric element, a waveguide, a sensing element and secondary equipment, characterized in that the secondary equipment includes an acoustic signal transducer, an analog-to-digital converter, a personal computer, and the sensitive element is connected to the waveguide and ends in two segments length l, located at an angle π / 2 to the direction of gravity, and is located in a plane placed at an angle α to the direction of gravity, and the angle α lies in the range 0≤α≤π / 2.