RU2437066C1 - Method for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs and apparatus for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs - Google Patents
Method for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs and apparatus for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs Download PDFInfo
- Publication number
- RU2437066C1 RU2437066C1 RU2010125514/28A RU2010125514A RU2437066C1 RU 2437066 C1 RU2437066 C1 RU 2437066C1 RU 2010125514/28 A RU2010125514/28 A RU 2010125514/28A RU 2010125514 A RU2010125514 A RU 2010125514A RU 2437066 C1 RU2437066 C1 RU 2437066C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- receiver
- emitter
- antisymmetric
- symmetric
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технике контроля технологических параметров жидких сред в резервуарах для промышленных производств и может найти применение в химической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности, преимущественно для контроля уровня грязных жидкостей с отложениями агрессивных жидкостей в резервуарах, имеющих внутренние конструкции.The invention relates to techniques for controlling the technological parameters of liquid media in tanks for industrial production and can find application in the chemical, oil and gas and other industries, mainly for controlling the level of dirty liquids with deposits of aggressive liquids in tanks having internal structures.
Известен способ ультразвукового контроля уровня жидкости в резервуарах (авторское свидетельство СССР №343155, G01F 23/28, 1972), заключающийся в том, что в стенку резервуара под углом с ней параллельно поверхности контролируемой среды в зоне контроля вводят продольную ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости нормальной волны (волны Лэмба), распространяющейся в стенке, а после прохождения некоторого фиксированного расстояния по стенке принимают волну Лэмба и используют ее амплитуду в качестве информационного сигнала о положении уровня жидкости.A known method of ultrasonic control of the liquid level in tanks (USSR author's certificate No. 343155, G01F 23/28, 1972), which consists in the fact that a longitudinal ultrasonic wave is introduced into the wall of the tank at an angle to it parallel to the surface of the controlled medium in the control zone, the trace speed of which on the input surface set equal to the speed of a normal wave (Lamb wave) propagating in the wall, and after passing a certain fixed distance along the wall, the Lamb wave is taken and its amplitude is used as ve information signal about the position of the liquid level.
Недостатком этого способа контроля уровня жидкости, снижающим его надежность и точность, является нестабильность амплитуды информационного сигнала при изменении толщины стенок в резервуаре из-за коррозии или воздействия на них агрессивных сред и зарастания остаточными компонентами жидких реагентов. Нестабильность информационного сигнала, при таком способе, обусловливается также изменениями акустического сопротивления контактного слоя между акустическими преобразователями и стенкой резервуара.The disadvantage of this method of controlling the liquid level, which reduces its reliability and accuracy, is the instability of the amplitude of the information signal when the wall thickness in the tank changes due to corrosion or exposure to aggressive environments and overgrowth of residual components of the liquid reagents. The instability of the information signal, with this method, is also due to changes in the acoustic resistance of the contact layer between the acoustic transducers and the tank wall.
Известно устройство (авторское свидетельство СССР №343155, G01F 23/28, 1972), которое реализует указанный способ контроля уровня в закрытых резервуарах, содержащее два идентичных наклонных акустических преобразователя, установленных на внешней поверхности резервуара на фиксированном расстоянии навстречу друг другу, последовательно соединенные возбудитель и усилитель мощности. Подключенный к одному из акустических преобразователей, последовательно соединенные усилитель, селекторный каскад (первым входом), детектор и измерительный каскад, последовательно соединенные синхронизатор, блок задержки, формирователь стробо-импульса, подключенные - синхронизатор к входу возбудителя, а формирователь стробо-импульса к второму входу первого селекторного каскада, включенного между усилителем и детектором.A device is known (USSR author's certificate No. 343155, G01F 23/28, 1972), which implements the indicated level control method in closed tanks, containing two identical inclined acoustic transducers mounted on the outer surface of the tank at a fixed distance towards each other, connected pathogen and amplifier. Connected to one of the acoustic transducers, an amplifier, a cascade (first input) connected in series, a detector and a measuring cascade, a synchronizer, a delay unit, a strobe-driver, connected in series - a synchronizer to the exciter input, and a strobe-driver to the second input the first selector stage connected between the amplifier and the detector.
Недостатком этого устройства является низкая надежность и точность, обусловленная зависимостью информационных сигналов от влияния дестабилизирующих факторов, например изменяющегося акустического сопротивления контактного слоя между акустическими датчиками и стенкой резервуара.The disadvantage of this device is the low reliability and accuracy due to the dependence of information signals on the influence of destabilizing factors, for example, the changing acoustic resistance of the contact layer between the acoustic sensors and the tank wall.
Известен другой способ контроля уровня жидкости (патент РФ №2112221, G01F 23/296, 1998), заключающийся в том, что ультразвуковую волну вводят в стенку резервуара параллельно поверхности жидкой среды, а ультразвуковая волна, распространяющаяся на фиксированном участке стенки, является волной Лэмба, одновременно там же излучателем возбуждают в стенке резервуара продольную ультразвуковую волну, распространяющуюся в плоскости горизонтального сечения резервуара по хорде окружности резервуара через стенку, контролируемую жидкую среду и противоположную стенку. Принимают эту волну тем же приемником во временной зоне, отличной от временной зоны приема волны Лэмба, выделяют в каждой временной зоне амплитудные значения волны Лэмба или продольной волны, формируют по ним на заданном пороговом уровне чувствительности нормированные информационные сигналы, с помощью которых управляют промежуточным запоминающим устройством (ПЗУ), на выходе которого получают один сигнал по наличию на входе ПЗУ двух или хотя бы одного из нормированных информационных сигналов за период следования возбуждающих импульсов, по которому судят о наличии жидкости на контролируемом уровне в резервуаре.There is another way to control the liquid level (RF patent No. 2112221, G01F 23/296, 1998), which consists in the fact that the ultrasonic wave is introduced into the tank wall parallel to the surface of the liquid medium, and the ultrasonic wave propagating on a fixed portion of the wall is a Lamb wave, at the same time, a longitudinal ultrasonic wave propagating in the plane of the horizontal section of the tank along the chord of the tank circumference through a wall controlled by a liquid medium and opposite new wall. This wave is received by the same receiver in a time zone different from the time zone of the Lamb wave reception, the amplitude values of the Lamb wave or the longitudinal wave are extracted in each time zone, and normalized information signals are generated from them at a predetermined threshold sensitivity level, by which the intermediate storage device is controlled (ROM), the output of which receives one signal by the presence at the input of the ROM of two or at least one of the normalized information signals during the period of the excitation pulses which judges the presence of fluid at a controlled level in the tank.
Недостатком второго способа контроля уровня жидкости является недостаточная надежность, обусловленная тем обстоятельством, что время прохождения продольной волны гораздо больше, чем волны Лэмба, поэтому временной интервал ее приема может совпасть (наложиться) с приемом отраженных сигналов, распространяемых в стенке резервуара. Кроме всего прочего, амплитудная нестабильность ее сигнала обусловлена изменяющимися свойствами жидкости, уровень которой контролируется.The disadvantage of the second method of controlling the liquid level is the lack of reliability due to the fact that the propagation time of a longitudinal wave is much longer than the Lamb wave, therefore, the time interval for its reception can coincide (overlap) with the reception of reflected signals propagated in the tank wall. Among other things, the amplitude instability of its signal is due to the changing properties of the liquid, the level of which is controlled.
Известен третий способ контроля уровня жидкости (патент РФ №2123172, G01F 23/296, 1998) - принят за прототип способа.There is a third method for controlling the liquid level (RF patent No. 2123172, G01F 23/296, 1998) - adopted as a prototype of the method.
В этом способе так же как и в первом в стенку резервуара под углом к ней параллельно поверхности контролируемой среды в зоне контроля вводят продольную ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости нормальной волны (волны Лэмба), но в отличие от первого одновременно дополнительно возбуждают поверхностную волну, не испытывающую затухания при демпфировании стенки резервуара жидкостью в зоне контроля уровня, принимают ее тем же акустическим приемником, ослабляют принятый входной сигнал, содержащий обе волны. Выделяют в нем амплитуду поверхностной волны, детектируют ее и формируют пороговый сигнал, значение которого запоминают, сравнивают амплитуду поверхностной волны с пороговым сигналом и при ее снижении формируют периодическую последовательность управляющих импульсов, число которых пропорционально величине снижения амплитуды поверхностной волны относительно порогового сигнала и обратно пропорционально значению первоначально введенного ослабления, направляют импульсы в цепи ослабления входного сигнала и восстанавливают амплитуду информационной нормальной волны.In this method, as well as in the first, a longitudinal ultrasonic wave is introduced into the tank wall at an angle to it parallel to the surface of the controlled medium in the control zone, the trace speed of which along the input surface is set equal to the speed of the normal wave (Lamb wave), but unlike the first at the same time additionally excite a surface wave that does not experience attenuation when the tank wall is damped by a liquid in the level control zone, receive it with the same acoustic receiver, attenuate the received input signal, with possessing both waves. The amplitude of the surface wave is extracted in it, it is detected and a threshold signal is formed, the value of which is stored, the amplitude of the surface wave is compared with the threshold signal, and when it is reduced, a periodic sequence of control pulses is generated, the number of which is proportional to the decrease in the amplitude of the surface wave relative to the threshold signal and is inversely proportional to the value initially introduced attenuation, direct pulses in the attenuation circuit of the input signal and restore the amplitude informational normal wave.
К недостаткам последнего способа контроля уровня жидкости, снижающим его надежность и точность, следует отнести то, что в качестве опорного сигнала в нем используется поверхностная волна, скорость которой меньше скорости волны Лэмба, используемой в качестве информационной. Вследствие этого временная зона приема опорного сигнала может совпасть с действием других волн, распространяемых в стенке резервуара, в том числе отраженных, снижающих надежность выделения ее сигнала. Кроме этого конечные геометрические размеры излучателя и приемника при параллельном их расположении, относительно контролируемого уровня, создают так называемый краевой эффект, проявляющийся в том, что в зоне контроля уровня жидкости, ограниченной по высоте размерами площади их контакта с поверхностью резервуара, образуется гистерезисная зависимость амплитуды информационного сигнала от положения уровня жидкости, при его прохождении зоны контроля. Такая зависимость вносит некоторую неоднозначность в определение положения уровня жидкости, тем самым снижается и точность. Третий недостаток связан с тем обстоятельством, что первоначальная настройка и запуск контроля уровня жидкости априори предполагает наличие хорошего акустического контакта излучателя и приемника, а также относительную неизменность акустических характеристик трактов прохождения поверхностной волны и волны Лэмба, что не всегда может соблюдаться.The disadvantages of the latter method of controlling the liquid level, reducing its reliability and accuracy, include the fact that it uses a surface wave as a reference signal, the speed of which is less than the speed of the Lamb wave used as information. As a result, the time zone of receiving the reference signal may coincide with the action of other waves propagating in the tank wall, including reflected waves, which reduce the reliability of isolating its signal. In addition, the final geometrical dimensions of the emitter and receiver, in parallel with their location, relative to the controlled level, create the so-called edge effect, which manifests itself in the fact that in the zone of control of the liquid level, limited in height by the size of the area of their contact with the surface of the tank, a hysteretic dependence of the information amplitude signal from the position of the liquid level, when it passes through the control zone. This dependence introduces some ambiguity in determining the position of the liquid level, thereby reducing accuracy. The third drawback is due to the fact that the initial setup and start of control of the liquid level a priori implies the presence of good acoustic contact between the emitter and the receiver, as well as the relative immutability of the acoustic characteristics of the paths of the surface wave and the Lamb wave, which can not always be observed.
Известно устройство (патент РФ №2123172, G01F 23/296, 1998) - принят за прототип устройства. Устройство, реализующее данный способ, состоит из акустических излучателя и приемника, содержащих по два пьезопреобразователя, установленных под разными углами на волноводе для возбуждения в стенке поверхностной и нормальной волны Лэмба. При этом акустический приемник и излучатель установлены на внешней поверхности резервуара по линии, параллельной поверхности контролируемой жидкости на фиксированном расстоянии навстречу друг другу. Кроме этого устройство содержит электронный блок формирования и выделения сигналов, подключенный своим выходом к передатчику акустических сигналов, а входом - к приемнику акустических сигналов. Электронный блок формирования и выделения сигнала включает в себя синхронизатор, выход которого подключен к возбудителю, первому входу схемы совпадения, первой и второй линиям задержки. Выход возбудителя связан с усилителем мощности, выход которого является выходом блока формирования и выделения сигнала, а входом - вход сумматора, выход которого подключен к первому входу аттенюатора, связанного своим выходом через усилитель со вторыми входами двух селекторных каналов. Первые входы этих селекторных каналов через соответствующие формирователи связаны с выходами первой и второй линий задержки. Выход второго селекторного канала через второй пиковый детектор подключен к измерительному каналу. Выход первого селекторного канала через первый пиковый детектор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к задатчику опорного напряжения. Выход компаратора подключен ко второму входу схемы совпадения, выход которой через последовательно соединенные счетчик, дешифратор и блок аналоговых ключей связан со вторым входом аттенюатора.A device is known (RF patent No. 2123172, G01F 23/296, 1998) - adopted as a prototype device. A device that implements this method consists of an acoustic emitter and a receiver, each containing two piezoelectric transducers installed at different angles on the waveguide to excite the surface and normal Lamb waves in the wall. In this case, the acoustic receiver and emitter are installed on the outer surface of the tank along a line parallel to the surface of the controlled fluid at a fixed distance towards each other. In addition, the device contains an electronic unit for generating and extracting signals, connected by its output to the transmitter of acoustic signals, and the input to the receiver of acoustic signals. The electronic unit for generating and isolating the signal includes a synchronizer, the output of which is connected to the pathogen, the first input of the matching circuit, the first and second delay lines. The output of the pathogen is connected to a power amplifier, the output of which is the output of the signal generating and isolation unit, and the input is the adder input, the output of which is connected to the first input of the attenuator, connected by its output through the amplifier to the second inputs of two selector channels. The first inputs of these selector channels through the corresponding shapers are connected to the outputs of the first and second delay lines. The output of the second selector channel through the second peak detector is connected to the measuring channel. The output of the first selector channel through the first peak detector is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the reference voltage adjuster. The output of the comparator is connected to the second input of the matching circuit, the output of which is connected through a series-connected counter, decoder and block of analog keys to the second input of the attenuator.
Недостатком этого устройства является недостаточная точность и надежность. Конструкция акустического излучателя и приемника, содержащих по два пьезопреобразователя, образующих тем самым два тракта прохождения и выделения сигналов различными элементами акустического излучателя и приемника, требует идентичности влияния внешних факторов, в частности температуры, на характеристики этих элементов, что практически затруднительно, и приводит к искажению итогового сигнала о положении контролируемого уровня жидкости. Недостаточная точность обусловлена также тем, что гистерезисная характеристика зависимости амплитуды информационного сигнала от положения уровня жидкости в зоне контроля, близко примыкающей к линии, на которой располагаются акустический излучатель и приемник, создает неоднозначную связь уставки сравнения амплитуды информационного сигнала с положением уровня жидкости в этой зоне.The disadvantage of this device is the lack of accuracy and reliability. The design of an acoustic emitter and a receiver, each containing two piezoelectric transducers, thereby forming two paths of signal transmission and isolation by various elements of the acoustic emitter and receiver, requires the influence of external factors, in particular temperature, on the characteristics of these elements to be identical, which is practically difficult and leads to distortion the final signal about the position of the controlled liquid level. The lack of accuracy is also due to the fact that the hysteresis characteristic of the dependence of the amplitude of the information signal on the position of the liquid level in the control zone, which is adjacent to the line on which the acoustic emitter and receiver are located, creates an ambiguous relationship between the settings for comparing the amplitude of the information signal and the position of the liquid level in this zone.
Недостаточная надежность устройства обусловлена его сложностью. В его структуре присутствуют элементы цепи автоподстройки усиления принимаемых акустических сигналов, которая сама требует предварительной настройки. Причем, априори предполагается, что такая настройка должна проводиться при хорошем акустическом контакте излучателя и приемника с поверхностью резервуара. Соблюдение этого условия в реальности требует дополнительных непростых технических процедур.The lack of reliability of the device due to its complexity. Its structure contains elements of a self-tuning circuit of amplification of received acoustic signals, which itself requires preliminary tuning. Moreover, a priori it is assumed that such a setting should be carried out with good acoustic contact between the emitter and the receiver and the surface of the tank. Compliance with this condition in reality requires additional complex technical procedures.
Технический эффект изобретения - повышение надежности и точности контроля уровня жидкости в резервуаре.The technical effect of the invention is to increase the reliability and accuracy of monitoring the liquid level in the tank.
Единый технический результат при осуществлении группы изобретений для способа достигается тем, что в способе в зоне контроля в стенку резервуара с помощью ультразвукового излучателя периодически вводят нормальную волну, распространяющуюся по стенке резервуара, принимают эту волну акустическим приемником, установленным на фиксированном расстоянии от излучателя, используют энергетическую характеристику этой волны в качестве информационного сигнала для определения положения уровня жидкости в зоне контроля относительно установленных излучателя и приемника, причем излучатель и приемник располагают на внешней поверхности резервуара согласно изобретению так, что ввод акустических сигналов излучателем и приемником осуществляют перпендикулярно к поверхности стенки резервуара, и располагают их по высоте так, чтобы зона контроля уровня жидкости находилась между ними, возбуждающие и принимающие соответственно в ней одновременно симметричную и антисимметричную волны Лэмба нулевой моды, затем оцифровывают с помощью аналого-цифрового преобразования принятые сигналы, выделяют цифровые последовательности, относящиеся к симметричной и антисимметричной волнам Лэмба нулевой моды, вычисляют отношение энергетических характеристик этих волн, сравнивают его с постоянной, наперед заданной величиной и формируют сигнал, индицирующий положение уровня жидкости в зоне контроля, соответствующего заданной величине отношения характеристик сигналов.A single technical result in the implementation of the group of inventions for the method is achieved by the fact that in the method in the control zone, a normal wave propagating along the wall of the tank is periodically introduced into the tank wall using an ultrasonic emitter, the wave is received by an acoustic receiver installed at a fixed distance from the emitter, and the energy the characteristic of this wave as an information signal for determining the position of the liquid level in the control zone is relatively established x the emitter and the receiver, and the emitter and receiver are located on the outer surface of the tank according to the invention so that the input of acoustic signals by the emitter and receiver is perpendicular to the surface of the tank wall, and they are positioned in height so that the area of the liquid level control is between them, exciting and receiving respectively the symmetric and antisymmetric zero-mode Lamb waves in it, then digitize the received signals using analog-to-digital conversion, into fissioning digital sequences relating to the symmetric and antisymmetric Lamb waves zero mode, calculating the ratio of the energy characteristics of these waves, it is compared with a constant, predetermined value and generating a signal indicating the position of the liquid level in the control zone corresponding to a predetermined value of the ratio of signal characteristics.
Таким образом устраняется зависимость информационного сигнала от нестабильности акустических характеристик излучателя и приемника, качества их контакта с поверхностью и одновременно устраняется неоднозначность определения уровня, связанная с так называемым краевым эффектом, повышая в целом надежность и точность определения уровня жидкости в резервуаре.This eliminates the dependence of the information signal on the instability of the acoustic characteristics of the emitter and receiver, the quality of their contact with the surface and at the same time eliminates the ambiguity in determining the level associated with the so-called edge effect, increasing the reliability and accuracy of determining the liquid level in the tank.
Технический результат, включая надежное определение положения уровня жидкости в резервуаре, достигается тем, что в качестве информационной величины, по которой определяют положение уровня жидкости, используют отношение энергетических характеристик симметричной и антисимметричной волн Лэмба нулевого порядка. Одновременное возбуждение и прием этих волн, разнесенных во времени, осуществляется акустическими пьезопреобразователями, установленными нормально к поверхности резервуара, осуществлящих, таким образом, преимущественное их возникновение. Симметричная и антисимметричная волны Лэмба нулевого порядка имеют различные скорости распространения в стенке резервуара, превышающие скорость поверхностной волны, поэтому их прием осуществляется в начальной временной зоне, «чистой» от действия других волн, повышая тем самым надежность их выделения. Использованием в качестве информационной величины именно отношения энергетических характеристик сигналов этих волн достигается устранение дестабилизирующих внутренних факторов конструкции самого устройства, связанных с нестабильностью характеристик элементов трактов формирования и выделения сигналов, а также самих волн Лэмба и внешних факторов, влияющих на каналы формирования и выделения сигналов: качество акустического контакта излучателя и приемника с поверхностью резервуара, температура окружающей среды и жидкости резервуара.The technical result, including reliable determination of the position of the liquid level in the tank, is achieved by the fact that the ratio of the energy characteristics of symmetric and antisymmetric Lamb waves of zero order is used as the information value by which the position of the liquid level is determined. The simultaneous excitation and reception of these waves, separated in time, is carried out by acoustic piezoelectric transducers installed normally to the surface of the tank, thus realizing their predominant occurrence. Symmetric and antisymmetric zero-order Lamb waves have different propagation velocities in the tank wall that exceed the speed of the surface wave, so they are received in the initial time zone, “clean” from the action of other waves, thereby increasing the reliability of their separation. By using precisely the ratio of the energy characteristics of the signals of these waves as an information quantity, the destabilizing internal factors of the design of the device itself are eliminated, associated with the instability of the characteristics of the elements of the signal generation and extraction paths, as well as the Lamb waves themselves and external factors affecting the signal generation and extraction channels: acoustic contact of the emitter and receiver with the surface of the tank, ambient temperature and liquid tank but.
Технический результат, состоящий в повышении точности определения положения уровня, достигается тем, что излучатель и приемник располагают по высоте так, чтобы зона контроля уровня жидкости находилась между ними.The technical result, which consists in increasing the accuracy of determining the position of the level, is achieved by the fact that the emitter and the receiver are positioned in height so that the zone of control of the liquid level is between them.
Такое расположение устраняет неоднозначность определения уровня, которое наблюдается в зоне, определяемой геометрическими размерами излучателя и приемника, при расположении их по линии, параллельной уровню жидкости, связанную с краевым эффектом.This arrangement eliminates the ambiguity in determining the level, which is observed in the area determined by the geometric dimensions of the emitter and receiver, when they are arranged along a line parallel to the liquid level associated with the edge effect.
Различная степень затухания при распространении по стенке резервуара и демпфирования жидкостью симметричной и антисимметричной волн Лэмба отражается в отношении их сигналов. Величина этого отношения зависит от соотношения длины участка стенки резервуара, соприкасающейся с жидкостью, и свободным, вдоль линии, на которой расположены приемник и излучатель. В зоне контроля величина этого отношения однозначно определяет положение уровня жидкости по линии установки излучателя и приемника. На этом отношении не сказывается влияние внешних факторов на приемник, излучатель и приемопередающие тракты, поскольку этим отношением они в значительной мере компенсируются.Different degrees of attenuation during the propagation of symmetric and antisymmetric Lamb waves along the tank wall and damping by a liquid are reflected with respect to their signals. The magnitude of this ratio depends on the ratio of the length of the section of the wall of the tank in contact with the liquid and free along the line on which the receiver and emitter are located. In the control zone, the value of this ratio uniquely determines the position of the liquid level along the installation line of the emitter and receiver. This effect is not affected by the influence of external factors on the receiver, emitter, and transceiver paths, since they are largely compensated by this ratio.
Технический результат, состоящий в повышении надежности, достигается также тем, что формирование акустических сигналов двух типов, симметричных и антисимметричных волн Лэмба осуществляется по одним и тем же каналам преобразователей, что значительно снижает разброс влияния дестабилизирующих внешних факторов, особенно температуры, на итоговое значение сигнала, или существенно снижает границы такого влияния.The technical result, which consists in increasing reliability, is also achieved by the fact that the formation of acoustic signals of two types, symmetric and antisymmetric Lamb waves is carried out through the same channels of the transducers, which significantly reduces the spread of the influence of destabilizing external factors, especially temperature, on the final signal value, or significantly reduces the boundaries of such an effect.
Наряду с единым техническим эффектом способ обеспечивает и дополнительный технический эффект, состоящий в расширении функциональных возможностей способа, который достигается тем, что позволяет контролировать несколько положений уровня жидкости в зоне контроля без перестановки приемника и излучателя изменением уставки сравнения отношения энергетических характеристик сигналов.Along with a single technical effect, the method provides an additional technical effect, which consists in expanding the functionality of the method, which is achieved by allowing several positions of the liquid level in the control zone to be controlled without rearranging the receiver and emitter by changing the comparison setting of the ratio of the energy characteristics of the signals.
Дополнительный эффект, состоящий в расширении функциональных возможностей, достигается в зависимом п.2 формулы изобретения в том случае, когда формирование акустических сигналов излучателем осуществляют подачей на него электрического импульса П-образной формы длительностью, превышающей время прохождения антисимметричной волной Лэмба нулевой моды расстояния между излучателем и приемником, фиксируя таким образом приемником волны, возбуждаемые только передним фронтом импульса.An additional effect consisting in expanding the functionality is achieved in the
Этот П-образный импульс возбуждения формирует передним своим фронтом только короткие импульсы симметричных и антисимметричных волн Лэмба нулевого порядка, не перекрывающиеся даже на коротких расстояниях между излучателем и приемником, что позволяет использовать этот способ и для резервуаров небольших размеров.This U-shaped pulse of excitation generates with its front edge only short pulses of symmetric and antisymmetric zero-order Lamb waves, which do not overlap even at short distances between the emitter and receiver, which allows this method to be used for small tanks as well.
Технический эффект достигается в зависимых пп.3 и 4 формулы изобретения на способ и в том случае, когда в качестве отношения энергетических характеристик используют отношение амплитуд или интегральных значений выделенных оцифрованных сигналов симметричной и антисимметричной волн Лэмба нулевой моды.The technical effect is achieved in the
Такое определение итогового значения сигнала позволяет усреднять полученные значения за определенный период, что значительно устраняет случайные шумовые флуктуации сигналов, а также влияние внешних акустических сигналов, вызванных работой других механизмов.This determination of the final signal value allows us to average the obtained values over a certain period, which significantly eliminates random noise fluctuations in the signals, as well as the influence of external acoustic signals caused by the operation of other mechanisms.
Единый технический результат при осуществлении группы изобретений для устройства достигается тем, что в устройство для контроля уровня жидкости в резервуарах, содержащее акустический излучатель и акустический приемник, включающие пьезопреобразователи, установленные на внешней поверхности резервуара на фиксированном расстоянии друг от друга, приемный усилитель, усилитель мощности, выход которого подключен к акустическому излучателю, блок формирования и преобразования сигналов, вход которого связан с выходом приемного усилителя, а выход - со входом усилителя мощности, согласно изобретению излучатель и приемник акустических сигналов установлены по высоте так, что зона контроля уровня жидкости оказывается между ними, каждый из которых содержит по одному пьезопреобразователю, установленному с возможностью перпендикулярного ввода к поверхности стенки резервуара акустических сигналов для возбуждения одновременно симметричной и антисимметричной нормальных волн Лэмба нулевой моды, при этом вход приемного усилителя подключен к выходу акустического приемника, а блок формирования и преобразования сигнала выполнен в виде микроконтроллера.A single technical result in the implementation of the group of inventions for the device is achieved by the fact that in the device for controlling the liquid level in the tanks, containing an acoustic emitter and an acoustic receiver, including piezoelectric transducers installed on the outer surface of the tank at a fixed distance from each other, a receiving amplifier, a power amplifier, the output of which is connected to an acoustic emitter, a signal generation and conversion unit, the input of which is connected to the output of the receiving amplifier, and in output - with the input of the power amplifier, according to the invention, the emitter and receiver of acoustic signals are mounted in height so that the liquid level control zone is between them, each of which contains one piezoelectric transducer installed with the possibility of perpendicular input of acoustic signals to the surface of the tank wall to excite simultaneously symmetric and antisymmetric normal Lamb waves of zero mode, while the input of the receiving amplifier is connected to the output of the acoustic receiver, and the unit ormirovaniya and signal conversion is designed as a microcontroller.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства для определения положения уровня в резервуаре.Figure 1 shows a structural diagram of a device for determining the position of the level in the tank.
На фиг.2 представлена схема расположения акустического излучателя и приемника на стенке резевуара.Figure 2 presents the location of the acoustic emitter and receiver on the wall of the reservoir.
Устройство для контроля уровня жидкости в резервуарах содержит акустический излучатель 1 и акустический приемник 2, содержащие по одному пьезопреобразователю 3 каждый, установленные на внешней поверхности стенки 4 резервуара по линии, пересекающей зону контроля положения уровня жидкости на фиксированном расстоянии друг от друга и расположенные перпендикулярно к поверхности стенки резервуара, усилитель мощности 5, выход которого подключен к акустическому излучателю 1 и приемный усилитель 6, подключенный своим входом к акустическому приемнику 2, с помощью которых формируют и принимают соответственно сигналы нормальных симметричных и антисимметричных волн Лэмба нулевой моды. Вход усилителя мощности и выход приемного усилителя связаны с выходом и входом блока формирования и обработки сигнала 7, выполненного на основе микроконтроллера и включающий в свой состав аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, преобразующий сигнал, поступающий на вход блока формирования и обработки сигнала 7 в цифровую последовательность, которая поступает в оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 9, хранящее цифровую последовательность, относящуюся к одному периоду сигналов, которые обрабатываются одним из способов, по программе записанной в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10 центральным процессором (ЦП) 11, реализующий программу обработки, формирующий импульсы на выходе блока формирования и обработки сигналов 7 и выдающий сигнал индикации о результате отбработки на индикатор 12.A device for monitoring the liquid level in tanks contains an
На фиг.2 показано возможное расположение акустического излучателя 1 и акустического приемника 2 на внешней поверхности резервуара 4 относительно положения уровня жидкости 13, находящегося в зоне контроля 14.Figure 2 shows the possible location of the
Устройство работает следующим образом. Центральный процессор 11 формирует серию периодических импульсов, которые усиливаются усилителем мощности 5 и подаются на акустический излучатель 1, пьезопреобразователь 3 которого преобразует их в акустические сигналы. Эти сигналы вводятся в стенку резервуара с внешней его поверхности, перпендикулярно к ней, возбуждая преимущественно симметричную и антисимметричную волну Лэмба нулевой моды. Затем эти волны распространяются по стенке резервуара в разных направлениях, часть их энергии достигает и приемника акустических сигналов 2, конструктивно выполненного аналогично излучателю 1. Энергия акустических волн Лэмба, достигших приемника, преобразуется его пьезопреобразователем 3 в электрические импульсы, которые усиливаются приемным усилителем 6 и поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 8 блока формирования и преобразования сигналов 7, который преобразует их в цифровые последовательности, и записываются в ОЗУ 9. Затем по программе, хранимой в ПЗУ 10 центральным процессором 11, выполняется преобразование хранимой в ОЗУ 9 последовательности одним или несколькими способами в результирующий сигнал, индицирующий положение уровня в зоне контроля. Это преобразование заключается в выделении из них значений, относящихся к симметричным и антисимметричным волнам Лэмба нулевой моды, определение по ним энергетических характеристик этих волн (амплитуд, суммы значений, относящихся к их импульсам), вычисление отношения между ними и сравнение с заданной уставкой (или несколькими уставками). По этим сравнениям вырабатываются сигналы для индикации, поступающие на внешний индикатор 12 положения уровня 13 в зоне контроля 14.The device operates as follows. The Central processor 11 generates a series of periodic pulses, which are amplified by a power amplifier 5 and supplied to the
Формирование и прием одним и тем же пьезопреобразователем 3 двух типов акустических волн, обеспеченные конструкцией прямоугольной контактной призмы акустического излучателя и акустического приемника устройства, а также их перпендикулярной установкой к поверхности стенки резервуара, обеспечивает их преимущественное формирование и одинаковое влияние на них внешних факторов (акустический контакт и температура), которые компенсируются в итоговом сигнале, при вычислении отношений характеристик их сигналов. Формирование, таким образом, нормальных волн Лэмба нулевой моды, отличающихся наибольшей скоростью, позволяет их затем выделять в «чистой» временной зоне, свободной от действия других составляющих. Экспериментально найдено подтверждение, что антисимметричные волны Лэмба в большей степени, чем симметричные, поглощаются жидкостью при их распространении в стенке резервуара на пути контакта этой жидкости по внутренней поверхности. Таким образом, сигналы симметричных волн Лэмба выступают в качестве опорных значений в результирующем значении отношения характеристик симметричных и антисимметричных волн Лэмба, однозначно связывая его с положением уровня жидкости 13, находящегося в зоне контроля 14, поскольку он определяет длину пути контакта внутренней стенки с жидкостью, а значит, и степень поглощения, находящегося между акустическим излучателем 1 и акустическим приемником 2.The formation and reception by the same piezoelectric transducer 3 of two types of acoustic waves, provided by the construction of a rectangular contact prism of the acoustic emitter and the acoustic receiver of the device, as well as their perpendicular installation to the surface of the tank wall, ensures their preferential formation and the same influence of external factors on them (acoustic contact and temperature), which are compensated in the final signal, when calculating the relations of the characteristics of their signals. Thus, the formation of normal Lamb waves of zero mode, which are distinguished by the highest speed, allows them to then be distinguished in a “clean” time zone, free from the action of other components. It was found experimentally that antisymmetric Lamb waves are absorbed by a liquid to a greater extent than symmetric waves as they propagate in the tank wall along the contact path of this liquid on the inner surface. Thus, the signals of the symmetric Lamb waves act as reference values in the resulting value of the ratio of the characteristics of the symmetric and antisymmetric Lamb waves, unambiguously associating it with the position of the
Наличие цифровой обработки сигналов в устройстве позволяет оптимальным образом обеспечивать реализацию способов определения итогового сигнала индицирующего положение уровня жидкости и производить его настройку без определения предварительных данных о состоянии качества акустического контакта излучателя и приемника.The presence of digital signal processing in the device makes it possible to optimally implement the methods for determining the final signal indicating the position of the liquid level and to configure it without determining preliminary data on the quality status of the acoustic contact of the emitter and receiver.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010125514/28A RU2437066C1 (en) | 2010-06-21 | 2010-06-21 | Method for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs and apparatus for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010125514/28A RU2437066C1 (en) | 2010-06-21 | 2010-06-21 | Method for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs and apparatus for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2437066C1 true RU2437066C1 (en) | 2011-12-20 |
Family
ID=45404425
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010125514/28A RU2437066C1 (en) | 2010-06-21 | 2010-06-21 | Method for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs and apparatus for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2437066C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583167C1 (en) * | 2015-02-11 | 2016-05-10 | Светозар Вячеславович Трусилло | Method of measuring gas flow in pipelines and device therefor |
| RU2608343C1 (en) * | 2015-07-31 | 2017-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр Техноавтомат" (ООО "НИЦ Техноавтомат") | Method of controlling liquid level in reservoirs by lamb waves characteristics and device for its implementation |
-
2010
- 2010-06-21 RU RU2010125514/28A patent/RU2437066C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583167C1 (en) * | 2015-02-11 | 2016-05-10 | Светозар Вячеславович Трусилло | Method of measuring gas flow in pipelines and device therefor |
| RU2608343C1 (en) * | 2015-07-31 | 2017-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр Техноавтомат" (ООО "НИЦ Техноавтомат") | Method of controlling liquid level in reservoirs by lamb waves characteristics and device for its implementation |
| WO2017023191A1 (en) * | 2015-07-31 | 2017-02-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр Техноавтомат" (ООО "НИЦ Техноавтомат") | Liquid level monitoring in reservoirs using lamb wave characteristics |
| US10345135B2 (en) | 2015-07-31 | 2019-07-09 | Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennostyu “Nauchno-Issledovatelsky Tsentr Tekhnoavtomat” (Ooo “Nits Tekhnoavtomat”) | Method for controlling the liquid level in tanks as per characteristics of lamb waves and device for ultrasonic control of the liquid level in tanks |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10281315B2 (en) | System and method for measuring a speed of sound in a liquid or gaseous medium | |
| US9557208B2 (en) | Liquid level measuring apparatus, method, and program | |
| RU2608343C1 (en) | Method of controlling liquid level in reservoirs by lamb waves characteristics and device for its implementation | |
| US10641641B2 (en) | Method for ascertaining a characteristic variable for evaluating a measuring arrangement comprising a clamp-on, ultrasonic, flow measuring device and a pipe and/or for evaluating measurement operation of such a measuring arrangement | |
| US7779693B2 (en) | Method for nondestructive testing of pipes for surface flaws | |
| US9383238B2 (en) | Apparatus, system and process for characterizing multiphase fluids in a fluid flow stream | |
| US20180003680A1 (en) | Automatic transducer operating parameter selection | |
| KR102204747B1 (en) | Damage detection method using lamb wave signal energy | |
| EP3710795B1 (en) | Device and method for detecting deposition layers in a conduit conducting a liquid or a soft medium and/or for level detection | |
| WO2009035335A1 (en) | Acoustic thickness measurements using gas as a coupling medium | |
| RU2437066C1 (en) | Method for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs and apparatus for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs | |
| EP3844530A1 (en) | Continuous wave ultrasound or acoustic non-destructive testing | |
| JP2008151705A (en) | Ultrasonic thickness measuring method and device | |
| JP2018205185A5 (en) | ||
| RU2580907C1 (en) | Ultrasonic waveguide level meter for liquid | |
| RU2231753C1 (en) | Procedure measuring thickness of article with use of ultrasonic pulses | |
| JP4904099B2 (en) | Pulse signal propagation time measurement device and ultrasonic flow measurement device | |
| US9518959B2 (en) | Structural health monitoring system and method | |
| RU2714868C1 (en) | Method of detecting pitting corrosion | |
| Nishino | An investigation of reflection coefficients of the T (0, 1) mode guided waves at axisymmetric defects and inverse problem analyses for estimations of defect shapes | |
| RU2687846C1 (en) | Method of determining pipeline wall thickness in zone of defect of "metal loss" type based on statistical stabilization of signal parameters according to ultrasonic section wm | |
| RU2301420C2 (en) | Mode of definition of coefficient of longitudinal ultrasound vibrations' fading in material | |
| JP4674007B2 (en) | Liquid level measuring device in pipe and liquid level measuring method | |
| de Oliveira et al. | Multi-layer level measurement using adaptive filtering | |
| US20100170343A1 (en) | Ultrasonic sensor and method for determining a separation of an object from an ultrasonic sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120622 |
|
| BF4A | Cancelling a publication of earlier date [patents] |
Free format text: PUBLICATION IN JOURNAL SHOULD BE CANCELLED |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20140513 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20210203 |