RU2723149C1 - Ultrasound acoustoimpedance liquid level meter - Google Patents
Ultrasound acoustoimpedance liquid level meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723149C1 RU2723149C1 RU2019108539A RU2019108539A RU2723149C1 RU 2723149 C1 RU2723149 C1 RU 2723149C1 RU 2019108539 A RU2019108539 A RU 2019108539A RU 2019108539 A RU2019108539 A RU 2019108539A RU 2723149 C1 RU2723149 C1 RU 2723149C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- liquid level
- sensitive element
- microprocessor
- amplifier
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
- G01F23/296—Acoustic waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения уровня жидкой среды в различных технологических установках эксплуатирующихся, как в нормальных условиях, так и при повышенных температуре и давлении.The proposed device relates to instrumentation, and in particular to devices for determining the level of a liquid medium in various technological installations operating both under normal conditions and at elevated temperature and pressure.
Устройство может применяться в химических и нефтехимических производствах, в энергетической, топливной и других отраслях хозяйственной деятельности.The device can be used in chemical and petrochemical industries, in energy, fuel and other industries.
Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее волновод, закрепленный на его конце электроакустический преобразователь, подключенный к нему генератор импульсов, последовательно соединенные усилитель, пиковые детекторы и вычислитель [1].A device for measuring a liquid level is known, comprising a waveguide, an electro-acoustic transducer fixed to its end, a pulse generator connected to it, an amplifier, peak detectors and a computer connected in series [1].
Недостатком известного устройства является низкая точность измерений. Практически оно может использоваться лишь для грубой оценки уровня жидкости.A disadvantage of the known device is the low accuracy of the measurements. In practice, it can only be used for a rough estimate of the liquid level.
Наиболее близким по совокупности признаков и достигаемому техническому результату к заявляемому устройству является акустоимпедансный ультразвуковой волноводный уровнемер жидкости, содержащий вертикально ориентированный волноводный чувствительный элемент, волновод связи и электроакустический преобразователь, подключенный к электрической схеме, содержащей генератор импульсов, усилитель, вычислитель и индикатор [2]. Вычислитель осуществляет временную селекцию импульсов, отраженных от кончиков чувствительного элемента, измерение их амплитуды, вычисление логарифма отношения измеренных амплитуд, нормировку и выработку выходного сигнала прибора, пропорционального контролируемому уровню.The closest set of features and the technical result achieved to the claimed device is an acousto-impedance ultrasonic waveguide liquid level gauge containing a vertically oriented waveguide sensitive element, a communication waveguide and an electro-acoustic transducer connected to an electric circuit containing a pulse generator, amplifier, calculator and indicator [2]. The calculator temporarily selects the pulses reflected from the tips of the sensing element, measures their amplitude, calculates the logarithm of the ratio of the measured amplitudes, normalizes and generates the output signal of the device proportional to the controlled level.
Недостатком данного технического решения является низкая точность измерений, обусловленная зависимостью затухания ультразвуковых волн в чувствительном элементе от физических свойств контролируемой жидкости, в которую он погружен.The disadvantage of this technical solution is the low accuracy of the measurements, due to the dependence of the attenuation of ultrasonic waves in the sensitive element on the physical properties of the controlled fluid in which it is immersed.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение погрешности измерения уровня жидкости при изменении ее физических свойств, например, при нагреве (охлаждении) или смене давления. Таких как плотность и скорость звука в контролируемой жидкости.The objective of the invention is to reduce the error in measuring the liquid level when changing its physical properties, for example, when heating (cooling) or changing pressure. Such as density and speed of sound in a controlled fluid.
Акустоимпедансный ультразвуковой волноводный уровнемер жидкости, содержащий вертикально ориентированный волноводный чувствительный элемент, волновод связи и электроакустический преобразователь, подключенный к электрической схеме, содержащей генератор импульсов, усилитель, микропроцессор и индикатор, дополнительно включает последовательно соединенные второй чувствительный элемент, выполненный в виде кольца, второй волновод связи, второй электроакустический преобразователь, а также вторые усилитель и генератор импульсов, подключенные к микропроцессору, при этом второй чувствительный элемент размещен в нижней части вертикально ориентированного волноводного чувствительного элемента.An acoustic impedance ultrasonic waveguide liquid level gauge containing a vertically oriented waveguide sensitive element, a communication waveguide and an electro-acoustic transducer connected to an electric circuit containing a pulse generator, amplifier, microprocessor and indicator, further includes a second ring element connected in series, a second communication waveguide , a second electro-acoustic transducer, as well as a second amplifier and a pulse generator connected to the microprocessor, the second sensitive element being placed at the bottom of a vertically oriented waveguide sensitive element.
Технический результат, достигаемый в данном изобретении, заключается во введении в состав устройства дополнительного (второго) чувствительного элемента, который всегда должен находиться под уровнем жидкости для измерения акустического волнового сопротивления контролируемой жидкости. Полученные данные используются для коррекции результатов измерения уровня, полученные в основном канале измерений.The technical result achieved in this invention is the introduction of an additional (second) sensing element, which should always be below the liquid level, to measure the acoustic wave resistance of the controlled liquid. The data obtained are used to correct the level measurement results obtained in the main measurement channel.
Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию «новизна».The above distinguishing features are new in comparison with the prototype, so the invention meets the criterion of "novelty."
Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и, таким образом, соответствует критерию «изобретательский уровень».Patent studies have shown that in the studied prior art there are no similar technical solutions, i.e. The claimed technical solution does not follow explicitly from the studied prior art and, thus, meets the criterion of "inventive step".
Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».This technical solution can be reproduced industrially, therefore, it meets the criterion of "industrial applicability".
На чертеже (фиг. 1) представлена конструкция уровнемера.The drawing (Fig. 1) shows the construction of the level gauge.
Устройство состоит из волноводного вертикально ориентированного чувствительного элемента 1, соединенного через согласующий узел 2 и волновод связи 3 с электроакустическим преобразователем 4. Согласующий узел 2 прикреплен к корпусу 5. Чувствительный элемент 1 поддерживается дистанционирующими элементами 6. Преобразователь 4 подключен к выходу генератора 7 и входу усилителя 8. Выход усилителя 8 подключен к микропроцессору 9, который осуществляет обработку принятых сигналов, вырабатывает выходной сигнал, отражаемый на подключенном к нему индикаторе 10, а также управляет работой генератора 7.The device consists of a waveguide vertically
Второй чувствительный элемент 11 выполнен в виде кольца и размещен в подвеске 12, соединенной с корпусом 5 при помощи соединительной трубки 15. Второй чувствительный элемент 11 соединен со вторым электроакустическим преобразователем 13 вторым волноводом связи 14, размещенном в соединительной трубке 15. Преобразователь 13 подключен к выходу второго генератора 16 и входу усилителя 17. Выход усилителя 17 подключен к микропроцессору 9.The
Работает устройство следующим образом. Микропроцессор 9 запускает генератор 7, который генерирует видеоимпульс 18 (Фиг. 2,а). При помощи электроакустического преобразователя 4 видеоимпульс преобразуется в ультразвуковой импульс, который по волноводу связи 3 через согласующий узел 2 достигает чувствительного элемента 1. При этом акустический импульс частично отражается вначале от согласующего узла 2, а потом от нижнего конца чувствительного элемента 1. Затем оба импульса возвращаются к преобразователю 4 и от него поступают на вход усилителя 8 в виде электрических радиоимпульсов 19 и 20 (Фиг. 2,а), далее с выхода усилителя 8 на первый вход микропроцессора 9.The device operates as follows. The
В процессе обработки сигнала в те моменты времени, когда ожидается прием радиоимпульсов 19 и 20 микропроцессор 9 генерирует два строб - сигнала (временных окна) 21 и 22 (Фиг. 2,а). Затем определяет амплитуду принятых радиоимпульсов 19 и 20 как А1 и А2 (Фиг. 2,б) и находит логарифм их отношения - ln(А1/А2).In the process of processing the signal at those times when it is expected to receive
Поясним вышеизложенное следующими рассуждениями. При погружении чувствительного элемента в жидкость изменение амплитуды акустической волны, вследствие демпфирования, определяется формулой:Let us explain the foregoing by the following reasoning. When a sensitive element is immersed in a liquid, a change in the amplitude of the acoustic wave due to damping is determined by the formula:
где δ - постоянная затухания;where δ is the attenuation constant;
- длина чувствительного элемента, погруженная в жидкость (уровень жидкости); Постоянная затухания: - the length of the sensing element immersed in the liquid (liquid level); Attenuation constant:
где к - константа, зависящая от диаметра и материала волновода и частоты ультразвука;where k is a constant depending on the diameter and material of the waveguide and the frequency of ultrasound;
ρ с - акустическое волновое сопротивление жидкости;ρ s - acoustic wave resistance of the liquid;
ρ и с - плотность и скорость звука в жидкости, соответственно.ρ and с are the density and speed of sound in a liquid, respectively.
Отсюда следует, что уровень жидкости определяется соотношением:It follows that the liquid level is determined by the ratio:
где а0 и a1 - константы, зависящие от индивидуального исполнения прибора, определяемые при калибровке.where a 0 and a 1 are constants depending on the individual performance of the device, determined during calibration.
Таким образом, измеренное значение уровня жидкости зависит от ρс - акустического волнового сопротивления жидкости.Thus, the measured value of the liquid level depends on ρс - the acoustic wave resistance of the liquid.
На следующем этапе микропроцессор 9 запускает генератор 16, генерирующий видеоимпульс 23 (Фиг. 2,б), который вторым электроакустическим преобразователем 13 преобразуется в ультразвуковой импульс, распространяющийся по второму волноводу связи 14 до второго чувствительного элемента 11. Часть акустического импульса отражается от места соединения волновода связи 14 с чувствительным элементом 11. Другая часть пробегает по кольцу чувствительного элемента 11 и возвращается к месту его соединения с волноводом связи 14. Далее оба импульса по волноводу связи 14 возвращаются к преобразователю 13, а затем в виде электрических радиоимпульсов 24 и 25 (Фиг. 2,б) поступают на вход усилителя 17 и с его выхода на второй вход микропроцессора 9.In the next step, the
В те моменты времени, когда ожидается прием радиоимпульсов 24 и 25 (Фиг. 2,б) микропроцессор 9 генерирует два строб - сигнала (временных окна) 26 и 27 (Фиг. 2,б). Затем определяет амплитуду принятых радиоимпульсов 24 и 25. как A3 и А4 (Фиг. 2,б) и находит логарифм их отношения - ln(А3/А4). Акустическое волновое сопротивление жидкости - ρс определяется согласно соотношению:At those times when it is expected to receive
где а2 и а3 - константы, зависящие от индивидуального исполнения прибора, определяемые при калибровкеwhere a 2 and a 3 are constants depending on the individual performance of the device, determined during calibration
d - диаметр кольцевого чувствительного элемента 8.d is the diameter of the
После того, как волновое сопротивление контролируемой жидкости определено, его значение учитывается микропроцессором при вычислении уровня по формуле (3). Далее процесс повторяется с заданной периодичностью. Определенная таким образом величина уровня контролируемой жидкости отражается на индикаторе 10 стандартизованном виде, например, как токовый сигнал в диапазоне 4-20 мА.After the wave resistance of the controlled fluid is determined, its value is taken into account by the microprocessor when calculating the level according to formula (3). Next, the process is repeated at a given frequency. The level of the controlled liquid determined in this way is reflected in the
Нами были изготовлены и испытаны опытные образцы акустоимпедансного измерителя уровня жидкости.We have made and tested prototypes of an acoustic impedance liquid level meter.
Корпус уровнемера изготовлен из трубы диаметром 30 мм с толщиной стенки 2 мм. Чувствительный элемент и волноводы связи изготовлены из проволоки диаметром 1 мм. Кольцевой чувствительный элемент выполнен в виде проточки на трубке диаметром 20×2 мм, имеет ширину 2 мм и глубину 1 мм. Общая длина погружной части уровнемера около 1 м. Материалы - сталь марки 12Х18Н10Т.The body of the level gauge is made of a pipe with a diameter of 30 mm with a wall thickness of 2 mm. The sensitive element and communication waveguides are made of 1 mm diameter wire. The ring sensitive element is made in the form of a groove on a tube with a diameter of 20 × 2 mm, has a width of 2 mm and a depth of 1 mm. The total length of the immersion part of the level gauge is about 1 m. Materials - steel grade 12X18H10T.
Электроакустические преобразователи изготовлены на основе пьезо-керамики ЦТС-19. Рабочая частота ультразвука около 700 кГц. Частота посылки акустических импульсов 1 кГц.Electro-acoustic transducers are made on the basis of TsTS-19 piezoelectric ceramics. The operating frequency of ultrasound is about 700 kHz. The frequency of sending acoustic pulses is 1 kHz.
В электрической схеме обработки ультразвуковых сигналов были применены типовые микросхемы и микропроцессор производства компании Atmel.Typical microcircuits and a microprocessor manufactured by Atmel were used in the electrical circuit for processing ultrasonic signals.
Прибор был испытан в различных жидкостях: воде, бензине, керосине, ацетоне и других в температурном диапазоне от 0 до +30°С. При этом показана устойчивая и надежная работа уровнемера без перенастройки прибора. Погрешность измерений не превышала 1%.The device was tested in various liquids: water, gasoline, kerosene, acetone and others in the temperature range from 0 to + 30 ° C. At the same time, stable and reliable operation of the level gauge without reconfiguring the device is shown. The measurement error did not exceed 1%.
Источники информации:Sources of information:
1. Авторское свидетельство СССР №1116382, приоритет от 19.07.1982.1. USSR copyright certificate No. 1116382, priority dated 07/19/1982.
2. Авторское свидетельство СССР №1525473, приоритет от 04.06.1986.2. USSR author's certificate No. 1525473, priority dated 06/04/1986.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019108539A RU2723149C1 (en) | 2019-03-25 | 2019-03-25 | Ultrasound acoustoimpedance liquid level meter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019108539A RU2723149C1 (en) | 2019-03-25 | 2019-03-25 | Ultrasound acoustoimpedance liquid level meter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2723149C1 true RU2723149C1 (en) | 2020-06-09 |
Family
ID=71067445
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019108539A RU2723149C1 (en) | 2019-03-25 | 2019-03-25 | Ultrasound acoustoimpedance liquid level meter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2723149C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3724411A1 (en) * | 1987-07-23 | 1989-02-02 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Device for continuous measurement of filling levels |
SU1525473A1 (en) * | 1986-06-04 | 1989-11-30 | Предприятие П/Я А-7755 | Device for measuring level of liquid |
RU2146358C1 (en) * | 1998-06-01 | 2000-03-10 | Борис Владимирович Жуков | Device measuring level of liquid media |
US20020064090A1 (en) * | 2000-09-25 | 2002-05-30 | Su Tyan Khak | Sonic water level measuring method and system there for |
RU2580907C1 (en) * | 2015-02-12 | 2016-04-10 | Владимир Иванович Мельников | Ultrasonic waveguide level meter for liquid |
-
2019
- 2019-03-25 RU RU2019108539A patent/RU2723149C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1525473A1 (en) * | 1986-06-04 | 1989-11-30 | Предприятие П/Я А-7755 | Device for measuring level of liquid |
DE3724411A1 (en) * | 1987-07-23 | 1989-02-02 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Device for continuous measurement of filling levels |
RU2146358C1 (en) * | 1998-06-01 | 2000-03-10 | Борис Владимирович Жуков | Device measuring level of liquid media |
US20020064090A1 (en) * | 2000-09-25 | 2002-05-30 | Su Tyan Khak | Sonic water level measuring method and system there for |
RU2580907C1 (en) * | 2015-02-12 | 2016-04-10 | Владимир Иванович Мельников | Ultrasonic waveguide level meter for liquid |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2011295673B2 (en) | Multiphase fluid characterization system | |
KR100602227B1 (en) | Method and apparatus for determining the viscosity of a fluid in a container | |
JP4800543B2 (en) | Method and apparatus for simultaneously measuring the flow rate and concentration of a multiphase liquid / gas mixture | |
CN107636423B (en) | Method for determining the resonant frequency of a pipe wall and clamping-type ultrasonic flow measuring device | |
US4320665A (en) | Method and means for measuring flow of a two phase fluid | |
US12007361B2 (en) | Devices and methods of sensing properties of fluids | |
RU2580907C1 (en) | Ultrasonic waveguide level meter for liquid | |
RU2723149C1 (en) | Ultrasound acoustoimpedance liquid level meter | |
US20220291026A1 (en) | Propagation time measurement device | |
KR101630301B1 (en) | Taper tube type area flow meter using magnetrostricive position detector | |
JPH07248315A (en) | Density measuring device | |
RU66029U1 (en) | INTEGRATED DEVICE FOR MEASURING FLOW, DENSITY AND VISCOSITY OF OIL PRODUCTS | |
JP2024525029A (en) | Ultrasonic measuring cell and method for measuring the volumetric flow rate of a liquid in a tube | |
van Deventer et al. | Thermostatic and dynamic performance of an ultrasonic density probe | |
JP7151344B2 (en) | Pressure measuring device | |
SU838552A1 (en) | Device for measuring undissolved gas concentration in liquid | |
RU2491519C1 (en) | Level indicator | |
RU192265U1 (en) | Liquid flow meter in the pipeline | |
RU2249186C1 (en) | Resonance acoustical level meter | |
RU2792324C2 (en) | Acoustic impedance ultrasonic liquid level indicator | |
JPS58223023A (en) | Liquid interface detecting device | |
RU2801203C1 (en) | Method for acoustic measurement of sound velocity and flow of liquid or gas when ambient temperature changes | |
RU2707124C1 (en) | Method of measuring oil products mass flow in a pipeline | |
RU66030U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING FLOW, DENSITY AND VISCOSITY OF OIL PRODUCTS | |
RU2534450C1 (en) | Flow rate meter |