RU2383869C2

RU2383869C2 - Ultrasonic level metre

Info

Publication number: RU2383869C2
Application number: RU2008119751/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Кузнецов (RU); Сергей Анатольевич Кузнецов; Борис Давыдович Зайцев (RU); Борис Давыдович Зайцев; Ирен Евгеньевна Кузнецова (RU); Ирен Евгеньевна Кузнецова; Денис Владимирович Горьков (RU); Денис Владимирович Горьков
Original assignee: Сергей Анатольевич Кузнецов
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2010-03-10
Also published as: RU2008119751A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention is related to controlling and measuring equipment and may be used for continuous control of liquid level in closed reservoirs, which are pressurised, in technological processes of chemical, oil, food and other industries. Ultrasonic level metre comprises at least one pair of converters - radiating and receiving accordingly for excitation and reception of antisymmetric acoustic Lamb wave in wall of reservoir, which is partially filled with liquid, installed on outer surface of reservoir, and also high-frequency generator and unit of registration. Unit of synchronisation is also introduced, being joined to unit of registration and high-frequency generator, frequency f of which is related to thickness of reservoir wall h by the following ratio: f=(3-6)/ h. Radiating and receiving converters are installed on reservoir surface via matching prisms made of polyurethane. In order to excite and receive antisymmetric Lamb waves, phased antenna arrays may be used, which consist of chain of converters arranged directly on reservoir wall. Radiating and receiving converters are located on one vertical line in upper and lower permissible levels of liquid accordingly. Level metre may be equipped with the second unit of registration with additionally installed second pair of converters, besides the first and second pairs are arranged along vertical line parallel to each other and are installed in upper and lower permissible level of liquid accordingly parallel to its surface, and both units of registration are synchronised with single unit of synchronisation.

EFFECT: improved accuracy of measurement.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для непрерывного контроля уровня жидкости в закрытых емкостях, находящихся под давлением, в технологических процессах химической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.The invention relates to measuring technique and can be used for continuous monitoring of the liquid level in closed containers under pressure in the technological processes of the chemical, oil, food and other industries.

Известны различные устройства для акустического измерения уровня жидкости.Various devices are known for acoustically measuring a liquid level.

Известно устройство (Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Акустические методы контроля. Кн.2, М.: Высшая школа, 1991), в котором акустическая волна излучается электроакустическим преобразователем, расположенным на днище емкости с жидкостью. Акустическая волна распространяется в жидкости, доходит до границы раздела жидкость-газ и отражается. Электроакустический преобразователь принимает отраженную волну и преобразует в электрический сигнал. По времени задержки определяют границу жидкость-газ в емкости.A device is known (Ermolov I.N., Aleshin N.P., Potapov A.I. Acoustic control methods. Kn.2, M .: Higher school, 1991), in which an acoustic wave is emitted by an electro-acoustic transducer located on the bottom of the tank with liquid. An acoustic wave propagates in a liquid, reaches the liquid-gas interface and is reflected. The electro-acoustic transducer receives the reflected wave and converts it into an electrical signal. The delay time determines the boundary of the liquid-gas in the tank.

Известно устройство (Бабиков О.И., Контроль уровня с помощью ультразвука. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1971), содержащее два акустических преобразователя, расположенных в горизонтальной плоскости друг против друга на наружной стенке емкости. Сигнал, возбуждаемый одним преобразователем, доходит до второго только в том случае, если уровень жидкости находится выше плоскости расположения преобразователей.A device is known (O. I. Babikov, Level control using ultrasound. L .: Publishing house of Leningrad. Un-ta, 1971), containing two acoustic transducers located in a horizontal plane against each other on the outer wall of the tank. The signal excited by one transducer reaches the second only if the liquid level is above the plane of the transducers.

Недостатком этих устройств является то, что они применимы в условиях, когда поверхность жидкости является ровной, зеркальной. Если поверхность жидкости колеблется, то данные устройства дают большую погрешность в измерении.The disadvantage of these devices is that they are applicable in conditions where the surface of the liquid is smooth, mirror. If the surface of the liquid fluctuates, then these devices give a large error in the measurement.

Известны устройства для ультразвукового измерения уровня жидкости, принцип действия которых основан на реверберации акустических импульсов в стенке емкости (Бакурский Н.Н. Ахременко В.В. Сигнализатор уровня жидкости с накладными акустическими зондами. Газовая промышленность. 1997. №5). Ультразвуковой преобразователь в данном устройстве расположен на внешней поверхности емкости с жидкостью и одновременно выполняет роль излучателя и приемника. Данное устройство свободно от перечисленных выше недостатков. Однако из-за необходимости использования повышенных уровней мощности при работе преобразователя на высокой частоте происходят частые случаи отказа устройства. Кроме этого, снижение точности измерения происходит за счет осаждения на внутренней поверхности стенки емкости различных вязких отложений (парафин, мазут и др.), что приводит к дополнительному затуханию ультразвуковой волны и уменьшению коэффициента отражения от внутренней стенки емкости. Недостатком также является то, что данные устройства могут работать, в основном, как сигнализаторы уровня жидкости, т.е. определяют наличие жидкости выше или ниже допустимого уровня, и не могут дать точного определения положения уровня жидкости в емкости. Эту задачу выполняют ультразвуковые уровнемеры.Known devices for ultrasonic measurement of the liquid level, the principle of which is based on the reverberation of acoustic pulses in the wall of the tank (Bakursky NN Akhremenko VV Liquid level switch with overhead acoustic probes. Gas industry. 1997. No. 5). The ultrasonic transducer in this device is located on the outer surface of the container with liquid and at the same time serves as the emitter and receiver. This device is free from the above disadvantages. However, due to the need to use increased power levels when the converter is operating at high frequency, frequent device failures occur. In addition, a decrease in the measurement accuracy occurs due to the deposition on the inner surface of the vessel wall of various viscous deposits (paraffin, fuel oil, etc.), which leads to additional attenuation of the ultrasonic wave and a decrease in the reflection coefficient from the inner wall of the vessel. The disadvantage is that these devices can work mainly as liquid level alarms, i.e. determine the presence of liquid above or below the permissible level, and cannot give an accurate determination of the position of the liquid level in the tank. This task is performed by ultrasonic level gauges.

Наиболее близким к заявляемому является ультразвуковой уровнемер, описанный в (А.С. 1462113 G01F 23/28, опубл. 28.02.89), работа которого основана на использовании акустических волн Лэмба. Волны Лэмба - это акустические волны, которые могут распространяться в ограниченных с двух сторон средах, т.е. в пластинах. При этом акустический контакт с жидкостью может существенно изменять характеристики этих волн. Такое изменение может служить индикатором наличия жидкости в емкости. Волны Лэмба разделяются на семейства: антисимметричные и симметричные. Ультразвуковой уровнемер, выбранный в качестве прототипа, содержит генератор и два преобразователя - излучающий и приемный для возбуждения и приема волн Лэмба в стенке емкости, расположенные на внешней поверхности емкости, частично заполненной жидкостью. Преобразователи установлены выше и ниже границы заполнения жидкости под некоторым углом к вертикали. К приемному преобразователю подключен блок регистрации сигнала.Closest to the claimed is an ultrasonic level transmitter, described in (A.S. 1462113 G01F 23/28, publ. 02.28.89), the operation of which is based on the use of Lamb acoustic waves. Lamb waves are acoustic waves that can propagate in two-sided environments, i.e. in the plates. In this case, acoustic contact with the liquid can significantly change the characteristics of these waves. Such a change can serve as an indicator of the presence of liquid in the tank. Lamb waves are divided into families: antisymmetric and symmetric. An ultrasonic level gauge, selected as a prototype, contains a generator and two transducers - emitting and receiving for exciting and receiving Lamb waves in the tank wall, located on the outer surface of the tank, partially filled with liquid. The transducers are installed above and below the liquid filling boundary at a certain angle to the vertical. A signal recording unit is connected to the receiving converter.

Однако данное устройство не позволяет существенно повысить точность измерения, создавая лишь некоторое растяжение зависимости затухания от уровня жидкости. Кроме этого при больших и малых уровнях жидкости эти зависимости являются нелинейными. Данная конструкция приводит к смещению акустического луча относительно приемного преобразователя, которое зависит от уровня жидкости, и вызывает дополнительное изменение амплитуды выходного сигнала. Нелинейность характеристики и дополнительное изменение затухания в свою очередь снижают точность измерения и приводят к необходимости дополнительного учета этих факторов при измерениях.However, this device does not significantly improve the accuracy of the measurement, creating only some stretching of the dependence of the attenuation on the liquid level. In addition, at large and low liquid levels, these dependencies are nonlinear. This design leads to the displacement of the acoustic beam relative to the receiving transducer, which depends on the liquid level, and causes an additional change in the amplitude of the output signal. The non-linearity of the characteristic and an additional change in the attenuation in turn reduce the accuracy of the measurement and lead to the need for additional consideration of these factors during measurements.

Задачей создания заявляемого устройства является повышение точности измерения.The task of creating the claimed device is to increase the accuracy of measurement.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что ультразвуковой уровнемер содержит по крайней мере одну пару преобразователей - излучающий и приемный соответственно для возбуждения и приема антисимметричной волны Лэмба в стенке емкости, частично заполненной жидкостью, установленные на внешней поверхности емкости, а также высокочастотный генератор и блок регистрации. Новым является то, что введен блок синхронизации, соединенный с блоком регистрации и высокочастотным генератором, частота которого f связана с толщиной стенки емкости h соотношением: f=(3-6)/h. В качестве излучающего и приемного преобразователей использованы преобразователи продольных объемных акустических волн, установленные на поверхности емкости через согласующие призмы, выполненные из полиуретана. Преобразователем может служить металлизированная пьезокерамическая пластина. Для возбуждения и приема антисимметричных волн Лэмба могут быть использованы антенные фазированные решетки, состоящие из цепочки преобразователей, располагающиеся непосредственно на стенке емкости. Излучающий и приемный преобразоватили расположены на одной вертикали в верхнем и нижнем допустимых уровнях жидкости соответственно. Уровнемер может быть снабжен вторым блоком регистрации с дополнительно установленной второй парой преобразователей, причем первая и вторая пары расположены по вертикали параллельно друг другу и установлены в верхнем и нижнем допустимом уровне жидкости соответственно параллельно ее поверхности, а оба блока регистрации синхронизируются одним блоком синхронизации.The solution to this problem is achieved due to the fact that the ultrasonic level gauge contains at least one pair of transducers - emitting and receiving, respectively, to excite and receive an asymmetric Lamb wave in the tank wall, partially filled with liquid, mounted on the outer surface of the tank, as well as a high-frequency generator and block registration. What is new is that a synchronization unit is introduced, connected to the recording unit and a high-frequency generator, the frequency of which f is related to the vessel wall thickness h by the ratio: f = (3-6) / h. The transmitting and receiving transducers used are transducers of longitudinal volumetric acoustic waves mounted on the surface of the tank through matching prisms made of polyurethane. The converter can be a metallized piezoceramic plate. To excite and receive antisymmetric Lamb waves, phased array antennas consisting of a chain of converters located directly on the wall of the tank can be used. The radiating and receiving converters are located on the same vertical line in the upper and lower permissible fluid levels, respectively. The level gauge can be equipped with a second recording unit with an additionally installed second pair of transducers, the first and second pairs being located vertically parallel to each other and installed in the upper and lower allowable liquid levels respectively parallel to its surface, and both recording units are synchronized by one synchronization unit.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема ультразвукового уровнемера с вертикальным расположением излучающего и приемного преобразователей; на фиг.2 представлен уровнемер, содержащий две пары преобразователей - излучающий и приемный, расположенные параллельно друг другу, с дополнительным блоком регистрации; на фиг.3 представлена схема возбуждения и приема антисимметричных волн Лэмба в стенке емкости с помощью преобразователей продольных объемных акустических волн и согласующих призм; на фиг.4 представлены схема возбуждения и приема антисимметричных волн Лэмба в стенке емкости с помощью излучающих и приемных преобразователей в виде антенных фазированных решеток; на фиг.5 представлена зависимость затухания волн Лэмба от параметра hf в стальной пластине, контактирующей с одной стороны с жидкостью, где h - толщина стенки емкости, f - частота волны Лэмба.The device is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a diagram of an ultrasonic level gauge with a vertical arrangement of the emitting and receiving transducers; figure 2 presents the level gauge containing two pairs of transducers - emitting and receiving, located parallel to each other, with an additional registration unit; figure 3 presents a diagram of the excitation and reception of antisymmetric Lamb waves in the vessel wall using transducers of longitudinal volumetric acoustic waves and matching prisms; figure 4 presents a diagram of the excitation and reception of antisymmetric Lamb waves in the wall of the tank using emitting and receiving converters in the form of phased array antennas; figure 5 shows the dependence of the attenuation of Lamb waves on the parameter hf in a steel plate in contact with the liquid on one side, where h is the thickness of the vessel wall, f is the frequency of the Lamb wave.

Ультразвуковой уровнемер содержит (фиг.1) закрепленные на внешней поверхности металлической емкости 1, частично заполненной жидкостью 2, излучающий и приемный преобразователи 3, 4 волн Лэмба (излучатель 3 и приемник 4). Излучатель 3 для возбуждения антисимметричных волн Лэмба в стенке емкости и приемник 4 этих волн расположены на одной вертикали в верхнем и нижнем допустимом уровне жидкости 2. Излучатель 3 подключен к высокочастотному генератору 5, а сигнал с приемника 4 следует в блок регистрации 6. Общую синхронизацию высокочастотного генератора 5 и блока регистрации 6 осуществляют блоком синхронизации 7. Уровнемер может содержать (фиг.2) две пары преобразователей - излучающие 3/1, 3/2 и приемные 4/1, 4/2, при этом первая и вторая пары преобразователей расположены по вертикали параллельно друг другу и установлены на стенке емкости 1 в верхнем и нижнем допустимом уровне жидкости 2 соответственно параллельно ее поверхности. В этом случае используют один высокочастотный генератор 5 и два блока регистрации 6 для каждой пары преобразователей, синхронизируемые блоком синхронизации 7.The ultrasonic level gauge contains (Fig. 1) mounted on the outer surface of a metal container 1 partially filled with liquid 2, emitting and receiving transducers 3, 4 of Lamb waves (emitter 3 and receiver 4). The emitter 3 for the excitation of antisymmetric Lamb waves in the tank wall and the receiver 4 of these waves are located on the same vertical line in the upper and lower permissible level of liquid 2. The emitter 3 is connected to the high-frequency generator 5, and the signal from the receiver 4 follows to the recording unit 6. General synchronization of the high-frequency the generator 5 and the registration unit 6 is carried out by the synchronization unit 7. The level gauge may contain (Fig.2) two pairs of transducers - emitting 3/1, 3/2 and receiving 4/1, 4/2, while the first and second pairs of transducers are located vertically parallel to each other and mounted on the wall of the tank 1 in the upper and lower acceptable level of liquid 2, respectively parallel to its surface. In this case, one high-frequency generator 5 and two recording units 6 are used for each pair of converters synchronized by the synchronization unit 7.

Излучатель 3 состоит (фиг.3) из входного пьезоэлектрического преобразователя 8 продольной объемной акустической волны, которая после прохождения согласующей призмы 9 возбуждает волны Лэмба в стенке емкости 12. В качестве материала призмы выбран полиуретан. Для приема волны Лэмба также использована согласующая полиуретановая призма 10 и выходной пьезоэлектрический преобразователь 11. В качестве пьезоэлектрического преобразователя можно использовать одну или несколько склеенных металлизированных пьезокерамических пластин. Если, например, преобразователь состоит из трех пластин, то это позволяет снизить подводящее напряжение в три раза по сравнению с одиночной пластиной. Геометрические параметры призм 9, 10 определяют из условия равенства проекций всех волновых векторов на плоскость стенки, что обеспечивает максимальную эффективность взаимного преобразования продольных объемных акустических волн и волн Лэмба.The emitter 3 consists (Fig.3) of the input piezoelectric transducer 8 of the longitudinal volumetric acoustic wave, which, after passing the matching prism 9, excites Lamb waves in the wall of the tank 12. Polyurethane is selected as the material of the prism. To receive the Lamb wave, a matching polyurethane prism 10 and an output piezoelectric transducer 11 were also used. One or several glued metallized piezoceramic plates can be used as a piezoelectric transducer. If, for example, the converter consists of three plates, then this reduces the supply voltage by a factor of three compared to a single plate. The geometrical parameters of prisms 9, 10 are determined from the condition that the projections of all wave vectors onto the wall plane are equal, which ensures the maximum efficiency of the mutual transformation of longitudinal volume acoustic waves and Lamb waves.

Излучатель 3 и приемник 4 могут быть выполнены в виде антенной фазированной решетки (фиг.4), состоящей из совокупности преобразователей продольной объемной акустической волны 13, 14, находящихся непосредственно на поверхности стенки емкости 12. При этом пространственный период этой решетки должен быть равен длине волны антисимметричной волны Лэмба первого порядка, а сдвиг фаз между соседними элементами антенны должны быть равен 360/n, где n - число элементов на периоде решетки.The emitter 3 and the receiver 4 can be made in the form of an antenna phased array (figure 4), consisting of a set of transducers of a longitudinal volumetric acoustic wave 13, 14 located directly on the surface of the wall of the tank 12. In this case, the spatial period of this array should be equal to the wavelength first-order antisymmetric Lamb wave, and the phase shift between adjacent antenna elements should be 360 / n, where n is the number of elements on the lattice period.

ВЧ генератор 5 (фиг.1), подключенный к излучателю 3, имеет частоту генерации, зависящую от толщины стенки емкости 12. Частота генератора 5 (f Гц) связана с толщиной стенки емкости (h мм) следующим соотношением: f=(3-6)/h. Эта зависимость установлена на основании расчетов и экспериментальных данных и позволяет выбрать в качестве информационной волны антисимметричную волну Лэмба первого порядка с рабочей частотой, однозначно определяемой толщиной стенки емкости. Амплитуда антисимметричной волны Лэмба первого порядка является наиболее чувствительной к присутствию жидкости, контактирующей со стенкой емкости, причем эта чувствительность определяется только произведением hf, где h - толщина стенки емкости, f - частота волны Лэмба. Выбор для каждого значения толщины стенки соответствующего оптимального значения рабочей частоты волны позволит повысить точность измерения. На фиг.5 приведены зависимости затухания от параметра hf для антисимметричных и симметричных волн Лэмба первого и второго порядков, которые распространяются в стальной пластине, контактирующей с дистиллированной водой, где кривые 15 и 16 относятся к симметричным волнам Лэмба первого и второго порядков, а кривые 17 и 18 относятся к антисимметричным волнам Лэмба первого и второго порядков. Из графика видно, что для антисимметричной волны Лэмба первого порядка 17 максимум затухания соответствует параметру hf=4.2 м/с. В этом случае генератор должен работать с частотой f=4.2(м/с)/h. Если в качестве жидкости использовать наиболее часто встречающиеся жидкости, такие как бензин, керосин, нефть и т.д., то оптимальная частота волны будет лежать в диапазоне f=(3-6)(м/с)/h. В этом случае достигается наиболее высокая чувствительность сигнала к присутствию жидкости, контактирующей со стенкой емкости. Используя это соотношение можно определить, что при толщине стенки, например, 50 мм, оптимальная рабочая частота сигнала составляет f=100-120 кГц.The RF generator 5 (Fig. 1) connected to the emitter 3 has a generation frequency depending on the thickness of the vessel wall 12. The frequency of the generator 5 (f Hz) is related to the vessel wall thickness (h mm) as follows: f = (3-6 ) / h. This dependence is established on the basis of calculations and experimental data and allows us to choose an antisymmetric Lamb wave of the first order with an operating frequency uniquely determined by the wall thickness of the capacitance as an information wave. The amplitude of the first-order antisymmetric Lamb wave is most sensitive to the presence of fluid in contact with the vessel wall, and this sensitivity is determined only by the product hf, where h is the vessel wall thickness, f is the frequency of the Lamb wave. The choice for each value of the wall thickness of the corresponding optimal value of the operating frequency of the wave will improve the measurement accuracy. Figure 5 shows the attenuation as a function of the parameter hf for antisymmetric and symmetric Lamb waves of the first and second orders, which propagate in a steel plate in contact with distilled water, where curves 15 and 16 relate to symmetric Lamb waves of the first and second orders, and curves 17 and 18 relate to the first and second order antisymmetric Lamb waves. The graph shows that for the first-order antisymmetric Lamb wave 17, the attenuation maximum corresponds to the parameter hf = 4.2 m / s. In this case, the generator should work with a frequency f = 4.2 (m / s) / h. If we use the most frequently occurring liquids as liquids, such as gasoline, kerosene, oil, etc., then the optimal wave frequency will lie in the range f = (3-6) (m / s) / h. In this case, the highest sensitivity of the signal to the presence of liquid in contact with the wall of the tank is achieved. Using this ratio, it can be determined that for a wall thickness of, for example, 50 mm, the optimal operating frequency of the signal is f = 100-120 kHz.

Для обработки сигнала, поступающего с приемника 4, к нему подключен блок регистрации 6, который выполнен в виде последовательно соединенных стробируемых усилителей (фиг.1). Для стробирования используются импульсы с блока синхронизации 7. Блок регистрации содержит также детектор, пиковый вольтметр и индикатор. Блок синхронизации 7 с другой стороны соединен с ВЧ генератором 5.To process the signal from the receiver 4, it is connected to the registration unit 6, which is made in the form of series-connected gated amplifiers (figure 1). For gating, pulses from the synchronization unit 7 are used. The registration unit also contains a detector, a peak voltmeter, and an indicator. The synchronization unit 7 on the other hand is connected to the RF generator 5.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

С помощью входного излучателя 3 в стенке емкости 1 возбуждают несколько мод Лэмба, в том числе антисимметричную волну Лэмба первого порядка при соответствующих значениях выбранной частоты ВЧ генератора 5 и толщины стенки 12 емкости (фиг.1). Пьезоэлектрическая пластина 8 (фиг.3) возбуждает продольную объемную акустическую волну, которая проходит через полиуретановую призму 9 и на границе призмы и стенки емкости 12 преобразуется в волны Лэмба. Этим волнам Лэмба соответствует одинаковый волновой вектор, который в точности равен проекции волнового вектора объемной волны в полиуретане на стенку емкости. Поэтому скорость продольной объемной акустической волны в призме должна быть меньше фазовой скорости антисимметричной волны Лэмба первого порядка. По этой причине в качестве материала призмы выбран полиуретан. Возбужденные антисимметричные волны Лэмба принимают приемником 4, который преобразует их в электрический сигнал, поступающий в блок регистрации 6. При использовании двух пар преобразователей - излучателей 3/1, 3/2 и приемников 4/1, 4/2 (фиг.2) каждый излучатель 3/1 и 3/2 возбуждает набор антисимметричных волн Лэмба, которые распространяются в горизонтальном направлении и принимаются соответствующими приемниками 4/1 и 4/2. Если уровень жидкости находится ниже нижней пары 3/2-4/2, то на выходе обоих приемников амплитуды сигналов имеют некоторое определенное значение U₁. Если уровень жидкости находится между нижней 3/2-4/2 и верхней 3/1-4/1 парами, то на выходном приемнике 4/2 амплитуда сигнала существенно уменьшается и становится равной U₂. При этом амплитуда сигнала на выходе приемника 4/1 остается равной A₁. И наконец для уровня жидкости, расположенного выше верней пары 3/1-4/1 амплитуды сигналов на выходе обоих приемников 4/1 и 4/2 уменьшаются до значения U₂. Таким образом, по известным амплитудам сигналов на выходе приемников 4/1 и 4/2 можно определить положение уровня жидкости. При использовании в качестве излучателя 3 и приемника 4 антенных фазированных решеток 13, 14 (фиг.4) происходит следующее. Каждый элемент излучающей решетки возбуждает в стенке емкости целый набор волн Лэмба. Если сдвиги фаз на соседних элементах отличаются на величину 360/n, где n - число элементов на длине волны антисимметричной волны Лэмба первого порядка, то для этой волны сигналы от всех элементов складываются. Таким образом, амплитуда указанной волны становится приблизительно равной сумме амплитуд от каждого элемента фазированной решетки. Что касается других волн Лэмба, то для них указанное условие не выполняется, и их амплитуды оказываются существенно меньшими. Это означает, что фазированная решетка обладает свойством эффективно возбуждать только выбранный тип волны. Благодаря свойству обратимости точно такая же решетка может принимать эффективно только выбранную волну антисимметричную волну Лэмба первого порядка, эффективность приема других типов волн существенно ниже. Для того, чтобы выделить полезный информационный сигнал, соответствующий антисимметричной волне Лэмба первого порядка, используют импульсный режим. Поскольку групповые скорости волн Лэмба различны, то соответствующие электрические сигналы будут иметь различную задержку, и их можно анализировать отдельно. При контакте стенки емкости 12 с жидкостью 2 происходит незначительное изменение скорости и значительное изменение затухания волны. Это означает, что при использовании в качестве информационной волны антисимметричной волны Лэмба первого порядка анализируемый электрический импульс сохраняет свое время задержки при изменении уровня жидкости, но при этом существенно меняет амплитуду. Поэтому для подавления нежелательных импульсов, соответствующих паразитным волнам Лэмба, и для анализа только информационного импульса используют стробирование в блоке регистрации 6. В блоке регистрации сигнал усиливается, при этом усилители включаются на время прихода стробирующего импульса с блока синхронизации 7.Using the input emitter 3 in the wall of the tank 1, several Lamb modes are excited, including an antisymmetric first-order Lamb wave at the corresponding values of the selected frequency of the RF generator 5 and the wall thickness 12 of the tank (Fig. 1). The piezoelectric plate 8 (Fig.3) excites a longitudinal volumetric acoustic wave, which passes through a polyurethane prism 9 and is converted to Lamb waves at the boundary of the prism and the wall of the vessel 12. These Lamb waves correspond to the same wave vector, which is exactly equal to the projection of the wave vector of the body wave in polyurethane on the wall of the tank. Therefore, the velocity of the longitudinal volume acoustic wave in the prism should be less than the phase velocity of the first-order antisymmetric Lamb wave. For this reason, polyurethane is selected as the prism material. Excited antisymmetric Lamb waves are received by a receiver 4, which converts them into an electrical signal supplied to the registration unit 6. When using two pairs of converters - emitters 3/1, 3/2 and receivers 4/1, 4/2 (figure 2) each emitter 3/1 and 3/2 excites a set of antisymmetric Lamb waves, which propagate in the horizontal direction and are received by the respective receivers 4/1 and 4/2. If the liquid level is below the lower pair 3 / 2-4 / 2, then at the output of both receivers, the signal amplitudes have some definite value U ₁ . If the liquid level is between the lower 3 / 2-4 / 2 and the upper 3 / 1-4 / 1 pairs, then at the output receiver 4/2 the signal amplitude decreases significantly and becomes equal to U ₂ . In this case, the amplitude of the signal at the output of the receiver 4/1 remains equal to A ₁ . And finally, for the liquid level located above the upper part of the 3 / 1-4 / 1 pair, the signal amplitudes at the output of both receivers 4/1 and 4/2 are reduced to U ₂ . Thus, according to the known amplitudes of the signals at the output of the receivers 4/1 and 4/2, it is possible to determine the position of the liquid level. When using phased array antennas 13, 14 (FIG. 4) as emitter 3 and receiver 4, the following occurs. Each element of the emitting lattice excites a whole set of Lamb waves in the vessel wall. If the phase shifts at neighboring elements differ by 360 / n, where n is the number of elements at the wavelength of the first-order antisymmetric Lamb wave, then for this wave the signals from all elements are added up. Thus, the amplitude of the indicated wave becomes approximately equal to the sum of the amplitudes from each element of the phased array. As for the other Lamb waves, the indicated condition is not fulfilled for them, and their amplitudes turn out to be substantially smaller. This means that the phased array has the property of efficiently exciting only the selected type of wave. Due to the reversibility property, exactly the same lattice can effectively receive only the first-order antisymmetric Lamb wave, the reception efficiency of other types of waves is significantly lower. In order to isolate the useful information signal corresponding to the first-order antisymmetric Lamb wave, a pulsed mode is used. Since the group velocities of the Lamb waves are different, the corresponding electrical signals will have a different delay, and they can be analyzed separately. Upon contact of the wall of the tank 12 with the liquid 2, a slight change in speed and a significant change in the attenuation of the wave occur. This means that when using an antisymmetric Lamb wave of the first order as an information wave, the analyzed electric pulse retains its delay time when the liquid level changes, but at the same time it significantly changes the amplitude. Therefore, to suppress unwanted pulses corresponding to spurious Lamb waves, and to analyze only the information pulse, gating is used in the recording unit 6. In the recording unit, the signal is amplified, while the amplifiers are turned on for the time of arrival of the strobe pulse from synchronization unit 7.

Таким образом, блок регистрации 6 позволяет выбрать информационный импульс, соответствующий антисимметричной волне Лэмба первого порядка. Это осуществляется благодаря тому, что групповая скорость этой волны сильно отличается от скорости других волн. При этом, если расстояние между излучателем 3 и приемником 4 составляет порядка 100 длин волн (2,5 м при толщине стенки 50 мм и рабочей частоте 100 кГц), то изменение амплитуды сигнала благодаря присутствию жидкости составляет порядка 20 дБ. Изменение амплитуды импульса на 1 дБ соответствует изменению уровня жидкости на 12 см. Если приемная аппаратура уверенно оценивает изменение мощности импульса менее чем 0,5 дБ, то это соответствует точности измерения уровня жидкости меньше, чем 6 см. Для промышленных емкостей, имеющих высоту несколько метров, это достаточно точный параметр.Thus, the registration unit 6 allows you to select the information pulse corresponding to the first-order antisymmetric Lamb wave. This is due to the fact that the group velocity of this wave is very different from the speed of other waves. Moreover, if the distance between the emitter 3 and the receiver 4 is about 100 wavelengths (2.5 m with a wall thickness of 50 mm and an operating frequency of 100 kHz), then the change in signal amplitude due to the presence of liquid is about 20 dB. A change in pulse amplitude by 1 dB corresponds to a change in liquid level by 12 cm. If the receiving equipment confidently estimates a change in pulse power of less than 0.5 dB, then this corresponds to an accuracy of measuring a liquid level of less than 6 cm. For industrial tanks having a height of several meters , This is a fairly accurate parameter.

Был разработан и создан ультразвуковой уровнемер, который прошел государственную аттестацию и прошел опытную проверку на реальных объектах газопромышленного предприятия на емкостях передавливания конденсата. Эти уровнемеры рекомендованы к промышленному производству.An ultrasonic level gauge was developed and created, which passed state certification and passed an experimental test at real facilities of a gas industrial enterprise on condensate transfer tanks. These level gauges are recommended for industrial production.

Claims

1. An ultrasonic level gauge containing at least one pair of transducers - emitting and receiving, respectively, for exciting and receiving an antisymmetric Lamb wave in a container wall partially filled with liquid, mounted on the external surface of the container, as well as a high-frequency generator and a recording unit, characterized in that introduced a synchronization unit connected to the registration unit and a high-frequency generator, the frequency of which f is connected with the vessel wall thickness h by the ratio:
f = (3-6) / h.

2. The level gauge according to claim 1, characterized in that the emitting and receiving transducers are installed on the surface of the tank through matching prisms made of polyurethane.

3. The level gauge according to claim 1, characterized in that the phased antenna arrays are selected as the emitting and receiving transducers of the antisymmetric Lamb wave.

4. The level gauge according to claim 1, characterized in that the emitting and receiving transducers are located on the same vertical line in the upper and lower permissible fluid levels, respectively.

5. The level gauge according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with a second recording unit and a second pair of transducers is additionally installed, the first and second pairs being arranged vertically parallel to each other and installed in the upper and lower permissible fluid levels respectively parallel to its surface, and both registration units are synchronized by one synchronization unit.