CC BY
55
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
УДК 621.088
Э. А. Артемьев, Г. А. Зязин Астраханский государственный технический университет
ВОЛНОВОДНЫЙ АКУСТОИМПЕДАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД
Введение
Одним из перспективных методов измерения уровня жидких сред при работе измерителей уровня в экстремальных условиях, связанных с агрессивностью жидкости, высокими температурами, давлениями, при наличии электромагнитных и радиационных полей является волноводный акустоимпедансный метод измерения уровня жидких сред (ВАМ). Сущность метода состоит в том, что если в акустическом волноводе (АВ), размещенном в жидкости, возбудить ультразвуковую волну (УВ), то с его поверхности происходит излучение УВ, причем амплитуда колебаний УВ определяется уровнем жидкости, а также параметрами последней и акустического волновода [1-4].
Н = k 1п А - Ь, (1)
где
- А = Аоехр[-2(ажЯ + аНт)], (2)
- k = -0,5/ аж и Ь = (1пА0-2 авНт)/ k, (3)
А0 и А - амплитуды колебаний УВ после прохождения ими участка акустического волновода протяженностью 2Н;
Н и Нт - текущий и максимальный уровни жидких сред;
аж и ав - коэффициенты затухания УВ в акустическом волноводе вследствие излучения их в жидкость, а также поглощения и рассеяния в материале акустического волновода.
В уравнениях (1), (2) затуханием УВ на участке АВ, находящемся в газовой среде, пренебрегают ввиду его малости [4].
Затухание УВ в акустическом волноводе при его контакте с невязкими жидкостями наиболее характерно для продольных и изгибных волн, тогда как для крутильных волн заметное затухание наблюдается только в средах со значительной сдвиговой вязкостью.
Возбуждение и считывание УВ в акустических волноводах осуществляют магнитострикционными или пьезострикционными электроакусти-
ческими преобразователями (ЭАП), выходные ЭДС которых при считывании пропорциональны амплитудам А0 и А колебаний УВ.
На основе ВАМ созданы различные волноводные акустоимпеданс-ные преобразователи уровня (ВАП), в которых обработка сигналов осуществляется амплитудными методами.
Из уравнений (1) и (2) следует, что уравнение шкалы ВАП нелинейное.
В качестве акустических волноводов в ВАП используют проволоку или трубку диаметром 0,6^2,0 мм, а также ленту толщиной 0,2^0,3 мм.
Высокая работоспособность ВАП в экстремальных условиях объясняется тем, что их чувствительный элемент - АВ - не содержит подвижных элементов, а ЭАП вынесены из зоны измерения.
Одно из первых сообщений о применении ВАМ для измерения уровня жидких сред относится к 70-м гг. ХХ в. [5]. Металлический стержень, помещенный в активную зону водо-водяного реактора, использовался в качестве АВ, а возбуждение и считывание УВ осуществлялось при помощи магнитострикционного ЭАП. Из-за экспоненциальной зависимости амплитуды колебаний УВ в акустическом волноводе измерить уровень пароводяной смеси Нт =170 см с абсолютной погрешностью ± 2,5 см удалось только за счет выполнения АВ трехсекционным. При этом каждая секция имела свой канал считывания. Применение трехсекционного АВ существенно снизило надежность последнего и усложнило алгоритм обработки измерительной информации, а нелинейность преобразования ограничила диапазон и точность измерения уровня.
Фундаментальные исследования волноводных ультразвуковых преобразователей и систем измерения параметров однофазных и двухфазных сред на основе ВАМ проведены под руководством профессора В. И. Мельникова в Нижегородском государственном техническом университете [1, 2]. В них для возбуждения и считывания УВ в акустических волноводах использовались, в основном, пьезострикционные ЭАП. Малый диаметр АВ создавал значительные трудности при согласовании их с пьезострикцион-ными ЭАП, что усложняло конструкцию последних и требовало построения трехканальных систем считывания и обработки измерительной информации. Все это привело к снижению надежности ВАП.
Постановка задачи
Целью работы является повышение надежности, линеаризация шкалы и расширение диапазона преобразования ВАП.
Повышение надежности и расширение диапазона преобразования ВАП невязких жидкостей достигается за счет возбуждения в АВ продольных УВ нулевого порядка (излучение продольных УВ с поверхности АВ меньше, чем при работе с изгибными УВ, которые имеют диапазон измерения до нескольких десятков мм) двумя разнесенными магнитострикци-онными ЭАП (они просты по конструкции), причем один служит для возбуждения, а другой для считывания УВ, что уменьшает число каналов системы считывания.
Расширение диапазона преобразования и повышение точности ВАП достигается также за счет применения при обработке сигналов считывания экспоненциального развертывающего преобразования «амплитуда - временной интервал», вследствие чего чувствительность ВАП по диапазону преобразования остается постоянной [6].
На рис. 1, 2 представлены структурная схема и временная диаграмма работы ВАП уровня.
Рис. 1. Структурная схема волноводного акустоимпедансного преобразователя уровня жидких сред:
1 - акустический волновод; 2 - резервуар; 3, 4 - электроакустические преобразователи возбуждения и считывания; 5 - демпфер; 6 - генератор возбуждения; 7 - усилитель; 10, 11 - первый и второй элементы памяти; 8, 9, 12 - ключи; 13 -компаратор; 14 - формирователь временных интервалов; 15 - блок управления
В исходном состоянии вход усилителя 7 отключен, а ключи 8, 9 и 12 разомкнуты. По команде «Запуск», поступающей на первый вход блока В1 управления 15 в момент времени t1 (рис. 2), на выходе А1 блока управления 15 возникает импульс напряжения и151, который запускает генератор возбуждения 6. На выходе последнего формируется импульс тока возбуждения 1в длительностью т, под воздействием которого ЭАП 3 формирует в акустическом волноводе 1 продольную УВ нулевого порядка (эффект Джоуля), которая распространяется вдоль АВ со скоростью V в обе стороны от места возбуждения. При возбуждении УВ в акустическом волноводе во входных цепях усилителя 7 возникает переходный процесс длительностью tмз (м. з - мертвая зона), который вызывает насыщение усилителя.
УВ, распространяясь вдоль АВ вверх, доходит до демпфера 5 и затухает в нем, а УВ, которая движется вниз, через промежуток времени от момента запуска генератора возбуждения 6
(4)
наводит в ЭАП 4 ЭДС считывания и0 (эффект Виллари), пропорциональную амплитуде А0 колебаний УВ в акустическом волноводе.
и,
ит
и,
иі5.3 иі5.4
І2*
І6
и4
и0
Т
и
-►і
и,
и,і
и,
и,
и,
• Кусио
-►і
Куси
-►і
Кусио
куси=и*
и*
-►І
-►І
Ді
-►і
і
4
2
в
т
Рис. 2. Временные диаграммы работы волноводного акустоимпедансного преобразователя уровня жидких сред
В момент времени і2 на втором выходе А2 блока управления 15 возникает импульс напряжения и,52 длительностью
^2 ^2 — ё(Утах ^шіп)/( ^шах* ^шт) + т, (5)
под воздействием которого усилитель 7 на это время подключается к ЭАП 4, срабатывает ключ 8 и вход первого элемента памяти 10 с конденсатором С подключается к выходу усилителя 7. За время (і2 - і2) конденсатор С первого элемента памяти 10 зарядится до напряжения Кус*и0.
В уравнениях (4) и (5)
ё - расстояние между ЭАП 4 и ЭАП 5;
Кус - коэффициент усиления усилителя 7;
Утах и Утт - максимально и минимально возможные скорости продольных УВ нулевого порядка в волноводе. (Скорость продольных УВ в волноводе зависит, например, от изменения температуры контролируемой среды).
Через интервал времени
Із - Н = 2Нт/Утах (6)
от момента запуска генератора возбуждения 6 на выходе А3 блока управления 14 возникает импульс напряжения и,5.з длительностью
Із* - Із = 2Нт(Утах - Упт)/( Утах* Упт) + Т, (7)
под действием которого усилитель 7 снова подключается к ЭАП 4, срабатывает ключ 9 и вход второго элемента памяти 11 с конденсатором С подключается к выходу усилителя 7.
Через интервал времени із - із ключ 9 возвращается в исходное состояние, а усилитель 7 отключается от ЭАП 4. За это время конденсатор С второго элемента памяти 11 зарядится до напряжения Куси, пропорционального амплитуде А колебаний УВ, отраженной от конца АВ, погруженного в жидкость.
Через интервал времени і4 - і, на выходе А4 блока управления 15 возникает импульс напряжения и,5.4, под действием которого срабатывает ключ 12 и подключает резистор R к конденсатору С первого элемента памяти 10, который разряжается согласно уравнению
и* = Кусиоехр(-іОД. (8)
Одновременно этим же импульсом с выхода А4 блока управления 15 запускается формирователь временных интервалов 14.
Когда напряжение и* на резисторе R сравняется с напряжением Куси, срабатывает компаратор 13, и на выходе формирователя временного интервала 14 будет сформирован импульс длительностью
і5 - і4 = Д = k0H + Ь0, (9)
где
k0 = а^С и b0 = avflmRC.
(10)
Одновременно с этим с выхода компаратора 13 на первый вход В1 блока управления 15 поступает сигнал, возвращающий схему в исходное состояние.
Через интервал времени
цикл работы уровнемера повторяется (ЛС/1пКус - промежуток времени в течение которого происходит разрядка напряжения на конденсаторе С первого элемента памяти 10 при максимальном Нт уровне жидкости).
Заключение
Волноводный акустоимпедансный преобразователь уровня жидких сред обладает высокой надежностью, имеет линейную шкалу (выходным сигналом его является интервал времени, пропорциональный уровню) и расширенный интервал преобразования уровня.
1. Лагутин С. А., Мельников В. И. Ультразвуковые волноводные датчики и системы. -Н. Новгород: Нижегород. гос. техн. ун-т., 2001.
2. Мельников В. И., Усынин Г. Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. - М.: Энергоатомиздат, 1987.
3. Артемьев Э. А. Волноводные акустоимпедансные развертывающие преобразователи // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации «Измерения-2000»: Тр. Междунар. науч.-практ. конф., 20-21 сентября 2000 г. - Пенза: ПГУ, 2000 - С. 71-72.
4. Артемьев Э. А. Повышение точности измерения уровня жидких сред зондовых диссипативных акустических уровнемеров // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Автоматика и прикладные вопросы математики и физики.- Астрахань: АГТУ,
2000. - С. 102-106.
5. Arave A. E. An ultrasonic liquid level detector using shear wave attenuation in bar. -USAEC. Rep. In - 1442. - 1970. - No V.
6. Акустоимпедансный способ измерения уровня жидких сред: пат RU 2221993 C1 7 G 01 F 23/28 / Э. А. Артемьев, Г. А. Зязин № 2002114238; заявл. 30.05.2002 г.; опубл. 20.01.2004, Бюл. № 2.
Т > 2Hm/Vmin + t^j + RC/ІПКус
(11)
СПИСОК ЛИTЕРA ТУРЫ
Получено 8.09.2004
WAVEGUIDE ACOUSTO-IMPEDANCE LEVEL CONVERTER OF LIQUID MEDIUM
E. A. Artemiev, G. A. Zyazin
The work of waveguide acousto-impedance level converter of liquid medium that possesses high reliability, has a linear scale
(its output signal is the period of time proportionate to the level) and extended interval of the transformation level is considered here. The increase of reliability and expansion of the transformation range of the waveguide acousto-impedance level converter at measuring the level of inviscid liquids is reached due to the stimulation and checking longitudinal ultrasonic zero-order waves in acoustic waveguide by two space - apart magnetostrictive electroacoustic converter and due to the use of exponential unfolding transformation "amplitude - time slot" while processing signal checking. That is why the waveguide acousto-impedance level converter of liquid medium has a linear scale.
