PL207911B1 - Sposób pomiaru poziomu granic faz cieczy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu pomiaru poziomu granic faz cieczy niemieszających się.

Dotychczas do pomiaru poziomu granic faz stosuje się obserwację wzrokową przez wzierniki optyczne. Sposób ten nie pozwala na automatyzację procesu regulacji poziomu. Stosuje się również pomiar przy użyciu przyrządów nurnikowych, które pozwalają przez pomiar siły wyporu określić poziom granic faz. Sposób ten umożliwia automatyzację regulacji poziomu, jednak jest mało dokładny i wymaga w przypadku kilku granic faz stosowania wielu nurników.

Obecnie do pomiaru poziomu granic faz cieczy niemieszających się stosuje się na ogół sposób wykorzystujący ultradźwięki. Polega on na wysyłaniu sygnału ultradźwiękowego przez przetwornik nadawczy i odbiorze sygnału odbitego od granicy faz przez przetwornik odbiorczy umieszczony w bezpoś rednim są siedztwie przetwornika nadawczego. Najczęściej rolę przetwornika nadawczego i odbiorczego speł nia ten sam przetwornik piezoelektryczny. Odległ o ść od przetwornika do granicy faz wyznacza się na podstawie pomiaru czasu przejścia sygnału od nadajnika do odbiornika, przy znajomości prędkości propagacji fali dźwiękowej w danym ośrodku. Wartość tej odległości wyliczana jest przez pomnożenie połowy czasu propagacji przez prędkość propagacji fali. Jeżeli prędkość propagacji fali w danym ośrodku jest zmienna, wówczas stosuje się samokalibrację miernika, polegającą na pomiarze czasu przejścia sygnału dźwiękowego odbijanego od stałej przeszkody znajdującej się w określonej odległości od przetwornika. Prędkość fali wylicza się przez podzielenie podwójnej odległości pomiędzy przetwornikiem i płaszczyzną odbijającą przez czas propagacji. Rozwiązanie to w pełni spełnia swoje zadanie w przypadku pomiaru odległości do tylko jednej granicy faz, gdyż pod uwagę bierze się tylko pierwsze odbicie.

w przypadku wię kszej liczby faz niż dwie oprócz odbić od granic faz pojawiają się odbicia wielokrotne wewnątrz poszczególnych warstw. Rozróżnienie tych odbić nastręcza poważne problemy i w większości przypadków jest niemoż liwe. Stosuje się mię dzy innymi sposób oceny szybkości narastania sygnału odbitego i na tej podstawie rozróżniania impulsów pochodzących od granicy faz z pierwszego odbicia i z odbić wielokrotnych, jednak metody te są zawodne i praktycznie do pomiaru wielu granic faz stosuje się kilka przyrządów działających niezależnie o zawężonych zakresach pomiarowych. Sposób ten nadaje się do stosowania tylko w przypadkach, jeśli wahania poziomu poszczególnych granic faz nie są duże i zakresy pomiarowe przyrządów nie zachodzą na siebie. Również w przypadku stosowania samokalibracji pojawiają się wielokrotne odbicia pomię dzy stałą przeszkodą a przetwornikiem, jednak ze wzglę du na ł atwość dokładnego wyliczenia czasu, po jakim te sygnał y się pojawiają (wielokrotność czasu pierwszego odbicia) istnieje możliwość łatwej ich eliminacji, o ile nie pokrywają się one z odbiciami od granic faz.

Sposób pomiaru według wynalazku polega na tym, że umieszcza się wewnątrz zbiornika dwa przetworniki, jeden w najwyższej warstwie cieczy, skierowany w dół, a drugi w najniższej warstwie cieczy, skierowany do góry. Korzystnie jest, jeśli przetworniki są tak ustawione, aby nawzajem mogły odbierać sygnały wysyłane przez drugi przetwornik.

W pierwszym etapie wykonuje się pomiar czasu przejścia sygnału pomiędzy obydwoma przetwornikami, lub między górnym przetwornikiem a dnem, ewentualnie dolnym przetwornikiem a powierzchnią cieczy. Na tej podstawie ustala się czas bramkowania, który zależnie od potrzeb może obejmować pomiar tylko w obszarze pomiędzy przetwornikami (wówczas obejmuje podwojony czas przejścia sygnału pomiędzy przetwornikami) lub może obejmować również odbicie od górnej powierzchni cieczy w zbiorniku lub od osadu znajdującego się na dnie zbiornika (wówczas czas pomiaru odpowiednio się wydłuża).

W następnej kolejności wysyła się na przemian sygnały z dolnego i górnego przetwornika i odbiera te sygnały na tym samym przetworniku. Uzyskane odbicia sygnałów przetwarza się komputerowo tak, aby jeden z sygnałów został odwrócony w czasie w odniesieniu do podwójnej wartości czasu przebiegu sygnału pomiędzy przetwornikami lub w stosunku do wcześniej wyliczonej orientacyjnej wartości tego czasu. Obydwa sygnały nakłada się na siebie i wybiera tylko te odbicia, które pokrywają się w obu sygnałach. Są to sygnały pochodzące od granic faz cieczy. Sposób ten może być stosowany w przypadku występowania dowolnej liczby granic faz cieczy. Również w tym przypadku można dokonywać samokalibracji układu i wyznaczyć prędkość fali w ośrodkach, w których zanurzone są przetworniki. W przypadku, jeśli znana jest prędkość fali akustycznej w dwóch warstwach w przypadku trzech warstw cieczy możliwe jest wyliczenie prędkości fali w warstwie trzeciej.

PL 207 911 B1

P r z y k ł a d :

W zbiorniku o wysokoś ci 1,5 m znajdują się trzy ciecze nie mieszają ce się : olej silikonowy, olej jadalny i woda. W dnie zbiornika umieszczony jest przetwornik piezoceramiczny. Drugi przetwornik zanurzony jest tuż pod powierzchnią górnej warstwy cieczy - oleju silikonowego. Przetworniki pobudza się impulsami elektrycznymi szpilkowymi i obserwuje się sygnały przechodzące do drugiego przetwornika oraz sygnały powracające do pierwszego przetwornika, mierząc czas opóźnienia sygnałów za pomocą oscyloskopu cyfrowego.

Uzyskane opóźnienie sygnału przechodzącego między przetwornikami wynosi 1014 μβ.

Dla górnego przetwornika uzyskane sygnały opóźnienia wynoszą kolejno: 740 μβ, 1014 μβ, 1288 μδ, 1754 μδ, 2028 μδ, analogicznie dla dolnego przetwornika uzyskane sygnały opóźnienia wynoszą 1014 μδ, 1288 μδ, 1562 μs i 2028 μδ. Odejmując wyniki uzyskane z drugiego przetwornika od podwójnej wartości opóźnienia pomiędzy przetwornikami uzyskuje się wartości: 0 μs, 466 με, 740 με i 1014 μs. Porównując wyniki z opóźnieniem z pierwszego przetwornika uzyskuje się informację, że tylko odbicia sygnałów z górnego przetwornika o opóźnieniach 740 μs i 1014 μs są właściwymi odbiciami od granic faz, natomiast pozostałe odbicia są sygnałami fałszywymi. Wynika z tego, że opóźnienia w poszczególnych warstwach wynoszą:

w górnej warstwie - 740/2 = 370 μs, w środkowej warstwie - (1014 - 740)/2 = 137 μs, w dolnej warstwie - (2028 - 1014)/2 = 507 μs.

Znając prędkość fali akustycznej w wodzie wynoszącą 1480 m/s i w oleju jadalnym wynoszącą 1460 m/s wylicza się grubość tych warstw jako iloczyn opóźnienia i prędkości fali w warstwie. Grubość dolnej warstwy, którą stanowi woda wynosi 0,75 m, a grubość środkowej warstwy, którą stanowi olej jadalny wynosi 0,20 m. Ponieważ odległość pomiędzy przetwornikami wynosi 1,45 m, grubość warstwy oleju silikonowego jest równa 1,45 - 0,20 - 0,75 = 0,5 m.

W dalszej kolejności dzieląc grubość warstwy oleju silikonowego przez opóźnienie w tej warstwie uzyskuje się prędkość dźwięku w tym oleju, która wynosi: 0,5/(370 · 10^-6) = 1351 m/s.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1.Sposób pomiaru poziomu granic faz cieczy, polegający na pomiarze czasu przejścia sygnału akustycznego od przetwornika do granic faz i z powrotem, znamienny tym, że w zbiorniku umieszcza się dwa przetworniki jeden w pobliżu dna skierowany do góry, a drugi w pobliżu górnej powierzchni cieczy skierowany do dołu, wysyła się na przemian sygnały z obydwu przetworników i odbiera się sygnały odbite od granic faz, a następnie przez obróbkę komputerową eliminuje się sygnały odbite pomiędzy warstwami cieczy i wybiera do analizy tylko te odbicia, które pokrywają się w obu sygnałach.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetworniki umieszcza się naprzeciw siebie tak, aby możliwy był odbiór sygnałów z jednego przetwornika przez drugi przetwornik, mierzy się czas przejścia sygnału pomiędzy przetwornikami i na podstawie tego czasu dokonuje komputerowego odwrócenia jednego z sygnałów w czasie.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku trzech warstw cieczy nie mieszających się, znając prędkość propagacji fal akustycznych w dwóch spośród warstw wyznacza się prędkość propagacji fal w trzeciej warstwie.