Акустические датчики уровня для химически агрессивных и радиоактивных жидкостей

 

Бродягин В.С., Марков Е.А., Мялицин Л.А., Платонов Н.Н.

 

Снежинская государственная физико-техническая академия

 

Управление технологическими процессами на радиохимическом производстве связано с измерением уровня агрессивных жидких сред, например, таких как кислотные растворы и расплавленное стекло с высокоактивными отходами (ВАО) [1]. В настоящий момент используются резонансные уровнемеры, обеспечивающие погрешность измерения уровня 3…4 %. В целях более точного учета растворов делящихся материалов, повышения надежности и эксплуатационной безопасности оборудования разработаны два типа акустических датчиков уровня. Для определения местонахождения границы раздела газовой и жидкой фаз использован звуколокационный метод [2].

Отличительной особенностью датчиков является применение длинного звукопровода (металлической трубы), так как активные элементы датчиков вынесены за биологическую защиту. В одном случае нижний конец трубы погружается в жидкость ниже минимально возможного уровня. В другом случае труба с открытым концом находится в газовой фазе выше максимального уровня жидкости. Верхний герметично закрытый конец трубы выводится за биологическую защиту и снабжается излучателем и приемником звука.

Металлическая труба звуколокационного датчика уровня является акустическим волноводом, который накладывает ограничения на максимальную частоту и длительность звукового сигнала. Значение длины волны звукового сигнала выбирается ниже длины волны первого радиального резонанса (λ ≥ λ ≈ 1,71d), чтобы в трубе распространялись только плоские волны и форма сигнала не изменялась с расстоянием [2,3]. Длительность звукового сигнала непосредственным образом ограничивает минимальное расстояние между двумя эхо. Чтобы улучшить пространственное разрешение, звуковой сигнал формируется излучателем с низкой добротностью (Q ≈ 5…20), а число двуполярных импульсов возбуждения излучателя выбирается равным 2..4.

Конец звукопровода, находящейся выше уровня жидкости, формирует диаграмму направленности при излучении звукового сигнала и приеме эха. При указанном выше ограничении на соотношение внутреннего диаметра трубы и длины волны звукового сигнала согласно полученным экспериментальным результатам [4] диаграмма направленности конца звукопровода близка к диаграмме направленности круглого кольца в плоском экране [5].

В экспериментах принимаемый сигнал регистрировался цифровым осциллографом на базе персонального компьютера, что позволило детально исследовать сигнал и разработать алгоритм математической обработки, обеспечивающий малую погрешность измерений. При определении временных интервалов используется частотная фильтрация, вычисляется корреляционная функция, учитывающая фазовый сдвиг отраженных сигналов. При вычислении уровня жидкости вносится температурная поправка, которая находится по реперным акустическим измерениям. Абсолютная погрешность измерений не превышает 2 мм для расстояний более 6 м.

Акустические датчики уровня опробованы на химаппаратах и электропечи для остекловывания ВАО ПО "Маяк".

 

Литература

 

1. Ю.В. Глаголенко, Е.Г. Дзекун, Г.М. Медведев и др. Переработка отработавшего ядерного топлива АЭС и жидких радиоактивных отходов на ПО «Маяк» // “Атомная энергия”. Т. 83, вып. 6, 1997, с. 446-452.

2. Константинов Б.П. Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде. Л.: “Наука”, 1974.

3. Скучик Е. Основы акустики. Т. 1, 2. М., “Мир”, 1976.

4. Мялицын Л.А. и др. Исследование направленности звукового поля акустического датчика уровня жидкости. // Тезисы докладов межотраслевой научно-технической конференции “Дни науки ОТИ МИФИ”, 24-26.04.2002 г., Озёрск.

5. Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы и средства измерения расстояний в воздушной среде. М.: "Энергия", 1973.