Экспериментальное исследование распространения ультразвуковых волн при контроле уровня жидкости датчиком с длинным волноводом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Описывается ультразвуковой датчик с длинным волноводом для измерения уровня жидкости в котором используются продольная L(0,1), крутильная T(0,1) и изгибная F(1,1) волновые моды. Данные волновые моды передавались и принимались одновременно по проволоке из нержавеющей стали. Длинный волновод (>12 м) охватывает более широкую область интереса и подходит для применения в технологической промышленности в неблагоприятных условиях. В этой работе мы использовали жидкости для измерения уровня и температуры, а также такие жидкости, как дизельное топливо, вода и глицерин для измерения уровня жидкости на основе коэффициентов отражения датчика от сигналов во временной и частотной областях. Мы изучили влияние эффектов затухания волновых мод на конструкцию датчика с длинным волноводного датчика при изменении длины волновода. Первоначально мы получили коэффициенты отражения мод L(0,1) и T(0,1) от волновода длиной 12,6 м, когда один конец длинного волновода был закреплен сдвиговым преобразователем с ориентацией 45°. В дальнейшем мы хотим изучить и идентифицировать все волновые моды (особенно F-моды). Следовательно, необходимо исследовать характеристики распространения направленной волны (затухание, скорость ультразвука и частоты всех волновых мод) в длинном волноводе при систематическом разрезании с интервалом в 1 м, начиная с его первоначальной длины волновода 12,6 м, анализируя сигналы А-сканирования различных длин одного волновода. Эта простая и экономически эффективная методика позволяет контролировать большие глубины и температуру жидкости на электростанциях, в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности при разработке длинного волновода датчика с соответствующими ультразвуковыми параметрами.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Абхишек Кумар

Национальный технологический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: abhik@student.nitw.ac.in
Индия, 506004, Телангана

Суреш Перияннан

Национальный технологический институт

Email: sureshp@nitw.ac.in
Индия, 506004, Телангана

Список литературы

  1. Cummings D.D., Wartmann G., Perdue K.L. Sensor apparatus for process measurement. U.S. Patent 5 661 251. Aug. 26. 1997.
  2. Grieger B.D., Cummings D.D. Sensor apparatus for process measurement. U.S. Patent 5 827 985. Oct. 27. 1998.
  3. Pelczarl C., Meiners M., Gould D., Lang W., Benecke W. Contactless liquid level sensing using wave damping phenomena in free-space / TRANSDUCERS 2007 — 2007 International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, Lyon, France. 2007. P. 2353—2356. doi: 10.1109/SENSOR.2007.4300642
  4. Xiaowei D., Ruifeng Z. Detection of liquid-level variation using a side-polished fiber Bragg grating // Opt. Laser Technol. 2010. V. 42. P. 214—218.
  5. Peng G., He J., Yang S., Zhou W. Application of the fiber-optic distributed temperature sensing for monitoring the liquid level of producing oil wells // Meas. J. Int. Meas. Confed. 2014. V. 58. P. 130—137.
  6. Ran Y., Xia L., Niu D., Wen Y., Yu C., Liu D. Design and demonstration of a liquid level fiber sensor based on self-imaging effect // Sensors Actuators. A Phys. 2016. V. 237. P. 41—46.
  7. Rogers S.C., Miller G.N. Level, temperature, and density sensor*. 1982.
  8. Lynnworth L.C. Ultrasonic Measurements for Process Control: Theory, Techniques, Applications. Acad. Press, 2013.
  9. Kim J.O. et al. Torsional Sensor Applications in Two-Phase Fluids // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 1993. V. 40. P. 563—576.
  10. Spratt W.K., Vetelino J.F., Lynnworth L.C. Torsional Ultrasonic Waveguide Sensor / 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings. 978-1-4577-0381-2/10/$25.00 ©2010 IEEE.
  11. Balasubramaniam K., Periyannan S. A novel ultrasonic waveguide technique for distributed sensing and measurements of physical and chemical properties of surrounding media. US Patent No: US 10520370B2. 2019.
  12. Periyannan S., Rajagopal P., Balasubramaniam K. Torsional mode ultrasonic helical waveguide sensor for re-configurable temperature measurement // AIP Advances. 2016. No. 6. P. 065116.
  13. Periyannan S., Balasubramanian K. Multi-level temperature measurements using ultrasonic waveguides // Measurement. 2015. V. 61. P. 185—191.
  14. Periyannan S., Rajagopal P., Balasubramaniam K. Re-configurable Multi-Level Temperature Sensing by Ultrasonic Spring-like Helical Waveguide // J. App. Phy. 2016. V. 119. P. 144502.
  15. Rose J.L. Ultrasonic Waves in solid Media. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1999. P. 143—152.
  16. Periyannan S., Balasubramaniam K. Simultaneous moduli measurement of elastic materials at elevated temperatures using an ultrasonic waveguide method // Review of Scientific Instruments. 2015. V. 86. P. 114903.
  17. Periyannan S., Rajagopal P., Balasubramaniam K. Multiple Temperature Sensors Embedded in an Ultrasonic Spiral-like waveguide // AIP Advances. 2017. V. 7. P. 035201.
  18. Kumar A., Periyannan S. Helical waveguide sensor for fluid level sensing using L(0,1), T(0,1) and F(1,1) wave modes simultaneously // IEEE Sensors Journal. Jul. 2023. V. 23 (17). P. 19002—19011. doi: 10.1109/JSEN.2023.3296931
  19. Periyannan S., Rajagopal P., Balasubramanian K. Ultrasonic Bent Waveguides Approach for Distributed Temperature Measurement // Ultrasonics. 2017. V. 74. P. 211—220.
  20. Kumar A., Periyannan S. Enhancing the ultrasonic waveguide sensor’s fluid level sensitivity using through-transmission and pulse-echo techniques simultaneously // Review of scientific Instrumnents. 2023. V. 94 (6). P. 065007. https://doi.org/10.1063/5.0145684
  21. Raja N., Balasubramaniam K., Periyannan S. Ultrasonic waveguide based level measurement using flexural mode F(1,1) in addition to the fundamental modes // Rev. Sci. Instrum. 2019. V. 90. https://doi.org/10.1063/1.5054638
  22. Subhash N.N., Balasubramaniam K. Fluid level sensing using ultrasonic waveguides // Insight-Nondestructive and condition monitoring. 2014. V. 56 (6). P. 607—612. DOI: doi.org/10.184/insi.2014.56.11.607
  23. Huang S. et al. An Optimized Lightweight Ultrasonic Liquid Level Sensor Adapted to the Tilt of Liquid Level and Ripple // IEEE Sensors Journal. Jan.1. 2022. V. 22. No. 1. P. 121—129. doi: 10.1109/JSEN.2021.3127127
  24. Matsuya I., Honma Y., Mori M., Ihara I. Measuring Liquid-Level Utilizing Wedge Wave // Sensors. 2018. V. 18 (1). P. 2. https://doi.org/10.3390/s18010002
  25. Dhayalan R., Saravanan S., Manivannan S., Rao B.P.C. Development of ultrasonic waveguide sensor for liquid level measurement in loop system // Electronics Letters. 2020. V. 56 (21). P. 1120—1122.
  26. Rogers S.C., Miller G.N. Ultrasonic level, temperature, and density sensor // IEEE Trans. Nucl. Sci. Feb. 1982. V. 29. No. 1. P. 665—668.
  27. Kim J.O. et al. Torsional sensor applications in two-phase fluids // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control. Sep. 1993. V. 40. No. 5. P. 563—576.
  28. Li P., Cai Y., Shen X., Nabuzaale S., Yin J., Li J. An accurate detection for dynamic liquid level based on MIMO ultrasonic transducer array // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2015. V. 64. P. 582—595.
  29. Zhang et al. A novel ultrasonic method for liquid level measurement based on the balance of echo energy // Sensors (Switzerland). 2017. V. 17. https://doi.org/10.3390/s17040706
  30. Chuprin V.A. Control of liquid media using ultrasonic normal waves. Moscow: Spectrum, 2015. 216 p. ISBN 978-5-4442-0101-5.
  31. Muravyev V.V., Muravyeva O.V. et al. Evaluation of Residual Stresses in Rims of Wagon Wheels Using the Electromagnetic-Acoustic Method // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2011. V. 47. No. 8. P. 512—521.
  32. Muravyev V.V., Muravyeva O.V., Kokorina E.N. Quality Control of Heat Treatment of 60C2A Steel Bars Using the Electromagnetic-Acoustic Method // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2013. V. 49. No. 1. P. 15—25.
  33. Murav’eva O.V., Murav’ev V.V., Myshkina A.V. The Influence of the Design Features of Antiphased Electromagnetic-Acoustic Transducers on the Formation of Directivity Characteristics // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2014. V. 50. No. 9. P. 531—538.
  34. Rastegaev I.A., Merson D.L., Danyuk A.V., Afanas’ev M.A., Khrustalev A.K. Universal Waveguide for the Acoustic-Emission Evaluation of High-Temperature Industrial Objects // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 54. No. 3. P. 164—173.
  35. Balasubramaniam K., Periyannan S. Ultrasonic waveguide technique for distribute sensing and measurements of physical and chemical properties of surrounding media. US Patent 11 022 502. June 1. 2021.
  36. Pavlakovic B.N., Lowe M.J.S., Cawley P. Disperse: A general purpose program for creating dispersion curves // Quant. Non-Destructive Eval. 1997. V. 16. P. 185—192.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Дисперсионное соотношение для нержавеющей стали: фазовая скорость (а); групповая скорость (б)

Скачать (175KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Ориентация волновода и датчика под углом 45° для распространения мод F(1,1), T(0,1) и L(0,1) в эксперименте и фото возбуждения мод

Скачать (337KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Блок-схема экспериментальной установки (а): 1 — сдвиговый преобразователь; 2 — волновод; 3 — генератор-приемник; 4 — PicoScope; 5 — компьютер; 6 — контролируемый резервуар; 7 — контролируемый образец. Держатель преобразователя (б); реальная экспериментальная установка для измерения уровня жидкости (в): держатель преобразователя (1); сдвиговый преобразователь с волноводом при 45° (2); соединитель (3); длинный волновод (4); образец и контролируемая труба (5); генератор/приемник (6); PicoScope (7); ПК (8)

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. Полученный сигнал А-скана (волновод в воздушной среде)

Скачать (151KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Преобразование Гильберта полученного сигнала А-скана и его увеличенное изображение для глицерина (а) и дизельного топлива (б)

Скачать (899KB)
Метаданные
7. Рис. 6. БПФ для полученных мод L(0, 1) (а), T(0, 1) (б) сигналов от глицерина

Скачать (514KB)
Метаданные
8. Рис. 7. БПФ для полученных мод L(0, 1) (а), T(0, 1) (б) сигналов от воды

Скачать (513KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость коэффициента отражения от уровня различных жидкости

Скачать (991KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Границы погрешности для L(0,1), T(0,1) 1-го прохода и L(0,1) 2-го прохода в воде (a); дизельном топливе (б); глицерине (в)

Скачать (1MB)
Метаданные
11. Рис. 10. Преобразование Гильберта для полученных сигналов А-скана при длинах волновода 12,6; 6,6; 3,4 и 1,7 м

Скачать (1MB)
Метаданные
12. Рис. 11. Изменение амплитуды сигналов мод волн L, T, F при изменении длины волновода

Скачать (853KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость частоты сигнала L(0, 1), T(0, 1), F(1, 1) от длины волновода

Скачать (798KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах