Способ определения глубины резервуаров и уровня жидкостей и устройство для его осуществления

 

Использование: для измерения глубины резервуаров и уровня жидкости. Сущность изобретения: применение для зондирования обладающего временной плавучестью, снабженного запасом энергии и испускающего излучение автономного зонда одноразового использования и пульта, являющегося приемником излучения и осуществляющего вычисления искомых величин. При реализации способа зонд сбрасывают в резервуар, фиксируют момент начала его движения и моменты изменений параметра излучения, связанных с достижением зондом уровня жидкости и/или дна резервуара, находят интервалы времени, затрачиваемого на падение и погружение зонда и прохождение излучения в среде, и рассчитывают искомые величины в соответствии с числом изменений параметра излучения по определенным формулам. Приведено описание конструкции устройства для реализации способа в общем случае, а также в случае обследования резервуаров с оптически прозрачными жидкостями. 2 с. и 1 з. ф. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике дистанционных измерений расстояний в газообразных и жидких средах до границ их раздела и границы раздела с твердой фазой. Оно может найти применение в химической и нефтяной промышленности, в геологии, в горном деле (например, при обследовании вертикальных взрывных скважин) и в других отраслях хозяйства в тех случаях, когда требуются экспрессные единичные измерения глубины резервуаров и уровня жидкостей с помощью портативной переносной аппаратуры с малыми затратами энергии.

Известны способы и устройства для определения уровня жидкостей и сыпучих сред в различных технологических и природных вместилищах (баках, бункерах, скважинах, естественных водоемах и т.п.), для измерения глубины и обследования состояния поверхностей подобных резервуаров, а также для совместного решения таких задач, в частности определения положения забоя скважины и уровня в ней воды или другой жидкости. Указанные способы и устройства подразделяются на два основных вида: контактные, в основу которых положено измерение расстояний с помощью приспособлений, опускаемых (вводимых) в резервуар и имеющих длину, большую или равную его глубине, и бесконтактные (дистанционные), в которых измерительные операции сводятся к регистрации и обработке испускаемого устройством и отраженного от границ раздела фаз (от поверхности жидкости или дна и стенок резервуара) излучения.

Например, для измерения уровня жидкости и глубины (положения забоя) скважин используют устройство, обладающее временной плавучестью, пустотелые баллоны с отверстиями и клапаном [1] Это устройство опускают в скважину на тросе, длина которого заведомо больше глубины скважины и контролируется в процессе сматывания с барабана лебедки. В моменты достижения уровня жидкости и, затем, забоя скважины происходит ослабление натяжения троса, что служит сигналом для снятия отсчета длины троса, то есть для определения искомых величин. Подобное устройство позволяет за один спуск его в резервуар (скважину) измерить уровень жидкости и расстояние до дна (забоя). Однако оно обладает и недостатками, такими как громоздкость и сложность контактной системы, включающей спускаемый аппарат, трос, лебедку и т.п. необходимость больших затрат и времени на спуско-подъемные операции и т.д.

В бесконтактных способах и устройствах для определения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах, измерения глубины и обследования состояния последних применяются различные по своей природе излучения электромагнитные в СВЧ или оптическом диапазоне, акустические и т.п.

Известно, например, акустическое устройство [2] которое позволяет путем измерения интервалов времени от момента посылки зондирующего импульса до момента прихода отраженных сигналов, а также путем анализа формы и полярности этих сигналов определять глубину скважин, наличие и вид дефектов на их стенках. С помощью такого устройства можно без введения в объект измерительных приспособлений, т. е. бесконтактно, весьма быстро и точно решать указанные задачи, однако при этом требуется посылка достаточно мощных зондирующих импульсов, что сопряжено с большими затратами и, как следствием этого, с использованием относительно громоздкой и массивной аппаратуры. Наряду с этим устройство не защищено от помех (случайных акустических импульсов, возникающих в земной коре при разгрузке напряжений) и не позволяет определять глубину скважины при наличии в ней жидкости, так как зондирующее излучение частично отражается от поверхности раздела жидкость/воздух, частично проходит через нее и далее практически полностью поглощается.

Известные способы и устройства, работающие на принципе локации электромагнитных волн в диапазоне СВЧ [3] имеют гораздо лучшую защиту от помех, т. к. посторонние сигналы в этом диапазоне волн в большинстве случаев отсутствуют. Помехами, например при определении уровней жидкости, могут служить лишь отраженные от неровностей поверхности резервуара волны. К недостаткам таких устройств относится то обстоятельство, что с их помощью можно определять только относительные изменения уровня, если в них не предусмотрены специальные приспособления, в частности калибровочные каскады, как это сделано в [3] Введение калибровочных приспособлений усложняет конструкцию устройств, увеличивают их габариты и массу. Однако, основным фактором, от которого зависят подобные характеристики аппаратуры, является необходимость применения мощного зондирующего излучения. Так же как и акустические, СВЧ-уровнемеры не позволяют определять глубину резервуаров при наличии в них жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому изобретению является способ измерения уровня, приведенный в [4] Так же как и в [3] в этом способе применяется принцип локации электромагнитного излучения в СВЧ диапазоне, но получаемая интерференционная картина изменяется во времени, т. к. используются "обратные" волны, отраженные не границами (дном) резервуара или заполняющей его жидкости, а падающим пассивным отражателем. Число интерференционных экстремумов, возникающих при падении отражателя, пропорционально глубине падения, поэтому данный способ позволяет определить искомое расстояние (глубину, уровень) непосредственно, без калибровочных и т.п. приспособлений. Помехозащищенность такого принципа измерений на много выше, т. к. отраженные от неподвижных границ волны дают неизменную во времени интерференционную картину, не влияющую сколько-нибудь заметно на результаты определения искомых величин. Однако этот способ, как и все другие, описанные выше, сопряжен с большими энергозатратами. Это связано с тем, что при прохождении пути от приемопередатчика до отражающей поверхности и обратно излучение дважды рассеиваются и поглощается и достигает смесителя весьма ослабленным, поэтому для надежного получения интерференционной картины необходимо и многократно усиливать принимаемый сигнал либо увеличивать мощность зондирующего излучения. И то, и другое приводит к увеличению энергопотребления, массы и габаритов аппаратуры. Кроме того, как и другие способы, основанные на эхо-локации, он не позволяет определять глубину резервуаров, содержащих жидкость, т.к. зондирующее частично отражается поверхностью жидкостью, частично в ней поглощается.

Целью изобретения в части, касающейся способа, является дистанционное получение информации об уровне жидкости и глубине резервуара в одном измерительном цикле и сокращение затрат энергии и времени на осуществление процедуры определений искомых величин. При этом ставится задача разработать такой способ, можно было бы реализовать с помощью портативных переносных измерительных средств в случае, когда требуются единичные определения глубины и уровня, например, при обследовании вертикальных взрывных скважин.

Поставленная цель достигается тем, что зондирования, включающего запуск (сбрасывание) зонда в направлении дна или граничной поверхности жидкости, прием и обработку излучения, применяют, в отличие от известных решений, не длинномерные мерительные приспособления [1] или отражаемые границами объекта [2, 3] или пассивными отражателями [4] излучения, а обладающий временной плавучестью, снабженный запасом энергии и испускающий излучение автономный зонд одноразового использования. При запуске фиксируют момент начала движения зонда и далее момента изменений параметра испускаемого им излучения, связанных с достижением зондом уровня жидкости и/или дна резервуара. После этого находят интервалы времени, затрачиваемого на падение и погружение зонда и прохождение излучения в среде, и рассчитывают искомую глубину и уровень в соответствии с числом изменений параметра излучения по формулам: L=X (1) при изменении параметра излучения один раз (резервуар без жидкости), L=X+h (2) при изменении параметра излучения три раза или более (резервуар с жидкостью), при V_u>V, при V_u≈V,
где L глубина резервуара;
X уровень жидкости или отметка дна пустого резервуара, отсчитываемые от точки старта зонда;
h высота столба жидкости в резервуаре;
m масса зонда;
m_o= βVρ_o присоединенная масса;
α эмпирический коэффициент, учитывающий аэро- и гидродинамические качества зонда и свойства среды;
b численный коэффициент, зависящий от геометрической формы зонда;
V объем зонда;
r_o плотность среды, в которой движется зонд;
ρ средняя плотность вещества зонда;
V скорость движения зонда;
V_н скорость распространения излучения в среде;
g ускорение свободного падения;
T, T₁=const время изменения регистрируемого параметра излучения при достижении зондом границ раздела газ/жидкость, газ/твердое тело (T), или жидкость/твердое тело (Т₁);
T_Σ= t_и1-t₀;
t₀ момент запуска зонда;
t_и1 момент регистрации первого изменения параметра излучения, сигнализирующего о достижении зондом уровня жидкости или дна пустого резервуара;
T_Σ1= t_из-t_и2;
t_и2 момент регистрации второго изменения параметра излучения, сигнализирующего о начале погружения зонда в жидкость;
t_и3 момент регистрации третьего изменения параметра излучения, сигнализирующего о достижении зондом дна резервуара с жидкостью.

Совокупность указанных отличительных признаков позволяет получить технические результаты, являющиеся целью изобретения. В частности, дистанционное определение глубины резервуара и уровня жидкости в нем становится возможным благодаря тому, что зонд автономен и запасенная энергия используется для передачи информации о его местоположении с помощью испускаемого излучения. В процессе движения зонд преодолевает весь путь от места старта до дна резервуара независимо от того, есть ли в последнем жидкость, или нет. При этом зонд сигнализирует изменением параметра испускаемого излучения о достижении им в определенные моменты времени границ раздела фаз. Это позволяет определить глубину резервуара и уровень жидкости в рамках одного измерительного цикла. Поскольку зонд движется в резервуаре под действием силы тяжести, затрат энергии на это не требуется. Она расходуется только на испускание зондом излучения, а также на прием и обработку этого излучения на пульте. Поэтому потребление энергии в данном способе существенно меньше чем, например, при использовании контактных устройств со спуско-подъемными операциями, или в эхо-локации. Так как зондирование осуществляется дистанционно, затраты времени на определение искомых величин существенно меньше, чем в контактных способах, и приближаются к затратам времени на эхо-локацию. Небольшое энергопотребление предопределяет возможность создания малогабаритной переносной аппаратуры для осуществления способа, а применение в ее составе одноразового автономного зонда целесообразность использования такой аппаратуры для единичных измерений.

Для реализации описанного выше способа и с целью упрощения конструкции, уменьшения массы и габаритов аппаратуры, повышения информативности и точности результатов измерений предлагается использовать устройство, состоящее из пульта с блоком питания и зонда и имеющее следующие отличительные признаки.

Зонд, в отличие от известных устройств [1] выполнен автономным, т.е. не связанным с пультом линиями коммуникаций (кабелем, тросом и т.п.). Кроме того, он является источником излучения, а не пассивным отражателем [4] обладает временной плавучестью и изменяющимся при достижении границ раздела фаз излучением. Эти качества зонда обеспечивается включенными в его состав стартовым приспособлением, энергоносителем или аккумулятором (источником) энергии и связанным с ним функционально преобразователем (излучателем), а также балластной емкостью с отверстиями, поддерживающей зонд на плаву до момента заполнения ее жидкостью. Простота конструкции и невысокая стоимость зонда позволяют применять его как устройство одноразового использования.

Пульт служит для запуска зонда, осуществляемого практически без энергозатрат, и является пассивной в рамках процесса зондирования частью устройства, выполняющей, помимо указанного, операции приема и преобразования излучения и вычислений, чем отличается от известных устройств [2-4] в состав которых входят передающие рупорные антенны и т.п. то есть элементы, производящие активные операции. Для осуществления указанных функций в состав пульта введены пусковое приспособление, приемный преобразователь излучения, первый усилитель, дифференцирующий каскад, второй усилитель, формирователь импульсов, счетно-анализирующее устройство и цифровой индикатор. Вся электрическая схема выполняется на элементах современной микроэлектроники и техники жидких кристаллов и поэтому обладает малым энергопотреблением.

Указанные отличительные признаки устройства позволяют получить необходимые технические результаты. В частности, за счет временной плавучести удается четко зафиксировать моменты достижения зондом поверхности жидкости и начала его погружения. Способность изменять параметр излучения при достижении зондом границ раздела фаз позволяет использовать излучение для дистанционной передачи информации о местоположении зонда. Совместно оба эти качества зонда дают возможность в одном измерительном цикле определять как уровень жидкости, так и глубину резервуара, т.е. повышают информативность результатов измерений. Кроме того, временная плавучесть позволяет осуществлять погружение зонда в контролируемых условиях, а именно при нулевой начальной скорости, независимо от высоты его падения в жидкость. Выполнение этого условия обеспечивает повышение точности расчетов глубины погружения.

Автономность зонда и его способность дистанционно передавать информацию о достижении границ раздела фаз упрощает конструкцию, уменьшает массу и габариты аппаратуры в целом, т.к. отпадает необходимость в применении мощных приемо-передающих антенн или спуско-подъемных механизмом и отвечающих их энергопотреблению источников питания.

Для частного случая измерений в резервуарах с оптически прозрачными жидкостями предлагается использовать устройство со следующими отличительными признаками.

Зонд выполняется в виде удлиненного вдоль оси тела вращения с изменяющимися в продольном направлении плотностью и диаметром. Центры тяжести масс и объема расположены таким образом, что это, наряду с геометрической формой зонда, обеспечивает при падении устойчивое прямолинейное его перемещение с ориентированной вдоль траектории движения продольной осью, опрокидывание при достижении границ раздела фаз, возвращение к исходной ориентации за счет смещения центра тяжести масс к центру тяжести объема и погружение в жидкость при заполнении ею балластной емкости. Зонд снабжен изготовленным из эластичного материала, открытым с одного из торцов и имеющим на другом торце балластную емкость корпусом, внутрь которого вставлены с натягом элемент питания и подключенный к нему с помощью проводника и изолированного цокольного контакта оптический преобразователь (излучатель). При этом активная часть преобразователя (излучателя) утоплена в корпус и обращена в сторону открытого его торца. Зонд оснащен также стартовым приспособлением, выполненным в виде пружинящего хомута с фиксатором, в нерабочем состоянии зонда надетого на корпус в месте контакта элемента питания и преобразователя (излучателя) и разъединяющего их за счет производимого им поперечного сжатия корпуса с образованием шейки и удлинения вдоль оси вращения.

Совокупность этих отличительных признаков обеспечивает оптимальным образом достижение необходимых технических результатов в рассматриваемом частном случае. Это касается упрощения конструкции устройства (зонда), уменьшения его массы и габаритов, повышения информативности и точности результатов измерений. Указанное достигается путем применения в конструкции небольшого числа малогабаритных стандартных элементов и придания зонду свойства менять интенсивность направленного в сторону пульта излучения за счет опрокидывания его на границах раздела фаз.

На фиг. 1 приведен примерный вид временных диаграмм, которые получаются при реализации предлагаемого способа:
А для интенсивности I_и излучения, испускаемого зондом в направлении пульта;
Б для интенсивности излучения I_п, принимаемого пультом;
В для последовательности импульсов, возникающих на выходе дифференцирующего звена в результате приема и преобразования излучения зонда пультом.

На фиг. 2 выполнен чертеж зонда, предназначенного для измерений в резервуарах с оптически прозрачными жидкостями.

На фиг. 3 дана блок-схема электрической части пульта.

Отдельным блоком показано пусковое приспособление (с изображенным там же зондом), выполняющее в основном функции несущего конструктивного элемента, но включающие и электрическую цепь с контактом запуска устройства.

Реализация способа, например при обследовании резервуаров с оптически прозрачными жидкостями, заключается в следующем.

В фиксированный момент времени t₀ зонд запускается (сбрасывается) в резервуар в направлении граничной поверхности жидкости. В газовой фазе он движется прямолинейно, испуская в направлении пульта излучение с интенсивностью I_и0. При достижении поверхности жидкости в момент времени t₁ (см. фиг. 1, А) зонд частично или полностью погружается в нее, опрокидывается (меняет ориентацию) в момент времени t₃ и снова всплывает. Это приводит к быстрому уменьшению до величины I⁽¹⁾_ик интенсивности излучения, направленного в сторону пульта, что фиксируется последним и преобразуется в импульс положительной полярности в момент времени t_и1 (фиг. 1, В).

Движение зонда в газах и маловязких жидкостях под действием силы тяжести, т.е. падение или погружение, с удовлетворительной точностью описывается уравнением

где Х₁ расстояние, отсчитываемое от точки старта зонда;
t текущее время.

Уравнение (6) справедливо при больших числах Рейнольдса [5] что имеет место на практике даже в случае, когда зонд начинает погружаться в жидкость с нулевой начальной скоростью.

Расчеты показывают, что при движении сферического тела с радиусом 0,5 см, начавшего погружаться в воду с нулевой начальной скоростью и прошедшего в воде расстояние, равное его диаметру (≈1 см), число Рейнольдса составляет Re≈3000. Это условие выполняется как в момент старта зонда, так и в момент начала погружения (в связи с наличием у зонда свойства временной плавучести).

Для случая падения зонда в газовой фазе уравнение (6) упрощается в нем пренебрегают выталкивающей силой Vρ·g и присоединенной массой m_o= βVρ_o ввиду очень малой их величины, что обусловлено малой плотностью ρ_o газа Vρ_o≪ m. Интегрирование такого уравнения при указанном условии (нулевой начальной скорости)

приводит к выражению (3) для высоты Х падения зонда в газовой фазе, то есть для уровня жидкости или отметки дна пустого резервуара, отсчитываемых от точки старта зонда.

В (7), (8) через t обозначен произвольный момент времени. Соотношение (3) дает точный результат при условии, что скорость V_и распространения излучения в газе много больше скорости V движения зонда (V_и>V), т.е. в том случае, когда в интервал T_Σ= t_и1-t₀ не входит время прохождения излучения пути X. Это имеет место при использовании оптического излучения. При V_и≈V в (3) вводится поправка: из T_Σ вычитается T_хи, что после преобразований (3) приводит к трансцендентному уравнению (4) для величины Х.

Начиная с момента времени t₁ балластная емкость зонда начинает заполняться жидкостью. Этот процесс завершается после всплытия зонда в момент времени t₅ и сопровождается обратным его опрокидыванием и началом погружения в момент времени t₇ (фиг. 1, А). При обратном опрокидывании зонда интенсивность испускаемого им в направлении пульта излучения быстро возрастает до исходной величины I_и0. Это фиксируется в пульте и преобразуется в импульс отрицательной поляpности в момент времени t_и2 (фиг.1, В). По достижении дна резервуара в момент времени t₉ зонд снова опрокидывается, при этом вновь быстро уменьшается до величины I⁽²_ик⁾ интенсивность испускаемого в направлении пульта излучения. В пульте это вызывает возникновение импульса положительной полярности в момент времени t_и3.

Для отыскания глубины h погружения зонда (или высоты столба жидкости в резервуаре) интегрируется уравнение (6) при условиях, аналогичных (7), (8)

При этом учитывается, что скорость V_и1 распространения излучений в жидкостях как правило много больше скорости V движения зонда. В результате интегрирования (6) для h получается выражение (5).

Искомая глубина L резервуара определяется по формуле (2). В случае пустого (без жидкости) резервуара зонд опрокидывается один раз при достижении дна, поэтому импульсы в моменты времени t_и2 и t_и3 в пульте не генерируются и при расчетах L полагается h=0, т.е. используется формула (1).

В зависимости от конструктивных особенностей резервуара, условий места установки пульта и свойств жидкости, находящейся в резервуаре, при реализации способа могут быть использованы излучения различной природы: механические колебания в звуковом или ультразвуковом диапазоне, электромагнитные волны в оптической или иной части спектра и т.п. В связи с этим возможно применение в конструкции зонда и соответствующих преобразователей энергии, ее источников или энергоносителей.

На фиг. 2 представлена конструкция зонда, испускающего электромагнитное излучение в видимой (оптической) части спектра.

Зонд состоит из корпуса 1, выполненного из эластичного материала, например мягкой резины, преобразователя энергии лампы накаливания 2, стартового приспособления, выполненного в виде пружинящего хомута 3 с фиксатором и источника питания (батарейки) 4. Нижняя часть корпуса имеет полое грушевидное утолщение 5 с несколькими отверстиями 6, являющееся балластной емкостью. Пустой (без батарейки и лампы накаливания) корпус представляет собой эластичную трубку с грушевидной расширенной нижней частью. При сборке зонда в трубку с натягом вставляется батарейка с закрепленным на ее корпусе (отрицательном полюсе) гибким электрическим проводником 7 так, что батарейка достигает своим донышком верхней части грушевидного расширения или, при необходимости, частично даже входит в него. Лампа накаливания оборачивается несколькими витками выходящего из трубки проводника и также с натягом вставляется в трубку вплоть до касания ее цокольным контактом положительного полюса источника питания. При этом лампочка загорается и зонд приводится таким образом в рабочее состояние. Для перевода его в нерабочий режим (транспортное состояние) на корпус надевается и затягивается в месте контакта лампочки батарейки пружинящий хомут 3. Хомут пережимает и растягивает тем самым трубку и выводит лампочку из контакта с батарейкой. Лампочка гаснет. При запуске зонда ослабляют хомут, лампочка при этом загорается, зонд высвобождается и начинает падать в резервуар.

Плавучесть зонда обеспечивается, когда средняя плотность его вещества ρ меньше плотности жидкости r_o. Если средняя плотность вещества источника питания ρ_o в 2,5 раза превосходит плотность ρ_o жидкости, что справедливо, например, для стандартных сухих элементов (батареек) и воды, то для обеспечения плавучести зонда (ρ ≈ 0,9ρ_o) необходимо иметь балластную емкость объемом, приблизительно в 2 раза превышающим объем источника питания. Это вполне допустимо и позволяет создать зонд с необходимыми габаритами, аэро- и гидродинамическими качествами. При плотности вещества корпуса ρ_к, близкой к плотности жидкости ρ_к≈ 1,1ρ_o, что имеет место, например, при использовании мягкой резины, и указанном соотношении объемов источника питания и балластной емкости, центр тяжести масс зонда Оm расположен на его оси вращения несколько ниже центра тяжести источника питания, а центр тяжести объема Оv смещен по оси ниже и ближе к балластной емкости (фиг. 2). Такое расположение центров Оm и Ov обеспечивает опрокидывание зонда при достижении им границ раздела фаз и восстановление исходной ориентации в начале погружения за счет смещения Оm к Оv при заполнении балластной емкости жидкостью. Устойчивость движения зонда обеспечивается тем, что подъемная сила, действующая на верхнюю его часть, расположенную выше центра тяжести Оm, больше подъемной силы, действующей на нижнюю его часть, расположенную ниже Оm, так что при случайном отклонении оси зонда от траектории движения набегающий поток газа или жидкости вызывает результирующий крутящий момент, который восстанавливает исходную ориентацию. Необходимая величина подъемной силы, действующей на верхнюю часть зонда, достигается путем наращивания длины корпуса (трубки) со стороны преобразователя энергии, т.е. лампы накаливания. При необходимости эта часть корпуса может быть использована для увеличения плавучести зонда, что достигается перекрытием ее торца легкой прозрачной заглушкой, выполненной, например, из оргстекла.

Пульт состоит из пускового приспособления 1, электронного блока, включающего приемный преобразователь 2, первый усилитель 3, дифференцирующий каскад 4, второй усилитель 5, формирователь импульсов 6, счетно-анализирующее устройство 7 и цифровой индикатор 8, а также блока питания (на фиг. 3 не показан).

Пусковое приспособление 1 (ПП) представляет собой плату с вмонтированным в нее гнездом для запуска зонда (ЗИ) и закрепленными на ней электронным блоком и блоком питания. Гнездо выполнено в виде направляющего цилиндрического патрубка, имеющего внутренний диаметр, немного больше диаметра средней части зонда. На боковой поверхности патрубка установлен микропереключатель "Пуск", кнопка которого выведена через отверстие в стенке патрубка на внутреннюю поверхность последнего. Микропереключатель "Пуск" соединен последовательно с тумблером ТВ ("включено") в электрической цепи управления прибором.

Приемный преобразователь 2 выполняется из стандартных элементов и является датчиком испускаемого зондом излучения. При использовании для связи электромагнитных волн в оптической части спектра это может быть фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), фотодиод и т.п. преобразователи. Если испускаемый зондом поток светового излучения составляет φ_и= 0,5 лм, что справедливо при использовании стандартных миниатюрных ламп накаливания, то на фотокатод ФЭУ, имеющий радиус r_к= 5·10_-3 м (ФЭУ-60), при расстоянии до зонда L=25 м будет приходиться поток
Анодный ток ФЭУ, обусловленный световым потоком φ_п, т. е. рабочий ток при световой анодной чувствительности S_A= a/лм (ФЭУ-60) составит
I_A= S_A·φ_п= 15·10^-8a.
Отношение рабочего анодного тока I_А к темновому I_т=2·10^-8а (ФЭУ-60), т. е. отношение сигнал/шум равно I_А/I_т= 7,5, что вполне достаточно для нормальной работы устройства. При наличии в резервуаре оптически прозрачной жидкости максимальная глубина зондирования может быть меньше приведенной выше оценки. Она будет зависеть от величины коэффициента пропускания (прозрачности) жидкости и от высоты ее столба h.

Первый 3 и второй 5 усилители представляют собой полупроводниковые усилители постоянного тока с большим входным сопротивлением, например, операционные усилители. Конструктивно они могут быть реализованы с помощью микросхем.

Дифференцирующий каскад 4 является пассивным четырехполюсником и состоит из емкости и сопротивления, соединенных таким образом, что напряжение на его выходе равно производной по времени от напряжения на входе.

Формирователь импульсов 6 состоит из соединенных по определенной схеме генератора опорной частоты, а также стандартных логических и переключающих элементов. Он реализуется совместно со счетно-анализирующим устройством 7 (САУ) в одном микропроцессоре.

Цифровой индикатор 8 (ИН) является выходным каскадом электронного блока и изготавливается из малогабаритных жидкокристаллических элементов.

Работает устройство следующим образом.

После разблокирования фиксатора хомут (стартовое приспособление) освобождает зонд и тот выпадает из гнезда в резервуар. При этом освобождается также кнопка микропереключателя "Пуск", прижатая ранее корпусом зонда. Нормально закрытый контакт микропереключателя через включенный тумблер ТВ замыкает цепь управления прибором и через некоторое время τ_o все его элементы подготавливаются к работе: зарегистрированные до этого случайно сигналы стираются и на всех цифровых элементах устанавливаются "нули". При достижении зондом границ раздела фаз интенсивность испускаемого им излучении быстро изменяется, что вызывает соответствующие изменения выходных величин приемного преобразователя (фиг. 1, Б). Пройдя усилитель 3, дифференцирующий каскад 4 и второй усилитель 5, сигнал преобразуется в последовательность колоколообразных импульсов разной полярности, подобных тем, что показаны на фиг. 1, В. Далее эти импульсы стандартизируются в формирователе 6 и используются в счетно-анализирующем устройстве 7 для определения временных интервалов Τ_Σ и T_Σ1 и выбора соответствующей вычислительной процедуры. В зависимости от числа зарегистрированных импульсов счетно-анализирующее устройство производит вычисления по формулам (1) (5) с использованием известных алгоритмов. Полученные результаты (величины X, h, L) передаются в определенной последовательности на цифровой индикатор 8.

Формула изобретения

1. Способ определения глубины резервуаров и уровня жидкостей, включающий запуск (сбрасывание) зонда в направлении дна или граничной поверхности жидкости, излучение с помощью зонда сигналов, прием и обработку этих сигналов, а также определение искомых величин по результатам обработки принятых сигналов, отличающийся тем, что при зондировании применяют автономный зонд одноразового использования, обладающий переменной плавучестью и запасом энергии, необходимой для излучения сигнала, фиксируют момент начала движения зонда и моменты изменений параметра излучения, связанных с достижением зондом дна резервуара или поверхности жидкости и дна резервуара, измеряют интервалы времени, затрачиваемого на падение и погружение зонда и прохождение излучения в среде, а искомые глубину и уровень рассчитывают в соответствии с числом изменений параметра излучения по формулам
L x
при изменении параметра излучения один раз (резервуар без жидкости),
L x + h
при изменении параметра излучения три раза (резервуар с жидкостью),

при v_n >> v

при v_n ≈ v

где L глубина резервуара;
x уровень жидкости или отметка дна пустого резервуара, отсчитываемые от точки старта зонда;
h высота столба жидкости в резервуаре;
m масса зонда;
m_o= βvρ_o присоединенная масса;
α эмпирический коэффициент, учитывающий аэро- и гидродинамические качества зонда и свойства среды;
b численный коэффициент, зависящий от геометрической формы зонда;
V объем зонда;
r_o плотность среды, в которой движется зонд;
ρ средняя плотность вещества зонда;
v скорость движения зонда;
v_n скорость распространения излучения в среде;
q ускорение свободного падения;
T, T₁ const время изменения регистрируемого параметра излучения по достижении зондом границ раздела газ/жидкость, газ/твердое тело (Т) или жидкость/твердое тело (Т₁);
T_Σ= t_n1-t_o,
t₀ момент запуска зонда;
t_n1 момент регистрации первого изменения параметра излучения, сигнализирующего о достижении зондом уровня жидкости или дна пустого резервуара;
T_Σ1=t_n3-t_n2
t_n2 момент регистрации второго изменения параметра излучения, сигнализирующего о начале погружения зонда в жидкость;
t_n3 момент регистрации третьего изменения параметра излучения, сигнализирующего о достижении зондом дна резервуара с жидкостью.

2. Устройство для определения глубины резервуаров и уровня жидкостей, содержащее зонд и пульт управления и обработки сигнала, имеющий в своем составе блок питания, приемный преобразователь, первый усилитель, второй усилитель, формирователь импульсов, счетно-анализирующее устройство и цифровой индикатор, отличающееся тем, что зонд выполнен в виде автономного источника излучения одноразового использования, обладающего переменной плавучестью и запасом энергии для излучения сигнала, имеет стартовое приспособление и балластную емкость с отверстиями, а пульт управления и обработки сигнала является пассивной частью устройства, выполнен с использованием средств микроэлектроники, обладает малым энергопотреблением и дополнительно содержит пусковое приспособление и дифференцирующий каскад, включенный последовательно между первым и вторым усилителями.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что зонд выполнен в виде удлиненного вдоль оси тела вращения с изменяющимися в продольном направлении плотностью и диаметром, имеет расположение центров тяжести масс и объема, обеспечивающее устойчивость ориентации его оси вдоль направления действия сил гравитации при нахождении зонда в однородной гомогенной среде и потерю этой устойчивости на границе раздела фаз, корпус зонда выполнен из эластичного материала и открыт с одного торца, балластная емкость установлена на другом торце корпуса, элемент питания вставлен с натягом внутрь корпуса и подключен с помощью проводника и изолированного цокольного контакта к выполненному оптическим излучающему преобразователю, активная часть которого утоплена в корпус и обращена в сторону открытого его торца, а стартовое приспособление выполнено в виде пружинящего хомута с фиксатором, надетого на корпус и сжимающего его в месте контакта элемента питания и излучающего преобразователя, за счет чего последние разъединены.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3