Устройство для измерения уровня жидких сред

 

Изобретение относится к нефтегазоперерабатывающей промышленности, водоснабжению. Устройство содержит измерительную трубу с акустическим излучателем зондирующего сигнала и двумя приемниками акустических сигналов, усилитель-формирователь зондирующих сигналов, усилитель-формирователь принятых сигналов, схему измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, и индикатор. Второй приемник акустических сигналов расположен ниже первого приемника на фиксированном расстоянии от него и выше максимально допустимого уровня жидкости для данного резервуара. Оба приемника установлены ниже уровня излучателя на наружной стенке измерительной трубы и связаны входами с ее полостью через согласующие трансформаторы, а выходами через усилитель-формирователь принятых сигналов подключены к сигнальному входу схемы измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, выполненной на микропроцессоре, реализующем заданную программу управления процессом измерения, вычисления усредненного значения измеряемого уровня жидкости в соответствии с назначением и исходными данными по приводимой формуле. Первый выход микропроцессора подключен к управляющему входу усилителя-формирователя зондирующих видеосигналов, второй выход соединен с входом цифрового индикатора измеряемого уровня, а третий выход служит для связи с внешними устройствами. Обеспечена высокая точность, надежность измерения уровня жидкости в резервуарах и лотках различных типов, простота конструкции, малая энергоемкость и высокие эксплуатационные характеристики, снижено влияние внешних помех. 3 ил.

Изобретение относится к измерению уровня жидкостей акустическим методом и может найти широкое применение в автоматизированных системах контроля и учета в нефтегазоперерабатывающей промышленности, водоснабжении и водоотведении в коммунальном хозяйстве, других отраслях народного хозяйства, связанных с производством, хранением и использованием жидкостей при нормальном атмосферном давлении.

Актуальность разработки новых средств измерения уровня жидких сред в открытых и закрытых, в том числе подземных резервуарах и лотках определяется необходимостью автоматизированного оперативного учета наличия и расхода на всех этапах их производства, хранения и реализации.

В настоящее время разработаны различные контактные и дистанционные устройства для измерения уровня жидких сред, в которых используются различные частотные диапазоны, в том числе ультразвуковой и звуковой (акустический). Однако существующие устройства измерения уровня жидкости не обладают достаточной универсальностью, надежностью, точностью, технологичностью, возможностью гибкой, оперативной программной перестройки применительно к условиям эксплуатации.

Известен акустический уровнемер (а.с. N 821939, М. кл.³ G 01 F 23/28), содержащий измерительный и эталонный датчики, каждый из которых состоит из блока возбуждения зондирующих импульсов, усилителя, излучателя и приемника акустических сигналов, включенных в схему автоциркуляции, трубу эталонного датчика, снабженную фиксированным отражателем, трубу измерительного датчика и регистрирующий блок. С целью повышения точности измерений в эталонной трубе установлены дополнительные фиксированные отражатели, а также введен блок синхронизации, включенный между выходом усилителя эталонного акустического датчика и блоком возбуждения зондирующих импульсов этого датчика.

Недостатками данного устройства являются использование отдельных блоков излучения и приема для каждой отдельной измерительной и эталонной труб, наличие в эталонной трубе нескольких фиксированных отражателей и применение автоциркуляционной схемы, что в конечном итоге может приводить к увеличению погрешности измерений уровня в некоторых интервалах его значений из-за интерференционных явлений в эталонной трубе, расхождения параметров приемопередающих устройств обоих каналов, остаточных погрешностей в схеме автоциркуляции.

Известно устройство для измерения уровня жидких сред (см. а.с. СССР N 1048322, M. кл.³ G 01 F 23/28), содержащее расположенный над контролируемой средой двухлучевой акустический излучатель, генератор зондирующих импульсов, усилитель-формирователь, электронные ключи, ждущий управляемый мультивибратор, реверсивный счетчик и триггер.

Недостатками данного устройства, которые могут приводить к снижению точности измерения, являются использование двухлучевого акустического излучателя, обеспечивающего одновременное излучение и прием сигналов во взаимно перпендикулярных плоскостях, необходимость "точной" установки этого излучателя с учетом требований создания "эталонного" расстояния l₀ во взаимно перпендикулярных плоскостях, сложный алгоритм формирования информационных сигналов, использование вторично переотраженных сигналов, что накладывает дополнительные требования на уровень излучаемой мощности, расположение эталонного расстояния в горизонтальной плоскости.

Известен акустический уровнемер (пат. RU N 2010180, M.кл.⁵ G 01 F 23/28), содержащий звукопровод, выполненный в виде трубы, снабженный отражателем со шлифованной поверхностью, акустический измерительный элемент, соединенный с блоком регистрации, стержневой волновод, установленный соосно в трубе. Отражатель выполнен трапецеидальной формы и закреплен на трубе напротив рабочего торца волновода. При этом боковые грани отражателя установлены под углом 60^o к горизонтальной грани отражателя, которая расположена перпендикулярно рабочему торцу волновода.

Недостатки данного устройства определяются крайне сложной структурой звукопровода, что ограничивает области его использования, кроме того, введение отражателя в звукопровод может приводить к интерференционным явлениям за счет многократного отражения от его поверхности.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к предлагаемому техническому решению аналогом-прототипом может служить акустический уровнемер, защищенный авторским свидетельством СССР N 1615559, М. кл.⁵ G 01 F 23/28. Он содержит измерительную трубу с акустическим излучателем зондирующего импульса и приемником акустических сигналов, усилитель-формирователь зондирующего видеоимпульса, усилитель-формирователь принятых импульсов, схему измерения временного интервала, пропорционального измеряемому уровню, и индикатор.

Основным недостатком данного устройства (прототипа) является достижение поставленной цели за счет сложного алгоритма обработки принятого сигнала, что, однако, не исключает снижения достоверности результатов измерения из-за изменчивости внешних факторов (установка одного датчика температуры не обеспечивает достоверности учета обычно неравномерного в вертикальной и горизонтальной плоскостях распределения температуры внутри резервуара). Другие недостатки связаны с установкой излучателя и приемника на одном уровне, что может приводить к необоснованному увеличению диаметра трубы, снижению энергетических показателей устройства и ограничению возможностей его применения.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства, обеспечивающего повышение точности и надежности измерения уровня жидкостей в резервуарах и лотках различных типов (открытых, закрытых, подземных), упрощение алгоритма формирования информационных сигналов, снижение влияния внешних помех, снижение энергоемкости, улучшение эксплуатационных параметров.

Согласно изобретению поставленная задача решена следующим образом. В устройство для измерения уровня жидких сред, содержащее измерительную трубу с акустическим излучателем зондирующего сигнала и первым приемником акустических сигналов, усилитель - формирователь зондирующего видеосигнала, усилитель - формирователь принятых сигналов, схему измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, и индикатор, дополнительно введен второй приемник, акустических сигналов, расположенный ниже первого приемника на фиксированном расстоянии от него и выше максимально допустимого уровня жидкости для данного резервуара. Причем оба приемника установлены ниже уровня излучателя на наружной стенке измерительной трубы и связаны входами с ее полостью через согласующие трансформаторы, а выходами через усилитель - формирователь принятых сигналов подключены к сигнальному входу схемы измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, выполненной в виде микропроцессора, реализующего заданную программу управления процессом измерения и вычисления усредненного значения измеряемого уровня жидкости l_ж в соответствии с исходными данными по формуле где L - расстояние от второго приемника до дна резервуара; l₀ - фиксированное расстояние между приемниками; N - количество последних отсчетов, по которым проводится усреднение результатов измерения уровня; t_xi - временной интервал между зондирующим и отраженным сигналами, принятыми вторым приемником в i - м измерении; t_oi - временной интервал между приемом зондирующего сигнала, принятого первым и вторым приемниками в i - м измерении; t'_oi - временной интервал между приемом отраженного сигнала вторым и первым приемниками в i - м измерении. При этом первый выход микропроцессора, синхронизирующий, соединен с управляющим входом усилителя - формирователя зондирующих видеосигналов, к выходу которого подключен акустический излучатель, второй выход микропроцессора, информационный, соединен с входом индикатора измеряемого уровня, а третий выход служит для связи с внешними устройствами.

Поставленная задача в данном изобретении достигается следующим образом: - введение второго приемника акустических сигналов, установленного ниже первого приемника, на фиксированном расстоянии от него, позволяет применить простой алгоритм формирования информационных сигналов, обеспечивает возможность использования части измерительной трубы, расположенной между первым и вторым приемниками, в качестве эталонного участка, необходимого для повышения точности измерений уровня; - введение микропроцессора обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства, возможность индивидуальной адаптации каждого устройства к условиям эксплуатации, повышения коммерческой точности измерений за счет текущего усреднения результатов измерений, подключение устройства к различным системам сбора и обработки данных; - установка первого и второго приемников на наружной стенке измерительной трубы позволяет повысить надежность устройства за счет устранения интерференционных явлений внутри измерительной трубы, обеспечивает увеличение помехозащищенности устройства от внутренних и внешних помех, повышает технологичность устройства в процессе его изготовления и улучшает эксплуатационные характеристики.

Совокупность вышеизложенных признаков изобретения реализуется в формуле измерения уровня L = f(l_ж; t_xi; t_oi; t'_oi), позволяющей существенно снизить систематическую погрешность, обусловленную погрешностью установки приемников и разбросом длины эталонного расстояния, а также снизить случайные погрешности в раз.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - блок-схема предлагаемого устройства для измерения уровня жидких сред; на фиг. 2 - временная диаграмма работы устройства; на фиг. 3 - иллюстрация к устранению влияния погрешности установки приемников.

Предлагаемое устройство для измерения уровня жидкости в резервуаре (емкости) 1 содержит измерительную трубу 2, вертикально устанавливаемую в резервуар 1. В нижней части трубы 2 имеются отверстия 3 для поступления жидкости из емкости 1 в измерительную трубу 2, а в верхней части - вентиляционные отверстия 4 связи ее внутренней полости с атмосферой для устранения избыточного давления паров жидкости и достижения равномерного их распределения вдоль измерительной трубы 2. На верхнем конце измерительной трубы 2 установлен акустический излучатель 5. На наружной стенке трубы 2 установлены на фиксированном расстоянии друг от друга по высоте два приемника 6, 7 акустических сигналов, причем первый, верхний, приемник 6 расположен ниже уровня излучателя 5, а второй, нижний, приемник 7 расположен выше максимально допустимого уровня жидкости для данного резервуара 1. Входы приемников 6, 7 связаны с внутренним объемом трубы 2 с помощью согласующих трансформаторов 8, 9 (отверстий связи). Вторичная схема устройства содержит усилитель - формирователь 10 зондирующих видеосигналов, усилитель - формирователь 11 принятых сигналов, микропроцессор 12, реализующий заданную программу управления процессом измерения, вычисления усредненного значения измеряемого уровня в зависимости от назначения и исходных данных, управления индикатором 13 и связи с внешними устройствами. Выходы обоих приемников 6, 7 через усилитель - формирователь 11 принятых сигналов подключены к сигнальному входу микропроцессора 12, первый, синхронизирующий, выход которого подключен к управляющему входу усилителя - формирователя 10 зондирующих видеосигналов, соединенного своим выходом с акустическим излучателем 5. Второй выход микропроцессора 12, информационный, соединен с входом индикатора 13 измеряемого уровня. Третий выход микропроцессора 12 служит для связи с внешними устройствами, например ЭВМ и т.д.

Вычисления измеряемого уровня в микропроцессоре 12 осуществляется по формуле:
где L - расстояние от второго приемника 7 до дна резервуара 1; l₀ - фиксированное расстояние между приемниками 6, 7; N - количество отсчетов, по которым проводится усреднение результатов измерения уровня; t_xi - временной интервал между зондирующим и отраженным сигналами, принятыми вторым приемником в i - м измерении; t_oi - временной интервал между приемом зондирующего импульса первым и вторым приемниками в i - м измерении; t'_oi - временной интервал между приемом отраженного сигнала вторым и первым приемниками i - м измерении.

Предложенное устройство для измерения уровня жидких сред работает следующим образом.

Микропроцессор 12 вырабатывает сигнал (см. фиг. 2a) запуска усилителя - формирователя 10 зондирующего видеосигнала. Излучатель 5 излучает в измерительную трубу 2 зондирующий сигнал, который через трансформаторы связи 8, 9 в моменты времени t_изл1 и t_изл2 поступает на входы приемников 6, 7, где происходит преобразование в электрические сигналы V_изл1 и V_изл2 и усиление. С выхода приемников 6, 7 сигналы V_изл1 и V_изл2 поступают на вход усилителя - формирователя 11, где из каждого из них формируются (входные для микропроцессора 12) видеоимпульсы, условно представленные в виде видеоимпульсов 1_изл и 2_изл соответственно на фиг.2б.

Зондирующий сигнал, достигнув поверхности жидкости и отразившись от нее, вновь через трансформаторы 9, 8 связи в моменты времени t_отр2 и t_отр1 поступает на входы приемников 7, 6 соответственно, где принятые отраженные сигналы V_отр2 и V_отр1, аналогично зондирующим, после преобразования и усиления поступают на вход усилителя - формирователя 11, где из каждого из них также формируются входные видеоимпульсы микропроцессора 12, условно представленные в виде видеоимпульсов 2_отр и 1_отр соответственно на фиг.2б.

Видеоимпульсы 1_изл; 2_изл; 2_отр и 1_отр поступают на информационный вход микропроцессора 12, который производит измерение следующих временных интервалов:
- эталонного (первого), соответствующего временному интервалу t₀ = t_изл- t_изл1 (см. фиг. 2в);
- измеряемого, соответствующего временному интервалу t_x = t_отр2 - t_изл1 (см. фиг. 2г);
- эталонного (второго), соответствующего временному интервалу t'_o = t_отр1 - t_отр2 (см. фиг. 2д).

После поступления четвертого импульса (см. импульс 1_отр на фиг. 2в) на информационный вход микропроцессора 12 в нем запрещен прием какой-либо информации с этого входа до выработки следующего сигнала запуска. Сигнал запрета условно изображен на фиг. 2е.

В микропроцессоре 12 определяются длительности временных интервалов t₀, t_x, t'_o и вычисляется уровень жидкости l_ж по формуле

где L - расстояние от второго приемника 7 до дна резервуара 1; l₀ - фиксированное расстояние между первым и вторым приемниками 6, 7; N - количество отсчетов, по которым проводится усреднение результатов измерения уровня; t_xi - временной интервал между зондирующим и отраженным сигналами, принятыми вторым приемником в i - м измерении; t_oi - временной интервал между приемом зондирующего сигнала первым и вторым приемниками в i - м измерении; t'_oi - временной интервал между приемом отраженного сигнала вторым и первым приемниками в i - м измерении.

Результат измерения со второго выхода микропроцессора 12 поступает на вход индикатора 13, а с третьего выхода - на вход внешних устройств, например ЭВМ, система сбора информации, управления и т.д.

Для уменьшения времени реакции на измерение уровня жидкости информация на индикатор выдается после каждого зондирующего импульса, а определение уровня по приведенной выше формуле проводится для N последних результатов измерения.

Предложенное устройство позволяет по измеренному уровню определять объем и массу жидкости в резервуаре по внесенным в ПЗУ процессора паспортным данным резервуара и плотности жидкости, а также определять текущий расход (приход) жидкости в резервуарах и лотках по заданному алгоритму "уровень - расход".

Повышение точности результатов измерений в данном устройстве достигается следующим образом:
- измеряемые временные интервалы t_oi, t_xi и t'_oi связаны с соответствующими расстояниями между обоими приемниками и между вторым приемником и поверхностью жидкости известными выражениями:
t_oi = t'_oi = l₀ / V_oi и t_xi = 2l_x / V_xi,
где V_oi и V_xi - величины скорости звука в измерительной трубе на ее участках между первым и вторым приемниками и между вторым приемником и уровнем жидкости в i - м измерении соответственно.

Наличие отверстий 4 в верхней части измерительной трубы 2 приводит к тому, что в ней устанавливается отношение скоростей звука V_xi / V_oi, величина которого практически не зависит от внешних условий и близка к единице (в силу соизмеримости протяженностей участков l_x и l₀). В этом случае отношение

а значит, и расчетное выражение для определения уровня жидкости l_ж практически не зависит от внешних условий;
- при измерении суммарного эталонного временного интервала (t_o + t'_o) для излученных и отраженных сигналов исключается погрешность установки обоих приемников, являющаяся источником систематической погрешности измерения уровня. Действительно, моменты появления сигналов на входах приемников можно представить следующим образом (см. фиг. 3):
t_изл1= t₁+Δt₁;
t_изл2= t₁+t_эт+Δt₂;
t_отр2= t₁+t_эт+t_x+Δt₂;
t_отр1= t₁+t_эт+t_x+t_эт+Δt₁.
где t₁ - временной интервал прохождения сигнала от излучателя до плоскости расположения первого приемника; t_эт - временной интервал происхождения сигналов от плоскости расположения первого приемника до плоскости расположения второго приемника; t_x - временной интервал происхождения сигнала от плоскости расположения второго приемника до плоскости отражения жидкостью и обратно: Δt₁ и Δt₂ - временные интервалы прохождения сигналов от плоскости расположения первого и второго приемников до их входных устройств соответственно.

Измеряемые интервалы t_o и t'_o определяются выражениями:
t_o= t_изл2-t_изл1= t_эт+Δt₂-Δt₁;

а их сумма очевидным образом не зависит от расстояния между осевой линией измерительной трубы и чувствительным элементом каждого приемника, что помимо снижения систематической для каждого образца погрешности измерений улучшает технологичность устройства.

Повышение надежности измерений, снижение влияния внутренних и внешних помех, универсальность в данном устройстве достигается использованием звуковода, согласованного с излучателем, и установкой приемников на его наружной стенке, что полностью исключает возможность возникновения дополнительных переотраженных сигналов, а также позволяет снизить энергоемкость всего устройства.

Таким образом, предложенное устройство измерения уровня жидких сред обеспечивает повышение точности и надежности результатов измерения, сохраняет работоспособность в условиях внешних акустических помех, технологично и обладает пониженным энергопотреблением.

Кроме того, предложенное устройство обладает универсальностью за счет возможности использования в резервуарах и лотках различного назначения, в том числе с движущимися жидкостями, возможностью смены материала измерительной трубы (металл, пластмасса, стекло и т.д.) для различных типов жидкостей, возможностью индивидуальной перестройки исходных данных по месту установки устройства, а также определения объема, массы и расхода жидкости.

В настоящее время макет устройства по данному изобретению изготовлен и проверена его работоспособность в лабораторных и производственных условиях.

Формула изобретения

Устройство для измерения уровня жидких сред, содержащее измерительную трубу с акустическим излучателем зондирующего сигнала и первым приемником акустических сигналов, усилитель-формирователь зондирующих сигналов, усилитель-формирователь принятых сигналов, схему измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, и индикатор, отличающееся тем, что в него введен второй приемник акустических сигналов, расположенный ниже первого приемника на фиксированном расстоянии от него и выше максимально допустимого уровня жидкости для данного резервуара, причем оба приемника установлены ниже уровня излучателя на наружной стенке измерительной трубы и связаны входами с ее полостью через согласующие трансформаторы, а выходами через усилитель-формирователь принятых сигналов подключены к сигнальному входу схемы измерения временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, выполненной на микропроцессоре, реализующем заданную программу управления процессом измерения и вычисления усредненного значения измеряемого уровня жидкости l_ж в соответствии с назначением и исходными данными по формуле

где L - расстояние от второго приемника до дна резервуара;
l₀ - фиксированное расстояние между обоими приемниками;
N - количество последних отсчетов, по которым проводится усреднение результатов измерения уровня;
t_xi - временной интервал между зондирующим и отраженным сигналами, принятыми вторым приемником в i-м измерении;
t_oi - временной интервал между приемом зондирующего сигнала первым и вторым приемниками в i-м измерении;
t_oi^' - временной интервал между приемом отраженного сигнала вторым и первым приемниками в i-м измерении,
при этом первый выход микропроцессора, синхронизирующий, соединен с управляющим входом усилителя-формирователя зондирующих видеосигналов, к выходу которого подключен акустический излучатель, второй выход микропроцессора, информационный, соединен с входом индикатора измеряемого уровня, а третий выход служит для связи с внешними устройствами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3