Способ измерения уровней многокомпонентных сред

 

Изобретение относится к технике измерения неэлектрических величин, а именно к измерению уровней, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, химической промышленности и т.д. В способе измерения уровней многокомпонентных сред вырабатывают генератором гармонический сигнал, частоту которого перестраивают дискретно при каждой новой манипуляции с сигналом. В качестве генератора используют генератор перестраиваемой частоты. Излучают сигнал в измеряемую среду с помощью чувствительного элемента, который выполнен в виде отрезка длинной линии. Принимают отраженный сигнал. Обработку полученного сигнала осуществляют последовательно амплитудным детектированием, аналого-цифровым преобразованием и вычислением. По результатам обработки судят о положении границ раздела. Вырабатывают, излучают и принимают сигнал на нескольких частотах. Диапазон частот составляет 10-130 МГц, шаг перестройки частоты связан с диапазоном измеряемых уровней. Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей измерительных систем за счет увеличения контролируемых параметров и увеличения разрешающей способности.

Изобретение относится к технике измерения неэлектрических величин и может быть использовано для измерения уровней и физических свойств слоев многокомпонентных продуктов для использования в нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической промышленности и т.д.

Известно устройство, реализующее способ для измерения положения границы раздела двух диэлектрических сред (а.с. СССР 1527505, МКИ⁴ G 01 F 23/28, 1989), согласно которому в чувствительный элемент последовательно подают три типа колебаний и по распределению электрической энергии определяют положение границ раздела сред.

Недостаток данного способа - невозможность определения положения более одной границы раздела сред, узкая номенклатура применяемых сред, сложность чувствительного элемента.

Известно устройство для измерения положения границ двух несмешивающихся жидкостей (патент РФ 2121664, МПК⁶ G 01 F 23/28, 1998). Согласно способу, применяемому с данном устройстве, по волноводу, помещенному в измеряемую среду, распространяются ультразвуковые импульсы. На поверхности и границе раздела двух сред помещают поплавки с расположенными в них постоянными магнитами. В местах положения магнитов происходит возбуждение ЭДС в измерительной обмотке. Обрабатывая импульсы в измерительной обмотке получают информацию о положении границы раздела двух жидких сред и верхнего уровня.

Недостатком способа является зависимость результата измерения от физических свойств измеряемой среды, невозможность применения для сыпучих сред, трудность определения более одной границы раздела.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ определения уровней, границ раздела и температуры жидких и сыпучих сред (патент РФ 2073214, МПК⁶ G 01 F 23/28, 1997). В данном способе вырабатывают сигнал, представляющий собой наложение видеосигнала и сигнала перепада напряжений, излучают его в измерительную среду с помощью чувствительного элемента, принимают отраженный сигнал, обрабатывают его и определяют положение границ раздела и температуру сред по форме отраженного сигнала.

Недостатками прототипа являются пониженная разрешающая способностью, малое количество измеряемых уровней, зависимость результата измерения от изменения внешних факторов.

В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей измерительных систем за счет увеличения числа контролируемых параметров и увеличения разрешающей способности.

Поставленная задача решается тем, что используется способ определения уровня, границ раздела жидких и сыпучих сред, заключающийся в том, что вырабатывают генератором сигнал, излучают его в измеряемую среду с помощью чувствительного элемента, принимают отраженный сигнал и определяют положение уровней, в отличие от прототипа вырабатывают, излучают и принимают сигнал на нескольких частотах в диапазоне 10-130 МГц с шагом перестройки частоты, связанным с диапазоном измеряемых уровней, а в качестве генератора сигнала используют генератор перестраиваемой частоты, причем вырабатываемый сигнал представляет собой гармонический сигнал, частоту которого перестраивают дискретно при каждой новой манипуляции с сигналом, чувствительный элемент выполняют в виде отрезка длинной линии, обработку полученного сигнала осуществляют последовательно амплитудным детектированием, аналого-цифровым преобразованием и вычислением, при этом по результатам обработки судят о положении границ раздела.

Конкретные значения частотного диапазона и шага перестройки частоты выбирают исходя из технических возможностей реализации измерительной аппаратуры и максимальных значений измеряемых величин.

Пример конкретной реализации способа Процесс измерения происходит следующим образом.

Сначала вырабатывают генератором перестраиваемой частоты гармонический сигнал вида: x_изл(t) = A•sin(2πf•t+ϕ₀), где А - амплитуда излучаемого сигнала; f - частота излучаемого сигнала; ϕ₀- начальная фаза сигнала.

Затем посредством чувствительного элемента выработанный сигнал излучается в измеряемую среду.

При прохождении первой границы раздела сред изменяются физические свойства среды, благодаря чему изменяются волновые свойства проводящей линии. Из-за этого происходит частичное отражение сигнала от этой границы раздела сред и наложение отраженного сигнала вида: x1_omp(t) = A•k•sin(2πf•t+ϕ₀+Δϕ1), где k - коэффициент отражения, зависящий от физических свойств среды; Δϕ - сдвиг фаз между излученным и отраженным сигналами, определяемый:
где l1 - расстояние до первой границы раздела сред;
V - скорость распространения сигнала на излучаемый сигнал.

На следующих границах раздела опять происходит частичное отражение сигнала и наложение его на излучаемый сигнал.

Таким образом, на чувствительном элементе формируется сигнал, представляющий собой сумму излученного и отраженных сигналов:
х_сумм=х_изл+х1_отр+х2_отр+...+хn_отр.

Амплитуда суммарного сигнала х_сумм определяется по формуле (2) и зависит от положения границ раздела сред и от физических параметров сред.

где В1, . . . , Вn - амплитуды сигналов, отраженных от различных границ раздела сред,
Δϕ1,...,Δϕn- сдвиги фаз между отраженными и излученным сигналами.

Для устранения неоднозначности измерительной информации вырабатывают сигнал еще на нескольких частотах. Каждая последующая частота отличается от предыдущей на постоянное значение Δf. При каждом значении частоты:
f = Δf•i, (3)
определяется амплитуда суммарного сигнала по формуле, получаемой из (2) путем подстановки выражений (1), (3) и заменой:

где lj - расстояние до j-го уровня.

Полученное выражение для определения амплитуды имеет вид:
A_i= C+D1•cosω1•i+...+Dn•cosωn•i, (5)
где А_i - амплитуда суммарного сигнала при i-м значении вырабатываемой частоты, не зависит от частоты излучаемого сигнала и положения границ раздела сред, определяется только физическими свойствами сред;
D1,...,Dn - коэффициенты, зависящие от физических свойств сред и не зависящие от частоты излучаемого сигнала и положения границ раздела сред.

Полученный таким образом набор значений А_i (5) представляет собой цифровой сигнал, состоящий из нескольких гармонических составляющих. Число гармоник в полученном цифровом сигнале определяется количеством границ раздела сред. Циклическая частота каждой гармоники (4) зависит от положения одной единственной границы раздела сред, а ее амплитуда зависит от физических свойств среды.

Проведя спектральный анализ полученного цифрового сигнала, определяют количество границ раздела сред в измеряемой системе, положение этих границ и физические свойства сред.

Так, для определения уровней в нефтехранилищах и резервуарах для первичной переработки нефти шаг перестройки частоты 1 МГц (зависит от диапазона измерения уровней 0-30 м), изменение частоты происходит в пределах от 10 до 130 МГц (частотный диапазон ограничивается возможностями применяемого заявителем генератора), амплитуда гармонического сигнала выбирается 3 В (для обеспечения искробезопасности измерительной аппаратуры).

Моделирование устройства, реализующего заявляемый способ, показало, что при определении границ раздела сред в нефтехранилище обнаруживается 3-5 границ раздела с одновременным определением их уровней при толщине слоев не менее 0.8-1 м (ограничение количества измеряемых слоев происходит из-за уменьшении амплитуды гармоник при каждом последующем отражении излученного сигнала от границ раздела сред и невозможности обнаружения среди шумов гармоник с малыми амплитудами). Причем, определив амплитуду гармоник цифрового сигнала, определяются также и физические параметры сред, находящихся в резервуаре.

Итак, заявляемое изобретение позволяет значительно расширить функциональные возможности измерительных систем за счет увеличения числа контролируемых параметров и увеличения разрешающей способности.

Формула изобретения

Способ измерения уровней многокомпонентных сред, заключающийся в том, что вырабатывают генератором сигнал, излучают его в измеряемую среду с помощью чувствительного элемента, принимают отраженный сигнал и определяют положение уровней, отличающийся тем, что вырабатывают, излучают и принимают сигнал на нескольких частотах в диапазоне 10-130 МГц с шагом перестройки частоты, связанным с диапазоном измеряемых уровней, а в качестве генератора сигнала используют генератор перестраиваемой частоты, причем вырабатываемый сигнал представляет собой гармонический сигнал, частоту которого перестраивают дискретно при каждой новой манипуляции с сигналом, чувствительный элемент выполняют в виде отрезка длинной линии, обработку полученного сигнала осуществляют последовательно амплитудным детектированием, аналого-цифровым преобразованием и вычислением, при этом по результатам обработки судят о положении границ раздела.