Ультразвуковое устройство для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения уровня и плотности нефтепродуктов и других жидкостей, в том числе взрывоопасных. Сущность: устройство содержит звукопровод 3, опущенный в резервуар с контролируемой жидкостью с фиксированием относительно дна резервуара 1. Другой конец звукопровода подсоединен к приемопередатчику 6 ультразвукового сигнала. Относительно звукопровода свободно перемещаются два поплавка 8 и 12, конструктивное исполнение которых обеспечивает их связь друг с другом, не препятствующую их свободному перемещению, как относительно друг друга, так и относительно звукопровода. Поплавки взаимодействуют с поверхностью звукопровода с помощью механических пружинящих контактов 10 и 16. Благодаря разной геометрии поплавки погружаются в жидкость на разную глубину, и величина этой разности зависит от плотности жидкости. Ультразвуковые эхо-сигналы, отраженные от мест касания подпружиненных контактов, несут полезную информацию, которая вместе с данными о геометрии обоих поплавков и длине участка звукопровода используется для определения плотности жидкости. Измерение уровня жидкости может быть осуществлено с помощью одного из поплавков, при этом полученное значение плотности позволяет внести коррекцию в значение уровня жидкости. Технический результат: упрощение как самого устройства, так и алгоритма обработки полученной информации об уровне и плотности контролируемой жидкости. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения уровня и плотности нефтепродуктов и других жидкостей, в том числе взрывоопасных.
Известны различные устройства, позволяющие измерять или уровень или плотность жидкости по отдельности.
Например, известно устройство для измерения плотности жидкости, содержащее коромысло, на противоположных плечах которого размещены поплавок и постоянный магнит, катушку электромагнита, размещенную над траекторией перемещения постоянного магнита, датчик изменения положения поплавка, задатчик тока через катушку электромагнита и измеритель тока (патент РФ №2095785 от 16.07.96, МПК G 01 N 09/20).
Или, известен ультразвуковой уровнемер, содержащий излучающий элемент, волновод, герметизированную трубку, сигнальную обмотку, поплавок, два постоянных магнита, генератор, усилители, формирователи временных интервалов, решающий блок (патент РФ №2064666 от 09.11.93, МПК G 01 F 23/28).
Как то, так и другое устройства решают задачу частично и при этом имеют достаточно сложное исполнение.
В качестве прототипа выбрано устройство для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре, содержащее звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала, опущенной в резервуар с жидкостью, и два поплавка, выполненные с возможностью перемещения относительно звукопровода и снабженные постоянными магнитами (патент РФ №2138028 от 05.08.98, МПК G 01 F 23/68, G 01 N 09/10).
Указанные поплавки имеют разную плавучесть за счет разной формы: первый поплавок выполнен в форме цилиндра и снабжен сквозным осевым отверстием, а второй поплавок выполнен состоящим из двух частей: нижней, выполненной также в форме цилиндра со сквозным осевым отверстием, и верхней, выполненной в виде стержней, расположенных на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине его окружности, причем второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения относительно первого поплавка. Кроме того, устройство содержит демпфер, катушку считывания, неподвижный постоянный магнит и блок преобразования.
Принцип действия устройства основан на вычислении расстояний, проходимых ультразвуковыми волнами, формируемыми при взаимодействии продольных магнитных полей постоянных магнитов и кругового магнитного поля, возникающего в звукопроводе при подаче в него импульса тока.
Недостатком является сложность извлечения полезной информации и необходимость обеспечения взрывозащищенности электрических цепей.
Задача состоит в существенном упрощении, как самого устройства, так и алгоритма обработки полученной информации об уровне и о плотности контролируемой жидкости.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре, содержащем звукопровод в виде линейного тела, опущенного в резервуар с жидкостью, и два поплавка, выполненные с возможностью перемещения относительно звукопровода, при этом первый поплавок выполнен в форме цилиндра и снабжен сквозным осевым отверстием, а второй поплавок выполнен состоящим из двух частей, нижней, выполненной также в форме цилиндра, и верхней, выполненной в виде стержней, расположенных на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине его окружности, причем второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения относительно первого поплавка, согласно изобретению звукопровод, выполненный из материала, проводящего ультразвуковое излучение, например стали, одним концом касается дна резервуара, а другим, выведенным за пределы резервуара, подключен к приемопередатчику ультразвукового сигнала, соединенному с блоком обработки ультразвукового сигнала, при этом торцевая площадь первого поплавка больше торцевой площади цилиндрической части второго поплавка, и в первом поплавке выполнены сквозные отверстия для размещения в них с возможностью свободного хода стержней второго поплавка, верхние части стержней соединены со звукопроводом с помощью петли, не препятствующей свободному перемещению второго поплавка относительно первого, и оба поплавка снабжены пружинящими механическими контактами, взаимодействующими с поверхностью звукопровода.
Технический результат заключается в использовании в качестве измеряемых параметров времен распространения ультразвукового импульса, отраженного от мест касания пружинящими механическими контактами поплавков непосредственно поверхности звукопровода. Практически было установлено, что ультразвуковой сигнал имеет ярко выраженный эхо-импульс в тех точках, где контакты поплавков касаются звукопровода. Это касание может быть очень легким, не препятствующим перемещению поплавков, имеющих определенную геометрию и взаимосвязь, и в то же время обеспечивать сигнал, хорошо распознаваемый приемником отраженного сигнала, что позволяет использовать информацию об относительном расположении поплавков для вычисления плотности жидкости. Что касается уровня жидкости, то достаточно иметь информацию, формируемую контактами одного из поплавков, а знание величины плотности жидкости позволяет вносить определенную коррекцию в значение уровня.
Звукопровод может быть выполнен в виде ленты, стержня, прута или проволоки.
Кроме того, на верхнем вертикальном участке звукопровода, расположенном в пределах резервуара, может быть выполнена реперная насечка, находящаяся на фиксированном расстоянии L от дна резервуара. Такая насечка целесообразна в том случае, когда звукопровод за пределами резервуара имеет достаточно большую длину, что может внести в результат измерения погрешность из-за разницы величин скорости звука в разных участках звукопровода: свободном и погруженном в жидкость из-за разницы температурных режимов.
На фиг.1 показано устройство, иллюстрирующее заявляемое изобретение в целом, на фиг.2 приведена сборка из двух поплавков, отражающая особенности их конструкции, на фиг.3 - эпюры эхо-сигналов.
В резервуар 1 с контролируемой жидкостью 2 опущен стальной прут 3, выполняющий функцию звукопровода. Нижний конец прута 3 с помощью демпфера 4 зафиксирован на дне 5 резервуара. Верхний конец прута 3 выведен за пределы резервуара 1 на необходимое расстояние и подключен к приемо-передатчику 6 ультразвукового сигнала, соединенному в свою очередь с блоком 7 обработки и регистрации информации. Первый поплавок 8 выполнен в форме цилиндра с осевьм сквозным каналом 9, через который свободно проходит прут 3. На стенках канала 9 выполнены подпружиненные контакты 10, обеспечивающие очень легкое касание прута 3, практически точечное. В теле поплавка 8 выполнены сквозные отверстия 11 для связи со вторым поплавком. Второй поплавок 12 состоит из цилиндрической части 13 и, по меньшей мере, двух выступов 14, равномерно расположенных на торце цилиндрической части 13. Эти выступы введены в сквозные отверстия 11 поплавка 8. В цилиндрической части 13 выполнен сквозной осевой канал 15, в котором закреплены подпружиненные механические контакты 16, обеспечивающие точечное касание прута 3. Верхние части выступов 14 соединены с прутом 3 с помощью накидной петли 17, ограничивающей поперечные колебательные движения одного поплавка относительно другого. На верхней вертикальной части прута 3 выполнена реперная насечка 18, находящаяся на известном расстоянии L от дна резервуара, обеспечивающем одинаковую температуру этого участка звукопровода.
Устройство работает следующим образом. Поплавки 8 и 12, находящиеся в резервуаре с жидкостью, имеющей плотность ρ, погружены в жидкость на разную глубину. Высота выступов второго поплавка выбирается такой, чтобы при максимальной разнице погружений обоих поплавков эти выступы не должны выходить из соответствующих сквозных отверстий первого поплавка. Пусть первый поплавок 8 имеет массу M1, а второй поплавок 12 - массу М2. При этом площадь торцевой части первого поплавка 8 составляет S1, а суммарная площадь торцов цилиндрических выступов 14 второго поплавка 12 составляет S2. При данной высоте У жидкости относительно дна 5 резервуара 1 высота погруженной в жидкость части первого поплавка 8 составляет П1, а высота погруженных в жидкость цилиндрических выступов 14 второго поплавка 12 составляет П2. Разница между погружениями поплавков зависит от плотности жидкости.
Высота всегда полностью погруженной цилиндрической части 13 второго поплавка 12 площадью S20 составляет П20.
У1 - текущая высота касания прута 3 пружинящими контактами 10, относящимся к первому поплавку 8.
У2 - текущая высота касания прута 3 пружинящими контактами 16, относящимся ко второму поплавку 12. Оба значения У1 и У2 берутся от дна 5 резервуара.
L - длина прута от реперной насечки 18 до дна 5 резервуара.
Δ1 - расстояние от нижнего торца первого поплавка 8 до пружинящего контакта 10.
Δ2 - расстояние от верхнего торца цилиндрической части 13 второго поплавка 12 до пружинящего контакта 16.
С передатчика 6 ультразвукового сигнала ультразвуковая продольная волна направляется в стальной прут 3 со скоростью V, при этом на приемник 6 возвращаются эхо-сигналы, отраженные от мест касания пружинящих контактов 10 и 16 обоих поплавков, дна 5 резервуара и реперной насечки 18. На приведенной временной эпюре (фиг.3) показаны следующие эхо-сигналы:
T1 - время возврата излучения, первично отраженного от места касания первого поплавка;
T2 - время возврата излучения, первично отраженного от места касания второго поплавка;
Т0 - время возврата излучения, первично отраженного от свободного конца твердого тела (на уровне дна резервуара);
Тр - время возврата излучения от реперной насечки.
Из условий равновесия сил тяготения и гидростатического выталкивания для поплавков следует:
При этом для уровней погружения поплавков справедливы следующие соотношения:
Приравнивая левые части уравнений (3) и (4) друг другу и подставляя значения П1 и П2 из уравнений (1) и (2), получим
Погружения поплавков определяют положение эхо-сигналов на временной развертке в соответствии со следующими выражениями
Из уравнений (6), (7) и (8) следует
Уравнения (5) и (9) дают окончательное уравнение для определения плотности ρ на основании исходных габаритно-весовых показателей поплавков и регистрации временной развертки эхо-сигналов.
Для определения уровня У из выражений (1), (3), (6) и (7) имеется следующее окончательное выражение
Таким образом, для определения плотности и уровня необходимы геометрические параметры поплавков и измеренные времена прохождения ультразвукового импульса по звукопроводу.
1. Ультразвуковое устройство для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре, содержащее звукопровод в виде линейного тела, опущенного в резервуар с жидкостью, и два поплавка, выполненные с возможностью перемещения относительно звукопровода, при этом первый поплавок выполнен в форме цилиндра и снабжен сквозным осевым отверстием, а второй поплавок выполнен состоящим из двух частей: нижней, выполненной также в форме цилиндра, и верхней, выполненной в виде стержней, расположенных на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине окружности, причем второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения относительно первого поплавка, отличающееся тем, что звукопровод, выполненный из материала, проводящего ультразвуковое излучение, например, стали, одним концом касается дна резервуара, а другим, выведенным за пределы резервуара, подключен к приемопередатчику ультразвукового сигнала, соединенному с блоком обработки ультразвукового сигнала, при этом торцевая площадь первого поплавка больше торцевой площади цилиндрической части второго поплавка, и в первом поплавке выполнены сквозные отверстия для размещения в них с возможностью свободного хода стержней второго поплавка, верхние части стержней соединены со звукопроводом с помощью петли, не препятствующей свободному перемещению второго поплавка относительно первого, и оба поплавка снабжены пружинящими механическими контактами, взаимодействующими с поверхностью звукопровода.
2. Ультразвуковое устройство для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре по п.1, отличающееся тем, что звукопровод выполнен в виде ленты стержня, прута или проволоки.
3. Ультразвуковое устройство для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре по п.1 или 2, отличающееся тем, что на верхнем вертикальном участке звукопровода, расположенном в пределах резервуара, выполнена реперная насечка, находящаяся на фиксированном расстоянии L от дна резервуара.
