Резонансный акустический уровнемер

Изобретение предназначено для автоматического дистанционного измерения уровней жидкостей различных типов в производственных и транспортных емкостях и может быть использовано везде, где есть резервуары с жидкостью. Сущность: уровнемер выполнен однорезонаторным. В измерительной трубе уровнемера установлено не менее одной диафрагмы с центральным отверстием. В процессор введены генератор фазоманипулированного сигнала, блок выделения максимумов кепстра и блок селекции для фиксации не более трех выделенных кепстральных максимумов с наибольшими временами. Технический результат: повышение точности измерения уровня жидкости в резервуарах с пространственно неоднородным распределением температур и/или газового состава и упрощение конструкции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение предназначено для дистанционного измерения уровней жидкостей различных типов в производственных и транспортных резервуарах. Может использоваться в нефтехимической, химической, горнодобывающей и пищевой отраслях промышленности, в топливно-энергетическом комплексе, в железнодорожном, автомобильном, водном, морском и речном транспорте, в сельском хозяйстве и системах водоснабжения и канализации.

Известен акустический уровнемер, содержащий измерительную трубку, излучатель акустических колебаний, подключенный к выходу генератора, компенсационную трубку с излучателем акустических колебаний, соединенным с выходом генератора, двумя микрофонами, один из которых соединен с последовательно соединенными демодулятором, формирователем импульсов, электронным ключом, счетчиком импульсов и цифровым индикатором, а другой через дополнительные последовательно соединенные демодулятор, формирователь импульсов и устройство управления подключен к электронному ключу. (Авторское свидетельство СССР №601577, G 01 F 23/28, 1981 г.).

Одним из недостатков этого уровнемера является использование принципа последовательного возбуждения стоячих волн (резонансов) в трубах, что приводит к увеличению времени замера уровня либо снижению точности измерений.

Другим его недостатком является ограниченная помехоустойчивость по отношению к посторонним шумам (помехам), приводящая к снижению точности измерений, а при интенсивных помехах - к потере работоспособности уровнемера.

Известен резонансный акустический уровнемер, содержащий измерительную и компенсационную трубы, два электроакустических преобразователя, по одному в каждой трубе, и подключенных к генератору шумового электрического сигнала, два микрофона, по одному в каждой трубе, индикатор. В уровнемер введены подключенные к выходам соответствующих микрофонов два предварительных усилителя, каждый из которых соединен с последовательно связанными соответствующими аналого-цифровым преобразователем, блоком первого преобразователя Фурье, блоком логарифмирования, блоком второго преобразователя Фурье и блоком выделения максимума функции кепстра, и подключенный к выходам двух блоков выделения максимума функции кепстра блок вычисления уровня, выход блока вычисления уровня соединен с индикатором. (Патент Российской Федерации №2132542, G 01 F 23/296, 1999 г., Бюлл. №18 (прототип)).

Недостатком прототипа является сложность конструкции, систематическая погрешность измерения уровня жидкости при пространственной неоднородности поля скорости звука в свободной от жидкости полости контролируемого резервуара. Погрешность является следствием неоднородного пространственного распределения температуры или химического состава газа в полости. Различие температуры и состава газа и скорость звука в полостях измерительной и компенсационной труб также приводит к погрешности измерений. Еще одним источником погрешности является случайный характер спектральных компонент сигнала, формируемых блоком первого преобразования Фурье.

Техническим результатом изобретения являются повышение точности измерения уровня жидкости в резервуарах с пространственно неоднородным распределением температуры и/или газового состава в свободной от жидкости полости, упрощение конструкции.

Технический результат достигается тем, что резонансный акустический уровнемер, содержащий измерительную трубу, электроакустический преобразователь и микрофон, установленные в верхней части трубы, к выходу микрофона последовательно подключен предварительный усилитель, выход предварительного усилителя соединен с процессором, в котором последовательно соединены аналого-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, процессор снабжен последовательно соединенными блоком вычисления уровня жидкости и индикатором, уровнемер выполнен однорезонаторным, в измерительной трубе установлено не менее одной диафрагмы с центральным отверстием, в процессор введены генератор фазоманипулированного сигнала, блок выделения максимумов кепстра и блок селекции для фиксации не более трех выделенных кепстральных максимумов с наибольшими временами, причем выход генератора фазоманипулированного сигнала соединен со входом электроакустического преобразователя, а последовательно соединенные блок выделения максимумов кепстра и блок селекции подключены между блоком второго преобразования Фурье и блоком вычисления уровня жидкости. Процессор выполнен в виде персонального компьютера. Процессор выполнен в виде микропроцессорного блока со светодиодным или жидкокристаллическим индикатором. Генератор фазоманипулированного сигнала выполнен в виде генератора линейно-частотно-модулированного сигнала.

Структурная схема резонансного акустического уровнемера представлена на чертеже, где 1 - контролируемый резервуар, 2 - контролируемая жидкость, 3 - измерительная труба (резонатор), 4 - отражающие диафрагмы, 5 - электроакустический преобразователь, 6 - генератор фазоманипулированного сигнала, 7 - микрофон, 8 - предварительный усилитель, 9 - аналого-цифровой преобразователь, 10 - блок первого преобразования Фурье, 11 - блок логарифмирования, 12 - блок второго преобразования Фурье, 13 - блок выделения максимумов функции кепстра, 14 - блок селекции, 15 - блок вычисления, 16 - индикатор.

Электроакустический преобразователь 5 подключен к выходу генератора 6. Выход микрофона 7 подключен к входу предварительного усилителя 8, к выходу которого присоединен вход аналого-цифрового преобразователя 9. К выходу аналого-цифрового преобразователя 9 последовательно подключены блок первого преобразователя Фурье 10, блок логарифмирования 11, блок второго преобразования Фурье 12, блок выделения максимумов функции кепстра 13, блок селекции 14, блок вычисления уровня 15, индикатор 16.

Резонансный акустический уровнемер работает следующим образом.

Широкополосный фазоманипулированный сигнал постоянной амплитуды, излучаемый электроакустическим преобразователем 5, возбуждает стоячие акустические волны (резонансы) на собственных частотах измерительной трубы 2 (резонатора):

ƒ_L=с/2L и ƒ_m=с_m/2z_m,

где m - номер диафрагмы; L - расстояние от преобразователя 5 до поверхности жидкости 2; z_m - расстояние от преобразователя 5 до отражающей диафрагмы 4 с номером m; c_L, c_m - средние значения скорости звука на отрезках L и z_m соответственно. Стоячие волны возбуждают только те отражающие диафрагмы 4, которые находятся выше уровня жидкости 2. На выходе блока второго преобразования Фурье 12 формируется функция кепстра с максимумами на значениях кепстрального времени

t_L=1/ƒ_L, t_m=1/ƒ_m.

Эти значения с выхода блока селекции 14 поступают в блок вычисления 15. Если над поверхностью жидкости находится только одна отражающая диафрагма 4, то уровень жидкости вычисляется блоком 15 согласно формуле:

h=L_p-z₁t₁/t₁,

где L_p - расстояние от преобразователя 5 до дна резервуара 1 или отметки, принятой за нулевой уровень.

Неизвестная скорость звука в газовой полости трубы в это выражение не входит, и, следовательно, при ее изменении точность измерения уровня жидкости не снижается.

Если над поверхностью жидкости оказываются две или более отражающих диафрагм 4, то уровень жидкости вычисляется блоком 15 по значениям времен, соответствующим двум последним непогруженным в жидкость диафрагмам, согласно выражению:

При оценке уровня жидкости 2 по этой формуле снижается систематическая ошибка, возникающая при изменении скорости звука по длине газовой полости трубы 3. Систематическая ошибка снижается благодаря как уменьшению интервала времени, пересчитываемого в расстояние (t_L=t_m вместо t_L), так и повышению точности измерения скорости звука в измерительной трубе за счет использования для этого сигналов от двух ближайших к жидкости отражательных диафрагм.

Предварительный усилитель 8 служит для усиления сигнала, принятого микрофоном 7, и подавления помех за пределами рабочего диапазона частот. Низкое выходное сопротивление предварительного усилителя позволяет передавать сигнал по протяженной кабельной линии и размещать блоки 9-16 на значительном удалении от контролируемого резервуара 1. Блоки 5-8 размещаются в оболочке (не показана), крепящейся к верхней части измерительной трубы 3.

Натурные испытания образцов однорезонаторного акустического уровнемера подтвердили высокую точность измерений уровня жидкости: при изменении уровня жидкости до 10 м погрешность его измерения не превышает 1 мм.

1. Резонансный акустический уровнемер, содержащий измерительную трубу, электроакустический преобразователь и микрофон, установленные в верхней части трубы, к выходу микрофона последовательно подключен предварительный усилитель, выход предварительного усилителя соединен с процессором, в котором последовательно соединены аналогово-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, процессор снабжен последовательно соединенными блоком вычисления уровня жидкости и индикатором, отличающийся тем, что уровнемер выполнен однорезонаторным, в измерительной трубе установлено не менее одной диафрагмы с центральным отверстием, в процессор введены генератор фазоманипулированного сигнала, блок выделения максимумов кепстра и блок селекции для фиксации не более трех выделенных кепстральных максимумов с наибольшими временами, причем выход генератора фазоманипулированного сигнала соединен со входом электроакустического преобразователя, а последовательно соединенные блок выделения максимумов кепстра и блок селекции подключены между блоком второго преобразования Фурье и блоком вычисления уровня жидкости.

2. Резонансный акустический уровнемер по п.1, отличающийся тем, что процессор выполнен в виде персонального компьютера.

3. Резонансный акустический уровнемер по п.1, отличающийся тем, что процессор выполнен в виде микропроцессорного блока со светодиодным или жидкокристаллическим индикатором.

4. Резонансный акустический уровнемер по п.1, отличающийся тем, что генератор фазоманипулированного сигнала выполнен в виде генератора линейно-частотно-модулированного сигнала.