Способ определения параметров жидкости в резервуаре и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения различных параметров жидкостей, в частности нефтепродуктов, хранимых или перевозимых в резервуарах, и могут быть использованы в системах определения объема и массы жидкостей. Датчик характеристик среды с вибрационным чувствительным элементом и встроенным термопреобразователем перемещают в исследуемой жидкости на различных уровнях погружения и измеряют плотность и вязкость жидкости, контролируя изменение частоты колебаний чувствительного элемента датчика, одновременно измеряя температуру жидкости. Измерение уровня производят путем подсчета количества сигналов за определенную длину перемещения датчика. Обрабатывая данные плотности, вязкости и температуры определяют такие параметры жидкости, как уровни ее расслоения и уровни границ раздела сред жидкость/воздух, нефтепродукт/подтоварная вода. Устройство для реализации способа содержит датчик 1, состоящий из вибродатчика 1.1 и термопреобразователя 1.2. Датчик 1 прикреплен к ленточному кабелю 2, наматываемому на барабан 3, который вращается шаговым двигателем 4. Кабель 2 при своем протягивании вращает измерительное колесо 5 с энкодером 6. Кабель 2 снабжен индуктивным датчиком 7 натяжения и датчиком 8 верхнего положения. Другой конец кабеля 2 соединен с электронным блоком 9. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и области применения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретения относятся к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения различных параметров жидкостей, в частности нефтепродуктов, хранимых или перевозимых в резервуарах, и могут быть использованы в системах определения объема и массы жидкостей.

Известен способ измерения параметров жидкостей [1], используемый в электронном переносном уровнемере «HERMetic UTI 2000Т» фирмы «Enraf Tanksystem SA» (Швейцария), заключающийся в прохождении датчиков через исследуемую жидкость и определении различной электропроводности и температуры жидкости на различных уровнях погружения датчиков.

Известно и устройство [1], реализующее в себе данный способ и содержащее датчики электропроводности и температуры жидкости, подвешенные на электропроводящем кабеле, который намотан на барабан, и блок звуковой сигнализации, звук которого меняется в зависимости от изменения электропроводности исследуемой жидкости.

Известные способ и устройство не обладают достаточной точностью, т.к. параметры жидкости определяются по изменению звукового сигнала, т.е. точность всецело зависит от слухового восприятия оператора.

Известен также способ контроля уровня жидкости в емкости [2], используемый в устройстве для контроля заданного уровня или для определения плотности или вязкости измеряемой среды, заключающийся в возбуждении колебаний в колебательном узле, который размещен в измеряемой среде на определенной глубине. Колебательный узел колеблется с заданной частотой, и по изменению колебаний колебательного узла определяется плотность или вязкость измеряемой среды. Одновременно с измерением плотности и вязкости измеряют и температуру среды с помощью дополнительного температурного датчика.

Устройство [2] для реализации данного способа содержит колебательный узел, вибрационный детектор, используемый в качестве датчика вязкости или плотности, приемоприводной и обрабатывающий блоки. Для создания мультипеременного датчика в колебательном контуре, образованном колебательным узлом и электронным устройством обратной связи, предусмотрен микропроцессор, который корректирует фазу электронного устройства обратной связи.

Недостатком известных способа и устройства являются их ограниченные функциональные возможности, т.к. известные решения обеспечивают определение параметров среды только на заданном уровне, а не по всей глубине измеряемой среды. Кроме того, известные решения имеют ограниченную область применения, т.к. они могут применяться только для измерения плотности или вязкости среды, наряду с ее температурой, и на основании этих измерений для вычисления заданного уровня среды в емкости и не могут использоваться для измерения таких параметров, как границы раздела различных слоев измеряемой среды, т.е. известное изобретение не может определить, например, уровни различных слоев нефтепродукта, которые образуются в результате его неизбежного расслоения.

Задачами, которые решают настоящие изобретения, являются расширение функциональных возможностей и области применения способа и устройства.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в способе определения параметров жидкости в резервуаре, заключающемся в перемещении датчика в исследуемой жидкости, измерении характеристик плотности, вязкости и температуры сред в резервуаре путем контроля частоты колебаний чувствительного элемента датчика и показаний термопреобразователя, согласно изобретению датчик характеристик сред перемещают на различные уровни с помощью шагового электропривода, а уровень измеряют путем подсчета количества сигналов датчика за определенную длину его перемещения и на основании измеренных характеристик плотности, вязкости и температуры сред определяют такие параметры, как уровни расслоения жидкости и уровень границ раздела сред жидкость/воздух, нефтепродукт/подтоварная вода.

В устройстве для определения параметров жидкости, содержащем вибрационный датчик характеристик сред, связанный с электронным блоком кабелем, согласно заявленному решению в качестве датчика используется датчик с встроенным термопреобразователем, перемещаемый приводом на основе шагового двигателя, при этом ленточный кабель, наматываемый на барабан, находится в сопряжении с измерительным колесом, снабженным энкодером, и оборудован датчиком натяжения и датчиком верхнего положения.

Кроме того, согласно предложенному решению электронный блок состоит из узлов управления и преобразования, содержащего преобразователь и процессор, соединенные друг с другом, а узел управления состоит из индикатора, клавиатуры, схемы памяти для архивирования измеряемых характеристик и контроллера, соединенного с индикатором и клавиатурой и через процессор узла преобразования со схемой памяти.

Основным существенным отличием предложенного способа от прототипа является использование шагового двигателя для перемещения датчика характеристик сред на различные уровни, а глубина жидкости в резервуаре измеряется путем подсчета количества сигналов датчика за определенную длину его перемещения, что дает возможность измерения вязкости, плотности и температуры по всей длине погружения датчика, а не только в одной точке для контроля уровня, что расширяет функциональные возможности устройства на базе предложенного способа. Кроме того, появляется возможность определить уровни расслоения жидкости и границы раздела сред, что расширяет область применения изобретения.

Дополнительным преимуществом использования в предложенном устройстве привода на основе шагового двигателя является исключение ручных операций при перемещении датчика и повышение равномерности его движения.

Наличие датчика натяжения ленточного кабеля делает возможным исключить его прогиб.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Датчик опускается в исследуемый резервуар. Его чувствительный элемент вибрирует с резонансной частотой f₀, которая соответствует плотности воздуха, а термопреобразователь измеряет температуру этой среды t₀. Одновременно по добротности Q₁ вибрации чувствительного элемента определяется вязкость исследуемой среды. При дальнейшем опускании датчика он погружается в жидкость, наполняющую резервуар. Поскольку плотность жидкости отличается от плотности воздуха, резонансная частота колебаний датчика меняется и становится равной f₁ при соответствующей добротности Q₁ и температуре t₁. Полученные данные плотности, вязкости и температуры обрабатываются, и на их основании получают информацию о разделе сред воздух/жидкость. Затем датчик пошагово опускается ниже и постепенно достигает слоя подтоварной воды. Его резонансная частота и добротность опять меняются и становятся равными f₂ и Q₂ при температуре t₂. Определив плотность и вязкость этой среды можно сделать вывод о наличии расслоения сред. Подобным образом может определяться и расслоение исследуемого нефтепродукта. Одновременно при перемещении датчика в жидкости производится подсчет количества сигналов, поступивших за время этого перемещения. Преобразуя количество сигналов в линейную величину. можно получить информацию об уровне погружения датчика, т.е. об уровне жидкости в резервуаре.

Устройство для определения параметров жидкости в резервуаре изображено на рис. 1 и 2. На рис. 1 представлена блок-схема заявленного устройства, а на рис. 2 - блок-схема электронного блока, входящего в состав устройства.

Предложенное устройство (рис. 1) содержит датчик 1 характеристик среды, который состоит из вибрационного датчика 1.1. и термопреобразователя 1.2. Вибрационный датчик 1.1 может быть выполнен по схеме, описанной в [3], т.е. вибрационный датчик 1.1 имеет чувствительный элемент-вибратор в виде тонкостенной металлической трубочки, закрепленной консольно на фланце, через который два пьезоэлемента возбуждаются на различной частоте, а другие два пьезоэлемента регистрируют частоту, зависящую от присоединенной массы сред, в которую погружен чувствительный элемент вибрационного датчика 1.1. Чувствительный элемент работает на колебаниях смятия ,и его концевая часть имеет наибольший размах, т.е. наиболее чувствительна к регистрации расслоения жидкости, границ раздела сред нефтепродукт/вода или нефтепродукт/воздух. Термопреобразователь 1.2 встраивается в датчик 1 характеристик. Датчик 1 прикреплен к ленточному кабелю 2, который имеет измерительную ленту, защищен с обеих сторон пластиковой прозрачной пленкой, в которую запечены четыре медных жилы для обеспечения связи с датчиком 1. Ленточный кабель 2 наматывается на барабан 3.

Барабан 3 приводится во вращательное движение шаговым двигателем 4. Ленточный кабель 2 сопряжен с измерительным колесом 5, снабженным энкодером 6, причем измерительное колесо 5 и энкодер 6 установлены на общей оси с возможностью вращения при протягивании ленточного кабеля 2. На некотором расстоянии от ленточного кабеля 2, в непосредственной близости к нему, расположен индуктивный датчик 7 натяжения. На стыке соединения ленточного кабеля 2 и датчика 1 характеристик установлен датчик 8 верхнего положения, выполненный в виде концевого переключателя. Другой конец ленточного кабеля 2 подключен к электронному блоку 9.

Электронный блок 9 (рис. 2) состоит из узла 9.1 управления и узла 9.2 преобразования. Узел 9.1 управления состоит из индикатора 9.1.1, клавиатуры 9.1.2, схемы 9.1.3 памяти для архивирования измеряемых характеристик и контроллера 9.1.4. Узел 9.2 преобразования содержит преобразователь 9.2.1 и процессор 9.2.2, соединенные друг с другом. Контроллер 9.1.4 соединен с индикатором 9.1.1 и клавиатурой 9.1.2, а через процессор 9.2.2 узла 9.2 преобразования со схемой 9.1.3 памяти.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При запуске режима измерения шаговый двигатель 4 приводит во вращение барабан 3 и начинает разматывать ленточный кабель 2, на котором подвешен датчик 1 характеристик среды. С началом движения кабеля 2 срабатывает индуктивный датчик 8 верхнего положения и выдает импульс, служащий для начала отсчета сигналов с энкодера 6 для измерения длины разматываемого кабеля 2, т.е. базовой высоты резервуара.

Ленточный кабель 2 сопряжен с измерительным колесом 5, которое вращается и своим вращением приводит в действие энкодер 6, вырабатывающий последовательность импульсов, число которых соответствует длине разматываемого кабеля 2. При достижении датчиком 1 дна резервуара срабатывает датчик 7 натяжения, и генерация импульсов энкодером 6 прекращается, а подсчитанное электронным блоком 9 число импульсов, преобразованное в линейную величину, соответствует базовой высоте резервуара. Одновременно при провисании кабеля датчик 7 натяжения выдает сигнал на реверсирование вращения барабана 3, и кабель 2 начинает сматываться, тем самым поднимая датчик 1. В первый момент движения кабеля 2 при отрыве датчика 1 от дна резервуара еще раз срабатывает индуктивный датчик 7, и начинается отсчет импульсов для измерения линейного расстояния до границы раздела сред подтоварная вода/нефтепродукт. При перемещении датчика 1 непрерывно измеряются плотность, вязкость и температура среды, и на электронный блок 9 поступают соответствующие сигналы, по изменению которых судят о достижении границы раздела сред подтоварная вода/нефтепродукт. При дальнейшем подъеме датчика 1 продолжается измерение плотности, вязкости и температуры среды, и на основании полученных данных делаются выводы о структуре расслоения нефтепродукта. Когда датчик 1 достигает границы раздела нефтепродукт/воздух частота колебаний чувствительного датчика 1 резко меняется, и вместе с этим, соответственно, меняются измеренные характеристики плотности и вязкости среды, и, таким образом, при сопоставлении этих измеренных значений с полученной длиной кабеля 2 оценивается уровень взлива нефтепродукта.

Таким образом, измеряются следующие параметры жидкости:

1. Базовая высота

2. Плотность

3. Температура

4. Вязкость

5. Уровень

6. Расслоение

7. Раздел сред нефтепродукт/подтоварная вода

8. Раздел сред нефтепродукт/воздух

Электронный блок 9 служит для непрерывного преобразования, обработки всех полученных сигналов, вычисления и архивирования измеренных параметров и, кроме того, для программного управления шаговым двигателем 4. Индикатор 9.1.1 служит для непосредственной цифровой индикации полученных характеристик и параметров в определенной последовательности, а клавиатура 9.1.2 служит для ввода оператором переменных относительно типа резервуара команд управления на запуск режима измерения.

Источники информации

1. Промышленный электронный уровнемер переносной UTI 2000Т.

2. Патент РФ №2291403, МПК G01F 23/296, G01D 5/12, опубликован 10.01.2007 г. (прототип).

3. Патент РФ №2024841, МПК G01N 9/32, опубликован 15.12.1994 г.

1. Способ определения параметров жидкости в резервуаре, заключающийся в перемещении датчика в исследуемой жидкости, измерении характеристик плотности, вязкости и температуры сред в резервуаре путем контроля частоты колебаний чувствительного элемента датчика и показаний термопреобразователя, отличающийся тем, что датчик характеристик сред перемещают на различные уровни с помощью шагового электропривода, а уровень измеряют путем подсчета количества сигналов датчика за определенную длину его перемещения и на основании измеренных характеристик плотности, вязкости и температуры сред определяют такие параметры, как уровни расслоения жидкости и уровень границ раздела сред жидкость/воздух, нефтепродукт/подтоварная вода.

2. Устройство для определения параметров жидкости в резервуаре, содержащее вибрационный датчик характеристик сред, связанный с электронным блоком кабелем, отличающееся тем, что в качестве датчика используется датчик с встроенным термопреобразователем, перемещаемый приводом на основе шагового двигателя, при этом ленточный кабель, наматываемый на барабан, находится в сопряжении с измерительным колесом, снабженным энкодером, и оборудован датчиком натяжения и датчиком верхнего положения.

3. Устройство для определения параметров жидкости по п. 2, отличающееся тем, что электронный блок состоит из узла управления и узла преобразования, содержащего преобразователь и процессор, соединенные друг с другом, а узел управления состоит из индикатора, клавиатуры, схемы памяти для архивирования измеряемых характеристик и контроллера, соединенного с индикатором и клавиатурой и через процессор узла преобразования со схемой памяти.