Способ измерения уровней многослойных сред и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована для измерения уровня и границ раздела сред в нефтеперерабатывающей, химической, пищевой промышленности. Технический результат заключается в повышении точности измерения уровней и границ раздела многослойных сред, за счет минимизации паразитного влияния локальных неоднородностей при измерении скоростей распространения электромагнитных волн в слоях исследуемой среды. Устройство для измерения уровней многослойных сред, содержащее погружаемый в измеряемую среду измерительный зонд, выполненный в виде отрезка линии передачи, содержащий неоднородности, расположенные на известных расстояниях от входа, а также генератор зондирующих импульсов, выход которого соединен с измерительным зондом, и приемник, входом подключенный к измерительному зонду и генератору, при этом в качестве неоднородностей используются элементы, электрические параметры которых могут изменяться посредством управляющего сигнала, формируемого введенным блоком управления, подключенным выходами к генератору импульсов и приемнику. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована для измерения уровня и границ раздела сред в нефтеперерабатывающей, химической, пищевой промышленности.

Известен измеритель уровня и границы раздела двух сред, представленный в описании к патенту US 3424002, опубл. 28.01.1969, МПК G01F 23/26, содержащий отрезок длинной линии, выполненный в виде прямолинейного стержня, пересекающего границу раздела первого и второго продуктов, импульсный генератор, подключенный к верхнему концу отрезка длинной линии, приемник отраженных сигналов и измеритель временных интервалов, в качестве которого использован электронный осциллограф. При подаче на вход линии импульсного сигнала он распространяется вдоль нее и последовательно отражается от положений, соответствующих уровню первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов, в результате по временным интервалам между зондирующим и отраженными сигналами определяются положения уровня первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов.

Недостатком технического решения является низкая точность определения уровней, обусловленная отсутствием возможности измерения скорости распространения сигнала в измеряемых средах, которая зависит от диэлектрических свойств первого и второго продуктов.

Известен измеритель уровня и границы раздела двух продуктов, представленный в описании к патенту US 6198424 В1, опубл. 06.03.2001, МПК G01S 13/08, G01R 27/04, в котором микроволновые импульсы подаются в верхний конец длинной линии, выполненной в виде прямолинейного стержня. В процессе распространения сигналов вдоль линии возникают частичные отражения сигналов от уровня первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов. По временным интервалам между зондирующим и отраженными импульсами определяется уровень первого продукта, а также граница раздела первого и второго продуктов. С целью коррекции показаний в устройстве осуществляется вычисление скорости распространения микроволновых импульсов в первом продукте, по величине его диэлектрической проницаемости, которая, в свою очередь, рассчитывается по отношению измеренных устройством амплитуд зондирующего сигнала и сигнала отраженного от уровня первого продукта.

Недостатком устройства является высокая погрешность метода определения диэлектрической проницаемости первого продукта по амплитудам зондирующего и отраженного сигналов, что сказывается на точности определения скорости распространения сигналов в среде. Высокая погрешность измерения диэлектрической проницаемости обусловлена зависимостью амплитуды отраженного импульса не только от диэлектрической проницаемости, но и от его электропроводности продукта, что не учитывается при расчете. Кроме того, диэлектрическая проницаемость рассчитывается только для первого продукта, что не учитывает возможных градиентных изменений диэлектрической проницаемости по толщине.

Наиболее близким к заявляемом способу измерения уровней многослойных сред и устройству для его осуществления является техническое решение, представленное в описании к патенту РФ 2491519, опубл. 27.08.2013, МПК G01F 23/28, областью применения которого является измерение уровня жидкости в условиях значительных изменений диэлектрической проницаемости газовой среды над ее уровнем, преимущественно для контроля уровня воды в энергетических паровых котлах. Отличительной характеристикой технического решения является использование в качестве измерительного зонда отрезка длинной линии с регулярными неоднородностями по его длине, представляющими собой утолщения прямолинейного стержня, а также снабжение уровнемера блоком калибровки. Следствием наличия регулярных (локальных) неоднородностей по длине отрезка измерительной линии является частичное отражение от них микроволновых импульсов, что позволяет с помощью блока калибровки по измеренному интервалу времени между микроволновыми импульсами, отраженными от смежных регулярных неоднородностей отрезка линии, расположенных в газовой среде над уровнем жидкости и заданному расстоянию между ними определить скорость распространения электромагнитной волны вдоль отрезка длинной линии в газовой среде. Техническим результатом прототипа является повышение точности измерения уровня в условиях значительных изменений диэлектрической проницаемости газовой среды над уровнем жидкости.

Недостатком технического решения является то, что при наличии регулярных неоднородностей в линии передачи происходит множественное отражение электромагнитных волн, распространяющихся в прямом и обратном направлениях, что приводит к усложнению временной диаграммы сигналов (рефлектограммы) вследствие интерференции сигналов. Сложность рефлектограммы возрастает пропорционально количеству неоднородностей в отрезке измерительной линии и приводит к неоднозначности ее интерпретации, особенно применительно к многокомпонентным средам, а также средам с низким значением диэлектрической проницаемости. Кроме того, наличие стационарных неоднородностей в линии передачи приводит к уменьшению энергии зондирующего сигнала, распространяющегося вдоль линии передачи, и ограничивает дальность определения границ раздела сред.

Задачей группы изобретений является реализация способа и устройства для измерения уровней и границ раздела многослойных сред, основанных на измерении скорости распространения электромагнитных волн в слоях исследуемой среды.

Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении точности измерения уровней и границ раздела многослойных сред, за счет минимизации паразитного влияния локальных неоднородностей при измерении скоростей распространения электромагнитных волн в слоях исследуемой среды.

Как и в прототипе, способ измерения уровней многослойных сред, включает воздействие на измерительный зонд, представляющий собой линию передачи, содержащую неоднородности, тестовым электрическим сигналом, регистрацию отклика на это воздействие, определение задержек распространения сигналов в измеряемых средах путем обработки отклика, вычисление положений границ раздела сред по измеренным задержкам и скорости распространения сигналов в каждой из сред.

Отличие от прототипа состоит в том, что для определения скоростей распространения сигналов в измеряемых средах в составе измерительного зонда используются неоднородности с управляемыми электрическими параметрами.

Технический результат достигается тем, что в линию передачи измерительного зонда включены локальные неоднородности, электрические параметры которых могут быть изменены посредством внешнего управляющего воздействия. Управление электрическими параметрами неоднородностей позволяет локально изменить коэффициенты отражения электромагнитного сигнала в определенных точках измерительного зонда, и, путем обработки рефлектограммы, определить скорости распространения электромагнитных волн в слоях исследуемой среды. На этапе измерения уровней границ раздела сред локальные неоднородности могут быть отключены, а их паразитное влияние - минимизировано.

Воздействие на измерительный зонд тестовым сигналом и регистрация отклика на воздействие могут быть выполнены несколько раз и каждое из таких воздействий может соответствовать различным электрическим параметрам неоднородностей, входящих в состав измерительного зонда.

Для изменения электрических параметров неоднородностей может использоваться как внешнее управляющее воздействие, так и задание определенной формы тестового электрического сигнала.

Устройство, как и в прототипе, содержит блок управления, подключенный к генератору и приемнику, выходы которых подключены к измерительному зонду, выполненному в виде отрезка линии передачи, содержащего неоднородности, расположенные на известных расстояниях от входа, погруженному в измеряемую среду. Отличие от прототипа заключается в том, что в качестве неоднородностей используются элементы, электрические параметры которых могут изменяться посредством управляющего сигнала, формируемого блоком управления.

Причем, управление электрическими параметрами неоднородностей может осуществляться как по линии передачи, входящей в состав измерительного зонда, так и по дополнительной линии или линиям, соединяющим блок управления и входы элементов, образующих неоднородности.

Далее приводится пример конкретного выполнения устройства и способа.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.

На Фиг. 1 показана структурная схема измерительной установки для осуществления предложенного способа.

На Фиг. 2 показан вариант реализации измерительного зонда в виде отрезка двухпроводной линии передачи, содержащего неоднородности с управляемыми электрическими параметрами.

На Фиг. 3 показан вариант реализации измерительного зонда в виде отрезка коаксиальной линии передачи, содержащего неоднородности с управляемыми электрическими параметрами. Причем управление электрическими параметрами неоднородностей может осуществляться как по самой коаксиальной линии, так и по дополнительным линиям, подключенным к неоднородностям.

На Фиг. 4 представлены примеры рефлектограмм, полученных при использовании измерительного зонда, содержащего неоднородности с управляемыми электрическими параметрами.

На Фиг. 5 приведена обобщенная схема алгоритма измерения уровней и параметров слоев многослойной среды.

Структурная схема, представленная на Фиг. 1, содержит блок управления 1, подключенный к генератору 2 и приемнику 3, выходы которых соединены с измерительным зондом 4 длиной х₄, содержащим неоднородности 5, расположенные на расстояниях x₁, х₂, x₃ от входа, погруженным в многослойную жидкую среду, состоящую из трех слоев, имеющих длины (высоты) h₁, h₂, h₃. Многослойная среда состоит из воздушного слоя 6, первого жидкого слоя 7, образующего с воздушным слоем 6 границу раздела сред 8, имеющую уровень , второго жидкого слоя 9, образующего с первым жидким слоем 7 границу раздела 10, имеющую уровень . Уровни границ раздела определены относительно начала измерительного зонда. Примером трехслойной среды может служить структура воздух-нефть-вода в резервуаре вертикальном стальном (РВС) для нефтеперерабатывающей промышленности.

В качестве блока управления 1, в конкретном варианте выполнения устройства, может использоваться персональный компьютер, обладающий интерфейсами управления для подключения к генератору 2 и приемнику 3. В качестве генератора 2 может быть использован генератор Tektronix AWG5202, позволяющий генерировать сигналы произвольной (синтезируемой) формы с частотой до 10 ГВыб/сек, варьировать в широких пределах амплитуду, длительность, полярность импульсов, устанавливать постоянное смещение в тестовом сигнале, формировать цифровые пакеты. В качестве приемника 3, в одном из вариантов выполнения устройства, может быть использован стробоскопический осциллограф DSA8300 в комплекте со входным смесителем Р8018. Приведенное сочетание приборов позволяет проводить рефлектометрический анализ объектов с использованием сигналов произвольной формы в полосе частот до 20 ГГц и разрешением по времени 17 пс.

На Фиг. 2 представлен вариант исполнения отрезка измерительного зонда в виде двухпроводной линии передачи, состоящей из проводников 11, между которыми закреплены неоднородности 5, выполненные в виде печатного узла, состоящего из печатной платы 12 с установленной на ней управляемым элементом 13. Каждый из контактов управляемого элемента 13 электрически соединен через проводники на печатной плате 12 с одним из проводников 11 двухпроводной линии.

В конкретном варианте выполнения устройства в качестве управляемого элемента 13 могут быть использованы диоды, например HSMS-8202, аноды которых через проводники на печатной плате 12 соединены с первым проводником 11 измерительного зонда 4, а катоды через проводники на печатной плате 12 соединены со вторым проводником 11 измерительного зонда 4. Тестовый сигнал, формируемый генератором 2, представляет собой импульс Гаусса положительной полярности длительностью 100-200 пс, амплитудой 0,5-1,2 В. Первый проводник 11 измерительного зонда 4 подключается к выводу высокого потенциала генератора 2, второй проводник 11 измерительного зонда 4 - к выводу низкого потенциала генератора 2 таким образом, что обеспечивается прямое включение диодов по отношению к тестовому сигналу. При прохождении тестового сигнала через точки локализации неоднородностей 5 разность потенциалов между проводниками 11 измерительного зонда 4 приводит к изменению сопротивления неоднородностей 5, что формирует локальные отклики от каждой из таких неоднородностей 5. Измерение задержек между такими откликами позволяет определить скорости распространения электромагнитных волн в слоях исследуемой среды, лежащих между соседними неоднородностями 5.

Для исключения (минимизации амплитуды) откликов от локальных неоднородностей 5 к тестовому сигналу, представляющему собой импульс Гаусса положительной полярности длительностью 100-200 пс, амплитудой 0,5-1,2 В, может быть добавлено отрицательное смещение 1-2 В, обеспечивающее запертое состояние диодов, входящих в состав управляемых элементов 13.

На Фиг. 3, а, представлен вариант исполнения отрезка измерительного зонда в виде коаксиальной линии передачи, состоящей из внутреннего проводника 14 и внешнего проводника 15, при этом внутренний и внешний проводники разделены на сегменты 16, между которыми располагаются неоднородности 5, выполненные в виде печатного узла, представленного на Фиг. 3, б. Печатный узел состоит из печатной платы 12, содержащей управляемый элемент 13. Сегменты 16 закреплены между собой с помощью сварного или резьбового соединения.

Управление электрическими параметрами неоднородностей 5 при коаксиальном исполнении измерительного зонда может быть осуществлено аналогично способу, описанному для двухпроводной линии передачи. В качестве управляемых элементов 13 могут быть использованы диоды, например HSMS-8202, катоды которых через проводник на печатной плате 12 электрически соединены с внутренним сигнальным проводником 14 коаксиальной линии, а аноды - с внешним проводником 15 коаксиальной линии.

Кроме того, управление электрическими параметрами неоднородностей 5 может быть осуществлено с помощью дополнительных линий, соединенных с блоком управления 1. Для этого в качестве управляемых элементов 13 могут быть использованы, транзисторы, например BFR92AW, управление которыми выполняется путем подачи управляющих сигналов на базу/затвор транзисторов. Линии связи базы/затвора транзисторов, выполняющих функцию управляемых элементов 13, могут быть соединены с блоком управления 1 через отверстия 17.

Приведенные примеры конкретной реализации устройства позволяют осуществлять управление электрическими параметрами неоднородностей 5, входящих в состав измерительного зонда 4, как путем задания определенной формы тестового электрического сигнала (установка отрицательного смещения), так и с использованием внешнего управляющего воздействия по отдельным линиям. Во втором варианте реализации становится возможным независимое управление параметрами каждой из неоднородностей 5.

На Фиг. 4 приведены примеры рефлектограмм измерительного зонда, погруженного в трехслойную среду.

Рефлектограмма Фиг. 4, а содержит тестовый импульс 18, отклик 19, отраженный от границы раздела сред 8, отклик 20, отраженный от границы раздела 10, и отклик 21, отраженный от конца измерительного зонда и соответствует режиму измерения, при котором обе управляемые неоднородности 5 "отключены" в результате приложения отрицательного напряжения смещения U_см. Представленные отклики характеризуются временными координатами t₀-t₃ и амплитудами А₀-A₃.

На Фиг. 4, б представлена рефлектограмма, содержащая кроме тестового сигнала 18, откликов 19, 20 и 21, отклики от первой неоднородности 22, расположенной в воздушной среде 6, отклик от второй неоднородности 22, расположенной в первой жидкой среде 7, и отклик от третьей неоднородности 23, расположенной во второй жидкой среде 9. Отклики от неоднородностей характеризуются временными координатами t'₁-t'₃ и амплитудами А'₁-А'₃.

Представленная рефлектограмма может быть получена, по меньшей мере, двумя способами:

1) исключением постоянного отрицательного смещения U_см в тестовом сигнале в случае управления неоднородностями путем задания формы тестового сигнала;

2) подачей управляющего воздействия на каждую из неоднородностей в случае управления по отдельным линиям.

На Фиг. 4, в-г приведены рефлектограммы, соответствующие адресному управлению параметрами неоднородностей входящих в измерительный зонд. Представленные рефлектограммы соответствуют режимам включения первой (Фиг. 4, в), второй (Фиг. 4, г) и третьей (Фиг. 4, д) неоднородностей по отдельности, что может быть достигнуто, например, путем управления параметрами неоднородностей по отдельным линиям.

На Фиг. 5 приведена обобщенная схема алгоритма измерения уровней и параметров слоев многослойной среды для реализации предлагаемого способа, применение которого будет показано на примере рефлектограмм, представленных на Фиг. 5.

Первым шагом является измерение временной диаграммы U(t)₀, соответствующей состоянию зонда 4 при котором все входящие в его состав управляющие неоднородности 5 "отключены", либо их влияние сведено к минимуму (см. Фиг. 4, а).

Следующим шагом является последовательное изменение состояний неоднородностей и измерение рефлектограмм измерительного зонда U(t)₁-U(t)_K, где K - количество возможных комбинаций состояний неоднородностей, достаточное для проведения измерения.

В случае управления неоднородностями путем задания формы тестового сигнала K=1, результатом измерения является рефлектограмма U(t)₁, представленная на Фиг. 4, б.

В случае управления неоднородностями управления по отдельным линиям K=N, где N - количество неоднородностей в измерительном зонде, в данном примере конкретной реализации K = 3, результатом измерений будут являться рефлектограммы U(t)₂-U(t)₄, представленные на Фиг. 5, в, г, д.

Следующим шагом является анализ измеренных рефлектограмм с целью формирования двух векторов временных координат:

Т_B - вектор, содержащий временные координаты t₀, t₁, t₂ откликов, отраженных от границ раздела сред;

T_L - вектор, содержащий временные координаты t₁', t₂', t₃' откликов, отраженных от неоднородностей.

Для определения временных координат t₁', t₂', t₃' и формирования вектора T_L удобно предварительно рассчитать функции разности рефлектограмм ΔU_κ(t) по формуле:

Положение первых максимумов функций ΔU_κ(t) позволит определить временные координаты t_κ' и амплитуды А_κ' неоднородностей k.

В данном примере конкретной реализации вектора Т_B и T_L будут иметь вид (см. Фиг. 4):

Следующим шагом является нормирование векторов временных координат Т_B и T_L путем вычитания временной координаты тестового сигнала t₀. Для рассматриваемого варианта конкретной реализации нормированные вектора будут иметь вид:

Элементы нормированных векторов имеют физический смысл задержек сигналов, отраженных от границ раздела сред и неоднородностей измерительного зонда относительно тестового сигнала.

Следующим шагом является формирование вектора задержек D, предназначенного для установления соответствия задержек сигналов, отраженных от неоднородностей измерительного зонда, конкретным слоям измеряемой среды, в которых эти неоднородности находятся.

Вектор задержек D состоит из М элементов (по числу слоев многослойной среды), каждый из которых представляет собой транспонированный вектор [d]_i из N_i, элементов (по числу неоднородностей в слое с индексом i):

где i - номер слоя (1…М);

М - количество слоев многослойной среды;

j - номер неоднородности в слое i (1…N_i);

N_i - количество неоднородностей в слое i.

Элементы d_j векторов [d]₁, [d]₂, …, [d]_M, входящих в состав вектора D, содержат информацию о задержке отклика от неоднородности j, расположенной в слое i, относительно отклика от начала слоя i. При этом на каждый слой среды может приходиться одна или несколько неоднородностей.

Формирование вектора задержек D выполняется путем поэлементного сравнения задержек нормированных векторов . При этом считается, что неоднородность с номером j находится в слое измеряемой среды с номером i, если выполняется условие:

Для данного примера конкретной реализации, когда на каждый из слоев исследуемой среды приходится по одной неоднородности, вектор D имеет вид:

Вектор расстояний S имеет структуру аналогичную структуре вектора задержек D, с тем лишь отличием, что элементы s_j транспонированных векторов [s]₁, [s]₂, …, [s]_M, входящих в состав вектора S, содержат информацию о расстоянии от неоднородности j, расположенной в слое i, до начала слоя i.

Обобщенная запись вектора расстояний S имеет вид:

Вектор расстояний S для данного примера конкретной реализации после выполнения всех вычислений будет иметь вид:

Так как для определения параметров нижних слоев анализируемой среды должны быть известны параметры предыдущих слоев, заполнение элементов вектора [s]_i, определение скоростей распространения υ_i электромагнитных сигналов в слоях многослойной среды и длин каждого из таких слоев h_i, выполняется последовательно от начала измерительного зонда к его концу по следующему алгоритму (см. Фиг. 5):

1) определение расстояний до неоднородностей s_j (вектора [s]_i), для слоя среды с номером i. Расстояние до неоднородностей определяется конструкцией измерительного зонда и суммой длин (высот) предшествующих слоев измеряемой среды.

2) вычисление среднего значения скорости распространения сигнала υ_i в среде с номером i выполняется по формуле:

3) расчет длины (высоты) слоя (см. Фиг. 1) с номером i многослойной среды выполняется по формуле:

Результатами расчета по приведенному алгоритму являются:

- вектор скоростей распространения сигнала в слоях исследуемой среды υ, состоящий из элементов υ₁, υ₂, …, υ_M.;

- вектор длин (высот) слоев исследуемой среды Н, состоящий из элементов h₁, h₂, …, h_M.

На основании вектора Н может быть рассчитан вектор уровней L границ раздела многослойной среды (см. Фиг. 1):

Количество элементов вектора L равно М-1. Для данного примера вектор L имеет вид:

В качестве дополнительного параметра может представлять интерес вектор скоростей распространения υ электромагнитных сигналов в слоях многослойной среды, на основании которого могут быть определены диэлектрические проницаемости слоев среды.

1. Способ измерения уровней многослойных сред, включающий воздействие на измерительный зонд, представляющий собой линию передачи, содержащую неоднородности, тестовым электрическим сигналом, регистрацию отклика на это воздействие, определение задержек распространения сигналов в измеряемых средах путем обработки отклика, вычисление положений границ раздела сред по измеренным задержкам, а также скорости распространения сигналов в каждой из сред, для определения которой осуществляют управление электрическими параметрами неоднородностей, входящих в состав измерительного зонда, отличающийся тем, что управление электрическими параметрами неоднородностей осуществляют путем изменения формы тестового электрического сигнала.

2. Устройство для измерения уровней многослойных сред, содержащее погружаемый в измеряемую среду измерительный зонд, выполненный в виде отрезка линии передачи, содержащий неоднородности, расположенные на известных расстояниях от входа, а также генератор зондирующих импульсов, выход которого соединен с измерительным зондом и приемник, входом подключенный к измерительному зонду и генератору, отличающееся тем, что в качестве неоднородностей используются элементы, электрические параметры которых могут изменяться посредством управляющего сигнала, формируемого введенным блоком управления, подключенным выходами к генератору импульсов и приемнику.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что управляющий сигнал передается по дополнительным линиям передачи, связывающим блок управления и входы неоднородностей.