СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01F23/28 G01K11/26 G01N9/00 

Изобретение может быть реализовано для контроля физических параметров газожидкостных систем в различных областях техники: в гидравлики, нефтяной и химической промышленности, медицине, в области морского и нефтеналивного транспорта и др. и используется, в частности, для определения резонансным методом таких физических параметров газожидкостных систем, как уровень жидкости в сосудах и водоемах, температура жидкости и газа, состав и молекулярный вес бинарных смесей газов и др.

Широко известны резонансные способы определения параметров жидкости, например способ определения силы давления текучей среды по патенту Великобритания N 1600883 (G 01 L, 9/00), когда твердый элемент, способный к механическому резонансу, помещают в находящуюся под давлением среду и возбуждают до резонансного состояния. Для изготовления этого элемента выбирают материал, резонансная частота которого изменяется в зависимости от изменения давления. Таким образом, регистрируя значение резонансной частоты по известным зависимостям определяют силу давления.

Известен, например, способ определения температуры с применением акустических резонаторов по патенту США N 4233843 (G 01 K 11/26), заключающийся в том, что в жидкую среду помещают термочувствительный резонатор имеющий по крайней мере две моды колебаний с первой и второй резонансными частотами; эти частоты пропорциональны температуре, а разность между первой и второй резонансными частотами постоянна; при этом измерение разности первой и второй резонансной частот с последующим сравнением ее с указанной выше дает возможность оценить наличие ложного сигнала, а по одной из измеренной частот по известным формулам определяют температуру жидкости.

Известен, например, способ измерения плотности загрязненной текучей среды с помощью резонаторов, причем резонансная измеряемая частота зависит от плотности загрязнения, т.е. по частоте по известным зависимостям определяют плотность.

Недостатками указанных способов являются низкая точность, т.к. их реализация зависит от добротности аппаратуры для минимизации ширины резонансного пика; кроме того, велико время измерения, т.к. уменьшение ширины резонансного импульса требует увеличения времени проведения однократного измерения; трудности настройки на резонансную частоту при измерении ее в широких пределах, например при определении уровня жидкости, ограничивает область функционального применения выше указанных способов.

Известен также способ определения параметров жидкости, таких как уровень, температура, состав и молекулярный вес, заключающийся в том, что трубчатый резонатор заполняют газом и приводят в термодинамическое равновесие с контролируемой чредой, возбуждают в газовом столбе внутри резонатора вынужденные акустические колебания синусоидальной формы, настраивают частоту колебаний на характерную точку частотой характеристики резонатора, определяют частоту или период этих колебаний и по ним судят о температуре, уровне, составе и молекулярном весе контролируемой среды [2]
Недостатками способа являются неудовлетворительная точность, которая лимитируется добротностью резонатора; достаточно большое время измерения, т.к. необходимо настраиваться на характерную частоту; низкая помехоустойчивость, т.к. случайный резонансный сигнал воспринимается как полезный.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности, уменьшение времени измерения, повышение помехоустойчивости.

Данный технический результат достигается тем, что в способе определения физических параметров газожидкостных систем, заключающемся в регистрации акустических колебаний внутри резонансной трубки, частично погруженной в контролируемую жидкость, преобразования их в электрический сигнал и получении информации об уровне жидкости, температуре газожидкостной системы, молекулярном весе и составе газа, после преобразования акустических колебаний в электрический сигнал получают спектральную характеристику этого сигнала, определяют частоту следования резонансных пиков в спектре T и рассчитывают физические параметры газожидкостной системы исходя из соотношений




где T частота следования резонансных пиков в спектре, с;
C скорость звука в жидкости или газе, м/с;
L уровень жидкости, м;
θ температура газа и жидкости, K;
M молекулярный вес газовой смеси;
R_ун универсальная газовая постоянная, Дж/моль•град;
K const=C_p\C_v, C_p теплоемкость газа при постоянном давлении; C_v теплоемкость газа при постоянном объеме;
M₁ и M₂ молекулярный вес газовых компонент в бинарной смеси.

c концентрация газового компонента в бинарной смеси;
Известно устройство для определения температуры, давления, плотности текущей среды [1]
Это устройство содержит вибратор с чувствительным элементом, одна поверхность которого принимает эталонное давление, а другая обращена к измеряемой среде; пьезодатчик, установленный на вибраторе воспринимает колебания и через усилитель выдает сигнал с тремя модами; блок операционной обработки по сигналу на входе, соответствующему собственной частоте колебаний вибратора определяет температуру, плотность, давление текучей среды.

Известно устройство для определения физических параметров жидкости, содержащее трубчатый резонатор, в котором установлен приемо-передающий блок в виде обратимого мембранного микрофона, который является одним плечом мостового генератора синусоидального напряжения, выход которого подключен к схеме измерения периода колебаний [2]
Недостатками прототипа являются низкая точность и длительность измерений из-за необходимости настройки моста для его уравновешивания в широком диапазоне частот и погрешности аппаратуры, влияющей на измерение периода колебаний, недостаточная помехоустойчивость.

Техническим результатом от использования предложенного устройства является увеличение точности и уменьшение времени определения физических параметров жидкости, увеличение помехоустойчивости.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения физических параметров газожидкостной системы, содержащем резонансную трубу и установленный внутри нее приемник акустических колебаний, введены последовательно соединенные усилитель, блок измерения частоты следования резонансных пиков в спектре и операционный блок, причем вход усилителя соединен с выходом приемника акустических колебаний.

На фиг.1 изображено устройство для определения физических параметров жидкости; на фиг.2 спектры акустических колебаний (- кривая 7), где A - амплитуда; t время; кепстр мощности кривая 8, где T частота следования резонансных пиков; G кепстр мощности в зависимости от времени.

Устройство содержит резонансную трубу 1, размещенный в ней приемно-передающий блок 2, который подключен на вход усилителя 3, выход которого связан с входом блоком измерения частоты следования резонансных пиков 4, выход которого подключен к операционному блоку 5. Резонансная труба 1 погружена в жидкость 6.

По предлагаемому способу, реализованному данным устройством, в газовом столбе внутри трубы 1, погруженной в жидкость 6, возбуждают (или просто регистрируют собственные акустические колебания, которые всегда присутствуют при наличии внешних шумов и вибраций) с помощью приемно-передающего блока 2 акустические колебания.

Регистрируемые колебания усиливают усилителем 3 и сигнал поступает на блок измерения частоты следования резонансных пиков 4, где определяется частота следования резонансных пиков T (см. кривую 8 кепстра мощности G на фиг. 2; кепстр мощности это спектр импульса, форма которого является логарифмом спектра мощности сигнала). Аргумент кривой 8 имеет размерность времени и max приходится на характерную величину времени, соответствующую частоте следования резонансных пиков.

Далее сигнал, соответствующий частоте T, поступает в операционный блок 5, где определяются физические параметры исследуемой жидкости, при этом, например, уровень жидкости определяется по формуле

где T частота следования резонансных пиков;
C скорость звука в газовом столбе.

При этом скорость звука в жидкости величина известная и постоянная.

Температура жидкости определяется по формуле

Если величина уровня L известна и равна const.

Молекулярный вес и состав могут быть определены по формулам


где M молекулярный вес жидкости;
θ температура жидкости;
R_ун универсальная постоянная;

где C_p теплоемкость газа при постоянном давлении;
C_v теплоемкость газа при постоянном объеме;
концентрация газового компонента в бинарной смеси;
M₁ и M₂ молекулярный вес каждого газа в бинарной смеси газов.

Предложенный способ и устройство определения физических параметров жидкости обеспечивают более высокую точность, чем известные, т.к. частоту резонансных пиков T определяют с большей точностью, чем частоту самого резонанса, что подтверждается на фиг.2, где ширина пика на кепстре мощности (кривая 8) значительно уже резонансного пика (кривая 7).

Сокращается также время измерения, т.к. нет необходимости тратить время на нахождение резонансного пика.

Приемно-передающий блок 2 может быть выполнен в случае регистрации собственных колебаний в виде приемного устройства, например чувствительного микрофона или гидрофона.

В случае возбуждения колебаний блок 2 может быть выполнен, например, в виде источника импульсного давления, запитывающегося от генератора широкополосных сигналов, в качестве которого может быть использован генератор случайного шума 1045 фирмы Брюль и Къер (Каталог фирмы; 1986 г.).

В качестве блока измерения частоты следования резонансных пиков в спектре может быть использован анализатор периодических составляющих в спектре сигналов 2034 фирмы Брюль и Къер (каталог фирмы; 1986 г.).

Операционный блок может быть реализован в виде процессора.

Использование: для контроля параметров газожидкостных систем. Сущность изобретения: способ заключается в регистрации акустических колебаний внутри резонансной трубки, частично погруженной в жидкость, преобразования их в электрический сигнал, получении спектральной характеристики этого сигнала, определении частоты следования резонансных пиков в спектре, получении информации об уровне жидкости, температуре газожидкостной системы, молекулярном весе и составе газа в системе. Описано устройство, реализующее данный способ. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения физических параметров газожидкостных систем, заключающийся в регистрации акустических колебаний внутри резонансной трубки, частично погруженной в контролируемую жидкость, преобразовании их в электрический сигнал и получении информации об уровне жидкости, температуре жидкостной системы, молекулярном весе и составе газа, отличающийся тем, что после преобразования акустических колебаний в электрический сигнал получают спектральную характеристику этого сигнала, определяют частоту следования резонансных пиков в спектре и рассчитывают физические параметры газожидкостной системы, исходя из соотношений
L T • c/2;



где Т частота следования резонансных пиков в спектре;
c скорость звука в жидкости;
L уровень жидкости;
θ - температура жидкости и газа;
М молекулярная масса газовой смеси;
R_у п универсальная газовая постоянная;

где С_р теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении;
C_v теплоемкость газовой смеси при постоянном объеме;
М₁ и М₂ молекулярная масса газовых компонент в бинарной смеси;
k концентрация газового компонента в бинарной смеси. 2. Устройство для определения физических параметров газожидкостных систем, содержащее резонансную трубку и установленный внутри нее приемник акустических колебаний, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные усилитель, блок измерения частоты следования резонансных пиков в спектре и операционный блок, причем вход усилителя соединен с выходом приемника акустических колебаний.