СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 1999 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к измерению уровня жидких сред акустическим способом и может найти широкое применение в системах контроля и учета в нефтегазоперерабатывающей промышленности, водоснабжении и водоотведении в коммунальном хозяйстве, других отраслях народного хозяйства, связанных с производством, хранением и использованием жидкостей при нормальном атмосферном давлении.

Актуальность создания новых методов и средств измерения уровня жидкостей в резервуарах и лотках различного назначения определяется необходимостью автоматизированного оперативного контроля и текущего учета расхода жидкости на всех этапах производства, хранения и реализации.

В настоящее время разработаны различные контактные и дистанционные способы и устройства для измерения уровня жидких сред, использующие различные частотные диапазоны, в том числе ультразвуковой и звуковой (акустический). Однако все они не обладают достаточной универсальностью, точностью и технологичностью.

Известен способ непрерывного измерения уровня жидких сред (а.с. СССР N 1462113, М.кл.⁴ G 01 F 23/28), заключающийся в возбуждении в стенке резервуара, частично заполненного жидкостью, над границей заполнения ультразвуковой волны, приеме ее ниже этой границы в стенке резервуара и измерении амплитуды принятых колебаний, по величине которой судят о контролируемом параметре. С целью повышения точности в качестве ультразвуковой волны используется одна из мод волны Лэмба, которая вводится и принимается под углом к поверхности жидкости, отличными от 90 и 180^o.

Основным недостатком данного способа является использование в качестве информационного параметра амплитуды принятого сигнала, что накладывает очень жесткие требования на стабильность параметров приемно-передающего тракта. Кроме того, данный способ практически не пригоден для существующих подземных резервуаров и лотков.

Широко используется автоциркуляционный способ измерения уровня жидких сред в емкостях, на основе которого разработано несколько поколений акустических уровнемеров (см. например, а.с. СССР N 690310, М.кл.² G 01 F 23/28). Согласно этому способу излучают зондирующий импульс перпендикулярно поверхности раздела сред, принимают отраженные импульсы от этой поверхности (измерительный канал) и от специально устанавливаемого отражателя (эталонный канал), преобразуют их в электрические импульсы, обрабатывают и вновь подают на акустический излучатель. Обработку ведут таким образом, что период повторения зондирующих импульсов (период автоциркуляции) прямо пропорционален измеряемому уровню и обратно пропорционален скорости распространения ультразвука в среде (в измерительном канале). В эталонном канале период автоциркуляции обратно пропорционален скорости ультразвука. Отсюда вычисляется и индицируется измеряемый уровень.

К недостаткам данного способа следует отнести использование сложного алгоритма формирования периода повторения зондирующих импульсов, необходимость наличия отдельного эталонного электроакустического канала, в котором не устранена возможность возникновения интерференционных явлений, что может приводить к повышению погрешности результатов измерений для определенных величин уровня жидких сред.

Наиболее близким по назначению и технической сущности аналогом-прототипом к предлагаемому техническому решению является способ измерения уровня жидких сред, включающий излучение зондирующего импульса, прием отраженных от отражателя, установленного на фиксированном расстоянии, и от границы раздела сред импульсов и измерение временного интервала, пропорционального измеряемому уровню (см. а.с. СССР N 1048322, М.кл.³ G 01 F 2/28). С целью повышения точности измерения зондирующий импульс излучают во взаимно перпендикулярных направлениях, принятые после отражения импульсы переизлучают и после последовательного приема вторично отраженных импульсов формируют соответственно три временных интервала, 1-й и 3-й, из которых заполняют счетными импульсами и сравнивают по длительности, причем для формирования счетных импульсов используют интервал времени между зондирующим и первым отраженным от отражателя импульса.

Основным недостатком данного способа (прототипа) является сложный алгоритм формирования совокупности временных интервалов, содержащих информацию об измеряемом и эталонном расстояниях, что определяет повышение требования к уровню входной мощности источника излучения, КПД самого излучателя, ширине диаграмм направленности излучателя во взаимно перпендикулярных направлениях. Кроме того, к недостаткам следует отнести необходимость индивидуальной юстировки излучателя на резервуаре, незащищенность от воздействия внешних помех, вибраций, а также сложность его применения для закрытых, в том числе подземных, резервуаров.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа, обеспечивающего повышение точности и надежности измерения уровня жидких сред в резервуарах и лотках открытого, закрытого и подземного типов, упрощение алгоритма формирования информационных временных помех, снижение энергоемкости.

Согласно изобретению поставленная задача реализуется следующим образом. Предлагаемый способ измерения уровня жидких сред включает в себя излучение в канализирующем волноведущем тракте, устанавливаемом перпендикулярно поверхности жидкости, зондирующего сигнала в виде продольной акустической волны, прием зондирующего и отраженного сигналов последовательно в двух, первой и второй, точках приема, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга ниже уровня точки излучения и вне объема волноведущего тракта, причем нижнюю (вторую) точку приема располагают выше максимально допустимого уровня жидкости (для данной емкости), а измеряемый уровень l_ж определяют по формуле
l_ж = L - l₀t_x/2t₀,
где L - расстояние от нижней (второй) точки приема до дна емкости; l₀ - расстояние между первой и второй точками приема; t_x - временной интервал между приемом во второй точке приема зондирующего и отраженного сигналов; t₀ - временной интервал между приемом зондирующего сигнала в первой и второй точках приема.

Поставленная задача в данном изобретении достигается совокупностью всех признаков, а именно:
- канализирование зондирующего и отраженного сигналов в волноведущем тракте в виде продольных акустических волн позволяет существенно снизить влияние внешних условий на точность результатов измерения, повысить устойчивость к внешним помехам, а также снизить энергопотребление;
- прием в двух точках, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга и ниже уровня точки излучения, обеспечивает возможность использования части волноведущего канализирующего тракта (между точками приема) в качестве эталонного тракта, что позволяет применить простейший алгоритм формирования эталонного и измеряемого временных интервалов;
- размещение обеих точек приема вне внутреннего объема волноведущего тракта позволяет практически исключить условия возникновения в нем интерференционных явлений, являющихся одной из основных причин снижения точности измерений при определенных уровнях жидкости;
- введение указанной расчетной формулы позволяет автоматизировать процесс измерения, представлять результаты измерений в требуемой форме представления (уровень, объем, расход).

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг. 1 - структурная схема устройства, реализующего данный способ;
- на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства, структурная схема которого представлена на фиг. 1.

Предлагаемый способ может быть реализован, например, с помощью устройства, структурная схема которого представлена на фиг. 1. В резервуар 1 вертикально устанавливают канализирующий волноведущий тракт 2, в который излучают зондирующий сигнал V_зонд с помощью акустического излучателя 3. Первым и вторым приемниками 4, 5, соответственно расположенными на фиксированном расстоянии l₀ вне объема волноведущего тракта 2, последовательно во времени принимают зондирующие V_зонд1 и V_зонд2, а вторым приемником 5 и отраженный V_отр2 от поверхности жидкости сигналы, которые после усиления и формирования (см. условное представление сигналов V_зонд1, V_зонд2,V_отр2 на фиг. 2а), подают на вход устройства 6 синхронизации и обработки, где производят измерение временных интервалов: t₀ - между поступлением на входы приемников 4 и 5 зондирующего сигнала (см. фиг. 2б) и t_x - между поступлением на вход второго приемника 5 зондирующего и отраженного сигналов (см. фиг. 2в), - и определение измеряемого уровня жидкости l_ж по формуле
l_ж = L - l₀t_x/2t₀, (1)
где L - расстояние от дна емкости 2 до приемника 5; l₀ - фиксированное расстояние между приемниками 4 и 5.

Повышение точности результатов измерения уровня в данном способе достигается за счет использования относительного метода измерения и устранения условий возникновения многократных переотражений в канализирующем тракте:
- измеряемые временные интервалы t₀ и t_x связаны с соответствующими расстояниями между обоими приемниками 4, 5 и между вторым приемником 5 и поверхностью жидкости известными выражениями:
t₀ = l₀/V₀ и t_x = 2l_x/V_x, (2)
где V₀ и V_x - скорости звука в канализирующем волноведущем тракте 2 на его участках между приемниками 4, 5 и между вторым приемником 5 и уровнем жидкости соответственно. Для выравнивания давления паров жидкости над ее уровнем в канализирующем тракте 2 с атмосферным давлением в верхней части тракта 2 (выше первого приемника) выполнены вентиляционные отверстия 7 (см. фиг. 1), что обеспечивает практическую независимость отношения скоростей звука (V_x/V₀) на участках l_x и l₀ от внешних условий
V_x/V₀ = A - const,
где A ≃ 1 в силу соизмеримости протяженностей участков l_x и l₀. В этом случае из (2) следует, что
t_x/2t₀ ≃ l_x/l₀,
а уровень жидкости в резервуаре 1, определяемый с помощью выражения (1), - практически не зависит от внешних условий;
- вынос обоих приемников 4, 5 из объема канализирующего тракта 2 устраняет причины возникновения переотражений в нем в течение периода измерений временных интервалов t₀ и t_x, что исключает рост погрешности измерений при некоторых уровнях жидкости, когда результирующий сигнал является суммой сигналов, приходящих в точки приема в противофазе.

Повышение помехоустойчивости к внешним помехам данного способа достигается за счет применения канализирующего волноведущего тракта, согласованного с излучателем, а его универсальность - применением микропроцессорной системы управления и обработки.

Таким образом, предложенный способ измерения уровня жидкости обеспечивает повышение точности и надежности результатов измерения, возможность применения в резервуарах и лотках различного назначения, в том числе в условиях внешних акустических помех, возникающих, например, при движении жидкости в лотках, а также при крайне ограниченных размерах резервуаров (подземные трубопроводы). Способ характеризуется также пониженной энергоемкостью и возможностью расширения функционального назначения (измерение объема, расхода, массы жидкости). В настоящее время данный способ реализован в двух типах устройств, лабораторные испытания которых подтвердили повышение точности и надежности результатов измерения, технологичность, универсальность и высокую помехозащищенность.

Способ используется в нефтегазовой промышленности, водоснабжении и водоотведении в коммунальном хозяйстве. Способ измерения уровня жидких сред включает излучение перпендикулярно поверхности жидкости зондирующего сигнала, прием отраженного от границы раздела сред сигнала и измерение временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем. Зондирующий и отраженный сигналы канализируют в волноведущем тракте в виде продольных акустических волн, принимают эти сигналы последовательно в двух точках приема, которые располагают на фиксированном расстоянии друг от друга ниже уровня точки излучения и вне объема волноведущего тракта. Нижнюю точку приема располагают выше максимально допустимого уровня жидкости для данной емкости, а измеряемый уровень жидкости l_ж определяют по формуле l_ж=L-l₀t_x/2t₀, где L - расстояние от нижней точки приема сигналов до дна емкости, l₀ - расстояние между первой и второй точками приема сигналов, t₀ - временной интервал между приемом зондирующего сигнала в первой и второй точках, t_x -временной интервал между приемом во второй точке зондирующего и отраженного сигналов. Обеспечена высокая точность и надежность измерения уровня жидкостей в резервуарах и лотках открытого, закрытого и подземного типов, в том числе в потоке жидкости, простота в реализации, повышенная помехоустойчивостью и малая энергоемкость. 2 ил.

Способ измерения уровня жидких сред, включающий излучение перпендикулярно поверхности жидкости зондирующего сигнала, прием отраженного от границы раздела сред сигнала и измерение временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем, отличающийся тем, что зондирующий и отраженный сигналы канализируют в волноведущем тракте в виде продольных акустических волн, принимают эти сигналы последовательно в двух (первой и второй) точках приема, которые располагают на фиксированном расстоянии друг от друга ниже уровня точки излучения и вне объема волноведущего тракта, причем нижнюю (вторую) точку приема располагают выше максимально допустимого уровня жидкости (для данной емкости), а измеряемый уровень l_ж определяют по формуле
l_ж = L - l_ot_x/2t_o,
где L - расстояние от нижней (второй) точки приема сигналов до дна емкости;
l_o - расстояние между первой и второй точками приема сигналов;
t_x - временной интервал между приемом во второй точке зондирующего и отраженного сигналов;
t_o - временной интервал между приемом зондирующего сигнала в первой и второй точках приема.