Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области акустических измерений длин и расстояний, а точнее к акустическим зондам, предназначенным для использования в устройствах определения местоположения границ раздела жидких слоев, имеющих разные плотности и разные акустические импедансы, в многослойной структуре, и может быть использовано, например, для определения толщины слоя нефтепродуктов на поверхности воды или на поверхности земли в естественных и искусственных резервуарах.
Известные акустические зонды, предназначенные для использования в устройствах определения местоположения границ раздела жидких слоев, имеющих разные плотности и разные акустические импедансы, можно разделить на две группы. К первой относятся акустические зонды, пригодные для измерений только в стационарных условиях, т.е. в искусственных резервуарах. Например, акустический зонд такого типа по заявке Англии N 2216658, 1989 г. включает датчик для излучения ультразвуковых импульсов и датчик для приема отраженных импульсов. Датчики размещены на дне измеряемого объема, при этом ультразвуковые импульсы излучаются вертикально вверх через жидкость и отражаются от ее поверхности, либо от границы раздела жидкостей. Акустический зонд, описанный в пат. США N 4748846, 1988 г., включает большое число рефлекторов, закрепленных на вертикальной опоре на различных фиксированных расстояниях от дна искусственного резервуара, и ультразвуковой приемоизлучатель, размещенный на той же опоре ниже ближайшего к дну резервуара рефлектора на известном расстоянии от дна резервуара. Акустический зонд, известный по пат. США N 5036703, 1991 г., также предназначен для определения местоположения границы раздела слоев жидкостей, содержащихся в баке, и включает ультразвуковой приемоизлучательный элемент, закрепленный на установленной на дне бака вертикально ориентированной опоре. На той же опоре на различных заданных расстояниях от излучателя дополнительно размещены ультразвуковые приемники. Время распространения отраженных сигналов сравнивают с временем распространения прямых и неотраженных сигналов, которые принимаются множеством ультразвуковых приемников.
Акустические зонды этой группы не позволяют определять местоположение границы раздела несмешивающихся жидкостей в естественных резервуарах.
Акустические зонды второй группы могут быть использованы в устройствах для определения местоположения границ раздела несмешивающихся жидкостей как в искусственных, так и в естественных резервуарах. Так, по пат. России N 2105954, 1998 г. известен акустический зонд, входящий в состав ультразвукового уровнемера двухфазных сред (нефть + вода). Акустический зонд содержит корпус в виде герметизированной трубки, в которой размещен волновод в виде ферромагнитного стержня с магнитоупругим эффектом, на который по всей длине намотана обмотка. Внутри корпуса в верхнем торце волновода размещен приемоизлучающий элемент, а в нижнем его торце установлен отражатель. Концентрично с корпусом установлены два поплавка с разным числом постоянных магнитов.
Ближайшим аналогом настоящего изобретения по решаемой задаче и совокупности сходных существенных признаков является акустический зонд для определения местоположения границ раздела жидких слоев, известный по пат. США N 5408874, 1995 г. Зонд содержит измерительную систему и поплавковую систему. Измерительная система включает акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент, размещенный с возможностью излучения сверху вниз приблизительно перпендикулярно упомянутым границам раздела. Поплавковая система включает в себя два поплавка. Первый поплавок обеспечивает размещение ультразвукового преобразователя на границе раздела газ - жидкость, а второй поплавок обеспечивает размещение рефлектора на границе раздела двух жидкостей, имеющих разную плотность. Для этого второй поплавок выполнен в виде небольшого контейнера из поливинилхлорида или другого пластичного материала, плотность которого близка к плотности более легкой жидкости. Контейнер заполнен жидкостью, имеющей меньшую плотность, что обеспечивает его плавучесть на границе раздела двух жидкостей. Рефлектор, выполненный из металлической (например, алюминиевой) фольги, размещен внутри указанного контейнера.
Основным недостатком этого акустического зонда, так же, как и акустического зонда, известного по пат. России N 2105954, является неопределенная точность измерения. Это обусловлено практической невозможностью установки второго поплавка строго на границе нефть - вода, особенно в случае, когда точно неизвестны плотности жидкостей. Кроме того, общим недостатком этих акустических зондов является то, что они пригодны лишь для ситуации весьма тонкой границы раздела между жидкостями. Если же между жидкостями существует переходный слой с переменной плотностью, то положение второго поплавка становится неконтролируемым. Кроме того, отсутствует возможность контроля погружения первого поплавка, что при неизвестной заранее плотности исследуемых нефтепродуктов может внести в измерения существенную ошибку. Следует отметить, что необходимость заполнения второго поплавка одной из жидкостей (водой) в устройстве по пат. США N 5408874 вносит дополнительную ошибку в измерение, поскольку неизвестно в каком состоянии находится вода под слоем нефти в естественных условиях. В то же время взять пробу воды из-под слоя естественных нефтепродуктов в чистом виде невозможно, можно взять лишь суспензию, что приведет к необходимости выделения воды из этой суспензии, что является достаточно сложной задачей. Дополнительным недостатком этого акустического зонда является то, что он непригоден для определения местоположения границ тонкого поверхностного слоя жидкости.
Таким образом, задачей на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка акустического зонда для определения местоположения границ раздела жидких слоев с улучшенными эксплуатационными характеристиками, характеризующегося повышенной точностью определения местоположения границ раздела жидких слоев, не требующего для своей реализации сложных технологических и конструктивных решений и позволяющего, кроме того, определять местоположение границ тонкого поверхностного слоя жидкости.
Сущность разработанного акустического зонда для определения местоположения границ раздела жидких слоев заключается в том, что он так же, как и акустический зонд, который является ближайшим аналогом, содержит измерительную систему и поплавковую систему, при этом измерительная система включает первый акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент, размещенный с возможностью излучения сверху вниз приблизительно перпендикулярно упомянутым границам раздела.
Новым в разработанном акустическом зонде является то, что измерительная система снабжена вторым высокочастотным приемоизлучающим элементом, который размещен с возможностью излучения в направлении свободной границы раздела и противоположном направлению излучения первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента. При этом центры масс измерительной системы и поплавковой системы совпадают, а плоскости, в которых лежат апертуры первого и второго приемоизлучающих элементов, находятся на заданном расстоянии.
В частном случае первый акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент размещен в корпусе, а поплавковая система размещена вне этого корпуса и механически соединена с ним.
В другом частном случае второй акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент размещен в другом корпусе, который механически соединен с поплавковой системой.
В конкретной реализации корпус второго акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента механически соединен с нижней частью корпуса первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента.
В другой конкретной реализации поплавковая система снабжена по меньшей мере одним плечом, в дистальном конце которого размещен уравновешивающий балласт.
В другом частном случае упомянутое плечо механически соединено с нижней частью корпуса первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента.
В другом частном случае упомянутое плечо механически соединено с поплавковой системой.
В конкретной реализации по меньшей мере один поплавковый элемент поплавковой системы прилегает к корпусу первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента.
В другой конкретной реализации по меньшей мере один поплавковый элемент поплавковой системы пространственно разнесен с корпусом первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента.
В другой конкретной реализации поплавковый элемент, пространственно разнесенный с корпусом первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента, размещен на дистальном конце соответствующей штанги и скреплен с корпусом первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента посредством указанной штанги.
В другой конкретной реализации поплавковый элемент, пространственно разнесенный с корпусом первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента, механически соединен с первым поплавковым элементом.
Целесообразно выполнить акустический зонд снабженным датчиком температуры, размещенным на внутренней стенке первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента.
Целесообразно также выполнить акустический зонд снабженным датчиком волнения, размещенным внутри первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента.
В другом частном случае корпус первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента и поплавковая система выполнены с возможностью взаимного перемещения в направлении, перпендикулярном границам раздела жидких слоев.
В конкретной реализации поплавковая система механически соединена с корпусом первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента через фиксирующий элемент.
Целесообразно выполнить упомянутый корпус цилиндрическим.
В разработанном акустическом зонде для определения местоположения границ раздела жидких слоев реализовано два вида локации: локация с поверхности верхнего слоя с помощью первого высокочастотного приемоизлучающего элемента и локация поверхностных слоев из глубины жидкости с помощью второго высокочастотного приемоизлучающего элемента. Локация поверхностных слоев из глубины жидкости позволяет с высокой точностью определять местоположение границ тонкого поверхностного слоя, поскольку второй приемоизлучающий элемент не возмущает исследуемый слой. Наличие жесткой базы между указанными апертурами, т.е. расположение апертур первого и второго приемоизлучающих элементов в плоскостях, находящихся на заданном расстоянии, позволяет определить глубину погружения первого приемоизлучающего элемента, избежать ошибки, связанной с его погружением, и повысить, тем самым, точность измерений. Совпадение центров масс измерительной системы и поплавковой системы обеспечивает балансировку акустического зонда, что, в свою очередь, обеспечивает надежный прием отраженных от границ раздела акустических импульсов. Достоинством разработанного акустического зонда является также то, что в нем предусмотрена возможность регулировки степени погружения первого приемоизлучающего элемента, что позволяет и обеспечить акустический контакт апертуры приемоизлучающего элемента с исследуемым слоем жидкости. Это обеспечивается выполнением измерительной и поплавковой систем с возможностью взаимного перемещения в направлении, перпендикулярном границам раздела жидких слоев. Наличие датчика волнения позволяет избежать ошибок измерения, связанных с волнением свободной границы, а наличие датчика температуры позволяет вводить в измерения поправки, связанные с зависимостью скорости звука в исследуемом слое от температуры. Таким образом разработанный акустический зонд обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками, по сравнению с известными акустическими зондами, предназначенными для определения местоположения границ раздела жидких слоев. Конкретные виды и формы выполнения измерительной и поплавковой систем характеризуют изобретение в частных конкретных случаях его выполнения. Выбор той или иной формы выполнения измерительной и поплавковой систем определяется технологической целесообразностью.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение в сечении одного из вариантов разработанного акустического зонда для определения местоположения границ раздела жидких слоев.
Фиг. 2, 3 иллюстрируют различные варианты крепления поплавковой и измерительной систем при выполнении поплавковой системы в виде одного поплавкового элемента.
На фиг. 3 показан один из вариантов выполнения поплавковой системы разработанного акустического зонда.
На фиг. 4, 5 представлены варианты акустического зонда, в которых поплавковая система включает два поплавковых элемента и уравновешивающий балласт.
На фиг. 6 представлен вариант акустического зонда, в котором поплавковая система включает один поплавковый элемент и уравновешивающий балласт.
Фиг. 7 иллюстрируют вариант разработанного акустического зонда, в котором поплавковая система включает три поплавковых элемента.
Акустический зонд для определения местоположения границ раздела 1 жидких слоев по фиг. 1 содержит измерительную систему 2 и поплавковую систему 3. Поплавковая система 3 включает один поплавковый элемент 4. Измерительная система 2 включает первый акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент 5, размещенный с возможностью излучения сверху вниз приблизительно перпендикулярно границе раздела 1. Измерительная система 2 включает также второй высокочастотный приемоизлучающий элемент 6, который размещен с возможностью излучения в направлении свободной границы раздела 7, которой является граница раздела между воздухом и верхним слоем жидкости, и противоположном направлению излучения первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5. Центры масс измерительной системы и поплавковой системы совпадают, а плоскости 8, 9, в которых лежат, соответственно, апертуры 10, 11 первого 5 и второго 6 приемоизлучающих элементов, соответственно, находятся на заданном расстоянии D. Первый акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент 5 размещен в корпусе 12, а поплавковая система 3 размещена вне корпуса 12 и механически соединена с ним, например, штангой 13. Второй акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент 6 размещен в другом корпусе 14, который механически соединен с поплавковой системой 3. В конкретной реализации по фиг. 1 заданное расстояние D между плоскостями 8, 9 обеспечивается с помощью штанги 15, соединяющей корпус 14 с поплавковой системой 3.
Акустический зонд по фиг. 2 также содержит измерительную систему 2 и поплавковую систему 3, включающую один поплавковый элемент 4. В этой конкретной реализации корпус 14 второго акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 6 механически соединен с помощью штанги 16 с нижней частью 17 корпуса 12 первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5. Поплавковая система 3 соединена с корпусом 12 штангой 13.
На фиг. 3 изображена поплавковая система 3, выполненная в виде одного поплавкового элемента 4, который прилегает к корпусу 12 первого акустического высокочастотного премоизлучающего элемента 5.
Конкретная реализация поплавковой системы 3, изображенная на фиг. 4, включает два поплавковых элемента 4 и снабжена плечом 18, в дистальном конце которого размещен уравновешивающий балласт 19. Плечо 18 механически соединено, например, с помощью сварного соединения, с нижней частью 17 корпуса 12 первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5. В этой реализации поплавковые элементы 4 пространственно разнесены с корпусом 12 первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5, при этом каждый из поплавковых элементов 4 размещен на дистальном конце соответствующей штанги 20 и скреплен с корпусом 12 первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5 посредством указанной штанги 20.
Конкретная реализация акустического зонда, изображенная на фиг. 5, также включает два поплавковых элемента 4, пространственно разнесенных с корпусом 12 первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5, при этом плечо 18, в дистальном конце которого размещен уравновешивающий балласт 19, механически соединено с одним из поплавковых элементов 4.
В конкретной реализации акустического зонда по фиг. 6 поплавковая система 3 содержит один поплавковый элемент 4, который соединен с уравновешивающим балластом 19 с помощью плеча 18, а с помощью штанги 13 с корпусом 12 первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5.
В акустическом зонде, изображенном на фиг. 7, поплавковая система 3 содержит три поплавковых элемента 4. Внутри корпуса 12 размещены датчик волнения 21 и датчик температуры 22. Корпус 12 первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5 и поплавковая система 3 выполнены с возможностью взаимного перемещения в направлении, перпендикулярном границам раздела 1 жидких слоев, что обеспечивается тем, что поплавковая система 3 механически соединена с корпусом 12 через фиксирующий элемент 23.
Совпадение центров масс измерительной системы 2 и поплавковой системы 3 обеспечивается балансировкой и последующей калибровкой до начала работы с акустическим зондом. Калибровка может быть проведена следующим образом. Устанавливают акустический зонд в испытательном бассейне, который имеет свободную границу (границу воздух - жидкость) и жесткую границу (границу жидкость - дно бассейна), и контролируют параллельность излучающих апертур 10 и 11 свободной и жесткой границам. Параллельность определяют по максимуму амплитуд отраженных от границ импульсных сигналов, излученных апертурами 10 и 11. Геометрические размеры испытательного бассейна определяются параметрами акустической системы.
Поплавковые элементы 4 могут быть выполнены, например, из пенопласта с соответствующим покрытием, не взаимодействующим с окружающей средой, например с лакокрасочным.
В качестве первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5 и второго акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 6 могут быть использованы демпфированные пьезокерамические пластины. Толщины пьезокерамических пластин определяются выбранными частотами элементов 5 и 6, при этом желательно, чтобы частота излучения второго акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 6 превышала частоту излучения первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5. Добротность пьезокерамических пластин, которая связана со степенью демпфирования, определяется заданной точностью измерений и толщиной измеряемых слоев. Например, в конкретной реализации приемоизлучающий элемент 5 работает на частоте 2,5 МГц, а приемоизлучающий элемент 6 работает на частоте 5,5 МГц, при этом добротность элементов 5 и 6 не превышает трех.
Корпус 12, корпус 14, штанги 13, 15, 16 и 20, плечо 18 и уравновешивающий балласт 19 могут быть выполнены из легкого металлического сплава, например алюминиевого.
В качестве датчика волнения 21 может быть использована микросхема типа ADXL05.
В качестве датчика температуры 22 может быть использована микросхема типа TMP36FT9.
Корпус 12 может иметь цилиндрическую форму, а в качестве фиксирующего элемента 23 может быть использован хомут.
Разработанный акустический зонд для определения местоположения границ раздела жидких слоев по фиг. 1 работает следующим образом.
Устанавливают предварительно откалиброваннный акустический зонд на свободной границе 7, например на поверхности слоя нефти, разлитой на водной поверхности. Первый акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент 5 и второй акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент 6, возбуждаемые электрическими импульсами, сформированными задающим генератором (на чертеже не показан), излучают акустические импульсы. При этом первый акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент 5 излучает акустические импульсы в направлении сверху вниз приблизительно перпендикулярно границам раздела исследуемых слоев, а второй акустический высокочастотный приемоизлучающий элемент 6 излучает акустические импульсы в направлении свободной границы раздела 7 и противоположном направлению излучения первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5. Прием соответствующих акустических импульсов, отраженных от границ раздела 1 и 7, осуществляется первым и вторым акустическими высокочастотными приемоизлучающими элементами 5 и 6. Толщины исследуемых слоев определяются по временным задержкам между излученными и принятыми акустическими импульсами. По получаемым временным задержкам можно определить толщины исследуемых слоев, как весьма тонких (порядка миллиметра), так и значительной толщины (до 1 м). Ниже рассмотрена работа акустического зонда при различных толщинах исследуемых жидких слоев.
В случае, когда верхним слоем жидкости является тонкий слой, возможна ситуация, когда плоскость 8, в которой находится апертура 10, расположена ниже границы раздела 1 или находится в "мертвой зоне" первого акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 5. В этой ситуации толщина верхнего слоя определяется с помощью второго акустического высокочастотного приемоизлучающего элемента 6.
В случае, когда верхний слой жидкости имеет значительную толщину, превышающую мертвую зону элемента 5, а граница 1 находится выше мертвой зоны элемента 6, толщина верхнего слоя может быть определена как с помощью элемента 5, так и с помощью элемента 6. Однако точность прямых измерений с помощью элемента 6 выше точности прямых измерений с помощью элемента 5, поскольку элемент 6 находится вне измеряемого слоя жидкости.
В случае, когда верхний слой жидкости имеет значительную толщину, а граница 1 находится ниже мертвой зоны элемента 6, толщина верхнего слоя определяется с помощью элемента 5. При этом высокая точность измерений обеспечивается независимым измерением глубины погружения элемента 5 в исследуемый слой жидкости. Для этого используется временная задержка между моментом излучения акустического импульса элементом 6 и моментом приема элементом 6 того же импульса после отражения от границы 7 с учетом заданного расстояния D между плоскостями 8, 9, в которых лежат апертуры 10, 11.
В случае существования нескольких жидких слоев измерение их толщин производится аналогичным образом. При этом учитывается число отражений акустических импульсов, излученных элементами 5 и 6, от границ раздела слоев.
Варианты акустического зонда, изображенные на фиг. 2 - фиг. 6, отличаются конструктивным выполнением поплавковой системы 3 и работают аналогичным образом.
Акустический зонд по фиг. 7 работает аналогично акустическому зонду по фиг. 1. В этом варианте измерительная и поплавковая системы, 2, 3, соответственно, выполнены с возможностью взаимного перемещения в направлении, перпендикулярном границам раздела жидких слоев. В конкретной реализации по фиг. 7 эта возможность обеспечивается фиксирующим элементом 23, позволяющим изменять положение поплавковой системы 3 относительно измерительной системы 2. Это дает возможность регулировать степень погружения элемента 5 и обеспечить акустический контакт апертуры 10 с исследуемым слоем жидкости. Акустический зонд содержит также датчик 21, который позволяет избежать ошибок измерения, связанных с волнением свободной границы 7. Датчик 22 позволяет вводить в измерения поправки, связанные с зависимостью скорости звука в исследуемом слое от температуры.
Акустический зонд используется для определения границ раздела жидких слоев, например границ слоя нефти, разлитой на водной поверхности, и определения местоположения границ тонкого поверхностного слоя жидкости. Зонд содержит измерительную и поплавковую системы, центры масс которых совпадают. Измерительная система включает два высокочастотных приемоизлучающих элемента, апертуры которых расположены в плоскостях, размещенных на заданном расстоянии. С помощью одного из приемоизлучающих элементов реализуется локация с поверхности верхнего слоя, а с помощью другого высокочастотного приемоизлучающего элемента реализуется локация из глубины жидкости. Достоинством разработанного акустического зонда является то, что в нем предусмотрена возможность регулировки степени погружения приемоизлучающего элемента, расположенного на поверхности верхнего слоя жидкости, что позволяет обеспечить акустический контакт апертуры этого приемоизлучающего элемента с исследуемым слоем жидкости. Наличие датчика волнения позволяет избежать ошибок измерения, связанных с волнением свободной границы, а наличие датчика температуры позволяет вводить в измерения поправки, связанные с зависимостью скорости звука в исследуемом слое от температуры. Предложен ряд вариантов выполнения измерительной и поплавковой систем. Повышена точность измерения. 15 з.п.ф-лы, 7 ил.
| US 5408874 A, 25.04.1995 | |||
| Ультразвуковое устройство для измерения уровня поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей | 1986 |
|
SU1500842A1 |
| JP 08014990 B4, 19.01.1996. | |||
