СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И МАССЫ ЖИДКИХ СРЕД В РЕЗЕРВУАРАХ Российский патент 2002 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня и массы нефтепродуктов и других жидких сред в резервуарах.

Известен объемно-массовый способ определения массы жидких сред в резервуарах, когда измеряют уровень и плотность жидкой среды и последовательно вычисляют объем и массу [Контроль количества и качества нефтепродуктов / А. М. Несговоров, Ю.А. Фролов, В.Н. Муфтахова, А.И. Буланов. Под ред. В.Ф. Новоселова. - М.: Недра, 1995. -156 с.].

Недостатком способа является значительная погрешность определения массы жидкой среды из-за невысокой точности измерения плотности, так как из-за градиента температур, всегда существующего по высоте резервуара, измеренное значение плотности отличается от средней плотности жидкой среды.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения уровня и массы жидких сред в резервуарах, когда в последний помещают ряд датчиков температуры, размещенных по высоте резервуара, и ферромагнитный волновод, контактирующий с жидкой средой по ее высоте, возбуждают в волноводе на границе раздела сред и у конца волновода, находящегося в жидкой среде, крутильные волны, принимают последние у верхнего конца волновода, находящегося в газовой среде, измеряют интервал времени между моментами регистрации крутильных волн и последовательно вычисляют уровень, среднюю температуру, разность температур между средней температурой и 20^oС, плотность, объем и массу жидкой среды [Уровенемер "Струна-М": Техническое описание и инструкция по эксплуатации. КШЮЕ 2.834.008. ТО. - Королев : ЗАО НТФ "НОВИНТЕХ", 1996. - 47 с].

Недостатком способа является значительная погрешность определения массы из-за невысокой точности измерения уровня и погрешности определения средней температуры жидкой среды. Дело в том, что с помощью датчиков температуры, размещенных по высоте резервуара (в газовой и жидкой средах), определяется не средняя температура жидкой среды, а средняя температура в резервуаре, разность между которыми может достигать 15-20^oС.

Кроме того, участки волновода, размещенного по высоте резервуара, находятся в разных температурных зонах (в газовой и жидкой средах), и поэтому скорости крутильных волн вдоль этих участков будут различными, что обусловит невысокую точность измерения уровня.

Для достижения технического результата - повышения точности измерения уровня и массы жидких сред, возбуждают крутильные волны в двух местах ферромагнитного волновода, размещенного в жидкой среде по высоте резервуара, одно - на границе раздела сред, другое - у конца, находящегося в жидкой среде, регистрируют крутильные волны у другого конца волновода, расположенного в газовой среде, измеряют интервалы времени между моментами регистрации крутильных волн, возбуждают, регистрируют и измеряют интервалы времени между моментами регистрации, так же, как и в первом волноводе, крутильные волны во втором, дополнительно устанавливаемом в резервуаре по его высоте, ферромагнитном волноводе, и последовательно вычисляют по формулам:
разность между средней температурой жидкой среды и 20^oС:

уровень
H = (t*2

-t*1)•C₂₀•[1+α₂•Δθ]
и массу жидкой среды в резервуаре
m = V(H)•ρ₂₀[1+β•Δθ],
где С₁₀ и С₂₀ - скорости крутильных волн в первом и втором волноводах при температуре 20^oС;
α₁ и α₂ - температурные коэффициенты скоростей крутильных волн первого и второго волноводов;
(t₂-t₁) и (t*₂-t*₁) - интервалы времени между моментами регистрации крутильных волн в первом и втором волноводах;
V(H) - вместимость резервуара, соответствующая уровню Н;
ρ₂₀ и β - плотность при температуре 20^oС и коэффициент объемного расширения жидкой среды,
причем возбуждение крутильных волн в волноводах осуществляют от общих источников, а материалы волноводов выбирают так, чтобы скорости и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн в них были бы различны.

При возбуждении крутильных волн в двух местах в ферромагнитных волноводах на расстояниях, соответственно равных Нm-Н (на границе раздела сред) и Нm от мест регистрации, крутильные волны достигнут последних соответственно через промежутки времени


где C_1ж = C₁₀(1+α₁•Δθ) (3)
C_2ж = C₂₀(1+α₂•Δθ) (4)
Δθ = θ_c-20^°C (5)
C₁₀≠C₂₀ (6)
a₁≠a₂ (7)
В формулах (1)-(7):
Н - уровень жидкой среды в резервуаре;
Hm - максимальный уровень;
t₁ и t₂, t*₁ и t*₂ - соответственно промежутки времени от момента возбуждения до момента прихода крутильных волн к местам регистрации для первого и второго волноводов;
C_1ж и С_1г, С_2ж и С_2г - средние скорости крутильных волн в жидкой и газовой средах для первого и второго волноводов соответственно;
С₁₀ и С₂₀, α₁ и α₂ - скорости крутильных волн при 20^oС и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн первого и второго волноводов;
θ_c - средняя температура жидкой среды;
Уравнения (1)-(7) позволяют определить разность между средней температурой жидкой среды и 20^oС

уровень
H = (t*2

-t*1)•C₂₀•[1+α₂•Δθ] (10)
и массу жидкой среды в резервуаре
m = V(H)•ρ₂₀(1+β•Δθ), (11)
где V(H) - вместимость резервуара, соответствующая уровню Н (для резервуара величина известная);
ρ₂₀ и β - плотность при температуре 20^oС и коэффициент объемного расширения жидкой среды (величины постоянные для конкретного вида жидкой среды).

Так как в уравнениях (1)-(4) C_1ж и С_2ж - средние скорости крутильных волн в участках волноводов, находящихся в жидкой среде, то на результаты измерения уровня и определения массы не будут влиять градиенты температур по высоте резервуара как в жидкой, так и в газовой средах, чем достигается технических результат.

На чертеже представлена структурная схема измерителя уровня и массы, реализующего способ.

Измеритель уровня и массы жидких сред в резервуарах содержит два одинаковых по конструкции ферромагнитных волновода 2 и 3, длиной Нm, которые размещены в резервуаре 1 рядом и контактируют с жидкой средой, уровень Н и масса m которой измеряется. Волноводы имеют общие элементы возбуждения - постоянные магниты 4 и 4*, намагниченные вдоль волноводов, причем постоянные магниты 4* размещены у концов волноводов, находящихся в жидкой среде, а постоянные магниты 4 - в поплавке 5 на границе раздела сред. Концы волноводов помещены в демпферы 7, и у тех, что расположены в газовой среде, находятся элементы регистрации 6 крутильных волн, которые являются входными преобразователями каналов приема крутильных волн.

Волноводы 2 и 3 соединены последовательно и подключены к генератору возбуждения 8.

Каждый канал приема крутильных волн содержит усилитель-формирователь 9 и формирователь временных интервалов 10. Сигналы с выходов формирователей 10 поступают в вычислительное устройство 11, в памяти которого находятся постоянные C₁₀, C₂₀, α₁ и α₂, а перед измерением заносят постоянные β и ρ₂₀.
Измеритель уровня и массы работает следующим образом.

Импульсы тока I от генератора 8 возбуждают с помощью постоянных магнитов 4 и 4* в каждом волноводе по две крутильные волны (прямой эффект Видеманна), которые последовательно регистрируются элементами 6, в последних наводятся э. д.с. в моменты времени t₁, t₂, t*₁, t*₂ прихода импульсов крутильных волн к соответствующему элементу регистрации (обратный эффект Видеманна). Эти э. д. с усиливаются и преобразуются в прямоугольные импульсы, которые поступают на входы формирователей 10 интервалов времени, с выхода которых в виде интервалов времени (t₂-t₁), и (t*₂-t*₁) поступают на входы вычислительного блока 11, где последовательно вычисляются разность температур Δθ, уровень Н и масса m жидкой среды по формулам (9)-(11).

Источники информации
1. Контроль количества и качества нефтепродуктов / А.М. Несговоров, Ю.А. Фролов, А.И Буланов. Под ред. В.Ф. Новоселова. - М.: Недра, 1995. - 156 с.

2. Уровнемер " Струна-М". Техническое описание и инструкция по эксплуатации. КШЮЕ 2.834.008.ТО. Королев: ЗАО НТФ " НОВИНТЕХ", 1996. - 47 с.

В резервуаре размещены два ферромагнитных волновода, и в каждом из них возбуждают крутильные волны в двух местах: одно - на границе раздела сред, другое - у конца, находящегося в жидкой среде, регистрируют крутильные волны у верхнего конца волновода, измеряют интервалы времени между моментами регистрации крутильных волн и по приводимым формулам последовательно вычисляют среднюю температуру, уровень и массу жидкой среды. Материалы волноводов выбирают так, чтобы скорость и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн в них были различными. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения уровня и массы жидких сред в резервуарах за счет снижения погрешностей определения средней температуры жидкой среды. 1 ил.

Способ измерения уровня и массы жидких сред в резервуарах, включающий возбуждение крутильных волн в двух местах ферромагнитного волновода, размещенного по высоте резервуара, одно - на границе раздела сред, другое - у конца, находящегося в жидкой среде, регистрацию крутильных волн у другого конца волновода, расположенного в газовой среде, и измерение интервалов времени между моментами регистрации крутильных волн, отличающийся тем, что так же, как и в первом волноводе, возбуждают и регистрируют крутильные волны во втором, дополнительно устанавливаемом в резервуаре по его высоте, ферромагнитном волноводе, измеряют интервалы времени между моментами регистрации крутильных волн и последовательно вычисляют по формулам разность температур между средней температурой жидкой среды и 20^oС

уровень
H = (t*2

-t*1)•C₂₀•[1+α₂•Δθ]
и массу жидкой среды в резервуаре
m = V(H)•ρ₂₀[1+β•Δθ],
где С₁₀ и С₂₀ - скорости крутильных волн в первом и втором волноводах при 20^oС;
α₁ и α₂ - температурные коэффициенты скоростей крутильных волн первого и второго волноводов;
(t₂-t₁) и (t*₂-t*₁) - интервалы времени между моментами регистрации крутильных волн в первом и втором волноводах;
V(H) - вместимость резервуара, соответствующая уровню Н;
ρ₂₀ и β - плотность при температуре 20^oС и коэффициент объемного расширения жидкой среды,
причем материалы волноводов выбирают так, чтобы скорости и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн в них были бы различными.