РЕЗОНАНСНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2005 года по МПК G01F23/28 G01F23/296 

Предлагаемое устройство предназначено для автоматического дистанционного измерения уровней жидкостей различных типов в производственных и транспортных емкостях и может быть использовано везде, где есть резервуары с жидкостью, в частности в нефтехимической, химической, горнодобывающей и пищевой отраслях промышленности, в автомобильном, железнодорожном, водном (морском и речном) транспорте, в сельском хозяйстве и в системах водоснабжения и канализации. Резонансный акустический уровнемер содержит измерительную трубу, один электроакустический преобразователь, подключенный к генератору шумового сигнала, два микрофона, один коммутатор аналоговых сигналов, один усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), подключенный к выходу микрофона, один аналого-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, блок выделения двух максимумов функции кепстра, к выходу которого подключен блок вычисления уровня жидкости, а к его выходу подключен индикатор уровня жидкости. Повышена точность и оперативность измерения уровня жидкости за счет исключения влияния изменения скорости звука на результат измерений.

Известен акустический уровнемер (а.с. СССР N 821939, G 01 Р 23/28), содержащий измерительный и эталонный датчики, каждый из которых состоит из блока возбуждения зондирующих импульсов, усилителя, излучателя и микрофона, включенных в схему автоциркуляции, трубы эталонного датчика, снабженной фиксированным отражателем, трубы измерительного датчика, блока синхронизации, включенного между входом усилителя эталонного акустического датчика и блоком возбуждения зондирующих импульсов этого датчика. Недостатком этого уровнемера является чувствительность к акустическим шумовым помехам, снижающим точность измерений вплоть до полной потери работоспособности уровнемера в шумных помещениях. Другим недостатком уровнемера можно считать ограничение точности измерений, обусловленное импульсным характером процесса измерений, для которого характерно малое время накопления информации.

Наиболее близким к предлагаемому резонансному уровнемеру по технической сущности является акустический уровнемер (RU 2132542 С1), содержащий измерительную и компенсационную трубы, два электроакустических преобразователя, подключенных к генератору шумового сигнала, два микрофона, последовательно соединенные два предварительных усилителя, подключенные к выходам микрофонов, два аналого-цифровых преобразователя, два блока первого преобразования Фурье, два блока логарифмирования, два блока второго преобразования Фурье, два блока выделения максимума функции кепстра, к выходам которых подключен блок вычисления уровня жидкости, а к его выходу подключен индикатор уровня жидкости.

Недостатком этого уровнемера является то, что в объеме, где производятся измерения, в различных производственных процессах температура и влажность могут распределятся по высоте неравномерно. Обычно длина компенсационной трубы выбирается равной 1-му метру, а длина измерительной трубы может составлять от 5 до 15 м. Это означает, что компенсационная и измерительная трубы могут находиться в разных условиях, а следовательно, скорость звука в них будут различны, что приводит к возникновению дополнительной погрешности. Например, в емкостях с топливным мазутом, для его разжижения, мазут нагревают снизу до температуры примерно 70 градусов. Длина измерительной трубы равна 12 м. Разность температуры между нижней и верхней поверхностью емкости составляет 30-40 градусов в зависимости от внешних условий.

Целью настоящего решения является исключение влияния различий газовой среды в измерительном и компенсационном объемах и, как следствие, разной скорости звука, на результат измерения, а также повышение помехоустойчивости и надежности измерений уровня жидкости, что позволит использовать резонансный уровнемер в шумных помещениях и при быстром изменении уровня жидкости в контролируемом резервуаре.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемую конструкцию уровнемера введены коммутатор аналоговых сигналов и блок выделения двух максимумов функции кепстра, причем оба микрофона расположены вдоль измерительной трубы на фиксированном раcстоянии друг от друга и соединены со входами коммутатора аналоговых сигналов, выход блока второго преобразования Фурье соединен с входом блока выделения двух максимумов функции кепстра, выход которого соединен со входом блока вычисления уровня жидкости, а усилитель снабжен АРУ.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где представлена структурная схема резонансного акустического уровнемера, где 1 - контролируемый резервуар, 2 - контролируемая жидкость, 3 - измерительная труба, 4 - электроакустический преобразователь, 5 - генератор шумового электрического сигнала, 6 - первый микрофон, 7 - второй микрофон, 8 коммутатор аналогового сигнала, 9 - усилитель с АРУ, 10 - аналого-цифровой преобразователь, 11 - блок первого преобразования Фурье, 12 - блок логарифмирования, 13 - блок второго преобразования Фурье, 14 - блок выделения двух максимумов функции кепстра, 15 - блок вычисления уровня жидкости, 16 - индикатор уровня жидкости. При этом электроакустический преобразователь 4 подключен к выходу генератора шумового электрического сигнала 5, к выходу микрофонов 6 и 7 подключены входы коммутатора аналоговых сигналов 8, выход коммутатора подключен к входу усилителя 9 к выходу которого подключен вход аналого-цифрового преобразователя 10, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу блока первого преобразования Фурье 11, вход блока логарифмирования 12 подключен к выходу блока первого преобразования Фурье 11, вход блока второго преобразования Фурье 13 подключен к выходу блока логарифмирования 12 вход блока выделения двух максимумов функции кепстра 14 подключен к выходу блока второго преобразования Фурье 13, вход блока вычисления уровня жидкости 15 подключен к выходу блока выделения двух максимумов функции кепстра 14, а вход индикатора уровня жидкости 16 подключен к выходу блока вычисления уровня жидкости.

Работа устройства основана на том, что широкополосный шумовой акустический сигнал, излучаемый преобразователем 4, возбуждает в трубе 2 стоячие волны (резонансы) на частотах соответствующих длинам волн, кратно располагающихся в воздушной зоне трубы. Используя функцию кепстра, можно определить частоту звука, соответствующую этим стоячим волнам в любой точке воздушной зоны трубы. Расположив микрофоны 6 и 7 на точно измеренном расстоянии друг от друга h (см. чертеж), получаем два максимума функции кепстра. Первый максимум соответствует расстоянию от микрофона 6 до уровня жидкости К1, а второй расстоянию микрофона 7 до уровня жидкости К2. Частота первого максимума f1=C/2K1, второго f2=C/2K2. Используя эти частоты, выражаем C/2=f1·f2/(f1-f2) и вычисляем уровень жидкости:

M=N-h·f1/(f1-f2)

Поскольку спектр посторонних шумов лежит в том же диапазоне частоты, что и полезный шумовой сигнал, поэтому помехи не ухудшают точности измерений, а возбуждают в трубах резонансы на тех же частотах, что и полезный сигнал. Допустимая интенсивность помех ограничивается только динамическим диапазоном микрофона и усилителя. Так как в качестве усилителя применена схема с автоматической регулировкой усиления, то динамический диапазон может быть более 120 децибел. Усилитель позволяет передавать сигнал по линии связи на расстояние до нескольких километров и проводить измерения уровня жидкости дистанционно.

Так как в предлагаемой конструкции уровнемера отсутствует калибровочная труба и оба микрофона находятся в измерительной трубе на расстоянии 100 мм, то состояние газовой среды одинаково для них обоих, а компенсация изменения скорости звука осуществляется путем учета изменения положения второго максимума функции кепстра относительно первого. Повышение помехоустойчивости достигается за счет применения усителя с АРУ, что позволяет иметь динамический более чем 120 дБ. Надежность устройства повышается за счет уменьшения количества применяемых элементов, что снижает вероятность отказов.

Электроакустический преобразователь и микрофон не контактируют с контролируемой жидкостью, а трубы можно выполнить из химически стойких и термостойких материалов (нержавеющей стали, стекла, керамики), благодаря чему резонансный акустический уровнемер пригоден для контроля уровней любых жидкостей, в том числе низко- и высокотемпературных, химически-агрессивных, пожаро- и взрывоопасных и других, что обеспечивает ему широкое поле применения.

При испытаниях опытных образцов резонансного акустического уровнемера при интервалах между замерами 0,7...1 сек точность измерений уровня жидкости составляла около 1 мм или 0,1% при уровнях помех 40...120 дБ. Для сравнения укажем, что серийный отечественный акустический датчик уровня эхолокационного типа ЭХО-5 обеспечивает точность измерений 0,5...2,5% при интервалах между замерами порядка 10 сек, сохраняя работоспособность при уровне шумовых помех не выше 80 дБ.

Изобретение предназначено для автоматического дистанционного измерения уровней жидкостей различных типов в производственных и транспортных емкостях и может быть использовано везде, где есть резервуары с жидкостью. Сущность: уровнемер содержит измерительную трубу, электроакустический преобразователь, генератор шумового сигнала, два микрофона, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, блок вычисления уровня жидкости, к выходу которого подключен индикатор уровня жидкости. Кроме того, в уровнемер введены коммутатор аналоговых сигналов и блок выделения двух максимумов кепстра. Оба микрофона расположены вдоль измерительной трубы на фиксированном расстоянии друг от друга и соединены со входами коммутатора аналоговых сигналов. Выход блока второго преобразования Фурье соединен с входом блока выделения двух максимумов функции кепстра, выход которого соединен со входом блока вычисления уровня жидкости, а усилитель снабжен АРУ. Технический результат: повышение помехоустойчивости и надежности измерений уровня жидкости, что позволит использовать уровнемер в шумных помещениях и при быстром изменении уровня жидкости в контролируемом резервуаре. 1 ил.

Резонансный акустический уровнемер, содержащий измерительную трубу, электроакустический преобразователь, генератор шумового сигнала, два микрофона, последовательно соединенные усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, блок вычисления уровня жидкости, к выходу которого подключен индикатор уровня жидкости, отличающийся тем, что в него введены коммутатор аналоговых сигналов и блок выделения двух максимумов функции кепстра, причем оба микрофона расположены вдоль измерительной трубы на фиксированном расстоянии друг от друга и соединены со входами коммутатора аналоговых сигналов, выход блока второго преобразования Фурье соединен с входом блока выделения двух максимумов функции кепстра, выход которого соединен со входом блока вычисления уровня жидкости, а усилитель снабжен АРУ.