Устройство для ультразвукового контроля параметров состава нефтепродуктов, перекачиваемых по трубопроводу Советский патент 1991 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения физико-химических свойств жидких сред, в частности нефтепродуктов при их транспортировании по трубопроводным коммуникациям.

Цель изобретения - повышение достоверности контроля за счет повышения чувствительности и помехозащищенности.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для ультразвукового контроля параметров состава нефтепродуктов, перекачиваемых по трубопроводу; на фиг.2 - функциональная схема блока автоподстройки скважности импульсов; на фиг.З - схема амплитудного детектора с управляемым коэффициентом передачи; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит приемный 1 и излучающий 2 пьезоэлементы, размещаемые с противоположных сторон наружной поверхности трубопровода 3, высокочастотный усилитель 4, временный селектор 5, амплитудный детектор 6 с управляемым коэффициентом передачи, управляемый усилитель 7 видеоимпульсов, таймер 8, блок 9 автоподстройки скважности импульсов, источник 10 питания, блок 11 автоматической регулировки усиления (АРУ), задатчик 12 задержки АРУ, блок 13 сопряжения, элемент 14 задержки, генератор 15 мощных импульсов, генератор 16 стартовых импульсов, блок 17 слежения за периодом круговой частоты, линию 18 связи и регистратор 19, состоящий из последовательно соединенных преобразователя 20 частоты в напряжение и самописца 21. Блок 13 сопряжения состоит из последовательно соединенных преобразователя 22 формы импульсов, усилителя 23 низкой частоты и выходного трансформатора 24.

Приемный пьезоэлемент 1 подсоединен своим выходом к информационному входу высокочастотного усилителя 4, выход которого подключен к последовательно соединенным временному селектору 5, амплитудному детектору 6 с управляемым коэффициентом передачи, управляемому усилителю 7 видеоимпульсов и таймеру 8. Блок 9 автоподстройки скважности импульсов подключен первым выходом к управляющему входу таймера 8, первым входом - к плюсовому выводу источника 10 питания, вторым входом - к выходу таймера 8 и вторым выходом - к входу задатчика 12 АРУ, выход которого соединен с входом блока 11 АРУ. Блок 11 АРУ подсоединен вторым входом к выходу временного селектора 5,

третьим входом - к выходу таймера 8 и выходом - к первому управляющему входу высокочастотного усилителя 4. Выход таймера 8 соединен с входом блока 13 сопряжения,

с первым входом генератора 15 мощных импульсов и с входом элемента 14 задержки, выход которого подключен к второму управляющему входу высокочастотного усилителя 4 и к управляющим входам временного

0 селектора 5, амплитудного детектора 6 и управляемого усилителя 7 видеоимпульсов. Блок 13 сопряжения подключен первым выходом к входу преобразователя 20 частоты в напряжение регистратора 19 и вторым вы5 ходом к входу блока 17 слежения за периодом круговой частоты, выход которого соединен с входом генератора 16 стартовых импульсов, подсоединенного выходом к второму управляющему входу генератора

0 15 мощных импульсов, выход которого соединен с излучающим пьезоэлементом 2.

Блок 9 автоподстройки скважности импульсов содержит (фиг.2) два преобразователя 25 и 26 длительности импульсов в

5 напряжение, сумматор 27 и элемент 28 с управляемым сопротивлением, выход которого является первым выходом блока 9. пер- вый вход - первым входом блока 9. Преобразователи 25 и 26 длительности им0 пульсов в напряжение, входы которых являются вторым входом блока 9, подсоединены своими выходами к соответствующим входам сумматора 27, выход которого соединен с вторым входом элемента 28 с управляе5 мым сопротивлением.

Амплитудный детектор 6 с управляемым коэффициентом передачи состоит (фиг.З) из диода 29, резистора 30 нагрузки детектора, последовательно соединенных раздели0 тельного конденсатора 31 и варикапа 32, подключенных к выводам резистора 30 нагрузки детектора, резистора 33 цепи управления емкостью варикапа и резистора 34 установки емкости С0 варикапа 32.

5 Приемный 1 и излучающий 2 пьезоэлементы образуют датчик. Блоки 4-17 образуют передающий преобразователь, который вместе с датчиком входят в состав трубопровода контрольного пункта.

0 Устройство работает следующим образом.

После включения источника 10 питания передающий преобразователь находится в состоянии паузы, и на первом выходе вы5 ходного трансформатора 24 информационный сигнал отсутствует. При этом на входе блока 17 слежения за периодом круговой частоты, выполненного в виде амплитудно.- го детектора, информационный сигнал с частотой автоциркуляции импульсов в

электроакустической схеме отсутствует. На выходе блока 17 устанавливается сигнал низкого уровня. Это является условием разрешения запуска генератора 16 стартовых импульсов, который растормаживается и переходит в режим самовозбуждения. Стартовые импульсы с частотой следования около 10 Гц поступают на второй вход генератора 15 мощных импульсов и принуждают его вырабатывать короткие импульсы (фиг.4а), поступающие на излучающий пье- зоэлемент 2.

Пройдя через контролируемую среду (нефтепродукт), находящуюся в трубе 3, уль- тразвукопой импульс принимается приемным пьезоэлементом 1 (фиг.4б), усиливается высокочастотным усилителем 4 (фиг.4в). поступает на информационный вход временного селектора 5, проходит через него и затем поступает на информационный вход амплитудного детектора 6 с управляемым коэффициентом передачи. Поскольку строб- импульс еще не выработан, то поступающий на амплитудный детектор 6 сигнал трансформируется следующим образом.

Первоначально фронтальная часть ультразвукового импульса детектируется амплитудным детектором 6 с высоким коэффициентом передачи, так как постоянная времени RC-цепи его нагрузки (фиг.З), состоящей из резистора 30 и суммарной емкости, составленной из последовательно включенных разделительного конденсатора 31 и емкости Со запертого варикапа 32, мала (фиг.4г). Огибающая переднего фронта при этом отслеживается с малой погрешностью и без провалов между полуволнами напряжения резонансной частоты приемного пье- зоэлемента.

С выхода амплитудного детектора 6 продетектированный ультразвуковой импульс поступает на информационный вход управляемого усилителя 7 видеоимпульсов, где он подвергается усилению и ограничению по амплитуде (фиг.4д). При этом формируется крутой передний фронт видеоимпульса, длительность которого становится соизмеримой с 1 /4 периода колебаний резонансной частоты приемного пьезоэлемента 1. В случае использования пьезопластины с резонансной частотой 1 мГц длительность переднего фронта составляет 0,25 мкс (фиг.4д). При достижении видеоимпульсом определенной величины на первом (запускающем) входе таймера 8 происходит его запуск.

Таймер 8 вырабатывает прямоугольный импульс, первоначальная длительность которого задается некоторой первоначальной величиной сопротивления резистивного

элемента 28 (фиг.2), определяемой условием работы устройства на наименьшем рабочем диаметре контролируемого трубопровода и при контроле нефтепро- 5 дукта с наибольшей скоростью распространения ультразвука. Так, например, при одном из контролируемых наименьших диаметров трубопровода в трубопроводной коммуникации (Dy150 мм) и контролируе- 10 мом нефтепродукте с наибольшей скоростью распространения ультразвука около 1450 м/с типа дизельное топливо задают наименьшую длительность импульса таймера 8 до воздействия на него управляющего 5 сигнала с блока 9 около 50 мкс, т.е. несколько меньшую половины периода наивысшей круговой частоты на этом диаметре.

С выхода таймера 8 прямоугольный импульс поступает на первый управляющий

0 вход генератора 15 мощных импульсов (фиг.4е) и передним фронтом запускает его. Последний вырабатывает короткий мощный импульс, поступающий на излучающий пье- зоэлемент 15. Очередной принятый прием5 ным пьезоэлементом 1 ультразвуковой импульс повторяет описанный процесс запуска, а электрическая схема устройства переходит в кольцевой режим автозапуска с периодом Тек (фиг.4а).

0Одновременно с этим прямоугольный

импульс с выхода таймера 8 поступает на вход элемента 14 задержки, где подвергается интегрированию, после чего этот импульс приобретает форму, близкую к параболиче5 ской (фиг.4ж). Длительность задержки элементом 14 осуществляется выбором постоянной интегрирующего RC-звена Задержанный импульс параболической формы с выхода элемента 14 задержки поступает

0 на второй управляющий вход управляемого высокочастотного усилителя 4 и на управляющие входы временного селектора 5, амплитудного детектора 6 с управляемым коэффициентом передачи и управляемого

5 усилителя 7 видеоимпульсов.

Прямоугольный импульс с выхода таймера 8 поступает на второй вход блока 9 автоподстройки скважности импульсов. Преобразователь 25 длительности импульса

0 в напряжение (фиг 2), выполненный в виде диодно-конденсаторного частотомера, преобразует площадь положительного импульса в напряжение постоянного тока с положительной полярностью, а преобразо5 ватель 26, аналогично преобразователю 25, преобразует площадь отрицательного импульса в напряжение постоянного тока с отрицательной полярностью.

В начальный период установления круговой частоты длительность положительного импульса много меньше длительности отрицательного импульса в периоде круговой частоты, и площади положительных и отрицательных импульсов соответственно не равны. Это приводит к тому, что напряжение на выходе преобразователя 25 будет существенно меньше напряжения на выходе преобразователя 26.

При поступлении указанных неравных напряжений с положительным и отрицательным знаками на первый и второй входы сумматора 27 его выходной сигнал будет представлен алгебраической суммой этих напряжений, т.е. на выходе сумматора 27 будет преобладать разностный сигнал с отрицательным знаком. При его поступлении на вход элемента 28 с управляемой резм- стивностью (на затвор полевого транзистора определенного типа) сопротивление его возрастает. Поскольку канал транзистора резистивного элемента 28 включен между вторым (времязадающим) входом таймере 17 и плюсовым выводом источника 10 питания, то длительность положительного импульса на выходе таймера 8 начнет увеличиваться. Соответственно этому начнет уменьшаться длительность отрицательного импульса в периоде круговой частоты на выходе таймера 8. При этом длительности положительного и отрицательного импульсов начнут выравниваться и соответственно этому будут выравниваться выходные напряжения преобразователей 25 и 26 (фиг.2).

Разностный сигнал на выходе сумматора 27 будет стремиться к некоторому минимальному значению, которое, воздействуй на вход резистивного элемента 28, установит такую величину сопротивления, которая, управляя времязадающей цепью таймера 8, обеспечит его выходной сигнал скважностью импульсов круговой частоты, близкой к 0,5 периода (типа меандр).

Одновременно сигнал с выхода таймера 8 с формой импульсов типа меандр поступг- ет на вход преобразователя 22 формы импульсов блока 13 сопряжения с кабелем связи, выполненного в виде интегрирующего звена. Сигнал прямоугольной формы преобразователем 22 преобразуется в сигнал той же частоты, но квазисинусоидэльной формы, который поступает на вход низкочастотного усилителя 23, усиливается и поступает на выходной трансформатор 24, с первого выхода которого поступает на кабель 18 связи, а с второго выхода - на вход блока 17(фиг,4и).

На выходе блока 17 возникает сигнал высокого уровня, который запирает генератор 16 стартовых импульсов. Генератор 16

переходит а за торможенное состояние, прекращает подачу стартовых импульсов на второй управляющий вход генератора 15 мощных мнпульсов, чем перестает влиять на

работу передающего преобразователя в режиме «ругозой частоты,

В случае прерывания работы устройства в режиме круговой частоты запуска, например, при прохождении по трубопроводу

0 средства зачистки либо газо-воздушного включения генератор 16 вновь растормаживается л производит запуск электроакустической схемы устройства.

При поступпении прямоугольных им5 пульсов с выхода таймера 8 на вход элемен та 14 задержки его выходной сигнал (фиг.4ж) производит одновременное стрсбирование подключенных к его выходу блоков 4-7, обеспечивая следующие воздействия:

0 регулирование коэффициента усиления высокочастотного усилителя 4 внутри каждого периода следования импульсов круговой частоты (фиг.4з);

управление работой временного селек5 тора 5, заключающейся в селекции прохождения последующей части ультразвукового сигнала после запуска таймера 8 и уменьшения прохождения реверберациоиных шумов акустического траста;

0 организацию работы амплитудного де- гекторз б за сче управления величиной емкости Bspii: ana 32 через резистор 33 управления при подаче положительного сгроб-1 мпульса из поедварительно сме5 щенный обратным напряжением варикап 32 через резистор 3-1 г ещения, обеспечивающую высокую чувствительность и точность при детектировании фронта импульса и низкую чувствительность последующей его ча0 сти (фиг.4г);

управление коэффициентом усиления управляемого усилителя 7 видеоимпульсов, обеспечивающее более резкий спчд заднего фронта видеоимпульса.

Ј Указанные воздействия и манипуляции с сигналом обеспечивают мягкое, без резких возмущений управление работой блоков устройств, что повышает помехозащищенность устройства.

0 При прохождении по трубопроводу некоторых контактов нефтепродуктов с большим (либо с меньшим) рассеянием ультразвуковой энергии в среде на второй вход блока 11 АРУ поступает соответствую5 щий сигнал с выхода временного селектора 5, На третий вход блока 11 АРУ с выхода таймера 8 поступают прямоугольные импульсы, положительная полярность которых в течение периода следования импульсов круговой частоты отпирает блок 11 АРУ.

На первый вход блока 11 АРУ поступает напряжение задержки, величина которой формируется задатчиком 12 АРУ. Уровень заданной задержки от задатчика 12 автоматически перестраивается на необходимое значение с учетом работы на различных диаметрах труб, а также с учетом меняющейся плотности перекачиваемых сортов нефтепродуктов.

При работе устройств на трубах с мень- шим диаметром соответственно уменьшается величина акустической базы датчика, что вызывает меньшие потери ультразвуковой энергии в контролируемой среде. При этом для устойчивости работы схемы необ- ходимо уменьшить усиление высокочастотного усилителя 4. При контроле нефтепродуктов с большей плотностью наблюдаются меньшие потери ультразвуковой энергии в акустическом тракте, что также требует меньшего коэффициента усиления высокочастотного усилителя 4. Соединение входа задатчика 12 задержки АРУ с вторым выходом блока 9 автоподстройки скважности импульсов (с выходом преобра- зователя 25), выходное напряжение которого зависит также и от частоты следования импульсов в электроакустической схеме устройства, обеспечивает автоматическую корректировку уровня задаваемой задерж- ки.

С выхода блока 11 АРУ управляющее напряжение в виде выпрямленных импульсов ультразвукового сигнала с учетом рабочего диаметра контролируемой трубы, плотности транспортируемого по ней нефтепродукта, а также с учетом прохождения различных неоднородностей, вызывающих увеличенное рассеяние ультразвуковой энергии, поступает на первый управляющий вход высокочастотного усилителя 4, обеспечивая необходимый коэффициент его усиления (фиг.4з поле влияния АРУ).

В процессе эксплуатации при ремонте, либо замене передающего преобразовате- ля блок 9 автоматически производит подстройку скважности импульсов до величины 0,5 периода круговой частоты.

Сигнал с выхода передающего преобразователя (с выхода блока 13 сопряжения) по кабелю 18 связи поступает на вход регистратора 19. С выхода преобразователя 20 сигнал в виде напряжения постоянного тока соответствующей величины поступает на самописец 21, который регистрирует конт- ролируемую зону контакта между транспортируемыми партиями нефтепродуктов в виде графика на диаграммной ленте.

При прохождении по трубопроводу зоны смеси нефтепродуктов, содержащей некоторый объем газовоздушных включений, может произойти существенное уменьшение величины ультразвукового импульса на выходе приемного пьезоэлемента 1. При этом, если имеющийся запас по коэффициенту усиления высокочастотного усилителя 4 еще не исчерпан и величина видеоимпульса на выходе управляемого усилителя 7 еще достаточная для запуска таймера 8, то вносимая задержка в длительность переднего фронта видеоимпульса мала и меняется плавно.

Если запас по коэффициенту усиления высокочастотного усилителя 4 достигнет нижнего предела устойчивости работы на круговой частоте, то вносимая задержка длительности может дополнительно увеличится на 1-2 периода резонансной частоты приемного пьезоэлемента 1, т.е. увеличение задержки в этой части схемы имеет дискретный характер (фиг.4в). Однако увеличение длительности переднего фронта видеоимпульса по-прежнему плавное. Это объясняется тем, что видеоимпульс формируется на основе продетектированного ультразвукового импульса без провалов напряжения между полуволнами в периоде резонансной частоты приемного пьезоэлемента 1 (фиг.4г). Вместе с этим точность отслеживания огибающей продетектированного импульса обеспечивает получение крутого переднего фронта видеоимпульса. Достигается это тем, что при детектировании фронта ультразвукового импульса задается высокий коэффициент передачи амплитудного детектора 6 за счет установки минимальной емкости Со варикапа 32. Емкость Со задается обратно-смещенным состоянием варикапа 32 подачей через резистор 34 смещающего напряжения от минусового вывода источника 10 питания (фиг.4д, штриховая линия).

Это обеспечивает минимальную величину флуктуации фронта сигнала при запуске таймера 8 несмотря на существенные изменения величин затухания ультразвуковых волн в зоне смеси нефтепродуктов, обусловленных неоднородностями среды.

Рассмотрим работу амплитудного детектора 6 при детектировании последующей части ультразвукового импульса в режиме работы с низким коэффициентом передачи. Сигнал на управляющем входе амплитудного детектора б, поступающий с выхода элемента 14 задержки, достигает некоторого значения (фиг.4ж, т.1). Нарастающая величина управляющего напряжения, поступающего на варикап 32 через резистор 33, суммируется с напряжением смещения, задаваемого через резистор 34, При

этом происходит плавное уменьшение об- ратно-смещенного состояния варикапа 32 и вследствие этого соответствующее увеличение его рабочей емкости. В результате суммарная величина емкости двух последовательно соединенных емкостей 31 и 32 возрастает. Постоянная времени нагрузки амплитудного детектора 6 также возрастает, что приводит к уменьшению его коэффициента передачи.

На фиг. 4в (т.1) изображена импульсная помеха в периоде круговой частоты. На фиг,4г (т.1) изображена эта же импульсная помеха на выходе амплитудного детектора 6 при детектировании последующей части ультразвукового импульса с низким коэффициентом передачи.

К моменту прихода очередного ультразвукового импульса круговой частоты амплитудный детектор 6 успевает восстанавливать первоначально необходимый высокий коэффициент передачи, так как амплитуда управляющего стробирующего импульса на выходе элемента 14 задержки в этот момент времени близка к нулю. Таким образом, управляя коэффициентом передачи амплитудного детектора 6, обеспечивается регулируемое детектирование огибающей ультразвукового импульса в пе- | риоде круговой частоты и ослабление дейст- вия реверберацйонных шумов акустического тракта, уменьшается поле разброса при запуске (фиг.4е, Ат) таймера 8 в условиях контроля среды со значительными неоднородностями. Вместе с этим, выходной сигнал со скважностью Q 2 с выхода таймера 8 при контроле любого рабочего диаметра труб и любого из контролируемых нефтепродуктов обеспечивает эффект самоподстройки схемы устройства под указанные изменения, что создает условие симметрии при формировании информативного сигнала, поступающего в линию 18 связи.

Использование изобретения позволяет повысить достоверность контроля за счет повышения чувствительности и помехозащищенности, при этом снижаются затраты на индивидуальную настройку передающего преобразователя под конкретный типоразмер контролируемых труб при его изготовлении, на текущий (обезличенный ремонт в условиях эксплуатации, обеспечивающий взаимозаменяемость отремонтированных передающих преобразователей при работе с разнотрубными датчиками, установленными во многих точках трассы многое от километрового разветвленного трубопровода. Сокращаются потери нефтепродуктов от возможной пересортицы при

раскладке по резервуарам нефтебазы вследствие уменьшения времени нахождения основного технологического оборудования без средств технологического контроля на период ремонта устройства.

Формула изобретения 1. Устройство для ультразвукового контроля, параметров состава нефтепродуктов,

перекачиваемых по трубопроводу, содержащее предназначенные для размещения с противоположных сторон наружной поверхности трубопровода приемный и излучающий пьезозлементы, временной селектор,

таймер, блок задержки, генератор мощных импульсов, блок слежения за периодом круговой частоты, генератор стартовых импульсов, регистратор, состоящий из последовательно соединенных преобразователя частоты в напряжение и самописца, источник питания, линию связи и высокочастотный усилитель, подключенный информационным входом к выходу приемного пьезоэлемента, а выходом - к информационному входу временного селектора, выход таймера соединен с входом блока задержки и с первым входом генератора мощных импульсов, выход которого подключен к излучающему пьезоэлементу, выход блока

задержки соединен с управляющим входом временного селектора, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности контроля, оно снабжено амплитудным детектором с управляющим коэффициентом

передачи, управляемым усилителем видеоимпульсов, блоком автоматической регулировки усиления, задатчиком задержки автоматической регулировки усиления, блоком сопряжения и блоком автоподстройки

скважности импульсов, подключенным первым входом к плюсовому выводу источника питания, вторым входом - к выходу таймера, первым выходом - к управляющему входу таймера, вторым - к входу задатч ка задержки автоматической регулировки усиления, выход которого соединен с первым входом блока автоматической регулировки усиления, подсоединенного вторым входом к выходу временного селектора, третьим

входом - к выходу таймера, а выходом - к первому управляющему входу высокочастотного усилителя, выход таймера соединен с входом блока сопряжения, выход блока задержки подключен к второму управ5 ляющему входу высокочастотного усилителя и к управляющим входам амплитудного детектора с управляющим коэффициентом передачи и управляемого усилителя видеоимпульсов, блок сопряжения подсоединен первым выходом через линию связи к входу

преобразователя частоты в напряжение регистратора, вторым выходом - к входу блока слежения за периодом круговой частоты, выход которого соединен с входом генератора стартовых импульсов, подсоединенного выходом к второму входу генератора мощных импульсов.

2. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что блок автоподстройки скважности импульсов содержит два преобразователя длительности импульсов в напряжение, сумматор и элемент с управляемым сопротивлением, выход которого соединен первым выходом блока, а первый вход - первым входом блока, преобразователи длительности импульсов в напряжение, входы которых являются вторым

входом блока, подсоединены своими выходами к соответствующим входам сумматора, выход которого соединен с вторым входом элемента с управляемым сопротивлением, выход первого преобразователя длительности импульсов в напряжение является вторым выходом блока.

3. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что блок сопряжения содержит последовательно соединенные преобразователь формы импульсов, низкочастотный усилитель и выходной трансформатор, выводы первой и второй выходных обмоток которого является соответственно первым и

вторым выходами блока, а вход преобразователя формы импульсов является входом блока.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения физико-химических свойств жидких сред, в частности нефтепродуктов при их транспортировании по трубопроводным коммуникациям. Цель изобретения - повышение достоверности контроля за счет повышения чувствительности и помехозащищенности. Выходное напряжение блока 9 автоподстройки скважности импульсов зависит от диаметра трубопровода 3 и параметров состава нефтепродукта. При малом диаметре трубопровода 3 уровень реверберационных шумов высок, что требует большей величины напряжения задержки, которая обеспечивается более высокой частотой автоциркуляции импульсов. В трубопроводах больших диаметров уровень шумов меньше, рабочая частота автоциркуляции импульсов ниже, соответственно этому обеспечивается меньшая величина напряжения задержки. Задатчик 12 задержки АРУ автоматически обеспечивает плавающую величину напряжения задержки, оптимальную для работы блока 11 АРУ на предельно возможной чувствительности на трубопроводах различных диаметров и в условиях изменения состава нефтепродуктов. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

ЈЬ

LP

26

27

28

Фиг. 2

фиг.З

U

t