РЕЗОНАНСНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР
RESONANCE ACOUSTIC LEVEL METER

Изобретение относится к области ультразвуковой измерительной техники и предназначено для автоматического дистанционного измерения уровней жидкости различных типов в производственных и транспортных емкостях в нефтехимической, химической, горнодобывающей, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен резонансный акустический уровнемер, содержащий измерительную трубу, излучатель акустических колебаний, подключенный к выходу генератора, компенсационную трубу с излучателем акустических колебаний, соединенным с выходом генератора, и двумя микрофонами, один из которых соединен с последовательно соединенными демодулятором, формирователем импульсов, электронным ключом, счетчиком импульсов и цифровым индикатором, а другой соединен через дополнительные последовательно соединенные демодулятор, формирователь импульсов и устройство управления подключен к электронному ключу (Авторское свидетельство СССР №601577, МПК G01F 23/28, 1978 г.).
Недостатками этого устройства являются низкая точность измерений из-за использования принципа последовательного возбуждения стоячих волн (резонансов) в трубах и ограниченной помехоустойчивости по отношению к посторонним шумам (помехам).
Известен 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, а также коммутатор аналоговых сигналов и блок выделения двух максимумов функции кепстра, при этом 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 (Патент РФ №2249186, МПК G01F 23/28, 2003 г.).
Недостатками этого устройства являются низкая точность измерения уровня жидкости в условиях, когда скорость распространения звука в измерительной трубе меняется по высоте в диапазоне изменения уровня жидкости. Микрофоны могут быть установлены только в верхней части измерительной трубы, не достигаемой жидкостью. Кроме того, использование шумового сигнала приводит к «зашумливанию» функции кепстра и соответственно к дополнительной погрешности оценки положения ее максимума и уровня жидкости.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению (прототипом) является резонансный акустический уровнемер, содержащий измерительную трубу, вдоль оси которой установлено не менее одной диафрагмы с центральным отверстием, электроакустический преобразователь и микрофон, установленные в верхней части трубы, генератор фазоманипулированного сигнала, подключенный к входу электроакустического преобразователя, подключенные к выходу микрофона последовательно соединенные предварительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, блок выделения максимумов функции кепстра, блок селекции, блок вычисления уровня жидкости и индикатор (Патент РФ №2132542, G01F 23/296, 1999 г.).
Недостатком прототипа является возрастание погрешности измерения уровня жидкости при ее близости к реперной диафрагме со стороны дна. Увеличение погрешности обусловлено смещением положения максимума кепстра под влиянием более сильного максимума от жидкости. В результате этого смещения оценка скорости распространения звука в трубе, производимая по положениям кепстральных максимумов от реперных диафрагм, осуществляется с дополнительной погрешностью, которая приводит к дополнительной погрешности при пересчете положения кепстрального максимума от жидкости на временной оси в ее уровень.
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является повышение точности измерения уровня жидкости во всем диапазоне его изменения.
Технический результат достигается за счет того, что резонансный акустический уровнемер, содержащий измерительную трубу, вдоль оси которой установлено не менее одной диафрагмы с центральным отверстием, электроакустический преобразователь и микрофон, установленные в верхней части трубы, генератор фазоманипулированного сигнала, подключенный к входу электроакустического преобразователя, подключенные к выходу микрофона последовательно соединенные предварительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, блок выделения максимумов функции кепстра, блок селекции, а также последовательно соединенные блок вычисления уровня жидкости и индикатор, снабжен блоком коррекции положения максимумов функции кепстра, включенным между выходом блока селекции и входом блока вычисления уровня.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.
Резонансный акустический уровнемер содержит измерительную трубу 1, размещаемую в контролируемом резервуаре 2 с контролируемой жидкостью 3, вдоль оси трубы установлено не менее одной диафрагмы 4 с центральным отверстием, электроакустический преобразователь 5 и микрофон 6, установленные в верхней части трубы 1, генератор фазоманипулированного сигнала 7, подключенный к входу электроакустического преобразователя 5, подключенные к выходу микрофона 6 последовательно соединенные предварительный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9, блок первого преобразования Фурье 10, блок логарифмирования 11, блок второго преобразования Фурье 12, блок выделения максимумов функции кепстра 13, блок селекции 14, блок коррекции положения максимумов функции кепстра 15, блок вычисления уровня жидкости 16 и индикатор 17.
Устройство работает следующим образом.
Широкополосный фазоманипулированный сигнал постоянной амплитуды от генератора 7 излучается электроакустическим преобразователем 5 и возбуждает стоячие акустические волны (резонансы) на собственных частотах измерительной трубы (резонатора) с диафрагмами 4
L
m
m
m
f=c/2L и f=c/2z,
m
L
m
m
где m - номер диафрагмы; L - расстояние от преобразователя 5 до поверхности жидкости 3 в резервуаре 1; z - расстояние от преобразователя 5 до отражающей диафрагмы 4 с номером m; c, c - средние значения скорости звука на отрезках L и z соответственно.
L
L
m
m
m
m
L
m
Сигнал с выхода микрофона 6 последовательно поступает на предварительный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9, блок первого преобразования Фурье 10, блок логарифмирования 11 и блок второго преобразования Фурье 12. На выходе этого блока формируется функция кепстра с максимумами на значениях кепстрального времени t=1/f, t=1/f. Эти значения выделяются блоком 13 и поступают в блок селекции 14, в котором производится идентификация кепстральных максимумов, соответствующих отражениям от жидкости и реперных диафрагм. В блоке коррекции положения максимума кепстра 15 для времени t кепстрального максимума, соответствующего ближайшей к жидкости отражающей диафрагме, вводится поправка Δt, зависящая от разности времен t-t. Величина поправки вычисляется заранее экспериментальным путем. Уровень жидкости вычисляется блоком 16 по значениям времен, соответствующим двум последним непогруженным в жидкость диафрагмам, согласно выражению
p
где L - расстояние от преобразователя 5 до дна резервуара 2 или отметки, принятой за нулевой уровень, и отображается на индикаторе 17.
При вычислении по этой формуле снижается систематическая ошибка определения уровня жидкости, возникающая при изменении скорости звука по длине газовой полости трубы, благодаря повышению точности измерения скорости звука в измерительной трубе за счет использования для этого сигналов от двух ближайших к жидкости отражательных диафрагм и поправке положения кепстрального максимума от ближайшей к жидкости отражательной диафрагмы, учитывающей влияние на него кепстрального максимума от жидкости.