СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРАХ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВОЛН ЛЭМБА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРАХ
METHOD OF MONITORING LIQUID LEVEL IN TANKS BY CHARACTERISTICS OF LAMB WAVES AND DEVICE FOR ULTRASONIC MONITORING OF LIQUID LEVEL IN RESERVOIRS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемая группа изобретений относится к технике контроля технологических параметров жидких сред в резервуарах для промышленных производств и может найти применение в химической, нефтегазодобывающей, пищевой и других отраслях промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ Известен способ ультразвукового контроля уровня жидкости в резервуарах (авторское свидетельство СССР №343155, G01F 23/28, 1972), заключающийся в том, что в стенку резервуара под углом к ней параллельно поверхности контролируемой среды в зоне контроля вводят продольную ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости нормальной волны (волны Лэмба), распространяющейся в стенке, а после прохождения некоторого фиксированного расстояния по стенке принимают волну Лэмба и используют ее амплитуду в качестве информационного сигнала об уровне жидкости.
Недостатком этого способа контроля уровня жидкости, снижающим его надежность и точность, является нестабильность амплитуды информационного сигнала при изменении толщины стенок в резервуаре из-за коррозии или воздействия на них агрессивных сред и зарастания остаточными компонентами жидких реагентов. Нестабильность информационного сигнала при таком способе обусловливается также изменениями акустического сопротивления контактного слоя между акустическими преобразователями и стенкой резервуара. Данные изменения могут быть вызваны постепенным выдавливанием контактного слоя из-за температурных колебаний внешней среды и связанных с ним температурных расширений/сжатий.
Известно устройство (авторское свидетельство СССР №343155, G01F 23/28, 1972, которое реализует указанный способ контроля уровня в закрытых резервуарах, содержащее два идентичных паклонных акустических преобразователя, установленных на внешней поверхности резервуара на фиксированном расстоянии навстречу друг другу, последовательно соединенные возбудитель и усилитель мощности. Подключенные к одному из акустических преобразователей последовательно соединенные усилитель, селекторный каскад (первым входом), детектор и измерительный каскад, последовательно соединенные синхронизатор, блок задержки, формирователь стробоимпульса, подключенные - синхронизатор к входу возбудителя, а формирователь стробоимпульса к второму входу первого селекторного каскада, включенного между усилителем и детектором.
Недостатком этого устройства является низкая надежность и точность, обусловленная зависимостью информационных сигналов от влияния дестабилизирующих факторов, например, изменяющегося акустического сопротивления контактного слоя между акустическими датчиками и стенкой резервуара. Данные изменения могут быть вызваны постепенным выдавливанием контактного слоя из-за температурных колебаний внешней среды и связанных с ним температурных расширений/сжатий.
Известен способ контроля уровня жидкости (патент РФ №2112221, C1, G01F 23/296, 1998), заключающийся в том, что ультразвуковую волну вводят в стенку резервуара параллельно поверхности жидкой среды, а ультразвуковая волна, распространяющаяся на фиксированном участке стенки, является волной Лэмба, одновременно там же излучателем возбуждают в стенке резервуара продольную ультразвуковую волну, распространяющуюся в плоскости горизонтального сечения резервуара по хорде окружности резервуара через стенку, контролируемую жидкую среду и противоположную стенку. Принимают эту волну тем же приемником во временной зоне, отличной от временной зоны приема волны Лэмба, выделяют в каждой временной зоне амплитудные значения волны Лэмба или продольной волны, формируют по ним на заданном пороговом уровне чувствительности нормированные информационные сигналы, с помощью которых управляют промежуточным запоминающим устройством (ПЗУ), на выходе которого получают один сигнал по наличию на входе ПЗУ двух или хотя бы одного из нормированных информационных сигналов за период следования возбуждающих импульсов, по которому судят о наличии жидкости на контролируемом уровне в резервуаре.
Недостатком второго способа контроля уровня жидкости является недостаточная надежность, обусловленная тем обстоятельством, что пути и скорости распространения продольной волны и волны Лэмба различны, поэтому временной интервал их приема может совпасть (наложиться), в том числе, с приемом отраженных сигналов, распространяемых в стенке резервуара. Кроме всего прочего, амплитудная нестабильность сигнала продольной волны, распространяемой в жидкой среде, обусловлена изменяющимися свойствами жидкости, уровень которой контролируется, например, сжимаемостью β, от которой зависит скорость звука. Сжимаемость, в свою очередь, зависит от температуры и характер этой зависимости у разных жидкостей различен.
Известен способ контроля уровня жидкости (патент РФ №2123172, С1, G01F 23/296, 1998). В этом способе, так же, как и в первом, в стенку резервуара под углом к ней параллельно поверхности контролируемой жидкости в зоне контроля вводят продольную ультразвуковую волну, скорость следа которой по поверхности ввода устанавливают равной скорости нормальной волны (волны Лэмба), но в отличие от первого способа одновременно дополнительно возбуждают поверхностную волну, не испытывающую затухания при демпфировании стенки резервуара жидкостью в зоне контроля уровня, принимают ее тем же акустическим приемником, ослабляют принятый входной сигнал, содержащий обе волны. Выделяют в нем амплитуду поверхностной волны, детектируют ее и формируют пороговый сигнал, значение которого запоминают, сравнивают амплитуду поверхностной волны с пороговым сигналом и при ее снижении формируют периодическую последовательность управляющих импульсов, число которых пропорционально величине снижения амплитуды поверхностной волны относительно порогового сигнала и обратно пропорционально значению первоначально введенного ослабления, направляют импульсы в цепи ослабления входного сигнала и восстанавливают амплитуду информационной нормальной волны.
К недостаткам этого способа контроля уровня жидкости, снижающим его надежность и точность, следует отнести то, что в качестве опорного сигнала в нем используется поверхностная волна, скорость которой меньше скорости волны Лэмба, используемой в качестве информационной. Вследствие этого временная зона приема опорного сигнала может совпасть с действием других волн, распространяемых в стенке резервуара, в том числе отраженных, снижающих надежность выделения ее сигнала. Второй недостаток связан с тем обстоятельством, что первоначальная настройка и запуск контроля уровня жидкости априори предполагает наличие хорошего акустического контакта излучателя и приемника, а также относительную неизменность акустических характеристик трактов прохождения поверхностной волны и волны Лэмба, что не всегда может соблюдаться.
Устройство, реализующее данный способ (патент РФ №2123172, G01F 23/296, 1998) состоит из акустических излучателя и приемника, содержащие по два пьезопреобразователя, установленных под разными углами на волноводе для возбуждения в стенке поверхностной и нормальной волны Лэмба. При этом акустический приемник и излучатель установлены на внешней поверхности резервуара по линии, параллельной поверхности контролируемой жидкости, на фиксированном расстоянии навстречу друг другу. Кроме того, устройство содержит электронный блок формирования и выделения сигналов, подключенный своим выходом к передатчику акустических сигналов, а входом - к приемнику акустических сигналов. Электронный блок формирования и выделения сигнала включает в себя синхронизатор, выход которого подключен к возбудителю, первому входу схемы совпадения, первой и второй линиям задержки. Выход возбудителя связан с усилителем мощности, выход которого является выходом блока формирования и выделения сигнала, а входом - вход сумматора, выход которого подключен к первому входу аттенюатора, связанного своим выходом через усилитель со вторыми входами двух селекторных каналов. Первые входы этих селекторных каналов через соответствующие формирователи связаны с выходами первой и второй линиями задержки. Выход второго селекторного канала через второй пиковый детектор подключен к измерительному каналу. Выход первого селекторного канала через первый пиковый детектор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к задатчику опорного напряжения. Выход компаратора подключен ко второму входу схемы совпадения, выход которой через последовательно соединенные счетчик, дешифратор и блок аналоговых ключей связан со вторым входом аттенюатора.
Недостатками этого устройства являются невысокая надежность и сложность.
Конструкция акустического излучателя и приемника, содержащая по два пьезопреобразователя, образующая тем самым два тракта прохождения и выделения сигналов различными элементами акустического излучателя и приемника, требует идентичности влияния внешних факторов, в частности, температуры на характеристики этих элементов, что практически затруднительно и приводит к искажению итогового сигнала о положении контролируемого уровня жидкости. Недостаточная точность обусловлена также тем, что гистерезисная характеристика зависимости амплитуды информационного сигнала от положения уровня жидкости в зоне контроля, близко примыкающей к линии, на которой располагается акустический излучатель и приемник, создает неоднозначную связь уставки амплитуды информационного сигнала с положением уровня жидкости в этой зоне.
Недостаточная надежность устройства обусловлена его сложностью. В его структуре присутствуют элементы цепи автоподстройки усиления принимаемых акустических сигналов, которая сама требует предварительной настройки. Причем, априори предполагается, что такая настрой-ка должна производиться при хорошем акустическом контакте излучателя и приемника с поверхностью резервуара. Соблюдение этого условия в реальности требует дополнительных непростых технических процедур.
Известно устройство контроля уровня жидкости (патент РФ №2383869, G01F 23/28) в котором ультразвуковой уровнемер содержит по крайней мере одну пару преобразователей - излучающий и приемный соответственно для возбуждения и приема антисимметричной волны Лэмба в стенке емкости, частично заполненной жидкостью, установленные на внешней поверхности емкости, а также высокочастотный генератор, и блок синхронизации, соединенный с блоком регистрации. В данном устройстве пары преобразователей имеют горизонтальное или вертикальное расположение, относительно положения уровня в емкости. Приемлемая точность измерения положения уровня жидкости относительно положения установки преобразователей, по заявлению авторов, достигается подбором оптимального значения частоты (f) высокочастотного генератора, связанной с толщиной (h) стенки емкости соотношением: f=(3-5)h и приемлемой чувствительностью приемной аппаратуры, позволяющей оценивать изменение амплитуды (мощности) стробируемых сигналов антисимметричных волн Лэмба.
Этому устройству присущи те же недостатки, что и другим, описанным выше, в которых используется амплитудный метод измерения степени затухания волн Лэмба, точность измерения которого, так или иначе, зависит от исходной настройки измерительных каналов устройства и градуировки его измерительной шкалы. Более того, в данном патенте рассматриваются лишь случаи, либо вертикального, либо горизонтального расположения пар преобразователей и измерения производятся только по этим отдельным парам и результаты измерений, полученные от горизонтальных пар не используются для повышения точности измерений, полученных от вертикальных пар, путем подстройки (градуировки измерительной шкалы). Кроме прочего, точность измерения будет зависеть от правильности предварительной настройки частоты генератора, связанной с толщиной стенки емкости, величина которой не всегда бывает известна. Также стоит отметить, что в описании патента есть ссылки на то, что в пластине (стенке емкости) возбуждаются разные волны Лэмба, но используются, как наиболее информативные, путем временного стробирования, именно антисимметричные волны Лэмба нулевого порядка (нулевой моды). Однако использование только антисимметричной волны Лэмба (как, впрочем, и только симметричной) подвержено влиянию дестабилизирующих факторов (например, температуры и т.д.) при измерении, что неизбежно приводит к снижению точности измерений.
Известен способ контроля уровня жидкости (патент РФ №2437066, G01F 23/296, 2010) - принят за прототип. Этот способ заключается в том, что в зоне контроля в стенку резервуара с помощью ультразвукового излучателя периодически вводят нормальную волну, распространяющуюся по стенке резервуара, принимают эту волну акустическим приемником, установленным на фиксированном расстоянии от излучателя, используют энергетическую характеристику этой волны в качестве информационного сигнала для определения положения уровня жидкости в зоне контроля относительно установленных излучателя и приемника, причем излучатель и приемник располагают на внешней поверхности резервуара, а ввод акустических сигналов излучателем и приемником осуществляют перпендикулярно к поверхности стенки резервуара и располагают их по высоте так, чтобы зона контроля уровня жидкости находилась между ними, которые возбуждают и принимают в ней одновременно симметричную и антисимметричную волны Лэмба нулевой моды, затем оцифровывают с помощью аналогово-цифрового преобразования принятые сигналы, выделяют цифровые последовательности, относящиеся к симметричной и антисимметричным волнам Лэмба нулевой моды, вычисляют отношение энергетических характеристик этих волн, сравнивают его с постоянной, наперед заданной величиной и формируют сигнал, индицирующий положение уровня жидкости в зоне контроля, соответствующего заданной величине отношения характеристик сигналов.
Недостатком этого способа является необходимость предварительной градуировки, как минимум, начальных и конечных значений измерительной шкалы, которая предполагает фиксацию этих значений при заведомо наполненном и слитом резервуаре до уровней, находящихся за пределами зоны контроля (выше и ниже зоны установки датчиков), а также знание и учета параметров стенки резервуара, которые влияют на характеристики волны Лэмба, что, в общем, не всегда возможно. Без использования дополнительных средств контроля уровня, позволяющих проводить градуировку измерительной шкалы непосредственно на объекте, не удается достигнуть точных измерений, а также высокой скорости их проведения.
Устройство, реализующее способ, приведенное в том же патенте РФ №2437066, G01F 23/296, 2010 - принято за прототип устройства, содержит акустический излучатель и акустический приемник, включающие пьезопреобразователи, установленные на внешней поверхности резервуара на фиксированном расстоянии друг от друга, приемный усилитель, усилитель мощности, выход которого подключен к акустическому излучателю, блок формирования и преобразования сигналов, вход которого связан с выходом приемного усилителя, а выход - со входом усилителя мощности, а излучатель и приемник акустических сигналов установлены по высоте так, что зона контроля уровня жидкости оказывается между ними, каждый из которых содержит по одному пьезопреобразователю, установленными с возможностью перпендикулярного ввода к поверхности стенки резервуара акустических сигналов для возбуждения одновременно симметричной и антисимметричной нормальных волн Лэмба нулевой моды, при этом вход приемного усилителя подключен к выходу акустического приемника, а блок формирования и преобразования сигнала выполнен в виде микроконтроллера.
Это устройство обладает следующими недостатками. Оно требует предварительной настройки, заключающейся в градуировке, как минимум, начального и конечного значений измерительной шкалы, а также установления соответствия значения уставки контролируемому положению уровня жидкости в резервуаре. До ввода в работу устройства данная процедура градуировки предусматривает, как минимум, один полный цикл слива или налива резервуара жидкостью таким образом, чтобы уровень жидкости проходил всю установленную зону контроля с фиксацией требуемых точек контроля уровня другими средствами, что не всегда бывает возможно. Например, в случае нефтяного танка вместимостью несколько тысяч тонн, тестовый слив или налив, даже небольшого уровня для настройки шкалы, будет невозможен по технологическим причинам из-за больших объемов перекачки, которые возможны лишь при рабочих режимах. Другой пример - сливная накопительная емкость ядовитых отходов, в которой контролируется предельный уровень и слив из которой производится однократно, после достижения порогового значения этого уровня. Перечисленные выше недостатки ограничивают область применения устройства и не обеспечивают точных измерений за небольшой промежуток времени (т.е. высокой скорости настройки точных измерений).
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Общей задачей группы изобретений является создание автоматизированного способа измерения уровня жидкости по характеристикам волн Лэмба, обеспечивающего повышение достоверности, точности и скорости измерений, а также устройства для его реализации.
Техническим результатом, достигаемым при использовании группы изобретений, является повышение достоверности определения начального положения уровня жидкости в резервуаре и повышение точности измерения последующих текущих положений уровня жидкости в резервуаре при одновременном повышении скорости измерений (сокращении времени настройки точных измерений, в частности, путем автоградуировки измерительной шкалы и повышении частоты измерений) и расширение области применения предлагаемой группы изобретений.
Техническая задача и заявленный технический результат при использовании заявленной группы изобретений достигаются предлагаемым способом контроля уровня жидкости в резервуарах по характеристикам волн Лэмба в котором, в зоне контроля в стенку резервуара с помощью, по меньшей мере четырех ультразвуковых акустических преобразователей со сменяемым направлением приема-передачи периодически вводят нормальные волны, распространяющиеся по стенке резервуара и принимают эти волны этими же ультразвуковыми акустическими преобразователями;
используют энергетические характеристики этих волн в качестве информационных сигналов для определения положения уровня жидкости в зоне контроля относительно установленных ультразвуковых акустических преобразователей;
причем ультразвуковые акустические преобразователи располагают на внешней поверхности резервуаров, а ввод акустических сигналов и их прием осуществляют перпендикулярно к поверхности стенки резервуара;
затем оцифровывают с помощью аналогово-цифрового преобразования принятые сигналы и выделяют цифровые последовательности, относящиеся к энергетическим характеристикам волн Лэмба, распространяемых на разных участках, расположенных вдоль линий установки ультразвуковых акустических преобразователей согласно группе изобретений, ультразвуковые акустические преобразователи располагают на внешней поверхности резервуаров вдоль линии замкнутого или незамкнутого контура на фиксированном расстоянии друг от друга, соответствующем величине большей, чем размер зоны неоднозначности, связанной сними, смежные пары которых образуют взаимно пересекающиеся измерительные участки и (или) контролируемые ими сегменты высоты уровня жидкости;
для каждого измерительного участка дополнительно вычисляют суммы ряда оценочных функций, аргументами которых являются текущие значения энергетических характеристик сигналов, полученных одновременно на всех участках;
определяют, по меньшей мере, один наиболее вероятный измерительный участок, в зоне которого находится текущее положение уровня жидкости;
для остальных измерительных участков устанавливают одно фактическое начальное или конечное значение измерительной шкалы в зависимости от положения участка относительно наиболее вероятной зоны расположения текущего уровня жидкости, а второе неизвестное значение измерительной шкалы рассчитывают по известным параметрам расположения участков и другим заданным параметрам объекта контроля;
затем, по этим найденным начальным и конечным значениям измерительных шкал рассчитывают начальные и конечные значения измерительных шкал участков, связанных с наиболее вероятным расположением текущего уровня жидкости, делая это по связанным с ними оценочным функциям и рассматривая их как систему уравнений относительно этих рассчитываемых значений;
по определенным начальным и конечным значениям измерительных шкал всех участков и заданным для них функциям нелинейной аппроксимации рассчитывают длину участков вдоль линии распространения волн Лэмба, соприкасающихся с жидкостью, суммируют их и делят на количество пересекающихся участков, получая таким образом усредненное значение этой длины, а затем, по известной геометрии сосуда и формуле аналитической зависимости, связывающей длину линии на его поверхности с ее проекцией на вертикальную ось, определяют точную высоту текущего положения уровня жидкости.
Указанный технический результат достигается и в том случае, когда оценочные функции нормированы с помощью экспериментально подобранных весовых коэффициентов.
Указанный технический результат достигается и в случае перехода текущего положения уровня жидкости в процессе контроля на другой измерительный участок, когда расчетное начальное или конечное значение измерительной шкалы предыдущего участка заменяют на фактическое значение и корректируют остальные расчеты, связанные с данной коррекцией.
Указанный технический результат достигается и в том случае, когда используют дополнительную взаимную коррекцию результатов аппроксимирующих функций для пересекающихся участков контроля на их концах измерительной шкалы, связанных с зоной неоднозначности.
Указанный технический результат достигается и в том случае, когда используют дополнительную коррекцию оценочных функций в процессе контроля по трендам сигналов, не связанных с участками, на которых за наблюдаемый период времени происходило изменение уровня жидкости.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании группы изобретений достигаются также за счет предлагаемого устройства для контроля уровня жидкости в резервуарах, содержащего, по меньшей мере, четыре ультразвуковых акустических преобразователя со сменяемым направлением приема-передачи, установленные с возможностью перпендикулярного ввода к поверхности стенки резервуара акустических сигналов для возбуждения одновременно симметричной и антисимметричной моды нулевого порядка нормальных волн Лэмба на фиксированном расстоянии друг от друга, а также блок формирования и преобразования сигналов, связанный с внешним индикатором, усилителями мощности и приемными усилителями через которые подключаются ультразвуковые акустические преобразователи отличающееся тем, что ультразвуковые акустические преобразователи со сменяемым направлением приема-передачи расположены на внешней поверхности замкнутых или незамкнутых резервуаров вдоль линии замкнутого или незамкнутого контура, соответственно, на фиксированном расстоянии друг от друга, соответствующему величине большей, чем размер зоны неоднозначности, связанной с ними, смежные пары которых образуют взаимно пересекающиеся измерительные участки и (или) контролируемые ими сегменты высоты уровня жидкости, а параллельно каждому ультразвуковому акустическому преобразователю дополнительно подключен шунтирующий блок, управляемый вход которого связан с процессором блока формирования и преобразования сигналов, сам же блок формирования и преобразования сигналов дополнительно содержит один приемный усилитель, подключенный между выходом коммутатора и входом аналогово-цифрового преобразователя и один усилитель мощности, подключенный между выходом центрального процессора и входом коммутатора, а каждый ультразвуковой акустический преобразователь непосредственно подключен к двунаправленному каналу коммутатора блока формирования и преобразования сигнала.
Существенным отличием предлагаемой группы изобретений является то, что для начальной автоматической градуировки измерительных шкал всех измерительных участков используются энергетические характеристики волн Лэмба, распространяемые между всеми парами ультразвуковых акустических преобразователей, относящиеся к смежным пересекающимся участкам, расположенными на внешней поверхности резервуаров вдоль линии замкнутого или незамкнутого контура, соответственно, на фиксированном расстоянии друг от друга.
При этом, для повышения достоверности и точности измерения уровня жидкости в резервуаре при одновременном повышении скорости измерений за счет сокращения времени настройки точных измерений, в частности, путем автоградуировки измерительной шкалы на всех участках, используют соотношения энергетических характеристик, выраженные в виде системы оценочных функций специального вида. Такой подход позволяет значительно снизить вероятность неверного определения положения уровня жидкости особенно при начальном запуске измерений. Как показала практика, использование для этой процедуры специально выделенных отдельных каналов измерения, образованных горизонтальными парами акустических преобразователей, находящихся только на краях измерительной зоны не дает надежного результата. Это связано с тем, что начальные настройки этих каналов априори неизвестны и на них влияет множество факторов. Поэтому, при начальном определении уровня жидкости в случае, когда контролируемый уровень жидкости фактически оказывается на границах этих участков или близко к ним, может привести к тому, что уровни сигналов, полученных по этим каналам будут мало различимы. В этом случае становится возможным неверный вывод даже относительно того, свободна ли, или наоборот полностью занята жидкостью вся зона контроля.
Способ контроля в предлагаемой группе изобретений значительно снижает вероятность таких неверных определений положения уровня жидкости за счет того, что в нем используется вычислительная процедура, учитывающая измерения, относящиеся ко всем сегментам общей измерительной зоны, а также параметры в виде набора коэффициентов, определенные опытным путем для разных групп объектов контроля. Кроме того, расстановка ультразвуковых акустических преобразователей в предлагаемой группе изобретений вдоль линии замкнутого или незамкнутого контура, создает взаимно пересекаемые зоны контроля смежными участками и делит на максимально возможное количество сегментов всю эту зону контроля уровня жидкости по высоте при заданном количестве ультразвуковых акустических преобразователей. Это позволяет более эффективно использовать все группы ультразвуковых акустических преобразователей, быстрее и точнее автоматически определять начальное положение уровня жидкости и снимать неоднозначность определения точного положения уровня жидкости вблизи точек установки ультразвуковых акустических преобразователей. Такой способ, в процессе дальнейшего контроля текущего положения уровня жидкости, при переходе его в другие смежные сегменты, позволяет автоматически вводить корректирующие поправки в значения весовых коэффициентов оценочных функций, если расчеты, производимые на их основе не подтверждают этот переход. Таким образом осуществляется автоматическая автоподстройка, адаптация к объекту контроля. Данная следящая автоподстройка также позволяет учитывать влияние внешних факторов на изменения амплитуд сигналов в каналах, относящихся к участкам, которые не пересекают рабочий сегмент, а следовательно, не связанных с текущим положением уровня жидкости.
Кроме того, взаимное перекрытие участков контроля позволяет корректировать значения аппроксимирующих функций в точках, близко расположенных к началу или к концу измерительной шкалы, попадающих в зону неоднозначности проявления гистерезиса, связанного с параметрами ультразвуковых акустических преобразователей. Такая коррекция делает аппроксимирующие функции более интерполирующими для всего диапазона измерительного участка и, в конечном счете, повышает точность определения уровня жидкости.
Перекрытие отдельных сегментов зоны контроля уровня жидкости несколькими смежными участками также снижает общую ошибку измерения за счет усреднения результатов, получаемых на этих участках, повышая тем самым точность измерений.
Введение в устройство предлагаемой группы изобретений шунтирующего блока, подключаемого параллельно ультразвуковому акустическому преобразователю позволяет значительно повысить частоту формирования зондирующих импульсов в измерительных каналах, а следовательно и скорость измерения. Это происходит за счет сокращения временных пауз между формированием зондирующих импульсов в устройстве контроля, необходимых для устранения взаимного влияния (наложения) сигналов от смежных ультразвуковых акустических преобразователей, которое возможно при данном способе их взаимного расположения. Сокращение временных пауз обеспечивается подавлением паразитных автоколебаний ультразвуковых акустических преобразователей, возникающих после подачи на них зондирующих импульсов. Подавление осуществляется путем управляемого шунтирования входов/выходов ультразвуковых акустических преобразователей с помощью шунтирующего резистора и управляемого ключа, входящих в состав шунтирующего блока.
Структура схемы устройства предлагаемой группы изобретений обеспечивает максимальную унификацию всех измерительных каналов, поскольку для их организации используются одни и те же измерительные элементы - один приемный усилитель и один усилитель мощности. Это минимизирует разброс измерительных характеристик устройства, относящихся к разным каналам и повышает итоговую точность измерения уровня жидкости.
Схема расстановки ультразвуковых акустических преобразователей на объекте контроля в предлагаемой группе изобретений без использования специальных горизонтальных пар ультразвуковых двунаправленных акустических преобразователей позволяет расширить сферу применения такого способа. В частности, такая схема расстановки может быть использована для контроля уровня жидкости в сосудах, имеющих большую высоту, но незначительные размеры горизонтального поперечного сечения. К таковым можно отнести вертикально расположенные трубопроводы или технологические аппараты, в виде узкой высотной колонны. Для контроля уровня жидкости в таких объектах установка горизонтально расположенных пар может оказаться невозможной по причине того, что при их установке необходимо обеспечить требуемый динамический диапазон изменения сигнала, который связан с расстоянием между ультразвуковыми акустическими преобразователями. Как показала практика, это расстояние должно быть не менее 0,5 м, что накладывает существенное ограничение на применение для объектов менее 350 мм в диаметре. В предлагаемой группе изобретений схема расстановки ультразвуковых акустических преобразователей не имеет таких ограничений, ни для горизонтально расположенных труб, ни для вертикально установленных.
Практические испытания, проведенные на объектах нефтяной промышленности, в частности, показали, что способ и устройство контроля уровня жидкости, предложенные настоящей группой изобретений, позволяют получить устойчивые характеристики технологического контроля уровня нефти и нефтепродуктов в трубопроводах с относительной приведенной погрешностью, не более 5%.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена типовая схема расположения ультразвуковых акустических преобразователей (1-4) по замкнутому контуру на внешней поверхности стенки сосудов (резервуаров, трубопроводов) круглой формы горизонтального положения в профиле вертикального сечения радиусом R.
Все ультразвуковые акустические преобразователи (1-4) установлены на разной высоте так, что делят всю полную зону контроля уровня заполнения сосуда по высоте на отдельные сопряженные сегменты (h1-h5). Контроль распространения волн Лэмба по поверхности сосуда осуществляется между ближайшими или смежными парами ультразвуковых акустических преобразователей по кратчайшим линиям их связывающих, на участках, обозначенных как S1…S4 и образующих замкнутый контур. Причем, все ультразвуковые акустические преобразователи не обязательно должны располагаться в одной плоскости. Важно, чтобы в профиле вертикального сечения они находились на разной высоте и контроль распространения волн Лэмба охватывал весь этот замкнутый профиль. Понятно, что в таком общем случае, длина участков распространения волн Лэмба не обязательно будет равна длинам дуг в профиле вертикального сечения и расстояние между крайними ультразвуковыми акустическими преобразователями смежных участков не будет равна их простой сумме. Эти расстояния будут определяться геометрией расположения ультразвуковых акустических преобразователей на криволинейной поверхности емкости. Фиг. 1 иллюстрирует лишь типовой случай расположения для четырех ультразвуковых акустических преобразователей в профиле круглого сечения, который в общем случае может быть и другим, например овальным, а количество преобразователей более четырех;
На Фиг. 2 представлены ультразвуковые акустические преобразователи (1-4) и приведена общая схема их расположения по незамкнутому контуру на фрагменте внешней поверхности сосуда произвольной формы (5) для случая, когда общая высота зоны контроля уровня жидкости не превышает общей суммы сегментов h1…h3, на которые она разбивается точками установки преобразователей (1-4). Двунаправленными стрелками S1…S5 показаны направление и кратчайшие пути распространения волн Лэмба между парами ультразвуковых акустических преобразователей на участках, образованных ими, в том числе смежными. Смежными участками являются те, у которых два ультразвуковых акустических преобразователя находятся на краях соседних сегментов, а один - в точке соединения этих сегментов. Так, для схемы, представленной на Фиг. 2 смежными являются участки: S1, S3 и S3, S4, контролируемая зона распространения волн Лэмба на которых покрывается третьими участками S2 и S5, соответственно. При такой схеме расположения важно, чтобы зона неоднозначности, имеющая характер гистерезиса, связанная с ультразвуковым акустическим преобразователем, полностью находилась бы внутри участка, который ее перекрывает. Зоны неоднозначности, связанные с двумя ультразвуковыми акустическими преобразователями, расположенными по краям общей контролируемой зоны уровня жидкости, в данном случае, могут исключаться путем их вынесения за пределы этой зоны при установке. В этом случае, любой сегмент уровня жидкости по высоте будет контролироваться, как минимум, двумя участками.
Фиг. 2 представляет один из возможных примеров схемы расположения четырех ультразвуковых акустических преобразователей на внешней поверхности сосуда (емкости), которых может быть и большее количество, а сама поверхность не обязательно должна представлять собой ровную плоскость и располагаться строго вертикально. Важно только то, чтобы общая зона контроля уровня жидкости по высоте не превышала суммы сегментов, на которые она разбивается установкой ультразвуковых двунаправленных акустических преобразователей.
На Фиг. 3 изображена структурная схема устройства для определения положения уровня жидкости в резервуаре.
На схеме представлены четыре ультразвуковых акустических преобразователя (1-4), фрагмент внешней поверхности резервуара (5), на которой они установлены. Схема расстановки ультразвуковых акустических преобразователей на поверхности показана примерно, для общего случая. Параллельно каждому ультразвуковому акустическому преобразователю (1-4) подключен шунтирующий блок (6, 7, 8 и 9) соответственно.
Управляемые входы шунтирующих блоков (6, 7, 8 и 9), а также входы-выходы ультразвуковых акустических преобразователей (1, 2, 3 и 4) связаны с блоком формирования и преобразования сигналов (10). Управляемые входы шунтирующих блоков (6, 7, 8 и 9) непосредственно подключены к соответствующим выходам центрального процессора (ЦП) (11), а входы-выходы ультразвуковых акустических преобразователей (1,2,3 и 4) непосредственно подключены к соответствующим двунаправленным каналам коммутатора (12), который управляется ЦП (11) через его соответствующие выходы. Вход коммутатора (12) связан с выходом усилителя мощности (13), вход которого подключен к соответствующему выходу ЦП (11), формирующего зондирующий импульс. Выход коммутатора (12) через приемный усилитель (14) и далее последовательно через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (15) подключен к входу оперативного-запоминающего устройства (ОЗУ) (16), которое связано с ЦП (11) информационно и управляется им через соответствующие входы/выходы данных и адресные выходы. ЦП (11) также связан с постоянным запоминающем устройством (ПЗУ) (17) и с внешним индикатором (18);
На Фиг. 4 изображен состав элементов и их связи для каждого шунтирующего блока (6-9), представленного на схеме Фиг. 3. Каждый шунтирующий блок (6-9) состоит из шунтирующего резистора R (позиция на Фиг. 4 не обозначена) и управляемого ключа К (позиция на Фиг. 4 не обозначена), с помощью которого шунтирующий резистор R подключается параллельно двунаправленному каналу, связывающего ультразвуковой акустический преобразователь с коммутатором (на Фиг. 4 не показаны). Управляемый вход шунтирующего блока является соответствующим входом ключа К;
ж
c
с
ж
с
г
ж
y
min
max
y
На Фиг. 5 - представлен график зависимости значения сигнала от положения уровня жидкости на измерительном участке. На этом графике: L=F(A) - участок кривой сплошной линии, представляет аппроксимирующую функцию логарифмического вида; А -текущее значение сигнала; L - текущее значение длины части участка, занятого жидкостью; А -текущее значение сигнала; А - значение сигнала при отсутствии жидкости на контролируемом участке; А - значение сигнала, когда уровень жидкости покрывает весь контролируемый участок; S -длина участка контроля распространения волн Лэмба; A, A -минимальное и максимальное значение сигнала, соответственно. Прямыми вертикальными линиями, являющимися продолжением кривой сплошной линии на графике показаны значения сигналов, когда уровень жидкости находится за пределами контролируемого участка, ниже или выше его. Штриховой линией на графике показаны реальные зависимости сигналов от уровня жидкости в зонах неоднозначности, расположенных на концах измерительного участка длинной S;
На фигурах 6÷9 в качестве поясняющего примера представлены результаты вычислительных процедур по определению уровня жидкости для случая расположения четырех ультразвуковых акустических преобразователей в профиле круглого сечения (Фиг. 1), полученные на реальном прототипе устройства, реализующего предлагаемый способ для контроля уровня жидкости в резервуарах;
На Фиг. 6 - представлен реальный график изменения уровня жидкости по высоте профиля трубы, его спад от максимального значения 500 мм до минимального - 0 мм, за промежуток времени в 9 минут, от 16:47 до 16:56;
На Фиг. 7 - представлены графики изменения уровней текущих амплитуд сигналов за тот же промежуток времени, полученные в процессе изменения уровня жидкости по всему профилю круглого сечения трубы в процессе контроля. График, обозначенный как А1 относится к участку распространения сигналов между двунаправленными акустическими преобразователями 1 и 2 по соответствующей кратчайшей дуге S1 (Фиг. 1). График, обозначенный как А2 относится к участку распространения сигналов между двунаправленными акустическими преобразователями 1 и 3 по соответствующей кратчайшей дуге S2 (Фиг. 1). График, обозначенный как A3 относится к участку распространения сигналов между двунаправленными акустическими преобразователями 2 и 4 по соответствующей кратчайшей дуге S3 (Фиг. 1). График, обозначенный как А4 относится к участку распространения сигналов между двунаправленными акустическими преобразователями 3 и 4 по соответствующей кратчайшей дуге S4 (Фиг. 1). График, обозначенный как А1+А2 относится к участку распространения сигналов между двунаправленными акустическими преобразователями 2 и 3 по кратчайшей дуге, включающей соответствующие участки S1 и S2 (Фиг. 1). График, обозначенный как А1+А3 относится к участку распространения сигналов между двунаправленными акустическими преобразователями 1 и 4 по кратчайшей дуге, включающей соответствующие участки S1 и S3 (Фиг. 1). Измерительная шкала сигналов настроена на максимальное значение в 6000 дискретных единиц;
1
5
На Фиг. 8 - представлены графики вычисленных значений оценочных функций F…F, обозначенные как F1…F5, соответственно;
6
10
На Фиг. 9 - представлены графики вычисленных значений оценочных функций F…F, обозначенные как F6…F10, соответственно;
На Фиг. 10 - представлены графики взвешенных значений сумм оценочных функций вычисленные и обозначенные как: W1 - для сегмента h1; W2 - для сегмента h2, W3 - для сегмента h3, W4 - для сегмента h4 и W5 - для сегмента h5.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - ультразвуковой акустический преобразователь; 2 - ультразвуковой акустический преобразователь; 3 - ультразвуковой акустический преобразователь; 4 - ультразвуковой акустический преобразователь; 5 -емкость; 6 - шунтирующий блок; 7 - шунтирующий блок; 8 -шунтирующий блок; 9 - шунтирующий блок; 10 - блок формирования и преобразования сигналов; 11 - центральный процессор; 12 - коммутатор; 13 - усилитель мощности; 14 - приемный усилитель; 15 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); 16 - оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ); 17 - постоянно запоминающее устройство; 18 - внешний индикатор.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для контроля уровня жидкости в резервуарах (Фиг. 3) содержит четыре ультразвуковых акустических преобразователя (1-4) со сменяемым направлением приема-передачи, установленных на внешней поверхности (5) емкости (резервуара) так, что образуют взаимно перекрываемые участки контроля. Количество ультразвуковых акустических преобразователей в устройстве определяется соображениями экономической эффективности и требуемой точностью измерения.
Теоретически количество ультразвуковых акустических преобразователей может быть более четырех и минимум три, но эти случаи в данном пояснении не рассматриваются.
Ультразвуковые акустические преобразователи выполнены на базе пьезопреобразователей или иных элементов, которые обеспечивают преобразование электрических импульсов в ультразвуковые волны Лэмба в стенке емкости и обратно. В качестве таких элементов могут быть также использованы преобразователи других типов или их сочетание. Например, магнитострикционные, как контактные, так и не контактные, электромагнитные, формирующие высокочастотные токи Фуко, либо лазерные, которые формируют ударное точечное тепловое воздействие на поверхность стенки емкости, переходящее затем в комбинированные упругие волны, включающие в себя и волны Лэмба, распространяемые по стенке емкости (резервуара).
Способ установки ультразвуковых акустических преобразователей по замкнутому контуру на внешней поверхности сосудов (резервуаров, трубопроводов) круглой формы горизонтального положения показан на Фиг. 1, для случая сосудов произвольной формы по незамкнутому контору - на Фиг. 2. При расстановке ультразвуковых акустических преобразователей нужно иметь в виду некоторые особенности и различия этих случаев, состоящие в следующем:
- сумма сегментов h1…h5, на которые разбивается зона контроля уровня жидкости в первом случае (Фиг. 1) равна максимальной его высоте при полном заполнении сосуда;
- сумма сегментов h1…h3, на которые разбивается зона контроля уровня жидкости во втором случае должна быть несколько больше, чем рабочий диапазон изменения уровня жидкости в сосуде. Такое превышение должно исключить возможность пересечения рабочей зоны контроля уровня жидкости с зонами неоднозначности, связанными с самыми крайними ультразвуковыми акустическими преобразователями (1-4), обозначенными кругами (Фиг. 2);
- длина каждого участка из S1…S4, включая и S1+S2, S1+S3 (Фиг. 1) и S1…S5 (Фиг. 2) не должна быть менее минимального и более максимального значения. Эти ограничения связаны с характеристиками объекта (материал и толщина стенки емкости, вязкость жидкости и т.п.) и призваны обеспечить необходимый динамический диапазон изменения сигнала для заданной точности в соответствующих каналах измерений при рабочих условиях.
С практической точки зрения для упрощения расчетов, связанных с геометрией расположения ультразвуковых акустических преобразователей на поверхности емкости, если позволяют вышеуказанные ограничения, предпочтительно, чтобы все эти преобразователи были установлены в одной плоскости сечения.
Когда длина измерительных участков достигает верхнего значения ограничения, тогда плоскость, в которой устанавливаются ультразвуковые акустические преобразователи в случае замкнутого контура превращается в строго вертикальную плоскость поперечного сечения или вдоль одной линии, лежащей в плоскости, совпадающей с вертикалью к поверхности жидкости - для случая незамкнутого контура. Если длина измерительных участков достигает нижнего значения ограничения, тогда плоскость и линия установки акустических преобразователей будут пересекаться с плоскостью, в которой лежит вертикаль к поверхности жидкости.
На Фиг. 2 показан общий вариант установки ультразвуковых акустических преобразователей на поверхности стенки сосуда произвольной формы с незамкнутым контуром, когда длины участков S1…S5 не находятся на границах ограничений. В любом случае, важно, что данный способ установки ультразвуковых акустических преобразователей обеспечивает контроль уровня жидкости в любом его сегменте h1…h5 в первом случае и h1…h3 - во втором, как минимум, двумя участками из S1…S4, включая и S1+S2, S1+S3 для первого случая и для S1…S5 - во втором, соответственно.
Важно так же то, что локальная зона неоднозначности, связанная с любым ультразвуковым акустическим преобразователем, находящимся внутри общей рабочей зоны изменения уровня, при таком способе установки, будет дополнительно контролироваться измерительным участком, образованным смежной парой ультразвуковых акустических преобразователей. Важно также заметить, то, как в первом, так и во втором случае длины участков S1…S5 и S1+S2, S1+S2 в общем случае не являются длиной прямых линий, соединяющих соответствующие пары ультразвуковых акустических преобразователей и их простой суммой, а являются длиной кривых линий, определяемых поверхностью и геометрией расположения на ней соответствующих ультразвуковых акустических преобразователей.
Ультразвуковые акустические преобразователи (1-4), с помощью которых формируются и принимаются акустические сигналы (Фиг. 3), установлены на поверхности емкости (резервуара) (5) и подключены к первому входу/выходу шунтирующих блоков (6-9), соответственно, в составе каждого из которых находится шунтирующий резистор R (Фиг. 4) и управляемый электронный ключ (K) (Фиг. 4), с помощью которого этот шунтирующий резистор R подключается параллельно к соответствующему ультразвуковому акустическому преобразователю. Управляющие входы ключей шунтирующих блоков (6-9) связаны с центральным процессором (ЦП) (11), входящего в состав блока формирования и преобразования сигналов (10). Формируя в нужные моменты времени управляющие сигналы на входах этих ключей ЦП (11) обеспечивает тем самым подключение шунтирующих резисторов (R) к входу/выходу соответствующих ультразвуковых акустических преобразователей (1-4), подавляя тем самым их паразитные автоколебания, возникающие после их возбуждения зондирующими импульсами. Вход/выход каждого ультразвукового акустического преобразователя (1-4) непосредственно связан с соответствующим двунаправленным каналом коммутатора (12), который этими каналами обеспечивает подключение в одном такте измерений необходимую пару ультразвуковых акустических преобразователей (1-4), образующих канал измерения на одном из участков S1…S5 (Фиг. 1, 2).
Входной канал коммутатора (12) связан через усилитель мощности (13) с выходным каналом ЦП (11), в котором формируется зондирующий импульс определенной длительности и периодичности. Выходной канал коммутатора (12) через приемный усилитель (14) и далее через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (15) подключен к входу оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) (16), которое двунаправленными своими каналами, включая адресные, связано с соответствующими каналами ЦП 11. ОЗУ (16) хранит поступающие цифровые последовательности в виде структурированных таблиц данных, строки которых содержат данные, относящихся к измеренным значениям сигналов, полученным от соответствующих пар ультразвуковых акустических преобразователей за один полный период измерения, в течение которого принимаются данные от всех измерительных участков. Данные, хранимые в ОЗУ (16), обрабатываются одним из способов, алгоритмы которых записаны в виде программы в ПЗУ (17), подключенное к ЦП (11). ЦП (11) реализует программу обработки цифровых измерительных данных, получаемых от всех каналов путем аналогово-цифрового преобразования в АЦП (15) и записываемых в ОЗУ (16) в течение нескольких циклов, одновременно формирует зондирующие импульсы на входе усилителя мощности (13) и управляющие импульсы на входе шунтирующих блоков (6-9), управляет переключением каналов коммутатора (12) через его управляющий вход, а также производит необходимые вычислительные процедуры, определяющие текущее положение уровня жидкости и выдает это значение на внешний индикатор (18) через подключенный к нему вход. Часть элементов, входящих в устройство, например, ЦП, ОЗУ, ПЗУ, АЦП и внешний индикатор могут быть выполнены на базе микроконтроллера и панельного компьютера.
Устройство для контроля уровня жидкости в резервуарах работает следующим образом. ЦП (11) формирует зондирующий импульс, который усиливается усилителем мощности (13) и через выбранный канал коммутатора (12) подается на вход одного из ультразвуковых акустических преобразователей (1-4) (Фиг. 3), который под действием этого импульса излучает акустический сигнал в стенку емкости (5) в виде волны Лэмба. По окончании действия зондирующего импульса ЦП (11) формирует управляющий импульс на входе одного из шунтирующих блоков (6-9), соответствующего данному акустическому преобразователю, с помощью которого обеспечивается шунтирование его входа/выхода. На время действия управляющего импульса ЦП (11) происходит подключение параллельно входу/выходу ультразвукового акустического преобразователя (одного из 1-4), завершающего излучение акустического сигнала, шунтирующего резистора R (Фиг. 4) через управляющий ключ (К) (Фиг. 4), входящий в шунтирующий блок.
Таким образом подавляются паразитные автоколебания ультразвукового акустического преобразователя, которые удлиняют зондирующий акустический сигнал в виде шлейфа ненужных колебаний, которые приходя с задержкой могут накладываться во времени с полезным сигналом следующего цикла на другом ультразвуковом акустическом преобразователе. Данное шунтирование позволяет исключить возможное наложение полезного и паразитного сигналов и сократить время пауз между циклами измерений и тем самым увеличить общую скорость измерений. Прием и запись оцифрованной измерительной сигнатуры сигнала в ОЗУ (16) в виде строки данных таблицы в одном цикле измерений осуществляется путем подключения приемного усилителя (14) с помощью выходного канала коммутатора (12) к одному двунаправленному его каналу, связанному с другим ультразвуковым акустическим преобразователем, образующим в данном текущем цикле измерительную пару с первым, связанным с одним из участков S1…S5 (Фиг. 1, 2). Аналоговый сигнал приемного усилителя (14) поступает на вход АЦП (15), оцифровывается им и подается на вход ОЗУ (16). Последовательные такты аналогово-цифрового преобразования и записи в ОЗУ (16) синхронизированы и привязаны к началу зондирующего импульса ЦП (11). Время одного цикла измерения связано с временем прохождения зондирующего сигнала контролируемого участка. Оно может выбираться одинаковым для всех участков по максимальному значению, соответствующему самому длинному измерительному участку, либо, для экономии памяти ОЗУ (16) настраиваться под каждый измерительный участок. Количество циклов измерений в одном периоде равно количеству измерительных участков. Периодов измерений, предшествующих обработке (выделение полезного сигнала, фильтрация, усреднение) накопленных цифровых данных может быть несколько.
Обработку и проведение всех вычислительных процедур с полученными измерительными данными, записанными в ОЗУ (16), производит ЦП (11) по алгоритму, реализуемому программой, которая записана в ПЗУ (17). Результатом обработки данных и проведения вычислительных процедур является самонастройка устройства, определение начального положения уровня жидкости, автокалибровка измерительной шкалы участков, постоянное отслеживание текущего положения уровня жидкости и автоматическая коррекция начально-установленных параметров расчета в процессе изменения положения уровня жидкости в пределах всего рабочего диапазона. Текущие и ранее определенные значения уровня жидкости в процессе контроля выдаются на внешний индикатор (18) в цифровой и/или в графической форме.
Отличительной особенностью схемы устройства предлагаемой группы изобретений является то, что в нем используется только один усилитель мощности (13) и один приемный усилитель (14) для всех измерительных каналов, образованных всеми любыми парами ультразвуковых акустических преобразователей (1-4). Это оптимизирует состав элементов устройства, максимально унифицирует эти каналы и делает характеристики всех каналов одинаковыми, исключая тем самым их разброс при эксплуатации, что повышает точность измерения устройства в целом. Введение в состав дополнительно шунтирующих блоков (6-9) существенно повышает общую скорость измерения устройства.
Для случая расположения акустических преобразователей (1-4), представленного на Фиг. 1, автоматическая начальная настроечная процедура и ее алгоритм выглядит следующим образом.
Для начального определения уровня заполнения трубы ее сечение делится на пять сегментов h1…h5, разделенных горизонтальными линиями на высотах установки ультразвуковых акустических преобразователей (1-4). В начале процесса измерений необходимо определить рабочий сегмент (один из h1…h5), на котором находится граница раздела газ-жидкость.
Для выбора рабочего сегмента используется система оценочных функций заданных на основе текущих амплитуд сигналов и параметров установки:
7
1
1
F=arctan(At - A);
8
4
4
F=arctan(At - A);
где
i
F - значение i-той оценочной функции;
i
Α - амплитуды сигнала на одном i-том участке или на образованном суммой двух, i+j смежных участков;
g
K - удельный коэффициент затухания по газу нормальной волны Лэмба, определяемый экспериментально, либо теоретически рассчитывается по известным источникам (Ультразвуковые волны Лэмба. А.И. Викторов. Акустический журнал. Том XI, выпуск 1, 1965 г.);
i
S - расстояние между датчиками на i-том канале;
i
At - выбранное пороговое значение амплитуды на i-том канале (параметр начальной настройки).
ij
Для каждого рабочего сегмента имеется таблица весовых коэффициентов K. Значения оценочных функций перемножаются на соответствующие весовые коэффициенты и находится их взвешенная сумма:
ij
j
Коэффициенты K для каждого сегмента подбираются таким образом, что взвешенная сумма W для j- гo сегмента, на котором находится текущая граница раздела газ-жидкость всегда имеет минимальное значение.
i,max
i,min
Далее, исходя из выбранного сегмента, вычисляются уставки A и Aдля каналов, где состояние известно (заполнен/пуст), используя текущую амплитуду сигнала на канале и табличные значения коэффициента затухания по жидкости.
min
тах
На частично заполненных каналах уставки A и А приблизительно определяются, используя соотношения амплитуд всех каналов и значение коэффициента затухания по жидкости. Значение коэффициента затухания по жидкости определяется экспериментально, либо теоретически рассчитывается по известным источникам
(Ультразвуковые волны Лэмба. А.И. Викторов. Акустический журнал. Том XI, выпуск 1, 1965 г.).
Затем, в зависимости от определенных на данный момент уставок, вычисляют длину части участков, которые заняты жидкостью, используя выражение
где
ж,i
K - удельный коэффициент затухания по жидкости
нормальной волны Лэмба, определяемый экспериментально, либо теоретически по известным источникам (Ультразвуковые волны Лэмба. А.И. Викторов. Акустический журнал. Том XI, выпуск 1, 1965 г.)
ж
Потом находят общую сумму длин дуг измерительных участков на стенках емкости, контактирующих с жидкостью S. Для случая трубы, (Фиг. 1), когда учитываются только перекрытия зоны неоднозначности, связанные с акустическими преобразователями 2 и 3 эта сумма будет равна
И, окончательно вычисляют положение уровня жидкости, его высоту в трубе как
где
ж
H- Уровень жидкости в трубе;R - радиус трубы;
2 - число, определяющее половину дуги контура, по которой жидкость контактирует со стенкой трубы.
i
ж
жi
i
жi
В других случаях, когда все или часть сегментов hi перекрываются участками S более чем два раза, S не будет равна простой сумме всех S. В этих случаях, для одного из меньших смежных пересекающихся участков S, относящихся к одному сегменту, который определен как наиболее вероятный где находится текущее положение уровня жидкости, его S определяют как среднею величину частей смежных участков, участвующих в таком пересечение.
ж
жi
В случае расположения ультразвуковых акустических преобразователей, представленного на Фиг. 2, процесс определения начального положения уровня жидкости относительно сегментов h1…h3 и вычисление значения высоты его положения аналогичен. Отличие состоит лишь в количестве участков контроля S1…S5, в числе сегментов h1…h3, на которые разбивается вся высота зоны контроля уровня и в виде окончательного аналитического выражения для вычисления Н. Последнее определяется как сумма проекций частей линий всех участков S1…S5 занятых жидкостью (S) на вертикальную ось, с учетом их положения от начальной базы и числа пересечений ими наиболее вероятного сегмента, где находится текущее положение уровня жидкости. Данное выражение будет зависеть от геометрии расположения данных участков на поверхности емкости.
1
10
ij
min
ж
г
max
Описанная выше процедура начального определения положения уровня жидкости позволяет значительно повысить достоверность этого определения. Прежде всего, это выражается в том, что система расчетов, производимая с помощью оценочных функций F…F и их весовых коэффициентов K позволяет исключить ложный выбор участка в зоне которого находится текущее положение контролируемого уровня жидкости. Вероятность такого ложного выбора присутствует, прежде всего в зонах неоднозначности, находящихся на краях измерительных участков, когда фактические значения сигналов могут находится в пределах А÷А и А÷А (Фиг. 5).
1
10
ij
Неверный выбор начального положения уровня жидкости относительно измерительного участка, в зоне контроля, которого он находится, приведет к неверной начальной настройке его измерительной шкалы, что снизит точность последующих измерений. Такой ложный выбор исключается за счет того, что в оценке вероятного нахождения исходного положения уровня жидкости, производимого на основе оценочных функций F…F и их весовых коэффициентов K, учитываются значения сигналов для всех участков, в том числе и тех, которые пересекают зоны неоднозначности. Таким образом снимается неоднозначность определения начального положения уровня жидкости.
ij
Пример устранения такой неоднозначности определения положения уровня наглядно показан на графиках изменения значений взвешенных сумм оценочных функций, полученных на реальном прототипе устройства, реализующий предлагаемый способ. Для этого прототипа, на фигурах 6÷10 представлены реальные зависимости уровня жидкости, амплитуд сигналов на измерительных участках, вычисленных оценочных функций и их взвешенных сумм для разных сегментов. В таблице 1 приведены значения весовых коэффициентов K, для конфигурации расположения ультразвуковых двунаправленных акустических преобразователей (Фиг. 1 ), установленные экспериментально исходя из условия, представленного выше.
Представленные графики амплитуд сигналов, обозначенные как А1, А2, A3, А4, А1+А2 и А1+А3 (Фиг. 7) и графики изменения самих оценочных функций F1…F10 (Фиг. 8 и Фиг. 9), еще не позволяют явно выделить временные участки, связанные с сегментами уровня жидкости. Только графики взвешенных сумм этих функций, обозначенные как W1…W5, представленные на Фиг. 10 по тем из них, которые принимают минимальное значение в текущий момент времени, позволяют всегда однозначно выделить пять временных участков. Первый - от начала снижения уровня жидкости, соответствующего времени 16:47:00 до момента, соответствующего точке пересечения графиков W5 и W4; второй - от предыдущего момента до момента, соответствующего точке пересечения графиков W4 и W3; третий - от предыдущего момента до момента, соответствующего точке пересечения графиков W3 и W2; четвертый - от предыдущего момента до момента, соответствующего точке пересечения графиков W2 и W1; пятый - от предыдущего момента до момента окончательно снижения уровня жидкости, соответствующего времени 16:56:00. На этих временных участках уровень жидкости поочередно находится в пяти сегментах (начиная от h5 и заканчивая h1). С каждым из этих сегментов однозначно связана взвешенная сумма оценочных функций. В каждый момент времени минимум этих сумм и определяет однозначно положение уровня жидкости относительно выделенных сегментов.
В процессе дальнейшего контроля положения уровня жидкости и отслеживания момента, когда происходит его изменение относительно начально-определенного настолько, что он оказывается в зоне контроля смежного участка и за пределами его зоны неоднозначности, тогда происходит замена расчетного начального или конечного значения измерительной шкалы предыдущего участка на соответствующее его фактическое значение. Соответственно каждый раз, когда уровень жидкости меняя свое положение пересекает очередную зону неоднозначности, вносятся коррективы в последующие расчеты, производимые на основе оценочных функций, и в определение текущего положения уровня жидкости. Таким образом, обеспечивается полная автонастройка всех измерительных каналов устройства и высокая точность измерений.
жi
В случаях полной или частичной автонастройки каналов устройства, относящихся к измерительным участкам контроля, когда текущее положение уровня жидкости оказывается в их зонах неоднозначности, связанные с точками установки ультразвуковых акустических преобразователей, тогда при расчетах значений S вносятся поправки, компенсирующие отклонение реальной характеристики зависимости степени затухания сигнала от аппроксимирующей функции
логарифмического вида на начальном и конечном ее участках. Эти участки реальной зависимости представлены графиком на Фиг. 5 (выделены пунктирной линией). Вносимые поправки должны уменьшать реальную амплитуду сигнала в начале участка и увеличивать его в конце, когда уровень жидкости приближается к полному заполнению участка. Величина поправки в первом приближении может быть представлена, например, следующим выражением
i
i
i
ΔA ~ ΔΗ*λ/2*S
где
ΔHi - величина отклонения уровня жидкости от начала или конца i -го сегмента при нахождение его в зоне неоднозначности;
λ - длина волны Лэмба, на которой работает устройство;
i
S - длина i - го участка, связанного с зоной неоднозначности.
Данная поправка вносится только для начальных и конечных участков измерительной шкалы, связанных с зоной неоднозначности. Остальные точки положения уровня жидкости на измерительном участке, представленные на графике зависимости сплошной кривой линией (Фиг. 5), как показала практика, достаточно точно определяются с помощью аппроксимирующей функции логарифмического вида, без дополнительной коррекции, а внесение последней повышает точность определения положения уровня жидкости в случаях, когда он попадает в зоны неоднозначности.
g,i
ж,i
В процессе контроля может происходить изменение текущих значений сигналов в каналах, не связанных с участками, в зоне которых находится текущее положение уровня жидкости. Данное обстоятельство может быть связано с влиянием внешних факторов, одним из которых является температура, как внешней среды, так и самого контролируемого объекта. В результате этого могут изменяться некоторые параметры измерительных каналов, относительно первоначально настроенных. Чтобы эти изменения не приводили к дополнительным ошибкам измерения, они учитываются в процессе контроля путем внесения соответствующих поправок в фактические начальные или конечные значения измерительных шкал соответствующих измерительных участков, а также в К или К. Данная процедура повышает точность измерения уровня жидкости при влиянии внешних факторов.
Таким образом, способ и устройство контроля уровня жидкости предлагаемой группы изобретений, суть которых описана выше, в частности, в приведенных выше процедурах начального определения положения уровня жидкости относительно измерительных участков и последующей автонастройки их измерительных шкал с последующей корректировкой расчетных параметров, с помощью которых вычисляется точное положение уровня жидкости, позволяет повысить достоверность определения начального положения уровня жидкости и повысить точность его измерения во всем рабочем диапазоне измерений, а также повысить и скорость этих измерений. Расширяется также и сфера применения предлагаемого способа за счет возможности использования его на узких сосудах вертикального положения, поперечный размер которых не превышает 350 мм.
Несмотря на то, что предлагаемая группа изобретений была подробно описана на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, что эти примеры осуществления изобретения приведены только в целях иллюстрации группы изобретений. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем группы изобретений, поскольку в этапы описанных способов и устройств могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать их к конкретным устройствам или ситуациям, и не выходящие за рамки прилагаемой формулы группы изобретений. В частности, приведенные в описании вид оценочных функций, отражающих относительный характер показателей, определяемых на основе абсолютных измерительных данных, может быть и иным в конкретных реализациях. В данной области техники понятно, что в пределах сферы действия группы изобретений, которая определяется пунктами формулы изобретения, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения.