Электронно-акустическое устройство измерения уровня, плотности и вязкости жидких сред

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня, плотности и вязкости жидких сред в резервуарах с учетом возможного расслоения жидкости при хранении.
Известно электронно-акустическое устройство для измерения уровня жидкостей, основанное на фиксации времени распространения зондирующего и отраженного акустических импульсов в направлении границы сред (патент на изобретение RU 1757304 С G01F 23/28 опубл. 30.08.1994, полезная модель RU16313 U1 G01F 23/28 опубл. 20.12.2000). Известен также ультразвуковой уровнемер (полезная модель RU48629 U1 G01F 23/28, опубл. 27.10.2005), содержащий многоканальный генератор, генератор стробирующих импульсов, блок обработки и индикации, измерительный канал, эталонный канал и канал измерения уровня подтоварной воды. Акустическая часть измерительного канала выполнена в виде Г-образной трубы, состоящей из вертикального, с продольной щелью, и горизонтального участка с отверстием в нижней части для удаления отложений. В горизонтальном участке трубы размещены преобразователь, излучающая поверхность которого расположена вертикально, и отражатель, ориентированный под углом 45° к поверхности преобразователя.
Общим недостатком данных устройств является невозможность измерения плотности продуктов.
Прототипом заявляемой полезной модели является электронно-акустическое устройство измерения уровня и плотности нефтепродуктов (полезная модель RU150171 U1 G01F 23/28, G01N 29/024 опубл. 10.02.2015), содержащее генератор импульсов возбуждения, акустический измерительный канал, выполненный в виде Г-образной трубы, состоящей из вертикального и горизонтального участка с отверстием в нижней части для удаления отложений, а в горизонтальном участке трубы размещены преобразователь, излучающая поверхность которого расположена вертикально, и отражатель ориентированный под углом 45° к поверхности преобразователя, при этом в акустическую часть измерительного канала добавлены расположенные на фиксированном расстоянии по длине вертикальной трубы промежуточные акустические отражатели, а схема обработки электрических сигналов состоит из генератора импульсов возбуждения и блока микропроцессорной обработки сигналов, подключенных параллельно к электроакустическому преобразователю измерительного канала.
Основным недостатком указанного устройства является невозможность измерения вязкости жидкости ввиду низкой точности измерения акустического затухания, что обусловлено двумя причинами. Первой причиной является значительная разница в плотности между воздухом и ближайшей к нему жидкой средой, вследствие чего коэффициент отражения акустической волны от границы сред воздух / жидкость стремится к единице и почти не зависит от плотности. Вторая причина снижения точности возникает при эксплуатации - стенки трубы измерительного канала покрываются налетом, изменяющим акустическое сопротивление волновода и как следствие - влияющие на амплитуду и конечные измерения.
Поставлена задача расширить функциональные возможности путем добавления измерения вязкости жидких сред.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор импульсов возбуждения, выход которого подключен к акустическому преобразователю, излучающая поверхность которого расположена вертикально и отражатель, ориентированный под углом 45° к поверхности преобразователя, согласно полезной модели вертикально над отражателем через фиксированные расстояния расположены акустические приемники, электрические выходы которых подключены к многоканальному устройству обработки сигналов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображена структурная схема предложенного устройства. Схема содержит генератор импульсов возбуждения 1, акустический преобразователь 2, отражатель акустического сигнала 3, расположенные на фиксированном расстоянии по высоте акустические приемники 4, многоканальное устройство обработки сигналов 5. Измерение параметров жидкостей производится в резервуаре 6.
Устройство работает следующим образом. Генератор 1 формирует в диапазоне частот 50-500 кГц зондирующий сигнал, который поступает на вход электроакустического преобразователя 2. Полученный акустический сигнал отражается от отражателя 3, затем проходит мимо акустических приемников 4, которые передают электрический сигнал в многоканальное устройство обработки сигналов 5. Отраженные от границ сред сигналы также фиксируются приемниками 4 для дальнейшей обработки.
Основным способом определения уровня жидкости при акустических измерениях является измерение времени распространения сигнала от акустического преобразователя до границы сред и обратно. На время распространения прямым образом влияет скорость звука в среде, которая зависит от множества факторов, таких как химический состав, плотность, температура. Для получения точной скорости звука в измеряемой среде используются различные методы: в прототипе для измерения применены реперные отражатели, позволяющие измерить реальную скорость звука на наиболее близком известном отрезке перед границей сред. В предлагаемом устройстве вместо реперных отражателей используются акустические приемники, при этом уровень жидкости в резервуаре Н определяется по формуле:
n
где H - высота n-ного акустического приемника, при этом n - номер ближайшего снизу перед границей жидкость/воздух акустического приемника;
Δt - время прохождения акустической волной расстояния туда-обратно между границей сред и ближайшим акустическим приемником;
n
c - скорость звука на отрезке между ближайшим погруженным в жидкость и предыдущим акустическим приемником. Считается, что она не сильно отличается от скорости звука в среде между границей сред и n-ным акустическим приемником;
n
t - время прохождения акустической волной расстояния до n-ного акустического приемника.
Плотность жидкости может быть определена двумя способами. В первом случае, если заранее известен химический состав жидкости, можно воспользоваться известными эмпирическими зависимостями. Целый ряд жидкостей имеют известную зависимость плотности от скорости звука. Для нефтепродуктов зависимость, с погрешностью менее 2% приведена ниже:
В общем случае, когда измеряется жидкость с заранее неизвестными параметрами, можно использовать второй способ измерения. Суть данного метода состоит в том, чтобы измерить акустическое давление в среде, а также акустическое давление, прошедшее через материал с известными параметрами - так называемый буферный стержень. Таким образом, каждый такой акустический приемник состоит из двух пьезоэлементов, где первый снимает звуковую волну непосредственно с жидкости, а второй - звуковую волну, прошедшую через буферный стержень с известными свойствами. Плотность жидкости в таком случае будет вычисляться по формуле:
n
где c - скорость звука около акустического приемника, измеренная по формуле (1);
m
m
c, ρ - скорость звука и плотность известного материала;
К - отношение амплитуды сигнала, прошедшего через буферный стержень, к амплитуде прямого сигнала.
Для нахождения вязкости сначала определяется диссипативный коэффициент b из формулы:
где Z - затухание звука по амплитуде;
х - отрезок, на котором измеряется затухание;
n
n
ρ, c - плотность и скорость звука на отрезке;
ω - частота акустического сигнала.
Диссипативный коэффициент b для жидкости описывается двумя основными составляющими:
где η, ζ, - сдвиговая и объемная вязкости.
При известном коэффициенте связи υ между ними сдвиговая вязкость равна:
Применение акустических приемников вместо реперных отражателей дает ряд преимуществ. Во первых, каждый приемник фиксирует прямой сигнал от излучателя большой амплитуды, что повышает помехоустойчивость, а как следствие - повышение точности определения скорости звука на отрезках между приемниками, что приводит к увеличению точности в целом. В системах с реперными отражателями сигнал, отраженный от репера по амплитуде слабее в десятки раз, поскольку проходит значительный обратный путь к акустическому преобразователю, при этом количество и отражающая способность реперов сильно ограничивается, чтобы не вызвать сильное затухание распространяющемуся сигналу. Таким образом, применение отдельных акустических приемников также практически снимает ограничения на их количество и шаг между ними. Во вторых, из-за отсутствия необходимости отправлять слабый акустический сигнал обратно по той же траектории к акустическому преобразователю, возникает возможность отказаться от волновода. При этом отраженный от границы сред сигнал фиксируется ближайшим акустическим приемником. Отказ от волновода упрощает обслуживание системы - достаточно следить за чистотой рабочих поверхностей электроакустических устройств и отражателя.
Третье преимущество использования акустических приемников -простота определения границ расслоившейся жидкости в резервуаре (граница между первой и второй средой на чертеже). Коэффициент отражения от границы сред определяется выражением:
1
2
где ρ, ρ - плотность первой и второй среды соответственно;
1
2
c, с - скорость звука в первой и второй среде соответственно.
1
2
2
2
При небольшом различии произведений ρ⋅c и ρ⋅c коэффициент отражения может быть незначительным. В устройстве с реперными отражателями, описанном в прототипе, возникает проблема отличить сигналы от реперных отражателей с сигналами отражения от границы сред расслоенной жидкости, поскольку амплитуды их могут находиться на одном уровне.
Четвертое преимущество связано с тем, что при отсутствии волновода жидкость может свободно циркулировать в области акустических приемников. При применении волноводов, как в прототипе, не обеспечивается такое же расслоение и уровень жидкости внутри волновода, как снаружи него. Соединение объема волновода с баком происходит внизу резервуара и заполняться волновод будет более плотной средой снизу резервуара. Частично проблему решают отверстия в волноводе, которые к тому же могут выполнять функцию реперных отражателей, однако, обмен жидкостью из внутренней полости трубы с резервуаром все равно оказывается затрудненным. Отсутствие волновода в предлагаемом устройстве гарантирует точный результат измерений слоистых сред.
При реализации устройства для акустического преобразователя 2 и акустических приемников 4 были использованы пьезопреобразователи из материала ЦТС-19. Акустические приемники выполнены в виде цилиндра диаметром 5 мм, при таких размерах акустическая тень на следующие приемники не оказывает влияния. Чувствительные поверхности приемников направлялись вниз резервуара, что осложняет их загрязнение, при этом отражение от границы сред принимается ближайшим приемником без осложнений. Зеркало 3 было сделано из нержавеющей стали. Для дополнительной фокусировки акустического луча оно может иметь параболическую форму. Следует также отметить, что на практике в формулу (4) ввиду расхождения акустического луча и возникающего рассеивания для каждого приемника вводится поправочный коэффициент.
По сравнению с аналогами данное устройство благодаря расположению акустических приемников на известном расстоянии по высоте обеспечивает повышение точности измерения затухания звуковой волны, что позволяет измерять вязкость жидкости. Кроме того, для всех измеряемых параметров может быть получен профиль распределения по высоте.