СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
METHOD FOR MEASUREMENT OF LIQUID LEVEL

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровней жидких сред в закрытых резервуарах в коммунальном хозяйстве, нефтяной промышленности и на транспорте.
Широко известны способы измерения уровня жидкостей методом акустической локации, когда измеряется время прохождения акустической волны от излучателя до границы раздела сред и обратно и определяется расстояния по формуле
x
z
L=VT/2,
z
где V - скорость звука, Т - время распространения ультразвуковой волны в прямом и обратном направлениях.
Недостатком этого способа и реализующих его устройств является зависимость скорости ультразвука от параметров газовой среды над жидкостью: температуры, давления, состава и т.д., что приводит к дополнительной погрешности измерения.
Для устранения этого недостатка используют способ коррекции скорости распространения акустической волны по измеренной температуре газовой среды распространения акустического сигнала в процессе локации. Использование этого способа усложняет устройство и учитывает только один дестабилизирующий фактор.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, описанный в патенте РФ на полезную модель «Электронно-акустическое устройство измерения уровня жидкости» измерения [1], использующий основной отраженный сигнал и сигнал, отраженный от реперного отражателя, вычисление текущей скорости распространения звуковой волны и расчет уровня жидкости по соответствующей формуле.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения, устранения погрешности при изменяющихся параметрах газовой среды над жидкостью: температуры, давления, состава и т.д., и обеспечение измерения уровня по всей высоте резервуара.
1
2
Это достигается тем, что в способе измерения уровня жидкости, заключающемся в излучении зондирующего акустического импульса и приема отраженного сигнала от раздела сред, согласно предлагаемому изобретению измеряют время распространения акустической волны, излучаемой обратимым ультразвуковым преобразователем (излучателем-приемником), который устанавливают на заданном (эталонном) расстоянии от верхней границы диапазона измерения уровня жидкости до границы раздела сред и обратно (основного отраженного сигнала T), и время распространения акустической волны по пути: излучатель, раздел сред, верхнее перекрытие резервуара обратно до раздела сред и до ультразвукового преобразователя (переотраженного сигнала T), и вычисляют измеряемый уровень жидкости по формуле
,
0
где L - эталонное расстояние.
Из полученного выражения следует, что измеряемый параметр - уровень раздела газообразной и жидкой сред - не зависит от скорости распространения акустической волны в газовой среде.
На фиг.1 представлена электрическая функциональная схема ультразвукового уровнемера, реализующего предлагаемый способ измерения уровня жидкости.
Устройство содержит резервуар (объект измерения) 1, колодец с крышкой 2, обратимый электроакустический преобразователь (излучатель-приемник) 3 и последовательно соединенные генератор пачки зондирующих импульсов 4, коммутатор режима работы электроакустического преобразователя 5, усилитель 6, блок фильтрации и дешифрации отраженных сигналов 7, блок измерения 8, устройство управления 9, синхронизующее работу всех блоков уровнемера, устройство обработки информации 10, индикатор 11.
На фиг.1 также показаны путь распространения основной акустической волны 13 и переотраженной волны 12.
Предлагаемый способ измерения уровня жидкости реализуется следующим образом.
Возбуждение электроакустического преобразователя 3 в режиме излучения и формирование зондирующего импульса осуществляется с помощью генератора пачек зондирующих импульсов 4, параметры которого - частота, число импульсов в пачке - устанавливаются заранее. Режим работы «излучение - прием» осуществляется с помощью коммутатора 5.
Из всего многообразия путей распространения излучаемого и отраженных акустических колебаний используемыми в данном случае являются два, обозначенные на фиг.1 как 12 и 13.
Время распространения сигнала по пути 13 определяется уравнением
0
z
где L - заданное (эталонное) значение уровня, определяемое как расстояние между электроакустическим преобразователем и верхним уровнем резервуара, V - скорость распространения акустической волны в момент измерения.
Время распространения сигнала по пути 12 (см. фиг.1, 2) можно определить из выражения
1
2
Принятые электроакустическим преобразователем 3 отраженный сигнал через время Т и переотраженный через время T усиливаются усилителем 6 и подаются на блок фильтрации и дешифрации отраженного сигнала 7, где осуществляется анализ сигнала по частоте (периоду) и числу импульсов в пачке с одинаковым периодом.
1
2
1
2
По выделенным импульсам (см. фиг.2), ограничивающим временные интервалы Т и T, блок измерения 8 определяет интервалы Т и T, а блок 10 обрабатывает полученную информацию.
Решение полученной системы уравнений (1) и (2)
x
относительно L будет определяться выражением
.
ж
Уровень жидкости в резервуаре L относительно дна можно определить по формуле
ж
max
x
L=L-L,
max
где L - максимально возможное значение измеряемого уровня жидкости в резервуаре.
Реализация вычислительных операций возможна как аналоговыми, так и цифровыми средствами. Однако очевидно, что применение цифровых технологий обработки временного сигнала является, в данном случае, предпочтительным.
Результат измерения передается на индикатор 11. Работа всех устройств и блоков уровнемера синхронизируется устройством управления 9.
0
Использование эталонного значения уровня L позволяет определить текущую скорость распространения ультразвука, что исключает влияние возмущающих воздействий; установка электроакустического преобразователя на заданном расстоянии в колодце позволяет исключить мертвую зону акустического излучателя и обеспечить измерение уровня по всей высоте резервуара, увеличение пути распространения акустической волны при определенной разрешающей способности прибора позволяет также повысить точность измерения.
Практическая реализация ультразвукового уровнемера, осуществляющего предложенный способ, на основе однокристального микроконтроллера PIC18F2620 показала достаточно высокие метрологические характеристики при проведении измерений в условиях закрытых и открытых канализационных и водозаборных станций. В частности, при диапазоне измерения уровня 6 м получена разрешающая способность 10 мм и основная и дополнительная составляющие погрешности во всем диапазоне изменения температур от -25°С до +25°С и соответствующей влажности и давления воздушной среды не превысила значение младшего значащего разряда.
Источник информации
1. Свидетельство на полезную модель RU №53001. Электронно-акустическое устройство измерения уровня жидкости. Борминский С.А., Скворцов Б.И. - опубликовано: 27.04.2006, Бюл. №12.