СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЕЙ МНОГОСЛОЙНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING LEVELS OF MULTILAYER MEDIA AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована для измерения уровня и границ раздела сред в нефтеперерабатывающей, химической, пищевой промышленности.
Известен измеритель уровня и границы раздела двух сред, представленный в описании к патенту US 3424002, опубл. 28.01.1969, МПК G01F 23/26, содержащий отрезок длинной линии, выполненный в виде прямолинейного стержня, пересекающего границу раздела первого и второго продуктов, импульсный генератор, подключенный к верхнему концу отрезка длинной линии, приемник отраженных сигналов и измеритель временных интервалов, в качестве которого использован электронный осциллограф. При подаче на вход линии импульсного сигнала он распространяется вдоль нее и последовательно отражается от положений, соответствующих уровню первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов, в результате по временным интервалам между зондирующим и отраженными сигналами определяются положения уровня первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов.
Недостатком технического решения является низкая точность определения уровней, обусловленная отсутствием возможности измерения скорости распространения сигнала в измеряемых средах, которая зависит от диэлектрических свойств первого и второго продуктов.
Известен измеритель уровня и границы раздела двух продуктов, представленный в описании к патенту US 6198424 В1, опубл. 06.03.2001, МПК G01S 13/08, G01R 27/04, в котором микроволновые импульсы подаются в верхний конец длинной линии, выполненной в виде прямолинейного стержня. В процессе распространения сигналов вдоль линии возникают частичные отражения сигналов от уровня первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов. По временным интервалам между зондирующим и отраженными импульсами определяется уровень первого продукта, а также граница раздела первого и второго продуктов. С целью коррекции показаний в устройстве осуществляется вычисление скорости распространения микроволновых импульсов в первом продукте, по величине его диэлектрической проницаемости, которая, в свою очередь, рассчитывается по отношению измеренных устройством амплитуд зондирующего сигнала и сигнала отраженного от уровня первого продукта.
Недостатком устройства является высокая погрешность метода определения диэлектрической проницаемости первого продукта по амплитудам зондирующего и отраженного сигналов, что сказывается на точности определения скорости распространения сигналов в среде. Высокая погрешность измерения диэлектрической проницаемости обусловлена зависимостью амплитуды отраженного импульса не только от диэлектрической проницаемости, но и от его электропроводности продукта, что не учитывается при расчете. Кроме того, диэлектрическая проницаемость рассчитывается только для первого продукта, что не учитывает возможных градиентных изменений диэлектрической проницаемости по толщине.
Наиболее близким к заявляемом способу измерения уровней многослойных сред и устройству для его осуществления является техническое решение, представленное в описании к патенту РФ 2491519, опубл. 27.08.2013, МПК G01F 23/28, областью применения которого является измерение уровня жидкости в условиях значительных изменений диэлектрической проницаемости газовой среды над ее уровнем, преимущественно для контроля уровня воды в энергетических паровых котлах. Отличительной характеристикой технического решения является использование в качестве измерительного зонда отрезка длинной линии с регулярными неоднородностями по его длине, представляющими собой утолщения прямолинейного стержня, а также снабжение уровнемера блоком калибровки. Следствием наличия регулярных (локальных) неоднородностей по длине отрезка измерительной линии является частичное отражение от них микроволновых импульсов, что позволяет с помощью блока калибровки по измеренному интервалу времени между микроволновыми импульсами, отраженными от смежных регулярных неоднородностей отрезка линии, расположенных в газовой среде над уровнем жидкости и заданному расстоянию между ними определить скорость распространения электромагнитной волны вдоль отрезка длинной линии в газовой среде. Техническим результатом прототипа является повышение точности измерения уровня в условиях значительных изменений диэлектрической проницаемости газовой среды над уровнем жидкости.
Недостатком технического решения является то, что при наличии регулярных неоднородностей в линии передачи происходит множественное отражение электромагнитных волн, распространяющихся в прямом и обратном направлениях, что приводит к усложнению временной диаграммы сигналов (рефлектограммы) вследствие интерференции сигналов. Сложность рефлектограммы возрастает пропорционально количеству неоднородностей в отрезке измерительной линии и приводит к неоднозначности ее интерпретации, особенно применительно к многокомпонентным средам, а также средам с низким значением диэлектрической проницаемости. Кроме того, наличие стационарных неоднородностей в линии передачи приводит к уменьшению энергии зондирующего сигнала, распространяющегося вдоль линии передачи, и ограничивает дальность определения границ раздела сред.
Задачей группы изобретений является реализация способа и устройства для измерения уровней и границ раздела многослойных сред, основанных на измерении скорости распространения электромагнитных волн в слоях исследуемой среды.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении точности измерения уровней и границ раздела многослойных сред, за счет минимизации паразитного влияния локальных неоднородностей при измерении скоростей распространения электромагнитных волн в слоях исследуемой среды.
Как и в прототипе, способ измерения уровней многослойных сред, включает воздействие на измерительный зонд, представляющий собой линию передачи, содержащую неоднородности, тестовым электрическим сигналом, регистрацию отклика на это воздействие, определение задержек распространения сигналов в измеряемых средах путем обработки отклика, вычисление положений границ раздела сред по измеренным задержкам и скорости распространения сигналов в каждой из сред.
Отличие от прототипа состоит в том, что для определения скоростей распространения сигналов в измеряемых средах в составе измерительного зонда используются неоднородности с управляемыми электрическими параметрами.
Технический результат достигается тем, что в линию передачи измерительного зонда включены локальные неоднородности, электрические параметры которых могут быть изменены посредством внешнего управляющего воздействия. Управление электрическими параметрами неоднородностей позволяет локально изменить коэффициенты отражения электромагнитного сигнала в определенных точках измерительного зонда, и, путем обработки рефлектограммы, определить скорости распространения электромагнитных волн в слоях исследуемой среды. На этапе измерения уровней границ раздела сред локальные неоднородности могут быть отключены, а их паразитное влияние - минимизировано.
Воздействие на измерительный зонд тестовым сигналом и регистрация отклика на воздействие могут быть выполнены несколько раз и каждое из таких воздействий может соответствовать различным электрическим параметрам неоднородностей, входящих в состав измерительного зонда.
Для изменения электрических параметров неоднородностей может использоваться как внешнее управляющее воздействие, так и задание определенной формы тестового электрического сигнала.
Устройство, как и в прототипе, содержит блок управления, подключенный к генератору и приемнику, выходы которых подключены к измерительному зонду, выполненному в виде отрезка линии передачи, содержащего неоднородности, расположенные на известных расстояниях от входа, погруженному в измеряемую среду. Отличие от прототипа заключается в том, что в качестве неоднородностей используются элементы, электрические параметры которых могут изменяться посредством управляющего сигнала, формируемого блоком управления.
Причем, управление электрическими параметрами неоднородностей может осуществляться как по линии передачи, входящей в состав измерительного зонда, так и по дополнительной линии или линиям, соединяющим блок управления и входы элементов, образующих неоднородности.
Далее приводится пример конкретного выполнения устройства и способа.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.
На Фиг. 1 показана структурная схема измерительной установки для осуществления предложенного способа.
На Фиг. 2 показан вариант реализации измерительного зонда в виде отрезка двухпроводной линии передачи, содержащего неоднородности с управляемыми электрическими параметрами.
На Фиг. 3 показан вариант реализации измерительного зонда в виде отрезка коаксиальной линии передачи, содержащего неоднородности с управляемыми электрическими параметрами. Причем управление электрическими параметрами неоднородностей может осуществляться как по самой коаксиальной линии, так и по дополнительным линиям, подключенным к неоднородностям.
На Фиг. 4 представлены примеры рефлектограмм, полученных при использовании измерительного зонда, содержащего неоднородности с управляемыми электрическими параметрами.
На Фиг. 5 приведена обобщенная схема алгоритма измерения уровней и параметров слоев многослойной среды.
4
1
2
3
1
2
3
Структурная схема, представленная на Фиг. 1, содержит блок управления 1, подключенный к генератору 2 и приемнику 3, выходы которых соединены с измерительным зондом 4 длиной х, содержащим неоднородности 5, расположенные на расстояниях x, х, x от входа, погруженным в многослойную жидкую среду, состоящую из трех слоев, имеющих длины (высоты) h, h, h. Многослойная среда состоит из воздушного слоя 6, первого жидкого слоя 7, образующего с воздушным слоем 6 границу раздела сред 8, имеющую уровень , второго жидкого слоя 9, образующего с первым жидким слоем 7 границу раздела 10, имеющую уровень . Уровни границ раздела определены относительно начала измерительного зонда. Примером трехслойной среды может служить структура воздух-нефть-вода в резервуаре вертикальном стальном (РВС) для нефтеперерабатывающей промышленности.
В качестве блока управления 1, в конкретном варианте выполнения устройства, может использоваться персональный компьютер, обладающий интерфейсами управления для подключения к генератору 2 и приемнику 3. В качестве генератора 2 может быть использован генератор Tektronix AWG5202, позволяющий генерировать сигналы произвольной (синтезируемой) формы с частотой до 10 ГВыб/сек, варьировать в широких пределах амплитуду, длительность, полярность импульсов, устанавливать постоянное смещение в тестовом сигнале, формировать цифровые пакеты. В качестве приемника 3, в одном из вариантов выполнения устройства, может быть использован стробоскопический осциллограф DSA8300 в комплекте со входным смесителем Р8018. Приведенное сочетание приборов позволяет проводить рефлектометрический анализ объектов с использованием сигналов произвольной формы в полосе частот до 20 ГГц и разрешением по времени 17 пс.
На Фиг. 2 представлен вариант исполнения отрезка измерительного зонда в виде двухпроводной линии передачи, состоящей из проводников 11, между которыми закреплены неоднородности 5, выполненные в виде печатного узла, состоящего из печатной платы 12 с установленной на ней управляемым элементом 13. Каждый из контактов управляемого элемента 13 электрически соединен через проводники на печатной плате 12 с одним из проводников 11 двухпроводной линии.
В конкретном варианте выполнения устройства в качестве управляемого элемента 13 могут быть использованы диоды, например HSMS-8202, аноды которых через проводники на печатной плате 12 соединены с первым проводником 11 измерительного зонда 4, а катоды через проводники на печатной плате 12 соединены со вторым проводником 11 измерительного зонда 4. Тестовый сигнал, формируемый генератором 2, представляет собой импульс Гаусса положительной полярности длительностью 100-200 пс, амплитудой 0,5-1,2 В. Первый проводник 11 измерительного зонда 4 подключается к выводу высокого потенциала генератора 2, второй проводник 11 измерительного зонда 4 - к выводу низкого потенциала генератора 2 таким образом, что обеспечивается прямое включение диодов по отношению к тестовому сигналу. При прохождении тестового сигнала через точки локализации неоднородностей 5 разность потенциалов между проводниками 11 измерительного зонда 4 приводит к изменению сопротивления неоднородностей 5, что формирует локальные отклики от каждой из таких неоднородностей 5. Измерение задержек между такими откликами позволяет определить скорости распространения электромагнитных волн в слоях исследуемой среды, лежащих между соседними неоднородностями 5.
Для исключения (минимизации амплитуды) откликов от локальных неоднородностей 5 к тестовому сигналу, представляющему собой импульс Гаусса положительной полярности длительностью 100-200 пс, амплитудой 0,5-1,2 В, может быть добавлено отрицательное смещение 1-2 В, обеспечивающее запертое состояние диодов, входящих в состав управляемых элементов 13.
На Фиг. 3, а, представлен вариант исполнения отрезка измерительного зонда в виде коаксиальной линии передачи, состоящей из внутреннего проводника 14 и внешнего проводника 15, при этом внутренний и внешний проводники разделены на сегменты 16, между которыми располагаются неоднородности 5, выполненные в виде печатного узла, представленного на Фиг. 3, б. Печатный узел состоит из печатной платы 12, содержащей управляемый элемент 13. Сегменты 16 закреплены между собой с помощью сварного или резьбового соединения.
Управление электрическими параметрами неоднородностей 5 при коаксиальном исполнении измерительного зонда может быть осуществлено аналогично способу, описанному для двухпроводной линии передачи. В качестве управляемых элементов 13 могут быть использованы диоды, например HSMS-8202, катоды которых через проводник на печатной плате 12 электрически соединены с внутренним сигнальным проводником 14 коаксиальной линии, а аноды - с внешним проводником 15 коаксиальной линии.
Кроме того, управление электрическими параметрами неоднородностей 5 может быть осуществлено с помощью дополнительных линий, соединенных с блоком управления 1. Для этого в качестве управляемых элементов 13 могут быть использованы, транзисторы, например BFR92AW, управление которыми выполняется путем подачи управляющих сигналов на базу/затвор транзисторов. Линии связи базы/затвора транзисторов, выполняющих функцию управляемых элементов 13, могут быть соединены с блоком управления 1 через отверстия 17.
Приведенные примеры конкретной реализации устройства позволяют осуществлять управление электрическими параметрами неоднородностей 5, входящих в состав измерительного зонда 4, как путем задания определенной формы тестового электрического сигнала (установка отрицательного смещения), так и с использованием внешнего управляющего воздействия по отдельным линиям. Во втором варианте реализации становится возможным независимое управление параметрами каждой из неоднородностей 5.
На Фиг. 4 приведены примеры рефлектограмм измерительного зонда, погруженного в трехслойную среду.
см
0
3
0
3
Рефлектограмма Фиг. 4, а содержит тестовый импульс 18, отклик 19, отраженный от границы раздела сред 8, отклик 20, отраженный от границы раздела 10, и отклик 21, отраженный от конца измерительного зонда и соответствует режиму измерения, при котором обе управляемые неоднородности 5 "отключены" в результате приложения отрицательного напряжения смещения U. Представленные отклики характеризуются временными координатами t-t и амплитудами А-A.
1
3
1
3
На Фиг. 4, б представлена рефлектограмма, содержащая кроме тестового сигнала 18, откликов 19, 20 и 21, отклики от первой неоднородности 22, расположенной в воздушной среде 6, отклик от второй неоднородности 22, расположенной в первой жидкой среде 7, и отклик от третьей неоднородности 23, расположенной во второй жидкой среде 9. Отклики от неоднородностей характеризуются временными координатами t'-t' и амплитудами А'-А'.
Представленная рефлектограмма может быть получена, по меньшей мере, двумя способами:
см
1) исключением постоянного отрицательного смещения U в тестовом сигнале в случае управления неоднородностями путем задания формы тестового сигнала;
2) подачей управляющего воздействия на каждую из неоднородностей в случае управления по отдельным линиям.
На Фиг. 4, в-г приведены рефлектограммы, соответствующие адресному управлению параметрами неоднородностей входящих в измерительный зонд. Представленные рефлектограммы соответствуют режимам включения первой (Фиг. 4, в), второй (Фиг. 4, г) и третьей (Фиг. 4, д) неоднородностей по отдельности, что может быть достигнуто, например, путем управления параметрами неоднородностей по отдельным линиям.
На Фиг. 5 приведена обобщенная схема алгоритма измерения уровней и параметров слоев многослойной среды для реализации предлагаемого способа, применение которого будет показано на примере рефлектограмм, представленных на Фиг. 5.
0
Первым шагом является измерение временной диаграммы U(t), соответствующей состоянию зонда 4 при котором все входящие в его состав управляющие неоднородности 5 "отключены", либо их влияние сведено к минимуму (см. Фиг. 4, а).
1
K
Следующим шагом является последовательное изменение состояний неоднородностей и измерение рефлектограмм измерительного зонда U(t)-U(t), где K - количество возможных комбинаций состояний неоднородностей, достаточное для проведения измерения.
1
В случае управления неоднородностями путем задания формы тестового сигнала K=1, результатом измерения является рефлектограмма U(t), представленная на Фиг. 4, б.
2
4
В случае управления неоднородностями управления по отдельным линиям K=N, где N - количество неоднородностей в измерительном зонде, в данном примере конкретной реализации K = 3, результатом измерений будут являться рефлектограммы U(t)-U(t), представленные на Фиг. 5, в, г, д.
Следующим шагом является анализ измеренных рефлектограмм с целью формирования двух векторов временных координат:
B
0
1
2
Т - вектор, содержащий временные координаты t, t, t откликов, отраженных от границ раздела сред;
L
1
2
3
T - вектор, содержащий временные координаты t', t', t' откликов, отраженных от неоднородностей.
1
2
3
L
κ
Для определения временных координат t', t', t' и формирования вектора T удобно предварительно рассчитать функции разности рефлектограмм ΔU(t) по формуле:
κ
κ
κ
Положение первых максимумов функций ΔU(t) позволит определить временные координаты t' и амплитуды А' неоднородностей k.
B
L
В данном примере конкретной реализации вектора Т и T будут иметь вид (см. Фиг. 4):
B
L
0
Следующим шагом является нормирование векторов временных координат Т и T путем вычитания временной координаты тестового сигнала t. Для рассматриваемого варианта конкретной реализации нормированные вектора  будут иметь вид:
Элементы нормированных векторов  имеют физический смысл задержек сигналов, отраженных от границ раздела сред и неоднородностей измерительного зонда относительно тестового сигнала.
Следующим шагом является формирование вектора задержек D, предназначенного для установления соответствия задержек сигналов, отраженных от неоднородностей измерительного зонда, конкретным слоям измеряемой среды, в которых эти неоднородности находятся.
i
i
Вектор задержек D состоит из М элементов (по числу слоев многослойной среды), каждый из которых представляет собой транспонированный вектор [d] из N, элементов (по числу неоднородностей в слое с индексом i):
где i - номер слоя (1…М);
М - количество слоев многослойной среды;
i
j - номер неоднородности в слое i (1…N);
i
N - количество неоднородностей в слое i.
j
1
2
M
Элементы d векторов [d], [d], …, [d], входящих в состав вектора D, содержат информацию о задержке отклика от неоднородности j, расположенной в слое i, относительно отклика от начала слоя i. При этом на каждый слой среды может приходиться одна или несколько неоднородностей.
Формирование вектора задержек D выполняется путем поэлементного сравнения задержек нормированных векторов . При этом считается, что неоднородность с номером j находится в слое измеряемой среды с номером i, если выполняется условие:
Для данного примера конкретной реализации, когда на каждый из слоев исследуемой среды приходится по одной неоднородности, вектор D имеет вид:
j
1
2
M
Вектор расстояний S имеет структуру аналогичную структуре вектора задержек D, с тем лишь отличием, что элементы s транспонированных векторов [s], [s], …, [s], входящих в состав вектора S, содержат информацию о расстоянии от неоднородности j, расположенной в слое i, до начала слоя i.
Обобщенная запись вектора расстояний S имеет вид:
Вектор расстояний S для данного примера конкретной реализации после выполнения всех вычислений будет иметь вид:
i
i
i
Так как для определения параметров нижних слоев анализируемой среды должны быть известны параметры предыдущих слоев, заполнение элементов вектора [s], определение скоростей распространения υ электромагнитных сигналов в слоях многослойной среды и длин каждого из таких слоев h, выполняется последовательно от начала измерительного зонда к его концу по следующему алгоритму (см. Фиг. 5):
j
i
1) определение расстояний до неоднородностей s (вектора [s]), для слоя среды с номером i. Расстояние до неоднородностей определяется конструкцией измерительного зонда и суммой длин (высот) предшествующих слоев измеряемой среды.
i
2) вычисление среднего значения скорости распространения сигнала υ в среде с номером i выполняется по формуле:
3) расчет длины (высоты) слоя (см. Фиг. 1) с номером i многослойной среды выполняется по формуле:
Результатами расчета по приведенному алгоритму являются:
1
2
M
- вектор скоростей распространения сигнала в слоях исследуемой среды υ, состоящий из элементов υ, υ, …, υ.;
1
2
M
- вектор длин (высот) слоев исследуемой среды Н, состоящий из элементов h, h, …, h.
На основании вектора Н может быть рассчитан вектор уровней L границ раздела многослойной среды (см. Фиг. 1):
Количество элементов вектора L равно М-1. Для данного примера вектор L имеет вид:
В качестве дополнительного параметра может представлять интерес вектор скоростей распространения υ электромагнитных сигналов в слоях многослойной среды, на основании которого могут быть определены диэлектрические проницаемости слоев среды.