ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ И ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ ПРОДУКТОВ
METER OF LEVEL AND INTERFACE OF TWO PRODUCTS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня и границы раздела двух продуктов в нефтеперерабатывающей и химической промышленности.
Известен измеритель уровня и границы раздела двух сред, 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 (патент США №3424002, М.кл. G01F 23/26, 1969). При подаче на вход длинной линии импульсного сигнала он перемещается вдоль нее и последовательно отражается от уровня первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов, в результате по временным интервалам между прямым и отраженными сигналами определяется уровень и расстояние от начала отрезка длинной линии до границы раздела двух продуктов.
Недостатком известного устройства является низкая точность, что обусловлено ограниченной разрешающей способностью измерителя временных интервалов. Кроме того, на точность измерения положения границы раздела двух продуктов влияют неконтролируемые изменения скорости распространения импульсного сигнала вдоль отрезка длинной линии в первом продукте, зависящие от его электрических свойств.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является измеритель уровня и границы раздела двух продуктов, содержащий отрезок длинной линии, пересекающий границу раздела первого и второго продуктов, генератор микроволновых импульсов, выход которого соединен с верхним концом отрезка длинной линии, приемник, подключенный к верхнему концу отрезка длинной линии, первый и второй амплитудные селекторы импульсов, отраженных соответственно от уровня первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов, первый и второй измерители временных интервалов, а также вычислитель уровня и границы раздела, при этом входы первого и второго амплитудных селекторов подключены к выходу приемника, опорный выход генератора микроволновых импульсов и выход первого амплитудного селектора являются соответственно входами старт и стоп первого измерителя временных интервалов, выходы первого и второго амплитудных селекторов являются соответственно входами старт и стоп второго измерителя временных интервалов, а выходы первого и второго измерителей временных интервалов подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя уровня и границы раздела (патент США №6198424, М.кл. G01S 13/88, 2001).
В известном устройстве микроволновые импульсы подаются в верхний конец длинной линии, выполненной в виде прямолинейного стержня, и при движении вдоль нее частично отражается от уровня первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов. По временным интервалам между прямым и отраженными импульсами, измерение которых основано на технологии рефлектометрии с временным разрешением TDR (Time Domain Reflectometry), определяется уровень первого продукта и граница раздела двух продуктов. Также в этом устройстве с целью коррекции показаний осуществляется вычисление скорости распространения микроволновых импульсов в первом продукте по величине его диэлектрической проницаемости, которая, в свою очередь, рассчитывается по отношению измеренных устройством амплитуд прямого и отраженного от уровня первого продукта микроволновых импульсов.
Недостатком этого устройства является невысокая точность из-за значительной погрешности измерения временных интервалов.
Наряду с этим косвенный метод определения диэлектрической проницаемости, а следовательно и скорости распространения микроволновых импульсов вдоль отрезка длинной линии в первом продукте, имеет низкую точность, так как амплитуда микроволнового импульса, отраженного от уровня первого продукта, зависит не только от диэлектрической проницаемости, но и его электрической проводимости, что не учитывается при расчете. Кроме того, диэлектрическая проницаемость рассчитывается только для локальной области вблизи уровня первого продукта без определения ее градиентных изменений по толщине слоя первого продукта от его уровня до границы раздела со вторым продуктом, обусловленных изменением температуры, а также диффузией второго продукта в первый около границы раздела.
Задачей изобретения является повышение точности измерения уровня и границы раздела двух продуктов.
Поставленная задача решается тем, что в известном измерителе уровня и границы двух продуктов, содержащем отрезок длинной линии, пересекающий границу раздела первого и второго продуктов, генератор микроволновых импульсов, выход которого соединен с верхним концом отрезка длинной линии, приемник, подключенный к верхнему концу отрезка длинной линии, первый и второй амплитудные селекторы импульсов, отраженных соответственно от уровня первого продукта и границы раздела первого и второго продуктов, первый и второй измерители временных интервалов, а также вычислитель уровня и границы раздела, при этом входы первого и второго амплитудных селекторов подключены к выходу приемника, опорный выход генератора микроволновых импульсов и выход первого амплитудного селектора являются соответственно входами старт и стоп первого измерителя временных интервалов, выходы первого и второго амплитудных селекторов являются соответственно входами старт и стоп второго измерителя временных интервалов, а выходы первого и второго измерителей временных интервалов подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя уровня и границы раздела, отрезок длинной линии выполнен в виде цилиндрической винтовой спирали и имеет регулярные неоднородности по его длине, а измеритель уровня и границы раздела двух продуктов снабжен блоком калибровки, включенным между приемником и вычислителем уровня и границы раздела, состоящим из последовательно соединенных третьего амплитудного селектора импульсов, отраженных от регулярных неоднородностей отрезка длинной линии, и цифрового периодомера, при этом вход третьего амплитудного селектора подключен к выходу приемника, входы старт и стоп цифрового периодомера соединены соответственно с выходами первого и второго амплитудных селекторов, а выход цифрового периодомера подключен к третьему входу вычислителя уровня и границы раздела.
Кроме того, регулярные неоднородности отрезка длинной линии представляют собой утолщения отрезка длинной линии, например цилиндрические выступы, или места изменения направления вращения цилиндрической винтовой спирали, или места коротких замыканий двух витков цилиндрической винтовой спирали.
Отличительными признаками согласно изобретению является то, что отрезок длинной линии выполнен в виде цилиндрической винтовой спирали и имеет регулярные неоднородности по его длине, а измеритель уровня и границы раздела двух продуктов снабжен блоком калибровки, включенным между приемником и вычислителем уровня и границы раздела, состоящим из последовательно соединенных третьего амплитудного селектора импульсов, отраженных от регулярных неоднородностей отрезка длинной линии, и цифрового периодомера, при этом вход третьего амплитудного селектора подключен к выходу приемника, входы старт и стоп цифрового периодомера соединены соответственно с выходами первого и второго амплитудных селекторов, а выход цифрового периодомера подключен к третьему входу вычислителя уровня и границы раздела.
Выполнение отрезка длинной линии в виде цилиндрической винтовой спирали обеспечило уменьшение скорости распространения электромагнитной волны по вертикальной оси спирали по сравнению со скоростью ее перемещения вдоль отрезка длинной линии, выполненного в виде прямолинейного стержня, что позволило снизить погрешность измерения уровня и границы раздела двух продуктов, обусловленную погрешностью измерения временных интервалов.
Благодаря наличию регулярных неоднородностей на отрезке длинной линии значительно повышается точность измерения положения границы раздела двух продуктов за счет непосредственного измерения скорости распространения электромагнитной волны в слое первого продукта. Что обеспечивается производимым с помощью блока калибровки выделением импульсов, отраженных от регулярных неоднородностей на отрезке длинной линии в слое первого продукта, измерением периодов времени между импульсами, отраженными от двух смежных неоднородностей, и в результате определением этой скорости по полученному среднему значению периода между импульсами, отраженными от регулярных неоднородностей отрезка длинной линии, и заданному расстоянию между ними. Наличие на отрезке длинной линии регулярных неоднородностей трех видов, которые представляют собой утолщения отрезка длинной линии, например цилиндрические выступы, или места изменения направления вращения цилиндрической винтовой спирали, или места коротких замыканий двух витков цилиндрической винтовой спирали позволяет расширить функциональные возможности и область применения предложенного измерителя уровня и границы раздела двух продуктов.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами на фиг.1-4.
На фиг.1 представлена структурная схема измерителя уровня и границы двух продуктов; на фиг.2 и 3 - отрезок длинной линии с регулярными неоднородностями, представляющими собой соответственно места изменения направления вращения цилиндрической винтовой спирали и места коротких замыканий двух винтов цилиндрической винтовой спирали; на фиг.4 - временные диаграммы сигналов, где U - амплитуды сигналов, t - текущее значение времени.
Измеритель уровня и границы двух продуктов содержит отрезок длинной линии 1, генератор микроволновых импульсов 2, приемник 3, амплитудные селекторы 4 и 5 импульсов, отраженных соответственно от уровня 6 первого продукта 7 и границы раздела 8 первого 7 и второго 9 продуктов, измерители временных интервалов 10 и 11, вычислитель уровня и границы раздела 12 и блок калибровки 13.
Элементы устройства связаны между собой следующим образом. Верхний конец отрезка длинной линии 1 соединен с выходом генератора микроволновых импульсов 2 и подключен к входу приемника 3. Входы амплитудных селекторов 4 и 5 подключены к выходу приемника 3. Опорный выход генератора микроволновых импульсов 2 и выход амплитудного селектора 4 являются соответственно входами старт и стоп измерителя временных интервалов 10. Кроме того, выход амплитудного селектора 4 соединен с входом старт измерителя временных интервалов 11, к входу стоп которого подключен выход амплитудного селектора 5. Выходы измерителей временных интервалов 10 и 11 соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя уровня и границы раздела 12. Блок калибровки 13, включенный между приемником 3 и вычислителем уровня и границы раздела 12, состоит из последовательно соединенных третьего амплитудного селектора 14, импульсов, отраженных от регулярных неоднородностей отрезка длинной линии 1, в которых ее волновое сопротивление отклоняется от среднего значения, и цифрового периодомера 16. В качестве цифрового периодомера 16 использован функциональный блок, обеспечивающий подсчет целого числа периодов сигнала в выделенном временном интервале, а также определение среднего значения из всех периодов сигнала в пределах указанного временного интервала. Вход амплитудного селектора 14 подключен к выходу приемника 3, входы старт и стоп цифрового периодомера 16 подключены соответственно к выходам амплитудных селекторов 4 и 5, а выход цифрового периодомера 16 соединен с третьим входом вычислителя уровня и границы раздела 12.
Отрезок длинной линии 1, выполненный в виде цилиндрической винтовой спирали, частично погружен в продукт 7, над уровнем 6 которого находится газовая среда 17, и пересекает границу 8 раздела продуктов 7 и 9 в емкости 18. В предложенном варианте исполнения регулярные неоднородности отрезка длинной линии 1 представляют собой его утолщения, например цилиндрические выступы 15 (фиг.1), расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга, или места изменения направления вращения цилиндрической винтовой спирали 19 (фиг.2), находящиеся друг от друга на одинаковом числе ее полушагов, или места коротких замыканий двух витков винтовой спирали 20 (фиг.3), находящиеся друг от друга на одинаковом числе ее шагов.
Измеритель уровня и границы двух продуктов работает следующим образом.
От генератора 2 зондирующий микроволновый импульс поступает в верхний конец отрезка длинной линии 1 и распространяется вдоль нее через газовую среду 17 и продукты 7 и 9, частично отражаясь от уровня 6 продукта 7, границы 8 раздела продуктов 7 и 9, а также от регулярных неоднородностей 15 отрезка длинной линии 1. С выхода приемника 3 снимаются сигналы, соответствующего принятым и преобразованным микроволновым импульсам (фиг.4а), где 1 - зондирующий импульс; 2 - импульс, отраженный от уровня 6 продукта 7; 3 - импульс, отраженный от границы 8 раздела продуктов 7 и 9; 4, 5 и 6 - импульсы, отраженные от регулярных неоднородностей 15 отрезка длинной линии 1, находящихся соответственно в газовой среде 17 и продуктах 7 и 9. Полученные на выходе приемника 3 сигналы (фиг.4а) подаются на входы амплитудных селекторов 4 и 5, уровни срабатывания которых настроены соответственно на величины сигналов 2 и 3 (фиг.4а). Одновременно с подачей зондирующего микроволнового импульса в верхний конец отрезка длинной линии 1 с опорного выхода генератора 2 подается отсчетный импульс 7 (фиг.4б) на управляющий вход старт измерителя временных интервалов 10.
1
При появлении на входе амплитудного селектора 4 сигнала 2 (фиг.4а) на его выходе формируется отсчетный импульс 8 (фиг.4б), который поступает на управляющий вход стоп измерителя временных интервалов 10. В результате с выхода измерителя временных интервалов 10 на первый вход вычислителя уровня и границы раздела 12 подается сигнал, пропорциональный временному сдвигу t (фиг.4б) между зондирующим 1 и отраженным 2 от уровня 6 импульсами (фиг.4а). По величине этого сигнала и известному значению скорости распространения электромагнитной волны в газовой среде 17, определяемой ее диэлектрической проницаемостью, вычисляется уровень 6 продукта 7.
Вследствие того, что для большинства газовых сред, за исключением, например, насыщенного водяного пара при высоких значениях температуры и давления, их диэлектрические проницаемости незначительно отличаются друг от друга и примерно равны 1, скорость распространения электромагнитной волны в них остается практически неизменной. Поэтому при указанном условии результаты измерения уровня не зависят от вида газовой среды над продуктом.
l
h
Выполнение отрезка длинной линии в виде цилиндрической винтовой спирали обеспечило снижение погрешности Δh измерения уровня и границы раздела двух продуктов, обусловленной погрешностью измерения временных интервалов Δt вследствие того, что при скорости распространения электромагнитной волны вдоль витков спирали V скорость ее распространения по вертикальной оси спирали V имеет более низкое значение, которое находится из выражения
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>h</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>l</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mi>S</mi><mi>λ</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где S и λ соответственно шаг и длина витка спирали.
l
В выражении (1) значение V определяется по формуле
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>C</mi><mrow><msqrt><mi>ε</mi></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где С - скорость света в вакууме,
ε - диэлектрическая проницаемость среды, в которой распространяется электромагнитная волна.
h
Определяя погрешность Δh с учетом значения скорости V имеем
<mrow><mi>Δ</mi><mi>h</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mi>h</mi></msub><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mi>l</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mi>S</mi><mi>λ</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Δt - погрешность измерения временных интервалов.
Для известного устройства, в котором отрезок длинной линии выполнен в виде прямолинейного стержня, погрешность Δl измерения уровня и границы раздела двух сред, обусловленную погрешностью Δt, можно представить как
<mrow><mi>Δ</mi><mi>l</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mi>l</mi></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mfrac><mi>S</mi><mi>λ</mi></mfrac></mrow>
Сравнивая погрешности Δl из (4) для известного устройства и Δh из (3) для предложенного изобретения, получим, что погрешность Δh имеет меньшее значение, определяемое соотношением
<mrow><mi>Δ</mi><mi>h</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>l</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mi>S</mi><mi>λ</mi></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Оценим повышение точности предложенного устройства по сравнению с лучшими образцами известных микроволновых уровнемеров.
<mrow><mfrac><mi>S</mi><mi>λ</mi></mfrac></mrow>
У известного микроволнового уровнемера типовое значение погрешности Δl составляет 3 мм. В предложенном устройстве, имеющем равную с известным погрешность измерения временных интервалов Δt, при выполнении отрезка длинной линии в виде винтовой спирали с соотношением
, равным 1/3, обеспечивается снижение погрешности Δh до 1 мм, что сравнимо по точности с образцовой уровнемерной установкой, у которой погрешность измерения уровня составляет 1 мм при дистанционном измерении (ГОСТ 8.321-78 ГСИ. Уровнемеры промышленного применения и поплавковые. Методы и средства поверки).
2
Цикл измерения положения границы 8 раздела продуктов 7 и 9 начинается с момента поступления отсчетного импульса 8 (фиг.4б), соответствующего сигналу 2 (фиг.4а), с выхода амплитудного селектора 4 на управляющий вход старт измерителя временных интервалов 11. При появлении на входе амплитудного селектора 5 сигнала 3 (фиг.4а) на его выходе формируется отсчетный импульс 9 (фиг.4б), который подается на управляющий вход стоп измерителя временных интервалов 11. В результате чего на выходе измерителя временных интервалов 11 формируется сигнал, пропорциональный временному сдвигу t между отсчетными импульсами 8 и 9 (фиг.4б), который поступает на второй вход вычислителя уровня и границы раздела 12, где используется для измерения положения границы раздела продуктов. При этом, для исключения влияния изменений скорости распространения электромагнитной волны в продукте 7, зависящей от его диэлектрической проницаемости, на результат измерения, применен блок калибровки 13, с помощью которого производится непосредственное измерение этой скорости и вводится коррекция по ее величине в показания вычислителя уровня и границы раздела 12.
Работа блока калибровки 13 осуществляется следующим образом.
2
После приемника 3 сигналы (фиг.4а) поступают на вход блока калибровки 13, являющийся входом амплитудного селектора 14, уровни срабатывания которого настроены на величину сигнала 4 и близких ему по своему значению сигналов 5 и 6 (фиг.4а), соответствующим микроволновым импульсам, отраженным от регулярных неоднородностей 15 отрезка длинной линии 1, находящихся соответственно в газовой среде 17 и в продуктах 7 и 9. В моменты поступления на вход амплитудного селектора 14 сигналов 4, 5 и 6 (фиг.4а) на его выходе формируются соответствующие им по времени калибровочные импульсы 10, 11 и 12 (фиг.4в), поступающие на вход цифрового периодомера 16, который из указанной последовательности калибровочных импульсов регистрирует калибровочные импульсы 11 (фиг.4г), поступившие на его вход в течение временного интервала t, заданного отсчетными импульсами 8 и 9 (фиг.46), поданными на его управляющие входы старт и стоп соответственно с выходов амплитудных селекторов 4 и 5.
h
В цифровом периодомере 18 производится подсчет целого числа периодов калибровочных импульсов 11 (фиг.4г), соответствующих по времени микроволновым импульсам, отраженным от регулярных неоднородностей 16 отрезка длинной линии 1 в слое продукта 7 между его уровнем 6 и границей 8 раздела продуктов 7 и 9 и измеряется среднее значение периода этих калибровочных импульсов. Выходной сигнал периодомера 18, пропорциональный среднему значению периода калибровочных импульсов 11 (фиг.4г), поступает на третий вход вычислителя уровня и границы раздела 12, где по его величине и известному расстоянию между регулярными неоднородностями 16 отрезка длинной линии 1 определяется скорость V распространения электромагнитной волны в продукте 7.
2
h
В результате проведенных измерений по величине временного интервала t (фиг.4в), используемого в качестве положения границы раздела двух сред, и полученному значению скорости V вычислителем уровня и границы раздела 12 определяется расстояние L от уровня продукта 7 до границы 8 раздела продуктов 7 и 9 по формуле
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mi>h</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
В предпочтительном варианте исполнения регулярные неоднородности отрезка длинной линии 1 могут представлять собой его утолщения, например цилиндрические выступы 15 (фиг.1), что позволяет получать требуемые значения величины отраженных от них микроволновых импульсов выбором геометрических параметров этих утолщений, тем самым обеспечивая расширения функциональных возможностей измерителя уровня и границы раздела. Выполнение регулярных неоднородностей отрезка длинной линии 1 в виде мест изменения направления вращения цилиндрической винтовой спирали 19 (фиг.2) или мест коротких замыканий двух винтов цилиндрической винтовой спирали 20 (фиг.3) расширяет область применения измерителя уровня и границы раздела за счет возможности включения в номенклатуру измеряемых продуктов налипающих и вязких жидкостей.
Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить точность измерения уровня и границы раздела двух продуктов.