СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРАХ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВОЛН ЛЭМБА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CONTROLLING LIQUID LEVEL IN RESERVOIRS BY LAMB WAVES CHARACTERISTICS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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 наклонных 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 стробо-импульса, подключенные - синхронизатор к входу возбудителя, а формирователь стробо-импульса 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) с приемом отраженных сигналов, распространяемых в стенке резервуара. Кроме всего прочего, амплитудная нестабильность ее сигнала 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, C1, G01F 23/296, 1998). В этом способе, также, 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 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 настройка 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 присуще 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) - выбран 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 так, что 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, возбуждающие и принимающие, соответственно, 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, 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 мироконтроллера.
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 ИЗОБРТЕНИЯ
Общей задачей группы изобретений и требуемым техническим результатом, достигаемым при использовании группы изобретений, является повышение точности (достоверности) контроля уровня жидкости в резервуаре при одновременном повышении скорости измерений (сокращении времени настройки точных измерений, в частности, путем автоградуировки измерительной шкалы) и расширении области применения предлагаемой группы изобретений.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании группы изобретений достигаются новым способом контроля уровня жидкости по характеристикам волн Лэмба заключающимся 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 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 антисимметричной волнам Лэмба нулевой моды, вычисляют отношение энергетических характеристик этих волн, сравнивают их с постоянной, наперед заданной величиной, и формируют сигнал, индицирующий положение уровня жидкости в зоне контроля, соответствующего заданной величине отношения характеристик сигналов, при этом, согласно изобретению дополнительно используют, по меньшей мере, вторую пару приемник-излучатель, образующую с первой парой фигуру четырехугольной формы, горизонтальные стороны которой параллельны уровню жидкости, при этом дополнительно вычисляют значения энергетических характеристик волн Лэмба, распространяемых одновременно как между каждой из горизонтальных пар излучатель-приемник, так и второй вертикальной парой излучатель-приемник, используя значения, полученные от, по меньшей мере, одних горизонтальных пар для определения начальных и конечных значений измерительной шкалы других пар, с помощью которых определяют и/или измеряют положения уровня жидкости по высоте.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании группы изобретений достигаются также за счет нового устройства для контроля уровня жидкости в резервуарах, содержащего один акустический приемник и один акустический излучатель, каждый из которых снабжен пьезопреобразователем, установленные на фиксированном расстоянии друг от друга так, что зона контроля уровня жидкости оказывается между ними, для возбуждения одновременно симметричной и антисимметричной нормальных волн Лэмба нулевой моды, а также блок формирования и преобразования сигналов, при этом, согласно изобретению, устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, еще одну (вторую) пару акустический приемник-излучатель, установленную на поверхности резервуара таким образом, что образует с первой парой фигуру четырехугольной формы, горизонтальные стороны которой параллельны уровню жидкости.
Вход каждого из акустических излучателей соединен с выходом своего усилителя мощности, вход которого соединен с выходом блока формирования и преобразования сигналов.
Выход каждого из акустических приемников соединен с входом своего приемного усилителя, выход которого соединен с входом блока формирования и преобразования сигналов.
Существенным отличием предлагаемой группы изобретений является использование измерения энергетических характеристик (их отношений) волн Лэмба, распространяемых между дополнительными горизонтальными парами излучатель-приемник для автоматической градуировки основной измерительной шкалы вертикальных пар излучатель-приемник непосредственно на объекте, повышая тем самым точность измерений уровня жидкости и одновременно ускоряя процесс градуировки измерительной шкалы, а также повышая надежность и расширяя область применения, охватывая и те объекты, где по технологическим причинам невозможно проведение на них предварительных настроек устройства с использованием пробных сливов или наливов жидкости для начальной градуировки, с параллельным использованием других, прямых или косвенных способов контроля уровня жидкости на данных объектах, позволяя при этом расширить до 100% зону контроля уровня жидкости по высоте для закрытых сосудов (резервуаров) овального или круглого поперечного сечения горизонтального положения, а также и трубопроводов.
Предлагаемая группа изобретений обеспечивает автоматическую индивидуальную подстройку градуировки измерительной шкалы для каждого объекта, параметры и характеристики которого имеют, в общем случае, нелинейную функциональную связь с измерительной характеристикой предлагаемого способа измерения уровня жидкости. В частности, на степень затухания волн Лэмба и на отношение их энергетических характеристик симметричной и антисимметричной волн нулевого порядка, используемых для определения положения уровня жидкости, влияет качество поверхности стенок резервуара, как внешней (шероховатость, защитное покрытие), так и внутренней (загрязненность вязкими жидкими фракциями, наслоение отложений и т.п.), ее толщина и ряд других факторов, вплоть до качества контакта приемника и излучателя с поверхностью стенок. Учесть все эти факторы при предварительной стендовой настройке невозможно потому, что они заранее неизвестны. Как показывает практика, даже настройки, произведенные на одном объекте, не могут быть использованы на другом, аналогичном, без потери точности измерений. За счет автоматической градуировки измерительной шкалы, ее начальной и конечной точек, начальное и конечное положение уровня жидкости для вертикальной измерительной шкалы однозначно связывается с положением по высоте нижней и верхней горизонтальных пар излучатель-приемник, которое известно и определяется при их установке на стенку резервуара. Привязка этих уровней к значениям энергетических характеристик волн Лэмба (их отношений), измеренных вертикальными парами излучатель-приемник происходит по полученным измерениям горизонтальных пар излучатель-приемник. Измеренные значения соотношения энергетических характеристик сигналов, полученные от горизонтальных пар, в зависимости от положения уровня жидкости относительно зоны контроля могут быть следующими: одинаково (близкими) низкими, когда уровень жидкости выше зоны контроля, одинаково (близкими) высокими, когда уровень жидкости ниже зоны контроля и существенно разными, когда уровень жидкости находится в зоне контроля, межу нижней и верхней парами излучатель-приемник. В первом случае значения, полученные от горизонтальных пар используются для подстройки (привязки) измеренных значений, полученных от вертикальных пар к нижней, начальной точке измерительной шкалы с учетом разницы в расстояниях, на которых расположены эти пары, если таковая имеется. Во втором случае - для верхней точки шкалы. В третьем случае - сразу для обоих точек шкалы, нижней и верхней. Во всяком случае, процесс градуировки начинается сразу же, устанавливая одну из крайних точек измерительной шкалы и(или) тут же завершается (уточняется) установкой обоих крайних точек шкалы, как только уровень жидкости оказывается в зоне контроля. Этот момент отслеживается автоматически по существенной разнице измеренных значений сигналов, полученных от горизонтальных пар, крайних или соседних. В данном случае, под крайними горизонтальными парами понимаются пары, находящиеся на границах зоны контроля. Горизонтальные пары, находящиеся внутри зоны контроля, являются соседними (промежуточные). Таким образом, за счет автоматической градуировки измерительной шкалы (подстройки предварительно установленных значений) повышается точность производимых измерений уровня жидкости вертикальными парами излучатель-приемник, которая начинает осуществляться сразу же, без предварительных сливов или наливов жидкости в резервуаре и использования других средств контроля этого уровня.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена схема расположения двух пар акустических приемников и излучателей на вертикальной стенке 7 резервуара для общего случая. Первый акустический излучатель 1.1 и первый акустический приемник 2.1, образующие первую горизонтальную пару акустических преобразователей, установлены на линии параллельной уровню жидкости 4, (5, 6) на нижней границе зоны контроля уровня жидкости 3. Второй акустический излучатель 1.2 и второй акустический приемник 2.2, образующие вторую горизонтальную пару акустических преобразователей, установлены также на линии, параллельной уровню жидкости 4, (5, 6), на верхней границе зоны контроля уровня жидкости 3. Волнистыми стрелками 8.1÷8.4 обозначены направления распространения волн Лэмба на участках, двух горизонтальных 8.1 и 8.2 и двух вертикальных 8.3. и 8.4, между акустическими преобразователями, на которых контролируется распространение волн Лэмба. Конфигурация направления распространения волн Лэмба может быть и иной, отличной от той, которая представлена на фиг. 1, если в одной из горизонтальных пар приемник-излучатель их поменять местами. В этом случае вертикальные направления распространения волн Лэмба будут контролироваться диагональными парами.
На Фиг. 2 изображена схема расположения двух пар акустических приемников и излучателей в вертикальной плоскости поперечного сечения для закрытых сосудов (резервуаров, трубопроводов) круглой (овальной) формы горизонтального положения. Первый акустический излучатель 1.1 и первый акустический приемник 2.1, образуют первую нижнюю пару акустических преобразователей. Второй акустический излучатель 1.2 и второй акустический приемник 2.2, образуют вторую верхнюю пару акустических преобразователей. Первый акустический излучатель 1.1 и второй акустический приемник 2.2, образуют первую боковую пару акустических преобразователей. Второй акустический излучатель 1.2 и первый акустический приемник 2.1, образуют вторую боковую пару акустических преобразователей. Все пары акустических преобразователи располагаются на внешней замкнутой поверхности 7 сосуда (трубопровода) в вертикальном поперечном сечении симметрично относительно центральных осей, горизонтальной и вертикальной. Вертикальное поперечное сечение может быть круглой или овальной формы (на фиг. 2 показано круглая форма). Направление распространения волн Лэмба и участки между акустическими преобразователями, по которым контролируется значения их сигналов обозначены волнистыми стрелками 8.1÷8.4.
На Фиг. 3 изображена структурная схема устройства для определения положения уровня жидкости в резервуаре. Устройство состоит из двух акустических излучателей 1.1, 1.2 и двух акустических приемников 2.1, 2.2, образующих четыре пары, две горизонтально расположенные и две вертикально расположенные, установленные на внешней поверхности 7 емкости (резервуара). Акустические преобразователи связаны через усилители мощности 10.1, 10.2 и приемные усилители 11.1, 11.2 соответственно, с блоком формирования и преобразования сигналов 9, который состоит из коммутатора 12, АЦП 13 (аналого-цифровой преобразователь), ОЗУ 14 (оперативное запоминающее устройство), ПЗУ 15 (постоянное запоминающее устройство), и ЦП 16 (центральный процессор), выход которого связан с внешним индикатором 17.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБЕРТЕНИЯ
Устройство для контроля уровня жидкости в резервуарах содержит (фиг. 3) закрепленные на внешней поверхности 7 емкости (резервуара) первый акустический излучатель 1.1 и первый акустический приемник 2.1, образующие первую, горизонтально расположенную пару акустических преобразователей, а второй акустический излучатель 1.2 и второй акустический приемник 2.2, образующие вторую, горизонтально расположенную пару акустических преобразователей, содержащие по одному пьезопреобразователю каждый (на схеме не показано). При этом, первая и вторая пары акустических преобразователей установлены по разным линиям, параллельным друг другу и уровню жидкости одновременно, на фиксированных расстояниях, как по горизонтали, так и по высоте, образуя дополнительно первую вертикально расположенную пару, состоящую из первого акустического излучателя 1.1 и второго акустического приемника 2.2 и вторую вертикально расположенную пару, состоящую из второго акустического излучателя 1.2 и первого акустического приемника 2.1. Расстояние между горизонтальными парами акустических преобразователей, в общем случае, определяет размер зоны контроля уровня жидкости по высоте, как это показано на фиг. 1. Первый 1.1 и второй 1.2 акустические излучатели подключены к выходу первого 10.1 и второго 10.2 усилителей мощности, соответственно. Первый 2.1 и второй 2.2 акустические приемники подключены к входу первого 11.1 и второго 11.2 приемных усилителей акустических сигналов, соответственно, Выходы приемных усилителей и входы усилителей мощности связаны с соответствующими входами и выходами блока формирования и преобразования сигналов 9, выполненного на основе микроконтроллера и включающего в свой состав коммутатор 12, обеспечивающего переключение сигналов, поступающих на входы блока формирования и преобразования сигналов 9. Через выход коммутатора 12 сигналы поступают на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 13, преобразующего их в цифровую последовательность, которая поступает в оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 14. ОЗУ хранит поступающие цифровые последовательности в виде структурированных таблиц данных, строки которых содержат данные, относящихся к измеренным значениям сигналов, полученным от соответствующих пар акустических преобразователей за один полный период, в течение которого принимаются данные от всех акустических пар преобразователей. Данные, хранимые в ОЗУ, обрабатываются одним из способов, алгоритмы которых записаны в виде программы в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 15 и реализуются центральным процессором (ЦП) 16. ЦП, который связан своими соответствующими входами/выходами с ОЗУ и ПЗУ, реализует программу обработки входных цифровых данных, одновременно формирует импульсы на выходе блока формирования и обработки сигналов 9, управляет переключением входов коммутатора 12 через подключенный к нему управляющий вход, производит также необходимые вычислительные процедуры, определяющие текущее положение уровня жидкости и выдает это значение на внешний индикатор 17 через подключенный к нему его вход.
При использовании в конструкции устройства третьей и последующих пар приемник-излучатель, подключаемых к своим третьему 11.3 и последующим 11.4…11.n приемным усилителям и усилителям мощности 10.3…10.n, соответственно, выходы и входы последних будут подключены к соответствующим входам коммутатора 12 и выходам центрального процессора 16, соответственно (на чертежах не показано). Эти дополнительные пары будут располагаться между первыми двумя парами по горизонтальным линиям, параллельным уровню жидкости внутри зоны контроля по высоте, образуя тем самым дополнительные вертикальные пары, значительно увеличивая их количество. Предполагается, что третьи и последующие пары преобразователей будут располагаться внутри зоны контроля, образованной первыми двумя. Таким образом, первоначальная зона контроля делится на большее число участков. И этим достигается возможность более точной аппроксимации общей нелинейной характеристики измерительной шкалы.
Так введение третьей горизонтальной пары акустических преобразователей увеличивает число возможных дополнительных акустических пар преобразователей с двух до шести, с помощью которых можно контролировать положение уровня жидкости на внутренних участках общей зоны контроля, разбивая ее на несколько, как последовательно смежных участков, так и пересекающихся, дополнительно повышая тем самым точность и надежность контроля.
В качестве пар излучатель-приемник могут быть использованы универсальные акустические преобразователи, совмещающие в себе функции приемника и излучателя одновременно (на чертежах такие преобразователи не показаны), обеспечивая тем самым контроль распространения волн Лэмба в обоих направлениях между горизонтальными парами и между дополнительно образованными, в этом случае, вертикальными или диагональными парами. Использование таких универсальных преобразователей позволяет удвоить количество полученных значений энергетических характеристик волн Лэмба, которые обеспечивают увеличение числа независимых измерительных шкал одного и того же уровня жидкости, дополнительно повышают достоверность и надежность контроля. В самом устройстве такие универсальные преобразователи 1.i будут подключаться одновременно к входу приемного усилителя 11.i и к выходу усилителя мощности 10.i, выходы и входы которых будут подключены к соответствующим входам коммутатора 12 и выходам центрального процессора 16, соответственно.
Устройство для контроля уровня жидкости в резервуарах работает следующим образом. Центральный процессор 16 формирует серию периодических импульсов, которые усиливаются усилителями мощности 10.1 и 10.2, затем подаются на акустические излучатели 1.1 и 1.2, соответственно, которые преобразуют их в акустические сигналы и они вводятся в стенку резервуара с внешней стороны. При этом конструкцией акустических преобразователей предусматривается преимущественное возбуждение в стенке резервуара симметричной и антисимметричной волн Лэмба нулевого порядка, как наиболее информативных для рассматриваемой задачи. Затем эти волны распространяются в разных направлениях по участкам, образованным разными парами акустических преобразователей, вертикальными и горизонтальными. Далее их сигналы принимаются приемниками акустических сигналов 2.1 и 2.2, конструктивно выполненными аналогично акустическим излучателям, образующими с ними соответствующие пары, усиливаются приемными усилителями 11.1 и 11.2, соответственно и поступают на входы блока формирования и преобразования сигналов 9.
В блоке формирования и преобразования сигналов 9, который может быть выполнен в виде микроконтроллера, поступающие на его входы сигналы, через управляемое процессором 16 переключение коммутатора 12, поступают на вход АЦП 13, оцифровываются и записываются в ОЗУ 14. Данные, записанные в ОЗУ, относящиеся к сигналам, полученным с различных участков поверхности резервуара, образованных всеми парами акустических преобразователей, обрабатываются ЦП 16 по программе, хранящейся в ПЗУ 15. Эта программа реализует алгоритм обработки полученных данных и обеспечивает вычисление необходимых параметров, в том числе настроечных, определяющих начальную градуировку измерительной шкалы и текущего значения положения уровня жидкости в резервуаре, которое передается на внешний индикатор 17.
Для общего случая расположения акустических преобразователей, представленного на фиг. 1, автоматическая начальная настроечная процедура и ее алгоритм выглядит следующим образом:
При таком расположении акустических преобразователей и однообразной предварительной настройке параметров измерительных трактов, образованных горизонтальными парами обеспечивается однозначное определение положение уровня жидкости относительно зоны контроля уровня, по измеренным значениям энергетических характеристик (их отношений) волн Лэмба. Близкие низкие значения измеренных характеристик, полученные от горизонтальных пар акустических преобразователей будут соответствовать положению уровня жидкости 4 (выше зона контроля). Близкие высокие значения измеренных характеристик, полученные от горизонтальных пар акустических преобразователей будут соответствовать положению уровня жидкости 6 (ниже зона контроля). Если значения измеренных энергетических характеристик волн Лэмба (их отношений), полученные от верхней горизонтальной пары акустических преобразователей 1.1 и 2.2 значительно (в разы) превышают те же значения, полученные от нижней горизонтальной пары акустических преобразователей 1.1 и 2.1, то это будет означать, что уровень жидкости занимает положение 5 (находится в зоне контроля 3). Противоположное соотношение, когда нижняя пара акустических преобразователей будет показывать значительно большие измеренные значения энергетических характеристик (их отношений), чем верхняя пара акустических преобразователей, будет свидетельствовать о недостоверности измерений и может быть индикатором неисправности, повышающим надежность измерений. Уточненное положение уровня жидкости в зоне контроля 3 начнет определятся, как только уровень жидкости окажется в этой зоне контроля, перейдет в нее в процессе слива/налива или сразу же окажется в ней в момент установки акустических преобразователей на стенку емкости и запуска измерений. В этот момент запускается процесс автоматической градуировки измерительной шкалы вертикальных пар акустических преобразователей: левой, образованной первым акустическим излучателем 1.1 и вторым акустическим приемником 2.2. и правой, образованной вторым акустическим излучателем 1.2 и первым акустическим приемником 2.1. Начальное и конечное положение уровня жидкости для вертикальной измерительной шкалы однозначно связано с положением по высоте нижней и верхней горизонтальных пар излучатель-приемник, которая известна и определяется при их установке на стенку резервуара. Привязка начального положения уровня шкалы к значениям энергетических характеристик волн Лэмба (их отношений), измеренных вертикальными парами излучатель-приемник происходит по полученным измерениям от горизонтальных пар излучатель-приемник, с учетом поправки на разницу расстояний между этими парами, которые известны и определены начальной установкой преобразователей на стенку резервуара.
Процесс начальной градуировки вертикальной измерительной шкалы запускается и для случая, когда обе горизонтальные пары находятся ниже фактического положения уровня жидкости. Тогда начальному положению вертикальной шкалы ставится в соответствие значения измеренных энергетических характеристик волны Лэмба (их отношение), полученной от одной из горизонтальной пары, если они достаточно близки, либо берется среднее значение между ними, если они несколько разнятся. Аналогично, для случая, когда обе горизонтальные пары находятся выше фактического положения уровня жидкости, конечному положению вертикальной шкалы ставится в соответствие значения измеренных энергетических характеристик волны Лэмба (их отношение), полученной от одной из горизонтальной пары, если они достаточно близки, либо берется среднее значение между ними, если они несколько разнятся. Такая предварительная начальная установка одной из точек измерительной вертикальной шкалы позволяет дополнительно использовать ее затем для более надежного определения положения уровня жидкости, когда он переходит в зону контроля. Затем, когда фактическое положение уровня жидкости окажется в зоне контроля и определится в ней таковым по соотношению показаний горизонтальных пар преобразователей, а также дополнительно подтвердится показаниями, предварительно отградуированной по одной точке вертикальной измерительной шкалы, тогда начальному и конечному положению вертикальной шкалы ставятся в соответствие значения измеренных энергетических характеристик волны Лэмба (их отношений), полученных от нижней и верхней горизонтальной пары, соответственно. На этом процесс градуировки вертикальной измерительной шкалы можно считать завершенным или можно постоянно продолжать, отслеживая и уточняя значения градуировочных точек, по соответствующим изменениям текущих измерений энергетических характеристик волн Лэмбы, распространяемых между горизонтальными парами, которые вызваны внешними дестабилизирующими факторами, одинаково влияющими и на вертикальные пары.
Таким образом, если в процессе текущих измерений меняются внешние условия, могущие влиять на передаточные характеристики акустических преобразователей, то, они могут автоматически компенсироваться путем введения поправок для значений конечных точек вертикальной измерительной шкалы, учитывающих величины изменений, обнаруженными горизонтальными парами, когда уровень жидкости находится внутри зоны контроля, обеспечивая тем самым стабильность точных измерений.
Уточненное положение уровня жидкости, находящегося в зоне контроля между начальным и конечным положениями вертикальной измерительной шкалы может выдаваться раздельно, по левой или правой вертикальной паре акустических преобразователей, либо вычисляться как среднее. При определении промежуточных значений уровня жидкости внутри калиброванной шкалы могут использоваться различные способы аппроксимации, учитывающие, как характер зависимости затухания сигналов волн Лэмба от расстояния, так и геометрию поверхности резервуара.
Таким образом, использование горизонтальных пар преобразователей для градуировки начальной и конечной точки измерительной вертикальной шкалы повышает надежность и точность (достоверность) измерения уровня жидкости, одновременно сокращая время такой автоматической градуировки и расширяя сферу применения данного способа контроля уровня жидкости.
Для случая, представленного фиг. 2 процедура и алгоритм определения начальных настроек имеет некоторые особенности относительно общего, представленного фиг. 1 и состоит в том, что размер зоны контроля 3 уровня жидкости является полной высотой сосуда (резервуара, трубопровода), которая разбита на три последовательных участка 3.1, 3.2 и 3.3. Особенность внешнего профиля поверхности трубопровода состоит в том, что он замкнут, в отличие от обычного резервуара. Эта особенность и позволяет обеспечить полную зону контроля уровня по высоте для трубопровода, с разбивкой ее на три участка, тогда как для обычного резервуара она ограничена крайними горизонтальными парами. Расширение зоны контроля по высоте в данном случае означает, что она находится не только между вертикальными парами, но и между горизонтальными. Вверху, до самой верхней точки сечения трубы, а внизу, до самой нижней точки. Измерение уровня жидкости на верхнем участке 3.1 обеспечивается верхней парой акустических преобразователей. На среднем участке 3.2 измерение уровня жидкости обеспечивается боковыми парами акустических преобразователей, первой или второй, если расхождения в показаниях между ними незначительны, либо двумя, если показания их разнятся на величину установленной ошибки. В последнем случае, за истинное измеренное значение может быть принято среднее арифметическое значение их показаний. Измерение уровня жидкости на нижнем участке 3.3 обеспечивается нижней парой акустических преобразователей. Для каждого измерительного участка по высоте используется своя измерительная шкала, начальные и конечные значения которых связаны с точками установки акустических преобразователей на внешней стенке сосуда (резервуара, трубопровода) и его размерами (внутреннего диаметра, внутренней вертикальной оси эллипса).
Автоматическая привязка (градуировка) начальных и конечных точек измерительных шкал каждого участка к измеренным значениям энергетических характеристик (их отношений) волн Лэмба, полученных от соответствующих акустический пар преобразователей может производиться в зависимости от исходного положения уровня жидкости, следующим образом.
На первом этапе, который запускается сразу после запуска измерений определяется приблизительное положение уровня жидкости, с соотнесением его к одному из участков зоны контроля, к верхнему 3.1, среднему 3.2 или нижнему 3.3. Для решения этой задачи достаточно предварительной (не требующей высокой точной) настройки измерительных трактов акустических преобразователей, но обеспечивающей приблизительно равные характеристики преобразования сигналов для всех акустических пар преобразователей. Такой настройки вполне достаточно, чтобы путем сравнения полученных измеренных значений от всех пар акустических преобразователей, на начальном этапе, определить в каком участке зоны контроля находится уровень жидкости. В этом смысле, предпочтительным является размещение акустических преобразователей по замкнутому периметру внешней поверхности стенки сосуда (резервуара, трубопровода) на равноудаленном расстоянии друг от друга. Хотя, разницу в расстояниях между парами акустических преобразователей можно учитывать при оценке их первоначальных показаний, путем приведения к единице длины.
При нахождении уровня жидкости в зоне контроля (участок 3.1), приведенные к единице длины показания боковых и нижней пары акустических преобразователей будут одинаково низкими. Для верхней пары акустических преобразователей эти показания будут выше остальных, либо равны (близки) им, если уровень жидкости находится в самой верхней точке зоны контроля уровня (сосуд полон). В этом случае производится привязка нижних точек измерительных шкал для всех участков 8.1÷8.4, по значениям, полученных на участках 8.2, 8.3 и 8.4. Выбирается одно из них, если они достаточно близки или вычисляется их среднее арифметическое значение, если расхождение между ними превышает заданную величину ошибки.
При нахождении уровня жидкости в зоне контроля участка 3.3, показания боковых и верхней пары акустических преобразователей будут одинаково высокими. Для нижней пары акустических преобразователей эти показания будут ниже остальных, либо равны (близки) им, если уровень жидкости находится в самой нижней точке зоны контроля уровня (сосуд пуст). В этом случае производится привязка верхних точек измерительных шкал для всех участков 8.1÷8.4, по значениям, полученных на участках 8.1, 8.2 и 8.3. Выбирается одно из них, если они достаточно близки или вычисляется среднее арифметическое их значение, если расхождение между ними превышает заданную величину ошибки.
При нахождении уровня жидкости в зоне контроля, участок 3.2, показания верхней и нижней пары акустических преобразователей будут значительно разниться. Для боковых пар акустических преобразователей эти показания будут иметь показания по значениям, приближающимися к показаниям нижней или верхней пары, либо к среднему значению между ними. В этом случае производится привязка верхних точек измерительных шкал для всех участков 8.1÷8.4, по значениям, полученным на участке 8.1, а нижних - по значениям, полученным на участке 8.2.
Если, при начальном измерении, возникают другие соотношения измеренных значений то, это будет свидетельствовать о недостоверности этих измерений и может использоваться для индикации ошибки.
Определение промежуточных значений уровня жидкости внутри каждого участка 3.1, 3.2 или 3.3 осуществляется путем аппроксимации их крайних точек, учитывающей как характер зависимости затухания сигналов волн Лэмба от расстояния, так и геометрию внешнего профиля трубы на соответствующем участке.
Таким образом, приведенная выше процедура начальной градуировки измерительной шкалы для случая, представленного Фиг. 2, позволяет уточнить исходные настройки при любом исходном положении уровня жидкости и обеспечить точные измерения по всей зоне контроля уровня жидкости в сосуде (резервуаре, трубопроводе). При этом, данная процедура может производиться не только на начальном этапе, но при последующих текущих измерениях, когда положение уровня жидкости меняется, приближая настройки измерительных шкал к более точным значениям.
Выше был подробно описан способ контроля уровня жидкости по характеристикам распространения волн Лэмба в стенках закрытых сосудов под давлением или без избыточного давления, а также и в открытых резервуарах, обеспечивающий градуировку измерительной шкалы непосредственно на объекте без использования других, дополнительных средств измерений, которая может быть начата с любого начального текущего положения уровня жидкости относительно зоны контроля, определенной установкой ультразвуковых излучателей и приемников на стенке резервуара и сразу же будет завершена, как только этот уровень окажется в зоне контроля.
Также выше было подробно описано устройство ультразвукового контроля уровня жидкости, повышающее скорость контроля уровня жидкости в открытых резервуарах и закрытых сосудах за счет автоматизации процесса градуировки начальных и конечных значений измерительной шкалы, а также и промежуточных. Процесс контроля может начинаться сразу же после установки приемников и излучателей устройства на стенки сосуда или резервуара автоматически, без предварительного налива или слива этих емкостей.
Предлагаемая группа изобретений позволяет осуществлять автоматическую градуировку измерительной шкалы непосредственно на объекте даже в таких случаях, где по технологическим причинам это невозможно сделать с использованием других средств измерения уровня, использующих прямой или косвенный метод, тем самым обеспечивая повышение точности (общей достоверности) контроля, ускорение процесса градуировки измерения положения уровня в резервуаре и расширение области применения. Таким образом, совокупность всех вышеуказанных признаков устройства и способа контроля уровня жидкости, соответственно, позволяет решить поставленную общую техническую задачу и достигнуть желаемый общий технический результат.
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 специалистами в области физики, электроники, обработки сигналов и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать их к конкретным устройствам или ситуациям, и не выходящие за рамки прилагаемой формулы группы изобретений. Специалисту 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.