ЭЛЕКТРОННО-АКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И ПЛОТНОСТИ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня и плотности нефтепродуктов в резервуарах.
Известны электронно-акустические устройства для измерения уровня жидкостей, основанные на фиксации времени распространения зондирующего и отраженного акустических импульсов в направлении границы сред (патент RU 1757304 C G01F 23/28 опубл. 30.08.1994, полезная модель RU 16313 U1 G01F 23/28 опубл. 20.12.2000).
Прототипом заявляемой полезной модели является ультразвуковой уровнемер (полезная модель RU 48629 U1 G01F 23/28, RU опубл. 27.10.2005), содержащий многоканальный генератор, генератор стробирующих импульсов, блок обработки и индикации, измерительный канал, эталонный канал и канал измерения уровня подтоварной воды. Электронная часть всех трех каналов состоит из последовательно соединенных обратимого электроакустического преобразователя, усилителя и триггера. Выходы генератора стробирующих импульсов подключены ко вторым входам триггеров каналов, выход триггера измерительного канала подключен к первому входу блока обработки и индикации, выход триггера эталонного канала подключен к второму входу блока обработки и индикации, выход триггера канала измерения уровня подтоварной воды подключен к третьему входу блока обработки и индикации.
Акустическая часть измерительного канала выполнена в виде Г-образной трубы, состоящей из вертикального, с продольной щелью, и горизонтального участка с отверстием в нижней части для удаления отложений. В горизонтальном участке трубы размещены преобразователь, излучающая поверхность которого расположена вертикально, и отражатель, ориентированный под углом 45° к поверхности преобразователя.
Акустическая часть эталонного канала выполнена в виде трубы с продольной щелью, к верхнему концу которой прикреплен поплавок. Труба установлена с возможностью вращения в вертикальной плоскости. Отражатель и обратимый электроакустический преобразователь эталонного канала закреплены внутри трубы. Канал измерения уровня подтоварной воды представляет собой трубу с установленным в верхней части преобразователем, направленным вниз.
Основным недостатком указанного устройства является сложность измерительного блока датчиков, состоящего из трех отдельных каналов, а также громоздкость схемы обработки информации, выполненной на устаревшей элементной базе с применением триггеров.
Поставлена задача упрощения конструкции ультразвукового уровнемера, а также расширения функциональных возможностей, в частности, добавление возможности измерения плотности нефтепродуктов.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор импульсов возбуждения, акустический измерительный канал, выполненный в виде Г-образной трубы, состоящей из вертикального и горизонтального участка с отверстием в нижней части для удаления отложений, а в горизонтальном участке трубы размещены преобразователь, излучающая поверхность которого расположена вертикально, и отражатель ориентированный под углом 45° к поверхности преобразователя согласно полезной модели отличающееся тем, что в акустическую часть измерительного канала добавлены расположенные на фиксированном расстоянии по длине вертикальной трубы промежуточные акустические отражатели, схема обработки электрических сигналов состоит из генератора импульсов возбуждения и блока микропроцессорной обработки сигналов, подключенных параллельно к электроакустическому преобразователю измерительного канала.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1.), где изображена структурная схема предложенного устройства. Схема содержит горизонтальную 1 и вертикальную 2 трубы-волноводы, электроакустический преобразователь 3, отражатель акустического сигнала 4, расположенные на фиксированном расстоянии по длине вертикальной трубы промежуточные акустические отражатели 5, генератор импульсов возбуждения 6 и блок микропроцессорной обработки сигналов 7.
Устройство работает следующим образом. На вход электроакустического преобразователя поступает зондирующий сигнал, сформированный генератором 6 в диапазоне частот 50-200 кГц. Акустический сигнал проходит через горизонтальный волновод 1, отражается от отражателя 4, затем по волноводу 2 проходит до границ сред, отражение от которых обратным путем проходит до электроакустического преобразователя 3, электрический сигнал с которого поступает в блок микропроцессорной обработки сигналов 7. Помимо отражений от границы сред в блок микропроцессорной обработки поступают отражения от промежуточных акустических отражателей 5. Поскольку площадь акустических отражателей меньше площади сечения волновода, различают отражения от промежуточных отражателей и от границы сред по амплитуде.
Скорость распространения звука меняется по высоте емкости, так как на практике имеет место градиент температур и расслоение нефтепродуктов. Установка промежуточных акустических отражателей решает данную проблему, поскольку при известных их координатах вычисляется реальная скорость звука на любом участке между отражателями и затем полученная скорость звука используется для более точного вычисления уровня жидкости. В устройстве промежуточные отражатели располагаются с шагом через 0,5 м и представляют собой диафрагму, имеющую площадь отражающей поверхности в 10-20 раз меньшую, чем сечение волновода.
Горизонтальный участок трубы имеет длину 0,2 м и служит для уменьшения мертвой зоны устройства, что также решает проблему засорения электроакустического преобразователя тяжелыми фракциями.
В отраженном сигнале фиксируется отражение от границы сред подтоварная вода/нефтепродукт, что дает возможность определения уровня подтоварной воды. Отражение от данной границы сред выделяется по амплитуде, которая меньше отражения нефтепродукт/воздух, но превосходит амплитуды от промежуточных отражателей.
Использование блока микропроцессорной обработки сигналов позволяет производить измерения плотности контролируемых сред по спектральным характеристикам зондирующего и отраженного сигналов. Плотность отражающей среды определится выражением:
I
II
где ρ, ρ - плотности контактирующих сред,
I
II
c, c - скорости звука в контактирующих средах,
A(2H, ω), A(0, ω)) - модули спектральных плотностей зондирующего и отраженного сигналов.
Формула (1) связывает плотности подтоварной воды (I среда) и нефтепродукта (II среда). Для вычисления плотности нефтепродукта достаточно знать плотность подтоварной воды, которая близка к единице и может быть вычислена более точно эмпирическим путем. Скорости звука в контактирующих средах вычисляются как отношение расстояния до конкретного промежуточного отражателя к времени распространения зондирующего сигнала до этого отражателя.
По сравнению с аналогами, данное устройство обеспечивает высокую точность измерений уровня жидкостей в резервуарах при значительно более простой конструкции датчика, а также расширяет функциональные возможности метода, позволяя измерять плотность нефтепродуктов.