Результат интеллектуальной деятельности: Способ дистанционного контроля уровня и плотности жидкости в резервуаре

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оперативного контроля уровня и плотности жидкости в баках резервуарного парка, что актуально для предприятий нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, авиационной, медицинской, пищевой промышленности.

Аналогами изобретения являются способы и устройства (RU №151875, МПК G01F 23/00, опубл. 20.04.2015, RU №135121, МПК G01F 1/86, опубл. 27.11.2013, RU №2221234, МПК G01N 9/24, G01N 29/18, опубл. 10.01.2004, RU №2210764, МПК G01N 29/02, опубл. 20.08.2003, RU №2312311, МПК G01F 23/296, G01F 23/68, опубл. 10.12.2007, RU №115886, МПК G01F 1/86, опубл. 10.05.2012, RU №78308, МПК G01F 23/284, опубл. 20.11.2008, RU №53002, МПК G01B 17/00, опубл. 27.04.2006), заключающиеся в том, что в направлении контролируемой жидкости посылают зондирующий импульс, который отражается от границы раздела сред, по различным алгоритмам вычисляют искомые параметры, обрабатывая информацию об отраженном сигнале.

Недостатком известных способов являются недостаточные функциональные возможности, связанные с тем, что они позволяют определять только один параметр: уровень или плотность. Это затрудняет их применение в системах оперативного дистанционного контроля жидких сред, не дает возможности создавать приборы, реализующие комплексные измерения параметров посредством использования одного датчика.

Прототипом изобретения является способ определения уровня жидкости (RU №2447280, МПК E21B 47/047, G01F 23/296, опубл. 10.04.2012), заключающийся в том, что формируют импульсный акустический сигнал, осуществляют прием отраженного от жидкости акустического эхосигнала, осуществляют преобразование его в электрический сигнал, который подвергают аналого-цифровому преобразованию, оцифрованный сигнал подвергают преобразованию Фурье.

Недостатком прототипа являются малые функциональные возможности, связанные с его применением только для измерения уровня жидкости.

Поставлена задача: расширить функциональные возможности способа, связанные с обеспечением комплексного определения одновременно двух параметров: уровня и плотности жидкости, находящейся в емкости резервуарного парка.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе, в котором формируют импульсный акустический сигнал, осуществляют прием отраженного от жидкости акустического сигнала и преобразования его в электрический сигнал, который подвергают аналого-цифровому преобразованию, оцифрованный сигнал подвергают преобразованию Фурье, согласно изобретению зондирующий сигнал подвергают преобразованию Фурье, определяют амплитудные и фазовые составляющие спектральной плотности, искомые уровень H_X и плотность ρ_X жидкости определяют из соотношений

,

,

где H₀ - общая высота резервуара,

H - расстояние от верхней границы наполнения до границы раздела сред,

ω - частота выборки отсчета в спектральном разложении,

ρ_I - плотность среды распространения импульсов (среды I)

A(0,ω), ϕ(0,ω) - амплитудная и фазовая составляющие спектрального разложения зондирующего импульса,

A(2H,ω), ϕ(2Н,ω) - амплитудная и фазовая составляющие спектрального разложения отраженного импульса,

d₀, d₁, a₀, a₁ - коэффициенты линейной зависимости скорости звука и плотности для I и II среды, соответственно.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен резервуар 1 с контролируемой жидкостью, в полости которого установлен волновод 2, на открытом конце которого установлен акустический датчик 3, вход которого подключен к выходу генератора зондирующих импульсов 4. Выход акустического датчика 3 соединен с блоком сбора данных 5, второй вход которого соединен с выходом генератора 4. Для обработки поступившей информации последовательно соединены блок сбора данных 5, блок АЦП 6, блок спектрального анализа 7, выход которого соединен со входами блока вычисления уровня 8 и блока вычисления плотности 9.

Сущность изобретения заключается в следующем. Резервуар 1 заполнен контролируемой жидкостью (среда II), уровень и плотность которой необходимо измерить, свободная часть резервуара заполнена средой I. С генератора 4 на акустический датчик 3 поступает зондирующий импульс p(0,t), представляющий собой сгусток энергии, возбуждающий вокруг себя набор колебаний разных частот, его комплексный амплитудный спектр определяется преобразованием Фурье

Импульс распространяется в среде I по полости волновода 2 до границы раздела сред, его форма на границе раздела и текущем уровне заполнения определится как

его комплексный амплитудный спектр:

где H - расстояние до границы раздела сред,

k_I(jω) - волновой вектор среды I, в которой распространяется зондирующий импульс, определяется выражением

где c - фазовая скорость звука,

ρ - плотность среды,

- диссипативный коэффициент,

где η, ζ, ξ, C_p,С_v - динамическая вязкость, вторая вязкость и коэффициент теплопроводности среды, удельные теплоемкости среды в изобарном и изохорном процессах соответственно.

Сигнал отражается от границы раздела сред (часть пришедшего сигнала преломляется, преломленным сигналом следуют пренебречь), его амплитудный спектр имеет вид

где K(jω) - коэффициент отражения.

Коэффициент отражения акустического сигнала на границе раздела двух сред нормальном падении без учета поглощения сред на основе [6] определяется по формуле

где c_I, c_II, ρ_I, ρ_X - скорости звука и плотности контактирующих сред.

Скорость звука c в среде представляется как полиномиальная зависимость от плотности и в общем виде определяется выражением

Для нефтепродуктов с относительной плотностью от 0,651 до 1,076 кг/м³ эта аналитическая зависимость имеет вид

Для любой группы жидких продуктов могут быть составлены линейные зависимости, связывающие скорость звука в среде и ее плотность. Например, для тяжелых нефтепродуктов с диапазоном относительных плотностей 0,8-0,95 кг/м³ зависимость может быть представлена в виде линейной

где K_C=1654 [м⁴/с⋅кг] - коэффициент связи между плотностью и скоростью звука.

Форма сигнала, отразившегося от контролируемой среды II и вернувшегося в точку излучения, определяется по выражению

Отраженный сигнал принимают в блоке сбора данных 5 и проводят преобразование его в электрический сигнал p(2H,t). Также на вход блока сбора данных 5 подают зондирующий сигнал с генератора 4. В блоке АЦП 6 сигналы подвергают аналого-цифровому преобразованию, оцифрованные сигналы в блоке 7 подвергают преобразованию Фурье.

Амплитудные спектры зондирующего и отраженного от контролируемой среды сигнала, прошедшего расстояние 2H (от точки излучения до границы раздела сред и обратно), связаны соотношением

Из выражения (10) следует, что уровень и плотность связаны со амплитудными спектрами сигналов с учетом (9) следующими соотношениями:

Поскольку амплитудные спектры зондирующего и отраженного сигналов являются комплексными величинами, в блоке спектрального анализа 7 производится их разложение на амплитудные и фазовые составляющие путем представления в показательной форме

Приравняв отношения S(0,jω) и S₁(2H,jω), выраженные из (15), (16) и (12), получим

Поскольку комплексные числа равны в том случае, если равны их действительные и мнимые части, получим выражения

Полученные данные об амплитудных и фазовых составляющих A(0,ω), A(2Н,ω), ϕ(0,ω), ϕ(2Н,ω) используют для расчета искомых величин уровня и плотности в блоках 8 и 9.

При проведении измерения из распределения амплитудных и фазовых составляющих по частоте выбирают значение частоты, на которой производится расчет (частотная выборка ω_i). Под частотной i-й выборкой понимается конкретные значения составляющих спектров A(0,ω), A(2Н,ω), ϕ(0,ω), ϕ(2Н,ω), взятые на частоте ω_i.

В блоке 8 рассчитывают расстояние от датчика до границы раздела сред H с учетом (19) и (4) по выражению

Уровень наполнения резервуара контролируемой жидкостью рассчитывают по формуле

Плотность среды II рассчитывают в блоке 9 с учетом (18), (19) согласно выражению

В случае если для объектов измерения можно составить линейные зависимости скорости звука и плотности согласно (8), например как для тяжелых нефтепродуктов выражение (10), тогда расчет плотности производят по выражению

где d₀, d₁ - коэффициенты полинома (8) для I среды,

a ₀, a₁ - коэффициенты полинома (8) для II среды.