Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

Предложение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения концентрации взвешенных веществ в жидкой среде и, в частности, для измерения содержания капель нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде.

Известен ультразвуковой способ выявления и измерения концентрации взвешенных веществ в жидкой среде, заключающийся в том, что в жидкость с взвешенными частицами вводят ультразвуковые колебания и по амплитуде отраженных ультразвуковых колебаний от взвешенных частиц судят о их концентрации в жидкости (см. книгу: ред. Клюев В.В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. - М.: Машиностроение, 1976 г., кн. 2, стр.201).

Недостатком данного способа является низкая точность измерения концентрации взвешенных частиц в жидкости, обусловленная отсутствием калибровки в потоке жидкости в условиях непрерывного изменения ориентации частиц в жидкости относительно направления ввода ультразвуковых колебаний.

Наиболее близким аналогом по сущности является ультразвуковой способ измерения содержания механических примесей в жидкости, основанный на вводе ультразвуковых импульсов по нормали к оси трубопровода и приеме отраженных ультразвуковых импульсов от механических примесей в жидкой среде. Определение концентрации взвешенных веществ в жидкой среде осуществляют по амплитуде этих колебаний с выставлением времени измерения одной пары ультразвуковых преобразователей в зависимости от площади поперечного сечения трубопровода, расхода жидкости и диаметра приемника ультразвукового датчика (патент РФ №2105300, МПК G01N 29/02, опубл. БИ №5. 1998.02.20).

Недостатком данного способа является то, что результаты измерений зависят от площади поперечного сечения трубопровода, расхода жидкости и диаметра приемника ультразвукового датчика, что не может обеспечить требуемую точность.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение точности ультразвукового измерения концентрации взвешенных веществ в жидкой среде.

Техническая задача решается предлагаемым способом ультразвукового измерения концентрации взвешенных веществ в жидкой среде, включающим ввод ультразвуковых импульсов по нормали к оси трубопровода и прием отраженных от взвешенных веществ в жидкой среде ультразвуковых импульсов. Новым является то, что одновременно с вводом и приемом ультразвуковых импульсов последовательно отбирают пробы жидкой среды со взвешенным веществом, а отраженные ультразвуковые импульсы от взвешенных в жидкой среде веществ преобразуют в электрические импульсы и последовательно подсчитывают число отраженных ультразвуковых импульсов на каждом из заданных уровней напряжения на компараторе, при этом в течение отбора каждой пробы (1...n) производят отсчеты, при первом измерении через компаратор пройдут все отраженные импульсы (так как уровень напряжения равен 0), на микроконтроллере подсчитываются импульсы, прошедшие через компаратор во время измерительного интервала, при каждом следующем измерении (в течение одного цикла) посредством микроконтроллера увеличивают уровень напряжения на компараторе, подсчитывают и запоминают число прошедших импульсов за измерительный интервал, для каждой последовательности отсчетов вычисляют среднее арифметическое значение (кроме нулевого уровня), затем вычисляют среднее арифметическое значение этой последовательности отсчетов (М), имея данные лабораторного анализа и результаты вычисленных средних арифметических значений последовательности отсчетов (М), аппроксимируют полиномом:

причем коэффициенты А, В, С, D определяют методом наименьших квадратов по зависимостям

где Q₁, Q₂, ... Q_n-1, Q_n - значения концентрации взвешенных веществ, определенных из взятых из жидкой среды проб (1...n) в момент измерений и с учетом любого М и ранее определенных коэффициентов А, В, С, D находят концентрацию взвешенных веществ в жидкости.

Ультразвуковой раздельно совмещенный преобразователь устанавливается через патрубок на боковой поверхности трубопровода таким образом, что его торцевая поверхность располагается на уровне образующей внутренней поверхности трубопровода. Торцевая поверхность ультразвукового преобразователя является областью, через которую излучаются в контролируемую жидкость импульсные ультразвуковые колебания в виде произведения единичной функции, экспоненты, синусоиды, и принимается из нее смесь отраженных ультразвуковых колебаний от капель нефти и твердых взвешенных частиц.

Приемный пьезоэлектрический преобразователь за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует упругие колебания в электрические. Смесь электрических колебаний от капель нефти и твердых взвешенных частиц в виде последовательности импульсов различной амплитуды подается на вход усилителя, а затем на управляемый микроконтроллером по уровню срабатывания компаратор. Компаратор величину напряжения электрического сигнала от усилителя сравнивает с напряжением, задаваемым цифроаналоговым преобразователем однокристального микроконтроллера. Если уровень входного сигнала превышает уровень, заданный микроконтроллером, то на выходе компаратора формируется импульс напряжения с логическим уровнем, который подается на счетчик импульсов, встроенный в микроконтроллер. Однокристальный микроконтроллер, работая по записанной в него программе, осуществляет управление компаратором, определяет начало и продолжительность измерительного интервала, подсчитывает число импульсов с компаратора, накапливает результаты и через порт передает значения в ЭВМ.

Измерение происходит циклами, при этом каждый цикл состоит из 16 отдельных измерений (по числу устанавливаемых последовательно уровней). Одновременно с зондирующим импульсом формируется синхронизирующий импульс, который поступает на микроконтроллер. В начале цикла измерений микроконтроллер устанавливает компаратору нулевой уровень напряжения. При поступлении синхронизирующего импульса микроконтроллер формирует временную задержку, а затем измерительный временной интервал. Смесь отраженных импульсов в этом измерительном интервале времени с выхода усилителя сравниваются компаратором по амплитуде с уровнем, установленным компаратором. Импульсы, амплитуды которых превышают этот уровень, формируют импульс на логическом выходе компаратора. При первом измерении через компаратор пройдут все отраженные импульсы, так как уровень опорного напряжения равен нулю. Это используется для проверки работоспособности.

Микроконтроллер подсчитывает импульсы, прошедшие через компаратор, и по их числу определяет концентрацию капель нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде.

Измерения проводятся путем ввода ультразвуковых колебаний по нормали к оси трубопровода и приема отраженных от взвешенных веществ в жидкой среде ультразвуковых колебаний, одновременного последовательного многократного отбора проб жидкой среды с взвешенным веществом, приема отраженных ультразвуковых колебаний от взвешенных в жидкой среде веществ в виде их смеси и последовательного определения числа отраженных ультразвуковых импульсов на каждом из заданных уровней напряжения на компараторе, при этом в течение отбора каждой пробы (1...n) производят отсчеты, при первом измерении через компаратор пройдут все отраженные импульсы (так как уровень напряжения равен 0), на микроконтроллере подсчитываются импульсы, прошедшие через компаратор во время измерительного интервала, при каждом следующем измерении (в течение одного цикла) посредством микроконтроллера увеличивают уровень напряжения на компараторе, подсчитывают и запоминают число прошедших импульсов за измерительный интервал, для каждой последовательности отсчетов вычисляют среднее арифметическое значение (кроме нулевого уровня), затем вычисляют среднее арифметическое значение этой последовательности отсчетов (М), имея данные лабораторного анализа и результаты вычисленных средних арифметических значений последовательности отсчетов (М), аппроксимируют полиномом:

причем коэффициенты А, В, С, D определяют методом наименьших квадратов по зависимостям

где Q₁, Q₂, ... Q_n-1, Q_n - значения концентрации взвешенных веществ, определенных из взятых из жидкой среды проб (1...n) в момент измерений и с учетом любого М и ранее определенных коэффициентов А, В, С, D находят концентрацию взвешенных веществ в жидкости.

Предлагаемое техническое решение удовлетворяет критериям «новизны» и «изобретательского уровня», так как предложенные признаки позволяют обеспечить повышенную точность измерения концентрации взвешенных веществ, например капель нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде.

На фиг.1 изображено устройство, с помощью которого осуществлен предлагаемый способ. На фиг.2 изображена сопоставимость полученных при помощи предлагаемого ультразвукового способа измерения концентрации капель нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде с результатами лабораторного анализа.

Устройство для измерения содержания капель нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде, изображенное на фиг.1, состоит из генератора 1, соединенного своим высокочастотным выходом с передающим пьезоэлектрическим преобразователем 2. Передающий пьезоэлектрический преобразователь размещен в корпусе ультразвукового преобразователя 3 раздельно-совмещенного типа. В корпусе этого же ультразвукового преобразователя 3 размещен приемный пьезоэлектрический преобразователь 4, соединенный со входом усилителя 5, выход которого соединен со входом управляемого компаратора 6. Выход управляемого компаратора 6 соединен с логическим входом микроконтроллера 7. Логический вход микроконтроллера 7 соединен с синхронизирующим выходом генератора 1. Логические выходы микроконтроллера 7 соединены с входами управляемого компаратора 6. Микроконтроллер 7 через порт 8 типа RS-485 передает данные на ЭВМ 9 для накопления, обработки и индикации суммарного содержания нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде.

Питание устройства осуществляется от сети 220 В, 50 Гц через блок питания 10 с двумя выходами, каждый по 15 В, 50 Гц. Один из них предназначен для питания генератора, а другой - для питания приемника 11, состоящего из усилителя 5, управляемого компаратора 6, микроконтроллера 7 и порта 8 типа RS-485. В блоке питания 10 входная обмотка трансформатора 220 В, 50 Гц и выходные обмотки 15 В, 50 Гц размещены в отдельных секциях каркаса катушки трансформатора.

Ультразвуковой преобразователь через патрубок на боковой поверхности трубопровода устанавливается таким образом, что торцевая его поверхность располагается на уровне образующей внутренней поверхности трубопровода. Торцевая поверхность ультразвукового преобразователя является областью, через которую излучаются в контролируемую среду и принимаются из нее ультразвуковые колебания.

Электрические колебания генератора 1 воздействуют на передающий пьезоэлемент 2, который за счет обратного пьезоэлектрического эффекта преобразует их в ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания через торцевую поверхность ультразвукового преобразователя 3 вводятся в трубопровод со сточной водой. Ультразвуковые колебания распространяются в сточной воде в радиальном направлении. От частиц нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде отражаются ультразвуковые колебания, которые через торцевую поверхность ультразвукового преобразователя 3 воздействуют на приемный пьезоэлектрический преобразователь 4. Приемный пьезоэлектрический преобразователь за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуют ультразвуковые колебания в электрические колебания.

Смесь электрических колебаний от частиц нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде в виде последовательности импульсов различной амплитуды подается на вход усилителя 5, а затем на управляемый компаратор 6. Компаратор сравнивает величину напряжения сигнала с усилителя с напряжением, задаваемым цифроаналоговым преобразователем однокристального микроконтроллера 7. Если уровень входного сигнала превышает уровень, заданный микроконтроллером, то на выходе компаратора формируется импульс напряжения с логическими уровнями, который подается на счетчик импульсов, встроенный в микроконтроллер 7. Однокристальный микроконтроллер, работая по установленной в него программе, осуществляет управление компаратором 6, определяет начало и продолжительность измерительного интервала, подсчитывает число импульсов с компаратора, накапливает результаты и приблизительно 2 раза в секунду через порт 8 типа RS-485 передает значения в ЭВМ 9.

В фиг 3. приведен алгоритм выполнения способа.

Измерения происходят циклами, каждый из которых состоит из 16 отдельных измерений. Генератор 1 выдает зондирующий импульс на передающий пьезоэлектрический преобразователь 2. Одновременно с зондирующим импульсом генератором формируется синхронизирующий импульс, который поступает на микроконтроллер 7. В начале цикла измерения микроконтроллер устанавливает на компараторе 6 нулевой уровень напряжения. При поступлении синхронизирующего импульса микроконтроллер формирует задержку, а затем измерительный интервал. Отраженные импульсы с выхода усилителя 5 в заданном измерительном интервале сравниваются компаратором 6 по амплитуде с уровнем, установленным микроконтроллером. Импульсы, амплитуда которых превышает этот уровень, формируют импульс на логическом выходе компаратора. Импульсы, амплитуда которых меньше этого уровня, через компаратор не проходят. При первом измерении через компаратор пройдут все отраженные импульсы (так как уровень напряжения равен 0). Микроконтроллер подсчитывает импульсы, прошедшие через компаратор во время измерительного интервала. При втором измерении микроконтроллер устанавливает уровень напряжения, равный 1 (условно), и компаратор пропускает только те импульсы, амплитуда которых выше этого уровня. При третьем измерении микроконтроллер устанавливает уровень напряжения, равный 2, и т.д. Микроконтроллер осуществляет подсчет импульсов, прошедших через компаратор, и накопление результатов. Таким образом, при каждом следующем измерении (в течение одного цикла) микроконтроллер увеличивает уровень на компараторе, подсчитывает и запоминает число прошедших импульсов за измерительный интервал. В конце цикла измерения (после шестнадцатого измерения) микроконтроллер формирует из накопленных шестнадцати значений пакет данных, добавляет к нему заголовок и контрольную сумму и передает его через порт RS-485 в ЭВМ. Значение, полученное при первом измерении в каждом цикле (уровень равен 0), не несет полезной информации и лишь является индикатором правильного функционирования схемы измерения.

В ЭВМ данные с микроконтроллера поступают для обработки информации в формате MS Excel. После монтажа устройства на трубопроводе параллельно каждому циклу измерений отбираются 20 проб сточной воды для последующего их анализа в лаборатории. Одновременно в течение отбора каждой пробы производят по 100 отсчетов. Для каждой последовательности из 100 отсчетов вычисляется среднее арифметическое значение по 15 уровням (кроме нулевого). Затем вычисляется среднее арифметическое значение этой последовательности из 100 отсчетов. Имея данные лабораторного анализа и результаты вычисленных средних арифметических значений последовательности, аппроксимируют полиномом:

причем коэффициенты А, В, С, D определяют методом наименьших квадратов по зависимостям

где Q₁, Q₂, ... Q_n-1, Q_n - значения концентрации взвешенных веществ, определенных из взятых из жидкой среды проб (1...n) в момент измерений и с учетом любого М и ранее определенных коэффициентов А, В, С, D находят концентрацию взвешенных веществ в жидкости.

Таким образом, по сравнению с прототипом способ обеспечивает более высокую точность измерения концентрации капель нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде без ввода поправок на площадь поперечного сечения трубопровода, расхода жидкости и диаметра приемника ультразвукового датчика. Применение проб жидкости, взятых в момент измерения, исключает погрешность, вызванную произвольной ориентацией капель нефти и твердых взвешенных частиц, обеспечивает автоматизацию калибровки и уменьшает трудоемкость проведения измерений.

Были проведены эксперименты с использованием изготовленного образца устройства, реализующего данный способ измерения концентрации капель нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде, получены экспериментальные зависимости показаний устройства от концентрации капель нефти и твердых взвешенных частиц в сточной воде в диапазоне от 15 до 200 мг/л. Одна из этих зависимостей, полученная для ультразвукового преобразователя с резонансной частотой 3,6 МГц, приведена на фиг.2. Эксперименты показали, что использование предложенных формул и порядка измерения позволили измерить концентрацию с точностью не хуже 5%.