Спосіб вимірювання рівня рідини та пристрій для його здійснення

1 Спосіб вимірювання рівня рідини, при якому збуджують акустичні коливання шляхом дії на рідину, приймають акустичні коливання, перетворюють і підсилюють сигнали, по яким визначають рівень рідини, який відрізняється тим, що акустичні коливання збуджують малим об'ємом того ж середовища, в рідкому або замороженому вигляді, який випускають з дозатора, наприклад крапельниці, розташованого над рівнем рідини і після падіння та співударяння з поверхнею рідини викликають акустичні коливання, прийманням та електронною обробкою яких забезпечують вимірювання та обчислення відстані від верхньої точки ємності до рівня рідини, що заповнює ємність за формулою л Н = hr + he - висота ємності з горловиною, м, hr - висота горловини ємності, м, he - висота ємності, м, g - прискорення вільного падіння, м/с, t - часовий інтервал, функціонально пов'язаний з рівнем рідини, що вимірюється, с, Vz =V + a-(x-x0) швидкість звуку в газах V = 331 - швидкість звуку у газах при температурі t 0 = 0°С, м/с, а = 0,59 - температурний коефіцієнт зміни швидкості, х - температура, при якій розраховують швидкість звуку 2 Пристрій для вимірювання рівня рідини, що має механізм для збудження акустичних коливань, приймач сигналу, який зв'язаний з підсилювачем, перетворювач аналогового сигналу у цифровий , та індикатора, який відрізняється тим, що механізм для збудження акустичних коливань виконаний у вигляді дозатора з розподільно-переривним пристроєм дозування речовини і приймача акустичних сигналів від зггкнення малого об'єму речовини з поверхнею рідини в ємності, та доповнений свгглочутливими елементами, синхронізатором стробу вильоту малого об'єму речовини з дозатора (О Спосіб та пристрій має відношення до вимірювання рівня рідини в ємностях Даний спосіб може знайти використання у автоматичних системах контролю та обліку у нафтодобувній і нафтопереробній промисловості, в інших галузях народного господарства, які пов'язані з виробленням, зберіганням та використанням рідинних середовищ У відомому способі контролю приходу та витрат рідини в каліброваній ємності МІСТКІСТЮ більше 5м 3 (Україна, заявка № 97010086, кл G01F17(00), 1997) вимірюють рівень звичайною мірною ЛІНІЙКОЮ зі шкалою до та після витрати рідини, а також вимірюють КІЛЬКІСТЬ витраченої рідини, після цього результати вимірювань звіряють з таблицею Якщо мають місце розходження в результатах, то приймають за основу фактичний резуль тат вимірювань Недоліком даного способу є те, що кожний раз потрібно робити декілька вимірів до витрачення рідини, заміряти КІЛЬКІСТЬ витраченої рідини, а потім знову заміряти рівень рідини в ємності Крім того, даний спосіб контролю рівня рідини не враховує температури середовища, що негативно впливає на результат вимірювань, тому що рідина має здатність при різних температурах змінювати свій об'єм При тому, що даний засіб не потребує ні якого складного обладнання, він не дає можливості досягти достатньої точності вимірювань рівня рідини в ємності Також відомий спосіб вимірювання рівня рідини (Патент України, № 18603, кл G01F17(00), 1997) при якому випромінюють в контрольне середовище через стінку ємності ультразвукові імпуль 44969 ня рідини (Україна, заявка № 98084566, кл си і вимірюють тривалість часових інтервалів між G01F23/28, 1998), що має акустичну трубу з акусприйнятими сигналами, відбитими від верхньої тичним випромінювачем зондуючого сигналу і приграниці рідини, що забезпечує визначення рівня ймачем акустичних сигналів, підсилювачі-формурідкого середовища Попередньо вимірюють товвачі зондуючого сигналу та сигналів що приймащину стінки ємності, визначають швидкість ультраються, схему вимірювання часового інтервалу, фузвуку в рідині при даній температурі нкціонально зв'язаний з рівнем, що вимірюється, Вимірюють довжину часових інтервалів, між та індикатор Приймач встановлено нижче випроприйнятими луна-сигналами, а рівень рідини знамінювача у поперечному зрізі труби і зв'язано з и ходять за формулою порожнечею через трансформатор зв'язку, при h, цьому між випромінювачем та верхнім торцем ви*o)]L мірювальної труби встановлена узгоджена з нею діафрагма, що "проникна" для звукової хвилі і "неНедоліком способу є те, що заміри та розрахупроникна" для парів рідини, нижче якої у СТІНЦІ нки роблять для кількох довільно вибраних точок зроблені вентиляційні отвори, при цьому схема виТакож недоліком є те, що потрібно попередньо вимірювання часового інтервалу, що функціонально мірювати товщину стінки ємності, визначити швидзв'язаний з рівнем, що вимірюється, виконана у викість ультразвуку Вище приведені недоліки робгляді мікропроцесора, що реалізує задану програлять цей засіб трудомістким та непридатним для му керування процесом вимірювання та обчисленпостійного використання ня вимірюваного рівня рідини І_р за формулою І_р = Спосіб вимірювання рівня рідких середовищ L - Vtx, де L - відстань від площі встановленого (Патент СССР № 1777004 кл G01F23/28, 1990) приймача до дна ємності, V - швидкість звуку, tx полягає утому, що у рідину направляють струмінь вимірюваний часовий інтервал, функціонально газу та вимірюють параметри струменю після відзв'язаний з рівнем рідини В пристрої, вибраному в биття від рідини Під ДІЄЮ струменю газу виникаякості прототипу, є певні недоліки Для керування ють акустичні коливання, за їх характеристиками пристроєм в прототипі використовується акустична визначають рівень рідини Недоліком даного спотруба, яка має досить складну конструкцію В один собу є те, що для виникнення коливань використочас акустична труба з випромінювачем та приймавують струмінь газу, але турбулентність потоку гачем акустичних сигналів, також встановлені підсизу робить даний спосіб не придатним для широколювачі-формувачі зондуючих сигналів та сигналів, го використання вимірювання рівня рідкого серещо приймаються Формула, яка закладена в продовища граму для обчислення рівня рідкого середовища в Відомий пристрій для вимірювання рівня рідиємності, не враховує температуру, що негативно ни (Авт ев СССР № 4754209/00-03 кл Е21В47/04, впливає на результаті розрахунку рівня рідкого се1989) пристрій містить в собі генератор акустичних редовища Ці недоліки приводять до певних трудімпульсів, привід клапану, підсилювач, компаранощів в використанні При встановлені та керувантор, блок свгглової та звукової індикації, генератор ні цим пристроєм виникають певні проблеми, поеталонної частоти, коректор, лічильник метрів, в'язані з встановленням акустичної труби та и пристрій імітації і контролю, задавач часу дії, вібуправлінням Крім того, цей пристрій не придатний ратор, ключ, інтегратор, блоки вибірки - зберігандля постійного використання ня, компаратор, блок відображення Пристрій встановлюють на кришці ємності з рідиною За сигнаЗ відомих способів та пристроїв вимірювання лом генератор збуджує акустичний імпульс Прирівня рідини найбільш близьким по технічній суттєймач фіксує прямий сигнал, відбитий сигнал та сивості є спосіб вимірювання КІЛЬКОСТІ рідини в ємногнал перешкод Компаратор перетворює ВХІДНІ сигсті та пристрій для його здійснення (Патент СССР нали в однополярні імпульси За сигналом з вихо№ 1770763 кл G01F23/22, 1990) Спосіб вимірюду елемента і блок здійснює вибірку та зберігання вання рівня рідини в ємності, побудований на збупрямого сигналу з інтегратора Лічильник метрів джені коливань шляхом нанесення удару по СТІНЦІ починає рахування еталонних імпульсів, за спадом ЄМНОСТІ, їх перетворюванні, а потім в реєстрації яких на виході компаратору одновібратор виробпараметрів коливань і порівнянні їх з еталоним, ляє короткий керуючий імпульс для обнуління інтеодержаний аналогічним шляхом в порожній ємносгратора В блоці здійснюється запам'ятовування ті 3 метою підвищення точності вимірювань, коливідбитого сигналу та сигналу перешкод Компаравання збуджують центральним ударом та конценттор послідовно зрівнює ВИХІДНІ сигнали Лічильник рують їх в зоні вимірювань Пристрій для вимірюметрів завершує роботу по приході відбитого сигвання рівня рідини в ємності, містить в собі ударналу Застосування приладу дозволяє зрівнювати ний механізм та приймальний датчик, який електпрямий сигнал, відбиті сигнали та сигнали перерично зв'язаний через підсилювач з індикатором З шкод по площі Перешкодостійкістьта вибірковість метою підвищення точності вимірювань, в нього досягається збільшенням площі прямого імпульсу введений акустичний концентратор, виконаний у впливу Недоліком даного пристрою є те, що блок виді порожнистого конуса, основу якого задемпфоприймача сигналів порівнює та обробляє три види вано, а приймальний датчик виконаний у вигляді імпульсів (прямий, відбитий та сигнал перешкод), петлі з о пто вол о ко ного свггловода, встановлений а не один сигнал, як у пристрої, що пропонується консольне на мембрані в площині, перпендикулярТакож має місце опромінення рідини но направленню розповсюдження коливань в середині концентратора, при цьому один кінець опЗ відомих пристроїв вимірювання рівня рідини товолоконого свггловода зв'язаний з джерелом, а найбільш близьким по технічним та конструктивдругий - з приймачем свгглового випромінювання ним особливостям є пристрій для вимірювання рів До недоліків даного способу та пристрою, вибраного в якості прототипу, слід віднести можливість відбиття сигналу від бічних стінок ємності, що обмежує застосування пристрою у трубах та лотках, складність формування та концентрації сигналу у зоні вимірювань В основу винаходу поставлено задачу вимірювання рівня рідини в ємності, вирішення якої, дозволило б підвищити точність і оперативність знаходження рівня рідини в ємності Спосіб та пристрій, які використовуються для досягнення даної мети повинні бути зручними та простими у використанні, з малим енергоспоживанням Використання персональної електронної обчислювальної машини (ПЕОМ) дозволяє підвищити надійність керування пристроєм Поставлена задача вирішується таким чином акустичні коливання збуджують малим об'ємом того ж середовища, в рідкому або замороженому вигляді, який випускають з дозатору, наприклад крапельниці, розташованого над рівнем рідини і після падіння та співударяння з поверхнею рідини викликають акустичні коливання, прийманням та електронною обробкою яких забезпечують вимірювання та обчислення відстані від верхньої точки ємності до рівня рідини, що заповнює ємність за формулою м, де Н = hr + he - висота ємності з горловиною, hr - висота горловини ємності, м, he - висота ємності, м, g - прискорення вільного падіння, м/с2, t - часовий інтервал функціонально пов'язаний з рівнем рідини, що вимірюється, с, V = V + а * (т - то) - швидкість звуку в газах, V = 331 - швидкість звуку у газах при температурі to = 0°С, м/с, а = 0,59 - температурний коефіцієнт зміни швидкості, т - температура, при якій розраховують швидкість звуку Згідно винаходу, новиною даного способу є те, що відсутнє опромінення рідини, а використовується малий об'єм того ж середовища, в рідкому або замороженому вигляді, який падає з дозатору (крапельниці), розташованого над рівнем рідини і після падіння та співударяння з поверхнею рідини викликає акустичні коливання, приймання яких забезпечує вимірювання відстані від верхньої точки ємності до рівня рідини, що заповнює ємність Технічний результат винаходу полягає утому, що вимірювання рівня заповнення ємності рідиною здійснюють за рахунок віднімання із загального об'єму ємності и незаповненого об'єму Оскільки переріз ємності не змінюється у часі, то необхідно знайти одну невідому величину - висоту незаповненого об'єму ємності Вимірювання незаповненого об'єму складається у визначенні часу польоту краплі рідини того ж складу, що і рідина, яка знаходиться в ємності (для запобігання забруднення чужорідними речовинами тієї речовини, що міститься 44969 у ємності) Запропонований спосіб вимірювання рідини в ємності, впроваджується шляхом використання пристрою, що встановлюється в ємності, схема якого показана на фігурі, до якого входять дозатор 1, наприклад крапельниця, який з'єднано з розподільно-перериваючим пристроєм 2 (РПП) Вони призначені для дозування малого об'єму речовини, який падає з дозатору Нижче РПП встановлено синхронізатор 3 з світлочутливими елементами (С - світловод та Ф - фотодюд) - призначений для посилання на персональну електронну обчислювальну машину спеціального стробу, який фіксує початок вимірювання по вильоту малого об'єму рідини з дозатору Приймач акустичних сигналів 4 (звуковий датчик) пристрою встановлюється на горловині ємності і призначений для прийому акустичного сигналу після зггкнення об'єму рідини, що падає, з поверхнею рідини у ємності Підсилювач 5, з'єднано з синхронізатором для підсилювання імпульсів від синхронізатора Приймач акустичних сигналів і підсилювач з'єднані з аналого-цифровим перетворювачем 6, (АЦП) де перетворюється аналоговий сигнал від приймача акустичних сигналів у цифровий, для подальшої передачі його на центральний процесор персональної електронної обчислювальної машини 7 У якості АЦП використовується звукова плата ESS 3D Sound За допомогою програмного забезпечення, наприклад Cool Edit Pro Syntrilhum Software corp USA, обчислювальна машина дозволяє отримати спектрограму процесу у реальному часі Пристрій для вимірювання рівня рідини в ємності працює таким чином, при натисканні на РПП 2 з дозатору вилггає малий об'єм рідини Проходячи через проміжок між світлоелементом С і фотоелементом Ф синхронізатора 3, об'єм рідини, який падає, перериває свггловий потік Таким чином, на фотоелементі змінюється потенціал, який потім посилюється підсилювачем 5 до рівня придатного для пересилання на ЛІНІЙНИЙ ВХІД Line in звукової плати Малий об'єм рідини пролггає відстань від горловини ємності, на якій встановлено дозатор до рівня рідини в ємності При співударянні після падіння малого об'єму рідини виникає акустичний імпульс, який проходить відстань до приймача акустичних сигналів 4 Сигнал від приймача акустичних сигналів надходить на мікрофонний вхід, Міс in, звукової плати ПЕОМ Обидва сигнали - з синхронізатора і приймача акустичних сигналів приходять ВІДПОВІДНО на входи Line in та Міс m АЦП, де перетворюються в цифрові сигнали При надходженні на центральний процесор ПЕОМ обидва сигнали мікшуються за допомогою програмного забезпечення, та відображаються на моніторі ПЕОМ Таким чином, запропонований спосіб та пристрій вимірювання рівня рідини у ємностях, які пропонуються, випробувані у реальних умовах Випробування підтвердили їх надійність, мале енергоспоживання, а точність вимірювань рівня рідини не перевищує 0,5 % при висоті ємностей до 10м fc., ФІГ. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90