Способ определения физических параметров газожидкостной системы и устройство для его осуществления

 

Использование: контроль физических параметров газожидкостной системы. Сущность изобретения: способ заключается в регистрации акустических колебаний внутри резонансной трубки, частично погруженной в жидкость, преобразования их в электрический сигнал, получении спектральной характеристики этого сигнала, определении частоты следования резонансных пиков в спектре, сравнении его с определяемой частотой следования резонансных пиков в спектре, получении информации об уровне жидкости, температуре газожидкостной системы, молекулярном весе и составе газа в системе. Описано устройство, реализующее данный способ. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение может быть реализовано для контроля физических параметров жидкости в различных областях техники: в гидравлике, в нефтяной и химической промышленности, медицине, в области морского и нефтеналивного транспорта и др.

Изобретение может быть использовано, в частности, для определения резонансным методом таких физических параметров газожидкостных систем, как уровень в сосудах, водоемах, температура жидкости, давление, плотность, состав и молекулярный вес бинарных смесей и др.

Широко известны резонансные способы определения параметров жидкости, например способ определения силы давления текучей среды по патенту Великобритании N 1600883 (G 01 L 9/00), когда твердый элемент, способный к механическому резонансу, помещают в находящуюся под давлением среду и возбуждают до резонансного состояния. Для изготовления этого элемента выбирают материал, резонансная частота которого изменяется в зависимости от изменения давления. Таким образом, регистрируя значения резонансной частоты по известным зависимостям определяют силу давления.

Известен, например, способ определения температуры с применением акустических резонаторов по патенту США N 4233843 (кл.G 01 K 11/26), заключающийся в том, что в жидкую среду помещают термочувствительный резонатор, имеющий по крайней мере две моды колебаний с первой и второй резонансными частотами; эти частоты пропорциональны температуре, а разность между первой и второй резонансными частотами постоянна; при этом измерение разности первой и второй резонансной частот с последующим сравнением ее с указанной выше дает возможность оценить наличие ложного сигнала, а по одной из измеренной частот по известным формулам определяют температуру жидкости.

Известен, например, способ измерения плотности загрязненной текучей среды с помощью резонаторов, причем резонансная измеряемая частота зависит от плотности загрязнения, т.е. по частоте по известным зависимостям определяют плотность.

Недостатком указанных способов является низкая точность, т.к. их реализация зависит от добротности аппаратуры для минимизации ширины резонансного пика; кроме того, велико время измерения (уменьшение ширины резонансного пика требует увеличения времени проведения однократного измерения), трудности настройки на резонансную частоту при изменении ее в широких пределах, например при определении уровня жидкости ограничена область функционального применения указанных способов.

Известен также способ определения параметров жидкости, таких как уровень, температура, состав и молекулярный вес, заключающийся в том, что трубчатый резонатор заполняют газом и приводят в термодинамическое равновесие с контролируемой средой, возбуждают в газовом столбе внутри резонатора вынужденные акустические колебания синусоидальной формы, настраивают частоту колебаний на характерную точку частотной характеристики резонатора, определяют частоту или период этих колебаний и по ним судят о температуре, уровне, составе и молекулярном весе контролируемой среды.

Недостатками способа являются неудовлетворительная точность, которая лимитируется добротностью резонатора, достаточно большое время измерения, т.к. необходимо настраиваться на характерную частоту; низкая помехоустойчивость, т.к. случайный резонансный сигнал воспринимается как полезный.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности, уменьшение времени измерения, повышение помехоустойчивости.

Данный технический результат достигается тем, что в способе определения физических параметров газожидкостных систем, заключающемся в регистрации акустических колебаний внутри резонансной трубки, частично погруженной в жидкость, преобразовании их в электрический сигнал и получении информации об уровне жидкости, температуре газожидкостной системы, молекулярном весе и составе газа в системе, после преобразования акустических колебаний в электрический сигнал получают спектральную характеристику этого сигнала, определяют частоту следования резонансных пиков в спектре, задают эталонное значение частоты следования резонансных пиков, сравнивают ее с определяемой частотой следования резонансных пиков и рассчитывают параметры системы по зависимостям где L уровень жидкости, м; L_эт эталонное значение уровня жидкости,м; T частота следования резонансных пиков в спектре, с; T_эт эталонное значение частоты следования резонансных пиков в спектре, с; Θ температура жидкости, К; q_эт эталонное значение температуры жидкости,К;
M молекулярный вес газа;
M_эт эталонное значение молекулярного веса газа.

Известно устройство для определения температуры, давления, плотности текучей среды [1] содержащее вибратор с чувствительным элементом, одна поверхность которого принимает эталонное давление, а другая обращена к измеряемой среде; пьезодатчик, установленный на вибраторе, воспринимает колебания и через усилитель выдает сигнал с тремя модами; блок операционной обработки по сигналу на входе, соответствующему собственной частоте колебаний вибратора, определяет температуру, плотность, давление текучей среды.

Известно устройство для определения физических параметров жидкости, содержащее трубчатый резонатор, в котором установлен приемно-передающий блок в виде обратимого мембранного микрофона, который является одним плечом мостового генератора синусоидального напряжения, выход которого подключен к схеме измерения периода колебаний. [2]
Недостатками прототипа являются низкая точность и длительность измерения из-за необходимости настройки моста для его уравновешивания в широком диапазоне частот и погрешности аппаратуры, влияющей на измерение периода колебаний, недостаточная помехоустойчивость.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности и уменьшение времени определения физических параметров газожидкостной системы, увеличение помехоустойчивости.

Данный технический результат достигается тем, что в устройстве определения физических параметров жидкости, содержащем резонансную трубу и установленный внутри нее приемник акустических колебаний, введены усилитель, блок измерения частоты следования резонансных пиков в спектре, задатчик эталонного значения частоты следования резонансных пиков в спектре, блок сравнения и операционный блок, причем вход усилителя соединен с выходом приемника акустических колебаний, а его вход подключен к первому входу блока сравнения через блок измерения частоты следования резонансных пиков в спектре, выход задатчика эталонного значения частоты следования резонансных пиков в спектре подключен к второму входу блока сравнения, а выход блока сравнения подключен к входу операционного блока.

Ha фиг.1 показано устройство для определения физических параметров жидкости; на фиг.2 представлены 9 спектр А акустических колебаний; 10 - кепстр мощности G акустических колебаний.

Устройство содержит резонансную трубу 1, погруженную в жидкость 8, в резонансной трубе размещен приемно-передающий блок 2, выход которого через усилитель 3 подключен на вход 4, выходы блока измерения частоты следования резонансных пиков в спектре 4 и задатчика эталонного значения частоты следования резонансных пиков 5 подключены к входам блока сравнения 6, выход которого связан с входом операционного блока 5.

По предлагаемому способу и устройству в газовом столбе внутри трубчатого резонатора возбуждают и регистрируют (или просто регистрируют собственные акустические колебания, которые всегда присутствуют при наличии внешних шумов и вибрации) с помощью приемно-передающего блока 2 акустические колебания.

Зарегистрированные с помощью приемно-передающего блока 2 колебания усиливаются усилителем 3 и поступают на вход блока измерения частоты следования резонансных пиков в спектре 4, где определяется частота следования резонансных пиков T ( см. кривую 10 кепстра мощности G на фиг.2; кепстр мощности это спектр импульса, форма которого является логарифмом спектра мощности сигнала). Аргумент кривой 10 имеет размерность времени и max приходится на характерную величину времени T, соответствующую частоте следования резонансных пиков.

Далее сигнал, соответствующий частоте T, поступает из блока измерения частоты следования резонансных пиков в спектре 4 на вход блока сравнения 6, на второй вход которого поступает сигнал от задатчика эталонного значения частоты следования резонансных пиков 5, соответствующий эталонному значению T_эт частоты следования резонансных пиков, а уже с блока сравнения 6 величина (T/T_эт) поступает на вход операционного блока 7, где вычисляются параметры газожидкостной системы по вышеприведенным зависимостям.

Приемно-передающий блок 2 может быть выполнен в случае регистрации собственных колебаний в виде приемного устройства, например чувствительного микрофона или гидрофона.

В случае возбуждения колебаний блок 2 может быть выполнен, например, в виде источника импульсного давления, запитывающегося от генератора широкополосных сигналов, в качестве которого может быть использован генератор случайного шума 1045 фирмы Брюль и Къер (Каталог фирмы; 1986 г.)
В качестве блока измерения частоты следования резонансных пиков может быть использован анализатор периодических составляющих в спектре сигналов 2034 фирмы Брюль и Къер (Каталог фирмы; 1986 г.).

В качестве задатчика эталонного значения частоты следования может быть использовано любое запоминающее устройство либо измеритель частоты следования резонансных пиков в трубчатом резонаторе с известными параметрами.

Блок сравнения и операционный блок могут быть выполнены в виде процессоров.

Формула изобретения

1. Способ определения физических параметров газожидкостной системы, заключающийся в регистрации акустических колебаний внутри резонансной трубки, частично погруженной в жидкость, преобразовании их в электрический сигнал и получении информации об уровне жидкости, температуре газожидкостной системы, молекулярном весе и составе газа в системе, отличающийся тем, что после преобразования акустических колебаний в электрический сигнал получают спектральную характеристику этого сигнала, определяют частоту следования резонансных пиков в спектре, задают эталонное значение частоты следования резонансных пиков в спектре и сравнивают его с определяемой частотой следования резонансных пиков в спектре, рассчитывают параметры системы по зависимостям
L = L_эт· T/T_эт;

М/М_эт (Т/Т_эт)²,
где L уровень жидкости;
L_эт эталонное значение уровня жидкости;
Т частота следования резонансных пиков в спектре;
Т_эт эталонное значение частоты следования резонансных пиков в спектре;
Θ - температура жидкости и газа;
Θ_эт- эталонное значение температуры жидкости и газа;
М молекулярная масса газа;
М_эт эталонное значение молекулярной массы газа.

2. Устройство для определения физических параметров газожидкостной системы, содержащее резонансную трубку и установленный внутри нее приемник акустических колебаний, отличающееся тем, что в него введены усилитель, блок измерения частоты следования резонансных пиков в спектре, задатчик эталонного значения частоты следования резонансных пиков в спектре, блок сравнения и операционный блок, причем вход усилителя соединен с выходом приемника акустических колебаний, а его выход подключен к первому входу блока сравнения через блок измерения частоты следования резонансных пиков в спектре, выход задатчика эталонного значения частоты следования резонансных пиков в спектре подключен к второму входу блока сравнения, а выход блока сравнения подключен к входу операционного блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2