Способ определения свободного объема в емкости и устройство для его реализации

 

Изобретение может быть использовано для определения объема веществ, например сжиженного газа, в замкнутой емкости. Предлагаемый способ и устройство обеспечивают высокую точность определения свободного объема в емкости без определения температуры находящегося в емкости вещества. В способе, основанном на приеме и преобразовании возбужденных в емкости акустических колебаний в электрический сигнал, из него выделяют сигнал с резонансной частотой свободного объема емкости. Преобразуют его в акустические колебания и воздействуют ими на емкость до установления автогенераторного режима с частотой возбуждения f_p. Определяют частоту сигнала f_x, соответствующую плоской волне, распространяющейся вдоль свободного объема емкости. Свободный объем емкости определяют по выражению τ = 4·π·f²_x·l²_x/3·f²_p, где l_x - длина емкости.

Устройство для реализации способа содержит внешний возбудитель акустических колебаний, датчик акустических колебаний, усилитель, амплитудный селектор и сумматор, вход которого соединен через активный фильтр низких частот с выходом усилителя. Вход амплитудного селектора соединен с управляемым аттенюатором, выход которого соединен с усилителем мощности, выход которого соединен с внешним возбудителем акустических колебаний и управляющим входом управляемого аттенюатора. Выход сумматера соединен с вычислителем. 2 c.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения объема вещества, например сжиженного газа, в замкнутых емкостях.

Известно решение, в котором для измерения объема вещества в закрытой емкости используется резонанс акустических колебаний, устанавливающийся на основе возмущающих внешних факторов [1]. Это решение обладает следующими недостатками: устройство работает только при наличии внешних возмущающих воздействий, которые обладают широким спектром частот, следовательно, показания устройства нестабильны, что ведет к низкой точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является "Способ бесконтактного измерения вещества в емкости" [2]. Способ основан на возбуждении в емкости акустических колебаний, приеме и преобразовании возбужденных колебаний в электрический сигнал, полосовой фильтрации его, при этом отфильтрованный сигнал преобразуют в сигнал, пропорциональный его мощности, фиксируют появление двух смежных максимумов и значения частот, при которых они наступили, измеряют температуру воздуха в емкости и по измеренным значениям частот и температуры определяют глубину залегания вещества.

Устройство для реализации этого способа содержит акустический возбудитель, датчик, преобразующий акустические колебания в электрические сигналы, перестраиваемый полосовой фильтр, измеритель длительности интервала между сигналами, частотомер и датчик температуры.

Недостатки способа и устройства следующие: - измерение производят на частоте биений, обладающих по своей физической сути нестабильностью по амплитуде и по частоте, что приводит к высокой погрешности и нестабильности измерений; - различная степень поглощения акустической мощности веществом, находящимся в емкости, также приводит к погрешности измерений; - измерение температуры внутри емкости не всегда возможно, а внешнее измерение температуры не соответствует истинному значению температуры, что тоже приводит к увеличению погрешности измерений.

В заявленном способе определения свободного объема в емкости, основанном на приеме возбужденных в емкости акустических колебаний и преобразовании их в электрические сигналы, выделяют из электрического сигнала сигнал с резонансной частотой свободного объема f_p, преобразуют его в акустические колебания и воздействуют на емкость до установления автогенераторного режима с частотой f_p, после чего выделяют сигнал, соответствующий плоской волне, распространяющейся вдоль свободного объема в емкости, и определяют его частоту f_x а свободный объем определяют по выражению где l_x - длинна емкости.

В устройство для определения свободного объема в емкости, содержащее внешний возбудитель акустических колебаний, введены последовательно соединенные датчик акустических колебаний, усилитель, амплитудный селектор и сумматор, второй вход которого через активный фильтр нижних частот соединен с выходом усилителя, выход амплитудного селектора соединен с управляемым аттенюатором, выход которого соединен с усилителем мощности, выход усилителя мощности соединен с внешним возбудителем акустических колебаний и управляющим входом управляемого аттенюатора, а выход сумматора соединен с вычислителем, причем датчик акустических колебаний и внешний возбудитель акустических колебаний расположены на верхней части емкости.

В свободном объеме закрытой емкости всегда присутствуют акустические колебания [4, стр. 470-471] , обусловленные релаксацией паровой фазы газа и внешним звуковым фоном, эти колебания распространяются по осям X, Y, Z и имеют случайный флуктационный характер [5, 3, стр. 305-307]. В режиме автогенерации устанавливается стационарный режим акустических колебаний и образуются плоские волны [4, стр. 469-470] с резонансными частотами f_x, f_y, f_z, причем где с - скорость звука в газе;
l_x, l_y, l_z - геометрические размеры свободного объема емкости по осям X, Y, Z.

При этом собственная резонансная частота, соответствующая свободному объему в емкости над веществом [3, стр. 145-147]

Геометрическая форма свободного объема не влияет на f_p, амплитуда которой является наибольшей по отношению к f_x, f_y, f_z [3, стр. 153, 145].

При воздействии на емкость акустических колебаний с частотой f_p в свободном объеме устанавливается режим автогенерации, в соответствии с законом Гюйгенса [3, стр. 423-435] амплитуда сигнала с частотой f_p находится в точке максимума амплитудно-частотной характеристики свободного объема емкости и обладает высокой стабильностью. Экспериментально установлено, что свободный объем и резонансная частота связаны следующим соотношением:

где с - скорость звука в газе;
η - коэффициент пропорциональности, равный π 3)^1/2 и имеющий размерность м^1/2.

Выразив скорость звука в газе через (2) и заменив в (4) коэффициент η на его значение, получим:

Зная l_x и определив f_x и f_p, можно с высокой точностью определить свободный объем емкости, независимо от степени поглощения мощности акустических колебаний веществом в емкости и ее стенками.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для определения объема вещества в емкости;
на фиг. 2 - расположение блоков устройства на емкости (железнодорожной цистерне);
на фиг.3 - эпюры электрических сигналов.

Устройство для определения объема вещества в емкости содержит датчик акустических колебаний 1, активный фильтр низких частот 2, сумматор 3, датчик через усилитель 4 соединен с амплитудным селектором 5 и активным фильтром 2, выход которого соединен с входом сумматора 3, второй вход которого соединен с амплитудным селектором 5, а выход - с вычислителем 6, выход амплитудного селектора 5 соединен с управляемым аттенюатором 7, выход его соединен с усилителем мощности 8, выход которого соединен с аттенюатором 7 и внешним возбудителем акустических колебаний 9.

На емкости, например на железнодорожной цистерне, устройство для измерения объема вещества располагается следующим образом: блок преобразования акустических колебаний в электрические сигналы 10 и блок преобразования электрических сигналов в акустические колебания 11 расположены сверху цистерны, причем, как установлено экспериментально, блок 11 необходимо располагать ближе к центру, а блок 10 ближе к краю цистерны, источник питания 12 и вычислитель б соединены с блоками 10 и 11 кабелем связи и находятся в операторском помещении на расстоянии 1 км от емкости.

Блок преобразования акустических колебаний в электрические сигналы 10 содержит датчик 1, усилитель 4, амплитудный селектор 5, активный фильтр низких частот 2 и сумматор 3.

Блок преобразования электрических сигналов в акустические колебания 11 содержит управляемый аттенюатор 7, усилитель мощности 8 и внешний возбудитель акустических колебаний 9.

Датчик 1 принимает и преобразует акустические колебания свободного объема цистерны в электрический сигнал, который усиливается усилителем 4 и имеет вид, показанный на фиг.3б. С выхода усилителя сигнал поступает на вход амплитудного селектора 5. Амплитудный селектор имеет экспоненциальную характеристику и производит выделение сигнала f_p из сигналов f_p, f_x, f_y, f_z С выхода амплитудного селектора сигнал поступает на аттенюатор 7, начальной настройкой которого устанавливают на выходе внешнего возбудителя акустических колебаний мощность, достаточную для установления автогенераторного режима, затем в процессе работы установленный режим поддерживается автоматически за счет обратной связи с усилителем мощности.

Сигнал с выхода усилителя 4 поступает на вход активного фильтра низких частот 2, который выделяет сигнал с частотой f_x, соответствующий плоской волне, распространяющейся вдоль оси X (фиг. 3). Коэффициент передачи фильтра равен 10, т.к. амплитуда сигнала f_x много меньше, чем амплитуда сигнала f_p.

Сигнал с выхода активного фильтра низких частот 2 поступает на вход сумматора 3, на второй вход которого поступает сигнал с амплитудного селектора, с выхода сумматора сигналы с частотами f_p и f_x поступают на вычислитель 6, где в соответствии с выражением определяется свободный объем τ.
Изготовлен макет устройства для определения объема сжиженного газа в железнодорожной цистерне, испытания которого проводились на газоналивной станции г. Томска.

Датчик акустических колебаний 1 выполнен на микрофоне 82А-5МУ2. Усилитель 4 выполнен на ИМС К1401УД2Б. Амплитудный селектор 5 содержит антилогарифмический усилитель, выполненный на ИМС К1401УД2Б и транзисторе КТ345, и регулятор усиления, выполненный на транзисторе КП103М.

Усилитель мощности 8 выполнен по мостовой схеме на транзисторах КТ816Б, КТ817Б и ИМС К1401УД2Б.

Управляемый аттенюатор выполнен на транзисторе КП103М.

В качестве внешнего возбудителя акустических колебаний 9 используется низкочастотный громкоговоритель 4ГД8.

Активный фильтр низких частот выполнен на ИМС К1401УД2Б.

Сумматор 3 выполнен на трех ИМС К140УД14.

При испытаниях макет устройства показал следующие характеристики:
погрешность определения свободного объема ±0,05%;
напряжение питания устройства 12 В;
ток потребления 240 мA;
потребляемая мощность 3 Вт;
нестабильность сигнала резонансной частоты 10^-4%.

Предлагаемый способ определения свободного объема в емкости и устройство для его реализации обеспечивают высокую точность определения свободного объема, для определения свободного объема не надо знать температуру вещества. При измерении герметичность емкости не нарушается. Измерение количества вещества производится не по уровню, а по объему, конфигурация которого не влияет на процесс измерения.

Литераура
1. Авт. св. N 1270575 "Резонансный уровнемер", кл. G 01 F 23/28 опубл. 15.11.86, б. N 42.

2. РФ, заявка на изобретение N 93040664/10, кл. G 01 F 23/28, опубл. 10.06.96, б. N 16.

3. Е. Скучик. Основы акустики. Том II, перевод с немецкого п/р Ю.М. Сухаревского, М.: Иностранная литература, 1959 г.

4. Е. Скучик, Основы акустики. Том 1, перевод с английского п/р Л.М. Лямшева, М.: Мир, 1976 г.

5. Я. А. Смородинский, Температура, Библиотека "Квант", М.: Наука, 1981, стр. 146-152.

Формула изобретения

1. Способ определения свободного объема в емкости, основанный на приеме и преобразовании возбужденных в емкости акустических колебаний в электрический сигнал, отличающийся тем, что из электрического сигнала выделяют сигнал с резонансной частотой свободного объема емкости f_p, преобразуют его в акустические колебания и воздействуют ими на емкость до установления автогенераторного режима с частотой возбуждения f_p, после чего определяют частоту сигнала f_x, соответствующего плоской волне, распространяющейся вдоль свободного объема емкости, а свободный объем определяют по выражению

где l_x - длина емкости.

2. Устройство для определения свободного объема в емкости, содержащее внешний возбудитель акустических колебаний, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные датчик акустических колебаний, усилитель, амплитудный селектор и сумматор, второй вход которого через активный фильтр низких частот подключен к выходу усилителя, выход амплитудного селектора соединен с управляемым аттенюатором, выход которого соединен с усилителем мощности, выход которого соединен с внешним возбудителем акустических колебаний и управляющим входом управляемого аттенюатора, а выход сумматора соединен с вычислителем, причем датчик акустических колебаний и внешний возбудитель акустических колебаний расположены на верхней части емкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3