Резонансный акустический уровнемер

 

Уровнемер используется для автоматического дистанционного измерения уровней жидкостей различных типов в производственных и транспортных емкостях и может использоваться в нефтехимической, химической, горнодобывающей и пищевой отраслях промышленности, в автомобильном, железнодорожном, водном (морском и речном) транспорте, в сельском хозяйстве и в системах водоснабжения и канализации. Резонансный акустический уровнемер содержит измерительную и компенсационную трубы, два электроакустических преобразователя, подключенных к генератору шумового сигнала, два микрофона, последовательно соединенные два предварительных усилителя, подключенные к выходам микрофонов, два аналого-цифровых преобразователя, два блока первого преобразования Фурье, два блока ологарифмирования, два блока второго преобразования Фурье, два блока выделения максимума функции кепстра, к выходам которых подключен блок вычисления уровня жидкости, а к его выходу подключен индикатор уровня жидкости. Повышена помехоустойчивость, точность и оперативность уровня жидкости. 1 ил.

Предлагаемое устройство предназначено для автоматического дистанционного измерения уровней жидкостей различных типов в производственных и транспортных емкостях и может быть использован везде, где есть резервуары с жидкостью, в частности, в нефтехимической, химической, горнодобывающей и пищевой промышленности, в автомобильном, железнодорожном, водном (морском и речном) транспорте, в сельском хозяйстве и в системах водоснабжения и канализации.

Известен акустический уровнемер (а.с. СССР N 821939, G 01 F 23/28), содержащий измерительный и эталонный датчики, каждый из которых состоит из блока возбуждения зондирующих импульсов, усилителя, излучателя и микрофона, включенных в схему автоциркуляции, трубы эталонного датчика, снабженной фиксированным отражателем, трубы измерительного датчика, блока синхронизации, включенного между входом усилителя эталонного акустического датчика и блоком возбуждения зондирующих импульсов этого датчика.

Недостатком этого уровнемера является чувствительность к акустическим шумовым помехам, снижающим точность измерений вплоть до полной потери работоспособности уровнемера в шумных помещениях.

Другим недостатком уровнемера можно считать ограничение точности измерений, обусловленное импульсным характером процесса измерений, для которого характерно малое время накопления информации.

Наиболее близким к предлагаемому резонансному уровнемеру по технической сущности является акустический уровнемер (а.с. СССР N 601577, G 01 F 23/28), содержащий измерительную трубу, излучатель акустических колебаний, подключенный к выходу генератора, компенсационную трубу с излучателем акустических колебаний, соединенным с выходом генератора, и двумя микрофонами, один из которых соединен последовательно соединенными демодулятором, формирователем импульсов, электронным ключом, счетчиком импульсов и цифровым индикатором, а другой - через дополнительные последовательно соединенные демодулятор, формирователь импульсов и устройство управления подключен к электронному ключу. Колебания меняющейся частоты подаются одновременно на излучатели.

Одним из недостатков этого уровнемера можно считать использование принципа последовательного возбуждения стоячих волн (резонансов) в трубах, что заставляет либо увеличивать время замера уровня, либо поступиться точностью измерений.

Другим его недостатком по той же причине является ограниченная помехоустойчивость по отношению к посторонним шумам (помехам), приводящая к снижению точности измерений, а при интенсивных помехах - к потере работоспособности уровнемера.

Задачей настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости, точности и скорости измерений уровня жидкости, что позволит использовать резонансный уровнемер в шумных помещениях и при быстром изменении уровня жидкости в контролируемом резервуаре.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый резонансный акустический уровнемер содержит измерительную и компенсационную трубы, два электроакустических преобразователя (излучателя) по одному в каждой трубе, подключенных к генератору шумового электрического сигнала, два микрофона, по одному в каждой трубе, индикатор, и отличается тем, что в его состав введены последовательно соединенные два предварительных усилителя, подключенных к выходам микрофонов, два аналого-цифровых преобразователя, два блока первого преобразования Фурье, два блока логарифмирования, два блока второго преобразования Фурье, два блока выделения максимума функции кепстра, подключенные к блоку вычисления уровня жидкости, выход которого соединен со входом индикатора уровня жидкости.

Структурная схема резонансного акустического уровнемера представлена на чертеже, где 1 - контролируемый резервуар, 2 - контролируемая жидкость, 3 - измерительная труба, 4 - компенсационная труба, 5 - электроакустические преобразователи, 6 - генератор шумового электрического сигнала, 7 - микрофон, 8 - предварительные усилители, 9 - аналого-цифровые преобразователи, 10 - блоки первого преобразования Фурье, 11 - блоки логарифмирования, 12 - блоки второго преобразования Фурье, 13 - блоки выделения максимума функции кепстра, 14 - блок вычисления уровня жидкости, 15 - индикатор уровня жидкости.

При этом электроакустические преобразователи 5 подключены к выходу генератора шумового электрического сигнала 6, к выходам микрофонов 7 подключены входы предварительных усилителей 8, к выходам которых подключены входы аналого-цифровых преобразователей 9, входы блоков логарифмирования 11 подключены к выходам блоков первого преобразования Фурье 10, входы блоков второго преобразования Фурье 12 подключены к выходам блоков логарифмирования 11, входы блоков выделения максимума функции кепстра 13 подключены к выходам блоков второго преобразования Фурье 12, входы блока вычисления уровня жидкости 14 подключены к выходам блоков выделения максимума функции кепстра, а вход индикатора уровня жидкости 15 подключен к выходу блока вычисления уровня жидкости 14.

В конкретном исполнении в качестве электроакустических преобразователей 5 можно использовать серийные отечественные динамики типа ЗГДШ-23-0,5, в качестве микрофонов - серийные микрофоны типа МКЭ-3. Предварительные усилители можно собрать на серийной микросхеме КР548УН1Б, генератор шумового электрического сигнала 6 - на транзисторе К1315 в качестве задающего генератора и микросхеме типа КР548УН1Б в качестве усилителя. Блоки 10...14 можно собрать на БИС типа TMS320C30.

Широкополосный шумовой акустический сигнал, излучаемый преобразователями 5, возбуждает в трубах 3, 4 стоячие волны (резонансы) на частотах f_n = f₁n (= 1,2,3. ..) в измерительной трубе и f_кn = f_к1n, (n=1,2,3...) в компенсационной трубе, где f₁ = C/2L, f_к1 = C/2l_к, L - длина свободной от жидкости части измерительной трубы, заполненная газом того же состава и температуры, что и в верхней части резервуара и в компенсационной трубе (для газообмена в верхней части измерительной трубы и в компенсационной трубе оставлены отверстия, в 10...30 раз меньшие диаметра труб), h - уровень жидкости, отсчитываемый от выбранного нулевого уровня, в качестве которого можно принять, например, уровень дна резервуара, l - расстояние от нулевого уровня до верхней крышки измерительной трубы, l_к - длина компенсационной трубы, оба конца которой закрыты, и она всегда свободна от жидкости. Уровень жидкости вычисляется по формуле h = l-L = l-l_кf_к1/f₁, откуда скорость звука в газе выпадает, благодаря чему при любых ее изменениях точность измерений уровня жидкости не уменьшается. В этом и состоит назначение компенсационной трубы. Поскольку длины l и l_к известны, то задача сводится к измерению соотношения f_к1/f₁, которая и решается блоками 9...14. Блоки 10 выдают частотные спектры, блоки 11 выравнивают их величины, блоки 12 выделяют максимумы, соответствующие частотам f₁ и f_к1, блоки 13 локализуют эти частоты и выдают их значения на блок 14, который решает линейное уравнение для h и передают это значение на индикатор уровня жидкости 15.

Посторонние щумы возбуждают в трубах резонансы на тех же частотах f_1n, f_кn, что и полезный шумовой сигнал, поэтому помехи большой амплитуды не ухудшают точности измерений. Допустимая интенсивность помех ограничивается только динамическим диапазоном микрофонов и предварительных усилителей, который можно довести до 100 децибел. Опытные образцы резонансного уровнемера на испытаниях работали при уровне помех 120 дБ, отсчитываемом от стандартного уровня 2·10^-5 Па.

Предварительные усилители позволяют передавать сигнал по линии связи на расстояние до нескольких км и проводить измерения уровня жидкости дистанционно.

Электроакустические преобразователи и микрофоны не контактируют с контролируемой жидкостью, а трубы можно выполнить из химически стойких и термостойких материалов (нержавеющей стали, стекла, керамики), благодаря чему резонансный акустический уровнемер пригоден для контроля уровней любых жидкостей, в том числе низко- и высокотемпературных, химически-агрессивных, пожаро- и взрывоопасных и других, что обеспечивает ему широкое поле применения.

При испытаниях опытных образцов резонансного акустического уровнемера при интервалах между замерами 2...4 сек точность измерений уровня жидкости составляла около 1 мм, или 0,1% при уровнях помех 40...120 дБ. Для сравнения укажем, что серийный отечественный акустический датчик уровня эхолокационного типа ЭХО-5 обеспечивает точность измерений 0,5...2,5% при интервалах между замерами порядка 10 сек, сохраняя работоспособность при уровне шумовых помех не выше 80 дБ.

Формула изобретения

Резонансный акустический уровнемер, содержащий измерительную и компенсационную трубы, два электроакустических преобразователя, по одному в каждой трубе и подключенных к генератору шумового электрического сигнала, два микрофона, по одному в каждой трубе, индикатор, отличающийся тем, что введены подключенные к выходам соответствующих микрофонов два предварительных усилителя, каждый из которых соединен с последовательно связанными соответствующими аналого-цифровым преобразователем, блоком первого преобразователя Фурье, блоком логарифмирования, блоком второго преобразователя Фурье и блоком выделения максимума функции кепстра, и подключенный к выходам двух блоков выделения максимума функции кепстра блок вычисления уровня, выход которого соединен с индикатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1