Резонансный акустический уровнемер

Резонансный акустический уровнемер

Реферат

Предлагаемое устройство предназначено для автоматического дистанционного измерения уровней жидкостей различных типов в производственных и транспортных емкостях и может быть использовано везде, где есть резервуары с жидкостью, в частности 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 трубу, один электроакустический преобразователь, подключенный к генератору шумового сигнала, два микрофона, один коммутатор аналоговых сигналов, один усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), подключенный к выходу микрофона, один аналого-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, блок выделения двух максимумов функции кепстра, к выходу которого подключен блок вычисления уровня жидкости, а к его выходу подключен индикатор уровня жидкости. Повышена точность и оперативность измерения уровня жидкости за счет исключения влияния изменения скорости звука на результат измерений.

Известен акустический уровнемер (а.с. СССР N 821939, G 01 Р 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 (RU 2132542 С1), содержащий 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 логарифмирования, 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.

Недостатком этого уровнемера является то, что в объеме, где производятся измерения, в различных производственных процессах температура и влажность могут распределятся по высоте неравномерно. Обычно длина компенсационной трубы выбирается равной 1-му метру, а длина измерительной трубы может составлять от 5 до 15 м. Это означает, что компенсационная и измерительная трубы могут находиться в разных условиях, а следовательно, скорость звука в них будут различны, что приводит к возникновению дополнительной погрешности. Например, в емкостях с топливным мазутом, для его разжижения, мазут нагревают снизу до температуры примерно 70 градусов. Длина измерительной трубы равна 12 м. Разность температуры между нижней и верхней поверхностью емкости составляет 30-40 градусов в зависимости от внешних условий.

Целью настоящего решения является исключение влияния различий газовой среды в измерительном и компенсационном объемах и, как следствие, разной скорости звука, на результат измерения, а также повышение помехоустойчивости и надежности измерений уровня жидкости, что позволит использовать резонансный уровнемер в шумных помещениях и при быстром изменении уровня жидкости в контролируемом резервуаре.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемую конструкцию уровнемера введены коммутатор аналоговых сигналов и блок выделения двух максимумов функции кепстра, причем оба микрофона расположены вдоль измерительной трубы на фиксированном раcстоянии друг от друга и соединены со входами коммутатора аналоговых сигналов, выход блока второго преобразования Фурье соединен с входом блока выделения двух максимумов функции кепстра, выход которого соединен со входом блока вычисления уровня жидкости, а усилитель снабжен АРУ.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где представлена структурная схема резонансного акустического уровнемера, где 1 - контролируемый резервуар, 2 - контролируемая жидкость, 3 - измерительная труба, 4 - электроакустический преобразователь, 5 - генератор шумового электрического сигнала, 6 - первый микрофон, 7 - второй микрофон, 8 коммутатор аналогового сигнала, 9 - усилитель с АРУ, 10 - аналого-цифровой преобразователь, 11 - блок первого преобразования Фурье, 12 - блок логарифмирования, 13 - блок второго преобразования Фурье, 14 - блок выделения двух максимумов функции кепстра, 15 - блок вычисления уровня жидкости, 16 - индикатор уровня жидкости. При этом электроакустический преобразователь 4 подключен к выходу генератора шумового электрического сигнала 5, к выходу микрофонов 6 и 7 подключены входы коммутатора аналоговых сигналов 8, выход коммутатора подключен к входу усилителя 9 к выходу которого подключен вход аналого-цифрового преобразователя 10, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу блока первого преобразования Фурье 11, вход блока логарифмирования 12 подключен к выходу блока первого преобразования Фурье 11, вход блока второго преобразования Фурье 13 подключен к выходу блока логарифмирования 12 вход блока выделения двух максимумов функции кепстра 14 подключен к выходу блока второго преобразования Фурье 13, вход блока вычисления уровня жидкости 15 подключен к выходу блока выделения двух максимумов функции кепстра 14, а вход индикатора уровня жидкости 16 подключен к выходу блока вычисления уровня жидкости.

Работа устройства основана на том, что широкополосный шумовой акустический сигнал, излучаемый преобразователем 4, возбуждает в трубе 2 стоячие волны (резонансы) на частотах соответствующих длинам волн, кратно располагающихся в воздушной зоне трубы. Используя функцию кепстра, можно определить частоту звука, соответствующую этим стоячим волнам в любой точке воздушной зоны трубы. Расположив микрофоны 6 и 7 на точно измеренном расстоянии друг от друга h (см. чертеж), получаем два максимума функции кепстра. Первый максимум соответствует расстоянию от микрофона 6 до уровня жидкости К1, а второй расстоянию микрофона 7 до уровня жидкости К2. Частота первого максимума f1=C/2K1, второго f2=C/2K2. Используя эти частоты, выражаем C/2=f1·f2/(f1-f2) и вычисляем уровень жидкости:

M=N-h·f1/(f1-f2)

Поскольку спектр посторонних шумов лежит в том же диапазоне частоты, что и полезный шумовой сигнал, поэтому помехи не ухудшают точности измерений, а возбуждают в трубах резонансы на тех же частотах, что и полезный сигнал. Допустимая интенсивность помех ограничивается только динамическим диапазоном микрофона и усилителя. Так как в качестве усилителя применена схема с автоматической регулировкой усиления, то динамический диапазон может быть более 120 децибел. Усилитель позволяет передавать сигнал по линии связи на расстояние до нескольких километров и проводить измерения уровня жидкости дистанционно.

Так как в предлагаемой конструкции уровнемера отсутствует калибровочная труба и оба микрофона находятся в измерительной трубе на расстоянии 100 мм, то состояние газовой среды одинаково для них обоих, а компенсация изменения скорости звука осуществляется путем учета изменения положения второго максимума функции кепстра относительно первого. Повышение помехоустойчивости достигается за счет применения усителя с АРУ, что позволяет иметь динамический более чем 120 дБ. Надежность устройства повышается за счет уменьшения количества применяемых элементов, что снижает вероятность отказов.

Электроакустический преобразователь и микрофон 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 0,7...1 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.

Резонансный акустический уровнемер, содержащий измерительную трубу, электроакустический преобразователь, генератор шумового сигнала, два микрофона, последовательно соединенные усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, блок вычисления уровня жидкости, к выходу которого подключен индикатор уровня жидкости, отличающийся тем, что в него введены коммутатор аналоговых сигналов и блок выделения двух максимумов функции кепстра, причем оба микрофона расположены вдоль измерительной трубы на фиксированном расстоянии друг от друга и соединены со входами коммутатора аналоговых сигналов, выход блока второго преобразования Фурье соединен с входом блока выделения двух максимумов функции кепстра, выход которого соединен со входом блока вычисления уровня жидкости, а усилитель снабжен АРУ.