DOI: https://doi.org/10.20535/2523-4455.2019.24.1.160991

Прецизійні ультразвукові вимірювачі рівня рідини в закритих резервуарах

Valerij Kostyantynovych Bohushevych, Lidiya Mykolayivna Zamarenova, Hlib Mykhaylovych Kotov, Mykhailo Ivanovych Skipa

Анотація


Розглядаються питання вимірювання рівня рідини в сталевих резервуарах через стінку акустичними методами. При вимірюванні рівня за часом поширення звуку в рідині найкращу точність забезпечує кореляційно-фазовий прийом складних сигналів. Але для вимірювань в сталевих резервуарах такий прийом зазвичай не використовується через спотворення фазової структури сигналу з широкою смугою частот, що проходить через пружну стінку (що має в цій смузі множинні резонанси). Використання в таких випадках кореляційно-фазового прийому можливе при виборі зондувального сигналу, спотворення фазової структури якого при проходженні через стінку будуть малими. Метою роботи є визначення можливостей використання кореляційно-фазового прийому і точності вимірювання рівня, що досягається, за умов різних товщин стінок сталевих резервуарів. Значимість досліджень визначається можливостями багаторазового збільшення точності вимірювань.

Розглянуто акустичні методи та пристрої вимірювання рівня, показано перевагу часово-імпульсних (часово-пролітних, TOF) методів перед інтерферометричними та іншими методами при вимірюванні у великих резервуарах. Запропоновано схему розрахунків проходження широкосмугового імпульсного сигналу через пружну стінку (і побудови амплітудно- і фазочастотної характеристик, АЧХ і ФЧХ), що враховує поздовжні і зсувні хвилі товщинних коливань стінки і стоячі хвилі її резонансних коливань по довжині (діаметру), запропоновано спосіб вибору в відповідності до АЧХ і ФЧХ пружної стінки діапазону частот зондувального сигналу, що забезпечує малі спотворення його фазової структури при проходженні через стінку заданої товщини.

Отримано оцінки точностей вимірювання швидкості звуку і рівня рідини, що досягаються, в залізничних цистернах. Експериментальні роботи на тонкостінній, 0,8 мм, бочці з використанням сигналів діапазону частот 250-750 кГц, тобто частот менше частоти першого товщинного резонансу дна бочки, підтвердили мале спотворення фазових структур сигналів при їх проходженні через дно і високу ефективність кореляційно-фазового прийому – при відношенні сигнал/шум 0,4 отримана висока точність вимірювання часу, ~0,15 мкс, що відповідає точності вимірювання рівня ~0,1 мм. Для сигналу 250-750 кГц визначено інтервал товщин стінки, 0,3-3,6 мм, при яких ефективність кореляційно-фазового прийому має бути високою, а точність вимірювань рівня – великою.

Результати роботи показали, що застосування кореляційно-фазового прийому складних сигналів при вимірюванні рівня рідини через дно тонкостінної сталевої бочки можливо і забезпечує як високу ефективність роботи в умовах шумів, так і високу точність вимірювань. Можна очікувати, що такі ж показники точності і ефективності роботи будуть зберігатися в інтервалі товщин дна, при яких частоти зондувального сигналу будуть менше першої частоти його товщинного резонансу. У випадках великої товщини дна спектр зондувального сигналу може включати області частот між частотами товщинних резонансів. При цьому з'являється можливість використання кореляційно-фазового прийому для вимірювання рівня в резервуарах з широким діапазоном товщин дна.

Бібл. 20, табл. 1, рис. 7.


Ключові слова


вимірювання рівня через стінку; поширення звуку; кореляційно-фазовий прийом; спотворення фази сигналу

Повний текст:

PDF (Русский)

Перелік посилань для Cited-By Linking


Fiziko-himicheskie svojstva individual’nyh uglevodorodov [Physicochemical properties of individual hydrocarbons], V. M. Tatevskij, Ed. Moscow, USSR: Gostoptehizdat, 1960.

D. N. Sinha, “Noninvasive identification of fluids by swept-frequency acoustic interferometry”, US Patent 5767407 A, Jun. 16, 1998.

N. G. Pope, D. K. Veirs, and T. N. Claytor, “Fluid density and concentration measurement using noninvasive in situ ultrasonic resonance interferometry”, US Patent 5359541 A, Oct. 25, 1994.

D. N. Sinha, “Noninvasive characterization of a flowing multiphase fluid using ultrasonic interferometry”, US Patent 6889560 В2, May 10, 2005.

D. C. Lizon, G. Kaduchak, and D. N. Sinha, “Ultrasonic liquid level monitor”, US Patent 7114390 В2, Oct. 3, 2006

B. J. Tucker, A. A. Diaz, and B. A. Eckenrode, “Advanced ultrasonic measurement methodology for non-invasive interrogation and identification of fluids in sealed containers”, in Proc. of SPIE, vol. 6178, pp. 61780K-1–61780K-12, 2006. DOI: 10.1117/12.660439.

R. DiFoggio “Method and apparatus for an acoustic pulse decay density determination”, US Patent 7024917 В2, Apr. 11, 2006.

R. DiFoggio, P. A. Bergren, and J. Han, “Acoustic fluid analysis method”, US Patent 7614302 В2, Nov. 10, 2009.

Urovnemer ul’trazvukovoj portativnyj UUP1-P1. Rukovodstvo po ekspluatacii, Kyiv OOO ND Ltd [Portable ultrasonic level gauge UUP1-P1. Operations manual, Kyiv, ND, Ltd], [Online]. Available: http://www.eriskip.ru/disc/pdf/UUP1P1.pdf. Accessed on: April 18, 2017.

E. L. Shenderov, Volnovye zadachi gidroakustiki [Wave problems of hydroacoustics]. Leningrad, USSR: Sudostroenie, 1972.

Urovnemer ul’trazvukovoj perenosnoj UZUM-2-P. Rukovodstvo po ekspluatacii, S.-Peterburg, ZAO “SPEK” [Portable ultrasonic level gauge UZUM-2-P. Operations manual, S.-Peterburg, “SPEK”, JSC], [Online]. Available: http://spec.ru/files/catalog_files/846079.pdf. Accessed on: May 30, 2017.

Texas Instruments. TDC 1000, [Online]. Available: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tdc1000.pdf. Accessed on: July 7, 2017.

Avtomatizirovannyj ul’trazvukovoj urovnemer AUZUR-02, N. Novgorod [Automated ultrasonic level gauge AUZUR-02, N. Novgorod], [Online]. Available: http://www.vvgnn.com/data/pages/files/file.1323775818.pdf. Accessed on: May 30, 2017.

Urovnemer-analizator Analik-M. Rukovodstvo po ekspluatacii, Kyiv, OOO “NPF “UAT” [Level meter-analyzer Analiq-M. Operations manual, Kyiv, “NPF “UAT”, Ltd], [Online]. Available: http://npfuet.com.ua/Analiq_manual.pdf. Accessed on: May 17, 2013.

V. I. Bardyshev, “Akusticheskie i kombinirovannye metody izmerenija urovnej dvuhslojnyh zhidkostey [Acoustical and combined methods for measuring the levels of two-layer liquids],” Akust. zhurn., vol. 48, no. 5, pp. 589-595, 2002. URL: http://www.akzh.ru/pdf/2002_5_589-595.pdf

W. Munk, and C. Wunsch, “Ocean acoustic tomography: A scheme for large scale monitoring”, Deep-Sea Res., vol. 26, pp. 123-161, 1979.

L. E. Varakin, Teorija slozhnych signalov [Theory of compound signals]. Moscow, USSR: Sov. Radio, 1970.

L. M. Ljamshev, Otrazhenie zvuka tonkimi plastinkami i obolochkami v zhidkosti [Sound reflection by thin plates and shells in liquid]. Moscow, USSR: Izdatel’stvo AN SSSR, 1955.

S. A. Rybak, B.D. Tartakovskij, “Ob odnom cluchae polnoy zvukoizoljacii pri prohozhdenii zvuka cherez sloisto-simmetrichnuju peregorodku [On a case of absolute sound insulation when sound transmitting through the symmetrical layered panel],” Akust. zhurn., vol. 7, no. 4, pp. 497-499, 1961. URL: http://www.akzh.ru/pdf/1961_4_497-499.pdf

E. Skuchik, Prostye i slozhnye kolebatel’nye sistemy [Simple and complex vibratory systems]. Moscow, USSR: Mir, 1971.


Перелік посилань


  1. Fiziko-himicheskie svojstva individual’nyh uglevodorodov [Physicochemical properties of individual hydrocarbons], V. M. Tatevskij, Ed. Moscow, USSR: Gostoptehizdat, 1960.
  2. D. N. Sinha, “Noninvasive identification of fluids by swept-frequency acoustic interferometry”, US Patent 5767407 A, Jun. 16, 1998.
  3. N. G. Pope, D. K. Veirs, and T. N. Claytor, “Fluid density and concentration measurement using noninvasive in situ ultrasonic resonance interferometry”, US Patent 5359541 A, Oct. 25, 1994.
  4. D. N. Sinha, “Noninvasive characterization of a flowing multiphase fluid using ultrasonic interferometry”, US Patent 6889560 В2, May 10, 2005.
  5. D. C. Lizon, G. Kaduchak, and D. N. Sinha, “Ultrasonic liquid level monitor”, US Patent 7114390 В2, Oct. 3, 2006
  6. B. J. Tucker, A. A. Diaz, and B. A. Eckenrode, “Advanced ultrasonic measurement methodology for non-invasive interrogation and identification of fluids in sealed containers”, in Proc. of SPIE, vol. 6178, pp. 61780K-1–61780K-12, 2006. DOI: 10.1117/12.660439.
  7. R. DiFoggio “Method and apparatus for an acoustic pulse decay density determination”, US Patent 7024917 В2, Apr. 11, 2006.
  8. R. DiFoggio, P. A. Bergren, and J. Han, “Acoustic fluid analysis method”, US Patent 7614302 В2, Nov. 10, 2009.
  9. Urovnemer ul’trazvukovoj portativnyj UUP1-P1. Rukovodstvo po ekspluatacii, Kyiv OOO ND Ltd [Portable ultrasonic level gauge UUP1-P1. Operations manual, Kyiv, ND, Ltd], [Online]. Available: http://www.eriskip.ru/disc/pdf/UUP1P1.pdf. Accessed on: April 18, 2017.
  10. E. L. Shenderov, Volnovye zadachi gidroakustiki [Wave problems of hydroacoustics]. Leningrad, USSR: Sudostroenie, 1972.
  11. Urovnemer ul’trazvukovoj perenosnoj UZUM-2-P. Rukovodstvo po ekspluatacii, S.-Peterburg, ZAO “SPEK” [Portable ultrasonic level gauge UZUM-2-P. Operations manual, S.-Peterburg, “SPEK”, JSC], [Online]. Available: http://spec.ru/files/catalog_files/846079.pdf. Accessed on: May 30, 2017.
  12. Texas Instruments. TDC 1000, [Online]. Available: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tdc1000.pdf. Accessed on: July 7, 2017.
  13. Avtomatizirovannyj ul’trazvukovoj urovnemer AUZUR-02, N. Novgorod [Automated ultrasonic level gauge AUZUR-02, N. Novgorod], [Online]. Available: http://www.vvgnn.com/data/pages/files/file.1323775818.pdf. Accessed on: May 30, 2017.
  14. Urovnemer-analizator Analik-M. Rukovodstvo po ekspluatacii, Kyiv, OOO “NPF “UAT” [Level meter-analyzer Analiq-M. Operations manual, Kyiv, “NPF “UAT”, Ltd], [Online]. Available: http://npfuet.com.ua/Analiq_manual.pdf. Accessed on: May 17, 2013.
  15. V. I. Bardyshev, “Akusticheskie i kombinirovannye metody izmerenija urovnej dvuhslojnyh zhidkostey [Acoustical and combined methods for measuring the levels of two-layer liquids],” Akust. zhurn., vol. 48, no. 5, pp. 589-595, 2002. URL: http://www.akzh.ru/pdf/2002_5_589-595.pdf
  16. W. Munk, and C. Wunsch, “Ocean acoustic tomography: A scheme for large scale monitoring”, Deep-Sea Res., vol. 26, pp. 123-161, 1979.
  17. L. E. Varakin, Teorija slozhnych signalov [Theory of compound signals]. Moscow, USSR: Sov. Radio, 1970.
  18. L. M. Ljamshev, Otrazhenie zvuka tonkimi plastinkami i obolochkami v zhidkosti [Sound reflection by thin plates and shells in liquid]. Moscow, USSR: Izdatel’stvo AN SSSR, 1955.
  19. S. A. Rybak, B.D. Tartakovskij, “Ob odnom cluchae polnoy zvukoizoljacii pri prohozhdenii zvuka cherez sloisto-simmetrichnuju peregorodku [On a case of absolute sound insulation when sound transmitting through the symmetrical layered panel],” Akust. zhurn., vol. 7, no. 4, pp. 497-499, 1961. URL: http://www.akzh.ru/pdf/1961_4_497-499.pdf
  20. E. Skuchik, Prostye i slozhnye kolebatel’nye sistemy [Simple and complex vibratory systems]. Moscow, USSR: Mir, 1971.


Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.




Copyright (c) 2019 Богушевич В. К., Замаренова Л. М., Котов Г. М., Скіпа М. І.

Creative Commons License
Ця робота ліцензована Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN: 2523-4447
e-ISSN: 2523-4455