Преобразователь уровня воды в резервуаре

Устройство создания противодавления  с кинематическим узлом и измерительное  устройство защищены от воздействия  внешней среды кожухом 23.

Для обеспечения синхронного  заполнения емкости 6 устройства создания противодавления и мерной емкости 17 равным количеством жидкости желательно, чтобы вместимости и габаритные размеры этих емкостей были одинаковыми. Вместимости эластичных наружной 2 и внутренней 3 камер должны быть равны между собой. При этом вместимость  эластичной наружной камеры 2 и вместимость  емкости 6 устройства создания противодавления, вместимость эластичной внутренней камеры 3 и вместимость мерной емкости 17 должны находиться между собой  в следующем соотношении:

                                        (2.4.1)

где V₁ - вместимость эластичной наружной камеры 2 (эластичной внутренней камеры 3), м³;

V₂ - вместимость емкости 6 устройства создания противодавления (мерной емкости 17), м³;

 - коэффициент объемного расширения  используемой в уровнемере рабочей  жидкости (в эластичных камерах  2, 3), град.^-1;

t_max - максимальная статистическая температура в данном климатическом районе, град.

Максимальная величина усилия, создаваемого механизмом противодавления, должна быть не меньшей, чем максимальное усилие, оказываемое на поверхность  перфорированной пластины 4 столбом  содержащегося в резервуаре продукта:

                                                 P_мm

P_сm,                                              (2.4.2)

где P_мm – максимальная величина усилия, создаваемого механизмом противодавления, H;

P_сm – максимальное усилие, оказываемое на поверхность перфорированной пластины 4 столбом содержащегося в резервуаре продукта, H.

Погрешность гидростатического  метода измерения массы рассчитывается в соответствии с ГОСТ 26976-86 "Методы измерения массы".

Предлагаемый гидростатический уровнемер представляет собой уровнемер  постоянного действия.

Перед градуированием и эксплуатацией  данного уровнемера основные его  узлы устанавливаются: измерительное  устройство и устройство создания противодавления - на внешней стороне верхней образующей корпуса резервуара, чувствительный элемент - на дне резервуара в горизонтальном положении. В процессе работы чувствительный элемент удерживается на дне резервуара под силой собственной тяжести, а также под давлением столба находящегося в резервуаре жидкости. Градуирование показаний датчиков уровня 20 и давления 22 столба жидкости в мерной емкости 17 производится соответственно в мм и кг.

Для изготовления предлагаемого  гидростатического уровнемера могут  применяться серийно выпускаемые  узлы и детали, устойчивые к агрессивным  свойствам хранимых в резервуарах  продуктов: обойма 1 чувствительного  элемента, перфорированная пластина 4, шланги 5 и 16, корпуса емкости 6 устройства создания противодавления и мерной емкости 17, поршни 7 и 18, штоки 8 и 19, шестерня 9, оси 10 и 12, жесткие звенья 13, ползун-утяжелитель 14, линия связи 21, датчики уровня 20 и давления 22 столба жидкости в  мерной емкости 17. Остальные элементы уровнемера могут быть изготовлены  из следующих материалов: эластичные наружная 2 и внутренняя 3 камеры - из стойких к хранимым в резервуаре продуктам резинотехнических или  других полимерных материалов; П-образная стойка 11 - из металла; кожух 23 устройства создания противодавления и измерительного устройства - из металла в сочетании  с термоизолирующим материалом.

При создании автоматизированной системы контроля за наличием хранимого  в резервуаре продукта датчики уровня 20 и давления 22 столба жидкости в  мерной емкости 17 могут быть функционально  соединены с автоматическими  регистрирующим, программно- вычислительным и исполнительным устройствами.

Рассмотрим работу уровнемера при заливе в резервуар жидкого  продукта.

После подсоединения к  резервуару соответствующего перекачивающего  средства продукт подается внутрь резервуара. При этом происходит увеличение общей  массы продукта, что приводит к  возрастанию давления его столба на чувствительный элемент. Под воздействием этого давления перфорированная  пластина 4 опускается вдоль боковой  стенки обоймы 1 чувствительного элемента, равномерно воздействуя на эластичные наружную 2 и внутреннюю 3 камеры, в  результате чего находящаяся внутри них рабочая жидкость вытесняется и поступает: из эластичной наружной камеры 2 по шлангу 5 в емкость 6 устройства создания противодавления, из эластичной внутренней камеры 3 по шлангу 16 - в мерную емкость 17. В емкости 6 устройства создания противодавления под воздействием рабочей жидкости поршень 7 поднимается, воздействуя через жестко соединенный с ним шток 8 на шестерню 9. Шестерня 9 и закрепленные на ее боковых сторонах радиальные направляющие 15 поворачиваются вокруг оси 10. При этом радиальные направляющие 15 воздействуют на ползуны-утяжелители 14, которые, поднимаясь по окружности, описываемой жесткими звеньями 13 вокруг оси 12, одновременно перемещаются по радиальным направляющим в противоположную от оси 10 сторону. При этом происходит увеличение длины рычага противоположного вращению шестерни 9 усилия, оказываемого на нее за счет собственной массы ползунов-утяжелителей 14. В результате этого возрастает противодействие поступлению рабочей жидкости из эластичной наружной камеры 2 в емкость 6 устройства создания противодавления, увеличивается сопротивление перемещению перфорированной пластины 4 и, следовательно, выдавливанию рабочей жидкости из эластичных наружной 2 и внутренней 3 камер. Поступление рабочей жидкости в емкость 6 устройства создания противодавления прекращается по достижении равновесия между усилием (P_сm), оказываемым на перфорированную пластину 4 столбом содержащегося в резервуаре продукта, и усилием (P_мm), создаваемым устройством противодавления. При поступлении рабочей жидкости из эластичной внутренней камеры 3 в мерную емкость 17 поплавковый уровнемер (поршень 18) поднимается. Происходящее при этом увеличение высоты столба рабочей жидкости в мерной емкости 17 фиксируется датчиком 20, а возрастание его давления - датчиком 22. При помощи градуировочных коэффициентов показания датчиков 20 и 22 преобразовываются соответственно в показатели уровня и массы содержащегося в резервуаре продукта.

При выдаче содержащегося  в резервуаре продукта происходит уменьшение его общей массы и, следовательно, снижение гидростатического давления, оказываемого на перфорированную пластину 4. При этом нарушается равновесие между  усилием, создаваемым столбом находящегося в резервуаре продукта, и усилием, создаваемым устройством противодавления. В результате этого под воздействием собственной массы ползунов-утяжелителей 14 шестерня 9 поворачивается в обратном направлении, подвижно соединенный  с ней шток 8 опускается, поршень 7 вытесняет часть рабочей жидкости из емкости 6 устройства создания противодавления  в эластичную наружную камеру 2. Под  воздействием возрастающего при  этом в эластичной наружной камере 2 давления рабочей жидкости перфорированная  пластина 4 поднимается. При этом снижается  давление, оказываемое перфорированной  пластиной 4 на эластичную внутреннюю камеру 3, в которую в результате этого перетекает часть рабочей  жидкости из мерной емкости 17. Снижение уровня (H_п) и массы (M_п) содержащегося в резервуаре продукта фиксируется предварительно преобразованными при помощи градуировочных коэффициентов показаниями датчиков уровня 20 и давления 22 столба жидкости в мерной емкости 17.

Предполагаемая область  применения заявляемого устройства: стационарные резервуары, подземные  грунтовые хранилища для жидкостей, морские и речные танкеры.

5. Резонансный акустический уровнемер

В предлагаемую конструкцию уровнемера 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 автоматической регулировкой усиления (АРУ).

 

Рисунок 11 – структурная схема резонансного акустического уровнемера

 

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.

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...1сек 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.

 

 

 

3. Выбор преобразователя

Исходя из выше приведённого обзора наиболее предпочтительным считаем  емкостной уровнемер. Он отличается сравнительной дешевизной, простотой, удобством монтажа в резервуаре с исследуемым уровнем жидкости, из-за чего они получили широкое  распространение. Достоинствами емкостного уровнемера являются:

1) принципиальное отсутствие шумов;

2) отсутствие самонагрева; 

3) простота конструкции,  малая масса и габариты;

4) возможность соответствующим  выбором формы подвижного и  неподвижного электродов получить  заданную функциональную зависимость  между изменением емкости и  входным линейным или угловым  перемещением;

5) малая сила притяжения  электродов;

6) возможность применения  как для статических, так и  для динамических измерений.

Следующим измерительным  преобразователем, рассмотренным в  обзоре, является поплавковый преобразователь, который, как и все имеет ряд  преимуществ и недостатков.

Недостатком поплавкового уровнемера является низкая точность измерения  уровня из-за малой чувствительности к изменению уровня и низкая надежность из-за наличия движущихся механизмов.

Далее в обзоре был рассмотрен ультразвуковой преобразователь.

Недостатком такого уровнемера является сложность конструкции и низкая точность, обусловленная непосредственной зависимостью частоты работы измерительного синхрокольца от температуры, которая влияет на относительные изменения скорости распространения ультразвука в измеряемой среде и расстояния между акустическим преобразователем и приемными устройством, в которое входит измеренное значение уровня.

Рассмотренный гидростатический уровнемер обладает следующими недостатками: низкая точность измерений и сложность их применения (в частности монтаж на дно измеряемого резервуара).

Резонансный акустический уровнемер  имеет такие недостатки, как 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Техническое задание