RU2306532C1 - Method of measuring liquid level in reservoir - Google Patents
Method of measuring liquid level in reservoir Download PDFInfo
- Publication number
- RU2306532C1 RU2306532C1 RU2005137010/28A RU2005137010A RU2306532C1 RU 2306532 C1 RU2306532 C1 RU 2306532C1 RU 2005137010/28 A RU2005137010/28 A RU 2005137010/28A RU 2005137010 A RU2005137010 A RU 2005137010A RU 2306532 C1 RU2306532 C1 RU 2306532C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- duct
- sound
- ultrasonic wave
- level
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах измерения уровня нефтепродуктов и других жидкостей в резервуарах.The invention relates to measuring equipment and can be applied in systems for measuring the level of oil products and other liquids in tanks.
Известен способ измерения уровня жидкой среды, основанный на применении в качестве чувствительного элемента магнитострикционного датчика перемещения (МДП), в котором изменение скорости распространения ультразвуковой волны в звукопроводе учитывают путем введения температурного коэффициента (Патент РФ №2194953, МКИ G01F 23/28, Артемьев Э.А., Камнев В.И.). Согласно этому способу в резервуаре размещают два звукопровода, материалы которых выбирают так, чтобы скорость и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн в них были различными, в каждом из звукопроводов возбуждают крутильные волны в двух местах: одно на границе раздела сред, другое - у конца, находящегося в жидкой среде, регистрируют крутильные волны у верхнего конца звукопровода, измеряют интервалы времени между моментами регистрации крутильных волн и вычисляют уровень жидкой среды по формуле:A known method of measuring the level of a liquid medium, based on the use of a magnetostrictive displacement sensor (MIS) as a sensitive element, in which the change in the propagation velocity of an ultrasonic wave in a sound duct is taken into account by introducing a temperature coefficient (RF Patent No. 2194953, MKI G01F 23/28, Artemyev E. A., Kamnev V.I.). According to this method, two sound ducts are placed in the reservoir, the materials of which are selected so that the speed and temperature coefficients of the speeds of torsion waves in them are different, torsion waves are excited in each of the ducts in two places: one at the interface, the other at the end located in a liquid medium, torsion waves are recorded at the upper end of the sound duct, the time intervals between the moments of registration of torsion waves are measured, and the level of the liquid medium is calculated by the formula:
где Н - уровень жидкой среды в резервуаре, Т2 - интервал времени между моментами регистрации крутильной волны во втором звукопроводе, С20 - скорость крутильной волны во втором звукопроводе при температуре 20°С, α2 - температурный коэффициент скорости крутильной волны во втором звукопроводе, ΔΘ - разность между средней температурой жидкой среды и 20°С, которая вычисляется по формулеwhere H is the level of the liquid medium in the tank, T 2 is the time interval between the moments of registration of the torsion wave in the second sound duct, C 20 is the speed of the torsion wave in the second sound duct at a temperature of 20 ° C, α 2 is the temperature coefficient of the speed of the torsion wave in the second sound duct, ΔΘ is the difference between the average temperature of the liquid medium and 20 ° C, which is calculated by the formula
Здесь С10, α1, T1 - символы, отображающие параметры первого звукопровода, аналогичные параметрам С20, α2, Т2 второго звукопровода.Here, C 10 , α 1 , T 1 are symbols representing the parameters of the first sound duct, similar to the parameters C 20 , α 2 , T 2 of the second sound duct.
Недостатком известного способа является отсутствие прямого измерения температуры жидкой среды и использование значительного числа постоянных и переменных параметров, влияющих на результат измерения уровня. Постоянные параметры, такие как скорости крутильных волн в звукопроводах и температурные коэффициенты этих скоростей, со временем меняются вследствие старения материалов звукопроводов, что также приводит к снижению точности определения уровня. Кроме того, устройство, реализующее известный способ измерения уровня, имеет сложную конструкцию, так как содержит два звукопровода, материалы которых должны обладать отличными один от другого характеристиками.The disadvantage of this method is the lack of direct measurement of the temperature of the liquid medium and the use of a significant number of constant and variable parameters that affect the level measurement result. Constant parameters, such as torsional wave velocities in sound ducts and temperature coefficients of these velocities, change over time due to aging of sound duct materials, which also leads to a decrease in level determination accuracy. In addition, a device that implements the known method of level measurement has a complex structure, as it contains two sound ducts, the materials of which must have different characteristics from one another.
Другой способ измерения уровня жидкости в резервуаре и устройство, воплощающее этот способ, описаны в патенте US №5076100, МКИ G01F 23/00. Устройство представляет собой герметизированный корпус, в который помещен магнитострикционный датчик, содержащий звукопровод, устройство натяжения звукопровода, опорный магнит, установленный у нижнего конца звукопровода, подвижный постоянный магнит, установленный в поплавке, который свободно перемещается вдоль корпуса датчика, отслеживая уровень жидкости, электроакустический преобразователь, установленный у верхнего конца звукопровода, и многоточечный датчик температуры в виде набора равномерно размещенных вдоль звукопровода термосопротивлений. Устройство включает также электронную схему, формирующую импульс возбуждения магнитострикционного датчика и преобразующую считываемые с него сигналы и сигналы от термосопротивлений в цифровые коды. Цифровой код, соответствующий уровню жидкости, пропорционален времени распространения сигнала от опорного магнита до подвижного магнита, связанного с поплавком. Данные об уровне и температуре жидкости в виде последовательных кодов передаются по линии связи на удаленное устройство сбора данных, где измеренное значение уровня жидкости корректируется в соответствии с температурой, измеренной на каждом уровне размещения датчиков температуры, по известному графику температурной компенсации.Another method of measuring the liquid level in the tank and a device embodying this method are described in US patent No. 5076100, MKI G01F 23/00. The device is a sealed housing in which a magnetostrictive sensor is placed, containing a sound duct, a sound duct tension device, a support magnet installed at the lower end of the sound duct, a movable permanent magnet mounted in a float that moves freely along the sensor housing, monitoring the liquid level, an electro-acoustic transducer, installed at the upper end of the sound duct, and a multipoint temperature sensor in the form of a set of evenly spaced along the sound duct mosoprotivleny. The device also includes an electronic circuit that generates an excitation pulse of the magnetostrictive sensor and converts the signals read from it and the signals from the thermal resistance into digital codes. The digital code corresponding to the liquid level is proportional to the propagation time of the signal from the reference magnet to the movable magnet associated with the float. Liquid level and temperature data in the form of sequential codes are transmitted via a communication line to a remote data acquisition device, where the measured liquid level value is adjusted in accordance with the temperature measured at each level of temperature sensors, according to the well-known temperature compensation schedule.
Недостатком данного способа измерения уровня жидкости является то, что он не позволяет компенсировать изменения скорости распространения ультразвуковой волны, происходящие вследствие старения материала звукопровода и наличия внутренних напряжений, связанных с его натяжением.The disadvantage of this method of measuring the liquid level is that it does not compensate for changes in the velocity of propagation of the ultrasonic wave that occur due to aging of the sound pipe material and the presence of internal stresses associated with its tension.
Известен способ определения координаты контролируемого объекта, основанный на применении МДП, в котором для компенсации погрешности, вызванной изменением скорости звука в звукопроводе при изменении температуры и под влиянием других дестабилизирующих факторов, используется построение датчика по логометрической схеме преобразования (В.Х.Ясовеев, Р.Р.Исхаков. Принципы построения магнитострикционных датчиков перемещения. Датчики и системы, 2001, №3, с.57). Известны устройства измерения уровня жидкости, воплощающие этот способ, в которых в качестве объекта контроля используется поплавок с постоянным магнитом (Датчик уровня и раздела ДУУ 2, Каталог «ЗАО АЛЬБАТРОС», 2002 г.; Патент РФ №2060472, МКИ G01F 23/28, Кабатчиков В.А.; Патент РФ №2087874, МКИ G01F 23/28, Галустян О.Э., Кремнев А.В., Лакеев А.И., Печурин С.А., Попел В.З.; Патент РФ №2222786, МКИ G01F 23/28, Банщиков А.Ю., Сельское А.В., Высокое Д.Л.).A known method for determining the coordinates of a controlled object, based on the use of MIS, in which to compensate for errors caused by changes in the speed of sound in the sound pipe when the temperature changes and under the influence of other destabilizing factors, the sensor is constructed using a ratiometric transformation scheme (V.Kh. Yaseev, R. R. Iskhakov, Principles for the Construction of Magnetostrictive Displacement Sensors, Sensors and Systems, 2001, No. 3, p. 57). Known liquid level measuring devices embodying this method, in which a permanent magnet float is used as a control object (Level and section sensor DUU 2, Catalog ALBATROS CJSC, 2002; RF Patent No. 2060472, MKI G01F 23/28, Kabatchikov V.A .; RF Patent No. 2087874, MKI G01F 23/28, Galustyan O.E., Kremnev A.V., Lakeev A.I., Pechurin S.A., Popel V.Z .; RF Patent No. 2222786, MKI G01F 23/28, Banshchikov A.Yu., Selskoe A.V., Vysokoy D.L.).
В известном способе в звукопроводе, изготовленном из магнитострикционного материала, возбуждают ультразвуковую волну механической деформации, измеряют интервалы времени ее распространения на искомом отрезке звукопровода от контролируемого объекта до опорной точки, расположенной у одного из концов звукопровода, и на опорном отрезке между названной опорной точкой и опорной точкой, расположенной у другого конца звукопровода, вычисляют координату контролируемого объекта Lx в соответствии с выражением:In the known method, an ultrasonic wave of mechanical deformation is excited in a sound duct made of magnetostrictive material, the time intervals of its propagation are measured on the desired length of the sound duct from the controlled object to the reference point located at one end of the sound duct, and on the reference segment between the named reference point and the reference a point located at the other end of the duct, calculate the coordinate of the controlled object L x in accordance with the expression:
где Lo - расстояние между опорными точками, Тx и Т - интервалы времени распространения ультразвуковой волны на отрезках звукопровода Lx и Lo при температуре t, Vt - скорость распространения ультразвуковой волны в материале звукопровода при температуре t, определяемая выражением:where L o is the distance between the reference points, T x and T are the time intervals of the propagation of the ultrasonic wave on the sections of the sound pipe L x and L o at the temperature t, V t is the speed of propagation of the ultrasonic wave in the material of the sound pipe at the temperature t, determined by the expression:
Расстояние Lo представляет собой длину опорного канала звукопровода и является его конструктивным параметром.The distance L o represents the length of the reference channel of the sound duct and is its structural parameter.
В известном способе результат измерения не зависит от температуры при условии, что она одинакова на всех участках звукопровода. Однако в большом резервуаре, и особенно в надземном резервуаре, температура не является постоянной по всему объему. В таком резервуаре градиент температуры формируется преимущественно вдоль вертикального направления. Этот градиент незначителен между нижними и верхними слоями жидкости, в которых температура может отличаться на несколько градусов, и существенно больше в объеме резервуара над жидкостью, где разность температур газопаровой среды у поверхности жидкости и под крышей резервуара может достигать 20 градусов и более. В этих условиях задержка Т распространения ультразвуковой волны вдоль звукопровода на опорном расстоянии Lo определяет некоторую усредненную скорость распространения волны, которая может заметно отличаться от скорости волны на том отрезке звукопровода, который погружен в жидкость. Так как скорости распространения ультразвуковой волны на измеряемом и опорном отрезках звукопровода не совпадают, то полная компенсация температурной составляющей погрешности измерения уровня жидкости известным способом невозможна.In the known method, the measurement result is independent of temperature, provided that it is the same in all sections of the sound duct. However, in a large tank, and especially in an above-ground tank, the temperature is not constant throughout the volume. In such a tank, a temperature gradient is formed mainly along the vertical direction. This gradient is insignificant between the lower and upper layers of the liquid, in which the temperature may vary by several degrees, and significantly more in the volume of the tank above the liquid, where the temperature difference of the gas-vapor medium at the surface of the liquid and under the roof of the tank can reach 20 degrees or more. Under these conditions, the delay T of the propagation of the ultrasonic wave along the sound guide at the reference distance L o determines a certain average wave propagation velocity, which can noticeably differ from the wave velocity in that segment of the sound guide that is immersed in the liquid. Since the propagation velocity of the ultrasonic wave on the measured and reference segments of the sound duct do not coincide, full compensation of the temperature component of the error in measuring the liquid level in a known manner is impossible.
Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения уровня жидкости в условиях наличия градиента температуры вдоль вертикального направления резервуара и воздействия долговременных дестабилизирующих факторов.The aim of the present invention is to improve the accuracy of measuring the liquid level in the presence of a temperature gradient along the vertical direction of the tank and the effects of long-term destabilizing factors.
Поставленная цель в предлагаемом способе определения уровня жидкости, при котором в звукопроводе возбуждают ультразвуковую волну механической деформации и измеряют время ее распространения на искомом отрезке звукопровода от поплавка с постоянным магнитом до опорной точки, расположенной у нижнего конца звукопровода, погруженного в жидкость, измеряют время распространения ультразвуковой волны на опорном отрезке звукопровода между названной опорной точкой и другой опорной точкой, расположенной у верхнего конца звукопровода, находящегося в среде над жидкостью, и определяют уровень жидкости как произведение длины опорного отрезка звукопровода на отношение времени распространения ультразвуковой волны на искомом и опорном отрезках звукопровода, достигается тем, что дополнительно измеряют температуру на отрезках звукопровода между поплавком и нижней, и верхней опорными точками звукопровода и корректируют результаты измерений с учетом зависимости скорости распространения ультразвуковой волны от температуры.The goal in the proposed method for determining the liquid level, in which an ultrasonic wave of mechanical deformation is excited in the sound duct and the time of its propagation in the desired length of the sound duct from the float with a permanent magnet to the reference point located at the lower end of the sound duct immersed in the liquid is measured, and the ultrasonic propagation time is measured waves on the reference segment of the sound duct between the named reference point and another reference point located at the upper end of the sound duct, located damping in the medium above the liquid, and the liquid level is determined as the product of the length of the reference segment of the sound duct and the ratio of the propagation time of the ultrasonic wave to the desired and reference segments of the sound duct, this is achieved by the additional measurement of the temperature on the segments of the sound duct between the float and the lower and upper reference points of the sound duct and correct the measurement results taking into account the dependence of the ultrasonic wave propagation velocity on temperature.
Зависимость скорости распространения ультразвуковой волны от температуры определяется экспериментально и может быть представлена в виде таблицы, графика или функции. Так, если при некоторой исходной температуре to из диапазона рабочих температур измерения уровня жидкости скорость распространения ультразвуковой волны в звукопроводе равна Vo, то в общем виде ее зависимость от температуры звукопровода может быть представлена выражением (вариант 1):The temperature dependence of the ultrasonic wave propagation velocity is determined experimentally and can be presented in the form of a table, graph, or function. So, if at a certain initial temperature t o from the range of operating temperatures for measuring the liquid level the propagation velocity of an ultrasonic wave in a sound duct is V o , then in general its dependence on the temperature of the sound duct can be represented by the expression (option 1):
где γv - температурный коэффициент скорости, представленный в виде функции.where γ v is the temperature coefficient of speed, presented as a function.
С учетом (3) выражение (1) для координаты контролируемого объекта Lн относительно опорной точки, расположенной у нижнего конца звукопровода, приводится к виду:In view of (3), expression (1) for the coordinate of the controlled object L n relative to the reference point located at the lower end of the sound duct is reduced to:
где Vo - скорость распространения ультразвуковой волны в звукопроводе по (2) при исходной температуре to; Тн - интервал времени распространения ультразвуковой волны на отрезке звукопровода Lн при температуре tн, а 
Аналогично определяется координата контролируемого объекта Lв относительно опорной точки, расположенной у верхнего конца звукопровода:Similarly, the coordinate of the controlled object L is determined in relation to the reference point located at the upper end of the sound duct:
где Тв - интервал времени распространения ультразвуковой волны на отрезке звукопровода Lв при температуре tв, а 
На основании выполненных измерений Тн и Тв расстояние между опорными точками звукопровода равноBased on the measurements T n and T in the distance between the reference points of the sound duct is
где 
С учетом значений временных интервалов Тно, Тво, To по (4) - (6) выражение (1) для определения координаты контролируемого объекта, то есть в рассматриваемом применении МДП - поплавка с постоянным магнитом, приводится к видуGiven the values of the time intervals T but , T in , T o according to (4) - (6), expression (1) for determining the coordinates of the controlled object, that is, in the considered application of the MIS - float with a permanent magnet, is reduced to
или к видуor to mind
где Ly - уровень жидкости, k - коэффициент, корректирующий изменение скорости распространения ультразвуковой волны Vo, происходящее в процессе эксплуатации уровнемера. Этот коэффициент представляет собой отношение длины опорного отрезка звукопровода Lo, известной как конструктивный параметр уровнемера, и длины Lo изм того же отрезка звукопровода, вычисленной на основе результатов измерений:where L y is the liquid level, k is the coefficient correcting the change in the propagation velocity of the ultrasonic wave V o that occurs during operation of the level gauge. This coefficient is the ratio of the length of the reference length of the sound duct L o , known as the design parameter of the level gauge, and the length L o of the same length of the sound duct, calculated on the basis of the measurement results:
В ограниченном диапазоне температур, например до 100°С, зависимость скорости ультразвука Vt от температуры звукопровода t может быть представлена линейной функцией вида (вариант 2):In a limited temperature range, for example, up to 100 ° C, the dependence of the ultrasound speed V t on the temperature of the sound duct t can be represented by a linear function of the form (option 2):
где Vo - скорость распространения ультразвуковой волны в звукопроводе по (2) при исходной температуре to, γv - температурный коэффициент скорости, являющийся в рассматриваемом варианте постоянной величиной.where V o is the propagation velocity of the ultrasonic wave in the sound duct according to (2) at the initial temperature t o , γ v is the temperature coefficient of velocity, which is a constant in the considered version.
Линейный характер зависимости скорости ультразвука от температуры звукопровода определяется свойствами магнитострикционных материалов, применяемых для изготовления звукопроводов. Известно, что скорость распространения ультразвуковых продольных колебаний в звукопроводе связана с модулем упругости Е и плотностью ρ его материала соотношением (Захарящев Л.И. Конструирование линий задержки. Советское радио, М., 1972, с.32)The linear nature of the dependence of the speed of ultrasound on the temperature of the sound duct is determined by the properties of magnetostrictive materials used for the manufacture of sound ducts. It is known that the propagation velocity of ultrasonic longitudinal vibrations in a sound duct is related to the elastic modulus E and the density ρ of its material by the ratio (Zakharyashev LI Design of delay lines. Soviet Radio, M., 1972, p.32)
Зависимость модуля упругости от температуры выражается функцией вида (Лаврова А.Т. Элементы автоматических приборных устройств. Издательство «Машиностроение», М., 1975, с.43)The dependence of the elastic modulus on temperature is expressed by a function of the form (A. Lavrova Elements of automatic instrumentation. Mashinostroenie Publishing House, Moscow, 1975, p. 43)
где Ео - модуль упругости при исходной температуре to, γe - температурный коэффициент модуля упругости.where E o is the modulus of elasticity at the initial temperature t o , γ e is the temperature coefficient of the modulus of elasticity.
Зависимость плотности твердого тела от температуры имеет вид (Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М., «Наука», 1988, с.86-87):The dependence of the density of a solid on temperature has the form (Koshkin NI, Shirkevich MG. Handbook of elementary physics. M., “Nauka”, 1988, pp. 86-87):
где ρo - плотность тела при исходной температуре to, α - температурный коэффициент линейного расширения.where ρ o is the density of the body at the initial temperature t o , α is the temperature coefficient of linear expansion.
С учетом (12) и (13) и после исключения величин второго порядка малости выражение (11) приводится к видуTaking into account (12) and (13) and after eliminating the second-order quantities of smallness, expression (11) is reduced to
где 
Принимая во внимание, что значения коэффициентов α и γe существенно меньше единицы (для магнитострикционных сплавов γe=±1,5·10-4 С-1, α=8·10-6 С-1), в ограниченном диапазоне температур выражение (14) можно представить в видеTaking into account that the values of the coefficients α and γ e are significantly less than unity (for magnetostrictive alloys γ e = ± 1.5 · 10 -4 С -1 , α = 8 · 10 -6 С -1 ), in a limited temperature range, the expression (14) can be represented as
Погрешность такого представления в оговоренных условиях составляет менее 0,1% (Бронштейн И.Н. и К.А.Семендяев К.А. Справочник по математике. Издательство «Наука», М., 1967, с.119). Температурные коэффициенты α и γe изменяются с изменением температуры, но в ограниченном диапазоне температур их можно считать постоянными величинами. Производный от них температурный коэффициент скорости ультразвука γv=0,5·(3α-γe) также является постоянной и отрицательной величиной, что отражает факт уменьшения скорости распространения ультразвуковой волны в звукопроводе при увеличении температуры. Эти выводы подтверждаются экспериментальными исследованиями. Таким образом, применение линейной аппроксимации вида (10) вполне обосновано.The error of such a representation under the specified conditions is less than 0.1% (Bronstein I.N. and K.A.Semendyaev K.A.Math reference book. Publishing House "Nauka", M., 1967, p.119). The temperature coefficients α and γ e change with temperature, but in a limited temperature range they can be considered constant values. The temperature coefficient of ultrasound velocity that is derived from them, γ v = 0.5 · (3α-γ e ), is also a constant and negative value, which reflects the fact of a decrease in the speed of propagation of an ultrasonic wave in a sound duct with increasing temperature. These findings are confirmed by experimental studies. Thus, the use of linear approximation of the form (10) is quite justified.
Критерием выбора величины температурного интервала является допустимая погрешность измерения координаты контролируемого объекта на этом интервале. Линейная зависимость скорости распространения от температуры имеет место и при распространении в звукопроводе крутильной ультразвуковой волны (Патент РФ №2194953, МКИ G01F 23/28, Артемьев Э.А., Камнев В.И.).The criterion for choosing the value of the temperature interval is the permissible error of measuring the coordinates of the controlled object in this interval. A linear dependence of the propagation velocity on temperature also occurs during the propagation of a torsion ultrasonic wave in a sound duct (RF Patent No. 2194953, MKI G01F 23/28, Artemiev E.A., Kamnev V.I.).
При линейной аппроксимации функции, описывающей зависимость скорости распространения ультразвуковой волны в звукопроводе от температуры в соответствии с (10), выражение (7) для определения уровня жидкости приводится к виду:With a linear approximation of a function that describes the temperature dependence of the velocity of an ultrasonic wave in a sound duct in accordance with (10), expression (7) for determining the liquid level is reduced to:
В широком диапазоне температур линейная аппроксимация зависимости Vt может быть заменена кусочно-линейной. При этом диапазон рабочих температур делится на интервалы с постоянными температурными коэффициентами γvi, определенными относительно исходных значений температуры toi, выбранных из этих интервалов. Уровень жидкости вычисляют в соответствии с выражениемIn a wide temperature range, a linear approximation of the dependence V t can be replaced by a piecewise linear one. The operating temperature range is divided into intervals with constant temperature coefficients γ vi , determined relative to the initial temperature values t oi selected from these ranges. The liquid level is calculated in accordance with the expression
в котором параметры γvi, toi выбирают согласно используемому интервалу температуры.in which the parameters γ vi , t oi are selected according to the temperature range used.
Из-за наличия градиента температуры вдоль звукопровода в выражениях (7) - (9), (15), (16) в качестве значений tн и tв следует использовать средние значения температур отрезков звукопровода, погруженного в жидкость и находящегося в среде над жидкостью.Due to the presence of a temperature gradient along the sound duct in expressions (7) - (9), (15), (16), the average temperatures of the lengths of the sound duct immersed in the liquid and located in the medium above the liquid should be used as the values of t n and t in .
Существенными отличиями предлагаемых вариантов способа определения уровня жидкости от известного способа по логометрической схеме преобразования, по мнению авторов, являются, во-первых, измерение температуры вдоль всей длины звукопровода, во-вторых, функциональная обработка значений временных интервалов Тн и Тв распространения ультразвуковой волны на отрезках звукопровода от контролируемого объекта - поплавка с постоянным магнитом, до опорных точек, расположенных у концов звукопровода, с учетом зависимости скорости распространения ультразвуковой волны в звукопроводе от его температуры. Существенными отличиями предлагаемых вариантов способа определения уровня жидкости от способов, представленных в аналогах (патент РФ №2194953, МКИ G01F 23/28, патент US №5076100, МКИ G01F 23/00) являются, во-первых, применение в основе способа логометрической схемы преобразования с привязкой к опорной длине звукопровода, что позволяет компенсировать изменение скорости распространения ультразвуковой волны в звукопроводе, связанное с изменением свойств его материала в течение длительного времени, во-вторых, измерение средней температуры отрезка звукопровода, находящегося в газопаровой среде над жидкостью, дополнительно к измерению средней температуры отрезка звукопровода, погруженного в жидкость.Significant differences between the proposed variants of the method for determining the liquid level from the known method according to the ratiometric transformation scheme, according to the authors, are, firstly, the measurement of temperature along the entire length of the sound duct, and secondly, the functional processing of the values of time intervals T n and T in the propagation of an ultrasonic wave on sections of the sound duct from the controlled object - a float with a permanent magnet, to reference points located at the ends of the sound duct, taking into account the dependence of the propagation velocity I have an ultrasonic wave in the sound pipe from its temperature. Significant differences of the proposed variants of the method for determining the liquid level from the methods presented in the analogues (RF patent No. 2194953, MKI G01F 23/28, US patent No. 5076100, MKI G01F 23/00) are, firstly, the use of the method of the ratiometric conversion circuit with reference to the reference length of the sound duct, which allows you to compensate for the change in the velocity of propagation of the ultrasonic wave in the sound duct, associated with a change in the properties of its material over time, secondly, the measurement of the average temperature of the sound section oestrus present in the gas-vapor above the liquid medium, in addition to the measurement of the average acoustic line segment temperature, immersed in a liquid.
Совокупность отличительных признаков предлагаемых вариантов способа обусловливает его новое свойство: возможность использования опорного канала магнитострикционного преобразователя для повышения точности определения координаты контролируемого объекта в условиях, когда части звукопровода, расположенные по обе стороны от объекта контроля, имеют различную температуру. Это достигается за счет приведения значений временных интервалов Тн и Тв, измеренных на отрезках звукопровода с разной температурой, к одной исходной температуре (нулевой или to) из диапазона рабочих температур, при которой значения скорости распространения ультразвуковой волны на каждом из отрезков звукопровода равны. Данное свойство расширяет область применения логометрического способа компенсации погрешности МДП и соответствует заявленной цели изобретения.The set of distinguishing features of the proposed variants of the method determines its new property: the ability to use the reference channel of the magnetostrictive transducer to increase the accuracy of determining the coordinates of the monitored object in conditions when the parts of the sound pipe located on both sides of the control object have a different temperature. This is achieved by bringing slots values T n and T measured at intervals acoustic line with different temperatures, one of the initial temperature (zero or t o) of the range of operating temperatures at which the values of the propagation velocity of the ultrasonic wave on each of the segments of the acoustic line are . This property expands the scope of the ratiometric method of compensating for the TIR error and meets the stated purpose of the invention.
На фиг.1 изображена схема одного из устройств, воплощающего предлагаемые варианты способа измерения уровня жидкости, на фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.Figure 1 shows a diagram of one of the devices embodying the proposed variants of the method of measuring the liquid level, figure 2 presents time diagrams explaining the operation of the device.
Устройство состоит из датчика 1 и измерительного блока 2. Датчик 1 конструктивно объединяет МДП и многоточечный датчик температуры, размещенные в герметизированной диэлектрической трубке, концентрично с которой расположен постоянный магнит 3 МДП, заключенный в поплавок 4, свободно перемещающийся вдоль трубки и отслеживающий уровень жидкости. Датчик 1 содержит звукопровод 5 из магнитострикционного материала с демпферами 6 на концах, устройство натяжения звукопровода 7, входной электромагнитный преобразователь (ЭМП) 8, осуществляющий возбуждение электромагнитного поля вдоль звукопровода, приемные преобразователи 9, расположенные у концов звукопровода 5 на опорном расстоянии Lo один от другого, цифровые датчики температуры 10, равномерно распределенные вдоль звукопровода 5 и соединенные с двунаправленной линией связи 11.The device consists of a sensor 1 and a measuring unit 2. Sensor 1 constructively combines the MIS and the multi-point temperature sensor located in a sealed dielectric tube, concentric with which is located a permanent magnet 3 MIS, enclosed in a float 4, freely moving along the tube and monitoring the liquid level. The sensor 1 contains a sound pipe 5 made of magnetostrictive material with
Измерительный блок 2 содержит генератор импульсов тока записи (ГТИ) 12, соединенный с входным ЭМП 8, коммутатор 13 и усилитель 14 сигналов, считываемых с приемных преобразователей 9, генератор опорной частоты (ГОЧ) 15, формирователь опорного напряжения 16 и вычислительное устройство (ВУ) 17, входы которого подключены к выходу усилителя 14, формирователя 16 и через устройство сопряжения 18 к линии связи 11 с датчиками температуры 10. Устройство сопряжения 18 предназначено для преобразования уровней сигналов в процессе информационного обмена между датчиками температуры 10 и ВУ 17.The measuring unit 2 contains a recording current pulse generator (GTI) 12 connected to the input EMF 8, a switch 13 and an amplifier 14 of signals read from the receiving transducers 9, a reference frequency generator (GPO) 15, a reference voltage shaper 16, and a computing device (WU) 17, the inputs of which are connected to the output of the amplifier 14, the driver 16 and through the interface device 18 to the communication line 11 with temperature sensors 10. The interface device 18 is designed to convert signal levels in the process of information exchange between the sensor ami temperature 10 and WU 17.
ВУ 17 является многофункциональным устройством, которое поддерживает информационный обмен с устройством сбора данных, осуществляет управление процессом измерения, выполняет преобразование временных интервалов Тн и Тв в код, обеспечивает запись и хранение координат li расположения датчиков температуры 10, параметра Lo, таблицы значений температурного коэффициента γv(t) для первого варианта способа либо постоянной величины γv(γvi) и значения исходной температуры to(toi) для второго варианта способа, производит опрос датчиков температуры 10 и вычисление уровня продукта в соответствии с одним из выражений (7), (15), (16). Все перечисленные функции могут быть осуществлены на базе однокристальной микроЭВМ (ОЭВМ), например, типа AT90S8535 фирмы ATMEL. При этом выходы усилителя 14 и формирователя опорного напряжения 16 подключаются к выводам ОЭВМ, конфигурированным как аналоговые входы встроенного компаратора, линии связи с датчиками температуры и с устройством сбора данных - к выводам ОЭВМ, конфигурированным как порты последовательной передачи данных, сигналы управления «Чт 1», «Чт 2», «Зп ГТИ» - к выводам параллельного порта данных. Для хранения параметров Lo, to, γv, li используется память данных (EEPROM) ОЭВМ.VU 17 is a multifunctional device that supports information exchange with a data acquisition device, controls the measurement process, converts the time intervals T n and T into a code, records and stores the coordinates l i of the location of the temperature sensors 10, parameter L o , value table temperature coefficient γ v (t) for the first embodiment method or the constant value γ v (γ vi) and the reference temperature values t o (t oi) of the second embodiment of the method, the temperature sensors produces a poll 10 and level of the product computation in accordance with one of the expressions (7), (15), (16). All these functions can be performed on the basis of a single-chip microcomputer (OEWM), for example, type AT90S8535 manufactured by ATMEL. In this case, the outputs of the amplifier 14 and the driver of the reference voltage 16 are connected to the OEVM outputs configured as analog inputs of the built-in comparator, the communication lines with temperature sensors and a data acquisition device - to the OEVM outputs configured as serial data ports, control signals “Th 1” , "Tht 2", "Zp GTI" - to the conclusions of the parallel data port. To store the parameters L o , t o , γ v , l i the data memory (EEPROM) of the computer is used.
Предлагаемый способ определения уровня жидкости применим при возбуждении в звукопроводе как продольной, так и крутильной ультразвуковой волны механической деформации. В первом случае в качестве входного ЭМП 8 используется катушка, распределенная вдоль всей рабочей части звукопровода 5 и намотанная виток к витку на охватывающем его изолирующем каркасе. Во втором случае импульс тока, возбуждаемый генератором 12, пропускается непосредственно через тело звукопровода 5. Соответственно в первом случае в качестве приемного преобразователя 9 используется сосредоточенная катушка индуктивности с подмагничивающим постоянным магнитом или установленный на звукопроводе 5 пьезодатчик, а во втором случае - сосредоточенная катушка индуктивности, установленная соосно звукопроводу 5.The proposed method for determining the liquid level is applicable when exciting both longitudinal and torsional ultrasonic waves of mechanical deformation in the sound pipe. In the first case, a coil distributed along the entire working part of the sound duct 5 and wound coil to coil on an insulating frame covering it is used as input EMF 8. In the second case, the current pulse excited by the generator 12 is passed directly through the body of the sound duct 5. Accordingly, in the first case, a concentrated inductor with a magnetizing permanent magnet or a piezoelectric transducer mounted on the sound duct 5 is used as a receiving transducer 9, and in the second case, a concentrated inductor, installed coaxially with the sound pipe 5.
В качестве датчиков температуры 10 в устройстве используется цифровой интегральный термометр типа DS18B20 фирмы Dallas Semiconductor Corp. Датчики 10 устанавливаются с постоянным шагом на обмотке распределенной катушки возбуждения или, в случае подачи импульса тока непосредственно в звукопровод, на охватывающую его изолирующую трубку и закрепляются с помощью бандажа.As temperature sensors 10, the device uses a digital integrated thermometer type DS18B20 from Dallas Semiconductor Corp. Sensors 10 are installed with a constant step on the winding of a distributed excitation coil or, in the case of a current pulse feeding directly into the sound duct, onto an insulating tube covering it and fixed with a bandage.
Устройство работает следующим образом. В ждущем режиме ВУ 17 осуществляет опрос датчиков температуры 10. При этом на линию связи 11 в виде последовательного кода поочередно выставляется адрес каждого датчика температуры 10 и принимаются данные о температуре в разных точках звукопровода также в виде последовательного кода. Данные записываются и сохраняются в оперативной памяти (ОЗУ) ВУ 17. После опроса всех датчиков температуры 10 цикл опроса возобновляется, и новые данные замещают в ОЗУ данные предшествующего цикла опроса.The device operates as follows. In standby mode, the VU 17 polls the temperature sensors 10. At the same time, the address of each temperature sensor 10 is alternately set in the form of a serial code on the communication line 11 and temperature data at different points of the sound duct are also received in the form of a serial code. Data is recorded and stored in the RAM (RAM) of the VU 17. After polling all temperature sensors 10, the polling cycle is resumed, and new data replaces the data of the previous polling cycle in the RAM.
При поступлении запроса от устройства сбора данных очередной цикл сбора данных от датчиков температуры 10 завершается и начинается цикл измерения уровня жидкости. В ходе выполнения этого цикла ВУ 17 формирует два измерительных интервала, длительность которых определяется опорной длиной Lo и минимальной скоростью распространения ультразвуковой волны по звукопроводу Vмин, и должна быть не менее Lo/Vмин. В каждом измерительном интервале ВУ 17 выдает ряд сигналов управления, показанных на фиг.1 и 2. По сигналу «Зп ГТИ» ГТИ 12 формирует импульс тока (фиг.2а), поступающий на входной ЭМП 8, под воздействием которого на участке звукопровода в месте расположения поплавка 4 с магнитом 3 возникает ультразвуковая волна. Распространяясь в обе стороны вдоль звукопровода, она достигает приемные преобразователи 9 и возбуждает в них импульсные сигналы (фиг.2б). Демпферы 6 препятствуют возникновению ультразвуковых волн, отраженных от концов звукопровода. Сигналы нижнего и верхнего приемных преобразователей 9 подаются на вход усилителя 14 через коммутатор 13 под управлением сигналов «Чт 1» и «Чт 2» соответственно (фиг.2г,д). В каждом измерительном интервале действует только один сигнал чтения. Выдача сигналов «Чт 1» и «Чт 2» осуществляется с задержкой относительно момента подачи сигнала «Зп ГТИ» на время окончания переходных процессов в приемных преобразователях 9, вызванных действием импульса возбуждения на входной ЭМП 8. Усиленный сигнал приемного преобразователя подается на вход встроенного компаратора ВУ 17. Срабатывание компаратора (фиг.2в) происходит в момент сравнения импульсного напряжения с пороговым уровнем, задаваемым формирователем 16 (фиг.26). По сигналу от компаратора ВУ 17 сбрасывает действующий сигнал чтения («Чт 1» или «Чт 2»).When a request is received from the data acquisition device, the next data collection cycle from the temperature sensors 10 is completed and the liquid level measurement cycle begins. During this cycle WU 17 forms two measuring intervals, the duration of which is determined by the reference length L o and the minimum propagation velocity of the ultrasonic wave through the sound duct V min , and should be at least L o / V min . In each measuring interval, the VU 17 gives a number of control signals shown in Figs. 1 and 2. According to the signal “Zp GTI”, the GTI 12 generates a current pulse (Fig. 2a), which arrives at the input electromagnetic field 8, under the influence of which on the part of the sound duct in place location of the float 4 with the magnet 3 there is an ultrasonic wave. Spreading in both directions along the sound duct, it reaches the receiving transducers 9 and excites pulse signals in them (Fig.2b). The
Временные интервалы Тн и Тв (фиг.2е,ж) между моментами выдачи команды «Зп ГТИ» и срабатыванием компаратора по сигналам, считываемым с нижнего и верхнего приемных преобразователей 9 соответственно, пропорциональны расстояниям от поплавка 4 с магнитом 3 до этих преобразователей. Для выполнения вычислительных операций ВУ 17 преобразует временные интервалы Тн и Тв в коды Nн и Nв путем подсчета количества периодов сигнала ГОЧ 15 в течение длительности интервала. Преобразование осуществляется на базе встроенного таймера ОЭВМ и описывается выражениемThe time intervals T n and T in (fig.2e, g) between the moments of issuing the command "GTI GTI" and the operation of the comparator according to the signals read from the lower and upper receiving converters 9, respectively, are proportional to the distances from the float 4 with magnet 3 to these converters. To perform computational operations WU 17 converts the time intervals T n and T in codes N n and N in by counting the number of periods of the signal GOCH 15 during the duration of the interval. The conversion is carried out on the basis of the built-in computer timer and is described by the expression
где N - код, соответствующий интервалу времени Т распространения ультразвуковой волны на участке звукопровода, fоп - частота ГОЧ 15.where N is the code corresponding to the time interval T of the propagation of the ultrasonic wave in the duct section, f op is the frequency of the RFP 15.
Вычисление уровня жидкости выполняется в следующем порядке. Сначала находится значение уровня в соответствии с выражениемThe calculation of the liquid level is performed in the following order. First, the level value is found in accordance with the expression
которое следует из выражения (1) с учетом замены временных интервалов на соответствующие коды согласно соотношению (17). Код No в выражении (18) соответствует интервалу времени распространения ультразвуковой волны на опорном расстоянии Lo. Он представляет собой сумму кодов Nн и Nв, соответствующих временным интервалам Тн и Тв.which follows from expression (1), taking into account the replacement of time intervals by the corresponding codes according to relation (17). The code N o in expression (18) corresponds to the time interval of propagation of an ultrasonic wave at a reference distance L o . It represents the sum of the codes N n and N in , corresponding to the time intervals T n and T c .
Координаты li расположения датчиков температуры 10 относительно нижнего приемного преобразователя 9 последовательно сравниваются со значением уровня жидкости, найденным по (18). При этом датчики температуры разделяются на две группы, одна из которых объединяет датчики, расположенные ниже этого уровня жидкости, а другая - выше этого уровня. Для каждой группы вычисляется усредненное значение температуры: tн - для группы датчиков, расположенных ниже уровня, tв - для группы датчиков, расположенных выше уровня жидкости. Эти значения получают, например, как средние арифметические.The coordinates l i of the location of the temperature sensors 10 relative to the lower receiving transducer 9 are sequentially compared with the liquid level value found by (18). In this case, temperature sensors are divided into two groups, one of which combines sensors located below this liquid level, and the other above this level. For each group, the average temperature value is calculated: t n - for a group of sensors located below the level, t in - for a group of sensors located above the liquid level. These values are obtained, for example, as arithmetic means.
Если устройство реализует алгоритм вычисления уровня жидкости, соответствующий первому варианту способа, то по введенной в память ВУ 17 табулированной функциональной зависимости γv(t) определяются значения температурного коэффициента при tн и tв и вычисляется значение уровня жидкости в соответствии с выражениемIf the device implements the algorithm for calculating the liquid level corresponding to the first variant of the method, then the tabulated functional dependence γ v (t) entered into the memory of VU 17 determines the values of the temperature coefficient at t n and t in and calculates the value of the liquid level in accordance with the expression
которое следует из выражения (7) с учетом замены временных интервалов на соответствующие коды согласно соотношению (17).which follows from expression (7), taking into account the replacement of time intervals by the corresponding codes according to relation (17).
Если устройство реализует алгоритм вычисления уровня жидкости, соответствующий второму варианту способа, то значение уровня жидкости, откорректированное с учетом распределения температуры вдоль звукопровода, вычисляется в соответствии с выражениемIf the device implements an algorithm for calculating the liquid level corresponding to the second variant of the method, then the value of the liquid level, adjusted for the temperature distribution along the sound duct, is calculated in accordance with the expression
Данные об уровне и, при необходимости, о температуре жидкости ВУ 17 выводит на линию связи с устройством сбора данных. После передачи данных ВУ 17 переходит в режим ожидания запроса данных и возобновляет опрос датчиков температуры 10.Data on the level and, if necessary, on the temperature of the liquid VU 17 displays on a communication line with a data acquisition device. After data transfer WU 17 goes into standby mode for requesting data and resumes the interrogation of temperature sensors 10.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005137010/28A RU2306532C1 (en) | 2005-11-29 | 2005-11-29 | Method of measuring liquid level in reservoir |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005137010/28A RU2306532C1 (en) | 2005-11-29 | 2005-11-29 | Method of measuring liquid level in reservoir |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2306532C1 true RU2306532C1 (en) | 2007-09-20 |
Family
ID=38695346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005137010/28A RU2306532C1 (en) | 2005-11-29 | 2005-11-29 | Method of measuring liquid level in reservoir |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2306532C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2463566C1 (en) * | 2011-04-12 | 2012-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Новейшие Информационные Решения" | Method of determining level of liquid and floating magnetostrictive level gauge for realising said method |
| RU2772421C1 (en) * | 2021-07-23 | 2022-05-19 | Дмитрий Григорьевич Селезнев | Detector of the liquid level in the vessel |
-
2005
- 2005-11-29 RU RU2005137010/28A patent/RU2306532C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2463566C1 (en) * | 2011-04-12 | 2012-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Новейшие Информационные Решения" | Method of determining level of liquid and floating magnetostrictive level gauge for realising said method |
| RU2772421C1 (en) * | 2021-07-23 | 2022-05-19 | Дмитрий Григорьевич Селезнев | Detector of the liquid level in the vessel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1325881C (en) | Ultrasound aerometer and apparatus for measuring internal combustion engine waste gas flow and method for obtaining gas flow | |
| CN1725019B (en) | Clamp type doppler ultrasonic flow rate distribution instrument | |
| US10641641B2 (en) | Method for ascertaining a characteristic variable for evaluating a measuring arrangement comprising a clamp-on, ultrasonic, flow measuring device and a pipe and/or for evaluating measurement operation of such a measuring arrangement | |
| GB2067756A (en) | Liquid level measurement | |
| JP2007010543A (en) | Apparatus and method for measuring thickness of oxide film | |
| US11326913B2 (en) | Transducer apparatus as well as measuring system formed by means of such a transducer apparatus | |
| US8180582B2 (en) | System and method for sensing liquid levels | |
| CN109540266B (en) | Magnetostrictive liquid level meter and liquid level measurement method | |
| JP5914643B2 (en) | Fluid flow detection method by ultrasonic propagation time method | |
| RU2306532C1 (en) | Method of measuring liquid level in reservoir | |
| JP2000346695A (en) | Method for measuring fill level of container and device for executing measurement method | |
| RU134631U1 (en) | MAGNETOSTRICTION CONVERTER OF LINEAR MOVEMENTS | |
| RU2222786C1 (en) | Procedure measuring level of liquid with use of magnetostrictive level gauge and magnetostrictive level gauge | |
| RU2310174C1 (en) | Ultrasonic level meter | |
| CN115628786A (en) | Ultrasonic flow measuring method and flow meter using same | |
| CN207036218U (en) | Ultrasonic level gage | |
| CN113340380A (en) | Method for detecting liquid level position based on surface wave mode conversion | |
| RU2319935C1 (en) | Magnetostrictional level gauge | |
| JP4266117B2 (en) | Ultrasonic flow meter | |
| RU2517919C2 (en) | Magnetostriction level gauge | |
| JP2756647B2 (en) | Significant water level measurement method and device | |
| RU2437066C1 (en) | Method for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs and apparatus for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs | |
| RU208494U1 (en) | MAGNETOSTRICTION LEVEL FOR LIQUID LEVEL MEASUREMENT WITH COMPENSATION OF ERRORS CAUSED BY LINEAR EXPANSION OF THE TANK WALLS | |
| RU2298156C1 (en) | Level meter-indicator | |
| CN211452527U (en) | Ultrasonic liquid level meter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081130 |