автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы и устройства акустического контроля уровня, плотности и массы жидких энергоносителей в резервуарных парках

На правах рукописи

Солнцева Александра Валерьевна

методы и устройства акустического контроля уровня, плотности и массы жидких энергоносителей

в резервуарных парках

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559255

Самара-2014

005559255

Работа выполнена на кафедре электротехники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика

С.П.Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Скворцов Борис Владимирович

Официальные оппоненты:

Дубинин Александр Ефимович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» заведующий кафедрой «Электротехника»;

Сусарев Сергей Васильевич, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», доцент кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами».

Ведущая организация:

открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Экран»,

г. Самара

Защита диссертации состоится 12 декабря 2014 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.05, созданного на базе федерального государственного автономного образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)" по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ и на сайте http://www.diss.ssau.ru

Автореферат разослан 21 октября 2014 г.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)» переименовано в федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)», приказ Минобрнауки России от 10 июля 2014 г.. 738.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., доцент

Востокин С.В.

Актуальность работы

Предприятия топливно-энергетического комплекса оснащены взаимосвязанными резервуарами для хранения или накопления жидких энергоносителей (нефтепродуктов, химических продуктов, воды и др.), оборудованными технологическими трубопроводами, запорной арматурой, насосными установками для внутрипарковых перекачек и средствами автоматизации. Для учета количества энергоносителей при внутрипарковых и внешних перекачках резервуарные парки оснащаются устройствами контроля и управления. Разработкой и производством устройств контроля качественных и количественных показателей жидких энергоносителей, таких как уровень наполнения резервуара, температура, плотность, масса, объем контролируемого продукта занимаются ЗАО "НТФ НОВИНТЕХ" (г. Королев, РФ), ЗАО «КИПЭНЕРГО» (г. Москва, РФ), ООО "Валком" (г. Санкт-Петербург, РФ), Hectronic GmbH (Германия), предприятия Зареченского приборостроительного кластера (Пензенская область) и другие. Большинство из таких систем дорогостоящи и могут осуществлять контроль посредством использования комплекса оборудования, каждое из которых требует отдельной установки, калибровки и обслуживания, кроме того не удовлетворяют современным требованиям по точности и быстродействию.

Задача организации контроля нескольких параметров жидких энергоносителей при использовании одного комплексного устройства актуальна не только на предприятиях нефтеперерабатывающей направленности, но также в пищевой и медицинской промышленности. Акустический контроль показателей жидких сред служит принципиальной основой предлагаемой работы, которая развивает данное научное направление с позиций расширения функциональных возможностей.

Проблемами контроля показателей качества и количества жидких энергоносителей занимаются научные группы под руководством Гуреева A.A., Глебовича Г.В., Викторова И.А., Ясовеева В.Х., Гордеева Б.Н., Акчурина А.Д., Чахлова В.Л, Лобановой В.А., Шенкмана Э.Н., Скворцова Б.В., Борминского С.А., D.Horm, G.Hess, S.K.Wong и других. Работа включает в себя разработку и исследование элементов и устройств контроля и управления технологическими операциями слива-налива жидких энергоносителей в резервуарных парках.

Целью работы является расширение функциональных возможностей методов и устройств акустического контроля уровня, плотности и массы жидких энергоносителей в резервуарных парках.

Для достижения поставленной цели потребуется решение следующих задач:

1 Анализ существующих методов и устройств контроля уровня, плотности и массы жидких энергоносителей в резервуарных парках.

2 Разработка теоретического обоснования процессов распространения импульсов в однородных стационарных средах для задач реализации акустического контроля уровня, плотности и массы жидких энергоносителей.

3 Разработка методов контроля параметров жидких энергоносителей в резервуарных парках методом импульсного акустического зондирования.

4 Исследование динамического процесса управления технологическими операциями в резервуарных парках и проведение оценки точности расхода жидких энергоносителей в зависимости от параметров используемого оборудования.

5 Разработка структурных и принципиальных схем, алгоритмов и программ работы устройства контроля и управления операциями слива-налива в резервуарных парках жидких энергоносителей.

6 Метрологические и экспериментальные исследования макетного и опытного образцов устройства контроля и управления технологическими операциями в резервуарных парках, направленные на определение корректности полученных математических и компьютерных моделей элементов.

Методы исследований

При решении поставленных задач применялись методы спектрального анализа, дифференциального, интегрального исчислений, теория погрешностей, теория автоматического управления. При моделировании и проведении численных расчетов на ПК использовались пакеты программ MathCad, MATLAB+Simulink, Sound Forge.

Научная новизна

1 Разработана математическая модель, связывающая уровень наполнения резервуара и плотность жидкого энергоносителя со спектральным составом отраженного от контролируемой среды акустического импульса.

2 Разработан метод акустического кошроля уровня заполнения резервуара жидким энергоносителем по спектральным характеристикам зондирующего и отраженного акустических импульсов.

3 Разработан метод акустического контроля плотности жидких энергоносителей по спектральным характеристикам зондирующего и отраженного акустических импульсов.

4 Получены аналитические выражения, позволяющие определить погрешность методов контроля и метрологические требования к исполнительному оборудованию.

Практическую ценность работы составляют:

1 Опытный образец устройства контроля и управления технологическими операциями в резервуарных парках жидких энергоносителей, обеспечивающий контроль уровня, массы и плотности нефтепродуктов.

2 Динамическая компьютерная модель технологических операций слива-налива, отражающая влияние инерционности и нестабильности используемого в устройстве контроля и управления оборудования на точность расхода жидких энергоносителей.

3 Алгоритмы, схемы и конструкции устройств акустического контроля уровня, плотности и массы жидких энергоносителей.

4 Экспериментальный стенд для исследования процессов распространения акустических импульсов в однородных стационарных средах.

Реализация результатов работы

По результатам работы изготовлено и внедрено устройство контроля и управления технологическими операциями "Солитон" на грузовом судне IM07611212 класса река-море ООО «ЭМФ «КОНТАКТ-КМ» (г. Астрахань). Материалы диссертации используются в учебном процессе СГАУ в курсовом и дипломном проектировании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Математическая модель, связывающая уровень наполнения резервуара и плотность жидкого энергоносителя со спектральным составом отраженного от контролируемой среды акустического импульса.

2 Метод акустического контроля уровня заполнения резервуара жидким энергоносителем по спектральным характеристикам зондирующего и отраженного акустических импульсов.

3 Метод акустического контроля плотности жидких энергоносителей по спектральным характеристикам зондирующего и отраженного акустических импульсов.

4 Аналитические выражения, позволяющие определить погрешность методов контроля и метрологические требования к исполнительному оборудованию.

5 Результаты экспериментальных исследований и практической реализации устройства контроля и управления технологическими операциями в резервуарных парках.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы определяется экспериментальными исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы, воспроизводимостью полученных результатов, внедрением разработанного устройства на танкере в г. Астрахань.

Апробация работы

Результаты работы доложены на конференциях: XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара 2011), Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникации» (г.Самара 2012, 2013), Международной молодежной научной конференции "Туполевские чтения" (г.Казань, 2012, 2013), Всероссийской молодежной научно-технической конференции «КОСМОС-2012» (г.Самара, 2012), Международной научно-практической конференции "Современные научные достижения" (г.Прага, 2013), II Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в 21 веке» (г.Ижевск, 2013), Международной молодежной научной конференции «XII Королевские чтения» (г.Самара, 2013), XX Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г.Томск, 2014), а также представлялись на V Всероссийском молодежном инновационном конвенте (г.Москва, Сколково, 2012), Всероссийском инновационном конвенте (г.Москва, МГТУ имени Баумана, 2013).

Результаты, вошедшие в диссертацию, были отмечены: стипендией Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики в 2012 г., дипломом лауреата Всероссийского конкурса на лучшую научную книгу 2012 года, грантами в конкурсе "Молодой ученый СГАУ" в 2012, 2013 гг., грантом в областном конкурсе "Молодой ученый" в 2013 г., грантом в 10-м конкурсе молодых преподавателей и научных работников СГАУ в 2014 г.

Публикации

По результатам исследований и разработок опубликовано 20 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах (изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 1 монография, получено 5 патентов РФ, 1 заявка на получение патента.

Связь с государственными программами

Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.", соглашение от 27 июля 2012 г. №14.В37.21.0347. Проект является победителем программы "СТАРТ-2012" Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Личный вклад автора

Все результаты, определяющие научную новизну, получены автором лично. Техническая реализация и экспериментальные исследования произведены совместно с сотрудниками НИЛ "Аналитические приборы и системы" СГАУ.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 170 страницах текста, включает 59 рисунков и 24 таблицы. Список литературы состоит из 102 наименований, приложения на 2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разрабатываемой проблемы, изложены цель и задачи исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, дана краткая характеристика диссертационной работы.

В первой главе дан обзор основным техническим характеристикам емкостей резер-вуарного парка, применяемых для хранения и транспортировки жидких энергоносителей. Приведены качественные и количественные показатели, контролируемые при реализации операций слива-налива, а также методы и устройства их контроля. Выбран метод импульсного зондирования среды посредством размещения в полости резервуара волновода с акустическим датчиком. Приведены базовые конструкции, на основе которых проводятся дальнейшие теоретические исследования. На рисунке 1 приведена структурная схема устройства контроля и управления в резервуарных парках, которое включает в себя три гидравлических канала: слив и налив жидкого энергоносителя и дренирование подтоварной воды.

Устройство позволяет производить точный контроль отпущенного энергоносителя посредством использования акустического датчика 1 для контроля параметров продукта в полости резервуара, а также расходомеров 7, 8,9 для контроля при сливе-наливе. Контроль процедур слива-налива продуктов осуществляется путем управления работой вентилей и блоков управления насосными агрегатами. Определены две основные проблемы, связанные с организацией статического и динамического контроля параметров. Приведены запатентованные способы и конструкционные решения, связанные с организацией акустического комплексного контроля [6-10]. На рисунке 2 представлена структурная схема устройства для проведения акустического контроля. Устанавливаемый в полости горизонтально расположенного волновода 1 акустический датчик 3 излучает зондирующий импульс, который отражается от пластины 4 в вертикально установленный волновод 2. Время распространения импульса определяется блоком контроля времени 6, посредством блока 7 осуществляется спектральный анализ. Такая конструкция устройства позволяет устранить проблему получения неточных данных при наличии пены на поверхности продукта, устранить возможность загрязнения излучающей поверхности датчика и устранить влияние "мертвой" зоны акустического датчика.

Во второй главе приведена обобщенная математическая модель резервуара как объекта контроля и управления. В общем виде определены функциональные зависимости, связывающие между собой контролируемые параметры для различных режимов работы устройства: статический режим контроля, режим налива продукта, режим слива продукта, режим слива подтоварной воды, одновременный слив и налив продукта.

Целью контроля является определение остаточной массы продукта в резервуаре, которая описывается выражением:

МР = Р,(Н,Нв,р,&.СР)^ (1)

где Н - уровень заполнения резервуара жидким энергоносителем, Нц - уровень подтоварной воды, р - плотность энергоносителя, в - температура энергоносителя, СР - объем остаточного энергоносителя в резервуаре.

аав

ЫЬ1А

_р,в, Я. Нв -

___Ч

----ч-

5г

я

Нт

2 \

1 1 1 1 ^ | II среда

1 И Г I среда

1 м и

I - акустический датчик, 2 - волновод, 3 - датчики температуры, 4, 5,6 - вентили, 7, 8, 9- расходомеры, 10, 11,12- блоки управления насосными агрегатами, 13, 14, 15- насосные агрегаты, 16, 17 - транспортировочные емкости, 18 - канализация, 19 - устройство сбора и обработки данных, 20 - устройство управления Рисунок 1 - Структурная схема устройства [9]

1,2- волноводы, 3 - акустический датчик, 4 - зеркальная пластина, 5 - генератор зондирующих импульсов, 6 - блок контроля времени, 7 - блок спектрального анализа

Рисунок 2 - Структурная схема устройства для акустического контроля [10]

Разработана математическая модель, связывающая уровень наполнения резервуара и плотность жидкого энергоносителя со спектральным составом отраженного от контролируемой среды акустического импульса. Спектральная плотность отраженного от контролируемой среды импульса определится по формуле:

5,(2Я.у®)= Ки*Щ0,]а)е-'и'и")н (2)

где 5(0,]аз) - спектральная плотность зондирующего сигнала, К(/со) - комплексный коэффициент отражения, к^со) - волновой вектор среды I.

Проведены исследования зависимости коэффициента отражения зондирующего импульса от отношения плотностей контролируемых сред. При этом скорость звука

в среде определяется как функция плотности и может быть представлена в виде полинома. Для случая соизмеримых по плотности контактирующих сред получено выражение, связывающее коэффициент отражения зондирующего импульса с плотностями контактирующих сред р/ и рп:

±*.РГ

*=0

к=-

S а>р*'

es] +1 р,)

(3)

На основе разработанного математического описания спектральных плотностей зондирующего и отраженного от контролируемой среды импульсов разработан метод контроля уровня заполнения резервуара Н. В общем виде получено аналитическое выражение, связывающее уровень Н с отношением спектральных плотностей импульсов, а также с параметрами плотности и скорости звука в контактирующих средах:

/; _ ;f,(Pi)J f>(Pn)Pn +f,(P,)P, S,(2HJ(oA

2a {f2(p„)p„-f,(p,)p, S(0,jco) J^ (4)

где функции fi(pi), fiípu) определяют скорости звука в средах с,, сп.

Сущность метода состоит в вычислении уровня заполнения резервуара жидким энергоносителем по разности фаз зондирующего и отраженного от границы сред импульсов и определяется аналитическим выражением, полученным из (4) с применением формулы Эйлера (см. рисунок 3):

Я = —((р(0,со) - <р( 2Н,а>))

2(0 - (5)

Выражение (5) получено без учета поглощения сред (диссипативный коэффициент Ь=0). С учетом поглощения сред выражение (5)имеет вид:

„ с, r , ,,„ _ 2р),с),р)с]Ъ„а - 2р\с),р)с)Ь,0) . (6)

Н = -4íK0, <о) -<р(2Н,ш) + arctg( 4 2 , « «— , ( 2 д him2~' J]]

2a P¡,cuPici +bi0) Рчсч ~ PiciPucs-ьпш Pici

Разработан метод контроля плотности жидкой отражающей среды на основе анализа спектральных плотностей зондирующего и отраженного акустических импульсов. В общем виде получено аналитическое выражение, связывающее плотность отражающей среды со спектральными характеристиками акустических импульсов и параметрами среды их распространения:

S,(2H,ja> | (?)

f2(p„)p„-f,(p¡)p, fy?

S,(2H.ja>) S(OJto)

Метод состоит в определении плотности отражающей среды по модулю комплексного коэффициента отражения, определяемого как отношение модулей спектральных плотностей зондирующего и отраженного импульсов, и при представлении значений скоростей звука в контактирующих средах линейными зависимостями f¡(pi)=a0+arphf2(p!i)=d0+drpnописывается выражением:

Ри '

| K(coj\+\

i-M.

2d,

где \к(/а>)\ = А(2Н,аз)/А(0,о}) " модуль комплексного коэффициента отражения.

Зависимость (8), рассчитанная численным методами в программе МаШСас! для трех типов среды распространения (среда I): пентан (р=0,6263кг/м3), циклогексан (р=0,8109кг/м3), инден (р=0,9638кг/м3), представлена на рисунке 4.

Н,м 40 35 30 25 20 15 10 5

/=100 Гц ¿«и1. пентан циклогексан инден

/ /=200 Гц /

------------ / /=500 Гг/ / /=2 кГц /

^ _______ /

^^^^____^—■------: ^J

° НЕ 3£ я- Зя 2ж А <р 4 ~2 Т 4 ~2 4 Рисунок 3 - Зависимость уровня наполнения резервуара от разности фаз зондирующего и отраженного импульсов

Рисунок 4 - Зависимость плотности отражающей среды от отношения модулей спектральных плотностей зондирующего и отраженного импульсов

Показано определение массы жидких энергоносителей в резервуаре запатентованным способом [8]. Сущность способа состоит в создании калибровочной математической модели, включающей в себя данные о качественных и количественных показателях продуктов, находящихся в резервуаре. В процессе калибровки налив каждой порции продукта эталонной массы М, сопровождается определением совокупности контролируемых физико-химических параметров. Данные хранятся в памяти устройства, искомая масса продукта определяется по формуле:

Мх + + ...+4,?а =

(9)

где <7/х—Чпх - совокупность определяемых физико-химических параметров контролируемой жидкости, Ъ1, Ьь Ьп - коэффициенты, определяемые при построении калибровочной модели по эталонным значениям массы и параметров жидкости [8].

Проведено компьютерное моделирование технологических операций слива-налива жидких энергоносителей в пакете программ МАТЬАВ+БтиНпк. Разработана компьютерная динамическая модель, позволяющая имитировать процедуры слива и налива в резервуар. Функциональная схема процедуры налива приведена на рисунке 5. Блок, реализованный на звеньях IV,, Ш2 и сумматорах, осуществляет общее управление, запускает и останавливает процесс перекачки продукта, пропуская сигнал 2п о

требуемом объеме продукта. Управление насосными агрегатами реализовано на звеньях IVз и 1У4, формируя воздействие, задающее производительность насосов таким образом, чтобы при малой разности и 7/ (при сливе) производительность была максимальной и плавно уменьшилась в конце процесса перекачки.

Насосный агрегат реализован звеном с передаточной характеристикой

/Ч^_у Щ, Н ГЩ Н'5=к5/(Т5р+1). Звенья УУ6 и \У7 - расхо-

^^ —Г Цг-1 домер, ¡¥б=к,/(Т(р+1), 1У7=к7/р. Звенья

- представляют собой контур контроля процедуры налива по расходомеру. Интегрирующее звено 1¥8=к/р и сумматор моделируют резервуар, на его выходе - объем текущего заполнения. Звено 1У9 осуществляет пересчет текущего объема С/> в уровень заполнения резервуара. Передаточная характеристика звена задается тарировочной таблицей. Акустический датчик Цгю=к,0 выполняет преобразование физического значения уровня заполнения резервуара в электрический сигнал. В модели предусмотрены два контура контроля: по расходомеру и акустическому датчику. Использование двух контуров позволяет исключить перелив и фальсификацию данных о технологических процедурах перелива жидких энергоносителей.

В третьей главе представлена схемотехническая реализация устройства контроля и управления операциями слива-налива, включающая обзор и выбор составляющих системы мониторинга: датчиковой аппаратуры, управляющих устройств, элементов устройства управления. Разработаны функциональная и принципиальные схемы блока управления устройства и сенсорного блока на основе современной элементной базы. Выбран перечень оборудования: акустический датчик реализован на основе пьезоэлектрического преобразователя, выполненного из материала ЦТС-19, в качестве датчиков температуры использовались термосопротивления ТС711, расходомер с одним 2-канальным измерительным участком для измерений с повышенной точностью УЗС-1.

Разработаны алгоритмы работы устройства в двух режимах: динамического и статического контроля, создан алгоритм организации комплексного контроля акустическими методами. Разработано программное обеспечение для устройства контроля и управления технологическими операциями, которое основывается на созданных алгоритмах, описанных во второй главе работы.

- объемы продукта в резервуаре перед началом операции, текущий, налитого продукта, 2г сигналы о требуемом к перекачке объеме продукта, перекаченном при наливе, объеме, Л21 - сигнал о разнице 20 и 2), а/ - сигнал блока управления насосным агрегатом, Vг сигнал управления насосным агрегатом, - расход при наливе, - сигналы расходомера, Я - текущий уровень заполнения

резервуара, у - сигнал о текущем уровне наполнения резервуара, утах - сигнал о максимальном уровне заполнения резервуара, Лу -сигнал о разнице между у иутах, и/ - управляющий сигнал начала/окончания процедуры Рисунок 5 - Функциональная схема динамической модели процедуры налива товарного продукта в резервуар

В четвертой главе рассмотрены информационно-метрологические характеристики устройств контроля и управления технологическими операциями слива-налива. Рассмотрены основные и дополнительные погрешности процессов контроля уровня, плотности, массы жидких энергоносителей.

Проведена оценка точности определения объема заполнения резервуара в межузловых точках тарировочной таблицы. Погрешность в таком случае определяется количеством точек в тарировочной таблице: если таблица задана 50 точками, абсолютная погрешность составляет Дм=-1,032-Ю"4 м3, приведенная погрешность е=-4.2-10"5%.

Произведена оценка погрешности метода определения остаточной массы энергоносителя в резервуаре [8], абсолютная погрешность определится по выражению: о,, + +$ММАХ)-(д2]+6д2)(Мг+ЗМиАХ) ?

ОМ х =-1-+

(?ц + #Ъ)(.Яг.2 + $Яг)- (Ям + 5Ч\ ХЯи + 3Яг)

| (<?!,, +Н)(М2 + (Яи + 5Ях)(Мх +8Ммах) ^

(<7и + Н)(Я22 + 5Яг)~^Ят + Н)(Яц+8Яг)

При погрешностях ¿Ммлх=100 кг, дН=0,025 м, бр=8,6кг/м3, приведенная погрешность определения массы составляет 0,4%.

Получены зависимости погрешности определения уровня методом импульсного акустического зондирования от погрешностей определения плотности среды распространения и погрешности определения разности фаз зондирующего и отраженного импульсов. Если зависимость скорости звука в среде от ее плотности представить как линейную зависимость, тогда погрешность определится как:

5НД = ^[ф(т)Щ^-5р, +(а0+а1Р,т

2о) др, 2а>

При максимальной погрешности определения плотности дизельного топлива <5р;=8,6 кг/м3, погрешности определения разности фаз ё<р =0,015 рад, абсолютная погрешность определения уровня не превышает 0,06 м, приведенная погрешность £=1%.

Также определены зависимости погрешности определения плотности отражающей среды от погрешностей определения плотности среды распространения импульсов и определения модуля коэффициента отражения.

8рп = (1 + К)(ап + 2а1Р,) ёр1 +

- к]• [<(1 -К) + <ЦЛ(1 + К)(аа + а,р,)] | 2р^ + ахр,)

- К? [¿02(1 -К) + 4^р,( 1 + К(со)){а, + а,р,)]

При максимальной погрешности определения плотности дизельного топлива (5р/=8,6 кг/м3 погрешность определения плотности отражающей среды не превышает ёрц=9 кг/м3. При погрешности определения модуля коэффициент отражения <5АГ=0,05, абсолютная погрешность брпне превышает 0,15 кг/м3, приведенная £=0,1%.

Получены зависимости абсолютной погрешности определения уровня от температуры контролируемого продукта для различных значений плотностей.

Проведена оценка влияния параметров комплектующего оборудования на точность определения количества перекаченного продукта на основе моделирования техноло-

гических процессов налива и слива с использованием динамической модели (рисунок 5). Проведены исследования влияния на точность проведения операций слива-налива таких параметров управляемого оборудования как: постоянные времени насосных агрегатов Тт и расходомеров Т^ (рисунок 6) и нестабильность их коэффициентов преобразования к}, к6, к7 (рисунок 7).

Рисунок 6 - График зависимости объема пе- Рисунок 7 - График зависимости объема то-рекаченного товарного продукта от времени варного продукта в резервуаре от времени при при операции налива для разных комбинаций проведении операции слива для различных постоянных времени насосного агрегата и значений коэффициента к}

расходомера

В пятой главе описаны экспериментальные исследования, целью которых являлось подтверждение основных теоретических результатов, оценка метрологических и эксплуатационных характеристик устройства в целом. При этом решались следующие задачи: разработка экспериментального стенда и программы испытаний, проведение испытаний отдельных блоков устройства, всего устройства в целом в лабораторных и реальных условиях эксплуатации.

Создан экспериментальный стенд для исследования процессов распространения акустических импульсов в однородных стационарных средах (рисунок 8), который включает в себя цифровой запоминающий осциллограф АКИП-4122/4У, импульсный генератор прямоугольных импульсов, в качестве которого используется отладочная плата микроконтроллера АТ918АМ78256, акустический датчик, выполненный из пьезоэлектрического материала ЦТС-19, фильтр высоких частот на входе осциллографа для устранения помех промышленной сети.

Проведены экспериментальные исследования по зондированию жидких контролируемых сред импульсами различной формы, длительности и амплитуды. Рассмотрены отраженные импульсы от границ сред вода/воздух, вода/масло, масло/воздух. Осциллограмма процесса распространения зондирующего импульса и отражения его от границ сред показана на рисунке 9.

Экспериментальные исследования показали общую работоспособность разработанного устройства, подтвердили адекватность компьютерной модели. Создан опытный образец устройства контроля и управления технологическими операциями в резервуарном парке, установленный на грузовом судне (танкере) 1М07611212 класса

река-море ООО «ЭМФ «КОНТАКТ-КМ» (г. Астрахань). Устройство внедрено и запущено в опытную эксплуатацию при транспортировке дизельного топлива. Технические характеристики опытного образца устройства приведены в таблице 1. Диапазоны определения объема и массы жидких энергоносителей в резервуаре определяются геометрическими и конструкционными особенностями контролируемых емкостей.

Рисунок 8 - Экспериментальный стенд для исследований распространения импульсов в однородных стационарных средах

Рисунок 9 - Осциллограмма процесса распространения зондирующего импульса прямоугольной формы (¿=2 мкс, А=35 В) и отражения от границ вода-масло и масло-воздух

Акустический датчик Отладочная плата

I

/

У

от границы масло-воздух

1 Зондирующий импульс

Импульс, отраженный

от границы вода-масло /—

/ \

\ \

Таблица 1 - Технические характеристики опытного образца устройства контроля и

управления технологическими операциями в резервуарном парке

Наименование Значение

Количество точек контроля, шт 1 -32

Диапазон рабочих уровней, м 0- 12

Погрешность определения уровня, % 0,5

Диапазон рабочих плотностей, кг/м3 700- 1000

Погрешность определения плотности, % 0,6

Диапазон рабочих температур окружающей среды. °С -40...+40

Диапазон рабочих температур жидкого энергоносителя, °С -20...+40

Погрешность определения температуры. °С 0,3

Погрешность определения массы, % 0,8

Период измерений, сек 10

Диаметр устанавливаемого волновода, мм 0-32

Срок службы, не менее 5 лет

Напряжение питания 220В (50Гц)

Средняя потребляемая мощность, Вт 150

Максимальный пиковый ток 5А (220В)

Проведены испытания опытного образца устройства контроля и управления, в процессе которых проводился контроль количественных и количественных парамет-

ров: уровня, объема, массы, плотности и температуры жидких энергоносителей в резервуаре.

Полученные результаты подтвердили возможность контроля характеристик жидких энергоносителей акустическими методами на основе анализа спектральных характеристик зондирующего и отраженного импульсов. Разработанное устройство позволяет осуществлять контроль качественных и количественных параметров жидких энергоносителей, находящихся в емкостях резервуарных парков, акустическими методами, оптимизировать процессы проведения операций слива-налива, повысить культуру труда и получить экономический эффект.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации предложены методы акустического контроля качественных и количественных показателей жидких энергоносителей в резервуарных парках. Получены следующие результаты.

1 Разработано теоретическое обоснование акустического контроля качественных и количественных показателей жидких энергоносителей, основанное на анализе спектральных плотностей зондирующего и отраженного от контролируемой среды импульсов, а также данных о комплексном коэффициенте отражения и волновом векторе среды распространения импульсов.

2 Разработан метод контроля уровня наполнения резервуара жидким энергоносителем, основанный на определении разности фаз зондирующего и отраженного от контролируемой среды акустических импульсов, с учетом и без учета поглощения контактирующих сред. Метод позволяет осуществлять контроль уровня заполнения резервуара с относительной погрешностью 0,5%.

3 Разработан метод контроля плотности отражающей среды, основанный на определении модуля комплексного коэффициента отражения контактирующих сред и данных качественных показателей среды распространения зондирующих импульсов. Метод позволяет осуществлять контроль плотности контролируемого жидкого энергоносителя с относительной погрешностью 0,6%.

4 Разработана и исследована динамическая компьютерная модель технологических операций слива-налива, включающая математическое описание элементов системы контроля и управления, позволяющая оценить влияние инерционности и нестабильности используемого оборудования на точность расхода жидких энергоносителей. Показано, что при наполнении резервуара объемом 500 м3 нестабильность коэффициентов преобразования акустического датчика, расходомера и насосного агрегата на 1% приводит к абсолютной погрешности налива 9,9 м3.

5 Получены аналитические выражения, позволяющие определить погрешность методов контроля и метрологические требования к исполнительному оборудованию. Показано, что приведенная погрешность определения остаточной массы продукта в резервуаре при составлении калибровочной модели составляет 0,8%.

6 Разработаны алгоритмы, конструкции, экспериментальный стенд и опытный образец устройства контроля и управления технологическими операциями, подтверждающие корректность основных теоретических положений, адекватность полученных математической и компьютерной динамической модели. Разработанный опытный образец устройства внедрен на грузовом судне 1М07611212 класса река-море ООО «ЭМФ «КОНТАКТ-КМ», г. Астрахань, где успешно эксплуатируется в течение

полутора лет. Материалы диссертации используются в учебном процессе СГАУ при курсовом и дипломном проектировании.

Основное содержание диссертации опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК:

1 Скворцов, Б.В. Математическое моделирование и расчет распространения направленных импульсов в однородных поглощающих средах состава / Б.В.Скворцов, И.АЛёзин, А.В.Солнцева // Известия Самарского научного центра РАН - 2011. - Т. 13. - №6-С. 41-47.

2 Солнцева, A.B. Методы повышения точности измерения массы жидкости в резервуаре / А.В.Солнцева, Б.В.Скворцов, С.А.Борминский // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П.Королева (национального исследовательского университета). - 2012. - №7. - С.124-130.

3 Солнцева, A.B. Применение метода совокупно-косвенных измерений массы нефтепродуктов при мониторинге параметров резервуарных парков / А.ЕСолнцева, С.А.Борминский, А.Н.Малышева-Стройкова, Е.А.Силов // Известия Самарского научного центра РАН - 2013. - Т. 15. -№6.~ С. 197-200.

4 Солнцева, A.B. Способ измерения массы наливных грузов в резервуарных парках при решении задач транспортировки и распределения энергоносителей / А.В.Солнцева, С.А.Борминский, Д.И.Блинов, Е.А.Силов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. - №5. - С.314-324.

В монографиях:

5 Борминский, С.А. Методы измерений количественных и качественных характеристик жидких энергоносителей / С.А.Борминский, Б.В.Скворцов, А.В.Солнцева. - Самара: AHO СНЦ РАН, 2012. - 222 с.

Впатентах:

6 Пат. 115886 МПК G01F 1/86. Устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах / Скворцов Б.В., Блинов Д.И., Борминский С.А., Солнцева AR ; заявитель и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм, ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т) (СГАУ).-№2011151843/28; заявл. 19.12.11; опубл. 10.05.12, Бюл.№3.-2с.

7 Пат. 2497085 МПК G01F1/76. Способ измерения массы жидкости в резервуаре / Скворцов Б.В., Борминский С.А., Солнцева AR, Блинов Д.И.; заявитель и патентообладатель ООО "Сенсорные беспроводные системы". - № 2011147442/28, заявл. 22.11.11 ; опубл. 27.10.13, Бюл. №30. - 11 с.

8 Пат. 2506571 МПК G01N 24/00. Способ измерения показателей качества нефтепродуктов / Скворцов Б.В., Скворцов Д.Б., Борминский С.А., Скотников Д.А., Солнцева A.R; заявитель и патентообладатель Самар. гос. аэрокосм, ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т) (СГАУ). - № 2012134386/28, заявл. 10.08.12; опубл. 10.02.14, Бюл. №4. - 7 с.

9 Пат. 141861 МПК G01F 17/00. Устройство управления и контроля приходно-расходными характеристиками резервуарных парков / Скворцов Б.В., Солнцева A.R, Борминский С.А. ; заявитель и патентообладатель СГАУ. - №2014103905/28, заявл. 04.02.14; опубл. 20.06.14, Бюл. №17. - 2 с.

10 Заявка 2014137332 , МПК G 01В 17/00, G 01F 23/28. Элекгронно-акустаческое устройство измерения уровня и плотности / Борминский С.А., Солнцева A.B.; заявитель Борминский С.А., Солнцева A.B., заявл. 16.09.2014.

В других изданиях:

11 Борминский, С. А. Повышение точности акустического метода измерения уровня жидкости / С.А.Борминский, А.В.Солнцева // XIX Всероссийская научно-техническая конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике. Тезисы докладов - С. 233-235.

12 Солнцева, A.B. Методы прецизионных измерений массы жидкости в резервуаре / А.В.Солнцева // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникации». - 2012. - С.114-118.

13 Солнцева, A.B. Совокупно-косвенный способ измерения остаточной массы жидкого товарного продукта, находящегося в резервуаре / А.В.Солнцева // XX Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция: материалы конференции. -Казань: КГТУ, 2013. -T.IV. - С. 532-535.

14 Борминский, С.А. Применение реперных отражателей для акустического метода измерения уровня жидкости / С.А.Борминский, А.В.Солнцева // XX Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция: материалы конференции. -Казань: КГТУ, 2013. - T.IV. - С. 478-480.

15 Борминский, С.А. Обобщенный алгоритм электронно-акустических измерений уровня жидкости в топливных баках / С.А.Борминский, А.В.Солнцева // Сборник трудов Всероссийской молодежной научно-технической конференции «КОСМОС-2012». -2012. - Т.З. - С.130-132.

16 Борминский, С.А. Исследование зависимости импеданса жидких энергоносителей от частоты для задач контроля показателей качества / С.А.Борминский, А.В.Солнцева // Materialy EX mezinärodni vädecko-prakticka konference«MODERNi VYMOZENOSTIV6DY-2013». - 2013. - Dil 76 Technicke vädy. -P. 19-24.

17 Солнцева, A.B. Способ оперативного контроля качественных характеристик жидких углеводородных энергоносителей / А.В.Солнцева, Б.В.Скворцов // Сборник научных трудов II Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в 21 веке». - 213. - С.1382-1386.

18 Солнцева, A.B. Математическое описание импульсных сигналов, отраженных от границы раздела сред / А.В.Солнцева // Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции «XII Королевские чтения». - 2013. - С. 136.

19 Солнцева, A.B. Разработка комплексной системы мониторинга параметров жидких энергоносителей в топливных баках / А.В.Солнцева II Сборник трудов международной молодежной научной конференции «XXI Туполевские чтения (школа молодых ученых)».-2013.

20 Солнцева, A.B. Система управления и контроля приходно-расходными характеристиками резервуарных парков / А.В.Солнцева, СА.Борминский, П.А.Курылёва // Современные техника и технологии: сборник докладов XX Международной юбилейной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - 2014. -C.I41-142.

Подписано в печать 03.10.2014 г.

Объем - 1,0 усл. п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 80.

Формат 60 х 84/16. Бумага ксероксная. Печать оперативная.

Отпечатано с готового оригинал-макета заказчика в типографии ООО «Инсома-пресс» 443080. г. Самара, ул. Санфировой, 110 А: тел.: 222-92-40