автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Ультразвуковая контрольно-измерительная аппаратура на основе волноводной локации

На правах рукописи

Солдатов Алексей Иванович

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА НА ОСНОВЕ ВОЛНОВОДНОЙ ЛОКАЦИИ.

Специальность 05.11.13-

Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТОМСК-1997

Работа выполнена в Томском политехническом университете.

аучные руководители:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Чучалин И.П., кандидат технических наук, доцент Цехановский С.А.

)фициальные оппоненты:

член-корр. РАН ВШ, доктор технических наук, профессор Пуговкин A.B.; кандидат технических наук Лапшин Б.М.

Зедущая организация - Научно-производственное

объединение "Полюс" (г. Томск)

Защита состоится 21 мая 1997г. в 15 часов на засел диссертационного совета Д 063.80.05 в Томском политехниче университете по адресу: 634026, г.Томск, пер. Савиных, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Том политехнического университета по адресу: г.Томск, ул. Белинского, i Автореферат разослан "19" апреля 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.80.05 К.Т.Н., доцент

Винокур«

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность темы. В настоящее время одним из важнейши> 1дов энергоносителей являются нефтепродукты, объединяемые жятием горючесмазочные материалы. Переработка нефти и доставка ! продуктов непосредственным потребителям, как правило, включает их юмежуточное хранение на специализированных объектах, к которым носятся региональные нефтебазы, автозаправочные станции, склады и т..

Важнейшей операцией при транспортировке, хранении и отпуске фтепродуктов является учет их количества в весовых или объемных ¡рах. Наиболее часто количество ГСМ оценивается в единицах объема, я чего широко применяются различные расходомеры, а в статических товиях уровнемеры. Несмотря на то, что уровнемеры достаточно |роко используются в различных отраслях народного хозяйства, их вменение не позволяет решить задачу автоматизации учета и данную с ней задачу внедрения безлюдных технологий. Это связано с зико-химическими особенностями учитываемого продукта, его рокой номенклатурой и особенностями хранения. Специфичность !тролируемой среды заключается в накоплении воды на дне ¡ервуара, изменении плотности за счет испарения легких фракций в »цессе длительного хранения, отложении смол на дне резервуара, |ичия градиента плотности и температуры среды по высоте ервуара, взрывоопасности самой среды, а также большой ленности контролируемых резервуаров от диспетчерского пункта. Все

накладывает специфические требования к измерительным эойствам, предназначенным для работы на АЗС и нефтебазах.

Таким образом актуальным остается разработка и создание -рольно-измерительного комплекса приборов для учета количества

ефтепродуктов, отвечающего требованиям высокой точности еобходимой при выполнении коммерческих олерациР зрывозащищенности и возможности работы в автоматизированных езлюдных технологиях.

1.2. Цель работы. Разработка комплекса ультразвуковых приборо риборов для количественного учета нефтепродуктов, основанных н методе эхо-импульсной локации снизу с волноводным акустически рактом.

1.3. Основными задачами, решаемыми в соответствии юставленной целью, являются:

1. Разработка теоретической модели акустического тракта ь зснове волновода с "геометрической нерегулярностью".

2. Исследование методов эталонирования и разработ! юнструкции эталонного канала.

3. Разработка методов и средств, обеспечивающ! требования взрывозащиты в нормальных и аварийных режимах.

1.4. Научная новизна проведенных исследований заключается разработке математической модели распространения ультразвуков! колебаний по волноводу с жесткими стенками, на основе мним! приемников излучения, и получении теоретических зависимости описывающих распространение УЗ колебаний в волноводах "геометрической нерегулярностью".

1.5. Тезисы выносимые на защиту.

1. Наиболее универсальным уровнемером для контро количества светлых нефтепродуктов является ультразвуковой дополнительным опорным каналом.

2. Расчет ультразвукового волноводного тракта мои производить с использованием математической модели на оснс мнимых приемников излучения.

3. Оптимальным методом коррекции погрешности измерения зязанной с непостоянством скорости распространения УЗК t жтролируемой среде, обусловленную градиентом температуры ИЛ1 ютности, следует считать эталонный канал диагонального типа.

4. Взрывозащита ультразвуковой контрольно-измерительно{ шаратуры по классу искробезопасная цепь возможна путек ггимизации параметров демпфера пъезопреобразователя i ^пользованием электро-акустического тракта с маломощньт ¡нератором и волноводным акустическим каналом.

1.6. Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана конструкция первичного преобразователя < юрным каналом диагонального типа, обеспечивающая измерена эовня светлых нефтепродуктов и уровня подтоварной воды.

2. Разработаны электрические схемы, отвечающие зебованиям взрывозащиты по классу искробезопасная цепь.

3. Разработан комплекс ультразвуковых приборов дл! )Личественного учета светлых нефтепродуктов, способных работать i зтоматизированных системах сбора информации.

1.7. Реализация результатов работы.

1. С участием СКВ "Оптика" изготовлена партия уровнемеро!

ЗУГ-1.

2. Изготовлен и установлен комплект уровнемеров дл? эзервуаров вертикального и горизонтального типа на Томскол эедприятии по обеспечению нефтепродуктами.

3. Осуществлен выпуск партии ультразвуковых уровнемероЕ 13УР" на предприятии НПО "Полюс".

1.8. Апробация работы. Основные положения диссертационное зботы докладывались и обсуждались на I Международной конференцм

Датчики электрических и неэлектрических величин" г.Барнаул, 1993г еждународной конференции "Физические методы и приборк еразрушающего контроля для технической и медицинской диагностики Севастополь 1993г., региональная научно-техническая конференци: эадиотехнические и информационные системы и устройства" г.Томе 994г., II Международная конференция "Датчики электрических i еэлектрических величин" г.Барнаул, 1996г. и на научно-техническое эминаре кафедры ПМЭ ТПУ.

1.9. Публикации. По материалам диссертационной работь публиковано 8 работ.

1.10. Структура и объем диссертации. Диссертационная работ; эстоит из введения, трех глав основного текста, заключения i риложения. Ее содержание изложено на 158 страницах основной ашинописного текста и иллюстрировано 60 рисунками и фотографиями таблицами, перечень используемой литературы из 129 наименований риложения на 15 листах.

В приложении приведены результаты испытаний уровнемеров, акть недрения и акты аттестации на взрывобезопасность.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность разработки приборов дл; зличественного учета нефтепродуктов на всех стадия: эхнологического процесса, сформулированы цели и задач! иссертационной работы, изложены основные положения редставляемые к защите.

В первой главе дана характеристика объекта контроля, особенности го транспортировки, приема, хранения и отпуска. Сформулировань

ребования, предъявляемые к современным средствам количественное чета светлых нефтепродуктов. Проведен обзор существующих метод о: средств измерения уровня, как важнейшей части объемно-весовоп етода учета количества нефтепродуктов сделан вывод о том, что I астоящее время отсутствуют средства измерения уровня, полностьк гвечающие современным требованиям, предъявляемым I зтоматизированным и безлюдным технологиям учета количестве эфтепродуктов.

Наиболее перспективным с точки зрения количественного учетг эфтепродуктов, следует считать ультразвуковой локационный метод с жацией снизу, позволяющий измерить не только нефтепродукты, но ч щтоварную воду, что особенно важно для правильного учета личества нефтепродуктов в каждом резервуаре.

Недостатки, характерные для локационных уровнемеров с жацией снизу, довольно просто устраняются при использовании 'Лноводного акустического тракта. Однако волноводное спространение УЗК имеет свои особенности, учет которых позволяет тимизировать параметры волновода и обеспечить требуемые хнические характеристики измерительных приборов.-

Во второй главе проведен анализ существующих методов расчета /стического поля в волноводе показана сложность применения льшинства из них для волноводов с "геометрической регулярностью" и сделан вывод о возможности применения метода имых приемников, как разновидности метода мнимых изображений, тод заключается в замене реального волновода его математической целью. Рассматривая распространение УЗК в волноводе, можно летить, что на приемник, находящийся в волноводе, воздействует шая волна Р0 и ряд отраженных от стенок волновода волн РиР2.....Р„

¡буждаемых источником УЗК. Так как на приемнике происходит

ложение всех волн давления с учетом амплитуды и фазы, то можн редставить приемник бесконечно большим, а ультразвуковы олебания распространяющимися в бесконечном пространстве. Н юнове этого утверждения было получено выражение для расчет 1кустического поля в круглом волноводе с жесткими стенками:

P{ot) = i е~а ■ , (1)

О

где: As - амплитуда i - волны,

а - коэффициент, учитывающий потери при отражении, i - номер волны,

к - коэффициент, учитывающий добротность приемника, Ф^ - фазовый сдвиг i - волны,

T.D1 í1 ...

— (2)

где: К - длина волны ультразвуковых колебаний, D - диаметр волновода, £0 - расстояние от излучателя до приемника.

В ультразвуковых измерительных приборах реализующ локационный метод измерения полезная информация содержится переднем фронте акустического импульса, являющегося результат« взаимодействия конечного числа волн. Следовательно можно ограничи количество приемников и не учитывать влияние тех из них, которые участвуют в формировании переднего фронта акустического импульса:

"-^-¿nFF1' <з>

где: X - длина волны ультразвуковых колебаний, D - диаметр волновода, £0 - расстояние от излучателя до приемника. Фмх - максимальный фазовый сдвиг. В силу специфических особенностей контролируемой cpej заключающихся в наличии градиента температуры и плотности

>1соте резервуара, необходимо обеспечить непрерывный обмен средь |утри и снаружи волновода. Эта задача решается путем применения юциальной конструкции волновода с продольным пазом по всей длине результате физико-химические свойства контролируемой среды внутри снаружи волновода оказываются одинаковыми. Любые отклонения /1зико-химических свойств среды внутри и снаружи волновода, ¡условленные в основном приемом новой партии нефтепродукта, вольно быстро устраняются вследствие естественной диффузии.

С учетом "геометрической нерегулярности" волновода, ключающейся в наличии продольного паза по всей длине, было лучено выражение для определения давления:

РЫЬ) = Л • + I Л, ■ — • е"в ■ е-*^-^ , (4)

¿-1 2пЛ

где: Д£ - ширина паза,

Л - радиус волновода.

Следует отметить, что выражение (4) получено для случая, когда рмаль приемника совпадает с осью волновода. Всякое отклонение эмали приемника от оси волновода приводит к увеличению разности ¡з на диаметрально противоположных концах приемника, что приводит еобходимости уменьшения размеров приемника (и следовательно, к сличению их общего количества) для обеспечения требований :тоянства фазы принятого сигнала по всей площади приемника, гличение количества приемников, участвующих в формировании стического импульса, прямо пропорционально углу наклона шмника к оси волновода:

М =

2% Я —■ ■ — • зш а О X

максимально допустимый сдвиг фаз между двумя противоположными точками приемника, лежащими на

окружности; л - радиус приемника; а - угол наклона приемника к оси волновода; X - длина волны УЗК.

Наличие градиента температуры и плотности контролируемс

:реды, отмечаемой во многих литературных источниках, приводит

»озникновению погрешности измерения, обусловленной непостоянство

жорости распространения УЗК в контролируемой среде. Коррекция так<

югрешности возможна эталонным каналом фиксированной длины, од|

сонец которого закреплен у дна резервуара, а другой - прикреплен

юплавку. Таким образом обеспечивается прохождение УЗК через в<

:лои контролируемой среды. В идеальном случае длина эталонно

<анала должна быть равна длине измерительного канала. П|

минимальном уровне нефтепродукта в резервуаре, эталонный кан;

займет практически горизонтальное положение, что возможно не д

всех резервуаров. Для оценки величины погрешности при уменьшен

длины эталонного канала было получено выражение, описывающ

характер изменения температуры контролируемой среды в подзема

резервуаре, определен закон изменения скорости распространения У

по всей высоте резервуара:

С1 = С0 + Ъ[ьк - № ■ е~4А) , (6:

где: к - текущий уровень,

Ьк - температура на дне резервуара,

А - разность температур,

Сд - скорость распространения УЗК при 2 О°С,

и получена зависимость времени распространения УЗК в функции контролируемого уровня:

^ , * + (е., о

с с с

где: Н - диапазон измерения,

С1 - скорость распространения УЗК при 20°С. Уменьшение длины эталонного канала приведет к увеличена погрешности измерения, величина которой определяется из выражения

ДЛ = Мо и _ Нг ' , (8)

Т0 I Тх / Т0) где: - длина эталонного канала,

#0 - длина измерительного канала,

Та - время распространения УЗК в измерительном канале,

- время распространения УЗК в эталонном канале. Ьа - определяется из выражения (7). В третьей главе приведены структурные схемы ультразвуковь измерительных приборов с волноводным акустическим тракто предназначенные для работы в автоматизированных системах уче-количества нефтепродуктов.

Ультразвуковой уровнемер для резервуаров горизонтального тиг предназначен для работы на АЗС. Первичный пpeoбpaзoвaтeJ уровнемера представляет собой трехканальную волноводную систем для определения уровня подтоварной воды, уровня нефтепродукта интегральной скорости распространения УЗК по всей толщи* контролируемой среды (эталонный канал диагонального типг Измерение временного интервала между зондирующим и принять акустическими импульсами осуществляет микропроцессорный блок, ( же осуществляет вычисление уровня подтоварной воды и нефтепродукт

Л = Ь + Ьэ ■ Щ- , (9)

■'э

КоДЫ = 4, - ¿э ■ (10)

где: - длина эталонного канала,

Тэ - время распространения УЗК в эталонном канале, Д, - базовое расстояние от дна резервуара до датчика

измерительного канала, Ти - время распространения УЗК в измерительном канале.

Определение объема нефтепродукта осуществляется по щуировочной таблице, прилагаемой к каждому резервуару, в зтветствии с измеренным уровнем нефтепродукта за вычетом пученного объема подтоварной воды. Градуировочная таблица ■юсится в память компьютера.

Особенностью ультразвукового уровнемера для резервуаров этикального типа является использование многосекционной 1струкции первичного преобразователя. Количество секций эеделяется высотой резервуара с учетом того, что длина одной секции ;тавляет Зм. Использование многосекционной конструкции позволило ачительно повысить точность измерения, т.к. каждая секция <репляется на строго фиксированном расстоянии от дна резервуара и щий уровень определяется как сумма двух слагаемых: измеренный эвень в л'-секции и высота установки этой секции:

где: К1 - инверсное состояние измерительного триггера л -секции, ^ - базовое расстояние от л -секции до дна резервуара, Ь± - время распределения УЗК в i -секции, - длина 1 -секции. Другой особенностью уровнемера является принцип алонирования по первой, считая сверху, полностью заполненной кции. Это позволило отказаться от громоздкого эталонирования едой секции практически без потери точности измерения. |ределение эталонной секции и расчет уровня нефтепродукта и дтоварной воды осуществляется встроенной микро - ЭВМ.

(11)

Для определения приведенного объема нефтепродукта необходим! омерение текущей температуры. Это осуществляется с помощьн 1азработанного акустического термометра, первичный преобразовател оторого представляет герметичную волноводную систему, заполненнун абочей жидкостью, с пъезопреобразователем на одном конце I 1тражателем на другом конце волновода.

Определение температуры основано на зависимости скорост!

аспространения УЗК в среде от температуры. При использовани!

рансформаторного масла в качестве рабочей среды было получек

!ыражение для определения температуры:

Т°С = 3,6 9 5 - 104(9,8 3 3 • 10"3 - 1 / т), (12)

где: г - длительность выходного сигнала, измеренная в микросекундах.

Количественный учет нефтепродуктов невозможен бе •пределения плотности. Измерение плотности нефтепродукт; (существляется сочетанием эхо-импульсного и амплитудного методоЕ 1звестно, что акустический импеданс среды определяется и 1ыражения:

г = р ■ с , (13)

где: р - плотность среды;

С - скорость распространения УЗК.

Скорость распространения УЗК определяется эхо-импульсныг ютодом, а акустический импеданс - амплитудным. Первичны реобразователь измерителя плотности представляет собо! |вухканальную волноводную систему. В каждом канале имеете; ъезопреобразователь и отражатель, причем в каждом канал< станавливаются отражатели, имеющие разный акустический импеданс 1лотность нефтепродукта определяется из выражения:

Рх =

Т 22

(14)

где: т- время прохождения импульса упругих колебаний от излучателя до отражателя и обратно, 2- расстояние от излучателя до отражателя,

Я2 - акустические импедансы отражателей в первом \>

тором каналах соответственно,

В =

к,

к,

(15)

- 1

где: Ки К2 - амплитуда принятого сигнала в первом и втором аналах соответственно.

Разработанные ультразвуковые приборы для количественногс чета нефтепродуктов предназначены для работы во взрывоопасны) редах. Обеспечение требований взрывобезопасности обусловилс азработку электронных узлов уровнемера, в частности генератора УЗК а основе искробезопасной цепи. Это достигается за счет ограничена ющности генератора до величины не превышающей минимальнук нергию воспламенения смеси паров бензина с воздухом прь птимальной концентрации. Разделение искробезопасных цепей обычных осуществляется с помощью "неповреждаемого' рансформатора. Кроме генератора УЗК источником воспламенена южет выступать и пъезопреобразователь. Анализ работь ъезопреобразователя в аварийных режимах позволил получит! ыражение для определения энергии, выделяемо! ъезопреобразователем:

1 (5 • е • Ер)

№ =

¿Л

с*2

(16)

2 5

где: Б - площадь пластин конденсатора, равная площади рабочей

поверхности пьезоэлемента, е0 - диэлектрическая постоянная,

е - относительная диэлектрическая проницаемость

пьезокерамики, 5 - толщина пластины пьезоэлемента, р - плотность,

Е - модуль Юнга, Л - пъезоконстанта, Н - высота падения.

Анализ полученного выражения позволяет сделать вывод о тол/ гго демпфер уменьшает величину внешнего воздействия н 1ъезопреобразователь. Степень демпфирования имеет пряму} ависимость от параметров демпфера. Таким образом, оптимизиру: 1араметры демпфера можно обеспечить требования взрывозащить юрвичного преобразователя в аварийных режимах работы.

Ультразвуковые уровнемеры прошли испытания на Томског |редприятии по обеспечению нефтепродуктами и АЗС №32. Приборь юказали высокие эксплуатационные и технические характеристика 1спытания на взрывобезопасность были проведены в ВостНИИ Доведенные испытания показали, что электрические цепи датчик, юляются искробезопасными с уровнем искробезопасности хв дл!

1зрывоопасных смесей категории НВ.

3. Заключение

Основные результаты проведенной работы могут был формулированы в следующем виде:

Проведен анализ особенностей контролируемой среды и определены требования к измерительным приборам, работающим в этих средах. Выполнен аналитический обзор методов и средств измерения уровня жидких сред, показавший, что наиболее перспективным методом измерения уровня жидких сред, удовлетворяющий современным требованиям, является ультразвуковой локационный метод. На основе анализа ультразвуковых локационных уровнемеров установлено, что для обеспечения высокой точности измерения необходимо выполнить акустический тракт уровнемера на основе волновода.

Проведен обзор методов анализа волноводного распространения ультразвуковых колебаний, показавший, что для волноводов с геометрической "нерегулярностью" следует использовать метод мнимых изображений.

На основе метода мнимых изображений получено выражение для определения амплитуды давления для волноводов с геометрической нерегулярностью, в зависимости от параметров волновода и излучателя.

Оптимизируя параметры волновода и излучателя, можно существенно уменьшить неравномерность амплитудно-пространственной характеристики акустического тракта и полностью избавиться от эффекта "замирания".

Определены требования к точности установки пьезопреобразователя в волноводе.

Исследованы метрологические характеристики уровнемера с коррекцией скоростной погрешности эталонным каналом и определены параметры эталонного канала в зависимости от требуемой точности измерения.

. Разработаны схемы ультразвуковых измерителей уровня, способны) работать в автоматизированных системах учета количеств« нефтепродуктов при хранении. . Разработаны схемы ультразвуковых измерителей плотности i

температуры с волноводным акустическим трактом. . Исследованы особенности работы ультразвуковой измерительно! аппаратуры во взрывоопасных средах. Получены аналитически« выражения для определения выделяемой энергт пьезопреобразователем в аварийных режимах.

0. Предложены методика расчета и схемотехнические решения цепе! питания и пъезопреобразователей, отвечающие требования*, взрывозащиты на основе искробезопасной цепи.

1. Испытания экспериментальных и опытных образцов уровнемеров плотномера и термометра в лабораторных и производственны: условиях подтвердили правильность полученных в настоящей работ< результатов.

4, Публикации по теме диссертации

1. Быховец А.Н., Солдатов А.И., Плюснин И.И., Цехановский С.А 1змерительный прибор УЗУ - Г1 для автозаправочных станций i 1нформационный листок № 90-93. - Изд. Томского ЦНТИ, 1993.

2. Солдатов А.И., Цехановский С.А., Фикс И.И. О распространена оротких акустических импульсов в волноводе круглого сечения i <есткими стенками // 13 Международная конференция п< ^разрушающему контролю: тез. докл., Санкт-Петербург, 1993.

3. Солдатов А.И., Цехановский С.А., Фикс И.И. Влияни» 1Ногомодового характера распространения акустической волны i

олноводе на метрологические характеристики измерительной системы / >изические методы и приборы неразрушающего контроля дл? ехнической и медицинской диагностики: тез. докл. научно-мет. конф. ¡евастополь, 1993. - С. 62.

4. Солдатов А.И., Цехановский С.А., Фикс И.И. Моделирование роцессов в ультразвуковом измерительном тракте на основе волноводе ' 2 международная конференция "Датчик - 96": тез. докл., Барнаул, 1996.

5. Солдатов А.И., Цехановский С.А., Фикс И.И. Повышение увствительности первичного преобразователя ультразвуковое ровнемера // Радиотехнические и информационные системы I> стройства: тез. докл. научно-техн. конф., Томск, 1994.

6. Солдатов А.И., Цехановский С.А. Искробезопасный импульсный энератор для возбуждения ультразвукового датчика // Деп. е иблиографическом указателе ВИНИТИ "Депонированные научные аботы", 1993. -№11. -№5138-6.

7. Солдатов А.И., Цехановский С.А., Шакуров О.В 1Бтоматизированная система сбора информации для АЗС / 'адиотехнические и информационные системы и устройства: тез. докл аучно-техн. конф., Томск, 1994.

8. Разработка ультразвукового уровнемера для резервуароЕ ертикального типа. Отчет о НИР / Томский политехи, институт уководитель работы С.А. Цехановский. - № ГР 01890027436. - Томск 990.

и раж 70 экз. Заказ 44.

ипография ТПУ. Томск, лр.Ленина, 30.