Портативные электронно-акустические устройства измерения уровня жидких сред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Борминский, Сергей Анатольевич

• Борминский, Сергей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Борминский, Сергей Анатольевич

Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ИЗМРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ.

1.1 Классификация устройств измерения уровня жидкости.

1.2. Модификация конструкций акустических УИУЖ.

1.3 Теоретические проблемы построения электронно-акустических УИУЖ и постановка задачи исследований.

Выводы.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА УИУЖ.

2.1 Математическая модель волноводно-акустических методов измерения.

2.2 Анализ влияния материала волновода, формы импульсов и параметров излучателя на условия распространения акустических сигналов.

2.3 Способ электронно-акустического измерения уровня жидкости.

Выводы.

Глава 3. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УИУЖ.

3.1 Основные погрешности УИУЖ.

3.2 Дополнительные погрешности УИУЖ.

Выводы.

Глава 4. КОНСТРУКТИВНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И СХЕМО-.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ УИУЖ.

4.1 Выбор и технические характеристики элементной базы.>. 4.2 Схемотехника УИУЖ.

4.2.1 Установка для электронно-акустических измерений.

4.2.2 УИУЖ «Питон-1».

4.2.3 УИУЖ «Питон-2».

4.2.4 УИУЖ «Питон-3».

4.2.5 Алгоритмы микроконтроллеров.

Выводы.

Глава 5. Экспериментальные исследования и практическое использование электронноакустических УИУЖ.

5.1 Результаты исследований с помощью экспериментальной установки.

5.2 Анализ результатов измерений приборами «Питон».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Портативные электронно-акустические устройства измерения уровня жидких сред»

В настоящее время многие предприятия и организации работают с жидкими веществами - это нефтяная и пищевая промышленности, тепловые сети и различные организации, оказывающие услуги по хранению и обработке жидких веществ. На таких производствах остро стоит вопрос о точном измерении уровня жидкости в резервуаре и передача этой информации вычислительной системе. Классический, способ измерения метроштоком имеет высокую погрешность, низкую оперативность, требует контакта с измеряемой жидкостью, не обеспечивает условий безопасности при работе с углеводородами, ядовитыми и агрессивными жидкостями. Актуальным является использование переносных приборов измерения уровня, особенно при измерениях на большом количестве объектов - в таких случаях использование стационарной аппаратуры неудобно и экономически невыгодно. Существующие переносные уровнемеры не обладают требуемой точностью.

Задача измерения уровня жидкости является актуальной не только на территории промышленных предприятий. Стремление нефтегазовых добывающих компаний точно учитывать запасы нефти и газа в подземных хранилищах заставляет искать новые высокоточные приборные методы измерения уровня в глубоких скважинах. Данные задачи остаются открытыми в области природопользования, где точное и оперативное измерение уровня жидкости в водоёмах позволяет контролировать и прогнозировать экологическую ситуацию.

Перспективным направлением в разработке приборов измерения уровня следует признать низкочастотную акустику. Развитие электронной элементной базы и сигнальной микропроцессорной техники создают широкие возможности для создания высокоточных приборов оперативного контроля уровня жидкости с использованием новых информационных технологий.

Целью работы является повышение точности портативных бесконтактных электронно-акустических устройств измерения уровня жидкости (УИУЖ).

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Создание и исследование математической модели, учитывающей геометрические, технологические и климатические факторы.

2. Исследование температурных и климатических характеристик электронно-акустических УИУЖ, а также погрешностей измерения.

3. Разработка и исследование методов повышения точности и методов коррекции дополнительных погрешностей.

4. Разработка конструкций УИУЖ, а также электронных схем, алгоритмов и программ обработки сигналов, повышения их точности и стабильности.

5. Изготовление и испытание опытных образцов электронно-акустических УИУЖ, внесения прибора в госреестр средств измерений.

В последнее время появился ряд работ, посвященных электронно -акустическим устройствам измерения уровня [21, 23, 25]. Однако они не охватывают весь комплекс проблем, связанных с решением поставленных задач. В частности, недостаточно исследованы вопросы, связанные с отражением акустических сигналов от препятствий и дополнительных отражателей в трубе. Нет исследований по влиянию материала и кривизны трубы на результаты измерений. Мало изучены вопросы влияния климатических условий, внешних шумовых факторов на работоспособность и точностные характеристики электронно-акустических приборов.

Работа основывается на трудах Красильникова В.А., Клюева В.В., Ванштейна Л.А., Горбатова А.А., Рудашевского Г.Е., Скворцова Б.В., Жиганова И.Ю и включает в себя разработку и исследование созданных автором оригинальных конструкций УИУЖ. В работе уделено внимание теоретическому исследованию распространения акустических сигналов в полости волновода и выявлению их зависимости от контролируемых параметров. Наряду с этим рассмотрены информационно - метрологические характеристики УИУЖ, варианты их практического применения, а также способы конкретной реализации устройств.

Диссертация является результатом исследований, проведенных автором в научно-исследовательской лаборатории 'Самарского аэрокосмического университета.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Борминский, Сергей Анатольевич

Основные результаты и выводы

1. , Сравнительный анализ известных и разработанных с участием автора конструкций электронных УИУЖ показал, что на современном уровне развития технологий и элементной базы перспективными являются электронно-акустические устройства, которые позволяют при прочих равных условиях минимизировать габариты и уменьшить цену.

2. Основные пути совершенствования электронных УИУЖ связаны с созданием конструкций, основанных на вычислении и анализе реальных условий распространения акустических сигналов.

3. Время распространения прямого и отраженного акустических импульсов зависит от расстояния до измеряемой границы сред, а также от геометрических параметров волновода, в частности, от формы акустического импульса, диаграммы направленности и чистоты обработки внутренней полости волновода, при этом различные частотные составляющие импульсов распространяются с разной скоростью. На процесс распространения акустических импульсов влияют такие параметры среды, как вязкость, температура, упругость, плотность, теплоемкость.

4. Полное акустическое сопротивление волновода зависит от площади, а также количества реперных отражателей. Разработанная методика позволяет рассчитать акустическое сопротивление всей системы.

5. Основная погрешность время-импульсных приборов измерения уровня жидкости определяется суммарной погрешностью измерения временного интервала между посланным и отраженным импульсами.

6. Дополнительные погрешности УИУЖ в случае использования волновода без реперных отражателей определяются в основном климатическими условиями: температурой, давлением, влажностью, составом газа, в котором производится измерение, и внешними акустическими шумами. Максимальная

149 дополнительная погрешность в. ожидаемых условиях эксплуатации без применения корректирующих устройств составляет 5%.

7. Применение в волноводе дополнительных реперных отражателей, а также комбинированных методов коррекции погрешности, позволяет достичь на практике относительной погрешности измерений 0,05% в диапазоне температур -10 +40 ОС.

8. Использование разработанной методики измерения уровня жидкости позволяет достичь относительной погрешности 0,5% при измерении уровня жидкости в скважине.

9. Созданная переносная акустическая установка позволила изучать акустические сигналы и измерять расстояние до границы сред до 500м. В ходе работ был также создан стенд для проведения испытания уровнемеров.

10. Экспериментальные испытания созданных приборов показали их высокие метрологические характеристики, удобство в эксплуатации, правильность основных теоретических положений, используемых при проектирований. Прибор прошёл государственную метрологическую аттестацию, зарегистрирован в реестре средств измерения №29726-05. В настоящее время эксплуатируется 16 приборов на предприятиях РФ, Украины, Монголии, Франции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Борминский, Сергей Анатольевич, 2006 год

1. Измерения в промышленности: Справ, изд. в 3-х кн. / Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1990.

2. Stegmueller W. Level Technology. Introduction to the product-lines and their physical principles. — Mannheim: Pepperl+Fuchs Kolleg GmbH, 1998.

3. ГОСТ 24802-81. Приборы для измерения уровня жидкости я- сыпучих веществ. М.: Изд-во стандартов, 1981

4. Westers Т. The door to two worlds. Mannheim: Pepperl+Fuchs PA, 2001.

5. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. Патент RU № 2124702. Способ измерения уровня води или жидкости (варианты) и барботажный уровнемер. / Хак Су Чанг опубл. 10.01.1999

7. Жданов А. Сигнализаторы изменения уровня // Современные технологии автоматизации . 2002. №2. С. 6-19.

8. Жданов А. Приборы для измерения уровня // Современные технологииSавтоматизации. 2002. №3. С.6-19.

9. Бармин А. Радарные системы контроля уровня // Современные технологии автоматизации . 2002. №4. С. 60-64.

10. Ю.Тим Литли. Принадлежности и дополнительное оборудование для радарных уровнемеров // Современные технологии автоматизации. 2003. №1. С. 2831.

11. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справ. В .Я. Баринов и др.; Под общ. ред. В.В. Черенкова. Л.: Машиностроение, 1989.

12. Викторов В.А. и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

13. З.Коган И.М. Ближняя радиолокация. М.: Сов. радио, 1973.

14. Супряга Н.П. Радиолокационные средства непрерывного излучения. М.: Военное издательство, .1974.

15. А.С. RU № 2005999. Устройство для измерения уровня жидкости. / Годнев А.Г., Свицын А.А., Суслов В.М. опубл. 15.01.1994.

16. А.С. RU № 2029919. Устройство для измерения уровня жидкости. / Астафьев А.А.; Болдырев М.М.; Ванцов С.В. и др. опубл. 27.02.1995.

17. А.с. SU № 1657960. Устройство для контроля жидких сред.

18. А.С. RU № 2125714. Устройство для измерения уровня жидкости в емкости. / Блашенков Н. М.; Вознесенский А. Э.; Кнатько М. В. опубл. 27.01.1999.

19. А.с. RU № 2125715 Устройство для измерения уровня жидкости. / Борисов А.К.; Кузнецов В.А.; Маркелов И.Н-опубл. 27.01.1999.

20. А.С. RU № 2152595. Бесконтактный импульсно-фазовый способ измерения уровня раздела разнородных жидкостей, а также относительного изменения уровня с повышенной точностью. / Вербицкий В.И.; Калмыков Н.Н.; Калмыков А.Н опубл. 10.07.2000.

21. А.с. RU № 2156962. Способ ультразвукового измерения уровня жидкости. / Калинов Г.А.; Лысаков А.В.; Римлянд В.И. опубл. 27.09.2000.

22. А.с. RU № 2162208. Способ и устройство для измерения уровня потока жидкости в канале. / Вельт И.Д.; Перфильева Л.Д. опубл. 01.20.2001.

23. А.С. RU № 2193164. Устройство для измерения уровня жидкости (варианты). / Балин Н.И.; Демченко А.П. опубл. 20.11.2002.

24. A.C. RU № 2242727. Способ измерения уровня диэлектрической жидкости. / Воропаев В.И.; Свиридов А.И.; Петухов А.Е. и др. опубл. 20.12.2004.

25. А.С. RU № 2253094. Ультразвуковое устройство для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре. / Подгорнов В.А.; Казаков В.Р. опубл. 27.05.2005

26. А.С. RU № 2260776. Способ измерения плотности и уровня жидкости. / Кононов А.Н.; Семенов А.С.; Шестаков A.JI. / опубл. 20.09.2005

27. А.С. SU № 560144. Устройство для измерения уровня жидкости.

28. A.C. USA № 4909080. Ультразвуковой прибор для измерения уровня жидкости в баке.

29. А.С. FR № 2596515. Level Mesurement Systems.

30. А.с. GB№ 2265005. Liquids Behaviour Control Method.31 .A.c. USA № 5471872. Акустический уровнемер жидкости.

31. A.C. ЕР № 845663. Способ измерения уровня жидкости с помощью ультразвукового эхосигнала.

32. А.с. RU № 9102950. Способ и устройство для определения уровня жидкости в резервуарах с использованием акустического волновода.

33. А.С. FR № 2672678. Способ и устройство для измерения уровней.

34. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984.

35. Ванштейн JI.A. Дифракция электромагнитных и звуковых волн на открытом конце волновода. М.: Сов. Радио, 1953. '

36. А.С. RU № 2037141. Способ бесконтактного определения длины волновода и устройство для его осуществления.

37. Справочник по машиностроению. М.: Машиностроение, 1986, 275 с.

38. А.С. SU№ 1763887. Ультразвуковой толщиномер.

39. А.С. SU № 1768940. Способ контроля поперечной разнотолщинности металлической трубы.

40. Дорофеев А.А., Никитин Б.Н., Рубин A.JI. Индукционная толщинометрия. -М.: Энергия, 1978.

41. А.С. SU№ 1781538. Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер.

42. А.С. SU№ 1796885. Толщиномер.

43. Лавров В.В. Измеритель длины труб, нефтяного сортамента Т1ИТ-3 // Приборы и системы управления. 1992. № 8.

44. Кайно Г. Акустические волны.- М.: Мир, 1990.

45. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. М.: Радио и связь, 1987.

46. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов: Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1985.

47. Морозов А.И., Проклов В.В., Станковский Б.А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1981.

48. ГОСТ23270-89. Трубы-заготовки для механической обработки. '

49. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.- М.: Наука, 1974.

50. Вайнштейн JI.A. Распространение импульсов. Успехи физических наук. Т. 118. вып.2. 1976.

51. Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы и средства измерения расстояний в воздушной среде .- М.: Энергия, 1973.

52. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для инженеров и научных работников.- М.: Наука, 1974.

53. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы.- М.: Радио и связь, 1986. .

54. Справочник по радиоизмерительным приборам.- М.: Энергия, 1976.

55. Р.Г. Карпов, Н.Р Карпов. Электрорадиоизмерения.- М.:Высшая школа, 1978.

56. Кикоин И.К. Таблицы физических величин: Справ. М.: Атомиздат, 1976.

57. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике.- М.: Наука, 1982.

58. Сидоров И.Н., Димитров А.А. Микрофоны и телефоны.- М.: Радио и связь, 1993.

59. Бурко В.П., Лямин П.М. Бытовые акустические системы.- Минск.: Беларусь, 1996.

60. А.с. SU № 236034. Электроакустический преобразователь.

61. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.- М.: Мир, 1993.

62. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -Л.: Энергоатомиздат, 1999.

63. Интегральные микросхемы. Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа: Справ. М.: ДОДЭКА, 1996.

64. Интегральные микросхемы. Микросхемы для линейных источников питания и их применение: Справ.- М.: ДОДЭКА, 2003.

65. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Л.: Энергоатомиздат, 1993.

66. Санковский Е.А. Справочное пособие по теории систем автоматического регулирования и управления. Минск.: Высшая школа, 1993.

67. Свидетельство на полезную модель RU № 7492. Электронно-акустическое устройство измерения длины труб.

68. Жиганов И.Ю. Исследование распространения акустических сигналов в трубах // Сборник научных трудов НИИ "Приборостроения". Самара: СГАУ, 1997.

69. А.С. SU № 2052768. Ультразвуковой измеритель расстояния.

70. Свидетельство на полезную модель RU № 53001. Электронно-акустическое устройство измерения уровня жидкости / Борминский С.А., Скворцов Б.В -опубл. 27.04.2006. Бюл. № 12

71. Свидетельство на полезную модель RU № 53002. Электронно-акустическое устройство измерения уровня жидкости7 Борминский С.А., Скворцов Б.В. -опубл. 27.04.2006. Бюл. № 12

72. Свидетельство на полезную модель RU № 52635. Электронно-акустическое устройство измерения уровня жидкости и длины труб / Борминский С.А., Скворцов Б.В опубл. 10.04.2006. Бюл. № 10

73. Свидетельство на полезную модель RU № 54312. Длины труб и уровни жидкости / Борминский С.А., Скворцов Б.В. опубл. 02.06.2006. Бюл. № 17

74. Борминский С.А. Электронно-акустические методы измерения уровня жидкости // Вестник СГАУ, 2006.

75. Борминский С.А. Скворцов Б.В. Повышение точности электронно-акустических устройств измерения уровня жидкости // Измерительная техника. 2006. №8.

76. Скворцов Б.В., Борминский С.А. Теоретические основы волноводно -акустических методов измерения уровня жидкости // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. -2005. Т.8. № 4. С. 75-79.

77. Борминский С.А., Жиганов И.Ю. Алгоритмы микропроцессорных устройств в электронно-акустических измерителях уровня жидкости // Вестник СГАУ. -2006.

78. Борминский С.А. Способ электронно-акустического измерения уровня жидкости // Сборник конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники». Самара, 2006.

79. Свидетельство на полезную модель RU № 48082. Устройство для автоматического управления процессом смешения жидкостей и газов / Борминский С.А., Пендюхов Е.П., Скворцов Б.В опубл. 10.09.2005. Бюл. №25

80. Дорн У. Численные методы решения задач и программирования. —М.: Мир, 1982.

81. Бакаленко В.И., Оробей И.О. Температуная компенсация в акустических измерителях уровня жидкости в скважинах // "Инженерно-фйзический журнал". Т.70. № 1. 1997.

82. Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю. Методы повышения точности электронно-акустических приборов измерения длины труб // Сборник докладов конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем". Пенза, 1998.

83. Жиганов И.Ю. Электронно-акустические устройства измерения длины труб: дис. на соиск. учён. ст. канд. техн. наук Самара, СГАУ, 1999.

84. Лепендин А.С. Общая акустика-М.: Наука, 1973.

85. Братников В.К. Ультразвуковые методы контроля М.: Энергия, 1965.

86. Арганат Б.А. Основы физики и теории ультразвука М.: Высшая школа, 1987.8 9. Ультразвуковые методы исследования дислокаций. Под редакцией Меркулова Л.Г. М.: изд. ин. л-ры, 1963.

87. Мартюшов К.И., Зайцев Ю.В., Тихонов А.И. Методы расчёта резисторов. М.: Энергия, 1971

88. Ермалов И.Н., Гиттис М.Б. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. М.: Машиностроение, 1986.

89. Сергеев А.Г. Метрология. М.: Логос, 2004 . >