Прецизійні ультразвукові вимірювачі рівня рідини в закритих резервуарах

Jazyk: ruština
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Мікросистеми, Електроніка та Акустика : науково-технічний журнал, 2019, Т. 24, № 1(108)
DOI: 10.20535/2523-4455.2019.24.1.160991
Popis: Розглядаються питання вимірювання рівня рідини в сталевих резервуарах через стінку акустичними методами. При вимірюванні рівня за часом поширення звуку в рідині найкращу точність забезпечує кореляційно-фазовий прийом складних сигналів. Але для вимірювань в сталевих резервуарах такий прийом зазвичай не використовується через спотворення фазової структури сигналу з широкою смугою частот, що проходить через пружну стінку (що має в цій смузі множинні резонанси). Використання в таких випадках кореляційно-фазового прийому можливе при виборі зондувального сигналу, спотворення фазової структури якого при проходженні через стінку будуть малими. Метою роботи є визначення можливостей використання кореляційно-фазового прийому і точності вимірювання рівня, що досягається, за умов різних товщин стінок сталевих резервуарів. Значимість досліджень визначається можливостями багаторазового збільшення точності вимірювань. Розглянуто акустичні методи та пристрої вимірювання рівня, показано перевагу часово-імпульсних (часово-пролітних, TOF) методів перед інтерферометричними та іншими методами при вимірюванні у великих резервуарах. Запропоновано схему розрахунків проходження широкосмугового імпульсного сигналу через пружну стінку (і побудови амплітудно- і фазочастотної характеристик, АЧХ і ФЧХ), що враховує поздовжні і зсувні хвилі товщинних коливань стінки і стоячі хвилі її резонансних коливань по довжині (діаметру), запропоновано спосіб вибору в відповідності до АЧХ і ФЧХ пружної стінки діапазону частот зондувального сигналу, що забезпечує малі спотворення його фазової структури при проходженні через стінку заданої товщини. Отримано оцінки точностей вимірювання швидкості звуку і рівня рідини, що досягаються, в залізничних цистернах. Експериментальні роботи на тонкостінній, 0,8 мм, бочці з використанням сигналів діапазону частот 250-750 кГц, тобто частот менше частоти першого товщинного резонансу дна бочки, підтвердили мале спотворення фазових структур сигналів при їх проходженні через дно і високу ефективність кореляційно-фазового прийому – при відношенні сигнал/шум 0,4 отримана висока точність вимірювання часу, ~0,15 мкс, що відповідає точності вимірювання рівня ~0,1 мм. Для сигналу 250-750 кГц визначено інтервал товщин стінки, 0,3-3,6 мм, при яких ефективність кореляційно-фазового прийому має бути високою, а точність вимірювань рівня – великою. Результати роботи показали, що застосування кореляційно-фазового прийому складних сигналів при вимірюванні рівня рідини через дно тонкостінної сталевої бочки можливо і забезпечує як високу ефективність роботи в умовах шумів, так і високу точність вимірювань. Можна очікувати, що такі ж показники точності і ефективності роботи будуть зберігатися в інтервалі товщин дна, при яких частоти зондувального сигналу будуть менше першої частоти його товщинного резонансу. У випадках великої товщини дна спектр зондувального сигналу може включати області частот між частотами товщинних резонансів. При цьому з'являється можливість використання кореляційно-фазового прийому для вимірювання рівня в резервуарах з широким діапазоном товщин дна. The problems of measuring the fluid level in steel containers through a wall by acoustic methods are considered. When measuring the level by sound propagation time in a fluid in case of an inelastic wall the best accuracy is provided by the correlation-phase reception of compound signals. But for measurements in steel containers, such a technique is usually not used due to phase structure distortions of a signal with a broad frequency bandwidth when transmitting through an elastic wall (having multiple resonances in this band). The use of correlation-phase reception in such cases may be possible by choice a probing signal, a phase structure distortion of which will be small when transmitting through a wall. The aim of the work is to determine the possibilities of using the correlation-phase reception and the achievable accuracy of level measuring in the conditions of different wall thickness of steel containers. The significance of research is determined by the possibilities of a multiple increase in the measuring accuracy. Acoustic methods and level measuring devices are considered; the advantage of time-pulse (time-of-flight, TOF) methods over interferometric (including swept-frequency acoustic interferometry, SFAI) and other measuring methods in large containers is shown. A method of level measuring using the correlation-phase reception of compound signals and a scheme for calculating the broadband impulse signal transmission through an elastic wall (and building the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics) taking into account the longitudinal and shear waves of thickness wall vibrations and standing waves of its resonant vibrations along the length (diameter) are proposed. A method for selecting the probing signal frequency range according to an amplitude-frequency characteristic of elastic wall which provide the low phase structure distortions when transmitting through a wall is suggested. The achievable accuracy estimates of measuring the sound velocity and the fluid level in rail tank wagons are obtained. Experimental works carried out on a thin-walled (0.8 mm) barrel with signals of the frequency range of 250-750 kHz (i.e. frequencies below the first thickness resonance frequency of barrel bottom) are confirmed the small phase structure distortion of signals when transmitting through the bottom and the high efficiency of the correlation-phase reception. With a signal-to-noise ratio of 0.4, a high time measuring accuracy of ~0.15 μs corresponding to a level measuring accuracy of ~0.1 mm is obtained. For signals of frequency range 250-750 kHz the interval of wall thickness is defined as 0.3-3.6 mm at which the efficiency of the correlation-phase reception and the level measuring accuracy should be high. The results showed that the use of correlation-phase reception of compound signals when measuring a fluid level through the bottom of a thin-walled steel barrel is possible and provides both high operating efficiency in the noise conditions and high measuring accuracy. It can be expected that the same accuracy factors and operating efficiency will be kept in a bottom thicknesses range at which the probing signal frequencies will be less than the first bottom thickness resonance frequency. In cases of large bottom thicknesses, if the first bottom thickness resonance frequency is low, the probing signal spectrum may include frequency regions between the thickness resonance frequencies. In this case, it becomes possible to use the correlation-phase reception for the level measuring in containers with a wide range of bottom thicknesses. Рассматриваются вопросы измерения уровня жидкости в стальных резервуарах через стенку. При измерениях уровня по времени распространения сигнала лучшая точность достигается при его корреляционно-фазовом приеме. Но прохождение сигнала через упругую стенку приводит к искажениям его фазовой структуры, что ухудшает корреляционно-фазовый прием. Целью работы является определение возможностей выбора сигналов, искажения фазы которых при прохождении через упругую стенку будут малыми. Предложена схема расчетов прохождения сигнала через упругую стенку (и построения ее амплитудно- и фазочастотных характеристик), учитывающая продольные и сдвиговые волны ее толщинных колебаний и стоячие волны резонансных колебаний по длине (диаметру); предложен способ выбора частот зондирующего сигнала в соответствии с характеристиками стенки. При измерении через тонкое, 0,8 мм, дно при частоте сигнала 250-750 кГц и отношении сигнал/шум 0,4 получена точность времени ~0,15 мкс, соответствующая точности уровня ~0,1 мм. Показано, что такая точность должна обеспечиваться в интервале толщин дна 0,3-3,6 мм.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: