RU2249186C1

RU2249186C1 - Resonance acoustical level meter

Info

Publication number: RU2249186C1
Application number: RU2003124035/28A
Authority: RU
Inventors: С.П. Боровлев (RU); С.П. Боровлев; Е.Б. Волков (RU); Е.Б. Волков; Н.А. Дубровский (RU); Н.А. Дубровский; А.П. Потапов (RU); А.П. Потапов; Ю.В. Семенов (RU); Ю.В. Семенов
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии "МИНАТОМ РФ"
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-03-27
Also published as: RU2003124035A

Abstract

FIELD: measuring engineering.

SUBSTANCE: level meter comprises measuring pipe, electroacoustical converter, noise signal generator, two microphone, amplifier, analogue-digital converter, first Fourier transform circuit, logarithmic-computing unit, second Fourier transform circuit, fluid level computing unit whose output is connected with the fluid level indicator. The level meter additionally includes analogue signal commutator and unit for extracting two maximums of the kernel function. The both of the microphones are arranged along the measuring pipe at a given distance from each other and are connected with the inputs of the analogue signal commutator. The output of the second Fourier transform circuit is connected with the input of the unit for extracting two maximums of the kernel function, whose output is connected to the input of the fluid level computing unit, and the amplifier is provided with the AGC circuit.

EFFECT: enhanced noise immunity and reliability.

1 dwg

Description

Предлагаемое устройство предназначено для автоматического дистанционного измерения уровней жидкостей различных типов в производственных и транспортных емкостях и может быть использовано везде, где есть резервуары с жидкостью, в частности в нефтехимической, химической, горнодобывающей и пищевой отраслях промышленности, в автомобильном, железнодорожном, водном (морском и речном) транспорте, в сельском хозяйстве и в системах водоснабжения и канализации. Резонансный акустический уровнемер содержит измерительную трубу, один электроакустический преобразователь, подключенный к генератору шумового сигнала, два микрофона, один коммутатор аналоговых сигналов, один усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), подключенный к выходу микрофона, один аналого-цифровой преобразователь, блок первого преобразования Фурье, блок логарифмирования, блок второго преобразования Фурье, блок выделения двух максимумов функции кепстра, к выходу которого подключен блок вычисления уровня жидкости, а к его выходу подключен индикатор уровня жидкости. Повышена точность и оперативность измерения уровня жидкости за счет исключения влияния изменения скорости звука на результат измерений.The proposed device is intended for automatic remote measurement of the levels of liquids of various types in production and transport tanks and can be used wherever there are tanks with liquid, in particular in the petrochemical, chemical, mining and food industries, in the automotive, railway, water (marine and river) transport, in agriculture and in water supply and sewage systems. The resonant acoustic level gauge contains a measuring tube, one electro-acoustic transducer connected to a noise generator, two microphones, one analog signal switcher, one amplifier with automatic gain control (AGC), connected to the microphone output, one analog-to-digital converter, and the first Fourier transform unit , a logarithm unit, a second Fourier transform unit, a unit for extracting two maxima of the cepstrum function, to the output of which a liquid level calculation unit is connected , and a liquid level indicator is connected to its output. Improved accuracy and efficiency of measuring the liquid level by eliminating the influence of changes in the speed of sound on the measurement result.

Известен акустический уровнемер (а.с. СССР N 821939, G 01 Р 23/28), содержащий измерительный и эталонный датчики, каждый из которых состоит из блока возбуждения зондирующих импульсов, усилителя, излучателя и микрофона, включенных в схему автоциркуляции, трубы эталонного датчика, снабженной фиксированным отражателем, трубы измерительного датчика, блока синхронизации, включенного между входом усилителя эталонного акустического датчика и блоком возбуждения зондирующих импульсов этого датчика. Недостатком этого уровнемера является чувствительность к акустическим шумовым помехам, снижающим точность измерений вплоть до полной потери работоспособности уровнемера в шумных помещениях. Другим недостатком уровнемера можно считать ограничение точности измерений, обусловленное импульсным характером процесса измерений, для которого характерно малое время накопления информации.A known acoustic level meter (AS USSR N 821939, G 01 P 23/28), containing measuring and reference sensors, each of which consists of a probe pulse excitation unit, an amplifier, a radiator and a microphone, included in the autocirculation circuit, pipes of the reference sensor equipped with a fixed reflector, tubes of the measuring sensor, synchronization unit connected between the input of the amplifier of the reference acoustic sensor and the excitation unit of the probe pulses of this sensor. The disadvantage of this level gauge is its sensitivity to acoustic noise interference, which reduces the accuracy of measurements up to a complete loss of the level gauge’s performance in noisy rooms. Another disadvantage of the level gauge can be considered a limitation of the accuracy of measurements, due to the pulsed nature of the measurement process, which is characterized by a short accumulation time.

Наиболее близким к предлагаемому резонансному уровнемеру по технической сущности является акустический уровнемер (RU 2132542 С1), содержащий измерительную и компенсационную трубы, два электроакустических преобразователя, подключенных к генератору шумового сигнала, два микрофона, последовательно соединенные два предварительных усилителя, подключенные к выходам микрофонов, два аналого-цифровых преобразователя, два блока первого преобразования Фурье, два блока логарифмирования, два блока второго преобразования Фурье, два блока выделения максимума функции кепстра, к выходам которых подключен блок вычисления уровня жидкости, а к его выходу подключен индикатор уровня жидкости.The closest to the proposed resonant level gauge in technical essence is an acoustic level gauge (RU 2132542 C1) containing measuring and compensation pipes, two electro-acoustic transducers connected to a noise signal generator, two microphones, two pre-amplifiers connected in series, connected to the microphone outputs, two analog -digital converter, two blocks of the first Fourier transform, two blocks of the logarithm, two blocks of the second Fourier transform, two blocks of allocation m the maximum of the function of the cepstrum, to the outputs of which a unit for calculating the liquid level is connected, and a liquid level indicator is connected to its output.

Недостатком этого уровнемера является то, что в объеме, где производятся измерения, в различных производственных процессах температура и влажность могут распределятся по высоте неравномерно. Обычно длина компенсационной трубы выбирается равной 1-му метру, а длина измерительной трубы может составлять от 5 до 15 м. Это означает, что компенсационная и измерительная трубы могут находиться в разных условиях, а следовательно, скорость звука в них будут различны, что приводит к возникновению дополнительной погрешности. Например, в емкостях с топливным мазутом, для его разжижения, мазут нагревают снизу до температуры примерно 70 градусов. Длина измерительной трубы равна 12 м. Разность температуры между нижней и верхней поверхностью емкости составляет 30-40 градусов в зависимости от внешних условий.The disadvantage of this level gauge is that in the volume where measurements are made, in various production processes, temperature and humidity can be unevenly distributed over the height. Usually, the length of the compensation pipe is chosen equal to 1 meter, and the length of the measuring pipe can be from 5 to 15 m. This means that the compensation and measuring pipes can be in different conditions, and therefore, the speed of sound in them will be different, which leads to occurrence of additional error. For example, in tanks with fuel oil, to dilute it, the fuel oil is heated from below to a temperature of about 70 degrees. The length of the measuring tube is 12 m. The temperature difference between the lower and upper surface of the tank is 30-40 degrees, depending on external conditions.

Целью настоящего решения является исключение влияния различий газовой среды в измерительном и компенсационном объемах и, как следствие, разной скорости звука, на результат измерения, а также повышение помехоустойчивости и надежности измерений уровня жидкости, что позволит использовать резонансный уровнемер в шумных помещениях и при быстром изменении уровня жидкости в контролируемом резервуаре.The purpose of this solution is to eliminate the influence of differences in the gaseous medium in the measuring and compensation volumes and, as a result, different sound speeds on the measurement result, as well as improving the noise immunity and reliability of liquid level measurements, which will allow using a resonant level meter in noisy rooms and with rapid level changes liquids in a controlled reservoir.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемую конструкцию уровнемера введены коммутатор аналоговых сигналов и блок выделения двух максимумов функции кепстра, причем оба микрофона расположены вдоль измерительной трубы на фиксированном раcстоянии друг от друга и соединены со входами коммутатора аналоговых сигналов, выход блока второго преобразования Фурье соединен с входом блока выделения двух максимумов функции кепстра, выход которого соединен со входом блока вычисления уровня жидкости, а усилитель снабжен АРУ.This goal is achieved by the fact that the analogue signal commutator and the block of extraction of two maxima of the cepstrum function are introduced into the proposed level gauge design, both microphones located along the measuring tube at a fixed distance from each other and connected to the inputs of the analogue signal commutator, the output of the second Fourier transform unit is connected to the input of the block for extracting two maxima of the cepstrum function, the output of which is connected to the input of the block for calculating the liquid level, and the amplifier is equipped with AGC.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где представлена структурная схема резонансного акустического уровнемера, где 1 - контролируемый резервуар, 2 - контролируемая жидкость, 3 - измерительная труба, 4 - электроакустический преобразователь, 5 - генератор шумового электрического сигнала, 6 - первый микрофон, 7 - второй микрофон, 8 коммутатор аналогового сигнала, 9 - усилитель с АРУ, 10 - аналого-цифровой преобразователь, 11 - блок первого преобразования Фурье, 12 - блок логарифмирования, 13 - блок второго преобразования Фурье, 14 - блок выделения двух максимумов функции кепстра, 15 - блок вычисления уровня жидкости, 16 - индикатор уровня жидкости. При этом электроакустический преобразователь 4 подключен к выходу генератора шумового электрического сигнала 5, к выходу микрофонов 6 и 7 подключены входы коммутатора аналоговых сигналов 8, выход коммутатора подключен к входу усилителя 9 к выходу которого подключен вход аналого-цифрового преобразователя 10, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу блока первого преобразования Фурье 11, вход блока логарифмирования 12 подключен к выходу блока первого преобразования Фурье 11, вход блока второго преобразования Фурье 13 подключен к выходу блока логарифмирования 12 вход блока выделения двух максимумов функции кепстра 14 подключен к выходу блока второго преобразования Фурье 13, вход блока вычисления уровня жидкости 15 подключен к выходу блока выделения двух максимумов функции кепстра 14, а вход индикатора уровня жидкости 16 подключен к выходу блока вычисления уровня жидкости.The proposed device is illustrated in the drawing, which shows a structural diagram of a resonant acoustic level gauge, where 1 is a controlled reservoir, 2 is a controlled liquid, 3 is a measuring tube, 4 is an electro-acoustic transducer, 5 is a noise electric signal generator, 6 is a first microphone, 7 is a second microphone 8, an analog signal switch, 9 - an amplifier with AGC, 10 - an analog-to-digital converter, 11 - a block of the first Fourier transform, 12 - a block of a logarithm, 13 - a block of a second Fourier transform, 14 - a block of selection of two x cepstrum function maxima 15 - liquid level calculation unit, 16 - the liquid level indicator. In this case, the electro-acoustic transducer 4 is connected to the output of the noise electric signal generator 5, the inputs of the analogue signal switch 8 are connected to the output of the microphones 6, the output of the switch is connected to the input of the amplifier 9, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital converter 10, and the output of the analog-to-digital converter connected to the input of the block of the first Fourier transform 11, the input of the block of the logarithm 12 is connected to the output of the block of the first Fourier transform 11, the input of the block of the second Fourier transform 13 n to the output of the logarithm unit 12, the input of the block for extracting two maxima of the cepstrum function 14 is connected to the output of the block of the second Fourier transform 13, the input of the block for calculating the liquid level 15 is connected to the output of the block for extracting two maxima of the function cepstrum 14, and the input of the indicator of the liquid level 16 is connected to the output of the block fluid level calculations.

Работа устройства основана на том, что широкополосный шумовой акустический сигнал, излучаемый преобразователем 4, возбуждает в трубе 2 стоячие волны (резонансы) на частотах соответствующих длинам волн, кратно располагающихся в воздушной зоне трубы. Используя функцию кепстра, можно определить частоту звука, соответствующую этим стоячим волнам в любой точке воздушной зоны трубы. Расположив микрофоны 6 и 7 на точно измеренном расстоянии друг от друга h (см. чертеж), получаем два максимума функции кепстра. Первый максимум соответствует расстоянию от микрофона 6 до уровня жидкости К1, а второй расстоянию микрофона 7 до уровня жидкости К2. Частота первого максимума f1=C/2K1, второго f2=C/2K2. Используя эти частоты, выражаем C/2=f1·f2/(f1-f2) и вычисляем уровень жидкости:The operation of the device is based on the fact that the broadband noise acoustic signal emitted by the transducer 4 excites standing waves (resonances) in the pipe 2 at frequencies corresponding to wavelengths that are multiple in the air zone of the pipe. Using the cepstrum function, it is possible to determine the frequency of sound corresponding to these standing waves at any point in the air zone of the pipe. Having placed microphones 6 and 7 at precisely measured distance h from each other (see the drawing), we obtain two maxima of the cepstrum function. The first maximum corresponds to the distance from the microphone 6 to the liquid level K1, and the second to the distance of the microphone 7 to the liquid level K2. The frequency of the first maximum is f1 = C / 2K1, the second f2 = C / 2K2. Using these frequencies, we express C / 2 = f1 · f2 / (f1-f2) and calculate the liquid level:

M=N-h·f1/(f1-f2)M = N-hf1 / (f1-f2)

Поскольку спектр посторонних шумов лежит в том же диапазоне частоты, что и полезный шумовой сигнал, поэтому помехи не ухудшают точности измерений, а возбуждают в трубах резонансы на тех же частотах, что и полезный сигнал. Допустимая интенсивность помех ограничивается только динамическим диапазоном микрофона и усилителя. Так как в качестве усилителя применена схема с автоматической регулировкой усиления, то динамический диапазон может быть более 120 децибел. Усилитель позволяет передавать сигнал по линии связи на расстояние до нескольких километров и проводить измерения уровня жидкости дистанционно.Since the spectrum of extraneous noise lies in the same frequency range as the useful noise signal, therefore, the interference does not impair the measurement accuracy, but excites resonances in the pipes at the same frequencies as the useful signal. Allowable interference intensity is limited only by the dynamic range of the microphone and amplifier. Since an amplifier with automatic gain control is used as an amplifier, the dynamic range can be more than 120 decibels. The amplifier allows you to transmit a signal over a communication line at a distance of several kilometers and to measure liquid level remotely.

Так как в предлагаемой конструкции уровнемера отсутствует калибровочная труба и оба микрофона находятся в измерительной трубе на расстоянии 100 мм, то состояние газовой среды одинаково для них обоих, а компенсация изменения скорости звука осуществляется путем учета изменения положения второго максимума функции кепстра относительно первого. Повышение помехоустойчивости достигается за счет применения усителя с АРУ, что позволяет иметь динамический более чем 120 дБ. Надежность устройства повышается за счет уменьшения количества применяемых элементов, что снижает вероятность отказов.Since the proposed construction of the level gauge does not have a calibration tube and both microphones are located in the measuring tube at a distance of 100 mm, the state of the gas medium is the same for both of them, and the change in the speed of sound is compensated by taking into account the change in the position of the second maximum of the cepstrum function relative to the first. Increased noise immunity is achieved through the use of an amplifier with AGC, which allows you to have a dynamic of more than 120 dB. The reliability of the device is increased by reducing the number of elements used, which reduces the likelihood of failures.

Электроакустический преобразователь и микрофон не контактируют с контролируемой жидкостью, а трубы можно выполнить из химически стойких и термостойких материалов (нержавеющей стали, стекла, керамики), благодаря чему резонансный акустический уровнемер пригоден для контроля уровней любых жидкостей, в том числе низко- и высокотемпературных, химически-агрессивных, пожаро- и взрывоопасных и других, что обеспечивает ему широкое поле применения.The electro-acoustic transducer and microphone do not come into contact with the controlled fluid, and the pipes can be made of chemically resistant and heat-resistant materials (stainless steel, glass, ceramics), so that the resonant acoustic level gauge is suitable for monitoring the levels of any liquids, including low and high temperature, chemically -aggressive, fire- and explosive and others, which provides him with a wide field of application.

При испытаниях опытных образцов резонансного акустического уровнемера при интервалах между замерами 0,7...1 сек точность измерений уровня жидкости составляла около 1 мм или 0,1% при уровнях помех 40...120 дБ. Для сравнения укажем, что серийный отечественный акустический датчик уровня эхолокационного типа ЭХО-5 обеспечивает точность измерений 0,5...2,5% при интервалах между замерами порядка 10 сек, сохраняя работоспособность при уровне шумовых помех не выше 80 дБ.When testing prototypes of a resonant acoustic level gauge at intervals between measurements of 0.7 ... 1 sec, the accuracy of measuring the liquid level was about 1 mm or 0.1% at interference levels of 40 ... 120 dB. For comparison, we indicate that the serial domestic acoustic level sensor of the echo-location type ECHO-5 provides a measurement accuracy of 0.5 ... 2.5% at intervals between measurements of about 10 seconds, while maintaining operability with a noise level of no higher than 80 dB.

Claims

A resonant acoustic level gauge containing a measuring tube, an electro-acoustic transducer, a noise generator, two microphones, an amplifier connected in series, an analog-to-digital transducer, a first Fourier transform unit, a logarithm unit, a second Fourier transform unit, a liquid level calculation unit, and an indicator connected to its output liquid level, characterized in that an analog signal commutator and a block for extracting two maxima of the cepstrum function are introduced into it, both micro The background is located along the measuring tube at a fixed distance from each other and connected to the inputs of the analog signal switch, the output of the second Fourier transform unit is connected to the input of the block of extraction of two maxima of the cepstrum function, the output of which is connected to the input of the liquid level calculation unit, and the amplifier is equipped with AGC.