Метод комплексного контроля уровня, плотности и вязкости многослойных жидкостей в резервуарах на основе ультразвукового зондирования

DOI: 10.34759/trd-2019-108-12

Авторы

Борминский С. А.

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

e-mail: b80@mail.ru

Аннотация

В статье предлагается акустический метод комплексного контроля параметров многослойных жидкостей, в частности авиационных топлив с возможностью контроля подтоварной воды. Метод основан на распространении ультразвукового сигнала вверх резервуара от излучателя через многослойную среду, при этом над излучателем на известном расстоянии располагается линейка акустических приёмников. Известное расстояние между приёмниками позволяет определить скорость звука в данном слое, далее с учётом скорости звука по времени распространения определяется высота границы сред в резервуаре, вязкость среды определяется по затуханию амплитуды. Данный метод повышает точность и достоверность измерения параметров, а также позволяет отказаться от дополнительного собирающего звук волновода и реперных отражателей, которые обычно используются для высокоточных измерений. Для реализации измерений рассматриваются различные варианты расположения сред относительно акустических приёмников, на основе чего разработан алгоритм обработки сигналов. Комбинация рассмотренных вариантов расположения позволяет получить все необходимые случаи при эксплуатации. Создан макетный образец устройства, который при использовании недорогих компонентов показал погрешности совместного измерения уровня 0,1%, плотности — 5% и вязкости —12%.

Ключевые слова

контроль, уровень, плотность, вязкость, ультразвук, повышение точности

Библиографический список

1. Lucklum F., Jakoby B. Non-contact liquid level measurement with electromagnetic–acoustic resonator sensors // Measurement Science and Technology, 2009, vol. 20, no. 12, pp. 1 – 5.

2. Borminskii S.A., Skvortsov B.V. A method of increasing the accuracy of ele ctronic-acoustic instruments for measuring liquid level // Measurement Techniques, 2006, vol. 49, issue 8, pp. 820 – 824.

3. Tod A. Oblak, Daniel F. Dudek, John R. Smith. Patent 5319972 US, G21C17/035 Ultrasonic liquid level measurement system. Current Assignee Westinghouse Electric Co LLC. – priority applications 19.10.1992.

4. Borminskii S.A., Solntseva А.V., Skvortsov B.V. Integrated acoustic monitoring system for jet fuel tanks // Russian Aeronautics, 2017, vol. 60, issue 1, pp. 110 – 115.

5. Разносчиков В.В., Демская И.А. Математическая модель расчета теплофизических свойств синтетического жидкого топлива // Труды МАИ. 2012. № 50. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=28611

6. Terzic J., Nagarajah C.R., Alamgir M. Fluid level measurement in dynamic environments using a single ultrasonic sensor and Support Vector Machine (SVM) // Sensors and Actuators A: Physical, 2010, vol. 161, no. 1 – 2, pp. 278 – 287.

7. Lawrence С. Lynnworth Ultrasonic measurements for process control, London, Academic Press, 1989, 683 p.

8. Степанов Р.Н., Кожевников И.А. Совершенствование средств мониторинга состояния жидкостных систем воздушных судов по параметрам промышленной чистоты // Труды МАИ. 2018. № 98. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=90234

9. Ballantine D.S., Robert Jr., White S.J., Antonio M., Ricco J., Zellers E.T., Frye G.C., Wohltjen H. Acoustic Wave Sensors — Theory, Design, & Physico-Chemical Applications, London, Academic Press, 1996, 451 p.

10. Skvortsov B.V., Solntseva A.V., Borminskii S.A. Rodionov L.V. Theoretics of Remote Acoustic Monitoring of the Level and Density of Fluid Contacting Media at the Interface // Acoustical Physics, 2016, vol. 62, no. 6, pp. 747 – 753.

11. Бусурин В.И., Медведев В.М., Карабицкий А.С., Гроппа Д.В. Алгоритмы анализа цифровой информации для оптимизации контроля систем управления // Труды МАИ. 2017. № 97. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=87277

12. Borminskii S.A., Parshina A.V., Skvortsov B.V. A method for acoustic measurement of length, diameter and internal condition of transportation pipelines // Journal of Physics Conference Series 1111:012079,·December 2018. DOI: 10.1088/1742-6596/1111/1/012079

13. Nakagawa T., Hyodo A., Osada K., Kurata H., Oho S. Contactless Liquid-Level Measurement With Frequency-Modulated Millimeter Wave Through Opaque Container // Sensors Journal, IEEE, 2012, vol. 13, no. 3, pp. 928 – 933.

14. Солнцева А.В., Борминский С.А., Скворцов Б.В. Способ дистанционного контроля уровня и плотности жидкости в резервуаре. Патент 2614343, G01F 23/296, 05.11.2015.

15. Борминский С.А., Солнцева А.В., Скворцов Б.В. Устройство измерения уровня и плотности нефтепродуктов. Патент 178615, G01F 23/296, 04.04.2017.

16. R. Schaefer, S. von Dosky, W. Ens. Patent US 2016/0320226A1. Determining height of a liquid level interface in a container from acoustic signal or echo time measurement, Assignee: Siemens Industry, INC. – № 14/860,889, publ. 03.11.2016.

17. Webster J., Eren H. The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook (Electrical Engineering Handbook), Florida, CRC Press, 2014, 3559 p.

18. Jyh-Hong Wu, Fang-Pang Lin, Yi-Hao Hsiao, Te-Lin Chung. Patent 8184848B2 US, G06K 9/00, Liquid Level Detection Method, Assignee: National Applied Research Laboratories (TW), № 2010/0322462 A1, 22.05.2012.

19. Duan W, Kirby R., Prisutova J., Horo K. On the use of power reflection ratio and phase change to determine the geometry of a blockage in a pipe // Applied Acoustics, 2015, no. 87, рp. 190 – 197.

20. A.R. da Silva, G.P. Scavone, A. Lefebvre. Sound reflection at the open end of axisymmetric ducts issuing a subsonic meanflow: A numerical study // Journal of Sound and Vibration, 2009, vol. 327, pp. 507 – 528.

21. Иванов С.В., Могилевич Л.И., Попов В.С. Продольные волны в нелинейной цилиндрической оболочке, содержащей вязкую жидкость // Труды МАИ. 2019. № 105. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=104003

22. Dountzev A. Waveguide ultrasonic liquid level transducer for power-generating equipment, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, available at: https://www.hzdr.de/FWS/FWSF/mtws_00/WS4_Duncev.pdf

23. Kupnik M., Krasser E., Groschl M. Absolute transit time detection for ultrasonic gas flowmeters based on time and phase domain characteristics // IEEE Ultrasonic Symposium, 2007, pp. 142 – 145.

24. Liling Ma, Jia Liu, Junzheng Wang. Study of the accuracy of ultrasonic flowmeters for liquid // AASRI Procedia, 2012, no. 3, pp. 14 – 20.

25. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. – М.: Наука, 1984. – 403 с.

Скачать статью