Измерение уровня жидкости через дно тонкостенной бочки

Внедрение: 2019 г.

В статье [1] рассматриваются вопросы измерения уровня жидкости в стальных резервуарах через стенку. 

Экспериментальные работы проводились на стальной бочке объемом 216 л, заполненной водой (рисунок 1). Приемоизлучающие пьезоакустические преобразователи (3) – V101‑RB, их частотная характеристика приведена на рисунке 2, генератор (4) – двухканальный цифровой генератор сигналов произвольной формы AG2052F, усилитель мощности (5) – APEX PA107DP. Диодный коммутатор (6) с парой проходных и парой шунтирующих диодов, в качестве АЦП (7) использовался модуль E20‑10. Первый канал генератора (4) обеспечивал формирование зондирующего сигнала и работал в импульсном режиме, второй канал обеспечивал формирование шумов и помех и работал в непрерывном режиме. Отраженные от поверхности сигналы через коммутатор (6) и АЦП (7) поступали в ноутбук (8), где производилась их запись и последующая обработка. 

Рисунок 1. Схема эксперимента: 1 – бочка; 2 – жидкость; 3 – преобразователи; 4 – генератор сигналов; 5 – усилитель мощности; 6 – диодный коммутатор; 7 – АЦП E20‑10; 8 – ноутбук.	Рисунок 2. Частотная характеристика преобразователя.

При проведении работ по измерению уровня жидкости использовались два сигнала, S₁ и S₂. Сигнал S₁ – это ЛЧМ‑сигнал длительностью T_c=204,8 мкс с изменением частоты от f_н=270 кГц до f_в=730 кГц, значением полосы частот F_c=460 кГц и постоянной амплитудой (рисунок 3а). При прохождении такого сигнала через дно бочки и жидкость (по два раза) принимаемый сигнал (первый отраженный) характеризовался большими изменениями уровня (рисунок 3в). Такие изменения уровня определяются амплитудно-частотной характеристикой приемоизлучающего преобразователя (рисунок 2) и частотной зависимостью ослабления звука при прохождении через стальную стенку. 

Рисунок 3. Излучаемые и принимаемые сигналы: S₁ (а, в), S₂ (б, г).

Авторы отмечают, что для улучшения корреляционных свойств принимаемого сигнала необходимо уменьшить изменения его уровня. Для этого излучаемый сигнал должен иметь изменяющуюся амплитуду. Таковым является второй сигнал: S₂ – тоже ЛЧМ‑сигнал с изменением частоты от f_н=250 кГц до f_в=750 кГц и длительностью T_c=200 мкс (рисунок 3б). Подъем уровня излучаемого сигнала на высоких частотах позволил уменьшить изменения уровня принимаемого сигнала (рисунок 3г). 

Примеры принятых сигналов S₂ при различных соотношениях сигнал/шум (ОСШ) показаны на рисунках 4‑5.

Рисунок 4. Прием сигнала S₂ в отсутствие шумов.

Рисунок 5. Прием сигнала S₂ в присутствии белого шума: ОСШ=1,6 – слева; ОСШ=0,48 – справа.

Эксперименты на тонкостенной, 0,8 мм, бочке при использовании ЛЧМ‑сигналов частот f_с=250-750 кГц подтвердили малые искажения фазовых структур сигналов при их прохождении через дно и высокую эффективность корреляционно-фазового приема; при отношении сигнал/шум 0,4 получена точность измерения времени ~0,15 мкс, соответствующая точности измерения уровня ~0,1 мм.

Источник:

Богушевич В.К., Замаренова Л.Н., Котов Г.М., Скипа М.И. Прецизионные ультразвуковые измерители уровня жидкости в закрытых резервуарах // MicrosystElectronAcoust, 2019, vol. 24, no. 1, pp. 61‑71. DOI: 10.20535/2523-4455.2019.24.1.160991

Разработчик: Богушевич В.К., Замаренова Л.Н., Котов Г.М., Скипа М.И. (ГУ Отделение гидроакустики Института геофизики НАН Украины, г. Одесса)