RU2089859C1 - Method determining physical parameters of gas and liquid systems and gear for its realization - Google Patents

Abstract

FIELD: testing parameters of gas and liquid system. SUBSTANCE: method lies in recording of acoustic vibrations inside resonance tube partially dipped into liquid, in their conversion to electric signal, in generation of spectral characteristic of this signal, in determination of frequency of appearance of resonance peaks in spectrum, in generation of information on level of liquid, on temperature of gas and liquid system, molecular weight and composition of gas in system. Formula of invention carries description of gear for realization of method. EFFECT: improved authenticity of method and gear. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение может быть реализовано для контроля физических параметров газожидкостных систем в различных областях техники: в гидравлики, нефтяной и химической промышленности, медицине, в области морского и нефтеналивного транспорта и др. и используется, в частности, для определения резонансным методом таких физических параметров газожидкостных систем, как уровень жидкости в сосудах и водоемах, температура жидкости и газа, состав и молекулярный вес бинарных смесей газов и др. The invention can be implemented to control the physical parameters of gas-liquid systems in various fields of technology: in hydraulics, the oil and chemical industries, medicine, in the field of sea and oil transport, etc. and is used, in particular, to determine the physical parameters of gas-liquid systems by the resonance method, as the liquid level in vessels and reservoirs, the temperature of the liquid and gas, the composition and molecular weight of binary mixtures of gases, etc.

Широко известны резонансные способы определения параметров жидкости, например способ определения силы давления текучей среды по патенту Великобритания N 1600883 (G 01 L, 9/00), когда твердый элемент, способный к механическому резонансу, помещают в находящуюся под давлением среду и возбуждают до резонансного состояния. Для изготовления этого элемента выбирают материал, резонансная частота которого изменяется в зависимости от изменения давления. Таким образом, регистрируя значение резонансной частоты по известным зависимостям определяют силу давления. Resonant methods for determining the parameters of a liquid are widely known, for example, the method for determining the pressure force of a fluid according to UK patent N 1600883 (G 01 L, 9/00), when a solid element capable of mechanical resonance is placed in a pressurized medium and excited to a resonant state . For the manufacture of this element, a material is selected whose resonant frequency varies with pressure. Thus, by recording the value of the resonant frequency, the pressure force is determined from the known dependencies.

Известен, например, способ определения температуры с применением акустических резонаторов по патенту США N 4233843 (G 01 K 11/26), заключающийся в том, что в жидкую среду помещают термочувствительный резонатор имеющий по крайней мере две моды колебаний с первой и второй резонансными частотами; эти частоты пропорциональны температуре, а разность между первой и второй резонансными частотами постоянна; при этом измерение разности первой и второй резонансной частот с последующим сравнением ее с указанной выше дает возможность оценить наличие ложного сигнала, а по одной из измеренной частот по известным формулам определяют температуру жидкости. For example, there is a known method for determining the temperature using acoustic resonators according to US Pat. No. 4,233,843 (G 01 K 11/26), which consists in placing a thermosensitive resonator having at least two vibration modes with first and second resonant frequencies in a liquid medium; these frequencies are proportional to temperature, and the difference between the first and second resonant frequencies is constant; wherein the measurement of the difference between the first and second resonant frequencies with its subsequent comparison with the above makes it possible to assess the presence of a false signal, and one of the measured frequencies using known formulas determine the temperature of the liquid.

Известен, например, способ измерения плотности загрязненной текучей среды с помощью резонаторов, причем резонансная измеряемая частота зависит от плотности загрязнения, т.е. по частоте по известным зависимостям определяют плотность. For example, a method for measuring the density of a contaminated fluid by means of resonators is known, the resonant measured frequency being dependent on the density of contamination, i.e. the frequency of the known dependencies determine the density.

Недостатками указанных способов являются низкая точность, т.к. их реализация зависит от добротности аппаратуры для минимизации ширины резонансного пика; кроме того, велико время измерения, т.к. уменьшение ширины резонансного импульса требует увеличения времени проведения однократного измерения; трудности настройки на резонансную частоту при измерении ее в широких пределах, например при определении уровня жидкости, ограничивает область функционального применения выше указанных способов. The disadvantages of these methods are low accuracy, because their implementation depends on the quality factor of the equipment to minimize the width of the resonant peak; in addition, the measurement time is long, because reducing the width of the resonant pulse requires an increase in the time for a single measurement; the difficulty of tuning to the resonant frequency when measuring it over a wide range, for example, when determining the liquid level, limits the scope of the functional application of the above methods.

Известен также способ определения параметров жидкости, таких как уровень, температура, состав и молекулярный вес, заключающийся в том, что трубчатый резонатор заполняют газом и приводят в термодинамическое равновесие с контролируемой чредой, возбуждают в газовом столбе внутри резонатора вынужденные акустические колебания синусоидальной формы, настраивают частоту колебаний на характерную точку частотой характеристики резонатора, определяют частоту или период этих колебаний и по ним судят о температуре, уровне, составе и молекулярном весе контролируемой среды [2]
Недостатками способа являются неудовлетворительная точность, которая лимитируется добротностью резонатора; достаточно большое время измерения, т.к. необходимо настраиваться на характерную частоту; низкая помехоустойчивость, т.к. случайный резонансный сигнал воспринимается как полезный.There is also known a method for determining liquid parameters, such as level, temperature, composition and molecular weight, which consists in the fact that the tubular resonator is filled with gas and brought into thermodynamic equilibrium with a controlled sequence, stimulated sinusoidal acoustic oscillations in the gas column inside the resonator, adjust the frequency oscillations at a characteristic point by the frequency of the characteristics of the resonator, determine the frequency or period of these oscillations and from them judge the temperature, level, composition and molecular weight controlled environment [2]
The disadvantages of the method are unsatisfactory accuracy, which is limited by the quality factor of the resonator; quite a long measurement time, because it is necessary to tune to a characteristic frequency; low noise immunity, as random resonant signal is perceived as useful.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности, уменьшение времени измерения, повышение помехоустойчивости. The technical result of the invention is to increase accuracy, reduce measurement time, increase noise immunity.

Данный технический результат достигается тем, что в способе определения физических параметров газожидкостных систем, заключающемся в регистрации акустических колебаний внутри резонансной трубки, частично погруженной в контролируемую жидкость, преобразования их в электрический сигнал и получении информации об уровне жидкости, температуре газожидкостной системы, молекулярном весе и составе газа, после преобразования акустических колебаний в электрический сигнал получают спектральную характеристику этого сигнала, определяют частоту следования резонансных пиков в спектре T и рассчитывают физические параметры газожидкостной системы исходя из соотношений

где T частота следования резонансных пиков в спектре, с;
C скорость звука в жидкости или газе, м/с;
L уровень жидкости, м;
θ температура газа и жидкости, K;
M молекулярный вес газовой смеси;
R_ун универсальная газовая постоянная, Дж/моль•град;
K const=C_p\C_v, C_p теплоемкость газа при постоянном давлении; C_v теплоемкость газа при постоянном объеме;
M₁ и M₂ молекулярный вес газовых компонент в бинарной смеси.This technical result is achieved in that in a method for determining the physical parameters of gas-liquid systems, which consists in recording acoustic oscillations inside a resonant tube partially immersed in a controlled liquid, converting them into an electrical signal and obtaining information about the liquid level, temperature of the gas-liquid system, molecular weight and composition gas, after the conversion of acoustic vibrations into an electrical signal, the spectral characteristic of this signal is obtained, the frequencies following the resonance peaks in the spectrum of T and calculate the physical parameters of the gas-liquid system based on the relations

where T is the frequency of the resonance peaks in the spectrum, s;
C is the speed of sound in a liquid or gas, m / s;
L liquid level, m;
θ temperature of gas and liquid, K;
M is the molecular weight of the gas mixture;
R _un universal gas constant, J / mol • deg;
K const = C _p \ C _v , C _{p the} heat capacity of the gas at constant pressure; C _{v the} heat capacity of the gas at a constant volume;
M ₁ and M _{2 are the} molecular weights of the gas components in the binary mixture.

c концентрация газового компонента в бинарной смеси;
Известно устройство для определения температуры, давления, плотности текущей среды [1]
Это устройство содержит вибратор с чувствительным элементом, одна поверхность которого принимает эталонное давление, а другая обращена к измеряемой среде; пьезодатчик, установленный на вибраторе воспринимает колебания и через усилитель выдает сигнал с тремя модами; блок операционной обработки по сигналу на входе, соответствующему собственной частоте колебаний вибратора определяет температуру, плотность, давление текучей среды.c is the concentration of the gas component in the binary mixture;
A device for determining the temperature, pressure, density of the current medium [1]
This device contains a vibrator with a sensing element, one surface of which receives a reference pressure, and the other faces the medium being measured; a piezosensor mounted on a vibrator perceives vibrations and through the amplifier gives a signal with three modes; the operating processing unit by the signal at the input corresponding to the natural frequency of vibrations of the vibrator determines the temperature, density, pressure of the fluid.

Известно устройство для определения физических параметров жидкости, содержащее трубчатый резонатор, в котором установлен приемо-передающий блок в виде обратимого мембранного микрофона, который является одним плечом мостового генератора синусоидального напряжения, выход которого подключен к схеме измерения периода колебаний [2]
Недостатками прототипа являются низкая точность и длительность измерений из-за необходимости настройки моста для его уравновешивания в широком диапазоне частот и погрешности аппаратуры, влияющей на измерение периода колебаний, недостаточная помехоустойчивость.A device for determining the physical parameters of a liquid, comprising a tubular resonator, in which a transceiver unit is installed in the form of a reversible membrane microphone, which is one shoulder of a bridge sinusoidal voltage generator, the output of which is connected to a circuit for measuring the period of oscillation [2]
The disadvantages of the prototype are low accuracy and duration of measurements due to the need to configure the bridge to balance it in a wide frequency range and the accuracy of the equipment, affecting the measurement of the oscillation period, insufficient noise immunity.

Техническим результатом от использования предложенного устройства является увеличение точности и уменьшение времени определения физических параметров жидкости, увеличение помехоустойчивости. The technical result from the use of the proposed device is to increase the accuracy and reduce the time to determine the physical parameters of the liquid, increase the noise immunity.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения физических параметров газожидкостной системы, содержащем резонансную трубу и установленный внутри нее приемник акустических колебаний, введены последовательно соединенные усилитель, блок измерения частоты следования резонансных пиков в спектре и операционный блок, причем вход усилителя соединен с выходом приемника акустических колебаний. The technical result is achieved in that in a device for determining the physical parameters of a gas-liquid system containing a resonant tube and an acoustic oscillation receiver installed inside it, a series-connected amplifier, a unit for measuring the repetition frequency of resonant peaks in the spectrum, and an operation unit are introduced, the amplifier input being connected to the output of the receiver acoustic vibrations.

На фиг.1 изображено устройство для определения физических параметров жидкости; на фиг.2 спектры акустических колебаний (- кривая 7), где A - амплитуда; t время; кепстр мощности кривая 8, где T частота следования резонансных пиков; G кепстр мощности в зависимости от времени. Figure 1 shows a device for determining the physical parameters of a liquid; figure 2 spectra of acoustic vibrations (- curve 7), where A is the amplitude; t time; power cepstrum curve 8, where T is the frequency of the resonant peaks; G cepstrum power versus time.

Устройство содержит резонансную трубу 1, размещенный в ней приемно-передающий блок 2, который подключен на вход усилителя 3, выход которого связан с входом блоком измерения частоты следования резонансных пиков 4, выход которого подключен к операционному блоку 5. Резонансная труба 1 погружена в жидкость 6. The device contains a resonant tube 1, a receiving-transmitting unit 2 located in it, which is connected to an input of an amplifier 3, the output of which is connected to an input by a unit for measuring the repetition frequency of resonant peaks 4, the output of which is connected to an operation unit 5. Resonant tube 1 is immersed in liquid 6 .

По предлагаемому способу, реализованному данным устройством, в газовом столбе внутри трубы 1, погруженной в жидкость 6, возбуждают (или просто регистрируют собственные акустические колебания, которые всегда присутствуют при наличии внешних шумов и вибраций) с помощью приемно-передающего блока 2 акустические колебания. According to the proposed method, implemented by this device, in the gas column inside the pipe 1 immersed in the liquid 6, they excite (or simply record their own acoustic vibrations, which are always present in the presence of external noise and vibrations) using the transmitting and receiving unit 2 acoustic vibrations.

Регистрируемые колебания усиливают усилителем 3 и сигнал поступает на блок измерения частоты следования резонансных пиков 4, где определяется частота следования резонансных пиков T (см. кривую 8 кепстра мощности G на фиг. 2; кепстр мощности это спектр импульса, форма которого является логарифмом спектра мощности сигнала). Аргумент кривой 8 имеет размерность времени и max приходится на характерную величину времени, соответствующую частоте следования резонансных пиков. The recorded oscillations are amplified by amplifier 3 and the signal is fed to a unit for measuring the repetition rate of resonant peaks 4, where the repetition rate of resonant peaks T is determined (see curve 8 of the power cepstrum G in Fig. 2; the power cepstrum is the pulse spectrum, the shape of which is the logarithm of the signal power spectrum ) The argument of curve 8 has a dimension of time and max falls on the characteristic value of time corresponding to the repetition rate of resonant peaks.

Далее сигнал, соответствующий частоте T, поступает в операционный блок 5, где определяются физические параметры исследуемой жидкости, при этом, например, уровень жидкости определяется по формуле

где T частота следования резонансных пиков;
C скорость звука в газовом столбе.Next, the signal corresponding to the frequency T enters the operating unit 5, where the physical parameters of the investigated fluid are determined, while, for example, the fluid level is determined by the formula

where T is the frequency of the resonant peaks;
C is the speed of sound in a gas column.

При этом скорость звука в жидкости величина известная и постоянная. In this case, the speed of sound in a liquid is a known and constant quantity.

Температура жидкости определяется по формуле

Если величина уровня L известна и равна const.The temperature of the liquid is determined by the formula

If the level value L is known and equal to const.

Молекулярный вес и состав могут быть определены по формулам

где M молекулярный вес жидкости;
θ температура жидкости;
R_ун универсальная постоянная;

где C_p теплоемкость газа при постоянном давлении;
C_v теплоемкость газа при постоянном объеме;
концентрация газового компонента в бинарной смеси;
M₁ и M₂ молекулярный вес каждого газа в бинарной смеси газов.Molecular weight and composition can be determined by the formulas

where M is the molecular weight of the liquid;
θ fluid temperature;
R _un universal constant;

where C _{p the} heat capacity of the gas at constant pressure;
C _{v the} heat capacity of the gas at a constant volume;
the concentration of the gas component in the binary mixture;
M ₁ and M _{2 are the} molecular weights of each gas in a binary mixture of gases.

Предложенный способ и устройство определения физических параметров жидкости обеспечивают более высокую точность, чем известные, т.к. частоту резонансных пиков T определяют с большей точностью, чем частоту самого резонанса, что подтверждается на фиг.2, где ширина пика на кепстре мощности (кривая 8) значительно уже резонансного пика (кривая 7). The proposed method and device for determining the physical parameters of the liquid provide higher accuracy than the known, because the frequency of the resonance peaks T is determined with greater accuracy than the frequency of the resonance itself, which is confirmed in FIG. 2, where the peak width at the power cepstrum (curve 8) is much narrower than the resonance peak (curve 7).

Сокращается также время измерения, т.к. нет необходимости тратить время на нахождение резонансного пика. Measurement time is also reduced, as no need to waste time finding a resonant peak.

Приемно-передающий блок 2 может быть выполнен в случае регистрации собственных колебаний в виде приемного устройства, например чувствительного микрофона или гидрофона. The transmitting and receiving unit 2 can be performed in the case of registration of natural oscillations in the form of a receiving device, for example, a sensitive microphone or hydrophone.

В случае возбуждения колебаний блок 2 может быть выполнен, например, в виде источника импульсного давления, запитывающегося от генератора широкополосных сигналов, в качестве которого может быть использован генератор случайного шума 1045 фирмы Брюль и Къер (Каталог фирмы; 1986 г.). In the case of excitation of vibrations, block 2 can be made, for example, in the form of a pulse pressure source powered by a broadband signal generator, which can be used as a random noise generator 1045 from Bruhl and Kj (r (Catalog of the company; 1986).

В качестве блока измерения частоты следования резонансных пиков в спектре может быть использован анализатор периодических составляющих в спектре сигналов 2034 фирмы Брюль и Къер (каталог фирмы; 1986 г.). As a unit for measuring the repetition rate of resonant peaks in the spectrum, an analyzer of the periodic components in the spectrum of signals 2034 from Bruhl and Kj фирмыr (catalog of the company; 1986) can be used.

Операционный блок может быть реализован в виде процессора. The operation unit may be implemented as a processor.

Claims (2)

1. Способ определения физических параметров газожидкостных систем, заключающийся в регистрации акустических колебаний внутри резонансной трубки, частично погруженной в контролируемую жидкость, преобразовании их в электрический сигнал и получении информации об уровне жидкости, температуре жидкостной системы, молекулярном весе и составе газа, отличающийся тем, что после преобразования акустических колебаний в электрический сигнал получают спектральную характеристику этого сигнала, определяют частоту следования резонансных пиков в спектре и рассчитывают физические параметры газожидкостной системы, исходя из соотношений
L T • c/2;

где Т частота следования резонансных пиков в спектре;
c скорость звука в жидкости;
L уровень жидкости;
θ - температура жидкости и газа;
М молекулярная масса газовой смеси;
R_у п универсальная газовая постоянная;

где С_р теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении;
C_v теплоемкость газовой смеси при постоянном объеме;
М₁ и М₂ молекулярная масса газовых компонент в бинарной смеси;
k концентрация газового компонента в бинарной смеси.1. The method of determining the physical parameters of gas-liquid systems, which consists in recording acoustic oscillations inside a resonant tube partially immersed in a controlled liquid, converting them into an electrical signal and obtaining information about the liquid level, temperature of the liquid system, molecular weight and gas composition, characterized in that after the conversion of acoustic vibrations into an electrical signal, the spectral characteristic of this signal is obtained, the repetition frequency of the resonant peaks in s spectrum and calculate the physical parameters of the gas-liquid system based on the ratios
LT • c / 2;

where T is the frequency of the resonance peaks in the spectrum;
c is the speed of sound in a liquid;
L fluid level;
θ is the temperature of the liquid and gas;
M molecular weight of the gas mixture;
R _{y p} universal gas constant;

where C _{p the} heat capacity of the gas mixture at constant pressure;
C _{v the} heat capacity of the gas mixture at a constant volume;
M ₁ and M ₂ molecular weight of the gas components in the binary mixture;
k concentration of the gas component in the binary mixture. 2. Устройство для определения физических параметров газожидкостных систем, содержащее резонансную трубку и установленный внутри нее приемник акустических колебаний, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные усилитель, блок измерения частоты следования резонансных пиков в спектре и операционный блок, причем вход усилителя соединен с выходом приемника акустических колебаний. 2. A device for determining the physical parameters of gas-liquid systems, containing a resonant tube and an acoustic oscillation receiver installed inside it, characterized in that a series-connected amplifier, a unit for measuring the repetition frequency of resonant peaks in the spectrum, and an operation unit are inserted, the amplifier input being connected to the output receiver of acoustic vibrations.

Images