К.т.н. Колыхалин В.М.

ЗАО «Петербургский нефтяной терминал», Россия

Определения объема агрегатных композиций в цилиндрическом резервуаре методом интенсиметрии

С увеличением объемов транспортировки жидких, сыпучих и смешанных агрегатных композиций в резервуарах, осуществляемых средствами воздушного, наземного и водного транспорта, возникает необходимость в повышении точности регистрации их массы бесконтактными системами контроля.

Широкому внедрению в практику бесконтактных элементов радио- и звуколокационных систем препятствует сложность и высокая стоимость из-за необходимости постоянной подстройки в процессе измерений.

Стационарные резервуары большой емкости обеспечиваются дистанционным мониторингом посредством радаров, сканирующих уровень плоских поверхностей жидких веществ. Однако в условиях переменной температуры и сложности форм твердого остатка применение радаров для регистрации его объема существенно ограничено.

В то же время технические средства на основе относительных акустических измерений объема веществ по свободному воздушному объему путем определения времени реверберации с меньшей точностью, чем радарные, но с нивелированием влияния переменных внешних и внутренних технологических условий актуальны и находят свое применение [1].

Действительно, при возбуждении звукового давления в некоторой точке в трехмерной системе координат от точечного источника звука с потенциалом скорости колебаний в частично заполненном (воздух + твердый остаток нефтепродуктов - шлам) объеме цилиндрического резервуара с радиусом r = а можно написать:

, (1)

где - координаты источника и приемника, ∆ - оператор Лапласа, А – некоторая постоянная.

Для цилиндра с высотой Н по координате z можно выделить поверхности: верхнего торца и боковых стенок стали с граничными условиями

(2) и нижнего торца с заполнением шлама по высоте h с комплексным импедансом Z поверхности шлама

. (3)

В случае зависимости возбуждения источника от времени при расположении его на оси цилиндра, начиная с времени t = - ∞ и выключение - в момент времени t = 0, функция источника определяется следующим соотношением:

, (4)

где - спектральная функция источника; – нижний и верхний пределы выбранного частотного диапазона.

Тогда будем иметь спектральные функции падающих и отраженных звуковых волн для каждой моды:

(5)

где βi – коэффициент затухания, связанный известной простой зависимостью с коэффициентом поглощения αi,

, (6)

Однако определение звукопоглощения поверхности вещества, покрывающего днище резервуара, представляет сложную задачу, т. к. переменные технологические условия (температура воздуха и твердого остатка, переменная плотность, пары воды и т.д.) существенно влияют на звукопоглощение вещества [2]. По этой причине коэффициент звукопоглощения шлама (или коэффициент затухания βi) для подстановки в формулу (5) был получен экспериментально в производственных условиях методом интенсиметрии с использованием двух микрофонов-приемников давления (рис.1).

Рис. 1. Схема измерений объема шлама: М₁ и М₂ – микрофоны акустического зонда; ПК – компьютер; АИ – анализатора интенсивности звука; И – источник звуковых колебаний; Т – трубопровод для откачки осветленной воды; H = 10 м - высота; D = 6 м - диаметр

В ближнем акустическом поле звуковое давление и скорость частиц находятся не в фазе друг с другом, особенно на низких частотах. Чтобы избежать погрешностей, вызванных этими факторами, производилось измерение интенсивности звука вместо измерений звукового давления.

Интенсивность звука, определяемая как среднее значение звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, может быть выражена формулой

, (7)

где I_r – интенсивность звука в направлении r в некоторой точке между приемниками, p(t) – мгновенное значение звукового давления в этой точке, составляющая мгновенного значения скорости частиц в направлении r, T – время измерения.

Поскольку интенсивность звука содержит информацию как о величине, так и о направлении, она весьма эффективна при исследовании распределения потоков звуковой энергии, в нашем случае - у поверхности звукопоглощающего вещества. Особенность диаграммы направленности акустического зонда анализатора интенсивности (B&K) , установленного по нормали к днищу в центре резервуара, позволяет четко регистрировать изменения звукопоглощения днища вертикального цилиндрического резервуара по изменению амплитуды второй аксиальной моды колебаний воздушного объема резервуара в спектре интенсивности.

На первом этапе измерений был получен тестовый график зависимости амплитуды второй аксиальной моды колебаний воздушного объема в спектре интенсивности от известных коэффициентов звукопоглощения тестовых материалов, расположенных на днище модели технологического резервуара в масштабе 1:10 (рис.2).

Рис. 2. Схема измерений в модели резервуара: М₁ и М₂ –микрофоны акустического зонда; ПК – компьютер; АИ – анализатора интенсивности звука; И – источник звуковых колебаний; H = 1 м - высота; D = 0,6 м - диаметр

Сигналы с выходов микрофонов, записанные в стерео режиме, фильтруются с помощью программы ПК и подаются на вход анализатора спектра. Полосовой фильтр ПК пропускает колебания лишь той частоты аксиальной моды, на которой производятся измерения. В противном случае результаты измерений могут быть искажены из-за возникновения стоячих волн высших гармоник аксиальных мод и первых гармоник радиальных мод колебаний воздушного объема.

Тестовый график зависимости амплитуды второй аксиальной моды спектра интенсивности от коэффициентов звукопоглощения αi тестовых материалов построен по результатам измерений для пяти различных плоских эталонных образцов с известными коэффициентами звукопоглощения, поочередно размещенных на днище резервуара (рис. 3). По оси абсцисс отложены значения коэффициентов звукопоглощения эталонных образцов, а по оси ординат – амплитудные значения второй аксиальной моды.

На втором этапе образец шлама из технологического резервуара помещался тонким плоским слоем на днище модели и по амплитуде второй аксиальной моды спектра интенсивности из тестового графика (рис.3) определялся коэффициент звукопоглощения шлама.

Воздушный объема модели резервуара вычислялся из формулы (5), в которую подставлялись известные значения: амплитуда давления второй аксиальной моды; коэффициент звукопоглощения шлама; время длительности, например, импульсного источника возбуждения звуковых колебания в резервуаре и др.

Рис. 3. Тестовый график зависимости уровня интенсивности от коэффициента звукопоглощения αш

Результаты определения объема шлама в модели по предложенному способу получили хорошее согласование с линейными измерениями (рулеткой) того же объема шлама, что подтверждает допустимость применения рассмотренной модификации известного интерферометрического метода, когда информация о параметрах звукопоглощающего вещества извлекается из распределения амплитуд звукового давления в монохроматической стоячей волне в условиях цилиндрической трубы.

Для оценки объема шлама в технологическом резервуаре повторяется процедура калибровки и измерений по вышеизложенному алгоритму для модели.

Показанная аппаратурная реализация метода определения коэффициента звукопоглощения вещества по амплитуде второй аксиальной моды спектра интенсивности позволяет дистанционно оценить его объем в резервуаре по аналитическому выражению.

Исследованная бесконтактная система акустического контроля может найти применение для регистрации объема жидких, сыпучих и смешанных агрегатных композиций в вертикальных цилиндрических резервуарах, осуществляемых в средствах воздушного, наземного и водного транспорта, не исключая и ядерные отходы.

Литература

1. Колыхалин В.М., Давыдов В.В., Способ определения объема остатка твердого нефтепродукта в железнодорожном вагоне-цистерне. Патент на изобретение РФ №2348015, М.Федерал. служ. по интеллект. собст., петен. и товар. знакам, RU 2348015 С1, Заявл.2007, опубл. 27.02.2009 Бюл. № 6.

2. Давыдов В.В., Колыхалин В.М. Адаптивная оценка шлама в стационарных резервуарах нефтепродуктов. Материалы международной научно-технической конференции «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ». ИТМО, С-Петербург, 2012.