СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРЕ
METHOD FOR DETERMINING LIQUID MASS IN TANK

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к средствам контроля массы и уровня жидкости в резервуарах, например, на автозаправочных станциях, и может быть использовано также в нефтяной, топливной, химической и других отраслях промышленности.
Значительна роль измерений, используемых при организации правильной системы количественного учета жидких веществ в процессе их приемки, хранения и отпуска, когда масса жидкостей (например, горючесмазочных) не может быть измерена непосредственным взвешиванием на весах. Количество жидкости сначала нужно определить в объемных единицах, в частности, измеряя уровень жидкости, а затем, умножая на плотность, найденную для тех же условий, что и объем, перевести полученный результат в единицы массы с использованием связи единиц массы, плотности и объема,
Таким образом, первым этапом определения количества жидкости является измерение ее уровня в резервуаре.
Известен способ определения массы жидкости в резервуаре с помощью простейшего устройства определения уровня жидкости, обеспечивающего непосредственное измерение уровня с помощью метрштока, имеющего трубчатую конструкцию кругового сечения с нанесенной на нее метрической шкалой в виде металлической измерительной ленты (RU, свидетельство на полезную модель №3754, МПК G01F 23/04, 1997 г.).
Этот способ широко распространен в силу своей простоты и дешевизны, но он дает очень низкую точность измерения, к тому же не пригоден для использования в герметичных резервуарах.
Известен способ определения массы жидкости в резервуаре с использованием жидкостного уровнемера RU №57000, МПК G01F 23/04, 2006 г., который содержит поплавок, имеющий возможность свободного перемещения в вертикальном направлении при изменении уровня жидкости, источник света и приемник оптического сигнала, закрепленный неподвижно над поверхностью жидкости так, что его оптическая ось проходит через поплавок, при этом поплавок снабжена первым наклонным зеркалом, установленным на платформе выше уровня жидкости под углом к оси источника света, отражающим элементом, установленным на платформе ниже уровня жидкости, а также закрепленных на платформе выше уровня жидкости вторым наклонным зеркалом, расположенным под углом к оси приемника оптического сигнала, и линзы, оптическая ось которой совпадает с оптической осью приемника оптического сигнала. Первое наклонное зеркало установлено на поплавке так, что световой луч от источника света, отразившись от зеркала, падает на поверхность отражающего элемента, установленного ниже уровня жидкости с обеспечением подсветки отраженным от него лучом поверхности жидкости в месте расположения мерной линейки, а второе наклонное зеркало, обеспечивающее отражение места пересечения поверхности жидкости с мерной линейкой, установлено для направления светового потока в сторону объектива телевизионной камеры через линзу.
С помощью данного устройства можно получить высокую точность измерения уровня жидкости, обеспечить надежность, технологичность, долговечность и ремонтопригодность уровнемера, что обусловлено, во-первых, созданием четкого изображения поверхности жидкости вблизи метрштока за счет подсветки снизу, во-вторых, созданием дополнительной подсветки шкалы метрштока в зоне измерения световым потоком, отраженным от поверхности жидкости со стороны источника света.
К недостаткам данного аналога является то, что для реализации принципа оптического считывания положения уровня жидкости в резервуаре на глубинах порядка трех метров, помимо собственно устройства формирования телевизионного изображения сигнализатора (в данном случае метрштока), необходим достаточно мощный источник подсветки. Но применение источников подсветки с током потребления более 0,3 А в зонах с наличием взрывоопасных паров недопустимо, что ограничивает область применения данного технического решения.
Известен способ определения массы жидкости в резервуаре, заключающийся в том, что располагают на верхней поверхности горловины цистерны монтажную планку с установленными на ней блоком регистрации данных, плотномером, термометром и уровнемером. В память блока регистрации данных предварительно заносят калибровочные типы, диаметры котлов и высоты горловин всех цистерн, находящихся в эксплуатации. При замере данных очередной цистерны, ее номер и калибровочный тип вносят в память блока регистрации данных. Далее плотномером и термометром производят замеры плотности и температуры жидкости, и уровнемером определяют высоту недолива жидкости до верхней поверхности горловины цистерны. Все измеренные данные заносятся в блок регистрации данных, в котором высоту налива жидкости рассчитывают по формуле: Нп=Дк+Н-Н, где: Нп - высота налива жидкости; Дк - диаметр котла; Нг - высота горловины до котла; Н - расстояние от верхней поверхности горловины до уровня жидкости, равное высоте недолива жидкости.
В соответствии с таблицами калибровки для данного типа цистерны и полученными данными замеров определяют объем жидкости и, умножив его на плотность, вычисляют массу жидкости при измеренной температуре.
Это техническое решение является ближайшим аналогом для заявленного способа.
К недостаткам описанного выше способа относится то, что не учитывается возможность изменения плотности жидкости по объему резервуара вследствие разной температуры жидкости на разных глубинах резервуара.
Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности определения массы жидкости, в т.ч. взрывоопасной, в основном, при использовании в больших резервуарах, в том числе герметичных.
При осуществлении заявленного способа определения массы жидкости, представляющей собой однородное вещество, которое может иметь разную температуру и плотность по объему резервуара проводят следующие действия:
- измеряют уровень жидкости в резервуаре, геометрические характеристики которого предварительно определены,
- вычисляют объем жидкости,
- определяют плотность жидкости,
- затем по значению объема, вычисляемому по измеренному уровню жидкости с использованием градуировочной характеристики конкретного резервуара, описывающей зависимость объема жидкости от ее уровня, и значению плотности жидкости определяют массу жидкости в резервуаре.
Эти признаки являются общими с признаками ближайшего аналога.
Поставленная задача для заявленного способа решается за счет того, что заявленный способ отличается от ближайшего аналога следующими существенными признаками:
- измеряют периодически через равные промежутки времени t плотность жидкости в поверхностном слое жидкости и плотность на глубине примерно 0,5 метра;
- окончание переходного процесса определяют по двум критериям, соответствующим измерениям плотности на поверхности и на глубине:
i
1
Δρ<0,1Δρ,
1
где: Δρ - первое значение разности измеренных плотностей за промежуток времени t;
i
Δρ - последнее значение разности измеренных плотностей за промежуток времени t,
причем указанный критерий одинаков для серии измерений плотности на поверхности и для серии измерений плотности на глубине примерно 0,5 м, а окончанием переходного процесса считают момент, когда одновременно выполнены условия критерия как для измерения плотности на поверхности, так и для измерения плотности на глубине,
- оба плотномера установлены на поплавке, имеющем возможность свободного перемещения в вертикальном направлении по метрштоку при изменении уровня жидкости;
- оба плотномера установлены в направляющих, закрепленных на поплавке, обеспечивающих свободное перемещение плотномеров по вертикали относительно поплавка (плотномеры поплавкового типа);
- плотномер для измерения плотности в поверхностном слое жидкости - стандартный в соответствии с ГОСТ 18481-81.
- плотномер для измерения плотности на глубине изготавливается из тонкостенной герметично запаянной трубки длиной порядка 600 мм. Плотномер градуируется в пределах диапазона плотностей, соответствующего диапазону плотномера, используемого для измерения плотности в поверхностном слое, для чего в нижнюю часть трубки помещается груз необходимой массы;
i1
i2
- фиксируют последние значения плотности жидкости ρ по показаниям плотномера для измерения плотности в поверхностном слое жидкости и ρ по показаниям плотномера для измерения плотности жидкости на глубине;
- рассчитывают среднее арифметическое значение плотности:
ср
i1
i2
ρ=0,5 (ρ+ρ);
- измеряют уровень жидкости Н посредством метрштока, закрепленного в резервуаре;
- изображение метрштока в зоне соприкосновения его с поверхностью жидкости подсвечивают светодиодным источником света;
- для излома хода лучей подсветки используют зеркало, закрепленное на поплавке наклонно к оси источника света и оси объектива телевизионной видеокамеры с автоматической фокусировкой изображения;
- зеркало и телевизионная видеокамера с автоматической фокусировкой изображения расположены таким образом, что формируют изображение метрштока, в основном, под поверхностью жидкости и положения уровня жидкости, совпадающего с нижней границей мениска «жидкость-метршток»;
- передают изображение посредством телевизионной видеокамеры с автоматической фокусировкой изображения на устройство отображения результатов измерения;
- по градуировочной характеристике конкретного резервуара для измеренного значения Н определяют объем жидкости в резервуаре V;
- определяют массу т жидкости в резервуаре:
ср
m=ρV.
Техническим результатом, получаемым в результате использования изобретения, является возможность точного определения массы жидкости в резервуарах, преимущественно содержащих взрывоопасные жидкости.
Получение технического результата обеспечивается за счет того, что учитывается возможность изменения плотности жидкости по объему резервуара, обусловленная разной температурой жидкости на разных глубинах резервуара, что существенно влияет на точность определения массы жидкости при больших размерах резервуара. В заявленном способе при вычислении массы жидкости устанавливается момент примерного выравнивания температуры по объему, кроме того, используется среднее значение плотности жидкости, полученное по окончании переходного процесса выравнивания температуры (и, как следствие - плотности), в результате которого изменение плотности по всему объему резервуара приблизится к минимальной величине. Использование при измерении уровня жидкости метрштока обусловлено необходимостью применения стандартных методик измерения уровня, обязательным условием которых является наличие метрштока.
Подсветка метрштока в зоне соприкосновения его с поверхностью жидкости светодиодным источником света позволяет получить значение уровня жидкости по изображению шкалы метрштока в зоне его контакта с поверхностью жидкости. При этом используются светодиодные источники с малыми токами потребления (менее 0,3 А), что обеспечивает возможность использования способа в зонах с наличием взрывоопасных паров, обусловливает надежность и технологичность устройства, реализующего способ, при относительно простой конструкции, удобстве и простоте в эксплуатации. Также заявленный способ позволяет получить высокую точность измерения уровня жидкости (и соответственно высокую точность определения массы) за счет того, что метршток не требуется извлекать из резервуара.
Использование для излома хода лучей подсветки зеркала, закрепленного на поплавке наклонно к оси источника света и оси объектива телевизионной видеокамеры с автоматической фокусировкой изображения, позволяет одновременно произвести подсветку нужной зоны метрштока и сформировать изображение метрштока, в основном, под поверхностью жидкости и положения уровня жидкости, совпадающего с нижней границей мениска «жидкость-метршток».
При попадании светового потока на металлическую поверхность метрштока, например анодированную алюминиевую поверхность, свет отражается от нее в разных направлениях неодинаково. Максимальный уровень отраженного излучения - в направлении зеркального отражения. При этом коэффициент яркости отраженного излучения по сравнению с отражением от диффузно отражающей поверхности достигает при этом величины порядка (5-10).
Основным определяющим требованием к точной установке зеркала относительно поверхности метрштока является выполнение условия полного внутреннего отражения лучей, отраженных от поверхности метрштока. Это явление возникает на границе «жидкость-воздух» менисков, неизбежно соединяющих поверхности «жидкость-метршток» и «жидкость - зеркало». Выполнение этого условия позволяет получить в изображении границы «жидкость-воздух» контрастную темную линию, обрамленную тонкими светлыми линиями, по положению которых относительно шкалы метрштока можно однозначно судить об уровне жидкости в резервуаре.
Предпочтительным источником излучения для осуществления заявленного способа являются светодиоды. Это связано с тем, что приемлемые для данного случая токи потребляют имеющиеся в настоящее время как лазерные, так и светодиодные источники излучения, но лазерные излучатели не годятся из-за наличия спеклов (пятнистого мерцания) в пятне подсветки, что приводит к недопустимому ухудшению качества изображения.
Светодиодные источники излучения при подобном ограничении потребляемого тока даже при минимальных углах расходимости излучения не в состоянии обеспечить необходимый уровень освещенности метрштока для функционирования телевизионной видеосистемы. Однако при использовании свойства селективного отражения светового потока от поверхности метрштока применение светодиодов в качестве средства подсветки вполне оправданно.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства, реализующего заявленный способ.
Устройство, с помощью которого может осуществляться заявленный способ, состоит из резервуара 1 с жидкостью, массу которой нужно определить, взрывозащищенного корпуса 2 с оптически прозрачным окном. Взрывозащищенный корпус герметично установлен в верней части резервуара 1 и соединен с ним через герметизирующее уплотнение 3.
В резервуаре 1 жестко закреплен измерительный метршток 4, преимущественно металлический.
Во взрывозащищенном корпусе 2 установлены источник света (осветитель) 5 и телевизионная камера с автоматической фокусировкой изображения 6.
На измерительном метрштоке 4 закреплен поплавок 7, имеющий возможность свободного перемещения по вертикали (по метрштоку) при изменении уровня жидкости в резервуаре 1. На поплавке 7 установлено зеркало 8, предназначенное для излома хода лучей от источника света 5 и жестко соединенное с поплавком. Зеркало 8 расположено наклонно к оси источника света 5 и оси объектива телевизионной видеокамеры 6 с автоматической фокусировкой изображения. При этом зеркало 8 и телевизионная видеокамера 6 с автоматической фокусировкой изображения расположены таким образом, что формируют изображение положения уровня жидкости, совпадающего с нижней границей мениска, относительно метрштока 4, в основном, под поверхностью жидкости.
На поплавке 7 установлены термометр 9 и направляющие для плотномеров 10, 11 поплавкового типа, по которым плотномеры могут свободно перемещаться по вертикали. Плотномер 10 предназначен для измерения плотности вблизи поверхности жидкости.
Плотномер 11 для измерения плотности на глубине изготавливается из тонкостенной герметично запаянной трубки длиной порядка 600 мм. Плотномер градуируется в пределах диапазона плотностей, соответствующего диапазону плотномера для измерения плотности в поверхностном слое, для чего в нижнюю часть трубки помещается груз необходимой массы.
При этом зеркало 8 и телевизионная видеокамера 6 с автоматической фокусировкой изображения помимо изображения положения уровня жидкости относительно метрштока 4 формируют также изображение расположенных рядом с метрштоком плотномеров и термометра.
Способ осуществляют следующим образом.
Предварительно определяют градуировочную характеристику конкретного резервуара, описывающую зависимость объема жидкости от ее уровня в резервуаре 1. Далее периодически, через равные промежутки времени t измеряют плотность в поверхностном слое жидкости и на глубине до окончания переходного процесса, которое определяют по критерию:
i
1
Δρ<0,1Δρ,
1
где: Δρ - первое значение разности измеренных плотностей за промежуток времени t;
i
Δρ - последнее значение разности измеренных плотностей за промежуток времени t.
Измерения проводят по телевизионному изображению плотномеров в зоне пересечения их поверхностью жидкости.
Устанавливают момент окончания переходного процесса, когда условия критерия выполнены одновременно как для измерения плотности на поверхности, так и для измерения плотности на глубине.
i1
i2
Фиксируют последние значения плотности жидкости ρ по показаниям плотномера для измерения плотности в поверхностном слое жидкости и ρ по показаниям плотномера для измерения плотности жидкости на глубине.
Рассчитывают среднее арифметическое значение плотности
ср
i1
i2
ρ=0,5(ρ+ρ).
ср
Среднее арифметическое значение плотности ρ запоминают для дальнейшего использования при вычислении массы жидкости.
Уровень жидкости Н - измеряют посредством метрштока, закрепленного в резервуаре, при этом метршток в зоне соприкосновения его с поверхностью жидкости подсвечивают светодиодным источником света 5.
Плотность в поверхностном слое жидкости и на глубине измеряют с помощью плотномеров 10, 11 в зоне соприкосновения их с поверхностью жидкости. При этом плотномеры в зоне их соприкосновения с поверхностью жидкости подсвечивают светодиодным источником света 5.
Дополнительно на момент окончания переходного процесса, т.е. примерного окончания выравнивания плотности по объему резервуара, измеряют температуру в поверхностном слое жидкости. Для решения задачи измерения температуры используется трубка 9 обычного спиртового термометра, жестко прикрепленная к поплавку рядом с метрштоком 4 под поверхностью жидкости. В качестве шкалы термометра используют шкалу метрштока 4, предварительно проведя градуировку для определения значения температуры жидкости по положению спиртового «столбика» относительно шкалы метрштока.
Лучи подсветки от источника света 5 попадают на наклонное зеркало 8, расположенное, в основном, ниже поверхности жидкости наклонно к оси источника света. Световой поток от источника света 5, отразившись от зеркала, попадает на поверхности метрштока 4, плотномеров 10, 11 в зоне соприкосновения их с поверхностью жидкости, а также - на поверхность трубки 9 термометра.
Отраженный от метрштока 4, плотномеров 10, 11 и трубки термометра 9 световой поток с помощью зеркала 8 направляют в сторону объектива телевизионной видеокамеры с автоматической фокусировкой изображения. Зеркало 8 и телевизионная видеокамера 6 с автоматической фокусировкой изображения расположены так, что формируют изображение положения уровня жидкости относительно метрштока 4, плотномеров 10, 11 и трубки термометра 9. Изображение, содержащее информацию об уровне жидкости, плотностях жидкости в поверхностном слое и на глубине, а также температуре жидкости передается на устройство отображения результатов измерения.
По месту расположения нижней границы мениска в зоне контакта поверхности жидкости с поверхностью метрштока 4 определяют уровень жидкости. По месту расположения нижней границы мениска в зоне контакта поверхности жидкости с поверхностью плотномеров 10, 11 определяют плотности жидкости в поверхностном слое и на глубине.
ср
Далее по градуировочной характеристике резервуара 1 для измеренного значения Н определяют объем жидкости в резервуаре V, массу жидкости в резервуаре 1 рассчитывают по формуле m=ρ·V.
1
При отпуске нефтепродуктов объем отпускаемой жидкости необходимо корректировать в соответствии с температурой жидкости. Масса отпускаемой жидкости объемом V при температуре Т должна быть равна массе этой жидкости объемом V при температуре Т=20°С. По этой причине в устройство устанавливается термометр, который дает возможность принять решение о корректировке счетчиков отпуска при температуре жидкости, отличной от Т=20°С.
По измеренной температуре жидкости принимают решение о необходимости корректировки счетчиков отпуска жидкости и, при необходимости, корректируют счетчики.