УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОЙ ПРОВЕРКИ ЖИДКОСТИ В СОСУДЕ НА ОГНЕОПАСНОСТЬ

Полезная модель относится к области технических средств измерения физических свойств жидкостей и может быть использована для проведения досмотра и обеспечения безопасности в аэропортах, контрольно-пропускных пунктах, местах массового скопления людей (стадионы, школы, дискотеки).
Известно устройство визуализации пространственного распределения диэлектрической проницаемости внутри объектов, называемое электроемкостным томографом [Reinecke N. and Mewes D. 1996, Recent developments and industrial / research applications of capacitance tomography, Meas. Sci. Technol. 7, pp 233-246], в котором используют многоэлектродные емкостные системы, состоящие из десятков электродов, окружающих объект со всех сторон. Изображения реконструируются по результатам измерений путем решения обратной задачи для уравнения, описывающего электрическое поле в неоднородной среде. Для проверки жидкостей на огнеопасность электроемкостные томографы не применяются ввиду их сложности и высокой стоимости, необходимости помещать исследуемый объект целиком внутрь измерительной системы и неприменимости к средам, обладающим электропроводностью.
Наиболее близким по своему назначению является устройство для бесконтактной проверки жидкости в сосуде на огнеопасность, содержащее корпус, индикатор тревоги, расположенный на корпусе, предназначенный для сигнализации об огнеопасной жидкости, специализированное вычислительное устройство, расположенное в корпусе, и один из его выходов подсоединен к входу индикатора тревоги, источник переменного напряжения, расположенный в корпусе или вне корпуса, в зависимости от варианта выполнения устройства - стационарного или портативного, переносного, (http://daiichishoji.co.ip/dflt/).
Работа этого устройства основана на микроволновой диэлькометрии, в результате которой измеряют диэлектрическую проницаемость или электропроводность жидкости, помещенной в сосуд. Устройство содержит СВЧ передатчик с антенной, СВЧ приемник с антенной, выход которого подсоединен к устройству суждения об огнеопасности жидкости, выполненному на базе специализированного вычислительного устройства, один из выходов которого подключен к индикатору тревоги, а другой - к дисплею.
Основным ограничением известного устройства является зависимость результата тестирования от материала и толщины стенки сосуда, поэтому это устройство может быть использовано только для жидкостей, помещенных в тонкостенные пластиковые бутылки, в которых находится тестируемая жидкость, а также большие габариты, сложность и высокая стоимость измерительной аппаратуры.
Решаемая полезной моделью задача - расширение области тестирования, удобство и простота пользования.
Технический результат, который получен при осуществлении полезной модели, - расширение функциональных возможностей, упрощение и уменьшение габаритов устройства.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для бесконтактной проверки жидкости в сосуде на огнеопасность, содержащем корпус, индикатор тревоги, расположенный на корпусе, предназначенный для сигнализации об огнеопасной жидкости, специализированное вычислительное устройство, расположенное в корпусе, и один из его выходов подсоединен к входу индикатора тревоги, источник переменного напряжения, расположенный в корпусе, согласно заявленной конструкции введены электроды, размещенные линейно с возможностью измерения потенциалов вне корпуса, причем крайний из электродов подсоединен к источнику переменного напряжения, а остальные - к измерителям величины напряжения, выходы каждого из которых подсоединены к входам специализированного вычислительного устройства, специализированное вычислительное устройство выполнено с возможностью измерения крутизны характеристики распределения напряжения на электродах, сравнения измеренного значения крутизны с заданным максимальным значением крутизны для неогнеопасной жидкости, и при превышении измеренного значения крутизны относительно заданного максимального значения крутизны для неогнеопасной жидкости специализированное вычислительное устройство выполнено обеспечивающим подключение по одному из его выходов индикатора тревоги, предназначенного для сигнализации об огнеопасной жидкости.
Возможны дополнительные варианты выполнения полезной модели, в которых целесообразно, чтобы:
- был введен индикатор, расположенный на корпусе, предназначенный для сигнализации о неогнеопасной жидкости, и если измеренное значение крутизны характеристики распределения напряжения на электродах меньше заданного
максимального значения крутизны для неогнеопасной жидкости специализированное вычислительное устройство выполнено обеспечивающим подключение по другому из его выходов этого индикатора;
- был введен индикатор, расположенный на корпусе, предназначенный для сигнализации об отсутствии сосуда с жидкостью, а вычислительное устройство выполнено с возможностью измерения среднего значения напряжений на электродах, и если измеренное среднее значение напряжений меньше заданной пороговой величины, специализированное вычислительное устройство выполнено обеспечивающим подключение по другому из его выходов этого индикатора;
- электроды были размещены снаружи корпуса, а корпус был выполнен металлическим;
- электроды были размещены внутри корпуса, и при этом, по крайней мере, часть корпуса, обращенная к электродам, выполнена диэлектрической.
Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной модели поясняются лучшим вариантом ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 изображает заявленное устройство для бесконтактной проверки жидкости в сосуде на огнеопасность;
Фиг.2 - характеристики распределения напряжения на электродах для огнеопасных и неогнеопасных жидкостей;
Фиг.3 - блок-схему обобщенного алгоритма работы специализированного вычислительного устройства;
Фиг.4 - демонстрация простоты пользования прибором;
Фиг.5 - сравнительная таблица протестированных устройством жидкостей, размещенных в различной таре.
Устройство для бесконтактной проверки жидкости в сосуде на огнеопасность (фиг.1) содержит корпус 1 и индикатор 2 тревоги, расположенный на корпусе, предназначенный для сигнализации об огнеопасной жидкости. Специализированное вычислительное устройство 3 (СВУ) расположено в корпусе 1, и один из выходов СВУ 3 подсоединен к входу индикатора 2 тревоги. Источник 4 переменного напряжения расположен в корпусе 1.
Введены электроды 5, размещенные линейно с возможностью измерения потенциалов вне корпуса 1. Крайний из электродов 5 подсоединен к источнику 4, а остальные электроды 5 - измерительные подсоединены к измерителям 6 величины напряжения. Выходы измерителей 6 подсоединены к входам СВУ 3. СВУ 3 выполнено
с возможностью измерения крутизны характеристики (фиг.2) распределения напряжения на электродах 5 (где по оси абсцисс отложены номера измерительных электродов, а по оси ординат величина измеренного напряжения на измерительных электродах. СВУ 3 выполнен обеспечивающим сравнения измеренного значения крутизны с заданным максимальным значением крутизны для неогнеопасной жидкости (фиг.3). При превышении измеренного значения крутизны относительно заданного максимального значения крутизны СВУ 3 выполнено обеспечивающим подключение по одному из его выходов индикатора 2 тревоги, предназначенного для сигнализации об огнеопасной жидкости.
В устройство может быть введен индикатор. 7. Индикатор 7 расположен на корпусе 1 и предназначен для сигнализации о неогнеопасной жидкости. Если измеренное значение крутизны характеристики распределения напряжения на электродах (фиг.2) меньше заданного максимального значения крутизны для неогнеопасной жидкости СВУ 3 выполнено обеспечивающим подключение по другому из его выходов (фиг.1) индикатора 7.
В устройство может быть введен индикатор 8. Индикатор 8 расположен на корпусе 1 и предназначен для сигнализации об отсутствии сосуда с жидкостью (объекта исследования) вблизи датчика. Если измеренное среднее значение напряжений на электродах меньше заданной величины, СВУ 3 выполнено обеспечивающим подключение по другому из его выходов (фиг.1) индикатора 8.
Электроды 5 фиг.1 могут быть размещены снаружи корпуса 1, если корпус 1 выполнен металлическим (фиг.1).
Электроды 5 могут быть размещены внутри корпуса 1, и при этом, по крайней мере, часть корпуса, обращенная к электродам, выполнена диэлектрической, например, с диэлектрической проницаемостью ε близкой к воздушной среде.
Работает устройство (фиг.1) следующим образом.
Его подносят к сосуду А, показанному на фиг.1 упрощенно с тестируемой жидкостью (фиг.4) и включают источник 4. В результате на электродах 5 - измерительных наводятся потенциалы, величина которых зависит как от выходного напряжения источника 4, так и от расстояния между крайним электродом 5 и измерительными. Однако экспериментально было установлено, что вне зависимости наведенного потенциала от расстояния к крайнему электроду 5 и мощности источника 4 величина крутизны характеристики распределения напряжения на электродах 5 для огнеопасных жидкостей (см. фиг.2) всегда больше, чем величина крутизны
характеристики распределения напряжения на электродах 5 для неогнеопасных жидкостей, прочем величина крутизны практически не зависит от материала стенки сосуда, в который помещена тестируемая жидкость. Обозначения на кривых (фиг.2) соответствуют следующим условиям измерений: вода 1 - в стеклянной бутылке без воздушного зазора; вода 2 - в стеклянной бутылке с зазором 4 мм; Coca-Cola - в пластиковой бутылке; молоко - в картонной упаковке Tetra Pak; бензин 1 - в стеклянной бутылке без зазора, бензин 2 - в стеклянной бутылке с зазором; керосин - в картонной упаковке из-под молока. Из фиг.2 видно, что абсолютные значения и пространственная зависимость напряжений на электродах зависят как от свойств сосуда и воздушного зазора, так и от характеристик жидкости. При этом независимо от свойств стенки сосуда, жидкости с меньшей диэлектрической проницаемостью создают пространственный профиль с большей скоростью убывания измеренных значений с расстоянием от активного электрода, что и используется для идентификации жидкости независимо от материала и толщины стенки сосуда.
1
4
эталон
эталон
Значения напряжений на электродах 5 (или наведенного заряда) Q-Q с выходов измерителей 6 обрабатываются СВУ 3 для чего используются, соответственно блок 10 усилителей-демодуляторов, в которых сигналы усиливаются и приводятся к постоянным величинам напряжений. В блоке 11 аналого-цифровых преобразователей (АЦП) сигналы преобразуются в цифровую форму. Блок 12 измерения среднего уровня сигнала осуществляет определение среднего уровня поступившего сигнала. В блоке 13 задается уровень порога для поступающих сигналов, который выбирается исходя из мощности источника 4 и расстояния между электродами 5. Блок 14 сравнения определяет, средний уровень сигнала выше заданного уровня порога? Если «нет», то это означает, что нет объекта для исследования, и СВУ 3 по управляющему выходу «нет» подключает индикатор 8, предназначенный для сигнализации об отсутствии объекта исследования. Если «да», то запускается управляющий вход блока 15 и сигнал поступает на обработку. В блоке 15 вычисляется значение крутизны К характеристики распределения напряжения на электродах 5. Значение К сравнивается блоком 16 сравнения с К, т.е. с максимальной крутизной для характеристики неогнеопасной жидкости, заданным в блоке 17. Если К больше К, то это говорит о том, что жидкость огнеопасна и по выходу блока 16 «да» подключается индикатор 2 тревоги. Если не больше, то по выходу блока 16 «нет» подключается индикатор 7, предназначенный для сигнализации о неогнеопасной жидкости.
В настоящей полезной модели используется многоэлектродная система с линейным расположением электродов 5, которых может быть выбрано не менее 3 и более, позволяющая по пространственной зависимости взаимных емкостей между одним из крайних электродов 5 датчика и остальными электродами 5 - измерительными отделить влияние стенки сосуда от влияния самой жидкости и, таким образом, сделать тестирование жидкости достоверным и надежным. В полезной модели используется подход, близкий по своему смыслу к электроемкостной томографии, однако в данном случае вместо визуализации требуется только оценка комплексной диэлектрической проницаемости одной из компонент гетерогенной среды, состоящей из сосуда, воздушного зазора и находящейся в сосуде жидкости. Благодаря этому требуется существенно меньшее количество электродов 5. Взаимные емкости между электродами 5 можно измерить, создавая между парой электродов 5 переменную разность потенциалов, подключив их к источнику 4 переменного напряжения или тока, и измеряя заряды, наведенные возникшим электрическим полем на остальных электродах 5. Того же результата можно добиться, измеряя потенциалы на этих электродах 5 относительно одного из активных электродов 5 или используя любой другой способ измерения электрических емкостей. Сами электроды 5 можно располагать только с одной стороны объекта (сосуда с жидкостью) вблизи его поверхности. В результате устройство позволяет оценивать физические (электрические) свойства жидкости независимо от толщины и материала стенки сосуда, наличия зазора между измерительной системой и сосудом. При этом достаточно иметь доступ только к небольшому участку поверхности объекта и только с одной стороны, что выгодно отличает предложенное устройство как от микроволновых диэлькометров, так и от известных электроемкостных томографов. Измерения могут проводиться на любой удобной частоте от сотен герц до десятков мегагерц. Стоимость, сложность и требования к измерительной аппаратуре при реализации предложенного устройства значительно ниже, чем при использовании микроволновой диэлькометрии (не требуются дорогостоящие источники, приемники и антенные системы для микроволнового излучения) или стандартной емкостной томографии (требования к количеству каналов, их чувствительности, вычислительным ресурсам для обработки данных значительно ниже).
Расширяются функциональные возможности устройства за счет обеспечения проведения измерения жидкостей как помещенных в пластиковую тару, так и в стеклянную тару (см. фиг.5). Заявленное устройство реализовано в виде компактного
прибора. Его внешний вид показан на фиг.4. Результаты испытаний, приведенные в таблице на фиг.5, демонстрируют высокую достоверность тестирования жидкостей с помощью предложенного устройства. Дополнительно упрощается конструкция и уменьшаются габариты устройства.
Наиболее успешно заявленное устройство для бесконтактной проверки жидкости в сосуде на огнеопасность промышленно применимо для оперативной оценки органами правопорядка и безопасности провозимых кем-либо жидкостей и в местах массового скопления людей.