ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ ДЛЯ РЕЗЕРВУАРА

Полезная модель относится к аппаратным устройствам и может быть использована при изготовлении оборудования для контроля уровня воды в барабане котла или других резервуаров.
Эффективная работа парового котла может осуществляться только при условии строгого поддержания уровня воды в его барабане. Стабильность уровня обеспечивается системой автоматического регулирования, в общем случае состоящей из датчика уровня, элемента сравнения (с заданием), усилителя и исполнительного механизма (электрифицированная задвижка). В настоящее время в качестве датчика уровня повсеместно применяется гидростатический метод измерения уровня. Этот метод является косвенным, поскольку измеряются и оцениваются физические величины, косвенно связанные с уровнем жидкости. А, именно, величина уровня вычисляется по разности давления в уравнительном сосуде, соединенном с паровым пространством барабана, и давления воды в водяном пространством барабана котла. Одним из существенных недостатков косвенного (гидростатического) метода является то, что в переходных режимах в течение всего времени растопки (расхолодки) ему присуща высокая погрешность (более 30%). Для уменьшения погрешности требуется коррекция сигнала разности давлений в зависимости от плотности питательной воды по значению избыточного давления в барабане котла (по линии насыщения). Также для уменьшения погрешностей измерения, вызванных охлаждением питательной воды в уравнительном сосуде, применяются дорогостоящие теплоизолированные обогреваемые конденсационные сосуды. Кроме того, для реализации гидростатического метода используются импульсные трубки, соединяющие уровнемерную колонку с дифманометром, которые необходимо очищать от грязи и накипи путем периодического продувания. В качестве недостатков реализации гидростатического метода, можно также указать высокую стоимость дифманометров и отсекающих клапанов из нержавеющей стали.
Известны технические решения в данной области техники, основанные на оптическом принципе контроля уровня жидкости в резервуаре, в частности с использованием видеокамеры, установленной в поле зрения водоуказательной колонки, например JPH 07281701 (A) - 1995-10-27, CN 204128545 (U) - 2015-01-28, JPH 07982238 (A) - 1995-04-11. В известных устройствах возникают перспективные искажения изображения и погрешности, связанные с вибрациями и взаимной нестабильностью положений объекта и видеокамеры.
Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является устройство контроля уровня воды в барабане котла, содержащее водоуказательную колонку с уровнемерным стеклом, установленную на барабане котла и гидравлически соединенную с полостью барабана, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит оптический датчик в виде последовательно соединенных видеокамеры с цифровым выходом, цифровой линии связи и показывающего прибора, в котором производится обработка сигнала, причем видеокамера установлена на барабане котла перед водоуказательной колонкой, и ориентирована полем зрения на водоуказательную колонку, а показывающий прибор выполнен в виде монитора, установленного на рабочем месте диспетчера котельной (патент на полезную модель RU №74207, опубл. 20.06.2008).
Техническим результатом известного устройства является непрерывное визуальное наблюдение за показаниями водоуказательных колонок непосредственного с рабочего места диспетчера. Основное назначение уровнемерного стекла - предоставлять визуальную информацию наблюдателю. При этом прямой визуальный контроль является обязательным методом при осуществлении технологического процесса. По этой причине в реальных технологических условиях устанавливать видеокамеру в положении, ориентированном полем зрения на водоуказательную колонку, т.е. строго по центру напротив водомерного стекла, является нежелательным, т.к. уровнемерное стекло закрывается от взгляда наблюдателя, затрудняя тем самым прямой визуальный контроль. В нештатных ситуациях вызванных, например, сбоями или отказом автоматики отсутствие возможности осуществления прямого визуального контроля может привести к снижению безопасности работы резервуара, работающего при нагревании и под давлением. К недостаткам существующего устройства контроля уровня воды можно отнести недостаточные функциональные возможности, обусловленные отсутствием возможности одновременного осуществления прямого визуального и инструментального контроля уровня воды в паровом котле. Более того, задачей инструментального контроля является не только выведенное на монитор изображение уровнемерного стекла, но и количественное определение значений уровня воды. Известное устройство не позволяет определить количественное значение уровня воды в паровом котле.
Техническая задача заявляемой полезной модели - обеспечение возможности определения уровня жидкости в резервуарах, предпочтительно работающих под давлением при повышенных температурах, одновременно визуальными и аппаратными средствами.
Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет возможности одновременного прямого визуального наблюдения и инструментального контроля значений показаний уровня воды в резервуаре.
Техническая задача достигается тем, что заявляется датчик уровня жидкости для резервуара, который содержит видеокамеру, выход с которой соединен с входом преобразователя сигналов, видеокамера взаимодействует с водоуказательной колонкой с уровнемерным стеклом, преобразователь сигналов выполнен с возможностью подключения к показывающему прибору, причем видеокамера вынесена из зоны прямого наблюдения водоуказательной колонки с уровнемерным стеклом, преобразователь сигнала и видеокамера размещены в корпусе, установленном на кронштейне, жестко закрепленном на водоуказательной колонке с уровнемерным стеклом, а на водоуказательной колонке с уровнемерным стеклом дополнительно размещена прямоугольная рамка с метками.
Преобразователь сигнала содержит блок выделения области с изображением уровнемерного стекла, выход с которого соединен с входом блока распознавания меток, выход с которого соединен с входом блока построения шкалы измерений и минимизации перспективных искажений, выход с которого соединен с входом блока детектора границы двух сред, выход с которого соединен с входом блока вычислителя значения положения границы сред, выход с которого соединен с входом интерфейсного блока. Преобразователь сигнала выполнен с возможностью подключения к показывающему прибору, в качестве которого может быть использован компьютер или контроллер с монитором. Сигнал с преобразователя сигнала на показывающий прибор может передаваться посредством беспроводной связи.
Заявляемый датчик уровня жидкости для резервуара выполнен как единая конструкция, которая может быть установлена на резервуар в процессе его монтажа или при реконструкции.
Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:
- видеокамера вынесена из зоны прямого наблюдения водоуказательной колонки;
- преобразователь сигнала и видеокамера размещены в корпусе, установленном на кронштейне;
- кронштейн жестко закреплен на водоуказательной колонке с уровнемерным стеклом;
- на водоуказательной колонке с уровнемерным стеклом дополнительно размещена прямоугольная рамка с метками.
Поэтому можно предположить, что заявляемая полезная модель соответствует критерию «новизна».
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет обеспечить возможность комплексного определения уровня жидкости в резервуаре, как аппаратным, так и визуальным способом, т.к. видеокамера вынесена из зоны прямого наблюдения, но жестко закреплена на кронштейнах на водоуказательной колонке. Жесткое размещение видеокамеры вне зоны прямого наблюдения и наличие рамки с метками, имеющими заранее заданные координаты, позволяют с использованием преобразователя сигналов построить шкалу измерений и минимизировать перспективные искажения, исключить влияние вибрации и смещение видеокамеры, повысив тем самым достоверность результатов обработки сигнала, поступающего с видеокамеры, а, следовательно, обеспечив возможность количественного измерения уровня воды с повышенной точностью.
Дополнительно заявляемая полезная модель отличается тем, что преобразователь сигнала содержит блок выделения области с изображением уровнемерного стекла, выход с которого соединен с входом блока распознавания меток на прямоугольной рамке, выход с которого соединен с входом блока построения шкалы измерения и минимизации перспективных искажений, выход с которого соединен с входом блока детектора границы двух сред, выход с которого соединен с входом блока вычислителя значения положения границы сред, выход с которого соединен с входом интерфейсного блока.
Указанный преобразователь сигнала может быть конструктивно выполнен в виде электронной платы или микропроцессора или микроконтроллера, который закреплен вместе с видеокамерой в одном корпусе.
Преобразователь сигнала формирует выходной сигнал, пропорциональный значению положения границы сред. За счет возможности подключения преобразователя сигнала, в том числе посредством беспроводной связи, к компьютеру с монитором или контроллеру, обеспечив возможность вывода на монитор оператора показаний значения уровня жидкости в резервуаре.
Полезная модель может быть изготовлена с использованием известных технических средств, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
На Фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство, на Фиг. 2 показана установленная на водоуказательной колонке прямоугольная рамка с метками, на Фиг. 3 показан общий вид устройства в сборе.
Заявляемый датчик содержит водоуказательную колонку 1 с уровнемерным стеклом 2, которая при помощи импульсных трубок 3 и 4 жестко соединена с резервуаром 5 (Фиг. 1). В верхней части водоуказательной колонки 1 на кронштейне 16 установлена видеокамера 6, при этом видеокамера 6 вынесена из зоны прямого наблюдения. Это позволяет наблюдателю вести прямое наблюдение за уровнем среды, например, в случае возникновения нештатной ситуации, вызванной, например, сбоями или отказом автоматики или для обеспечения дополнительного контроля за работой котла. Выход с видеокамеры 6 соединен с входом преобразователя 7 сигнала. В преобразователе 7 сигнала выход с блока 8 выделения области с изображением уровнемерного стекла 2 соединен с входом блока 9 распознавания меток, выход которого соединен с входом блока 10 построения шкалы измерений и минимизации перспективных изображений, выход с которого соединен с входом блока 11 детектора границы двух сред, выход с которого соединен с входом блока 12 вычислителя значений положения границы сред, выход с которого соединен с входом интерфейсного блока 13. Выход интерфейсного блока 13 может быть соединен с показывающем прибором (не показан). Водоуказательная колонка 1 с уровнемерным стеклом 2 снабжена рамкой 14 с метками 15, последние могут быть выполнены графическим способом и иметь форму прямоугольников.
В исходном состоянии вода в резервуаре 5 парового котла отсутствует, в водяном и паровом пространствах резервуара находится газ (воздух), поэтому в уровнемерном стекле 2 водоуказательной колонки 1, связанного с резервуаром котла импульсными трубками 3, 4 среда одна и границы раздела сред нет. При этом сигнал на входе преобразователе 7 сигнала равен нулю. Как только уровень воды в резервуаре 5 котла превысит отметку импульсной трубки 3, в соответствии с законом сообщающихся сосудов, в уровнемерном стекле 2 появится вода и, как следствие, граница раздела сред (вода/воздух). С выхода видеокамеры 6 изображение сосуда с водой поступает на преобразователь 7 сигнала, который выделяет область кадра с изображением уровнемерного стекла (блок 8); определяет и запоминает координаты меток 15 на рамке 14 (блок 9); при помощи меток 15 на основании формулы перспективного преобразования производится ректификация изображения в плоскости уровнемерного стекла и относительно этих же меток в ректифицированном изображении строится шкала измерений (блок 10), что позволяет уменьшить до нуля составляющую погрешностей измерения, связанную с перспективными искажениями; выделяет границу раздела сред (блок 11); по построенной шкале измерений вычисляет значение положения границы раздела сред (блок 12); формирует выходной сигнал, пропорциональный значению положения границы раздела сред и видеосигнал, несущий изображение уровнемерного стекла (блок 13).
За счет исключения возможности смещения видеокамеры 6 относительно конструкции водоуказательной колонки 1, обусловленного их жестким соединением в заявляемом устройстве, минимизируются ошибки измерений уровня жидкости в резервуаре, что повышает точность измерений. Уровень жидкости дополнительно контролируется визуальным осмотром наблюдателя, который имеет прямой обзор уровнемерного стекла 2. Инструментальное измерение показаний значений уровня воды в резервуаре обеспечивается рамкой с метками, расположенной на водоуказательной колонке с уровнемерным стеклом. Также в заявляемом устройстве минимизируется ошибка измерения, связанная с изменением плотности воды, которая, в основном, проявляется во время переходных процессов, например, в процессе растопки и расхолодки котла. Экспериментальные данные показывают, что ошибка измерения не превышает ±3% от максимального значения, это позволяет в дальнейшем более точно регулировать подачу жидкости в резервуар, что определяет в конечном итоге безопасность работы резервуара, работающего под давлением при повышенных температурах.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет расширить функциональные возможности за счет возможности одновременного прямого визуального наблюдения и инструментального контроля значений показаний уровня воды в резервуаре с высокой точностью, а, следовательно, позволяет обеспечить безопасность работы резервуара.