СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ СЫПУЧИХ ИЛИ ЖИДКИХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЗЕРВУАРАХ
METHOD FOR CONTROLLING PARAMETERS OF LOOSE OR LIQUID MATERIALS IN RESERVOIRS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к области электрических измерений неэлектрических величин, и может быть использовано для регистрации уровня сыпучих сред в резервуарах в различных отраслях промышленности: химической, фармацевтической, пищевой, строительной и т.д.
Известно большое разнообразие способов контроля параметров сыпучих и жидких материалов в резервуарах, которые, в частности, сводятся к тому, что в контролируемом резервуаре создают акустическое поле и уровень среды оценивают по результатам обработки информации о характеристиках поля, получаемой с помощью одного или нескольких датчиков - электроакустических приемников [1 - 5].
Недостатком этих способов являются высокие погрешности контроля из-за влияния акустических неоднородностей среды (температуры, плотности и скорости звука), а также формы и материала стенок резервуара.
Известен радиолокационный способ измерения уровня сыпучих материалов [6], включающий измерение времени распространения радиоволн, излученных в направлении на поверхность среды и отраженных от нее, и вычисление по измеренному времени распространения радиоволн дальности до поверхности среды. Указанный способ не позволяет измерять уровень с достаточной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных конструктивными особенностями резервуара с сыпучим или жидким материалом, так как мешающие отражения искажают форму сигнала и тем самым приводят к большой ошибке в измерении времени задержки.
Известен способ измерения уровня сыпучих и жидких материалов в резервуаре, реализованный в устройстве [7], заключающийся в том, что излучают частотно-модулированный сигнал в направлении содержимого резервуара, принимают, спустя время распространения, отраженный сигнал и смешивают его с частью излучаемого сигнала для получения сигнала разностной частоты (СРЧ). Фазу этого сигнала используют для измерения расстояния до поверхности контролируемой среды, при условии поддержании постоянной самой разностной частоты, путем управления периодом модуляции. При этом фаза сигнала разностной частоты при измерении расстояния будет непрерывно меняться в пределах 2πN+ϕ пропорционально изменению расстояния. Здесь N - целое число периодов СРЧ, содержащееся в периоде модуляции, ϕ - число, соответствующее оставшейся части периода, то есть начальная фаза СРЧ.
Таким образом, определение расстояния сводится к подсчету числа N, измерению фазы ϕ и вычислению расстояния.
Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с заданной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных элементами конструкции резервуара, так как наличие помех сильно изменяет фазу сигнала и приводит к большой ошибке.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ и устройство измерения параметров жидких и сыпучих материала в резервуарах [8].
Сущность способа-прототипа заключается в том, параметры жидких и сыпучих материалов в резервуаре определяют путем преобразования изображения мерного элемента в электрический сигнал с последующей его цифровой обработкой и определением уровня, при этом с помощью телекамеры получают изображение линии пересечения поверхности материала с мерным элементом в виде мерной шкалы, преобразуют его в видеосигнал, после чего получают файл данных в виде матрицы пикселей, затем в нем с помощью заранее обученной нейронной сети производят поиск и распознавание ближайшего значения N отсчета первичной мерной шкалы и условной линии поверхности жидкости или сыпучего материала, подсчитывают количество пикселей n в изображении между найденным ближайшим значением N отсчета первичной мерной шкалы и условной линией поверхности жидкости или сыпучего материала, а вычисление уровня материала Н производят по формуле H=N-k×n, где k - коэффициент пропорциональности.
Недостатком способа-прототипа является то, что он применим, в основном, для измерения уровня жидких сред. Для определения уровня сыпучих материалов, например уровня цемента, применение указанного способа затруднено из-за того, что мерная шкала, нанесенная на боковой стороне резервуара, из-за запыленности будет трудно различимой, что приводит к большим погрешностям. Кроме того, реализация способа-прототипа относительно сложна из-за необходимости создания архитектуры нейронной системы, применения в ней множества разнообразных синапсов и из-за необходимости ее обучения.
Технической задачей, на которую направлено изобретение, является упрощение способа и повышение точности контроля.
1
2
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе измерения объема сыпучих или жидких материалов в резервуарах с помощью цифровой телекамеры, закрепленной над поверхностью измеряемого материала и герметически отделенной от него оптически прозрачным элементом, и мерной шкалы, нанесенной на боковую стенку резервуара, при этом дополнительно в центре крышки устанавливают над вторым герметически отделенным от сыпучего материала оптически прозрачным элементом лазер-дальномер, таким образом, чтобы оптическая ось лазера дальномера совпадала с осью симметрии резервуара, при этом мерную шкалу изготавливают из люминесцентной влагоустойчивой краски на основе люминофора, которую наносят на вертикальную белую полосу на внутренней боковой поверхности резервуара, предварительно загрунтованную белой краской, и покрывают шкалу пылеотталкивающей прозрачной пленкой, при этом в процессе измерения включают лазерный дальномер и цифровую видеокамеру, после чего определяют лазерным дальномером расстояние по центральной оси симметрии резервуара h от крышки до поверхности сыпучего материала или жидкого материала, а при помощи мерной шкалы и сигнала с видеокамеры определяют расстояние h от крышки резервуара до точки, лежащей на мерной шкале области пересечения поверхности сыпучего или жидкого материала с поверхностью резервуара, и объем сыпучего или жидкого материала в резервуаре рассчитывают по формуле , где Н - высота резервуара, D - диаметр резервуара.
На фиг. 1 изображен сыпучий материал в резервуаре, после засыпки в него порции сыпучего материала (А) и отсыпки из него порции сыпучего материала (Б). На фиг. 1 (С) изображен резервуар с жидким материалом. На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - резервуар высотой Н и диаметром D; 2 - крышка; 3 - цифровая камера; 4 - оптически прозрачное окно; 5 - белая вертикальная полоса; 6 - шкала;7 - лазер-дальномер; 8 - оптически прозрачное окно; 9 - сыпучий материал; 10 - заслонка; 11 - высыпная воронка, 12 - жидкость, 13 - сливное устройство, 14 - нижняя крышка.
Сущность изобретения заключается в следующем.
К сыпучим материалам можно отнести: цемент, муку, опилки, зерно, сахар, соль, крупу и т.д. Эти материалы широко используются в различных отраслях промышленности. При учете прихода и расхода сыпучего материала основным параметром является его объем. Рассмотренные же выше аналоги не позволяют определить с достаточной точностью указанный параметр. Кроме того, все они обладают сложностью при их реализации. В предлагаемом решении определение объема сыпучего материала можно реализовать следующим образом.
Известно, что все сыпучие материалы при их высыпании в любой резервуар в верхней части образуют некоторую нелинейную поверхность, наиболее приближенную к поверхности конуса. Эта характерная особенность сыпучих материалов явилась основанием для введения в качестве одной из основных характеристик сыпучих материалов так называемого «угла естественного откоса α» (см. фиг. 1 А). Угол естественного откоса (иногда также угол внутреннего трения, угол ската) - угол, образованный свободной поверхностью сыпучего материала с горизонтальной плоскостью. Иногда может быть использован термин «угол внешнего трения». Частицы материала, находящиеся на свободной поверхности насыпи, испытывают состояние критического (предельного) равновесия. Угол естественного откоса связан с коэффициентом трения и зависит от шероховатости зерен, степени их увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от удельного веса материала.
Обычно для измерения объема вещества в резервуаре, частью объема, находящегося под нелинейной поверхностью, пренебрегают, а объем вещества рассчитывают, как объем цилиндра, если резервуар цилиндрический. Так как объем сыпучего материала под нелинейной поверхностью обычно не измеряется, то это приводит к погрешности до 5-10 процентов и более в зависимости от уровня вещества в резервуаре. Поэтому необходимо предложить способ для более точного измерения объема вещества, например цемента, при его дозировании для производства строительных изделий. Рассмотрим, как это можно реализовать.
Наиболее часто для загрузки сыпучего материала используют резервуар 1, выполненный в виде цилиндра (см. фиг. 1).
1
Резервуар 1 обычно закрывается герметичной крышкой 2, для того чтобы предотвратить попадание в сыпучий материал влаги, пыли или иных инородных включений. Если в центральной части на крышке 1, разместить лазер-дальномер 7 над герметичным оптически прозрачным окном 8, то при помощи лазера-дальномера можно определить расстояние по оси симметрии резервуара h от крышки до поверхности сыпучего материала.
2
При помощи же цифровой видеокамеры 3, расположенной над герметичным оптически прозрачным окном 4, и мерной шкалы 6, нанесенной светящейся люминесцентной водостойкой краской на вертикальную, загрунтованную белой краской полосу 5, расположенную на внутренней боковой стенке резервуара, определяют расстояния h до точки, лежащей в месте пересечения поверхности резервуара с поверхностью сыпучего материала. Для обеспечения требуемой освещенности для контрастной регистрации при помощи цифровой фотокамеры поверхности сыпучего материала мерную шкалу покрывают пылеотталкивающей прозрачной пленкой. Наиболее яркое свечение мерной шкалы будет на однотонной белой поверхности, темное основание больше поглощает излучаемой энергии. Поэтому при нанесении мерной шкалы 6 на внутреннюю боковую поверхность резервуара ее предварительно рекомендуется обработать белым грунтом 5.
Сыпучий материал 9 обычно отделяется от высыпной воронки 11 при помощи заслонки 10.
В процессе работы с сыпучим материалом могут быть реализованы два варианта. Первый вариант возникает при засыпке сыпучего материала в резервуар. При этом в верхней части сыпучего материала образуется горка, в форме круглого конуса, вершина которого направлена вверх (фиг. 1 А). Второй вариант реализуется при высыпании некоторого объема сыпучего материала 7 из резервуара 1. При этом на поверхности сыпучего материала образуется коническая воронка, с вершиной направленной вниз (фиг. 1 Б).
1
2
Рассмотрим, как по результатам измерения h и h при знании внутренних габаритов цилиндрического резервуара (его высоты Н и диаметра D) можно определить объем сыпучего материала в резервуаре.
b
Объем сыпучего материала V, заключенный между дном (заслонкой 11) резервуара 1 и линией пересечения поверхности сыпучего материала 9 с поверхностью резервуара 1, можно определить по формуле
2
Объем V сыпучего материала, находящегося в конической части сыпучего материала, равен
Объем сыпучего материала в резервуаре Vc равен
В выражении (3) знак (+) ставится, если реализован первый вариант (фиг. 1 А), знак (-) ставится, когда реализован второй вариант (фиг. 1 Б).
Подставим в выражение (3) выражения (1) и (2), получим
Таким образом, объем сыпучего материала в резервуаре можно определить по формуле
2
1
2
1
2
2
Формула (5) учитывает оба варианта. В случае первого варианта (фиг. 1 А) выполняется неравенство h>h, и V имеет знак «+». В случае второго варианта (фиг. 1 Б) выполняется неравенство h>h, и V имеет знак «-».
2
1
В случае измерения уровня жидкого материала (фиг. 1 С) формула (5) также справедлива, так как h=h
Пример конкретного выполнения 1.
3
В цилиндрический бункер 1 высотой Н=4 метра и диаметром D=1,6 метра был засыпан цемент с заранее измеренным объемом, равным 5 м (см. фиг. 1 А).
В центральной части герметичной крышки имелось герметичное оптическое окно 8, выполненное из кварцевого оптического стекла, толщиной 10 мм. С внутренней стороны оптическое окно 8 было покрыто прозрачной пылеотталкивающей лаковой пленкой из POLISTAR Р 8670 [9].
3
4
С наружной стороны окна был установлен лазерный дальномер 7 фирмы SICK марки ДТ50. На боковой стороне вертикально была нанесена белая полоса грунтовкой ГФ 021 (21). После высыхания нанесенной белой полосы на нее была нанесена мерная шкала светящейся люминесцентной краской на основе люминофора SP-2, обработанного в водном растворе фосфорной кислоты НРО. Водоотталкивающие свойства люминесцентной краски обеспечивались смесью люминофора с эпоксидной смолой и с водоотталкивающим полиуретановым лаком. После высыхания мерная шкала покрывалась пылеотталкивающей лаковой пленкой из POLISTAR Р 8670. Цвет у мерной шкалы был светло-желтым.
Мерная шкала представляла собой равномерно нанесенные горизонтальные линии с ценой деления 1 мм. Через каждые 10 мм на мерной шкале нанесены цифровые значения 1 см, 2 см… и т.д. За нулевой отсчет была принята внутренняя поверхность крышки 2.
Покрытие внутренней части оптического окна 4 и поверхности светодиодов 5 пылеотталкивающей прозрачной пленкой осуществлялось для того, чтобы оптический тракт не загрязнялся, и на цифровой видеокамере получались четкие и контрастные изображения поверхности измеряемого вещества. В периферийной части герметичной крышки имелось еще одно герметичное оптическое окно 4, выполненное из кварцевого оптического стекла, толщиной 10 мм. С внутренней стороны оптическое окно 4 было покрыто прозрачной пылеотталкивающей лаковой пленкой из POLISTAR Р 8670 [9]. Над оптическим окном 4 была установлена цифровая промышленная видеокамера LXG Visual Applets.
1
1
2
2
-6
После засыпки в резервуар 1 цемента 9 включали лазер-дальномер 7, и цифровую промышленную видеокамеру LXG-3. Про помощи лазера-дальномера 7 определяли величину h. Она оказалась равной h=0,8 м. С помощью цифровой камеры 3 и мерной шкалы 6 определяли величину h. Величину h определяли следующим образом. На видеоизображении цифровой камеры 3 определяли последнюю цифру на мерной шкале 6, видимую над пересечением поверхности материала с мерной шкалой. Если под последним, обозреваемым при помощи видеокамеры цифровым значением на мерной шкале над поверхностью сыпучего материала, имелись еще более мелкие деления, то их величину определяли по количеству пикселей на экране цифровой камеры 3. В рассматриваемом случае в обозримой области цифровой камеры 3 была зарегистрирована на мерной шкале последняя цифра перед поверхностью сыпучего материала 160 см, а количество k пикселей между этой цифрой на мерной шкале до границы пересечения сыпучего материала 9 с поверхностью резервуаре 1 было равно k=910. Так как расстояние в 1 пиксель на экране цифровой камеры соответствовало 5,5 мкм (5,5×10 м), то величина
2
-6
-6
h=1,6+5,5×10×k=1,6+5,5×10×910=1,605 м. По результатам измерения был вычислен объем по формуле (5)
Таким образом, относительная погрешность измерения объема цемента по заявляемому способу была равна
Пример конкретного выполнения 2.
3
3
Из цилиндрического бункера 1 высотой Н=4 метра и диаметром D=1,6 метра, в котором был засыпан цемент с измеренным объемом, равным 5 м, высыпали 1,65 м цемента (см. фиг. 1 Б).
1
2
1
2
После высыпания из резервуара 1 цемента 9 аналогичным образом, как и в примере 1, измерялись h и h. Они оказались равны h=3 м и h=2,2 м. По результатам измерения был вычислен объем сыпучего материала в резервуаре 1 по формуле (5)
По результатам измерения количество высыпанного из резервуара цемента было равно
Таким образом, относительная погрешность измерения объема цемента по заявляемому способу была равна
Пример конкретного выполнения 3.
3
В цилиндрический бункер 1 высотой Н=4 метра и диаметром D=1,6 метра был залит мазут 13 с заранее измеренным объемом, равным 4,82 м (см. фиг. 1 А).
В центральной части герметичной крышки имелось герметичное оптическое окно 8, выполненное из кварцевого оптического стекла, толщиной 10 мм. С внутренней стороны оптическое окно 8 было покрыто прозрачной пылеотталкивающей лаковой пленкой из POLISTAR Р 8670 [9].
3
4
С наружной стороны окна был установлен лазерный дальномер 7 фирмы SICK марки ДТ50. На боковой стороне вертикально была нанесена белая полоса грунтовкой ГФ 021 (21). После высыхания нанесенной белой полосы на нее была нанесена мерная шкала светящейся люминесцентной краской на основе люминофора SP-2, обработанного в водном растворе фосфорной кислоты НРО. Водоотталкивающие свойства люминесцентной краски обеспечивались смесью люминофора с эпоксидной смолой и с водоотталкивающим полиуретановым лаком. После высыхания мерная шкала покрывалась пылеотталкивающей лаковой пленкой из POLISTAR Р 8670. Цвет у мерной шкалы был светло-желтым.
Мерная шкала представляла собой равномерно нанесенные горизонтальные линии с ценой деления 1 мм. Через каждые 10 мм на мерной шкале нанесены цифровые значения 1 см, 2 см… и т.д. За нулевой отсчет была принята внутренняя поверхность крышки 2.
Покрытие внутренней части оптического окна 4 и поверхности светодиодов 5 пылеотталкивающей прозрачной пленкой осуществлялось для того, чтобы оптический тракт не загрязнялся, и на цифровой видеокамере получались четкие и контрастные изображения поверхности измеряемого вещества. В периферийной части герметичной крышки имелось еще одно герметичное оптическое окно 4, выполненное из кварцевого оптического стекла, толщиной 10 мм. С внутренней стороны оптическое окно 4 было покрыто прозрачной пылеотталкивающей лаковой пленкой из POLISTAR Р 8670 [9]. Над оптическим окном 4 была установлена цифровая промышленная видеокамера LXG Visual Applets.
1
1
2
2
2
1
2
-6
-6
После того как в резервуар 1 был налит мазут 13, включали лазер-дальномер 7 и цифровую промышленную видеокамеру LXG- 3. Про помощи лазера-дальномера 7 определяли величину h. Она оказалась равной h=l,6 м. С помощью цифровой камеры 3 и мерной шкалы 6 определяли величину h. Величину h определяли следующим образом. На видеоизображении цифровой камеры 3 определяли последнюю цифру на мерной шкале 6, видимую над пересечением поверхности материала с мерной шкалой. Если под последним, обозреваемым при помощи видеокамеры цифровым значением на мерной шкале над поверхностью сыпучего материала, имелись еще более мелкие деления, то их величину определяли по количеству пикселей на экране цифровой камеры 3. В рассматриваемом случае в обозримой области цифровой камеры 3 была зарегистрирована на мерной шкале последняя цифра перед поверхностью сыпучего материала 180 см, а количество k пикселей между этой цифрой на мерной шкале до границы пересечения сыпучего материала 9 с поверхностью резервуаре 1 было равно 182. Так как расстояние в 1 пиксель на экране цифровой камеры соответствовало 5,5 мкм (5,5×10 м), то величина h=1,6+5,5×10×182=1,601м≅1,6. Иными словами h≅h≅1,6 м
По результатам измерения был вычислен объем по формуле (5)
Таким образом, погрешность измерения пол заявляемому способу составляет не выше (0,2÷1,6) %, тогда как измерения по способу - прототипу, по ориентировочным оценкам, она составляет не менее (5÷7) %, что более, чем не менее чем в 4 раза хуже.
Кроме того, по сравнению со способом-прототипом заявляемый способ существенно упрощен, так как для своей реализации он не требует построения сложной архитектуры нейронной сети, ее обучения и множества датчиков (синапсов).
Источники информации
1. Бергман А. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. М., 1957, с. 406.
2. Патент США N 3922914, МПК G01F 23/28. Каталог переводов описаний изобретений. М., 1988, N5, c.88.
3. Патент РФ N 2037144, МПК G01F 23/28, 1995, БИ №6.
4. Патент РФ N 2047844, МПК G01F 23/28, 1995, БИ №26.
5. Патент Франции N 2436372, МПК G01F 23/28.
6. Марфин В.П., Кузнецов Ф.В. СВЧ уровнемер. // Приборы и системы управления. 1979, №11. С.28-29.
7. Патент РФ №2234717, G01S 13/34, 04.03.2003.
8. Патент РФ №2279642. Способ измерения уровня сыпучих или жидких материалов и устройство для его осуществления/Якимович Е.А., Замятин Н.В. - Опубл 10.07.2006, Бюл. №19- (Прототип).
9. http://vsedlyapolov.ru/materialy/polimery-dlya-polov/smoly-nalivnye/mpm-smoly/polistar-p-8670.html