ЛАЗЕРНЫЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ

Уровнемеры - это специальные устройства, которые используются для определения уровня жидкостей, порошков и других, материалов или сырья в определенных резервуарах, в которых они хранятся, или в рабочей среде.
Такие устройства в своей разработке стремятся обеспечить максимальную простоту в работе и точность измерений.
Полезная модель «Лазерный уровнемер жидкости» относится к устройствам дл определения уровня жидкостей и может быть промышленно применима.
Полезная модель представляет собой конструкцию, состоящую из трех основных частей:
1) трубчатой штанги (нижний конец штанги погружается в жидкость до упора в дно резервуара, верхний конец штанги имеет скользящее фланцевое соединение с сальниковыми уплотнениями, которое прикрепляется к соответствующему технологическому отверстию резервуара);
2) корпуса электронного блока с расположенными внутри него датчиком измерения уровня на базе лазерного дальномера (1 на чертеже) (далее - ДИУ) и блоком преобразования сигналов (2 на чертеже) (далее - БПС), установленного на верхнем конце штанги, с внешней стороны фланца крепления к резервуару (3 на чертеже). Для сохранения герметичности резервуара луч лазера (4 на чертеже) должен проходить в резервуар через оптический разделитель сред, представляющий собой металлический тубус с герметично встроенным кварцевым стеклом, установленным в верхней части штанги, перед корпусом электронного блока.
3) в качестве отражающей поверхности для работы ДИУ применена верхняя сторона свободно плавающего в жидкости плоского дискового поплавка (5 на чертеже) (диаметром 33 мм и толщиной 5 мм), расположенного во внутренней полости штанги УД (6 на чертеже), представляющей собой тонкостенную трубу из нержавеющей стали внутренним диаметром 37 мм. Поплавок, служащий диффузным отражателем лазерного излучения, выполнен из полимерного материала малой собственной плотности, обеспечивающего плавучесть поплавка в любых измеряемых жидкостях и не смачиваемого ими, и имеет коэффициент диффузного отражения не менее 90% в соответствии с ГОСТ 8.557, обеспечивающий в широком диапазоне измерений уровня жидкости поток отраженного излучения выше порога чувствительности фотоприемника лазерного датчика. Поплавок имеет достаточный зазор (3-4 мм по диаметру) относительно внутреннего диаметра трубы штанги, обеспечивающий свободное движение поплавка внутри трубы, исключающий трение о ее стенки. Труба штанги заглушена снизу крышкой, имеющей небольшое отверстие (диаметром 5 мм) для прохода жидкости во внутреннюю полость. Второе такое же отверстие для выхода воздуха при движении жидкости внутри трубы находится в стенке трубы в верхней ее части, перед тубусом оптического разделителя. Внутренняя полость трубы связана с внутренней полостью резервуара как сообщающиеся сосуды. При быстром наполнении резервуара жидкостью возникающие волны и колебания уровня не оказывают влияния на поплавок за счет дросселирования наполнения внутренней полости трубы через нижнее отверстие, и также происходит демпфирование уровня столбом жидкости.
ДИУ представляет собой лазерный дальномер, измеряющий высоту уровня жидкости во внутренней полости штанги.
Из уровня техники известны различные технические решения, относящиеся к устройствам для определения уровня жидкостей
Известен «Поплавковый уровнемер жидкости», содержащий поплавок, выполненный так, что он размещен на поверхности жидкости и снабжен вертикальными направляющими, а также вертикально расположенную линейку со шкалой, отличающийся тем, что на поплавке размещены собирательная и рассеивающая линзы, оптические оси которых пересекаются и расположены в горизонтальной плоскости так, что в поле зрения линз расположена шкала линейки, при этом к рассеивающей линзе подведен выходной торец первого гибкого волоконного световода, к собирающей линзе - входной торец второго гибкого волоконного световода, а входной торец первого световода и выходной торец второго световода подведены соответственно к источнику света и видеопреобразователю съемной телевизионной камеры, соединенной с телевизионным приемником (см. патент на изобретение №3328 от 12.05.1995 г.).
Недостатком рассмотренного аналога является его поплавковая конструкция с механической работой, исключающей работу лазера, а также необходимость использования видеопреобразователя съемной телевизионной камеры.
Также известен «Автономный дискретный электрохимический уровнемер жидкости», включающий корпус, установленный вертикально, датчики сигнализации уровня жидкости, расположенные вертикально в ряд, отличающийся тем, что корпус выполнен из электроизоляционного материала, внутри которого размещена воздушная камера и вертикальный канал для рабочей жидкости, отделенный стенкой от воздушной камеры, в качестве датчиков сигнализации взяты газодиффузионные воздушные катоды, вмонтированные герметично в стенку, разделяющую воздушную камеру и вертикальный канал, корпус герметично присоединен к расположенной под ним емкости для рабочей жидкости, в которую вмонтирована мембрана из эластичного материала (см. патент на полезную модель №84113 от 19.02.2009 г.).
Недостаток рассмотренного аналога заключается в необходимости использования газодиффузионных воздушных катодов, которые вмонтированные герметично в стенку, разделяющую воздушную камеру и вертикальный канал.
В качестве ближайшего аналога полезной модели выбрано техническое решение - «Уровнемер жидкости», содержащий цилиндрический корпус, внутренняя полость которого через выполненные в его нижней части каналы сообщена с полостью резервуара, размещенный с возможностью вертикального перемещения в цилиндрическом корпусе поплавок, верхняя поверхность которого покрыта зеркальным слоем, источник и приемник излучения, связанные с внутренней полостью цилиндрического корпуса через оптический замыкатель, выполненный в виде диска с окнами, на внешнюю поверхность которого нанесен отражающий слой, уголковый отражатель и блок управления последовательностью операций, электрически связанный с источником и приемником излучения и с приводом вращения оптического замыкателя, отличающийся тем, что дополнительно содержит ступенчатую полую цилиндрическую насадку, имеющую опорное основание для герметичного крепления на горловине жесткого вертикального резервуара, второй уголковый отражатель и стеклянную перегородку, разделяющую ступени полой цилиндрической насадки, в ступени меньшего диаметра которой закреплена с возможностью ограниченного вертикального перемещения труба с коаксиально установленным в ней цилиндрическим корпусом уровнемера, кольцевой зазор между которыми у нижних торцов герметично закрыт от контакта с измеряемой жидкостью горизонтальной перегородкой с отражающим слоем на внутренней поверхности, а в ступени большего диаметра полой цилиндрической насадки размещен оптический замыкатель, в одном из окон которого установлены встречно первый и второй уголковые отражатели, при этом источник и приемник излучения и привод оптического замыкателя установлены на опорном основании ступенчатой полой цилиндрической насадки (см. патент на полезную модель №56599 от 26.05.2006 г.).
Недостатком рассмотренного ближайшего аналога являются ограниченные возможности его применения в виду необходимости дополнительной электрической связи и оптического замыкателя. Кроме того, представленная конструкция аналога приводит к значительному удорожанию конечного изделия за счет большого количества составных элементов изделия.
В основу создания предложенной полезной модели поставлена задача изготовления такого устройства, которое будет обеспечивать метод измерения уровня, который отличается большой временной и температурной стабильностью за счет стабильности длины волны лазерного светодиода, использующегося в фазовом лазерном дальномере в качестве излучателя.
Основным техническим результатом заявленной полезной модели является упрощение конструкции и улучшение точности измерения, в том числе благодаря стабильности длины волны лазерного светодиода, использующегося в фазовом лазерном дальномере в качестве излучателя.
Поставленные задачи решаются, а технические результаты достигаются тем, что так как лазерный дальномер измеряет расстояние от себя и на удаление, в программном обеспечении для измерения уровня заложены следующие вычисления.
До установки на резервуар, в вертикальном положении уровнемера, измеряется установочная константа:
л0
где Н - показания лазерного дальномера в начальном положении, мм;
п
Н - толщина поплавка, мм;
к
Н - толщина крышки штанги, мм.
0
Полученное значение константы Н вводится в ПО уровнемера.
Далее уровнемер устанавливается на резервуар, штангой до упора в дно, строго в вертикальном положении.
При каждом дальнейшем измерении уровень вычисляется по формуле:
где h - значение вычисленного уровня жидкости, мм;
л
Н - показания лазерного дальномера при каждом измерении уровня жидкости, мм;
0
Н - установочная константа, мм.
0
Окончательно уровнемер калибруется корректировкой в небольших пределах установочной константы Н за счет некоторого притапливания поплавка в жидкости по одной точке в сравнении с показаниями образцового средства измерения уровня.
0
Точность измерения зависит от разрешающей способности лазерного дальномера, точности измерений толщины крышки штанги и поплавка, точности вычисления константы Н и может достигать ±0,3…0,5 мм.
Сущность заявленного технического решения поясняется схемой готового изделия.
На фиг. 1 изображена схема готового изделия.
На сегодняшний день предложенная полезная модель за счет своей новизны и любых форм (вариантов) изготовления (в том числе внешнего вида изделия), может стать наиболее эффективным и востребованным средством для лазерного измерения уровня жидкостей
Предложенное техническое решение позволит расширить арсенал имеющихся уровнемеров.