УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR LIQUID LEVEL MONITORING

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах контроля объема и уровня жидкости.
Известен ультразвуковой индикатор уровня жидкости, содержащий ультразвуковой датчик, закрепленный на наружной стенке резервуара, и контрольно-измерительный блок для регистрации изменения высоты уровня жидкости в резервуаре (Патент США №5438868).
Недостатком устройства является низкая точность определения уровня жидкости вследствие использования звуковых волн в качестве исходного сигнала.
Известен волоконно-оптический измеритель объема и уровня жидкости, содержащий оптически согласованные волоконные световоды, светочувствительный элемент, подключенный к электронному блоку, и лазерный источник света, который установлен в верхней части боковой стенки сосуда с возможностью поворота относительно нее (Патент РФ №2187079).
Недостатком известного устройства выступает невозможность его применения в узких емкостях и трубках, а также необходимость монтажа в емкости световодов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для определения уровня текучей среды, включающее источник светового излучения, направление луча которого ориентировано под углом к стенке емкости из прозрачного материала, и линейную матрицу фотоприемников, расположенную с противоположной стороны емкости под углом к стенке емкости и электрически связанную с контроллером (Патент РФ №2452427).
К недостаткам данного решения следует отнести низкую точность определения уровня, обусловленную тем, что используется достаточно широкий пучок световых лучей, проходящих через контролируемую среду. При этом, несмотря на регулировку чувствительности элементов матрицы для отсечения света от частичной засветки отклоненными лучами, такая засветка представляет собой переменную величину, меняющуюся при прохождении через границу раздела сред, а также обусловленную неизбежной дисперсией света. Это приводит к засветке тех элементов матрицы, которые должны фиксировать отсутствие света. Кроме того, такая система не может определять скорость изменения уровня.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, служит повышение точности определения уровня и фиксация динамики его изменения с высокой точностью.
Технический результат достигается тем, что устройство снабжено второй линейной матрицей, установленной под углом к стенке емкости с той ее стороны, где установлена первая матрица, при этом источник света выполнен в виде лазера, угол ориентации луча которого находится в диапазоне 10…80° и связан с углом ориентации первой линейной матрицы следующей зависимостью:
а со второй линейной матрицей - зависимостью: γ=90°-β,
где β - угол ориентации луча к нормали к стенке емкости; α - угол наклона первой линейной матрицы к нормали к стенке емкости; γ - угол наклона второй линейной матрицы к нормали к стенке емкости; n - показатель преломления света относительно воздуха, причем лазер и обе матрицы установлены с возможностью изменения угла наклона.
Указанные отличительные признаки существенны.
Использование лазера позволяет добиться малого диаметра луча света, падающего на фотоэлементы матрицы при достаточно большой энергии излучения, что позволяет применять фотоэлементы с низкой чувствительностью и более надежно отсекать различного рода засветки. При этом задаваемое взаиморасположение лазера и линейных матриц в зависимости от показателя преломления света и величины угла ориентации луча лазера к вертикали обеспечивает падение прошедшего через контролируемую среду луча на матрицы точно под прямым углом при минимальных потерях интенсивности света в результате внутреннего отражения. Это дает высокую точность определения уровня в пределах размера фотоэлементов матрицы и толщины лазерного луча. При этом наличие второй матрицы обеспечивает фиксацию положения луча в случае полного или частичного внутреннего отражения от поверхности жидкости, так как углы преломления и отражения в определяющей степени зависят от показателя преломления света разных жидкостей.
На чертеже представлена схема устройства при прохождении лучом контролируемой среды при разных ее уровнях.
Устройство включает лазер 1, ориентированный по отношению к прозрачной стенке 2 емкости 3 (такой емкостью может быть измерительная, т.е. уровнемерная трубка, связанная, например, с резервуаром) таким образом, что его луч 4 образует с нормалью к стенке емкости угол β в пределах 10…80°. Границы данного диапазона выбраны из условия недопущения полного внутреннего отражения луча от стенок емкости и жидкости при вхождении в емкость и выходе луча из емкости. Лазер 1 установлен с возможностью изменения угла наклона. С противоположной стороны емкости 3 установлена линейная матрица фотоэлементов 5 с возможностью изменения угла наклона. С той же стороны емкости установлена вторая матрица 8 под углом к нормали к стенке емкости с возможностью изменения угла наклона. Одним из примеров линейной матрицы 5 является линейная матрица датчиков TAOS TSL208R компании Texas Advanced Optoelectronic Systems, которая имеет разрешение 200 точек на дюйм. Матрица 5 установлена под углом к прозрачной стенке 6 емкости 3 таким образом, что угол α, образуемый матрицей 5 и нормалью к стенке емкости, взаимосвязан с углом β зависимостью:  где n - относительный показатель преломления света, зависящий от свойств жидкости. Матрица 8 установлена под углом к прозрачной стенке 6 емкости 3 таким образом, что угол γ, образуемый матрицей 8 и нормалью к стенке емкости, взаимосвязан с углом β зависимостью: γ=90°-β.
При такой установке матриц 5 и 8 луч 4, преломленный и/или отраженный на разделе сред 7, падает на обе матрицы под прямым углом. Матрицы 5 и 8 электрически связаны через компьютер (не показано) с контроллером (не показано), который может управлять исполнительным устройством (не показано) для регулирования уровня жидкости.
Устройство работает следующим образом.
Луч 4 лазера 1 проходит через емкость 3 с жидкостью, пересекая ее стенки 2 и 6 в точках, разнесенных по высоте емкости в соответствии с углом наклона лазера 1. При отсутствии жидкости в зоне прохождения луча 4 он не претерпевает отклонений (для упрощения принято, что стенки емкости не изменяют положение луча) и не попадает на матрицы 5 и 8. Отсутствие сигнала с матриц не приводит в действие контроллер и исполняющий механизм. При подъеме жидкости до уровня направления луча, например, обозначенного на чертеже в позиции уровня жидкости I, луч 4, в зависимости от показателя преломления жидкости и угла ориентации луча лазера, отклоняется на разделе сред (отклоняется при вхождении в емкость с жидкостью, а при выходе из жидкости вторично преломляется или частично или полностью отражается от границы раздела сред) и попадает на матрицу 5 и/или 8. Сигналы с матриц 5 и 8 поступают на компьютер, который определяет положение луча на матрицах и его интенсивность, а обработанный сигнал поступает на контроллер, который управляет исполняющим механизмом регулирования уровня жидкости по заданной программе. При дальнейшем подъеме жидкости, например, соответственно показанному на чертеже уровню II, луч 4, преломляясь и/или отражаясь на разделе сред на этом уровне, попадает на другие участки матриц 5 и 8, то есть перемещается вдоль матриц. Скорость перемещения луча 4 прямо пропорциональна скорости подъема жидкости, что фиксируется компьютером по соответствующим сигналам с фотоэлементов матриц 5 и 8. Снижение уровня заставляет луч двигаться в обратном направлении по матрицам. Последовательность воздействия луча на фотоэлементы матриц показывает направление движения жидкости.
Данное устройство позволяет с высокой точностью определять уровень жидкости в емкости, скорость и направление его изменения.