СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к средствам контроля уровня жидкости в резервуарах, например, на автозаправочных станциях, и может быть использовано также в нефтяной, топливной, химической и других отраслях промышленности.
Известно простейшее устройство определения уровня жидкости в виде метроштока, имеющего трубчатую конструкцию кругового сечения с нанесенной на нее метрической шкалой в виде металлической измерительной ленты (см. RU, свидетельство на полезную модель №3754, МПК G 01 F 23/04, 1997 г.).
Это устройство широко распространено в силу своей простоты и дешевизны, но оно дает очень низкую точность измерения и не пригодно для использования в герметичных емкостях.
Известен индикатор уровня жидкости, конструкция которого характеризуется тем, что на опорном элементе, помещенном в контролируемую емкость, расположен ряд световодов, закрепленнх на некотором расстоянии друг от друга, при этом каждый световод разрезан в некоторой точке и полученные части расположены с зазором, определяемым исходя из того, что возможность прохождения светового потока через зазор от одной части световода к другой зависит от наличия или отсутствия в этом зазоре контролируемой жидкости. Зазоры в световодах располагают на разной высоте (см. ЕР, заявка №176194 МПК G 01 F 23/22, 1986 г.).
Недостатком этого аналога является недостаточная точность измерения и сложность устройства, реализующего способ.
На практике наиболее часто используются поплавковые уровнемеры, обладающие относительно простой конструкцией и приемлемой точностью измерения уровня.
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, при этом на поплавке размещены собирательная и рассеивающая линзы, оптические оси которых пересекаются и расположены в горизонтальной плоскости так, что в поле зрения линз
расположена шакала линейки. К рассеивающей линзе подведен выходной торец первого гибкого волоконного световода, к собирающей линзе - входной торец второго гибкого волоконного световода, а входной торец первого гибкого волоконного световода и выходной торец второго гибкого волоконного световода подведены соответственно к источнику света и видеопреобразователю съемной телевизионной камеры, соединенной с телевизионным приемником (RU, №3328, U1, 1996 г.)
Наиболее близким техническим решением является уровнемер, в котором для измерения уровня жидкости используют поплавок, изображение с поверхности которого вводят с помощью телевизионной камеры в цифровое вычислительное устройство, где по полученному цифровому отображению исходного изображения выполняют расчет уровня жидкости. Полученный результат выводят на устройство визуального отображения или распечатывают на принтере (см. RU патент №2126529, МПК G 01 F 23/64, 1999 г.).
Данный уровнемер имеет ряд достоинств, а именно:
- позволяет производить измерения в герметичной емкости,
- цифровой метод обработки информации позволяет обеспечить достаточную точность измерения;
- при оборудовании вычислительного устройства модемом, сопряженным с телефонной линией, обеспечена возможность дистанционного определения уровня жидкости в резервуаре, а также возможность многоканальных измерений (для одновременного получения информации об уровне жидкости в нескольких емкостях);
- из полученных данных об уровне жидкости с помощью вычислительного устройства легко получить дополнительную информацию - рассчитать объем жидкости.
В качестве недостатка можно отметить использование в данной системе поплавка со струнами-растяжками, то есть элемента механической системы. В связи с тем, что измерение осуществляется по изображению поплавка, при наличии даже небольшого его перекоса в горизонтальной плоскости точность измерения уровня резко упадет. Другим недостатком известного технического решения является необходимость достаточно интенсивной подсветки поверхности поплавка вследствие того, что камера закреплена неподвижно в емкости на значительном расстоянии от поплавка, при этом расстояние до поплавка при изменении уровня изменяется.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание простого технологичного устройства с высокой точностью измерения и надежностью в работе,
имеющего хорошие эксплуатационные показателями (долговечность, ремонтопригодность) и обеспечивающего при этом возможность измерения уровня жидкости в герметичных резервуарах..
Поставленная задача решается за счет того, что на вертикально или наклонно расположенной мерной линейке, роль которой может выполнять световод, одним либо двумя своими концами соединенный с источником (-ами) светового излучения, по длине мерной линейки нанесены дискретно расположенные метки, обозначающие глубину, рядом с которыми цифрами указана ее величина. Цифры, расположенные рядом с дискретно расположенными метками могут иметь форму круга и быть сгруппированы так, что образуют двоичный код, позволяющий при «считывании» информации с мерной линейки телевизионной камерой «грубо» определить глубину нахождения поверхности раздела жидкость-воздух. Метки, указывающие глубину расположения уровня жидкости, и цифры в двоичном коде обозначаются на световоде зонами, освобожденными от оболочки, или же может быть использован световод, полностью освобожденный от оболочки, а в зонах, соответствующих метке глубины и цифре, может быть нарушено условие полного внутреннего отражения (например, нанесением микронеровностей на сердцевину световода). Вблизи мерной линейки располагают вторую мерную линейку - световод, также имеющий зоны, в которых не выполняется условие полного внутреннего отражения, причем эти зоны (в виде кружков - «точек») нанесены через возможно малый интервал, определяющий точность измерения уровня жидкости.
В резервуаре размещен поплавок, частично погруженный в жидкость. Телевизионная камера, заключенная в герметичный корпус, неподвижно закреплена на поплавке, имеющем возможность вертикального перемещения при изменении уровня жидкости в резервуаре. Поплавок снабжен средствами, удерживающими его от горизонтальных перемещений. Телевизионная камера своим выходом через канал передач телевизионного сигнала соединена с последовательно связанными устройством ввода телевизионного изображения, цифровым вычислительным устройством и устройством отображения результатов измерения.
Об уровне жидкости в резервуаре судят по степени рассеивания светового излучения, регистрируемого телевизионной камерой в зонах световода, дискретно расположенных по его длине. Степень рассеивания светового излучения зависит от соотношения показателей преломления сердцевины световода и внешней среды - жидкости или воздуха, при этом дискретно расположенные по длине световода зоны (первой и
второй мерных линеек) создают на участках сердцевины световода, свободных от оболочки, путем нанесения на поверхность сердцевины микронеровностей таким образом, чтобы обеспечить в этих зонах нарушение условия полного внутреннего отражения Используемая в качестве приемника излучения телевизионная цифровая камера, получающая изображение световода в месте расположения границы жидкости, позволяет получить сигнал, который вводят в цифровое вычислительное устройство, где по совокупности двух цифровых отображений, а именно исходного изображения первой («грубой») мерной линейки, дающей цифровое значение в двоичном коде глубины расположения раздела сред воздух-жидкость, и второй мерной линейки, дающей точное значение глубины относительно показания первой мерной линейки, выполняют расчет уровня жидкости.
При этом дискретно расположенные по длине световода зоны находятся на одной образующей поверхности сердцевины световода.
Сигнализатор уровня жидкости содержит первую мерную линейку, на которую нанесены деления с указанием глубины, вторую мерную линейку, на которую нанесены метки с меньшей ценой деления, поплавок, закрепленный с возможностью вертикального перемещения, и телевизионную камеру, которая неподвижно закреплена на поплавке так, что обеспечивает передачу изображений обеих мерных линеек.
Мерные линейки могут выполняться в виде световода, метки (деления) на который наносят путем его специальной обработки. Световод может быть закреплен на опорном элементе - штоке, который устанавливается вертикально Метки (деления) могут наноситься, в частности, следующим образом. Сердцевину световода обрабатывают в определенных зонах световода, дискретно расположенных по его длине и соответствующих месту расположения деления с указанием глубины или метки с меньшей ценой деления, при этом обработка обеспечивает нарушение условия полного внутреннего отражения. В качестве приемника излучения предпочтительно может быть использована цифровая телевизионная камера, связанная каналом передачи сигнала с цифровым вычислительным устройством, а дискретно расположенные по длине световода зоны, обеспечивающие разную степень рассеивания светового излучения в зависимости от соотношения показателей преломления сердцевины световода и внешней среды - жидкости или воздуха, образованы на участках сердцевины световода, свободных от оболочки, путем нанесения на поверхность сердцевины микронеровностей, обеспечивающих в этих зонах нарушение условия полного внутреннего отражения.
Для закрепления световода на опорном элементе может быть выполнен желоб под световод, причем глубина желоба меньше диаметра сердцевины световода.
Технический результат - достижение высокой точности определения уровня, достигаемый предложенной полезной моделью, обусловлен тем, что сигнал, воспринимаемый телевизионной камерой, не зависит от положения (перекосов) поплавка, так как определение уровня ведется по изображению светящихся зон на поверхности световода, находящихся в поле зрения камеры. Для восприятия информации цифровой камерой достаточно небольшой подсветки, так как камера находится вблизи мерной линейки. При использовании световодов в качестве мерных линеек подсветка вообще не требуется. Точность результата определения при этом определяется только технологическими возможностями нанесения микронеровностей с определенным шагом на поверхность сердцевины световода и разрешающей способностью камеры.
Простота, надежность и технологичность сигнализатора уровня топлива определяется его сходством с первым аналогом - метроштоком, но при этом возможно получать данные об уровне жидкости в герметичных резервуарах, в том числе при.изображении метрической шкалы на световоде в виде дискретно расположенных по длине световода зон, обеспечивающих рассеивание светового излучения, в виде участков сердцевины с нанесенными на нее микронеровностями, чтобы обеспечить в этих зонах нарушение условия полного внутреннего отражения при изменении показателя преломления внешней среды.
Кроме того, в сигнализатор уровня входит система обработки видеосигнала с использованием электронно-вычислительной машины, которая является общеупотребимой, хорошо проработанной системой и не требует специальной дополнительной разработки или переподготовки персонала.
Долговечность и ремонтопригодность устройства определяется его простотой.
Сигнализатор выполнен следующим образом. Поплавок, на котором закреплена телевизионная камера, преимущественно цифровая, погружают в жидкость, находящуюся в емкости. Поплавок имеет возможность свободного вертикального перемещения и лишен возможности горизонтального перемещения по поверхности жидкости. Такое закрепление поплавка выполняется любыми известными средствами, например, с помощью вертикальных струн-направляющих, свободно проходящих через проушины в поплавке, как это сделано в патенте -ближайшем аналоге.
Телевизионная камера расположена в герметичном корпусе, при этом упомянутый герметичный корпус может выполнять функцию поплавка, в этом случае наличия отдельного элемента поплавка не требуется. Телевизионная камера связана каналом передачи телевизионного сигнала (преимущественно коаксиальным кабелем) связана через коммутатор и устройство ввода кадра телевизионного сигнала с вычислительным устройством. Выход вычислительного устройства соединен со средствами индикации уровня жидкости.
Объектив телевизионной камеры располагают вблизи поверхности жидкости так, чтобы захватывать в поле обзора деления мерной линейки, обозначенные цифрами. В этом случае телевизионная камера должна быть снабжена устройством для подсветки мерной линейки.
Предпочтительным вариантом исполнения полезной модели является выполнение образцовой мерной линейки волоконно-оптической, состоящей из двух световодов. Первый световод выполняют с делениями большей цены и обозначают каждое деление цифрой, изображенной в двоичном коде, воспринимаемой телевизионной камерой. Второй световод имеет деления возможно меньшей цены, не обозначенные цифрами. Место положения уровня жидкости определяется по показаниям обоих световодов, при этом первый световод дает «грубые» сведения о глубине расположения уровня жидкости, а по «мелким» делениям второго световода определяют точное расположение уровня жидкости относительно делений первого световода.
Световод состоит из сердцевины и оболочки, к каждому световоду подключен источник светового излучения, расположенный у одного конца световода, при этом другой конец световода либо свободен, либо к нему может быть подключен второй источник светового излучения. Опорный элемент - шток для прикрепления к нему световода располагают в емкости вертикально.
Сердцевина световода в ряде зон, образующих деления мерной линейки, обработана для получения микронеровностей. Эти микронеровности находятся в заранее определенных участках световода, дискретно расположенных по его длине, и обеспечивают нарушение условия полного внутреннего отражения при нахождении в жидкости.
На боковой поверхности опорного элемента - штока могут быть выполнены желобы под световоды, причем глубина желоба должна быть меньше диаметра сердцевины световода. Приемником излучения световодов служит телевизионная цифровая камера.
Вдоль образующей поверхности сердцевины световода образуют дискретно расположенные зоны, где сердцевина свободна от оболочки. Может быть также использована только сердцевина световода, то есть световод, по всей рабочей длине которого удалена оболочка. Поверхность сердцевины обрабатывают для получения микронеровностей таким образом, чтобы обеспечить в этих зонах с микронеровностями нарушение условия полного внутреннего отражения.
Оба подготовленных световода укладывают в желоба, ориентированные вдоль оси опорного элемента -штока и прикрепляют к нему. Затем устанавливают шток в емкость, верхний конец каждого световода сочленяют с источником светового излучения, например светодиодом. Нижний конец световода либо свободен, либо его сочленяют со вторым источником светового излучения.
Сектор обзора телевизионной камеры выбирается таким образом, чтобы в него входили два смежных деления первого световода, деления которого обозначены цифрами в двоичном коде.
Работа сигнализатора осуществляется следующим образом.
В воздухе, выше уровня жидкости, из-за разности показателей преломления воздуха и сердцевины световода рассеивание светового излучения превышает его рассеивание в жидкости, где показатели преломления световода и жидкости близки по величине. За счет этого зоны с микронеровностями, расположенные в воздухе, имеют большую яркость, чем участки, находящиеся в жидкости. Оптические сигналы от зон световода, расположенных выше уровня жидкости, регистрируются с помощью телевизионной камеры (цифровой видеокамеры). Дополнительно может быть использован лазер, закрепленный в верхней части емкости с возможностью направления луча вертикально вниз вдоль световодов в поле обзора телевизионной камеры. Луч лазера вводят направляют вертикально вниз и он становится видимым в жидкости за счет рассеяния на ее молекулах, точно указывая положение раздела сред воздух-жидкость.
Телевизионный сигнал от камеры через канал передачи телевизионного сигнала поступает на один из входов коммутатора. Каналом передачи телевизионного сигнала в простейшем случае служит коаксиальный кабель или другие известные устройства трансляции телевизионного сигнала.
Выход коммутатора соединен с включенным последовательно устройством ввода кадра телевизионного изображения, вычислительным устройством и устройством отображения результатов изменения.
Вычислительное устройство может быть снабжено модемом для связи с телефонной линией, устройством сопряжения с принтером, подключенным к этому устройству.
В качестве вычислительного устройства может быть использован персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением, конструкция которого известна. Его монитор в этом случае будет служить устройством отображения результатов измерения.
Устройства сопряжения с принтером, платы ввода телевизионного изображения и модемы сопряжения с телефонной линией, встраиваемые в компьютер, а также цифровые телевизионные камеры относятся к известным устройствам.
Вычислительное устройство выполняет расчет уровня жидкости по формуле:
1
u=(l±l),
где u - измеряемый уровень жидкости (расстояние от поверхности жидкости до дна емкости);
l - глубина в соответствии с показаниями первого световода с меньшей ценой деления;
1
l - число делений второго световода (с большей ценой деления), отсчитываемое от видимого деления первого световода;
Полученные данные об уровне жидкости в емкости выводятся на монитор оператора или распечатываются. Возможно использование любого другого устройства регистрации уровня жидкости (визуального - система сигнальных светодиодов, звукового - для оповещения о наполнении емкости и т.п.).