ЖИДКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1999 года по МПК G01F23/64 G01F23/292 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению уровней жидкости и может применяться, например, на автозаправочных станциях.

Известные жидкостные уровнемеры, основанные на различных принципах действия с присущими им достоинствами и недостатками рассмотрены в монографии [1].

Наиболее широкое распространение на практике получили поплавковые уровнемеры, как обеспечивающие хорошие точностные характеристики при сравнительной простоте конструкции.

Поплавковые уровнемеры, имеющие механическую связь с измерительным устройством, обладают дополнительной погрешностью, связанной с нагрузкой поплавка измерительным устройством.

Поэтому, усовершенствованные поплавковые уровнемеры не имеют механический связи с измерительным устройством, которая заменяется магнитной связью, например в уровнемере [2].

Другим недостатком поплавковых уровнемеров являются трудности, обусловленные необходимостью вывода связи измерительного устройства с поплавком через гидрозатвор или сальниковый узел для обеспечения герметизации резервуара с жидкостью. Наличие таких устройств вызывает значительные силы сопротивления, ведущие к погрешностям измерения.

Наиболее совершенные устройства поплавкового типа отделяют измерительное устройство от внутренней полости резервуара с жидкостью с помощью вертикальной трубы, проходящей через резервуар, чем обеспечивается его герметичность. К таким устройствам относится уровнемер [3].

Этот уровнемер содержит герметичную трубу, выполненную из немагнитного материала, и постоянный магнит, установленный на поплавке, выполненном с возможностью перемещения вдоль немагнитной трубы, внутри которой расположен измерительный преобразователь с ферромагнитной вставкой.

Недостатком этого устройства является необходимость в немагнитной трубе по высоте резервуара и применение магнитной связи, которая не устраняет нагрузки измерительного устройства на поплавок и связанных с этим погрешностей измерения. Коме того, применение магнитов вызывает налипание на поплавок ферромагнитных включений, которые могут попадать в жидкость, что приводит к дополнительным погрешностям измерения.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения выбран уровнемер [4].

Этот уровнемер также содержит вертикальную трубу с расположенным внутри отражателем, связанным с уровнем жидкости с помощью поплавка и магнита, источник модулированного светового сигнала, направляемого с помощью световодов и оптического устройства на отражатель, световоды и приемник отраженного светового сигнала, устройство электрической обработки сигналов, позволяющее определить расстояние до поверхности жидкости по разности фаз модулированного напряжения в излученном и отраженном сигналах, а также устройство отображения результатом измерения.

В этом уровнемере также сохраняются недостатки, связанные с использованием трубы и магнита, упомянутые выше. Кроме того, примененное в нем сложное устройство обработки сигналов не может быть общим для нескольких резервуаров.

В предлагаемом уровнемере при сохранении герметичности резервуара исключается всякая нагрузка измерительного устройства на поплавок, что, вместе с цифровым метолом обработки, способствует повышению точности измерений. Обеспечивается также многоканальность измерений (например, при контроле уровня жидкости в нескольких резервуарах) с использованием ресурсов одной базовой части одноканального измерительного устройства.

Кроме того, достигается возможность дистанционных измерений не только на расстоянии сотен метров, обеспечиваемых проводной связью, но и на любых расстояниях с помощью абонентской телефонной сети. Становится возможным введение в цифровое вычислительное устройство градуировочной таблицы конкретного резервуара, т. е. зависимости вместимости резервуара от уровня его заполнения, что позволяет автоматически, вместе с измерением уровня, получать значения объема жидкости. Возможны также накопление (запоминание) результатов измерения с их привязкой ко времени и документирование.

Эти технические результаты достигаются благодаря тому, что предлагаемый уровнемер снабжен телевизионной камерой, закрепленной неподвижно над поверхностью жидкости таким образом, что ее вертикальная оптическая ось проходит через поплавок, каналом передачи телевизионного сигнала, устройством ввода телевизионного изображения и цифровым вычислительным устройством, причем поплавок имеет поверхность, параллельную поверхности жидкости, с парой контрастных силуэтов в форме одинаковых кружков, расположенных симметрично относительно точки пересечения оптической оси с этой поверхностью, при этом выход телевизионной камеры через канал передачи телевизионного сигнала связан с последовательно соединенными устройством ввода телевизионного изображения, цифровым вычислительным устройством и устройством отображения результатов измерения.

Многоканальность измерений обеспечивается тем, что уровнемер снабжен коммутатором и несколькими комплектами из сопряженных поплавков, телевизионных камера и каналов передачи телевизионного сигнала, причем выходы всех каналов передачи телевизионного сигнала связаны с соответствующими первыми входами коммутатора, выход которого связан со входом устройства ввода телевизионного изображения, а второй выход вычислительного устройства соединен со вторым входом коммутатора.

Уровнемер может быть дополнен устройством управления, а одна или несколько телевизионных камер снабжены устройством подсвета, причем каждое устройство подсвета соединено с соответствующим выходом устройства управления, вход которого связан с третьим выходом цифрового вычислительного устройства.

Телевизионная камера может быть отделена от внутренней полости резервуара с контролируемой жидкостью прозрачным окном или окнами для обеспечения герметичности резервуара, а цифровое вычислительное устройство снабжено модемом сопряжения с телефонной линией, устройством сопряжения с принтером и принтером, подключенным через это устройство.

Кроме того, для повышения точности весь диапазон измерений может быть разбит на поддиапазоны, каждому из которых соответствует пара контрастных кружков на поверхности поплавка, которые отличаются друг от друга диаметрами одинаковых в паре кружков и расстояниями их от точки пересечения оптической оси камеры с поверхностью поплавка.

В предлагаемой конструкции поплавка, предназначенного для рассматриваемого уровнемера, обеспечивается контрастное изображение за счет того, что поплавок содержит элемент плавучести с вертикальным сквозным окном и воронкообразную камеру, имеющую дренажное отверстие внизу и верхнюю плоскую горизонтальную панель, и закрепленную на элементе плавучести таким образом, что дренажное отверстие сообщается через окно в элементе плавучести с контролируемой жидкостью, причем внутренняя полость камеры выполнена светопоглощающей, а верхняя плоская горизонтальная панель имеет светоотражающую поверхность с вырезами в форме кружкой и отверстиями или прорезями для направляющих.

На фиг. 1 представлен вариант блок-схемы предлагаемого жидкостного уровнемера.

На фиг. 2 дан вариант изображения поверхности поплавка.

На фиг. 3 показан вариант конструкции уровнемера.

Поплавок 1 (фиг. 1) погружен в контролируемую жидкость 2, находящуюся в резервуаре 3, и удерживается от горизонтальных перемещений с помощью вертикальных струн - направляющих 4, свободно проходящих через проушины в поплавке.

Телевизионная камера 5, закрытая кожухом 6, установлена неподвижно сверху резервуара и ее оптическая ось 7 пересекает поплавок в точке 8. Телевизионная камера снабжена подсвечивающим устройством 9 и отделена от внутренней полости резервуара прозрачным окном 10. Подсвечивающее устройство может иметь отдельное от собственно камеры окно или окна.

Телевизионный сигнал от камеры через канал передачи 11 поступает на один из входов 12 коммутатора 13. На другие входы 14, 15... поступают аналогичные сигналы от других телевизионных камер. Каналом передачи телевизионного сигнала в простейшем случае служит коаксиальный кабель, однако могут быть применены другие известные устройства трансляции телевизионного сигнала.

Выход коммутатора соединен с включенными последовательно устройством ввода кадра телевизионного изображения 16, вычислительным устройством 17 и устройством отображения результатов измерения 18.

Второй и третий выходы вычислительного устройства 17 соединены соответственно с коммутатором и устройством управления 20, к выходам которого (21, 22, 23 ...) подключены или могут быть подключены подсвечивающие устройства камера.

Вычислительное устройство может быть снабжено модемом 24 для связи с телефонной линией 25, устройством сопряжения с принтером 26 и принтером 27, подключенным к этому устройству.

В качестве вычислительного устройства может быть использован персональный компьютер, конструкция которого известна. Его монитор в этом случае будет служить устройством отображения результатов измерения.

Устройство сопряжения с принтером содержит каждый персональный компьютер, а платы ввода телевизионного изображения и модемы сопряжения с телефонной линией, встраиваемые в компьютер, а также телевизионные камеры тоже относятся к известным устройствам.

В качестве подсвечивающих устройств могут быть применены светоизлучающие диоды. В этом случае устройство управления может быть выполнено в виде коммутатора, управляемого вычислительным устройством, осуществляющего включение выбранной телевизионной камеры и числа включенных светодиодов в ней.

Поплавок имеет плоскую горизонтальную панель, параллельную поверхности жидкости, представляющую изображения двух пар контрастных кружкой (фиг. 2), соответствующих двум диапазонам измерения.

Конструкция поплавка (фиг. 3) имеет полую конусообразную с дренажным отверстием 28 внизу и плоской горизонтальной панелью 29 камеру 30, которая закреплена на элементе плавучести 31. Панель имеет вырезы (кружки) 32 и прорези 33 для направляющих.

Благодаря светопоглощающей внутренней поверхности камеры и светоотражающей поверхности панели обеспечивается контрастное представление вырезов (кружков).

Работа уровнемера заключается в следующем.

По сигналу управления от вычислительного устройства через коммутатор и устройство управления осуществляется выбор телевизионной камеры и соответствующего устройства подсвета.

Изображение поверхности поплавка с помощью телевизионной камеры преобразуется в электрический телевизионный сигнал, поступающий через канал передачи, коммутатор и устройство ввода телевизионного изображения в вычислительное устройство.

Вычислительное устройство выполняет расчет уровня жидкости (фиг. 1) по формуле
u = H - T -h,
где h = P/d;
u - измеряемый уровень жидкости;
H - высота камеры над дном резервуара;
T - высота поплавка над уровнем жидкости;
h - расстояние от камеры до поверхности поплавка;
P - константа, зависящая от характеристик телевизионной камеры и размеров D изображения на поплавке (фиг. 2);
d - цифровое отображение расстояния между центрами кружков.

Поскольку масштаб отображения изображения на поплавке, а следовательно, и d зависит от его удаленности от камеры, а остальные величины, входящие в формулу, постоянны для конкретных условий и известны, то величина d и определяет значение уровня u.

Полученное значение уровня может быть отображено на мониторе компьютера в цифровой форме и сопровождено для наглядности какой-либо графикой, а также может быть использовано для получения данных об объеме жидкости при условии введения в память вычислительного устройства градуировочной таблицы конкретного резервуара.

Персональные компьютеры, как правило, имеют внутренние часы и календарь, что позволяет фиксировать время измерений.

С помощью принтера могут быть получены распечатки результатов измерения.

Источники информации:
1 Бобровников Г.Н., Катков А.Г. Методы измерения уровня. М., Машиностроение, 1977.

2. Патент RU 2023991 5 G 01 F 23/44.

3. Патент RU 2029922 6 G 01 F 23/72.

4. Патент CA 2064974 G 01 F 23/292.

Уровнемер используется для измерения уровней жидкости, например, на автозаправочных станциях. Уровнемер содержит свободный поплавок, изображение с поверхности которого вводится с помощью телевизионной камеры в цифровое вычислительное устройство, где по полученному цифровому отображению исходного изображения выполняется расчет уровня жидкости. Полученный результат выводится на устройство визуального отображения, возможна также распечатка на принтере. Предусмотрена возможность многоканальных измерений. Телевизионная камера может содержать устройство подсвета поплавка. За счет отделения камеры от внутренней полости резервуара прозрачным окном достигается сохранение герметичности резервуара. Отсутствие нагрузки поплавка измерительным устройством и цифровой метод обработки обеспечивают высокую точность измерения. При укомплектовании вычислительного устройства модемом сопряжения с телефонной линией достигается возможность дистанционных измерений не только в пределах сотен метров, обеспечиваемых проводной связью, но и на любых расстояниях, покрываемых телефонной линией. Введение в цифровое вычислительное устройство градуировочной таблицы конкретного резервуара позволяет автоматически с измерением уровня получать значения объема жидкости. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Жидкостный уровнемер, содержащий поплавок, имеющий возможность свободного перемещения в вертикальном направлении при изменении уровня жидкости, и устройство отображения результатов измерения, отличающийся тем, что снабжен телевизионной камерой, закрепленной неподвижно над поверхностью жидкости таким образом, что ее вертикальная оптическая ось проходит через поплавок, каналом передачи телевизионного сигнала, устройством ввода телевизионного изображения и цифровым вычислительным устройством, причем поплавок имеет поверхность, параллельную поверхности жидкости, с парой контрастных силуэтов в форме одинаковых кружков, расположенных симметрично относительно точки пересечения оптической оси камеры с этой поверхностью, при этом выход телевизионной камеры через канал передачи телевизионного сигнала связан с последовательно соединенными устройством ввода телевизионного изображения, цифровым вычислительным устройством и устройством отображения результатов измерения. 2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что снабжен коммутатором и несколькими комплектами из сопряженных поплавков, телевизионных камер и каналов передачи телевизионного сигнала, причем выходы всех каналов передачи телевизионного сигнала связаны с соответствующими первыми входами коммутатора, выход которого связан с входом устройства ввода телевизионного изображения, а второй выход цифрового вычислительного устройства соединен с вторым входом коммутатора. 3. Уровнемер по п.1 или 2, отличающийся тем, что снабжен устройством управления, а одна или несколько телевизионных камер снабжены устройством подсвета, причем каждое устройство подсвета соединено с соответствующим выходом устройства управления, вход которого связан с третьим выходом цифрового вычислительного устройства. 4. Уровнемер по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что телевизионная камера отделена от внутренней полости резервуара с контролируемой жидкостью прозрачным окном или окнами для обеспечения герметичности резервуара. 5. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что на поверхности поплавка выполнены две или более пары контрастных кружков, отличающихся друг от друга диаметрами одинаковых в паре кружков и расстояниями их от точки пересечения оптической оси камеры с поверхностью поплавка. 6. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что цифровое вычислительное устройство снабжено модемом сопряжения с телефонной линией. 7. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что цифровое вычислительное устройство снабжено устройством сопряжения с принтером и принтером, подключенным через это устройство. 8. Уравномер по п.1 или 2, отличающийся тем, что поплавок содержит элемент плавучести с вертикальным сквозным окном и воронкообразную камеру, имеющую дренажное отверстие внизу и верхнюю плоскую горизонтальную панель и закрепленную на элементе плавучести таким образом, что дренажное отверстие сообщается через окно в элементе плавучести с контролируемой жидкостью, причем внутренняя полость камеры выполнена светопоглощающей, а верхняя плоская горизонтальная панель имеет светоотражающую поверхность с вырезами в форме кружков и отверстиями или прорезями для направляющих.