ЖИДКОСТНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2009 года по МПК G01F23/292 

Изобретение 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, обеспечивающее непосредственное измерение уровня с помощью метроштока, имеющего трубчатую конструкцию кругового сечения с нанесенной на нее метрической шкалой в виде металлической измерительной ленты (RU, свидетельство на полезную модель №3754, МПК G01F 23/04, 1997 г.).

Это устройство широко распространено в силу своей простоты и дешевизны, но оно дает очень низкую точность измерения, к тому же не пригодно для использования в герметичных емкостях.

Также известны устройства (SU, авторское свидетельство №86572, G01F 23/04, 1950, SU авторское свидетельство №1024736, G01F 23/04, 1983), имеющие рейку и поплавок-указатель, свободно перемещающийся вдоль рейки и закрепляемый при извлечении рейки из жидкости.

Как и предыдущий аналог, данные устройства не пригодны для использования в герметичных емкостях.

Известны также поплавковые уровнемеры, обладающие относительно простой конструкцией и приемлемой точностью измерения уровня.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является жидкостный уровнемер, содержащий поплавок, имеющий возможность свободного перемещения в вертикальном направлении при изменении уровня жидкости, телевизионную камеру с устройством подсвета, закрепленную неподвижно над поверхностью жидкости таким образом, что ее вертикальная оптическая ось проходит через поплавок, канал передачи телевизионного сигнала, устройство ввода телевизионного изображения и цифровое вычислительное устройство, при этом 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. Поплавок удерживается от горизонтальных перемещений с помощью вертикальных струн - направляющих, свободно проходящих через проушины в поплавке. Выход телевизионной камеры через канал передачи телевизионного сигнала связан с последовательно соединенными устройством ввода телевизионного изображения, цифровым вычислительным устройством и устройством отображения результатов измерения. Телевизионная камера отделена от внутренней полости резервуара с контролируемой жидкостью прозрачным окном или окнами для обеспечения герметичности резервуара (RU патент №2126529, G01F 23/292, 1999 г.).

Описанный выше уровнемер имеет ряд достоинств, а именно: позволяет производить измерения в герметичной емкости, цифровой метод обработки информации позволяет обеспечить достаточную точность измерения и, кроме того, при оборудовании вычислительного устройства модемом, сопряженным с телефонной линией, обеспечивается возможность дистанционного определения уровня жидкости в резервуаре, а также возможность многоканальных измерений (для одновременного получения информации об уровне жидкости в нескольких емкостях). В качестве недостатка можно отметить использование в данной системе поплавка со струнами-растяжками, то есть элемента механической системы. При наличии даже небольшого перекоса поплавка в горизонтальной плоскости точность измерения уровня резко упадет.

Задачей изобретения является обеспечение высокой точности определения уровня и упрощение устройства.

Поставленная задача решается за счет того, что жидкостный уровнемер содержит плавающую платформу, имеющую возможность свободного перемещения в вертикальном направлении при изменении уровня жидкости, источник света и приемник оптического сигнала, закрепленный неподвижно над поверхностью жидкости так, что его оптическая ось проходит через плавающую платформу, при этом плавающая платформа снабжена первым наклонным зеркалом, установленным на платформе выше уровня жидкости под углом к оси источника света, отражающим элементом, установленным на платформе ниже уровня жидкости, а также закрепленными на платформе выше уровня жидкости вторым наклонным зеркалом, расположенным под углом к оси приемника оптического сигнала, и линзой, оптическая ось которой совпадает с оптической осью приемника оптического сигнала, при этом первое наклонное зеркало установлено на плавающей платформе так, что световой луч от источника света, отразившись от зеркала, падает на поверхность отражающего элемента, установленного ниже уровня жидкости, с обеспечением подсветки отраженным от него лучом поверхности жидкости в месте расположения мерной линейки, а второе наклонное зеркало, обеспечивающее отражение места пересечения поверхности жидкости с мерной линейкой, установлено для направления светового потока в сторону объектива телевизионной камеры через линзу.

При этом приемник оптического сигнала и источник света отделены от внутренней полости резервуара с жидкостью прозрачным окном или окнами.

В качестве приемника оптического сигнала предпочтительно использована цифровая телевизионная камера, связанная каналом передачи телевизионного сигнала через коммутатор и устройство ввода кадра телевизионного сигнала с вычислительным устройством, причем выход последнего соединен со средствами визуальной индикации уровня жидкости.

Техническим результатом от использования изобретения является получение высокой точности измерения уровня жидкости, обеспечение надежности, технологичности, долговечности и ремонтопригодности уровнемера.

Достижение высокой точности определения уровня обусловлено, во-первых, созданием четкого изображения поверхности раздела жидкость-газ вследствие ее подсветки снизу со стороны дна резервуара, во-вторых, созданием подсветки шкалы метрштока в зоне измерения световым потоком, отраженным от поверхности раздела жидкость-газ со стороны расположения источника света. При этом для восприятия информации цифровой камерой требуется относительно небольшая подсветка. Иными словами, точность определения уровня жидкости достигается эффектом «двойной» подсветки метрштока (мерной линейки). Это обусловлено наличием собственно отражающей поверхности, расположенной ниже уровня жидкости, создающей подсветку снизу, а также отражением и частичным рассеянием светового потока от поверхности раздела «жидкость-газ», что позволяет хорошо видеть шкалу мерной линейки в месте ее контакта с поверхностью жидкости. В-третьих, сигнал, воспринимаемый телевизионной камерой, закрепленной неподвижно вне резервуара, не зависит от положения (возможных перекосов) поплавка, так как определение уровня ведется по изображению шкалы в подсвеченной зоне мерной линейки (метрштока), находящейся в поле зрения камеры. Техническим результатом является также то, что уровнемер прост как в проверке, так и настройке. Технический результат - надежность и технологичность уровнемера определяется его сходством с первым аналогом - метрштоком, но при этом имеется возможность получать данные об уровне жидкости в герметичных резервуарах. Технический результат - долговечность и ремонтопригодность устройства определяется его простотой. Простота устройства и обеспечение достаточно высокой точности измерений обусловлены тем, что в уровнемер входит простая оптическая система и традиционная система обработки видеосигнала с использованием электронно-вычислительной машины, которая является общеупотребимой, хорошо проработанной и не требует специальной дополнительной разработки или переподготовки персонала. Эта система позволяет производить дистанционные измерения и, при необходимости, передавать их по каналам связи, например, на пульт управления.

Осуществление изобретения

В верхней части резервуара с жидкостью, уровень которой подлежит измерению, выполнено оптически прозрачное окно 1, в предпочтительном варианте исполнения, герметично отделяющее внутренний объем резервуара от внешней среды.

Вне объема резервуара над прозрачным окном неподвижно относительно корпуса резервуара закреплены приемник оптического излучения (приемник изображения) 2 - телевизионная камера 3 (цифровая видеокамера) и источник света 4, закрепленный с ориентацией луча вниз и предназначенный для подсветки поверхности жидкости и шкалы мерной линейки 5 в месте расположения раздела сред «жидкость - газ». Мерная линейка 5 может быть выполнена, например, в виде металлического метрштока, на который нанесены деления - абсолютная шкала, по которой определяется положение уровня жидкости. Телевизионная камера 3 может быть помещена в кожух (не показан).

В полости резервуара размещена плавающая платформа (понтон) 6, частично погруженная в жидкость, выполняющая функцию поплавка, отслеживающего изменение уровня жидкости. Плавающая платформа имеет постоянное положение относительно поверхности жидкости. Возможность вертикального перемещения плавающей платформы 6 при изменении уровня жидкости обеспечивается любыми известными средствами, например, с помощью вертикальных струн-направляющих, свободно проходящих через проушины в корпусе платформы, как описано в патенте - ближайшем аналоге.

На плавающей платформе 6 расположена оптическая система, состоящая из последовательно установленных:

первого наклонного зеркала 7, расположенного выше уровня жидкости под углом к оси источника света 4,

отражающего элемента 8, закрепленного на плавающей платформе 6 ниже уровня жидкости и обеспечивающего за счет частичного рассеивания подсветку снизу поверхности жидкости,

второго наклонного зеркала 9, в котором отражается изображение подсвеченной мерной линейки 5 в зоне измерения уровня жидкости, при этом зеркало 9 расположено на оптической оси телевизионной камеры 3 под углом к указанной оси,

линзы 10, которая преобразует сформированный вторым наклонным зеркалом 9 пучок в параллельный. Оптическая ось линзы 10 совпадает с оптической осью телевизионной камеры 3.

Первое наклонное зеркало 7 установлено на плавающей платформе 6 так, что световой луч от источника света 4, отразившись от зеркала 7, падает на поверхность отражающего элемента 8, расположенную ниже уровня жидкости. Отраженный от этой поверхности луч обеспечивает подсветку снизу поверхности жидкости в зоне ее пересечения с мерной линейкой 5 (метрштоком). Это возможно, так как положение плавающей платформы 6 относительно поверхности жидкости всегда неизменно, вне зависимости от уровня жидкости, а оптическая система зафиксирована на плавающей платформе. В связи с тем, что на пути светового луча от первого наклонного зеркала 7 к отражающей поверхности 8 находится поверхность раздела «воздух-жидкость», часть светового потока отражается от поверхности жидкости в направлении мерной линейки 5 и частично рассеивается. За счет этого обеспечивается дополнительная подсветка шкалы мерной линейки 5 выше уровня жидкости в зоне пересечения поверхности жидкости с мерной линейкой 5. Это позволяет отчетливо видеть шкалу метрштока в месте измерения уровня.

Второе наклонное зеркало 9, расположенное на оптической оси телевизионной камеры 3 и линзы 10, предназначено для восприятия изображения мерной линейки 5 в зоне измерения. В зеркале отражается положение уровня жидкости в подсвеченной зоне мерной линейки 5, отраженный зеркалом 9 световой поток направлен в сторону объектива телевизионной камеры 3 через линзу 10.

В качестве наклонных зеркал и отражающего элемента можно использовать изделия, выполненные, например, из алюминиевого сплава АМГ-6 и обработанные оптически по стандартной технологии.

В качестве приемника оптического сигнала предпочтительно может быть использована цифровая телевизионная камера, связанная каналом передачи телевизионного сигнала (преимущественно коаксиальным кабелем) через коммутатор и устройство ввода кадра телевизионного сигнала с вычислительным устройством. Выход вычислительного устройства может быть соединен с визуальными средствами индикации уровня жидкости.

Работа уровнемера осуществляется следующим образом.

Луч света от источника 4, например светодиода, попадает на первое наклонное зеркало 7 под углом к его поверхности. Отразившись от первого зеркала 7, луч света падает на отражающую поверхность элемента 8, расположенного ниже уровня жидкости, а также частично отражается от поверхности жидкости.

Вторично отраженный луч подсвечивает поверхность жидкости снизу, со стороны дна резервуара. Подсвеченное пятно на поверхности жидкости располагается вблизи мерной линейки 5. Это обеспечено за счет определенного, заранее заданного расположения первого наклонного зеркала 7 и отражающего элемента 8 относительно друг друга, а также заданного расположения отражающего элемента 8 относительно поверхности жидкости и мерной линейки 5. В результате оказываются освещенными как поверхность жидкости, так и шкала мерной линейки 5 в зоне проводимого измерения уровня.

Изображение подсвеченной зоны мерной линейки 5 посредством второго наклонного зеркала 9 и линзы 10, расположенной на оптической оси телевизионной камеры, передается на телевизионную камеру (ПЗС-камеру).

Далее оптический сигнал регистрируется с помощью телевизионной камеры. 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, выполнение которого известно. 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.

Полученные данные об уровне жидкости в резервуаре (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.).

Изобретение 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. Сущность: жидкостный уровнемер содержит плавающую платформу, имеющую возможность свободного перемещения в вертикальном направлении при изменении уровня жидкости, источник света и приемник оптического сигнала, закрепленный неподвижно над поверхностью жидкости так, что его оптическая ось проходит через плавающую платформу. При этом плавающая платформа снабжена первым наклонным зеркалом, установленным на платформе выше уровня жидкости под углом к оси источника света. Отражающий элемент установлен на платформе ниже уровня жидкости. На платформе выше уровня жидкости закреплены второе наклонное зеркало, расположенное под углом к оси приемника оптического сигнала, и линза, оптическая ось которой совпадает с оптической осью приемника оптического сигнала. Первое наклонное зеркало установлено на плавающей платформе так, что световой луч от источника света, отразившись от зеркала, падает на поверхность отражающего элемента, установленного ниже уровня жидкости, с обеспечением подсветки отраженным от него лучом поверхности жидкости в месте расположения мерной линейки. Второе наклонное зеркало, обеспечивающее отражение места пересечения поверхности жидкости с мерной линейкой, установлено для направления светового потока в сторону объектива телевизионной камеры через линзу. Технический результат: получение высокой точности измерения уровня жидкости, обеспечение надежности, технологичности, долговечности и ремонтопригодности уровнемера, что обусловлено, во-первых, созданием четкого изображения поверхности жидкости вблизи метрштока за счет подсветки снизу, во-вторых, созданием дополнительной подсветки шкалы метрштока в зоне измерения световым потоком, отраженным от поверхности жидкости со стороны источника света. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Жидкостный уровнемер, содержащий плавающую платформу, имеющую возможность свободного перемещения в вертикальном направлении при изменении уровня жидкости, источник света, приемник оптического сигнала, закрепленные над поверхностью жидкости, и средства визуальной индикации уровня жидкости, отличающийся тем, что плавающая платформа снабжена первым наклонным зеркалом, установленным на платформе выше уровня жидкости под углом к оси источника света, отражающим элементом, установленным на платформе ниже уровня жидкости, а также установленными на платформе выше уровня жидкости вторым наклонным зеркалом, расположенным под углом к оси приемника оптического сигнала и линзой, оптическая ось которой совпадает с оптической осью приемника оптического сигнала, и мерной линейкой, причем первое наклонное зеркало установлено на плавающей платформе так, что световой луч от источника света, отразившись от зеркала, падает на поверхность отражающего элемента, установленного ниже уровня жидкости для подсветки снизу отраженным от него лучом поверхности жидкости в месте расположения мерной линейки, а второе наклонное зеркало, обеспечивающее отражение места пересечения поверхности жидкости с мерной линейкой, установлено для направления светового потока в сторону объектива телевизионной камеры через линзу.2. Жидкостный уровнемер по п.1, отличающийся тем, что приемник оптического излучения и источник света отделены от внутренней полости резервуара с жидкостью прозрачным окном или окнами.3. Жидкостный уровнемер по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве приемника оптического сигнала использована цифровая телевизионная камера, связанная каналом передачи телевизионного сигнала через коммутатор и устройство ввода кадра телевизионного сигнала с вычислительным устройством, причем выход последнего соединен со средствами визуальной индикации уровня жидкости.