СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ УРОВНЯ ПРОЗРАЧНОЙ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01F23/292 

Изобретение относится к разделу измерительной техники и может быть использовано для измерения высоты уровня прозрачных жидкостей в резервуарах и сосудах, определения границы раздела прозрачных жидких сред с разными коэффициентами преломления света, а также в области геодезического приборостроения в качестве отсчетного устройства гидростатического нивелира с дистанционным способом автоматического съема показаний.

Известен способ определения высоты уровня жидкости, заключающийся в том, что направляют оптическое излучение по достаточно прозрачному протяженному телу (ленте, стержню, волокну), погруженному в жидкость, и регистрируют выходящее из тела излучение, по которому судят о высоте уровня жидкости, отличающийся тем, что излучение в теле направляют под углами падения к боковой поверхности тела, обеспечивающими наибольший выход излучения в жидкость из боковой поверхности, и регистрируют всплеск выхода излучения из боковой поверхности в жидкость вблизи уровня координатным фотоприемником, расположенным вдоль тела, при этом дополнительный всплеск выхода излучения из боковой поверхности тела создают путем включения в тело преобразующих и/или рассеивающих присадок, например люминофоров. Известен другой вариант способа определения высоты уровня жидкости, заключающийся в том, что направляют оптическое излучение по достаточно прозрачному протяженному телу (ленте, стержню, волокну), погруженному в жидкость, и регистрируют выходящее из боковой поверхности тела излучение индикатором на поплавке, по которому (излучению) судят о высоте уровня жидкости, отличающийся тем, что создают заданную по глубине закономерность интенсивности излучения из боковой поверхности, достигая это путем включения в тело преобразующих и/или рассеивающих излучение присадок, например люминофоров, с их заданным по длине тела изменением объемной плотности. /RU Патент 2231028, 2003 г./

Известный способ сложен и не достаточно технологичен в использовании, не обладает достаточной точностью замеров.

Известен оптический уровнемер жидкости, содержащий измерительную трубу, источник света, оптически сопряженный с приемными фотоячейками, выходы которых подключены ко входам устройства измерения, отличающийся тем, что источник света выполнен в виде дискретных излучателей, количество которых соответствует количеству приемных фотоячеек, каждая из которых оптически связана только с излучателем, расположенным напротив, при этом дискретные излучатели и приемные фотоячейки расположены вдоль оси измерительной трубы в герметичном корпусе, а элементом, разрывающим оптическую связь между соответствующим дискретным излучателем и приемной фотоячейкой, в зависимости от уровня жидкости в резервуаре, является противовес, который через гибкий трос, перекинутый через вращающийся шкив, связан с поплавком, находящимся в измерительной трубе. /RU Патент 2159411, 2000 г./

Известный уровнемер не обеспечивает точность замеров при отклонении от вертикальной оси, ограниченно применим при использовании в перемещаемых объектах, конструктивно сложен и не достаточно надежен.

Известен способ измерения уровня жидкости путем получения и обработки двумерного изображения материальной точки на поверхности жидкости, отличающийся тем, что получают и обрабатывают информацию о двух разделенных во времени двумерных изображениях пересечения двух лучей лазера с поверхностью измеряемого уровня и поверхностью уровня раздела фаз, причем для получения первого изображения лазеры устанавливают таким образом, что они направлены перпендикулярно плоскости измеряемого уровня и параллельно друг другу, а для получения второго - направлены под углом друг к другу, при этом измеряемый уровень определяется по формуле. /RU Патент 2332644, 2008 г./

Известный способ сложен в применении, малотехнологичен и не достаточно универсален, предполагает базирование на многих переменных составляющих величинах с вытекающей из этого значительной погрешностью измерений.

Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее телевизионную камеру, связанную с цифровым вычислительным устройством каналом связи, отличающееся тем, что содержит два лазера, механически связанные с устройством управления лазерами, и оптически связанные с цифровым вычислительным устройством, а также датчик угла поворота лазеров, механически связанный с двумя опорными элементами, к которым прикреплены лазеры, и электрически связанный с цифровым вычислительным устройством, которое связано с устройством управления лазерами. /RU Патент 2332644, 2008 г./

Известное устройство излишне сложно, относительно дорого, не обеспечивает необходимой точности измерений.

Наиболее близким выбран способ измерения уровня сыпучих или жидких материалов путем преобразования изображения мерного элемента в электрический сигнал с последующей его цифровой обработкой и определением уровня, отличающийся тем, что с помощью телекамеры получают изображение линии пересечения поверхности материала с мерным элементом в виде мерной шкалы, преобразуют его в видеосигнал, после чего получают файл данных в виде матрицы пикселей, затем в нем с помощью заранее обученной нейронной сети производят поиск и распознавание ближайшего значения N отсчета первичной мерной шкалы и условной линии поверхности жидкости или сыпучего материала, подсчитывают количество пикселей n в изображении между найденным ближайшим значением N отсчета первичной мерной шкалы и условной линией поверхности жидкости или сыпучего материала, а вычисление уровня материала производят по формуле: H=N-k·n, где k - коэффициент пропорциональности. /RU Патент 2279642, 2002 г./

Известный способ не достаточно технологичен, сложен в реализации, требует трудоемкой настройки, не достаточно надежен в эксплуатации.

Наиболее близким выбрано устройство для реализации способа измерения уровня сыпучих или жидких материалов, включающее устройства подсвета и телекамеру, закрепленные над поверхностью измеряемого материала и герметически отделенные от него оптически прозрачным элементом, канал передачи сигнала, цифровое вычислительное устройство и устройство отображения результатов измерения, отличающееся тем, что телекамера расположена с возможностью обзора линии пересечения поверхности измеряемого материала с первичной мерной шкалой, нанесенной на вертикальную стенку резервуара, при этом в качестве цифрового вычислительного устройства использована аппаратная реализация нейронной сети или компьютер со встроенными нейросетевыми платами или в режиме эмуляции нейронной сети. /RU Патент 2279642, 2002 г./

Известное устройство не достаточно точно фиксирует значение уровней жидкостей, особенно при изменении в долях миллиметров, не достаточно надежно в эксплуатации, конструктивно сложно, не обеспечивает точность измерения при отклонении корпуса емкости от вертикали.

Задачей изобретения является повышение точности измерения высоты уровня жидкости и упрощение юстировки устройства.

Задача решается тем, что в способе измерения уровня прозрачной жидкости, согласно решению, границу раздела сред и фоторегистрирующее устройство, состоящее из координатного (матричного) фотоприемника и пересекающее границу раздела, освещают направленным пучком со стороны жидкости под углами, превышающими предельный (критический) угол полного внутреннего отражения, засвечивают при этом только ячейки фотоприемника, находящиеся в жидкости, и по электрическим сигналам фотоприемника определяют количество засвеченных ячеек и высоту уровня жидкости, а в устройстве для измерения высоты уровня прозрачной жидкости, с возможностью работы по закону сообщающихся сосудов, включающем в себя светонепроницаемую камеру с проемами и герметизирующими оптически прозрачными элементами для установки источника света и фоторегистрирующего устройства и снабженную входным и компенсационным патрубками, источник светового излучения, фоторегистрирующее устройство и устройство синхронизации, обработки сигналов и индикации, согласно изобретению источник светового излучения снабжен механизмом настройки апертурного угла, с возможностью направления светового излучения на границу раздела сред под углом, превышающим предельный (критический) угол полного внутреннего отражения, фоторегистрирующее устройство образует с источником светового излучения пару из излучателя и приемника, расположенных друг против друга, и выполнено в виде линейного координатного фотоприемника, у которого оптические оси ячеек и ось источника светового излучения лежат в пересекающей камеру вертикальной плоскости, при этом камера может быть оборудована несколькими парами излучатель-приемник, количество которых ограничивается только условиями размещения по периметру боковой поверхности камеры.

Отличительным признаком в способе является:

- световое излучение направляют на поверхность раздела со стороны жидкости (среды с большим показателем преломления) под углами, превышающими предельный (критический) угол полного внутреннего отражения, засвечивают при этом только ячейки фотоприемника, находящиеся в жидкости (это обеспечивает четкую границу между засвеченной и не засвеченной областями и, соответственно, большую точность измерений), и по электрическим сигналам фотоприемника определяют количество засвеченных ячеек и высоту уровня жидкости.

Отличительными признаками в устройстве являются:

- источник светового излучения снабжен механизмом регулировки апертурного угла, который позволяет направить световое излучение на границу раздела сред под углом, превышающим предельный (критический) угол полного внутреннего отражения, а фоторегистрирующее устройство образует с источником светового излучения пару из излучателя и приемника, расположенных друг против друга, и выполнено в виде линейного координатного фотоприемника, у которого оптические оси ячеек и оптическая ось источника светового излучения лежат в пересекающей камеру вертикальной плоскости (это обеспечивает простоту настройки и четкую границу между засвеченной и не засвеченной областями фотоприемника);

- камера оборудована несколькими взаимосвязанными парами излучатель-приемник, количество которых ограничивается только условиями размещения по периметру боковой поверхности камеры (это позволяет более точно определять положение плоскости границы раздела сред относительно конструкции камеры, при ее наклонах, за счет обработки результатов нескольких замеров высоты уровня в разнесенных по контуру пересечения плоскости границы раздела со стенками камеры точках).

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен вертикальный разрез устройства, на фиг. 2 представлен вид сверху, на фиг. 3 представлен разрез источника светового излучения с механизмом регулировки апертурного угла.

Устройство для измерения уровня жидкости содержит: светонепроницаемую камеру 1, входной 2 и компенсационный 3 патрубки, устройство синхронизации, обработки сигналов и индикации 4, источники светового излучения 5, 6, 7, 8, фоторегистрирующие устройства 9, 10, 11, 12, герметизирующие оптически прозрачные элементы 13, 14, 15, 16. Каждый источник светового излучения содержит корпус 17, шторку 22, герметизирующий оптически прозрачный элемент 23 и механизм регулировки апертурного угла, включающий светодиод 18, установленный на подвижном штоке 19, отжимную пружину 20, регулировочный винт 21.

Способ измерения высоты уровня прозрачной жидкости реализуется следующим образом.

В светонепроницаемой камере, заполненной жидкостью и работающей по принципу сообщающихся сосудов с основной емкостью, определяют уровень жидкости в интервале возможного изменения уровня ΔΗ путем проецирования границы раздела на фоторегистрирующее устройство, при этом границу раздела сред и фоторегистрирующее устройство, состоящее из координатного (матричного) фотоприемника и пересекающее границу раздела, освещают направленным пучком со стороны жидкости (среды с большим показателем преломления) под углами, превышающими предельный (критический) угол полного внутреннего отражения, засвечивают только ячейки фотоприемника, находящиеся в жидкости, и по электрическим сигналам фотоприемника определяют количество засвеченных ячеек и уровень жидкости. Высоту уровня жидкости (при строго вертикальном расположении фотоприемника) определяют по формуле:

L=Η+n×1, где:

H - высота уровня расположения первой (нижней) ячейки;

n - количество засвеченных ячеек;

1 - интервал между центрами ячеек.

Устройство работает следующим образом. В заполненную жидкостью светонепроницаемую камеру 1 с входным 2 и компенсационным 3 патрубками подается световое излучение от источников 5, 6, 7, 8 со встроенными в каждом из них механизмами регулировки апертурного угла. Предварительно механизмы регулировки апертурного угла настраивают так, чтобы углы падения лучей светового пучка на границу раздела сред превышали предельный угол полного внутреннего отражения. Апертурный угол выставляется путем изменения расстояния от светодиода 18 до шторки 22, при помощи винта 21 и поршня 19. Отжимная пружина 20 обеспечивает регулирование без люфтов. Регулировка устройства производится следующим образом: камера заполняется примерно до среднего уровня при вкрученном максимально винте 21 (апертурный угол - максимальный). По мере выкручивания винта 21 производится уменьшение апертурного угла, показания уровня на блоке 4 снижаются, поскольку увеличивается угол падения лучей на границу раздела сред, и преломленные на границе раздела лучи, проникающие в среду с меньшим коэффициентом преломления, приближаются к границе раздела. При прохождении угла падения лучей значения равного α_пред (предельному углу полного внутреннего отражения) показания уровня прекращают уменьшаться (лучи практически не проникают в среду с меньшим коэффициентом преломления и не засвечивают расположенные в ней ячейки фотоприемника), положение винта 21 фиксируется. Прямые и отраженные от границы раздела лучи через элементы 13, 14, 15, 16 попадают на ячейки фотоприемников фоторегистрирующих устройств 9, 10, 11, 12, расположенные ниже границы раздела, и преобразуются в электрические сигналы для устройства 4. Фоторегистрирующее устройство образует с источником светового излучения пару излучатель-приемник и выполнено в виде линейного координатного (матричного) фотоприемника, у которого оптические оси ячеек, совпадающие с направлением максимальной светочувствительности, и оптическая ось источника светового излучения лежат в пересекающей камеру вертикальной плоскости. Пары излучатель-приемник активируются устройством 4 поочередно, с целью исключения взаимных помех. Устройство 4 по электрическим сигналам фоторегистрирующих устройств определяет количество засвеченных ячеек в каждом фотоприемнике и вычисляет уровень жидкости, с учетом показаний всех задействованных пар излучатель-приемник, например, путем усреднения результатов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения границы раздела прозрачных жидких сред с отличающимися коэффициентами преломления, измерения высоты уровня жидкости и создания отсчетного устройства гидростатического нивелира. В заявленном изобретении фоторегистрирующее устройство помещено в затененную измерительную камеру и пересекает границу раздела сред, далее проецируют изображение границы раздела сред путем освещения ее направленным пучком со стороны среды с большим показателем преломления под углами, превышающими предельный угол полного внутреннего отражения. По сигналам координатного фотоприемника, входящего в фоторегистрирующее устройство, определяют количество засвеченных ячеек и уровень границы. Устройство содержит специальный механизм настройки необходимого значения апертурного угла излучения. Измерительная камера может быть оборудована несколькими парами излучатель светового пучка - фотоприемник для снижения погрешности измерения высоты уровня, возникающей из-за наклона корпуса камеры. Технический результат - повышение точности измерений. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения высоты уровня прозрачной жидкости путем проецирования границы раздела сред на фоторегистрирующее устройство, отличающийся тем, что границу раздела сред и фоторегистрирующее устройство, состоящее из координатного фотоприемника и пересекающее границу раздела, освещают направленным пучком со стороны жидкости под углами, превышающими предельный угол полного внутреннего отражения, засвечивают при этом только ячейки фотоприемника, находящиеся в жидкости, и по электрическим сигналам фотоприемника определяют количество засвеченных ячеек и высоту уровня жидкости.

2. Устройство для измерения высоты уровня прозрачной жидкости с возможностью работы по закону сообщающихся сосудов, содержащее светонепроницаемую камеру с проемами и герметизирующими оптически прозрачными элементами для установки источника света и фоторегистрирующего устройства и снабженную входным и компенсационным патрубками, источник светового излучения, фоторегистрирующее устройство и устройство синхронизации, обработки сигналов и индикации, отличающееся тем, что источник светового излучения снабжен механизмом настройки апертурного угла, который позволяет направить лучи на границу раздела сред под углами, превышающими предельный угол полного внутреннего отражения, а фоторегистрирующее устройство образует с источником светового излучения пару из излучателя и приемника, расположенных друг против друга, и выполнено в виде линейного координатного фотоприемника, оптические оси ячеек которого и оптическая ось источника светового излучения лежат в пересекающей камеру вертикальной плоскости.

3. Устройство для измерения уровня жидкости по п. 2, отличающееся тем, что камера оборудована несколькими парами из излучателей и приемников, количество которых ограничивается только условиями размещения по периметру боковой поверхности камеры.