Устройство регулирования уровня воды парового котла Российский патент 2017 года по МПК G01F23/02 G05D9/12 

Изобретение относится к паровым котлам и может быть использовано при изготовлении устройств контроля уровня воды в барабане котла.

Эффективная работа парового котла может осуществляться только при условии строгого поддержания уровня воды в его барабане. Стабильность уровня обеспечивается системой автоматического регулирования, в общем случае состоящей из датчика уровня, элемента сравнения (с заданием), усилителя и исполнительного механизма (электрифицированная задвижка). В настоящее время в качестве датчика уровня повсеместно применяется гидростатический метод измерения уровня. Этот метод является косвенным, поскольку измеряются и оцениваются физические величины, косвенно связанные с уровнем. А, именно, величина уровня вычисляется по разности давления в уравнительном сосуде, соединенном с паровым пространством барабана, и давления воды в водяном пространстве барабана котла. Одним из существенных недостатков косвенного (гидростатического) метода является то, что в переходных режимах в течение всего времени растопки (расхолодки) ему присуща высокая погрешность (более 30%). Для уменьшения погрешности требуется коррекция сигнала разности давлений в зависимости от плотности питательной воды по значению избыточного давления в барабане котла (по линии насыщения). Также для уменьшения погрешностей измерения, вызванных охлаждением питательной воды в уравнительном сосуде, применяются дорогостоящие теплоизолированные обогреваемые конденсационные сосуды. Кроме того, для реализации гидростатического метода используются импульсные трубки, соединяющие уровнемерную колонку с дифманометром, которые необходимо периодически продувать, чтобы очищать от грязи и накипи. В качестве недостатков реализации гидростатического метода можно привести высокую стоимость дифманометров и отсекающих клапанов из нержавеющей стали.

В настоящее время известны оптические средства контроля уровня воды. В частности, известно устройство контроля уровня воды в барабане котла, содержащее водоуказательную колонку, установленную на барабане котла и гидравлически соединенную с полостью барабана, которое содержит последовательно соединенные видеокамеру с цифровым выходом, цифровую линию связи и показывающий прибор, причем видеокамера установлена на барабане котла и ориентирована полем зрения на водоуказательную колонку, а показывающий прибор выполнен в виде монитора, установленного на рабочем месте диспетчера котельной (патент на полезную модель РФ №74207, опубл. 20.06.2008).

Также известны технические решения в данной области техники, например JPH 07281701 (A) - 1995-10-27. CN 204128545 (U) - 2015-01-28. JPH 07982238 (A) - 1995-04-11.

К недостаткам вышеуказанных устройств следует отнести нахождение видеокамеры строго в поле зрения водоуказательной колонки, что делает затруднительным прямой визуальный контроль уровня воды. Отсутствие возможности достоверного визуального контроля недопустимо, т.к. при работе котла в нештатном режиме, когда автоматические системы контроля и регулирования не работают, а все управление котлоагрегатом осуществляется вручную, возможна потеря контроля уровня воды оптическими средствами, изображения которых выводятся на электроприбор (компьютер с монитором). В отсутствие возможности достоверного прямого визуального контроля создается высокий риск аварийной ситуации работы парового котла. Кроме того, известные устройства требуют специальных дорогостоящих приспособлений для снижения погрешности измерения уровня воды и позволяют контролировать только уровень воды, тогда как отсутствует возможность регулирования уровня воды в автоматическом режиме.

Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является устройство регулирования уровня среды в резервуаре, который для обеспечения визуализации имеет указатель уровня среды, выполненный в боковой стенке резервуара в виде стеклянного окна. Резервуар снабжен трубами для заполнения средой и выпуска среды, в частности смолы. На трубах расположены задвижки в виде электромагнитных клапанов. В устройстве предусмотрена видеокамера, расположенная напротив стеклянного окна, выход которой соединен с входом преобразователя выходного сигнала, который преобразует видеосигнал в сигналы управления клапанами для поддержания постоянной высоты слоя среды в резервуаре (FR 2502358 A1, 24.09.1982).

При использовании известного устройства реализуется возможность регулирования уровня воды в резервуаре в автоматическом режиме, при этом невозможно обеспечить безопасность работы резервуара, поскольку расположение видеокамеры строго напротив стеклянного окна делает затруднительным прямой визуальный контроль уровня. Для паровых котлов, работающих под давлением, прямой визуальный контроль является обязательным. Отсутствие возможности визуального контроля может привести к тому, что в случае сбоя или отказа в системе автоматизации котлов может произойти сбой в регулировании уровня воды в паровом котле, что приведет к созданию аварийной ситуации.

Техническая задача изобретения - повышение безопасности работы парового котла с автоматическим регулированием уровня воды.

Технический результат - повышение точности регулирования уровня воды в паровом котле при визуальном и аппаратном его контроле.

Техническая задача достигается тем, что устройство регулирования уровня воды парового котла содержит резервуар с указателем уровня среды и видеокамерой, трубопровод с электрифицированной задвижкой, выход с видеокамеры соединен с входом преобразователя выходного сигнала, причем видеокамера вынесена из зоны прямого наблюдения указателя уровня среды и размещена в корпусе, который посредством кронштейна закреплен на указателе уровня среды, на указателе уровня среды дополнительно размещена рамка с метками, а преобразователь сигнала размещен в указанном корпусе и выполняет функции выделения области с изображением указателя уровня среды, распознавания меток, построения шкалы измерения и минимизации перспективных искажений, определения границы двух сред и вычисления значения положения границы сред, выход преобразователя сигнала снабжен интерфейсным блоком и соединен с блоком управления, который формирует управляющий сигнал, выход блока управления соединен с входом блока усиления управляющего сигнала, последний соединен с электрифицированной задвижкой трубопровода.

Кронштейн для крепления корпуса с видеокамерой и преобразователем сигнала закреплен предпочтительно в верхней части указателя уровня среды. Крепление друг с другом корпуса с видеокамерой и преобразователем сигналов, кронштейна и указателя уровня среды выполнено жестким.

Крепление указателя уровня среды к корпусу парового котла выполнено жестким.

Указатель уровня среды представляет собой водоуказательную колонку с уровнемерным стеклом, дополнительно снабженную рамкой с метками.

Рамка с метками выполнена предпочтительно прямоугольной формы. В качестве меток на рамку могут быть нанесены любые знаки, которые определяются оптическими средствами. Преимущественно в качестве меток используют графические знаки, выполненные в виде прямоугольников.

Преобразователь сигнала может быть выполнен в виде процессора или микропроцессора, контроллера или микроконтроллера, электронной платы. Преобразователь сигнала формирует выходной сигнал, пропорциональный значению положения границы сред и видеосигнал с изображением уровнемерного стекла.

В качестве блока управления может быть использован компьютер или контроллер с монитором. Блок управления сравнивает выходной сигнал с заданным значением и формирует управляющий сигнал, который является разностью входного и заданного сигналов. В качестве блока усиления управляющего сигнала может быть использован любой известный усилитель электрических сигналов.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:

- видеокамера вынесена из зоны прямого наблюдения указателя уровня среды и размещена в корпусе;

- корпус с видеокамерой установлен на кронштейне;

- на указателе уровня среды дополнительно размещена рамка с метками;

- преобразователь сигнала снабжен функциями выделения области с изображением уровнемерного стекла, распознавания меток, построения шкалы измерения и минимизации перспективных искажений, определения границы двух сред и вычисления значения положения границы сред;

- выход преобразователя сигнала снабжен интерфейсным блоком.

- преобразователь сигналов размещен в корпусе с видеокамерой;

- выход преобразователя сигналов соединен с входом блока управления, который формирует управляющий сигнал;

- выход блока управления соединен с входом блока усиления управляющего сигнала;

- блок усиления управляющего сигнала соединен с электрифицированной задвижкой трубопровода.

Сравнение с известным устройством позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

Изобретение может быть реализовано при помощи известных технических средств, поэтому оно соответствует критерию «промышленная применимость».

Повышение точности регулировки уровня воды в паровом котле достигается за счет исключения влияния вибрации уровнемерного стекла и смещения видеокамеры, приводящих к значительным погрешностям измерения уровня воды в барабане парового котла. Исключение вибраций обусловлено жестким креплением указателя уровня среды к барабану котла, а также жестким креплением к указателю уровня среды корпуса с размещенной в нем видеокамерой. Кроме того, точность регулирования уровня воды достигается устранением перспективных искажений, возникающих вследствие непрямой установки камеры за счет наличия рамки с метками, а также за счет снабжения преобразователя сигнала дополнительными функциями.

Для минимизации перспективных искажений преобразователь сигнала снабжен блоком, в котором реализуется алгоритм, основанный на “формуле перспективного преобразования”.

Перспективная трансформация на плоскости задается матрицей преобразования однородных координат.

Эта матрица состоит из восьми значащих элементов (масштабы-повороты (a_ij), смещения (d_x, d_y), перспектива (p₁, p₂) и одного масштабного коэффициента. Таким образом, чтобы однозначно задать преобразование, нужно иметь 8 уравнений, связывающих эти значения. Четыре точки, каждая с двумя координатами, зададут эти уравнения при условии, что любые три из них не лежат в одной плоскости.

Пусть имеются четыре точки (x1, y1)…(x4, y4) в координатах исходного изображения. Выразим четвертую точку через линейную комбинацию первых трех:

Решение системы даст матрицу преобразования, которая будет переводить (1,0,0) d кратное (x1,y1,1), (0,1,0) в кратное (x2,y2,1), (0,0,1) в (x3,y3,1) и (1,1,1) в (x4,y4,1)

Теперь повторим эти шаги для координат точек в конечном пространстве и получим матрицу B в штрихованных координатах.

Тогда искомая матрица преобразования будет иметь вид

C=B⋅A^-1

Матрица A^-1 будет преобразовывать исходные координаты точек в промежуточные фиктивные точки (1,0,0), (0,1,0), (0,0,1) и (1,1,1), а матрица B, в свою очередь, преобразует их к желаемым значениям.

Таким образом, C=B⋅A^-1 искомая матрица, где

Следует отметить, что заявляемое устройство позволяет осуществить измерение уровня воды в резервуаре котла прямым способом, т.е. без преобразований уровней в водяном и паровом пространствах в давления, а затем в разность давлений, как это осуществляется при традиционном гидростатическом способе.

В заявляемом устройстве исключается ошибка измерения, связанная с изменением плотности воды, которая в основном проявляется во время переходных процессов, например в процессе растопки и расхолодки парового котла. Значение ошибки, связанной с изменением плотности воды, при традиционном гидростатическом методе может достигать от 30 до 60% рабочего диапазона (Математическая модель системы мониторинга уровня жидкости в барабане котла. С.В. Авраменко, В.П. Тарасюк, ДВНЗ «ДОННТУ», Донецк, 2012 год).

Экспериментальные данные показывают, что ошибка измерения показаний уровня воды в заявляемом устройстве не превышает ±3% от величины значения рабочего диапазона, это позволяет повысить точность регулирования подачи воды в паровой котел.

Также следует отметить, что вынос видеокамеры из зоны прямого наблюдения позволяет вести прямое визуальное наблюдение за уровнем воды по уравнемерному стеклу, например, в случае нештатной ситуации, вызванной, например, сбоями или отказом автоматики или для обеспечения дополнительного контроля за работой котла.

При проведении патентно-информационных исследований заявляемая совокупность признаков выявлена не была. Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.

На Фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство;

На Фиг. 2 показана установленная на водоуказательной колонке прямоугольная рамка с метками;

На Фиг. 3 показано крепление корпуса с видеокамерой к водоуказательной колонке.

Устройство содержит водоуказательную колонку 1 с уровнемерным стеклом 2, которое при помощи импульсных трубок 3 и 4 жестко соединено с паровым котлом 5. В верхней части водоуказательной колонки 1 на кронштейне 17 установлен корпус 18, в котором размещена видеокамера 6, при этом видеокамера 6 вынесена из зоны прямого наблюдения. Это не мешает наблюдателю провести прямое визуальное наблюдение уровня воды по уровнемерному стеклу 2. Водоуказательная колонка 1 снабжена рамкой 19 с метками 20. Выход с видеокамеры 6 соединен с входом преобразователя 7 сигнала. В преобразователе 7 сигнала выход с блока выделения 8 области с изображением уровнемерного стекла соединен с входом блока распознавания 9 меток 20, выход которого соединен с входом блока построения шкалы измерений и минимизации перспективных изображений 10, выход с которого соединен с входом блока детектора границы двух сред 11, выход с которого соединен с входом блока вычислителя значений положения границы сред 12, выход с которого соединен с входом интерфейсного блока 13. Выходной сигнал с преобразователя 7 сигнала через последовательно соединенные блок управления 14 и блок усиления 15 управляющего сигнала подается на электрифицированную задвижку 16, установленную на трубопроводе 21 для подачи воды в паровой котел 5.

В исходном состоянии вода в резервуаре парового котла 5 отсутствует, в водяном и паровом пространствах резервуара находится газ (воздух), поэтому в уровнемерном стекле 2 водоуказательной колонки 1, жестко соединенной с паровым котлом 5 импульсными трубками 3, 4, среда одна и границы раздела сред нет. При этом на входе блока управления 14 управляющий сигнал равен нулю. Как только уровень воды в резервуаре парового котла 5 превысит отметку импульсной трубки 3, в соответствии с законом сообщающихся сосудов в уровнемерном стекле 2 появится вода и, как следствие, граница раздела сред (вода/воздух). С выхода видеокамеры 6 изображение сосуда с водой поступает на преобразователь 7 сигнала, который посредством последовательно соединенных друг с другом блока выделения сигнала 8, который выделяет область кадра с изображением уровнемерного стекла 2, блока распознавания 9 находит и запоминает метки 20 (прямоугольники) на рамке 19, блока построения шкалы измерений 10 определяет координаты меток 20, на основании формулы перспективного преобразования производится ректификация изображения в плоскости уровнемерного стекла и относительно этих же меток 20 в ректифицированном изображении строится шкала измерений, что позволяет уменьшить до нуля составляющую погрешностей измерения, связанную с перспективными искажениями; блока 11 детектора границ выделяет границу раздела сред; блока 12 вычислителя значения положения уровня по построенной шкале измерений вычисляет значение положения границы раздела сред; посредством интерфейсного блока 13 формирует выходной сигнал, пропорциональный значению положения границы раздела сред, и видеосигнал, несущий изображение уровнемерного стекла. Далее в блоке управления 14 величина сигнала, сформированного преобразователем 7 сигнала, сравнивается с заданным значением, в результате чего формируется разностный сигнал, который проходит через блок усиления 15 и закрывает электрифицированную задвижку 16, уменьшая поступление воды в резервуар парового котла 5. Как только уровень воды в паровом котле 5 будет равен заданному значению, электрифицированная задвижка 16 полностью перекрывается. По мере расходования воды в паровом котле 5 электрифицированная задвижка 16 будет открываться, обеспечивая подачу воды в паровой котел 5, тем самым автоматически поддерживая требуемый уровень воды в паровом котле 5. В течение всего технологического процесса оператор имеет возможность контролировать уровень путем наблюдения за уровнемерным стеклом 2, а также получать данные об уровне среды с преобразователя 7 сигналов, что позволяет повысить безопасность работы парового котла 5.

Заявляемое изобретение позволяет также повысить точность определения уровня воды в паровом котле, точность регулирования поступления воды в паровой котел, обеспечивает автоматизацию процесса регулирования технологического процесса.

Изобретение может быть использовано при изготовлении устройств контроля уровня воды в барабане котла. Устройство регулирования уровня воды парового котла содержит указатель уровня среды в виде водоуказательной колонки 1 с уровнемерным стеклом 2, которое при помощи импульсных трубок 3 и 4 жестко соединено с паровым котлом 5. В верхней части водоуказательной колонки 1 на кронштейне 17 установлен корпус 18, в котором размещена видеокамера 6, при этом видеокамера 6 вынесена из зоны прямого наблюдения. Это не мешает наблюдателю провести прямое визуальное наблюдение уровня воды по уровнемерному стеклу 2. Водоуказательная колонка 1 снабжена рамкой 19 с метками 20. Выход с видеокамеры 6 соединен с входом преобразователя 7 сигнала. В преобразователе 7 сигнала выход с блока выделения 8 области с изображением уровнемерного стекла соединен с входом блока распознавания 9 меток 20, выход которого соединен с входом блока построения шкалы измерений и минимизации перспективных изображений 10, выход с которого соединен с входом блока детектора границы двух сред 11, выход с которого соединен с входом блока вычислителя значений положения границы сред 12, выход с которого соединен с входом интерфейсного блока 13. Выходной сигнал с преобразователя 7 сигнала через последовательно соединенные блок управления 14 и блок усиления 15 управляющего сигнала подается на электрифицированную задвижку 16, установленную на трубопроводе 21 для подачи воды в паровой котел 5. Метки 20 выполнены в виде графических изображений, преимущественно в виде прямоугольников. Технический результат - повышение точности регулирования уровня воды в паровом котле при визуальном и аппаратном его контроле. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство регулирования уровня воды парового котла, содержащее указатель уровня среды, который выполнен с возможностью жесткого крепления на резервуаре парового котла, видеокамеру, соединенную с преобразователем выходного сигнала, и трубопровод с электрифицированной задвижкой, отличающееся тем, что видеокамера вынесена из зоны прямого наблюдения указателя уровня среды и размещена в корпусе, который посредством кронштейна жестко закреплен на указателе уровня среды, на указателе уровня среды дополнительно размещена рамка с метками, а преобразователь сигнала размещен в указанном корпусе и выполняет функции выделения области с изображением указателя уровня среды, распознавания меток, построения шкалы измерения и минимизации перспективных искажений, определения границы двух сред и вычисления значения положения границы сред, выход преобразователя сигнала снабжен интерфейсным блоком и соединен с блоком управления, который формирует управляющий сигнал, выход блока управления соединен с входом блока усиления управляющего сигнала, последний соединен с электрифицированной задвижкой трубопровода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кронштейны для крепления корпуса с видеокамерой и преобразователем сигнала закреплены в верхней части указателя уровня среды.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указатель уровня среды представляет собой водоуказательную колонку с уровнемерным стеклом.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рамка выполнена прямоугольной формы.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве меток на рамку могут быть нанесены знаки, которые могут быть распознаны оптическими средствами.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве блока управления использован компьютер или контроллер с монитором.