способ определения высоты уровня жидкости (варианты)

Формула изобретения

1. 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительный всплеск выхода излучения из боковой поверхности тела создают путем включения в тело преобразующих и/или рассеивающих присадок, например, люминофоров.

3. 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 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области эксплуатации стационарных резервуаров с топливом, водой или другими жидкостями и может быть использовано при различных работах, связанных с определением высоты уровня жидкости.

Существует несколько способов определения высоты уровня жидкости в резервуарах. Наиболее широко известный из них заключается в измерении высоты уровня указателем уровня типа УДУ [2, 4], а также стандартной лентой вручную (рулеткой с лотом или метрштоком).

Указатель уровня УДУ включает в себя следующие элементы: поплавок со стальной мерной лентой, на которой он подвешен; две направляющие струны, проходящие через два кольца по бокам поплавка, по которым (струнам) скользит поплавок; систему трубопроводов с блоками внутри на участках поворота ленты, которая (система) позволяет вывести ленту из резервуара; счетный механизм, закрепляемый, как правило, на боковой поверхности резервуара; систему дистанционной передачи показаний уровня жидкости. Способ измерения высоты уровня указателем типа УДУ заключается в воздействии выталкивающей силы жидкости на поплавок и передаче движения поплавка (вслед за уровнем жидкости) через ленту к счетному механизму высоты уровня. Показания счетного механизма часто передаются по системе дистанционной передачи на пульт склада. Погрешность непосредственного измерения высоты уровня (без погрешности дистанционной системы) составляет 3 и 4 мм при высоте уровня соответственно 5 и 10 м [4]. Примерно такую же погрешность следует ожидать при использовании рулетки. Использование потенциометрической системы передачи данных добавляет к указанной погрешности 15 мм, а использование кодовой системы - 1 мм.

Основные недостатки способа определения уровня жидкости по УДУ заключаются в следующем: при отрицательных температурах в отдельные периоды времени появляется лед в счетном механизме, что является результатом конденсации паров воды из жидкости резервуара и что затрудняет эксплуатацию УДУ; иногда наблюдается заклинивание поплавка из-за перекоса, возникающего при движении вдоль струн; в отдельных случаях указанные выше погрешности измерения высоты уровня с учетом погрешности дистанционной передачи могут оказаться неприемлемыми для резервуаров большой емкости.

При другом способе измерения высоты уровня используют указатель типа "УДАР" [4], состоящий из двух измерительных труб с источниками и счетчиками гамма-излучения, электронно-механического блока, системы "источник-датчик" (перемещается вслед за уровнем) и пульта управления для регистрации высоты уровня, переливов жидкости и т.д. Способ определения высоты уровня указателем такого типа заключается в воздействии гамма-излучения на жидкость между трубами и в регистрации его поглощения жидкостью и газовой средой, что позволяет определить относительную плотность указанных сред, а следовательно, и высоту уровня. Недостатками данного способа являются чрезмерная громоздкость оборудования, потенциальная опасность от источников радиоактивности, ряд ограничений в работе в связи с наличием источников радиоактивности.

Высоту уровня жидкости в стационарных резервуарах определяют также другими способами с использованием, например, емкостного датчика типа ДУЕ, магнитно-поплавкового указателя типа МПУ, просто мерных стекол и т.д. Они не столь широко распространены и имеют ряд как достоинств, так и недостатков, связанных с точностью измерения высоты уровня, отсутствием телеметрической части и т.п. Так, появившийся в последнее время датчик ДУЕ (основан на регистрации электрической емкости между двумя тросиками, погруженными в жидкость, в зависимости от высоты уровня) имеет довольно большую погрешность. К примеру, использование ДУЕ класса точности 1,5 [9] должно приводить к погрешности до 7,5 см при 5-метровой высоте уровня. Если же учесть дополнительные погрешности, перечисленные в [9], то общая ошибка будет примерно в 2 раза больше.

Задачу точного и надежного определения высоты уровня жидкости можно решить, привлекая широко известные методы оптической локации. Так, для определения высоты уровня мог бы применяться способ, по которому работает импульсный светодальномер [10]: на объект направляют световой импульс, а по скорости и времени прохождения импульса до объекта и обратно определяют расстояние до объекта. Данный способ надежен и чрезвычайно точен. Однако его применение для жидкостей в резервуарах сопряжено со сравнительно сложным оборудованием, трудностями при эксплуатации и т.д.

В промышленности используются также определители уровня на основе пары светоизлучающий диод - фотоприемник. Прибор на такой основе содержит две указанные пары - одну для контроля верхнего уровня жид кости, другую для контроля нижнего уровня [7]. При изменении уровня ниже требуемого луч от светодиода начинает поступать на фотоприемник, который в свою очередь включает реле регулировки уровня; две пары светодиод - фотоприемник позволяют сохранять уровень в требуемом диапазоне. Способ, на основе которого работает прибор, сводится, таким образом, к направлению излучения на жидкость и регистрации его фотоприемником или нерегистрации в зависимости открыт ли путь луча к приемнику или этому мешает жидкость. Данный способ и прибор в существующем виде не пригодны для текущего (а не дискретного) определения уровня жидкости.

Из всех перечисленных выше способов наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является способ, по которому работает импульсный светодальномер.

Целью настоящего изобретения является повышение точности и надежности определения высоты уровня жидкости при простом для этого оборудовании, т.е. целью является устранение большинства недостатков, перечисленных выше при описании аналогов.

Цель достигается изложенным ниже способом в двух независимых вариантах.

По 1-му варианту способ определения высоты уровня жидкости заключается 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 (ФП), расположенным вдоль тела.

Уже то, что тело является оптически более плотной средой, чем газовая среда над жидкостью, ведет, как правило, к повышенному выходу излучения из тела вблизи уровня. Усилить данный выход можно путем: подбором материала тела таким, чтобы его показатель преломления относительно жидкости n_тж был возможно меньше; уменьшением сечения тела и тем самым увеличением частоты отражения и преломления света в теле на единице длины; подбора источника излучения с требуемой диаграммой направленности.

Если расчет реализации изложенного варианта способа не приводит к уверенной регистрации повышенного излучения координатным ФП, то дополнительное и в некоторых случаях резкое увеличение выхода излучения и создание тем самым надежного светового зонда для ФП можно обеспечить следующим образом:

1) если n_тж>1, то излучение в теле направляют под углами падения к его боковой поверхности _п большими, чем угол полного внутреннего отражения для лучей в теле относительно газовой среды над жидкостью _г, но меньшими, чем угол полного внутреннего отражения для лучей в теле относительно жидкости _ж;

2) если n_тж<1, то излучение в теле направляют под углами _г<_п<90.

В качестве примера, подтверждающего возможность осуществления способа по данному варианту, на фиг.1-5 приведены схемы осуществления способа, а ниже приводятся пояснения к ним.

На фиг.1 изображен фрагмент резервуара с авиатопливом 5 и уровнем его 8. Для измерения текущей высоты h уровня в авиатопливо погружают ленту 2 с координатным фотоприемником 3, расположенным вдоль ленты через прокладки 4 для доступа топлива к ФП. Лента и ФП закрепляются на основании 9, имеющем светопоглощающую поверхность. Излучение поступает из источника 7 через переходник 6, формирующий и направляющий лучи в ленту. Источник излучения может быть вынесен на пульт управления, а сигнал от него поступать в ленту через волоконно-оптический кабель. Лента выполнена из полистирола, имеющего абсолютный показатель преломления на длине волны 589 нм при 20С, равным n_т=1,59 [11] (в дальнейшем его принимаем таким же и для волн =800...900 нм); затухание светового сигнала - около 500 дБ/км на длине волны 850...900 нм - взято как для полимерных световодов [8] на 1977 г. с учетом перспективности найлона и полистирола [3]; временное сопротивление при растяжении _вр=40-50 МПа; модуль упругости при изгибе Е=3,2 ГПа. Другие показатели также вполне приемлемы для нашего случая. Недостатком является хрупкость полистирола, что может быть скомпенсировано заключением ленты в тонкую, прозрачную и надежную оболочку из полимера с приемлемым показателем преломления, а, при необходимости, и в специальную проволочную оболочку, общую для ленты и ФП.

Согласно этим данным наибольшая возможная толщина ленты при допускаемом радиусе изгиба R=50 см составит b=2_вр R/E=240 МПа50 см/ 3,2 ГПа=1,25 см.

Полагая, что авиатопливо по оптическим показателям близко к марке АВКП (США), берем показатель преломления, равным как у АВКП-n_ж=1,40 при 25С [6]. Поскольку в нашем случае n_т существенно больше n_ж, лучи в теле направляем под углами падения в области _г<_п<_ж. Углы _г и _ж имеют следующие значения:

Данные углы показаны на фиг.2, где также обозначено: 2 - лента; 3 - ФП; 4 - прокладки для доступа топлива к ФП; 8 - уровень топлива. Расстояние между лентой и ФП выбирают таким, чтобы не имело место капиллярное поднятие топлива. Кроме того, толщину ленты проверяют на то, чтобы основное излучение из боковой поверхности ленты не сосредотачивалось в прилегающем объеме жидкости с радиусом r (фиг.2). Для этого достаточно иметь b>(0,1-0,3)r.

Таким образом, лучи в ленте направляем под углами падения в диапазоне 3858"-6142". Причем лучший результат будет при углах, более близких к 3858". В этом случае излучение будет распространяться в ленте до уровня жидкости в основном без потерь; при совершенной технологии изготовления ленты потери следует ожидать только из-за релеевского рассеяния, т.е. незначительными. Ниже уровня топлива вследствие того, что _п<_ж=6142", лучи начнут не только отражаться от боковой поверхности, но и, преломляясь, покидать ленту. Полагая, что можно обеспечить 3858"<_п<45, лучи через несколько отражений в основном покинут ленту, образуя световой репер у поверхности топлива. В связи с этим для уменьшения ошибки определения h ширину ленты принимаем возможно меньшей, но в то же время значительной, чтобы не усложнять работы по изготовлению ленты, полимерной оболочки, проволочного шланга с фиксацией минимального радиуса изгиба, соединения с источником излучения. Такой шириной в первом приближении будет b=0,5-1,0 мм, а минимально допустимый радиус изгиба с учетом примерно 4-кратного запаса прочности ленты как хрупкого элемента R20 см.

Спектральному согласованию материалов для ленты (полимеров, боросиликатных стекол с затуханием порядка 50 дБ/км и, в крайнем случае, кварцевого стекла) с источником излучения и ФП лучше всего отвечает полоса в области 800 и 600 нм. Ниже выбор источника излучения и ФП сориентирован на длину волны 800 нм.

За источник излучения принимаем GaAlAs-светоизлучающий диод (СИД) с учетом его работы по схемам, предусматривающим компенсацию временной и температурной нестабильности излучения [7]. СИД принимаем с примесью 0,05...0,1, обеспечивающей _max=800 нм (максимальная генерация) [8]. Его соединяем с лентой по схеме на фиг.3, расположенной слева. Угол наклона диода 1 к ленте 2, диаграмму направленности излучения и фокусирующий элемент 3 берем по расчету такими, чтобы обеспечить наиболее эффективный ввод излучения с учетом необходимости распространения лучей в ленте с углами падения в области 3858"-45. При трудностях выполнения данных условий принимаем за источник излучения ДГС-лазер на основе GaAlAs с _max=800...900 нм. В этом случае фокусирующий элемент 3 (фиг.3) необязателен. Если при выборе материала ленты окажется n_ж>n_т, то возможно применение СИД без наклона к ленте, т.е. соединение СИД с лентой просто оптическим клеем 4, что изображено на правой части фиг.3 и что применяется как один из методов ввода излучения [8].

Направляя лучи в ленте под углами падения 3858"-6142", обеспечиваем, как было сказано, всплеск выхода излучения вблизи уровня. Эпюра интенсивности потока излучения из боковой поверхности ленты изображена на фиг.4. Участки выше и ниже максимума на эпюре соответствуют в основном релеевскому рассеянию (незначительный фон).

Вышедшее излучение, соответствующее пику на эпюре, образует в координатном фотоприемнике фотоэлектрический контакт. Предпочтительным координатным ФП для нашего случая является функциональный фоторезистор (ФФР) с переменным межэлектродным расстоянием и компенсирующей нагрузкой, что позволяет в значительной мере устранить помехи от температурного и других влияний [5]. Его схема изображена на фиг.5. На ней световой зонд 6, сформированный пиком повышенного выхода излучения из ленты, проходя диэлектрическую подложку 2 и фотослой 1, образует контакт между электродом 3 и параллельными эквипотенциальными электродами 4 и 5. Расстояние между электродами задаем, например, линейной зависимостью от h и снимаем напряжение V₂(h).

ФФР для нашего случая берем выполненной из пленки на основе CdSe, спектральная чувствительность которой близка к наибольшей при =800 нм [1]. Расчет ФФР, увязанный с расчетом указателя по данному способу в целом, здесь не приводится.

ФП типа ФФР, как показывает практика, имеют надежные показатели эксплуатации, а разрешающая способность остается постоянной во времени и составляет несколько микронов [5]. Особенность пленки на основе CdSe (сравнительно большая лента) не должна вызывать принципиальных трудностей при ее изготовлении технологическими методами, изложенными в [1]. Тем не менее для уменьшения трудоемкости изготовления пленки с переменным межэлектродным расстоянием можно ФФР с переменным межэлектродным расстоянием заменить на ФФР щелевого типа [5]. Кроме того, весь ФФР можно изготовлять в виде отрезков (секций). При технологической оценке необходимо также принять во внимание возможность использования фотопотенциометра с компенсационной нагрузкой по аналогии с ФФР [5].

При описанной системе источник - прозрачная лента - ФП основная погрешность измерения h будет в основном зависеть от ширины пика бокового излучения из ленты. При удачном подборе материала ленты по показателю преломления, ширины лента и толщины, направленности излучения источника погрешность определения h можно довести до 1 мм.

Подвариант изложенного выше способа определения высоты уровня жидкости заключается в том, что дополнительный всплеск выхода излучения из боковой поверхности тела создают путем включения в тело преобразующих и/или рассеивающих присадок, например, люминофоров. В качестве люминофоров могут использоваться соли редкоземельных элементов или актиноидов, образующих центры свечения. Стержень, для данного подварианта может выполняться из боросиликатного стекла с n_т 1,5 и затуханием примерно 50 дБ/км [8]. Возможно применение и других материалов для стержня, в т.ч. прозрачных полимеров, если это будет увязываться с технологией включения в них люминофоров. При выборе активаторов лучше всего, как и указывалось выше, ориентироваться на длины волн в области 800...850 нм, а их плотность но объему закладывать постоянной. Источником излучения может быть GaAlAs-светодиод. При этом СИД и координатный ФП должны соответствовать по длине волны выбранному активатору. Вероятную ошибку измерения h при использовании данного подварианта можно ожидать до 1 мм.

По 2-му варианту способ определения высоты уровня жидкости заключается 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 поддавке, 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.

На фиг.6 приведена схема, соответствующая данному варианту способа. В жидкость 4 резервуара 1 погружен стержень 2 круглого сечения. Стержень закреплен на подставке 6 и имеет сверху источник излучения 5. Характеристики стержня и источника могут быть такими же, как и предложенные в описании подварианта 1-го варианта с применением присадок, за исключением объемной плотности активаторов. В данном случае она заложена по длине стержня такой, что интенсивность излучения из боковой поверхности отвечает выбранной закономерности по h. От фотодиода (одного или нескольких), закрепленного на поплавке 7, сигнал передается через кабель 8 на регистрацию. Величина сигнала зависит от заложенной закономерности излучения от присадок (например, люминофоров) по длине тела и, следовательно, определяет h. Фотодиод может быть вынесен за резервуар, а на его место установлен оптический приемник, связанный с фотодиодом волоконно-оптическим кабелем. Точность измерения h по 2-му варианту можно ожидать до 1 мм.

При трудностях реализации 1-го или 2-го варианта определения h протяженное тело и (или) ФП вместе или по отдельности берут выполненными в защитном корпусе и, при необходимости, в виде секций с соединителями. Применение того или иного варианта определения h зависит от многих причин: прозрачности жидкости, вида жидкости и связанной с этим безопасности работ, возможности использования регуляторов смачивания и т.д.

Источники информации

1. Анисимова И.Д. и др. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазон спектра. -М.: Радио и связь, 1984, 216 с.

2. Бромберг А.А. и др. Механическое и энергетическое оборудование аэропортов. -М.: Машиностроение, 1968, 336 с.

3. Гроднев И.И., Шварцман В.О. Теория направляющих систем связи. -М.: Связь, 1978, 296 с.

4. Ипатов А.М. Эксплуатация резервуаров склада горюче-смазочных материалов. -М.: Транспорт, 1985, 176 с.

5. Ишанин Г.Г. и др. Источники и приемники излучения. -СПб.: Политехника, 1991, 240 с.

6. Литвинов А.А. Основы применения горюче-смазочных материалов в гражданской авиации. -М.: Транспорт, 1987, 312 с.

7. Мухитдинов М., Мусаев Э.С. Светоизлучающие диоды и их применение. -М.: Радио и связь, 1988, 80 с.

8. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. -М.: Советское радио, 1977, 232 с.

9. Датчик уровня емкостной ДУЕ-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации Са 2.834.002 ТО.

10. БСЭ. Т. 7, с.519. -М.: Советская энциклопедия, 1972, 608 с.

11. Химическая энциклопедия. Т. 4, с.24. -М.: Большая российская энциклопедия, 1995, 640 с.