уровнемер жидкости

Формула изобретения

Уровнемер жидкости в жестких вертикальных резервуарах, содержащий цилиндрический корпус, внутренняя полость которого через выполненные в его нижней части каналы сообщена с полостью резервуара, размещенный с возможностью вертикального перемещения в цилиндрическом корпусе поплавок, верхняя поверхность которого покрыта зеркальным слоем, источник и приемник излучения, связанные с внутренней полостью цилиндрического корпуса через оптический замыкатель, выполненный в виде диска с окнами, на внешнюю поверхность которого нанесен отражающий слой, уголковый отражатель и блок управления последовательностью операций, электрически связанный с источником и приемником излучения и с приводом вращения оптического замыкателя, отличающийся тем, что дополнительно содержит ступенчатую полую цилиндрическую насадку, имеющую опорное основание для герметичного крепления на горловине жесткого вертикального резервуара, второй уголковый отражатель и стеклянную перегородку, разделяющую ступени полой цилиндрической насадки, в ступени меньшего диаметра которой закреплена с возможностью ограниченного вертикального перемещения труба с коаксиально установленным в ней цилиндрическим корпусом уровнемера, кольцевой зазор между которыми у нижних торцов герметично закрыт от контакта с измеряемой жидкостью горизонтальной перегородкой с отражающим слоем на внутренней поверхности, а в ступени большего диаметра полой цилиндрической насадки размещен оптический замыкатель, в одном из окон которого установлены встречно первый и второй уголковые отражатели, при этом источник и приемник излучения и привод оптического замыкателя установлены на опорном основании ступенчатой полой цилиндрической насадки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерителям уровня жидкости для жестких вертикальных резервуаров, в частности к уровнемерам жидкости с применением поплавков, и может быть использовано в нефтяной и химической промышленности преимущественно для контроля за уровнем жидкостей, хранящихся в любых вертикальных резервуарах, имеющих горизонтальные днища.

Как показала практика эксплуатации вертикальных жестких резервуаров, на измерение уровня жидкости оказывает влияние неконтролируемое изменение базовой высоты резервуара за счет изменения положения днища относительно крыши емкости во время проведения сливо-наливных операций и периодических деформаций от гидростатического давления, а так как большинство уровнемеров при измерении уровня привязывается к базовой высоте резервуара, то достоверность измерения уровня жидкости очень низка из-за изменения (прогиба) горизонтальности днища.

Перед авторами стояла задача разработать уровнемер, который бы снижал погрешность измерения за счет учета влияния гидростатического давления жидкости на днище.

При просмотре патентной и научно-технической информации были выявлены технические решения-аналоги. Так, известно устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах, содержащее приемник гидростатического давления в виде поршня, над которым установлены излучающий и приемный световоды, оптически сопряженные соответственно с источником и приемником света, электрически соединенными с блоком питания, двумя входами аналого-цифрового преобразователя и индикатором (патент РФ №2064665, G01F 23/14 1996 г.).

Недостатками данной конструкции являются низкая точность, обусловленная инструментальной погрешностью пары трения поршень-труба, температурной нестабильностью компонентов электрической схемы, осмолением и загрязнением оптических поверхностей, а также малым динамическим диапазоном измерения из-за большого рассеивания оптического излучения за пределами фокуса сферического углубления.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению принятым за прототип является устройство для измерения уровня жидкости в герметичных емкостях, содержащее цилиндрический полый корпус с установленным внутри с возможностью перемещения в вертикальной плоскости поршнем, на поверхности которого размещен уголковый отражатель. В верхней части корпуса установлены передающий и приемный световоды, связанные через устройства ввода и вывода излучения и оптический замыкатель, выполненный в виде диска с окнами, внешняя поверхность которого покрыта отражающим слоем, с источником и приемником излучения, электрически соединенными с входом ждущего мультивибратора, измерителя частоты и ЭВМ (патент РФ №2084837, G01F 23/22 - прототип).

Недостатками данного устройства является низкая точность, обусловленная влиянием на погрешность измерений уровня неконтролируемого изменения базовой высоты резервуара за счет изменения положения днища относительно крыши емкости во время проведения сливо-наливных операций и периодических деформаций от гидростатического давления.

Технический результат изобретения - повышение точности измерения уровня жидкости.

Указанный технический результат достигается тем, что известный уровнемер жидкости в жестких вертикальных резервуарах, содержащий цилиндрический корпус, внутренняя полость которого через выполненные в его нижней части каналы сообщена с измеряемой жидкостью, размещенный с возможностью вертикального перемещения в цилиндрическом корпусе поплавок, верхняя поверхность которого покрыта зеркальным слоем, источник и приемник излучения, связанные с внутренней полостью цилиндрического корпуса через оптический замыкатель, выполненный в виде диска с окнами, на внешнюю поверхность которого нанесен отражающий слой, уголковый отражатель и блок управления последовательностью операций, электрически связанный с источником и приемником излучения и с приводом вращения оптического замыкателя, согласно изобретению дополнительно содержит ступенчатую полую цилиндрическую насадку, имеющую опорное основание для герметичного крепления на горловине жесткого вертикального резервуара, второй уголковый отражатель и стеклянную перегородку, разделяющую ступени полой цилиндрической насадки, в ступени меньшего диаметра которой закреплена с возможностью ограниченного вертикального перемещения труба с коаксиально установленным в ней цилиндрическим корпусом уровнемера, кольцевой зазор между которыми у нижних торцов герметично закрыт от контакта с измеряемой жидкостью горизонтальной перегородкой с отражающим слоем на внутренней поверхности, а в ступени большего диаметра полой цилиндрической насадки размещен оптический замыкатель, в одном из окон которого установлены встречно первый и второй уголковые отражатели, при этом источник и приемник излучения и привод оптического замыкателя установлены на опорном основании ступенчатой полой цилиндрической насадки.

На фиг.1 представлен уровнемер жидкости (в разрезе на резервуаре);

фиг.2 - оптический замыкатель (вид сверху);

фиг.3 - оптический замыкатель (вид по стрелке I-I фиг.2).

Уровнемер жидкости содержит вертикальную трубу 1, охватывающую коаксиально установленный в ней цилиндрический корпус 2 с кольцевым зазором (от двух до пяти сантиметров). Кольцевой зазор герметично закрыт от контакта с измеряемой жидкостью горизонтальной перегородкой 3, покрытой зеркальным (отражающим) слоем 4 с внутренней стороны и размещенной над каналами 5, сообщающими внутреннюю полость цилиндрического корпуса 2 с измеряемой жидкостью в резервуаре. В верхней части уровнемера размещена ступенчатая полая насадка 6, в ступени меньшего диаметра которой закреплена с возможностью ограниченного вертикального перемещения труба 1. Ступенчатая насадка 6 имеет опорное основание 7, которое герметично закрепляют на световом люке вертикального резервуара при помощи болтового соединения. Ступени насадки 6 разделены герметично установленной стеклянной перегородкой 8, которая защищает внутреннюю полость большего диаметра от влияния отложений и паров измеряемой жидкости на работу контрольно-измерительных приборов.

Ограничение вертикального перемещения трубы 1 (вместе с корпусом 2) достигается за счет наличия упора 9 (в виде шип-паз), который обеспечивает диапазон перемещения трубы 1 в ступенчатой насадке 6. Исходя из практики эксплуатации вертикальных резервуаров максимальный прогиб днища может достигать до 40 см в ту или иную сторону, следовательно, диапазон перемещения трубы в ступени меньшего диаметра составляет 80 см.

В цилиндрическом корпусе 2 размещен поплавок 10, верхняя поверхность которого покрыта зеркальным слоем. На опорном основании 7 установлены источник 11 и приемник 12 излучения (фотодиоды). Между опорным основанием 7 и стеклянной перегородкой 8 установлен оптический замыкатель 13, ось вращения (без позиции) которого связана с приводом 14 вращения (шаговый двигатель). Источник 11 и приемник 12 излучения, а также привод 14 вращения оптического замыкателя 13 подключены к блоку 15 управления последовательностью операций измерения.

Оптический замыкатель 13 имеет форму диска из любого прочного материала (металл, пластик и пр.) диаметром от пяти до десяти сантиметров. Ось диска жестко связана с валом привода 14 вращения диска в горизонтальной плоскости. Замыкатель 13 имеет три равных сектора: «А», «В» и «С» с углом в 120° каждый.

Сектор «А» и вся его внешняя поверхность (обращенная к приводу 14 вращения) покрыта отражающим слоем.

Сектор «В» на своей осевой линии имеет сквозное отверстие 16 в виде прямоугольника, в котором располагаются встречно первый 17 и второй 18 уголковые отражатели. Уголковые отражатели 17 и 18 расположены в сквозном отверстии 16 таким образом, чтобы сместить световой поток от источника 11 излучения в кольцевой зазор между трубой 1 и цилиндрическим корпусом 2 и к приемнику 12 излучения.

Сектор «С» на своей осевой линии имеет сквозное отверстие 19 в виде круга. Диаметр и размещение на осевой линии выбирают из условия обеспечения прохождения светового потока от источника 11 к приемнику 12 излучения.

Блок 15 управления последовательностью операций выполнен в виде микроконтроллера с программным обеспечением (DS1040 Dallas Semiconductor, ЗАО «ДОДЭКА», Справочная литература электронные компоненты, 2003 г., с.67).

Уровнемер жидкости работает следующим образом.

Для пояснения работы введены условные обозначения:

- сектор «А» условно (для пояснения работы уровнемера) назван сектором режима калибровки;

- сектор «В» условно (для пояснения работы уровнемера) назван сектором режима измерения базовой высоты резервуара;

- сектор «С» условно (для пояснения работы уровнемера) назван сектором режима измерения уровня жидкости в резервуаре.

Заявляемый уровнемер жидкости представляет собой устройство, габариты которого зависят от широко распространенных вертикальных резервуаров, высота которых находится в пределах Нрз=12 м, а размер диаметра светового люка составляет 200 мм.

Исходя из размера диаметра светового люка больший диаметр ступенчатой насадки 6 принимают D=197 мм.

Перед началом измерения уровня жидкости в резервуаре в блок 15 управления последовательностью операций задают следующие величины:

Нкз - значение расстояния от передающего 11 и приемного 12 источника излучения до поверхности оптического замыкателя 13,

Нбз - значение расстояния от передающего 11 и приемного 12 источника излучения до отражающего слоя 4 горизонтальной перегородки 3,

Нрз - базовая высота резервуара.

Уровнемер устанавливают на резервуар таким образом, чтобы торец трубы 1 коснулся днища резервуара, при этом проверяют перпендикулярность трубы 1 по отношению к днищу резервуара. При заполнении резервуара по цилиндрическому корпусу 2 жидкостью, поступающей через каналы 5, выталкивается поплавок 10, при этом положение поплавка 10 соответствует уровню жидкости в резервуаре. Блок 15 управления последовательностью операций, согласно программного обеспечения, при помощи привода 14 вращения поворачивает оптический замыкатель 13 таким образом, чтобы сектор «А» был размещен под передающим 11 источником и приемником 12 излучения. Затем блок 15 управления последовательностью операций включает источник 11 излучения, который подает кратковременный световой импульс. Световой поток от источника 11 излучения отражается от поверхности сектора «А» оптического замыкателя 13 и попадает на приемник 12 излучения. Электрический импульс с приемника 12 излучения поступает в блок 15 управления последовательностью операций, который формирует цифровой импульс, равный расстоянию Нк.

В блоке 15 управления последовательностью операций происходит сравнение заданного значения Нкз со значением Нк, полученным при измерении.

Если заданное значение Нкз отличается от значения Нк, то это свидетельствует о нарушении перпендикулярности трубы 1 по отношению к днищу резервуара. Проводят коррекцию установки трубы 1.

Если же заданное значение Нкз соответствует полученному значению Нк, то блок 15 управления последовательностью операций, согласно программного обеспечения, при помощи привода 14 вращения поворачивает оптический замыкатель 13 таким образом, чтобы сквозное отверстие 16 сектора «В» было размещено под источником 11 и приемником 12 излучения. Затем блок 15 управления последовательностью операций включает источник 11 излучения, который вырабатывает кратковременный световой импульс. Световой поток от источника 11 излучения попадает на первый 17 уголковый отражатель, с которого передается на второй 18 уголковый отражатель и попадает на отражающий слой 4 горизонтальной перегородки 3, отражается от нее и по тому же пути в обратном порядке поступает на приемник 12 излучения. Происходит измерение расстояния Нб. В блоке 15 управления последовательностью операций происходит сравнение заданного значения Нбз и измеренного значения расстояния Нб.

Если измеренное значение Нб не соответствует заданному значению Нбз, то это свидетельствует о том, что произошло изменение горизонтальности днища резервуара, при этом труба 1 переместилась в ступенчатой насадке 6 на величину Н, равную разности измеренного значения Нб и заданного значения Нбз. На блоке 15 управления загорается лампа сигнализации, указывающая на то, что для дальнейшей эксплуатации требуется провести переградуировку резервуара.

При текущей же эксплуатации резервуара (до окончательного опорожнения) эта величина Н будет учитываться как постоянная величина при изменении уровня.

Если измеренное значение Нб соответствует заданному значению Нбз, то блок 15 управления последовательностью операций, согласно программного обеспечения, при помощи привода 14 вращения поворачивает оптический замыкатель 13 таким образом, чтобы сквозное отверстие 19 сектора «С» было размещено под источником 11 и приемником 12 излучения. Затем блок 15 управления последовательностью операций включает источник 11 излучения, который вырабатывает кратковременный световой импульс. Световой поток от источника 11 излучения проходит через сквозное отверстие 19 в секторе «С», отражается от поверхности поплавка 10 и попадает на приемник 12 излучения, что соответствует Нп расстоянию до поплавка 10, с учетом полученной величины Н.

Согласно программного обеспечения блока 15 управления последовательностью операций оптический замыкатель 13 при помощи привода 14 вращается со скоростью двадцать оборотов в минуту, что обеспечивает непрерывный контроль за уровнем жидкости в резервуаре с учетом изменения деформации днища от гидростатического давления.

Уровень жидкости в резервуаре рассчитывается в блоке 15 управления последовательностью операций по следующей формуле:

Нж=Нрз-Нп,

где Нж - уровень жидкости,

Нрз - базовая высота резервуара,

Нп - расстояние от источника 11 излучения до поплавка 10.

Заявляемый уровнемер проходил испытания на резервуаре марки РВС-3000, высота которого Нз=1226 см, следовательно, с учетом расстояния до зеркальной поверхности 4 перегородки 3 Нбз=1216 см. Целью эксперимента являлась проверка адекватности уровнемера по сравнению с ручными средствами измерения уровня керосина ТС-1 в РВС-3000. Уровнемером измерили расстояние от передающего 11 и приемного 12 источника излучения до отражающего слоя 4 горизонтальной перегородки 3, которое совпало с заданным и составило Нб=1216 см. Уровень авиационного керосина ТС-1, находящегося в резервуаре, составил Нж=889 см, что соответствует по градуировочной таблице резервуара объему 2510,121 м³.

После проведения технологической операции по приему 380,06 м ³ керосина в резервуар через образцовый счетчик блок 15 управления выдал сигнал рассогласования (Нб составило 1218,7 см), равный разнице расстояний Н=Нб-Нбз=1218,7-1216=2,7 см, что свидетельствует о деформации днища. На блоке 15 управления уровнемера загорелась лампа сигнализации, требующая переградуировки резервуара.

Измерив уровень при помощи образцовой рулетки, получили Нж=1025 см, и по градуировочной таблице объем керосина составил 2892,987 м³ .

При сопоставлении данных по объему керосина, прошедшего через образцовый счетчик и измеренного при помощи уровнемера, получили разницу V=(2892,987-2510,121)-380,06=2,806 м³ .

Анализ проведенного исследования показал:

- при применении ручных средств измерений уровня деформация днища резервуара составила Н=2,7 см, следовательно, неучтенная систематическая составляющая погрешности измерения уровня приведет к недостаче керосина, равной 2,806 м³;

- уровнемер жидкости, учитывая влияние систематической составляющей погрешности измерения уровня ( Н=2,7 см), позволяет достоверно измерять уровень нефтепродукта в резервуаре, тем самым решая задачу по повышению точности измерения уровня.

Применение изобретения позволит за счет совокупности известных конструктивных узлов: цилиндрического корпуса 2 с каналами 5, и отличительных признаков: вертикальной трубы 1 с горизонтальной перегородкой 3, покрытой зеркальным (отражающим) слоем 4, образующими герметичную полость для измерения базовой высоты резервуара, а также совокупности применения конструктивных узлов: поплавка 10, источника 11 и приемника 12 излучения, оптического замыкателя 13 с приводом 14 вращения, блока 15 управления, первого 17 и второго 18 уголковых отражателей, размещенных в ступенчатой насадке 6, ступени которой разделяются стеклянной перегородкой 8 для защиты контрольно-измерительных приборов от воздействия факторов, таких как осмоление, окисление и т.д., и закрепленных на опорном основании 7, позволяющем герметично устанавливать всю конструкцию уровнемера на световом люке резервуара, повысить точность измерения уровня жидкости в вертикальных резервуарах за счет исключения систематической составляющей погрешности от деформации днища резервуара, а также оперативно принимать решение о переградуировке резервуара.