способ и устройство для измерения уровня жидкости

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня жидкости путем получения и обработки двумерного изображения материальной точки, отличающийся тем, что получают и обрабатывают информацию о двумерном изображении пересечения двух лучей лазера с поверхностью тонкой прозрачной пленки, закрепленной на заданном уровне, с поверхностью измеряемого уровня и поверхностью уровня раздела фаз, при этом измеряемый уровень определяется по формуле:

где h₁ - уровень, на котором закреплена тонкая прозрачная пленка;

b₁ - вспомогательная величина, известная из конструкции;

l₁ - расстояние между точками пересечения лучей лазеров с тонкой прозрачной пленкой, измеренное при помощи телевизионной камеры и цифрового вычислительного устройства;

l₂ - расстояние между точками пересечения лучей лазеров с поверхностью жидкости, измеренное при помощи телевизионной камеры и цифрового вычислительного устройства, а измеряемый уровень раздела фаз определяют по формуле:

где ₂ - угол преломления луча лазера;

l₃ - расстояние между точками пересечения лучей лазеров с поверхностью уровня раздела фаз жидкостей, измеренное при помощи телевизионной камеры и цифрового вычислительного устройства.

2. Устройство для измерения уровня жидкости, содержащее телевизионную камеру, связанную с цифровым вычислительным устройством каналом связи, отличающееся тем, что содержит два лазера и тонкую прозрачную пленку, оптически связанные с телевизионной камерой, при этом телевизионная камера расположена сверху емкости точно в центре линии, соединяющей оси обоих лазеров, лазеры установлены в верхней части емкости таким образом, что их лучи образуют угол , а тонкая прозрачная пленка закреплена на заданном уровне.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике для определения уровня жидкости и может быть использовано на автозаправочных станциях.

Известен способ измерения уровня жидких сред в резервуарах. В резервуар по его высоте, где размещен в жидкой среде первый волновод, помещают дополнительно второй и третий волноводы. Во всех волноводах возбуждают упругие продольные волны нулевого порядка и принимают их после прохождения по волноводам. Измеряют уровни интенсивности упругих волн в попарно выбранных волноводах "второй-первый" и "второй-третий" или "первый-третий" и "второй-третий" и находят отношение относительных уровней интенсивности продольных упругих волн для выбранных пар. Второй волновод изолирован от жидкой среды, а третий контактирует с жидкой средой по всей длине. (Патент RU 2138786 С1, 6 G01F 23/284, 1999 г.)

Известен способ измерения уровня жидких сред, который включает излучение перпендикулярно поверхности жидкости зондирующего сигнала, прием отраженного от границы раздела сред сигнала и измерение временного интервала, функционально связанного с измеряемым уровнем. Зондирующий и отраженный сигналы канализируют в волноведущем тракте в виде продольных акустических волн, принимают эти сигналы последовательно в двух точках приема, которые располагают на фиксированном расстоянии друг от друга, ниже уровня точки излучения и вне объема волноведущего тракта. Нижнюю точку приема располагают выше максимально допустимого уровня жидкости для данной емкости, а измеряемый уровень жидкости 1ж определяют по формуле 1ж=L-10tx/2t0, где L - расстояние от нижней точки приема сигналов до дна емкости, 10 - расстояние между первой и второй точками приема сигналов, t0 - временной интервал между приемом зондирующего сигнала в первой и второй точках, tx - временной интервал между приемом во второй точке зондирующего и отраженного сигналов. (Патент RU 2143668 С1, 6 G01F 23/296, 1999 г.)

Известен способ ультразвукового измерения уровня жидкости, при котором измеряют время прохождения акустического ультразвукового импульса по звукопроводу, установленному вертикально внутри емкости, от излучателя до приемника. Акустический сигнал возбуждают пьезокерамическим излучателем, размещенным внутри плавающего на поверхности жидкости поплавка, коаксиально охватывающего звукопровод, по которому протекают переменный электрический ток и синхроимпульсы, обеспечивающие соответственно индукционное питание и индукционную синхронизацию пьезокерамического излучателя. (Патент RU 2156962, G01F 23/296, G01F 23/68, 2000 г.)

Общим недостатком перечисленных способов являются трудности, обусловленные необходимостью контакта измерительного устройства с измеряемой средой (поплавок, волновод, звукопровод) для обеспечения герметизации резервуара с жидкостью. Наличие контакта с жидкостью ведет к появлению дополнительных погрешностей и ограничивает надежность.

Известен уровнемер Бохана, содержащий поплавок с кольцевым магнитом, установленный на немагнитной трубе. Внутри трубки на уровне кольцевого магнита находится магнитный сердечник, который может свободно перемещаться вдоль трубки в соответствии с перемещением поплавка и изменением уровня жидкости. С магнитным сердечником соединен нижний конец магнитной ленты, на которой записаны цифровые данные. Верхний конец магнитной ленты находится в магнитофоне, выход которого через модем подключен к микро-ЭВМ. Измерение происходит за счет считывания цифровых данных с магнитной ленты до момента ее полного натяжения. (Патент RU 2023991, 5 G01F 23/44, 1994 г.)

Известно устройство для измерения уровня топлива, содержащее установленную в баке вертикальную герметизированную трубку из немагнитного материала, установленный с возможностью перемещения по ней кольцевой поплавок, с закрепленным на нем постоянным магнитом, расположенный в трубке, преобразовательный элемент, выполненный в виде линейного резистивного элемента, расположенного вдоль трубки, и подвижного токосъемного движка с ферромагнитной вставкой. (Патент RU 2029922 G01F 23/72, 1995 г.)

Недостатком этого устройства является необходимость наличия немагнитной трубы по высоте резервуара и применение магнитной связи, которая не устраняет нагрузки измерительного устройства на поплавок и связанных с этим погрешностей измерения. Применение магнитов вызывает налипание на поплавок ферромагнитных включений, которые могут попадать в жидкость, что приводит к дополнительным погрешностям измерения.

Общим недостатком поплавковых уровнемеров являются факторы, обусловленные необходимостью связи измерительного устройства с поплавком (например, через гидрозатвор или сальниковый узел) для обеспечения герметизации резервуара с жидкостью. Наличие таких устройств вызывает силы сопротивления, ведущие к погрешностям измерения, и ограничивает надежность.

Известен уровнемер, который также содержит вертикальную трубу с расположенным внутри отражателем, связанным с уровнем жидкости с помощью поплавка и магнита, источник модулированного светового сигнала, направляемого с помощью световодов и оптического устройства на отражатель, световоды и приемник отраженного светового сигнала, устройство электрической обработки сигналов, позволяющее определить расстояние до поверхности жидкости по разности фаз модулированного напряжения в излученном и отраженном сигналах, а также устройство отображения результатом измерения. (Патент СА 2064974 G01F 23/292, 1993 г.)

В этом уровнемере также сохраняются недостатки, связанные с использованием трубы и магнита, упомянутые выше.

Наиболее близким к заявляемому является способ, по которому изображение поверхности свободного поплавка вводится с помощью телевизионной камеры в цифровое вычислительное устройство, где по полученному цифровому отображению исходного изображения выполняют расчет уровня жидкости. (Патент RU 2126529 G01F 23/64, G01F 23/292, 1999 г.)

Наиболее близким к заявляемому устройству является жидкостный уровнемер, содержащий свободный поплавок, телевизионную камеру, цифровое вычислительное устройство. (Патент RU 2126529 G01F 23/64, G01F 23/292, 1999 г.)

Недостатком способа, реализуемого устройством жидкостного уровнемера, является то, что не исключен контакт устройства и измеряемой среды. Поплавок, погруженный в жидкость, удерживается от горизонтальных перемещений с помощью вертикальных струн - направляющих, что ограничивает надежность.

Рассматриваемый уровнемер имеет ограниченные функциональные возможности, так как не измеряет уровень раздела фаз жидкостей.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности за счет отсутствия элементов, имеющих контакт с измеряемой средой, и расширение функциональных возможностей за счет использования лазеров для измерения уровня раздела фаз.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения уровня жидкости, путем получения и обработки двумерного изображения материальной точки, в отличие от прототипа получают и обрабатывают информацию о двумерном изображении пересечения двух лучей лазера с поверхностью тонкой прозрачной пленки, закрепленной на заданном уровне, с поверхностью измеряемого уровня и поверхностью уровня раздела фаз, при этом измеряемый уровень определяется по формуле:

где

h₁- уровень, на котором закреплена тонкая прозрачная пленка;

b ₁ - вспомогательная величина известная из конструкции;

l₁- расстояние между точками пересечения лучей лазеров с тонкой прозрачной пленкой, измеренное при помощи телевизионной камеры и цифрового вычислительного устройства;

l₂ - расстояние между точками пересечения лучей лазеров с поверхностью жидкости, измеренное при помощи телевизионной камеры и цифрового вычислительного устройства, а измеряемый уровень раздела фаз определяют по формуле:

где

₂ - угол преломления луча лазера;

l₃- расстояние между точками пересечения лучей лазеров с поверхностью уровня раздела фаз жидкостей, измеренное при помощи телевизионной камеры и цифрового вычислительного устройства.

Поставленная задача достигается также тем, что в известном устройстве, содержащем телевизионную камеру, связанную с цифровым вычислительным устройством каналом связи, в отличие от прототипа введены два лазера и тонкая прозрачная пленка оптически связанные с телевизионной камерой, при этом телевизионная камера расположена сверху емкости точно в центре линии, соединяющей оси обоих лазеров, лазеры установлены в верхней части емкости таким образом, что их лучи образуют угол , а тонкая прозрачная пленка закреплена на заданном уровне.

Для повышения надежности лазеры и телевизионная камера могут быть отделены от внутренней полости емкости прозрачным окном (на приложенных чертежах это техническое решение условно не показано).

Общим признаком заявляемого объекта и прототипа является наличие материальной точки на поверхности жидкости. Причем для прототипа материальной точкой является поплавок, а для заявляемого объекта точки пересечения лучей лазеров с поверхностью тонкой прозрачной пленки, с поверхностью измеряемого уровня и поверхностью уровня раздела фаз.

Существо изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения уровня.

На Фиг.2 представлено условное изображение емкости, в которой измеряется уровень и раздел фаз жидкостей:

На фиг.2 А) изображен фронтальный вид.

На фиг.2 Б) изображен вид сверху.

На фиг.2 В) изображен увеличенный фрагмент фронтального вида.

Цифровое вычислительное устройство 1, представляющее собой микроконтроллер, получает телевизионный сигнал от телевизионной камеры 2 (вместо телевизионной камеры возможно использование видеокамеры или цифрового фотоаппарата). Телевизионная камера 2 оптически связана с лазерами 3, 4 посредством изображения точек пересечения лучей лазера 5, 6 с поверхностью тонкой прозрачной пленки, закрепленной на уровне 7, с поверхностью жидкости 8 и плоскостью уровня раздела фаз жидкостей 9.

Лазеры 3, 4 установлены в верхней части емкости таким образом, что образуют угол .

Телевизионная камера 2, представляющая собой веб-камеру, расположена сверху емкости 10 точно в центре линии, соединяющей оси обоих лазеров.

Измерение уровня жидкости 8 и уровня раздела фаз жидкостей 9 в емкости 10 происходит следующим образом.

Два луча лазеров 5, 6 дают изображение двух точек D и Е на поверхности тонкой прозрачной пленки 7, закрепленной на известном уровне h₁, которые расположены на известном расстоянии l₁, двух точек N и В на поверхности измеряемого уровня жидкости 8 (фиг.2), которые расположены расстоянии l₂ и двух точек F и G на поверхности уровня раздела фаз жидкостей 9, которые расположены на расстоянии l ₃. Изображение точек фиксирует телевизионная камера 2 и передает полученные данные цифровому вычислительному устройству 1, которое после обработки полученного изображения получает значения расстояний DE=l₁, NB=l₂ , FG=l₃, измеренные при помощи телевизионной камеры 2 и цифрового вычислительного устройства (фиг.1, фиг.2).

Для подобных треугольников МОЕ и LOB справедливо выражение:

где

MO=h₁+b ₁;

h₁- уровень, на котором закреплена тонкая прозрачная пленка;

b₁ - вспомогательная величина, известная из конструкции;

LO=h ₁+b₁+h₂;

h₂- уровень жидкости относительно уровня h₁;

l₁ - расстояние между точками D и Е, измеренное при помощи телевизионной камеры 2 и цифрового вычислительного устройства 1;

l₂- расстояние между точками N и В, измеренное при помощи телевизионной камеры 2 и цифрового вычислительного устройства 1. Подставив значения в выражение (1) получим:

искомый уровень жидкости равен:

По этой формуле в цифровом вычислительном устройстве 1 вычисляется, хранится и передается значение искомого уровня.

Измерение уровня раздела фаз двух жидкостей в емкости при условии, что более легкая жидкость прозрачна (например масло и вода), происходит следующим образом.

Уровень поверхности легкой жидкости определяется по формуле (3).

В точке В лазерный луч преломляется (Фиг.2, В) и в соответствии с законом преломления справедливо выражение:

где

n₁ - показатель преломления воздуха;

n₂- показатель преломления среды жидкости 11 (значения n₁ и n₂ находят в справочных данных для известных веществ);

₁ - угол падения луча лазера;

₂ - угол преломления луча лазера.

Лучи лазеров 5, 6 пересекают поверхность уровня раздела фаз 9 в точках F и G. Изображение точек фиксирует телевизионная камера 2 и передает полученные данные цифровому вычислительному устройству 1, которое после обработки полученного изображения получает значение расстояния FG, измеренное при помощи телевизионной камеры 2 и цифрового вычислительного устройства l-l₃ (см. фиг.1, фиг.2). Таким образом, для подобных треугольников PRF и LRB:

где

LR=h₃+b ₂;

h₃ - уровень жидкости;

b₂ - вспомогательная величина, зависящая от расположения лазеров и угла преломления ₂;

l₂ - расстояние между точками N и В, измеренное при помощи телевизионной камеры 2 и цифрового вычислительного устройства 1.

RP=b₂ +h₁+h₂+h ₄=b₂+h₅;

h₁- уровень, на котором закреплена тонкая прозрачная пленка;

h₂ - уровень жидкости относительно уровня h₁;

h ₄ - толщина слоя жидкости 11;

h₅ - уровень раздела фаз жидкостей.

- расстояние между точками F и G, измеренное при помощи телевизионной камеры 2 и цифрового вычислительного устройства 1. Подставив значения в выражение (5) получим:

Таким образом, уровень раздела фаз вычисляется по формуле:

По этой формуле эта величина вычисляется и хранится в цифровом вычислительном устройстве с возможностью передачи другим устройствам для последующего анализа.

Аналогичным образом определяются уровни раздела фаз, если жидкостей больше трех.

Если одна из жидкостей диссипативна, то луч лазера в ней будет видимым и вместо точки камера зафиксирует линию.

Пример конкретной реализации способа.

Способ измерения уровня жидкости заключается в получении изображения пересечения лучей лазера с поверхностью тонкой прозрачной пленки, закрепленной на известном уровне, с поверхностью измеряемого уровня, с поверхностью измеряемого уровня раздела фаз.

Из геометрических соотношений расстояний между полученными точками, при помощи цифрового вычислительного устройства 1, определяется уровень жидкости и уровень раздела фаз.

Измерение уровня раздела фаз, возможно, если жидкость с меньшей плотностью прозрачна или диссипативна.