Рециркуляционный уровнемер жидкости

 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к средствам измерения уровня жидкости в резервуарах, и может быть применено в нефтяной и химической промышленности. Сущность: уровнемер дополнительно содержит внутри цилиндрического корпуса калибровочный канал, оптически связанный с источником излучения через светоделительное устройство, поворотное зеркало и возвратную призму со вторым фотоприемником, который последовательно через второй усилитель, второй дискриминатор уровня сигнала соединен со вторым входом цифрового коммутатора, первый вход которого последовательно соединен с первым фотоприемником и его усилителем через первый дискриминатор уровня сигнала, а выход цифрового коммутатора связан со вторым входом драйвера запуска, первый вход которого сопряжен с генератором одиночных импульсов, а выход - с излучателем световых импульсов. Генератор одиночных импульсов, цифровой коммутатор и частотомер через системную шину соединены с микроконтроллером, к которому подключены два датчика температуры, установленные на корпусе уровнемера на разных высотах, микроконтроллер сопряжен через соединительную линию с ЭВМ. Технический результат: повышение точности, чувствительности измерения уровня жидкости и надежности работы устройства. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, в частности к средствам измерения уровня жидкости в резервуарах и может быть применено в нефтяной и химической промышленности.

Известно устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах /1/, 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.

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 и предлагаемому изобретению является устройство для определения уровня жидкости в герметичных емкостях /2/, выбранное в качестве прототипа, содержащее цилиндрический полый корпус, с установленным внутри поршнем, на поверхности которого размещен уголковый отражатель. В верхней части корпуса установлены передающий и приемный световоды, связанные через устройства ввода, вывода излучения и оптического замыкания с источником и приемником излучения, электрически соединенными через усилители с ждущим мультивибратором, измерителем частоты и ЭВМ.

Данное устройство работает следующим образом. Жидкость, находящаяся в емкости, воздействует на поршень, перемещая его в зависимости от силы гидростатического давления. Данное перемещение регистрируется датчиком по частоте следования импульсов, образованных оптоэлектронным автогенератором, состоящим из источника излучения, световодов, отражателя приемника излучения, усилителя и мультивибратора.

Частота следования импульсов, пропорциональная величине перемещения поршня, регистрируется измерителем частоты и преобразуется ЭВМ в величину уровня жидкости. Для уменьшения составляющих погрешностей измерения параметров элементов электрических схем, устройство диагностируется с помощью оптического замыкателя.

Недостатками данного устройства являются низкая точность, обусловленная инструментальной погрешностью пары трения поршень-полый корпус, погрешностью, связанной с изменением скорости света в парах нефтепродуктов различного состава и изменяющейся концентрации, а также низкая чувствительность, связанная с уменьшением частоты следования импульсов из-за задержек в волокне и плохой согласованности параметров выходных импульсов мультивибратора с входными параметрами источника излучения, что тоже снижает надежность измерения и достоверность результатов.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности, чувствительности измерения уровня жидкости и надежности работы устройства.

Решение указанной задачи достигается тем, что уровнемер дополнительно содержит внутри цилиндрического корпуса калибровочный канал, оптически связанный с источником излучения через светоделительное устройство, поворотное зеркало и возвратную призму со вторым приемником излучения, который последовательно через второй усилитель, второй дискриминатор уровня сигнала соединен со вторым входом цифрового коммутатора, первый вход которого последовательно соединен с первым приемником излучения и его усилителя усилителем через первый дискриминатор, а выход цифрового коммутатора связан со вторым входом драйвера запуска, первый вход которого сопряжен с генератором одиночных импульсов, а выход с излучателем световых импульсов, при этом генератор одиночных импульсов, цифровой коммутатор и частотомер через системную шину соединены с микроконтроллером, к которому подключены два датчика температуры, установленные на корпусе уровнемера на различных высотах, а микроконтроллер сопряжен через соединительную линию с ЭВМ.

Данные признаки являются существенными для решения задачи изобретения, так как введение дополнительного калибровочного канала внутри цилиндрического корпуса обеспечит не только коррекцию частоты от задержки сигнала в электронной схеме, но и учет влияния паровоздушной смеси внутри резервуара на частоту генерации измерительного канала. Введение в электронную схему драйвера излучателя, генератора одиночных импульсов, дискриминаторов, между усилителями и цифровым коммутатором в измерительном и калибровочных каналах, обеспечит согласование работы элементов электронной схеме с излучателем и приемниками световых импульсов, что позволяет увеличить частоту и надежность работы оптоэлектронных генераторов. Расположение системной шины и микроконтроллера внутри корпуса уровнемера, непосредственно на резервуаре, позволяет ускорить обмен данными между элементами электронной схемы и микроконтроллером, а также исключить задержку оптического импульса при следовании по оптоволоконным световодам, а также повысить частоту следования импульсов. Кроме того, введение в состав устройства двух термометров, обеспечивающих измерение температуры в паровоздушном пространстве резервуара и в жидкости, позволяет корректировать изменение линейных размеров калибровочного канала от теплового расширения, а также вносить поправку на изменение глубины погружения поплавка, при изменении плотности жидкости.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена структурная схема устройства.

Уровнемер включает цилиндрический полый корпус 1, внутри которого, с возможностью вертикального перемещения, установлен поплавок 2 с выполненным в нем коллимирующим отражателем. В верхней части корпуса 1 установлен источник световых импульсов-излучатель 3 (например, полупроводниковый лазер) оптически сопряженный через светоделительное устройство 4 частью излучения с отражателем поплавка 2 и измерительным приемником излучения 5, образующий измерительный канал, а второй частью излучения с установленным на строго фиксированных расстояниях поворотным зеркалом 6, возвратной призмой 7 и вторым приемником излучения 8, образующими калибровочный канал. Излучатель 3 электрически соединен с выходом драйвера запуска лазера 9, первый вход которого соединен с генератором одиночных импульсов 10, а второй вход драйвера 9 соединен с выходом цифрового коммутатора 11 и входом частотомера 12. Первый приемник излучения 5 последовательно через первый усилитель 13, первый дискриминатор уровня 14 соединен с первым входом цифрового коммутатора 11, а калибровочный фотоприемник 8 последовательно через второй усилитель 15, второй дискриминатор 16 соединен со вторым входом цифрового коммутатора 11. Цифровой коммутатор 11, частотомер 12, генератор одиночных импульсов 10, а также два последовательно соединенных цифровых датчика температуры 17, 18, расположенных соответственно один в жидкости, другой в паровоздушной смеси, сопряжены через системную шину 19 с микроконтроллером 20, который через внешнюю соединительную линию 21 связан с компьютером 22.

Уровнемер работает следующим образом. Жидкость, находящаяся в резервуаре, через отверстия в нижней части корпуса 1 воздействует на поплавок 2, находящийся на ее поверхности в условиях равновесия mg = ρ·g·V, где m - масса поплавка; g - ускорение свободного падения; ρ - плотность жидкости; V - объем погруженной части поплавка.

Для определения положения поплавка 2 и соответственно уровня жидкости компьютер 22 с помощью управляющей программы через соединительную линию 21 дает команду запуска измерений микроконтроллеру 20. Микроконтроллер 20 через управляющую системную шину 19 передает команду цифровому коммутатору 11, который замыкает между собой выход второго дискриминатора уровня 16 со вторым входом драйвера запуска 9. Затем микроконтроллер 20 через шину 19 подает управляющий сигнал на генератор одиночных импульсов 10, который вырабатывает короткий цифровой импульс и передает его на первый вход драйвера 9. Согласованный драйвером, по входным параметрам излучателя, электрический импульс поступает на излучатель 3 световых импульсов, который вырабатывает кратковременную световую вспышку. Световой поток делится светоделительным устройством 4 на два потока: измерительный и калибровочный. Калибровочный световой поток отражается от поворотного зеркала 6, возвратной призмы 7 и попадает на второй фотоприемник 8. Электрический импульс с фотоприемника 8 усиливается вторым усилителем 15 и поступает на вход второго дискриминатора 16, который формирует калиброванный по времени цифровой импульс, поступающий через замкнутый ключ цифрового коммутатора 11 опять на вход драйвера 9.

Таким образом, замыкается цепь положительной обратной связи и происходит запуск автогенератора, период колебаний которого будет зависить от времени прохождения света по оптическому пути от источника 3 светового излучения до фотоприемника 8, геометрическая длина которого строго калибрована, от задержки электронного сигнала в линии фотоприемник 8, усилитель 15, дискриминатор 16, коммутатор 11, драйвер 9, источник излучения 3.

С выхода цифрового коммутатора 11 импульсы поступают на вход частотомера 12, который измеряет частоту оптоэлектронного автогенератора. Режимами работы частотомерами управляет микроконтроллер 20 через системную шину 19. По истечении достаточного временного интервала для измерения частоты в калиброванном канале с заданной точностью микроконтроллер 20 запоминает в своей оперативной памяти полученное значение частоты колебаний, соответствующее заданному линейному размеру калиброванного канала и которое будет служить мерой сравнения при определении уровня жидкости в измерительном канале.

Микроконтроллер 20 через управляющую системную шину 19 передает команду цифровому коммутатору 11, который замыкает между собой выход первого дискриминатора 14 вторым входом драйвера 9. Затем микроконтроллер 20 через шину 19 подает управляющий сигнал на генератор одиночных импульсов 10, который вырабатывает короткий цифровой импульс и передает его на первый вход драйвера 9. Излучатель 3 вырабатывает световой поток, измерительная часть которого после светоделительного устройства 4 отражается от коллимирующего отражателя поплавка 2 и попадает на измерительный фотоприемник 5. Электрический импульс с фотоприемника 5 усиливается первым усилителем 13 и поступает на вход первого дискриминатора 14, который формирует калиброванный по времени цифровой импульс, поступающий через замкнутый ключ цифрового коммутатора 11 опять на выход драйвера 9. Таким образом замыкается цепь положительной обратной связи и происходит запуск автогенератора, период колебаний которого будет зависеть: от времени прохождения света по оптическому пути от источника 3 светового излучения до фотоприемника 5, геометрическая длина которого зависит от уровня жидкости в резервуаре; от задержки электронного сигнала в линии фотоприемник 5, усилитель 13, дискриминатор 11, коммутатор 11, драйвер 9, источник излучения 3.

С выхода цифрового коммутатора 11 импульсы поступают на вход частотомера 12, который измеряет частоту оптоэлектронного автогенератора измерительной линии. По истечении достаточного временного интервала для измерения частоты в измерительном канале с заданной точностью, микроконтроллер 20 запоминает в своей оперативной памяти полученное значение частоты колебаний, соответствующее уровню жидкости в резервуаре. Так как оптические элементы калибровочного и измерительного каналов помещены в паровоздушное пространство резервуара, то влияние паровоздушной смеси на изменение частот генерации обоих оптогенераторов исключается. Расчеты уровня жидкости в резервуаре производятся микроконтроллером 20 по формулам где L₁, L₂ - линейные размеры калибровочного и измерительного каналов;
ν₁,ν₂ - соответствующие частоты следования импульсов.

H = D - L₁
где H - уровень жидкости;
D - диаметр резервуара.

При этом линейные размеры калибровочного канала корректируются с учетом теплового расширения по данным термометра 18, а глубина погружения поплавка из-за изменения плотности по данным термометра 17.

Дальше информация передается по соединительной линии 21 в компьютер 22, где представляются в удобном виде.

Литература
1. Патент РФ N 2064665, кл. G 01 F 23/14, 1996 г., БИ N 21.

2. Патент РФ N 2084837, кл. G 01 F 23/22, 1997 г., БИ N 20 - прототип.

Формула изобретения

Рециркуляционный уровнемер жидкости, содержащий источник и приемник направленного излучения, оптически связанные через блоки ввода и вывода с телом перемещения в виде поплавка с коллимирующим отражателем, при этом приемник излучения электрически связан через усилитель с входом цифрового коммутатора, выход которого соединен с источником излучения и входом частотомера, выход которого сопряжен с ЭВМ, отличающийся тем, что уровнемер дополнительно содержит внутри цилиндрического корпуса калибровочный канал, оптически связанный с источником излучения через светоделительное устройство, поворотное зеркало и возвратную призму со вторым приемником излучения, который последовательно через второй усилитель, второй дискриминатор уровня сигнала соединен со вторым входом цифрового коммутатора, первый вход которого последовательно соединен с первым приемником излучения и его усилителем через первый дискриминатор уровня сигнала, а выход цифрового коммутатора связан со вторым входом драйвера запуска, первый вход которого сопряжен с генератором одиночных импульсов, а выход - с источником излучения, при этом генератор одиночных импульсов, цифровой коммутатор и частотомер через системную шину соединены с микроконтроллером, к которому подключены два датчика температуры, установленные на корпусе уровнемера на разных высотах, а микроконтроллер сопряжен через соединительную линию с ЭВМ.

РИСУНКИ

Рисунок 1