Способ измерения уровня сыпучих или жидких материалов и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2279642:
Томский Государственный Университет систем управления и радиоэлектроники (RU)
Устройство измерения уровня сыпучих или жидких материалов включает устройство подсвета и телекамеру, закрепленные над поверхностью измеряемого материала и герметически отделенные от него оптически прозрачным элементом, канал передачи сигнала, цифровое вычислительное устройство и устройство отображения результатов измерения. Телекамера расположена с возможностью обзора линии пересечения поверхности измеряемого материала с первичной мерной шкалой, нанесенной на вертикальную стенку резервуара, при этом в качестве цифрового вычислительного устройства использована аппаратная реализация нейронной сети или компьютер со встроенными нейросетевыми платами или в режиме эмуляции нейронной сети. Технический результат - отсутствие поплавка, цифровой метод обработки, высокая точность и надежность, минимизация затрат на установку и обслуживание. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники и область использования изобретения
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к области электрических измерений неэлектрических величин, и может быть использовано для регистрации уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах в различных отраслях промышленности: химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и т.д.
Характеристика аналогов изобретения
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является жидкостный уровнемер (RU 2126529 C1, 20.02.99), который содержит свободный поплавок, изображение с поверхности которого вводится с помощью телекамеры в цифровое вычислительное устройство, где по полученному цифровому отображению исходного изображения выполняется расчет уровня жидкости. Недостатками является недостаточная точность, обусловленная использованным методом расчета уровня по получаемому с телекамеры изображению; узкая область применения измерение уровня только жидкости, невозможность использования в агрессивных, взрывоопасных средах и при высоком давлении. Последний недостаток обусловлен использованием механически движущихся узлов внутри резервуара.
Известен способ и устройство для измерения уровня сыпучих материалов, основанный на том, что отраженный от поверхности сыпучего материала световой поток сканирующей оптопары с открытым оптическим каналом преобразуют с помощью фоторезистора с управляемым быстродействием в электрический сигнал, выделяют его низкочастотную составляющую, по длительности которой судят об уровне сыпучего материала.
Недостатками известных способа и устройства является недостаточная надежность по причине использования движущихся механизмов, и как следствие, ограниченное применение в сложных условиях окружающей среды; а также сложность изготовления бункера с вертикальным прозрачным окном; низкое быстродействие, узкая область применения только для мелкодисперсных сыпучих материалов.
Известен способ и устройство для измерения уровня жидкости в емкости, основанный на использовании измерительной трубы, источника света, выполненного в виде дискретных излучателей, каждый из которых оптически связан с соответствующей приемной фотоячейкой; элемента, разрывающего вышеуказанную оптическую связь. Элементом, разрывающим оптическую связь, в зависимости от уровня жидкости в резервуаре, является противовес, который через гибкий трос, перекинутый через вращающийся шкив, связан с поплавком.
Недостаток известного способа заключается в недостаточной точности ввиду дискретности источников и фотоприемников, высокой стоимости, зависящей от размера резервуара, в сложности конструкции.
Известен способ и устройство для измерения уровня жидкости в емкости, основанный на использовании кольцевого источника света, оптически связанного с фотоприемником в виде телекамеры.
Сущность изобретения
Сущность изобретения заключается в том, что измерение уровня жидкости или сыпучего материала производится по изображению, полученному с телекамеры, путем анализа линии пересечения поверхности измеряемой среды с поверхностью вертикальной стены резервуара, на которой нанесена первичная мерная шкала.
Новизна заключается:
1) в использовании первичной шкалы, нанесенной на стенки резервуара;
2) в применении предварительно обученной нейронной сети на этапе обработки изображения для распознавания значений отсчета первичной шкалы, что позволяет повысить точность измерения и отказаться от установки поплавка в резервуаре;
3) в использовании вторичной мерной шкалы в виде матрицы пикселов;
4) в выделении признаков отчетов первичной шкалы и уровня жидкости.
Такие факторы, как неравномерное освещение внутри резервуара, отсвечивание стен и жидкости, блики, изменение прозрачности жидкости усложняют задачу определения уровня без использования поплавка. Для устойчивости уровнемера ко всем факторам внешней среды была впервые в видеуровнемерах использована нейронная сеть на этапе обработки изображения, получаемого с телекамеры. Использование нейронной сети позволило отказаться от использования поплавка для обнаружения границы раздела сред, что привело к упрощению конструкции уровнемера и повышению надежности и точности.
Использование бесконтактного способа измерения уровня в видеоуровнемерах не обнаружено.
Новая совокупность признаков вместе с известными признаками приводят к достижению положительного эффекта. Достижение такого положительного эффекта заявляемой совокупностью признаков не вытекает из известных нам технических решений. С учетом изложенного следует считать заявляемое решение соответствующим критерию «существенные отличия», а по сравнению с прототипом критерию и новизна.
На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит (фиг.1) резервуар с жидкостью 1, прозрачное окно 2, лампу подсветки 3, телекамеру 4, канал связи 5, коммутатор 6, устройство ввода изображения 7, цифровое вычислительное устройство 8. Цифрой 10 обозначен альтернативный вариант установки телекамеры в том случае, если угол обзора телекамеры недостаточен для полного обзора внутри резервуара.
Устройство работает следующим образом. Резервуар заполняют жидкостью или сыпучей средой. Телекамеру устанавливают таким образом, чтобы в крайних положениях измеряемой среды граница раздела трех сред (жидкость, стенка, воздух) попадала в угол зрения телекамеры.
Изображение поверхности контролируемой среды и первичной шкалы вводится с помощью телекамеры в цифровое вычислительное устройство, где формируется файл изображения в виде матрицы пикселов. Далее по полученному цифровому отображению исходного изображения выполняется расчет уровня жидкости следующим образом: производится поиск в полученном цифровом изображении условной линии пересечения поверхности измеряемой среды с поверхностью вертикальной стены резервуара и поиск ближайшего значения отсчета первичной мерной шкалы. Полученный результат используется для непосредственного расчета уровня по формуле
где
N - значение отсчета первичной мерной шкалы,
n - значение отсчета вторичной мерной шкалы,
k - коэффициент пропорциональности.
Конечный результат может быть выведен на устройство визуального отображения, может быть распечатан на принтере. Коммутатор позволяет производить многоканальные измерения. Телекамера содержит устройство подсвета внутренней полости резервуара. Телекамера отделена от внутренней полости резервуара прозрачным окном, благодаря чему достигается сохранение герметичности резервуара. Если предварительно отградуировать конкретный резервуар, данный уровнемер позволит автоматически с измерением уровня получать значения объема жидкости.
Максимальный уровень Нm контролируемой среды в резервуаре зависит от угла зрения телекамеры (фиг.2). Зависимость Нm от угла обзора телекамеры выражается следующей формулой:
где H - высота установки телекамеры, L - максимальный линейный размер резервуара по горизонтали, α - угол обзора телекамеры.
Основной положительный эффект обусловлен применением нейронной сети. Использование нейронной сети позволило:
1) использовать параллельную обработку информации сразу по нескольким направлениям;
2) отказаться от механических движущихся конструкций внутри резервуара;
3) повысить точность измерения уровня за счет более точного анализа изображения, получаемого с телекамеры;
4) повысить помехозащищенность уровнемера при эксплуатации в условиях систематических и случайных помех, таких как: пар, запотевание, волны, рябь, электрические наводки;
5) в отличие от аналога снизить себестоимость и затраты на монтаж уровнемера за счет отказа от поплавка;
6) снизить затраты на обслуживание и ремонт уровнемера по сравнению с аналогом, т.к. отпадает необходимость прерывания технологического процесса на время обслуживания или ремонта.
Таким образом, данный уровнемер позволяет значительно снизить затраты на установку, обслуживания и ремонт по сравнению с аналогом. Данный уровнемер позволяет производить все перечисленные операции без прерывания технологического процесса, разгерметизации резервуара.
Отсутствие механических частей, в отличие от аналога, повышает надежность, и позволяет; использовать уровнемер в агрессивных средах или при высоком давлении. Достижение такого положительного эффекта не вытекает из известных на настоящее время технических решений. С учетом изложенного следует считать заявляемое решение соответствующим критерию «новизна».
1. Способ измерения уровня сыпучих или жидких материалов путем преобразования изображения мерного элемента в электрический сигнал с последующей его цифровой обработкой и определением уровня, отличающийся тем, что с помощью телекамеры получают изображение линии пересечения поверхности материала с мерным элементом в виде мерной шкалы, преобразуют его в видеосигнал, после чего получают файл данных в виде матрицы пикселов, затем в нем с помощью заранее обученной нейронной сети производят поиск и распознавание ближайшего значения N отсчета первичной мерной шкалы и условной линии поверхности жидкости или сыпучего материала, подсчитывают количество пикселов n в изображении между найденным ближайшим значением N отсчета первичной мерной шкалы и условной линией поверхности жидкости или сыпучего материала, а вычисление уровня материала производят по формуле H=N-k·n, где k - коэффициент пропорциональности.
2. Устройство для реализации способа измерения уровня сыпучих или жидких материалов, включающее устройства подсвета и телекамеру, закрепленные над поверхностью измеряемого материала и герметически отделенные от него оптически прозрачным элементом, канал передачи сигнала, цифровое вычислительное устройство и устройство отображения результатов измерения, отличающееся тем, что телекамера расположена с возможностью обзора линии пересечения поверхности измеряемого материала с первичной мерной шкалой, нанесенной на вертикальную стенку резервуара, при этом в качестве цифрового вычислительного устройства использована аппаратная реализация нейронной сети или компьютер со встроенными нейросетевыми платами или в режиме эмуляции нейронной сети.
