BR102012009322B1 - method for measuring product level in process equipment - Google Patents
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Abstract
método para medição de nível de produto em equipamentos de processo. a presente invenção possui como objetivo um método de medição do nível de produto em equipamentos de processo que permite a interpretação da imagem de forma a obter uma informação de nível de produtos no interior de um equipamento monitorado em tempo real e em formato que permite seu uso em sistemas de controle de processo. o método de medição de nível consiste fundamentalmente em quatro etapas: a) aquisição na imagem termográfica b) realce da diferença entre as temperaturas na imagem. c) detecção das arestas e d) correlação da posição da aresta na imagem com o nível de produto no equipamento.method for measuring product level in process equipment. the present invention aims at a method of measuring the level of product in process equipment that allows the interpretation of the image in order to obtain product level information inside a monitored equipment in real time and in a format that allows its use in process control systems. the level measurement method basically consists of four steps: a) acquisition in the thermographic image b) highlighting the difference between the temperatures in the image. c) edge detection and d) correlation of the edge position in the image with the product level in the equipment.
Description
MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE NÍVEL DE PRODUTO EM EQUIPAMENTOS DE PROCESSOMETHOD FOR MEASURING PRODUCT LEVEL IN PROCESS EQUIPMENT
OBJETO DA INVENÇÃOOBJECT OF THE INVENTION
A invenção compreende um método de medição de nível de fluido em equipamentos de processo através da interpretação de imagem termográfica, identificando a interface, isto é, o nível de produto em equipamentos. A presente invenção foi idealizada para permitir a medição do nível de produto em equipamentos de processo, como por exemplo, vasos, tanques, permutadores, torres de destilação atmosférica e de vácuo, que trabalham em condições de processo adversas, com líquidos muito viscosos, com alto teor de sólidos em suspensão e alta temperatura, dificultando o uso de medidores de nível convencionais.The invention comprises a method of measuring fluid level in process equipment through the interpretation of thermographic image, identifying the interface, that is, the product level in equipment. The present invention was designed to allow the measurement of the product level in process equipment, such as vessels, tanks, exchangers, atmospheric and vacuum distillation towers, which work in adverse process conditions, with very viscous liquids, with high content of suspended solids and high temperature, making it difficult to use conventional level meters.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION
Atualmente a medição de nível em equipamentos de processo é realizada através de uma série de tipos de instrumentos diferentes, cada qual com seu campo de aplicação específico e suas limitações (temperatura, interfaces entre fluidos de diferentes densidades, existência de internos no equipamento, entre outros).Currently, the level measurement in process equipment is carried out through a series of different types of instruments, each with its specific field of application and its limitations (temperature, interfaces between fluids of different densities, existence of internals in the equipment, among others. ).
Alguns exemplos desses instrumentos são radares, medidores tipo deslocador, transmissores de pressão diferencial e bóias de nível. Em alguns equipamentos o processo de medição de nível é simples e a utilização desses instrumentos é consolidada.Some examples of such instruments are radars, displacement meters, differential pressure transmitters and level buoys. In some equipments, the level measurement process is simple and the use of these instruments is consolidated.
Existem, entretanto, situações em que o contato dos instrumentos com fluidos corrosivos, viscosos e/ou erosivos, impossibilita a utilização ou ocasiona problemas de confiabilidade e desgastes, exigindo manutenções constantes desses instrumentos.There are, however, situations in which the contact of the instruments with corrosive, viscous and / or erosive fluids, prevents the use or causes problems of reliability and wear, requiring constant maintenance of these instruments.
Quanto à termografia, trata-se de uma técnica consolidada com diversas aplicações na indústria do petróleo, tais como monitoramento da temperatura de tubos de fornos, identificação de problemas de isolamento térmico, pontos quentes em painéis e instalações elétricas e outros.As for thermography, it is a consolidated technique with several applications in the oil industry, such as monitoring the temperature of furnace tubes, identifying thermal insulation problems, hot spots in panels and electrical installations and others.
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Usualmente a interpretação da imagem é realizada pelo operador. Quando há alguma automatização na interpretação da imagem, o objetivo desta é o monitoramento de temperatura.Usually the image is interpreted by the operator. When there is some automation in the interpretation of the image, the objective of this is the temperature monitoring.
Dentre os documentos de patentes já publicados relacionados à termografia, podemos citar o documento IT 1226108 que descreve um equipamento para aquisição e tratamento de imagens termográficas em tempo real, porém não contemplando metodologias de tratamento de imagem para medição de nível de produto.Among the patent documents already published related to thermography, we can mention the document IT 1226108, which describes an equipment for the acquisition and treatment of thermographic images in real time, but does not include image treatment methodologies for measuring product level.
Portanto, a literatura técnica não descreve nem apresenta uma solução para a medição do nível de produto em equipamentos de processo utilizando termografia como princípio de medição.Therefore, the technical literature does not describe or present a solution for measuring the product level in process equipment using thermography as a measurement principle.
SUMÁRIO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION
A presente invenção possui como objetivo um método de medição do nível de produto em equipamentos de processo baseado na interpretação de imagem termográfica de forma a possibilitar a construção de um instrumento capaz de obter uma informação de nível de produto no interior de um equipamento monitorado em tempo real e em formato que permita seu uso em sistemas de controle de processo.The present invention aims at a method of measuring the level of product in process equipment based on the interpretation of thermographic image in order to enable the construction of an instrument capable of obtaining product level information inside equipment monitored in time in a format that allows its use in process control systems.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Para melhor entendimento dos desenhos e da descrição detalhada da invenção, definimos abaixo alguns termos técnicos usados na área de visão computacional:For a better understanding of the drawings and the detailed description of the invention, we define below some technical terms used in the area of computer vision:
- pixel: é a menor unidade de representação de uma imagem, possuindo uma localização e valores específicos;- pixel: it is the smallest unit of representation of an image, having a specific location and values;
- aresta: é um conjunto de pixels conectados localizados na borda entre duas regiões da imagem termográfica.- edge: it is a set of connected pixels located on the edge between two regions of the thermographic image.
A figura 1 mostra a imagem termográfica convertida para tons de cinza.Figure 1 shows the thermographic image converted to shades of gray.
A figura 2 mostra a imagem termográfica com o estreitamento dos níveis de tons de cinza.Figure 2 shows the thermographic image with the narrowing of gray levels.
A figura 3 mostra a imagem termográfica com tratamento de realceFigure 3 shows the thermographic image with enhancement treatment
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3/5 das arestas.3/5 of the edges.
A figura 4 mostra a imagem termográfica submetida à etapa de detecção de arestas.Figure 4 shows the thermographic image submitted to the edge detection step.
A figura 5 mostra a imagem termográfica submetida à etapa de detecção de arestas por inversão de tons.Figure 5 shows the thermographic image submitted to the edge detection step by inversion of tones.
A figura 6 mostra a imagem termográfica submetida à etapa de contagem de pixels e adoção da posição dos níveis mínimo e máximo pelo usuário.Figure 6 shows the thermographic image submitted to the pixel counting step and the adoption of the position of the minimum and maximum levels by the user.
A figura 7 ilustra um exemplo de um medidor de nível por termografia.Figure 7 illustrates an example of a thermography level meter.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Devido à capacidade térmica diferente entre os produtos e/ou fases (por exemplo, líquido/gás), existe uma diferença de temperatura mensurável na parede do equipamento. Dessa maneira é possível “enxergar” com apreciável precisão o nível de produto através da imagem termográfica. O valor do nível é obtido através do tratamento desta imagem, como exemplificado na sequência.Due to the different thermal capacity between the products and / or phases (for example, liquid / gas), there is a measurable temperature difference on the equipment wall. In this way it is possible to “see” the level of product with appreciable precision through the thermographic image. The level value is obtained by treating this image, as shown in the sequence.
O método de medição de nível consiste fundamentalmente em quatro etapas:The level measurement method basically consists of four steps:
a) Aquisição da imagem termográfica, em que a aquisição é realizada a partir do uso de uma câmera termográfica.a) Acquisition of the thermographic image, in which the acquisition is carried out using a thermographic camera.
b) Realce da diferença entre as temperaturas na imagem, realizada a partir da aplicação de filtros digitais com a finalidade de preparar a imagem para a etapa seguinte. Um exemplo consiste na transformação da imagem colorida em tons de cinza e aplicação de algoritmos de estreitamento dos níveis de tom de cinza e realce de arestas, conforme imagens mostradas nas figuras 1, 2 e 3, respectivamente. Ressalta-se que diferentes transformações podem ou não ser aplicáveis dependendo dab) Highlight the difference between temperatures in the image, carried out by applying digital filters in order to prepare the image for the next step. An example is the transformation of the color image in shades of gray and the application of algorithms for narrowing the levels of gray tone and edge enhancement, according to the images shown in figures 1, 2 and 3, respectively. It is emphasized that different transformations may or may not be applicable depending on the
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4/5 imagem inicial gerada pela câmera termográfica e do algoritmo a ser utilizado na etapa seguinte.4/5 initial image generated by the thermographic camera and the algorithm to be used in the next step.
c) Detecção das arestas, realizada a partir da imagem pré-tratada na etapa “b” anterior e da aplicação de um algoritmo de detecção de arestas, conforme imagens mostradas nas figuras 4 e 5. Exemplos de algoritmos que podem ser empregados são: Sobel, Gauss, Laplace, entre outros. O importante nesse passo é que o software/hardware empregado gere uma nova imagem onde as interfaces de mudança de cor da imagem da etapa “b” (incluindo a interface do nível a ser medido) sejam destacadas.c) Edge detection, based on the pre-treated image in step “b” above and the application of an edge detection algorithm, according to the images shown in figures 4 and 5. Examples of algorithms that can be used are: Sobel , Gauss, Laplace, among others. The important thing in this step is that the software / hardware used generates a new image where the color change interfaces of the image of step “b” (including the interface of the level to be measured) are highlighted.
d) Correlacionar a posição da aresta na imagem com o nível de produto no equipamento, que dependerá, entre outros fatores, da definição por parte do usuário dos pontos de nível máximo e mínimo, posicionamento do medidor (distância, ângulo, etc.), distorção da imagem e geometria do equipamento. A figura 6 mostra uma imagem, em que a determinação é feita através da contagem de pixels na imagem para geração de escala de 0 a 100% e pela definição pelo usuário da posição de nível máximo e mínimo, com aplicação de uma escala linear. Ou seja, o usuário posiciona a câmera, definindo uma linha ou uma curva onde existirá o nível mínimo e máximo na própria imagem. Assim, o software/hardware irá então verificar quantos pixels existem entre o nível mínimo e a aresta definida na etapa “c” e relacionar, de acordo com a geometria do equipamento e a equação/proporção selecionada, com a quantidade de pixels totais. Por exemplo, um tanque cilíndrico vertical, exigirá uma regra de três simples: pixels contados/pixels totais x 100 = nível em porcentagem (%).d) Correlate the position of the edge in the image with the level of product in the equipment, which will depend, among other factors, on the user's definition of the points of maximum and minimum level, position of the meter (distance, angle, etc.), image distortion and equipment geometry. Figure 6 shows an image, in which the determination is made by counting pixels in the image to generate a scale from 0 to 100% and by defining by the user the maximum and minimum level position, with the application of a linear scale. That is, the user positions the camera, defining a line or curve where the minimum and maximum level in the image itself will exist. Thus, the software / hardware will then check how many pixels there are between the minimum level and the edge defined in step “c” and relate, according to the equipment's geometry and the selected equation / proportion, with the number of total pixels. For example, a vertical cylindrical tank will require a simple rule of three: counted pixels / total pixels x 100 = level in percentage (%).
Esta metodologia, ou seja, os algoritmos e tecnologias necessárias para processamento e interpretação da imagem termográfica podem serThis methodology, that is, the algorithms and technologies necessary for processing and interpreting the thermographic image can be
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5/5 incorporados à própria câmera, tornando-a um instrumento medidor e visor de nível.5/5 built into the camera itself, making it a measuring instrument and level display.
Um exemplo de medidor de nível por termografia está ilustrado na figura 7 e é composto por uma câmera termográfica (3) posicionada com 5 visada do equipamento de processo (1). A câmera (3) possui uma lente para infravermelho (2) com foco e ângulo ajustados a fim de visualizar a área na qual se deseja realizar a medição. Um tubo auxiliar (4) pode ser empregado de modo a definir a visão (5) da câmera (3).An example of a thermography level meter is illustrated in figure 7 and consists of a thermographic camera (3) positioned with a view of the process equipment (1). The camera (3) has an infrared lens (2) with an adjusted focus and angle in order to visualize the area in which the measurement is to be performed. An auxiliary tube (4) can be used to define the view (5) of the camera (3).
A câmera é acoplada a um “hardware” para tratamento e 10 processamento da imagem e identificação do nível de produto, onde é empregada a metodologia proposta nesta invenção.The camera is coupled with hardware for image processing and processing and identification of the product level, where the methodology proposed in this invention is used.
Para aplicação como instrumento transmissor de nível a ser interligado a sistemas de controle de processo, o aparelho pode ser dotado de conexões (saídas/entradas/protocolos) padronizadas e 15 consagradas, tais como saídas 4 mA a 20 mA, comunicação Hart, foundation fieldbus, profibus, entre outros. Para funcionamento também como visor de nível, o instrumento pode possuir uma saída de vídeo ou equivalente.For application as a level transmitting instrument to be connected to process control systems, the device can be equipped with standardized and 15 established connections (outputs / inputs / protocols), such as 4 mA to 20 mA outputs, Hart communication, foundation fieldbus , profibus, among others. For operation also as a level display, the instrument may have a video output or equivalent.
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