RU156459U1

RU156459U1 - Устройство оптического измерения уровня и объема жидкости в резервуаре

Info

Publication number: RU156459U1
Application number: RU2015102475/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Борминский
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-11-10

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для высокоточного измерения уровня и объема жидкостей в резервуарах, например, топлива в баках подвижных объектов, резервуарных парков нефтебаз и автозаправок, а также в других емкостях, используемых для хранения и производства жидких продуктов. В основе работы предлагаемого устройства лежит тот факт, что жидкая среда в месте соприкосновения с резервуаром оставляет видимый след, координаты на изображении которого определяются блоком распознавания границы жидкости. Далее по известным координатам границы жидкость/резервуар рассчитывается площадь поверхности жидкости, затем с учетом предыдущих сечений, площадь которых определяется устройством при наливе резервуара, определяется объем жидкости в резервуаре. Технический результат - автоматическая градуировка резервуара и вычисление объема жидкости без дополнительных технологических операций и тарировочных таблиц.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для высокоточного измерения уровня и объема жидкостей в резервуарах, например, топлива в баках подвижных объектов, резервуарных парков нефтебаз и автозаправок, а также в других емкостях, используемых для хранения и производства жидких продуктов.

Известны оптические устройства для измерения уровня жидкости (патент на полезную модель №115886, МПК G01F 1/86, опубликован 10.05.2012; патент на полезную модель №135121, МПК G01F 1/86, опубликован 27.11.2013), содержащие помещенную в контролируемую среду вертикально расположенную трубку, на верхнем торце которой расположен лазерный дальномер, подключенный к блоку передачи данных.

Недостатком указанных устройств является сложность реализации, связанная с необходимостью установки в резервуар трубки, а также обеспечения коэффициента отражения лазерного луча достаточного для выполнения измерений лазерным дальномером.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения уровня жидкости (МПК G01F 23/292, патент №2338163, опубликован 10.11.2008). Устройство содержит четыре источника лазерного излучения, лучи которых находятся в одной плоскости, и телевизионную камеру, причем два лазерных источника разнесены в разные стороны относительно оптической оси телекамеры на фиксированные расстояния и облучают контролируемую поверхность параллельными лучами, а два других лазерных источника облучают контролируемую поверхность расходящимися лучами с фиксированным углом падения.

Недостатком прототипа и аналогов заявляемого устройства является отсутствие возможности измерения реального объема жидкости в резервуаре. В большинстве случаев объем продукта рассчитывается из уровня жидкости по тарировочным таблицам, которые не учитывают изменение геометрических параметров резервуара, связанных с температурой, давлением и возможной внешней механических деформаций.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей - измерения объема жидкости с учетом реальной формы резервуара без использования тарировочных таблиц.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве оптического измерения уровня и объема жидкости, содержащем, по крайней мере, один лазерный источник, телекамеру и блок вычисления уровня, вход которого подключен к телекамере, отличающемся тем, что дополнительно добавлены блок распознавания границы жидкости, вход которого подключен к телекамере, блок вычисления площади жидкости, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления уровня, а второй вход подключен к выходу блока распознавания границы жидкости и блок вычисления объема жидкости, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления уровня, а второй вход подключен к выходу блока вычисления площади жидкости.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, на которой представлены телевизионная камера 1, источники лазерного излучения 2 (на чертеже показана конструкция с двумя источниками), блок вычисления уровня 3, блок распознавания границы жидкости 4, блок вычисления площади жидкости 5 и блок вычисления объема жидкости 6.

На фиг. 2 представлено изображение, получаемое на фотоприемной матрице телевизионной камеры, где показаны размер чувствительной зоны матрицы 7, вид сверху торца резервуара 8, граница жидкости и резервуара 9, следы от лазерных лучей на поверхности жидкости 10.

На фиг 3 представлена упрощенная модель оптической системы и ход световых лучей в ней.

Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом. Уровень жидкости определяется по ранее известным алгоритмам, описанным в прототипах, суть которых состоит в том, что один или несколько лучей от источников лазерного излучения 2 оставляют метки на поверхности жидкости, как показано на фиг. 2 поз. 10. Затем по координатам на матрице данных меток в блоке 3 происходит вычисление уровня жидкости. В классическом случае далее определяется объем жидкости из известного уровня с помощью тарировочных таблиц, однако, создание тарировочной таблицы для резервуара требует дополнительного оборудования и перекачивания жидкости, для чего может потребоваться значительное время.

Предложенное устройство не требует предварительной тарировки и определяет объем жидкости автоматически при первом же наполнении резервуара. В основе работы устройства лежит тот факт, что жидкая среда в месте соприкосновения с резервуаром оставляет видимый след 9, координаты на изображении которого определяются блоком распознавания границы жидкости. Алгоритм работы данного блока основан на поиске линии контраста на изображении, при этом для уменьшения погрешности отбрасываются резкие скачки и разрывы данной линии. Для облегчения поиска границы жидкости желательно иметь резервуар темных тонов. Граница жидкости и резервуара 9 для наглядности показана черным цветом, однако, на практике за счет сил поверхностного натяжения и волнения поверхности данная граница оказывается сильно ярче стен резервуара, а в некоторых случаях из-за возникающих бликов - самым ярким местом на изображении.

Координаты границы между жидкостью и резервуаром передаются в блок вычисления площади жидкости. Расстояния L и H (см. фиг. 3) являются заранее вычисленной величиной с помощью блока вычисления уровня 3. Расстояние между матрицей и оптической системой а является также известной величиной. Для получения а можно воспользоваться классической формулой для собирающей линзы:

,

где f - фокусное расстояние оптической системы.

Расстояние от центра до стенки резервуара R может быть получено из подобия треугольников

.

Дальнейшая обработка сводится к расчету площади криволинейной фигуры с известными координатами узлов.

Работа блока вычисления объема основана на хранении таблицы сечений, в которой представлена зависимость площади жидкости от уровня в резервуаре H. При первом же наполнении резервуара происходит заполнение таблицы сечений значениями S_h через шаг уровня dh. Получить текущий объем жидкости в резервуаре можно по формуле:

Необходимо отметить, что разбиение схемы на блоки показано условно, т.к. при развитии современной элементной базы вся обработка может быть выполнена с помощью одного микроконтроллера. Например, можно использовать стандартный цифровой фотоаппарат с измененной программой контроллера, которая выводит вычисленные уровень и объем на имеющийся дисплей, при этом обработку изображения осуществлять раз в несколько секунд, а в качестве источника освещения внутри резервуара использовать лампу. В общем случае могут быть использованы более сложные алгоритмы обработки информации, учитывающие дисторсию объектива и возможный наклон оптической оси камеры относительно вертикали. Также в алгоритмы может быть добавлена возможность интерполяции сечений резервуара S_h для недостающих значений. Такая интерполяция может потребоваться при первом включении устройства в резервуаре, где уже присутствует жидкость и для вычисления объема нижние сечения до дна могут быть получены с помощью интерполяции.

Для измерения уровня в устройстве был выбран лазерно-оптический метод как наиболее простой при наличии телекамеры, однако, могут быть использованы любые другие методы измерения уровня, например, акустические или радарные.

Технический результат - автоматическая градуировка резервуара и вычисление объема жидкости без дополнительных технологических операций и тарировочных таблиц. Дополнительным преимуществом устройства является измерение геометрии резервуара при каждом сливе/наливе продукта, что позволяет учитывать изменение формы в процессе эксплуатации резервуара. Таким образом, устройство позволяет также контролировать опасные отклонения в геометрических параметрах резервуара, например, большие вмятины, что особенно важно при эксплуатации на подвижных объектах, в частности - танкерах.

Claims

Устройство оптического измерения уровня и объема жидкости в резервуаре, содержащее, по крайней мере, один лазерный источник, телекамеру и блок вычисления уровня, вход которого подключен к телекамере, отличающееся тем, что дополнительно добавлены блок распознавания границы жидкости, вход которого подключен к телекамере, блок вычисления площади жидкости, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления уровня, а второй вход подключен к выходу блока распознавания границы жидкости и блок вычисления объема жидкости, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления уровня, а второй вход подключен к выходу блока вычисления площади жидкости.