RU2084837C1

RU2084837C1 - Device for determination of liquid level in hermetic reservoirs

Info

Publication number: RU2084837C1
Application number: RU94038538A
Authority: RU
Inventors: В.И. Кабанов; В.Н. Ларичев; О.В. Молчанов; Б.А. Соломин; А.Н. Литвиненко; Г.Г. Гужавин; Е.И. Алаторцев
Original assignee: Ульяновское высшее военно-техническое училище им.Богдана Хмельницкого
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1997-07-20
Also published as: RU94038538A

Abstract

FIELD: instrumentation engineering; devices for measuring level of liquid in reservoirs. SUBSTANCE: device has receiving and transmitting light conduits enclosed in cylindrical hollow housing inside which piston is mounted for vertical motion. Piston is provided with corner reflector fitted on its surface. Input and output of radiation are interconnected by means of optical closing device made in the form of disc with ports whose outer surface is coated with reflecting layer. Output of photodetector is connected with input of one-shot multivibrator whose output is connected with input of radiation source amplifier and input of frequency meter whose output is connected with input of computer. EFFECT: enhanced accuracy of determination. 2 cl

Description

Изобретение относится к приборостроению, в частности к средствам измерения уровня жидкости в резервуарах, и может быть применено в нефтяной и химической отраслях промышленности. The invention relates to instrumentation, in particular to means for measuring the level of liquid in tanks, and can be applied in the oil and chemical industries.

Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее пьезоэлектрический формирователь ультразвуковых колебаний, расположенный во впускной трубе, погруженной в жидкость, и преобразователь упругих волн в сигнал уровня жидкости. A device for measuring a liquid level is known, which contains a piezoelectric ultrasonic vibrator located in an inlet pipe immersed in a liquid, and a converter of elastic waves into a liquid level signal.

Недостатком данной конструкции являются низкая точность измерений при определении уровня жидкостей, содержащих микровзвеси, а также хранящихся в стационарных емкостях большого объема вследствии неоднородности температурного распределения по уровню жидкости. Кроме того, выполнение части трубки из картона понижает надежность работы устройства при измерении уровня, в частности нефтепродуктов в стационарных емкостях. The disadvantage of this design is the low accuracy of measurements when determining the level of liquids containing micro suspensions, as well as stored in stationary containers of large volume due to the heterogeneity of the temperature distribution over the liquid level. In addition, the implementation of part of the tube made of cardboard reduces the reliability of the device when measuring the level, in particular of petroleum products in stationary containers.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является измерительный преобразователь уровня жидкости, содержащий источник излучения, блок ввода излучения, вертикально установленный световод, блок вывода излучения, фотоприемник и блок индикации. Closest to the technical nature of the present invention is a liquid level measuring transducer comprising a radiation source, a radiation input unit, a vertically mounted light guide, a radiation output unit, a photodetector and an indication unit.

Принцип действия данного устройства основан на полном внутреннем отражении входного излучения от границ световода и изменении выходного сигнала от изменения уровня жидкости, что достигается выбором угла ввода излучения в световод. The principle of operation of this device is based on the total internal reflection of the input radiation from the boundaries of the fiber and the change in the output signal from a change in the liquid level, which is achieved by choosing the angle of radiation input into the fiber.

Недостатком данной конструкции являются низкая точность измерений, обусловленная инструментальной погрешностью ввода излучения и температурной нестабильностью компонентов схемы, а также низкая взрывопожаробезопасность устройства при измерениях уровня нефтепродуктов вследствие установки фотоприемника непосредственно под основанием резервуара. The disadvantage of this design is the low accuracy of the measurements, due to the instrumental error of the input of radiation and the temperature instability of the circuit components, as well as the low explosion and fire safety of the device when measuring the level of oil products due to the installation of a photodetector directly under the base of the tank.

Изобретение решает задачу повышения точности и взрывопожаробезопасности измерений уровня легковоспламеняющихся жидкостей. The invention solves the problem of improving the accuracy and explosion safety of measurements of the level of flammable liquids.

Решение указанной задачи достигается тем, что устройство дополнительно содержит приемный световод, заключенный вместе с излучающим световодом в цилиндрический полый корпус с отверстиями, внутри которого с возможностью перемещения в вертикальной плоскости установлен поршень с выполненным на его верхнем основании уголковым отражателем, причем вход и выход излучения соединены между собой устройством оптического замыкания, выполненным в виде диска с окнами, внешняя поверхность которого покрыта отражающим слоем и сопряженным с электродвигателем, при этом выход фотоприемника соединен через усилитель с входом ждущего мультивибратора, выход которого связан с входом усилителя мощности источника излучения и входом измерителя частоты, выход которого сопряжен с входом ЭВМ. Данные признаки являются существенными для решения задачи изобретения, так как выполнение элементов корпуса и поршня в указанном выше виде обеспечивает преобразование давления в перемещение и отражение оптического импульса о поверхности поршня, а перечисленные признаки устройства датчика позволяют измерять перемещение поршня по измерению частоты следования оптических импульсов, их обработке в ЭВМ, а также обеспечивать самодиагностику прибора по проверке времени задержки устройством оптического замыкания. Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства, а на фиг.2 устройство оптического замыкания. The solution to this problem is achieved by the fact that the device further comprises a receiving optical fiber enclosed together with a radiating optical fiber in a cylindrical hollow body with holes, inside of which a piston with an angular reflector made on its upper base is mounted in a vertical plane, and the radiation input and output are connected interconnected optical closure device, made in the form of a disk with windows, the outer surface of which is covered with a reflective layer and interfaced with the electrode by the driver, while the output of the photodetector is connected through the amplifier to the input of the standby multivibrator, the output of which is connected to the input of the power amplifier of the radiation source and the input of the frequency meter, the output of which is coupled to the input of the computer. These signs are essential for solving the problem of the invention, since the execution of the housing and piston elements in the above form provides the conversion of pressure into the movement and reflection of the optical pulse on the piston surface, and the listed features of the sensor device allow measuring the piston movement by measuring the pulse repetition rate of optical pulses, their computer processing, as well as to provide a self-diagnosis of the device by checking the delay time of the optical circuit device. The invention is illustrated in the drawing, where figure 1 shows the structural diagram of the device, and figure 2 device optical closure.

Устройство содержит цилиндрический полый корпус 1, внутри которого с возможностью перемещения в вертикальной плоскости установлен поршень 2 с выполненным на его верхнем основании уголковым отражателем 3 (например, трипель-призма). В верхней части корпуса 1 установлен передающий 4 и приемный 5 световоды, оптически сопряженные с уголковым отражателем 3, посредством устройства вывода 6 и ввода 7 излучения, например в виде линз. Другие концы световодов 4, 5 через устройство ввода 8, вывода 9 излучения и устройство оптического замыкания 10, выполненного в виде диска с окнами, внешняя поверхность которого покрыта отражающим слоем и сопряженного с электродвигателем 11, соответственно связаны с источником излучения 12 и приемником излучения 13. Источник излучения 12 через усилитель мощности 14 связан с выходом ждущего мультивибратора 15 (например, кип-реле), вход которого соединен с выходом усилителя 16 приемника излучения 13. Второй выход усилителя 16 электрически соединен с измерителем частоты 17, выход которого сопряжен с входом ЭВМ 18. The device comprises a cylindrical hollow body 1, inside of which a piston 2 is mounted with a possibility of movement in a vertical plane with an angular reflector 3 made on its upper base (for example, a triple prism). In the upper part of the housing 1, there are installed transmitting 4 and receiving 5 optical fibers optically coupled to the corner reflector 3 by means of an output device 6 and an input 7 of radiation, for example in the form of lenses. The other ends of the optical fibers 4, 5 through the input device 8, output 9 of the radiation and the optical closure device 10, made in the form of a disk with windows, the outer surface of which is covered with a reflective layer and interfaced with the electric motor 11, respectively connected with the radiation source 12 and the radiation receiver 13. The radiation source 12 through a power amplifier 14 is connected to the output of the standby multivibrator 15 (for example, a bale relay), the input of which is connected to the output of the amplifier 16 of the radiation receiver 13. The second output of the amplifier 16 is electrically connected to frequency meter 17, the output of which is connected to the input of the computer 18.

Данное устройство работает следующим образом. Жидкость, находящаяся в резервуаре, через отверстие в корпусе 1 воздействует на поршень 2 перемещая его в зависимости от силы гидростатического давления:
F₁=ρ•g•h_o•S, (I)
где F₁ сила гидростатического давления столба жидкости на поршень 2;
S площадь поршня 2;
ρ плотность жидкости;
g ускорение свободного падения;
h₀ высота уровня жидкости.This device operates as follows. The fluid in the tank through the hole in the housing 1 acts on the piston 2 moving it depending on the strength of the hydrostatic pressure:
F ₁ = ρ • g • h _o • S, (I)
where F _{1 the} force of the hydrostatic pressure of the liquid column on the piston 2;
S piston area 2;
ρ fluid density;
g acceleration of gravity;
h _{0 the} height of the liquid level.

Учитывая, что силе F₁ противодействует сила тяжести поршня 2 уравнение равновесия системы можно записать
P_o+m•g = ρ•g•h_o•S+P_o (2)
где m масса поршня 2 с уголковым отражателем 3;
P₀ поверхностное давление в герметичном резервуаре.Given that the force F _{1 is} opposed by the gravity of the piston 2, the equation of equilibrium of the system can be written
P _o + m • g = ρ • g • h _o • S + P _o (2)
where m is the mass of the piston 2 with an angular reflector 3;
P ₀ surface pressure in a sealed tank.

Так как измерительная камера сообщается с наджидкостным пространством, можно исключить из выражения 2 Р₀.Since the measuring chamber communicates with the super-fluid space, it can be excluded from the expression 2 P ₀ .

Изменение уровня жидкости в резервуаре приводит к нарушению равновесия, и система совершает работу по перемещению поршня 2, величина которого выражается формулой (без учета сил трения):

где L величина перемещения поршня 2;
Δh изменение уровня жидкости.A change in the liquid level in the tank leads to an imbalance, and the system does the work of moving the piston 2, the value of which is expressed by the formula (excluding friction):

where L is the amount of movement of the piston 2;
Δh fluid level change.

Данное перемещение регистрируется датчиком, который с помощью ждущего мультивибратора 15, усилителя мощности 14 и источника излучения 12 вырабатывает короткий оптический импульс и через устройство ввода 8 передающий световод и устройство вывода 7 фокусирует его на уголковый отражатель 3 поршня 2. Отраженный от уголкового отражателя 3 оптический импульс через устройство ввода 6, приемный световод 5, устройства вывода 9 попадает на приемник излучения 13, после предварительного усиления усилителем 16 на вход ждущего мультивибратора 15, который в свою очередь вырабатывает очередной импульс на источник излучения 12. Частота следования импульсов пропорциональна величине перемещения поршня 2, регистрируется измерителем частоты 17 (например, частотомером) и преобразуется на ЭВМ 18 в величину уровня жидкости в резервуаре по следующей зависимостям:

где T_n период следования импульсов;
L величина перемещения;
C скорость света;
t₃ время задержки импульса

где l длина световолокна;
V скорость света в волокне;
t_эл. инерционность электрической схемы,

где n показатель преломления волокна.This movement is detected by a sensor that, using a standby multivibrator 15, a power amplifier 14 and a radiation source 12, generates a short optical pulse and, through an input device 8, a transmitting optical fiber and output device 7 focuses it on an angular reflector 3 of the piston 2. An optical pulse reflected from the angular reflector 3 through the input device 6, the receiving light guide 5, the output device 9 gets to the radiation receiver 13, after preliminary amplification by the amplifier 16 to the input of the standby multivibrator 15, which in Oy turn generates another pulse at the light source 12. The frequency of the pulses is proportional to the displacement of the piston 2 is detected frequency meter 17 (e.g., frequency) and converted by computer 18 in the liquid level in the tank value by the following relationships:

where T _n the pulse repetition period;
L is the amount of displacement;
C is the speed of light;
t ₃ pulse delay time

where l is the length of the optical fiber;
V is the speed of light in the fiber;
t _email inertia of the electrical circuit,

where n is the refractive index of the fiber.

Для уменьшения составляющих погрешности изменения параметров элементарной базы электрических схем от различных факторов, а также коррекции стабильности нуля датчик диагностируется с помощью устройства оптического замыкания 10, которое с определенной частотой, задаваемой электродвигателем 11, прерывает выход оптического импульса непосредственно из источника излучения 12 и оптически замыкает его на приемник излучения 13, вследствие чего выражение 4 принимает вид
T_n=t₃ (7)
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерения уровня жидкости за счет самокоррекции прибора, а также обеспечения возможности измерять массу жидкости по гидростатическому давлению. Кроме того, отсутствие электрических соединений на резервуаре повышает взрывопожаробезопасность устройства.To reduce the components of the error in changing the parameters of the elementary base of electrical circuits from various factors, as well as correcting zero stability, the sensor is diagnosed using an optical closure 10, which interrupts the output of the optical pulse directly from the radiation source 12 with a certain frequency specified by the electric motor 11 and closes it optically to the radiation receiver 13, whereby expression 4 takes the form
T _n = t ₃ (7)
The proposed device in comparison with the prototype can improve the accuracy of measuring the liquid level due to the self-correction of the device, as well as providing the ability to measure the mass of liquid by hydrostatic pressure. In addition, the lack of electrical connections on the tank increases the explosion safety of the device.

Claims

A device for determining the liquid level in sealed containers, containing a directional radiation source optically coupled through radiation input and output units, and a fiber optic cable vertically mounted in a sealed container with an input to the radiation receiver, characterized in that the device further comprises a second fiber, both of which are one of their own the ends are optically coupled to a corner reflector mounted on the upper base of the piston, which is arranged to move under the influence of a liquid in a cylindrical ohm hollow housing, housed in a sealed container, while the other ends of the two optical fibers are optically connected to an optical closure device in the form of a disk with windows, the outer surface of which is covered with a reflective layer and connected to an electric motor, and the output of the radiation receiver through an amplifier is connected to the waiting input multivibrator, the output of which is connected to the input of the power amplifier of the radiation source and the input of the frequency meter, the output of which is coupled to the input of the computer.