RU2279642C2

RU2279642C2 - Method and device for measuring level of loose or liquid materials

Info

Publication number: RU2279642C2
Application number: RU2002108822/28A
Authority: RU
Inventors: Евгений Анатольевич Якимович (RU); Евгений Анатольевич Якимович; тин Николай Владимирович Зам (RU); Николай Владимирович Замятин
Original assignee: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2006-07-10
Also published as: RU2002108822A

Abstract

FIELD: measuring technique.

SUBSTANCE: device comprises illuminating device and TV camera mounted above the material and separated from it by a transparent member, channel for transmitting signal, digital computing unit, and device for displaying the results of the measurements. The TV camera is mounted for permitting viewing the line of intersection of the material surface with the primary measuring scale applied to the vertical wall of the tank.

EFFECT: enhanced accuracy and reliability.

2 cl, 2 dwg

Description

Область техники и область использования изобретенияField of technology and field of use of the invention

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.The invention relates to a control and measuring technique, namely, to the field of electrical measurements of non-electrical quantities, and can be used to record the level of liquid and granular media in tanks in various industries: chemical, petrochemical, pharmaceutical, food, etc.

Характеристика аналогов изобретенияCharacterization of analogues of the invention

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.The closest in technical essence to the claimed device is a liquid level gauge (RU 2126529 C1, 02.20.99), which contains a free float, the image from the surface of which is entered using a camera into a digital computing device, where the liquid level is calculated using the digital image of the original image. . The disadvantages are the lack of accuracy due to the method used to calculate the level of the image received from the camera; narrow scope level measurement of only liquid, inability to use in aggressive, explosive atmospheres and at high pressure. The last drawback is due to the use of mechanically moving nodes inside the tank.

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.A known method and device for measuring the level of bulk materials, based on the fact that the light flux of a scanning optocouple reflected from the surface of a bulk material with an open optical channel is converted using a photoresistor with controlled speed into an electrical signal, its low-frequency component is isolated, the duration of which determines the level bulk material.

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.The disadvantages of the known method and device is the lack of reliability due to the use of moving mechanisms, and as a result, limited use in difficult environmental conditions; as well as the complexity of manufacturing a hopper with a vertical transparent window; low speed, narrow scope of application only for fine bulk materials.

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.A known method and device for measuring the liquid level in a tank, based on the use of a measuring tube, a light source made in the form of discrete emitters, each of which is optically coupled to a respective receiving photo cell; an element breaking the aforementioned optical coupling. An element that breaks the optical connection, depending on the liquid level in the tank, is a counterweight, which is connected to the float through a flexible cable thrown over a rotating pulley.

Недостаток известного способа заключается в недостаточной точности ввиду дискретности источников и фотоприемников, высокой стоимости, зависящей от размера резервуара, в сложности конструкции.The disadvantage of this method is the lack of accuracy due to the discreteness of sources and photodetectors, high cost, depending on the size of the tank, the complexity of the design.

Известен способ и устройство для измерения уровня жидкости в емкости, основанный на использовании кольцевого источника света, оптически связанного с фотоприемником в виде телекамеры.A known method and device for measuring the liquid level in a tank, based on the use of an annular light source optically coupled to a photodetector in the form of a television camera.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

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.The essence of the invention lies in the fact that the measurement of the level of liquid or bulk material is carried out according to the image obtained from the camera, by analyzing the line of intersection of the surface of the medium being measured with the surface of the vertical wall of the tank on which the primary measuring scale is applied.

Новизна заключается:The novelty is:

1) в использовании первичной шкалы, нанесенной на стенки резервуара;1) in the use of the primary scale applied to the walls of the tank;

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;2) in the use of a pre-trained neural network at the image processing stage for recognition of the primary scale reference values, which allows to increase the measurement accuracy and refuse to install the float in the tank;

3) в использовании вторичной мерной шкалы в виде матрицы пикселов;3) in the use of a secondary measuring scale in the form of a matrix of pixels;

4) в выделении признаков отчетов первичной шкалы и уровня жидкости.4) in highlighting signs of reports of the primary scale and liquid level.

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.Factors such as uneven lighting inside the tank, flashing of walls and liquids, glare, and changes in the transparency of the liquid make it difficult to determine the level without using a float. For the stability of the level gauge to all environmental factors, a neural network was used for the first time in video level meters at the stage of image processing obtained from a television camera. The use of a neural network made it possible to abandon the use of a float to detect the interface between media, which led to a simplification of the level gauge design and an increase in reliability and accuracy.

Использование бесконтактного способа измерения уровня в видеоуровнемерах не обнаружено.The use of a non-contact level measurement method in video level meters was not detected.

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.A new set of signs together with known signs lead to a positive effect. The achievement of such a positive effect by the claimed combination of features does not follow from the technical solutions known to us. Based on the foregoing, the claimed solution should be considered as meeting the criterion of "significant differences", and compared with the prototype criterion and novelty.

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.Figure 1 presents the functional diagram of the proposed device. The device comprises (FIG. 1) a reservoir with liquid 1, a transparent window 2, a backlight 3, a camera 4, a communication channel 5, a switch 6, an image input device 7, a digital computing device 8. The number 10 indicates an alternative installation of the camera in that case if the viewing angle of the camera is insufficient for a full view inside the tank.

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.The device operates as follows. The tank is filled with liquid or granular medium. The television camera is installed so that in the extreme positions of the medium being measured, the interface between the three media (liquid, wall, air) falls into the viewing angle of the camera.

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 формулеThe image of the surface of the controlled environment and the primary scale is introduced using a camera into a digital computing device, where an image file is formed in the form of a matrix of pixels. Then, using the obtained digital image of the original image, the liquid level is calculated as follows: the conditional line of intersection of the surface of the medium being measured with the surface of the vertical wall of the tank is searched for in the obtained digital image and the nearest reference value of the primary measuring scale is searched. The result obtained is used to directly calculate the level using the formula

где

Where

N - значение отсчета первичной мерной шкалы,N is the value of the reference primary measuring scale,

n - значение отсчета вторичной мерной шкалы,n is the value of the reference secondary measuring scale,

k - коэффициент пропорциональности.k is the coefficient of proportionality.

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.The final result can be displayed on the visual display device, can be printed on a printer. The switch allows multi-channel measurements. The camera contains a device for illuminating the internal cavity of the tank. The camera is separated from the internal cavity of the tank by a transparent window, which ensures the preservation of the tightness of the tank. If you pre-calibrate a specific tank, this level gauge will automatically receive liquid volume values with level measurement.

Максимальный уровень Н_m контролируемой среды в резервуаре зависит от угла зрения телекамеры (фиг.2). Зависимость Н_m от угла обзора телекамеры выражается следующей формулой:The maximum level of N _m controlled environment in the tank depends on the angle of view of the camera (figure 2). The dependence of H _m on the viewing angle of the camera is expressed by the following formula:

где H - высота установки телекамеры, L - максимальный линейный размер резервуара по горизонтали, α - угол обзора телекамеры.where H is the height of the camera, L is the maximum linear horizontal size of the tank, α is the viewing angle of the camera.

Основной положительный эффект обусловлен применением нейронной сети. Использование нейронной сети позволило:The main positive effect is due to the use of a neural network. Using a neural network allowed:

1) использовать параллельную обработку информации сразу по нескольким направлениям;1) use parallel information processing in several directions at once;

2) отказаться от механических движущихся конструкций внутри резервуара;2) abandon mechanical moving structures inside the tank;

3) повысить точность измерения уровня за счет более точного анализа изображения, получаемого с телекамеры;3) to increase the accuracy of level measurement due to a more accurate analysis of the image obtained from the camera;

4) повысить помехозащищенность уровнемера при эксплуатации в условиях систематических и случайных помех, таких как: пар, запотевание, волны, рябь, электрические наводки;4) to increase the noise immunity of the level gauge during operation in conditions of systematic and random interference, such as: steam, fogging, waves, ripples, electrical interference;

5) в отличие от аналога снизить себестоимость и затраты на монтаж уровнемера за счет отказа от поплавка;5) in contrast to the analogue, reduce the cost and installation costs of the level gauge due to the rejection of the float;

6) снизить затраты на обслуживание и ремонт уровнемера по сравнению с аналогом, т.к. отпадает необходимость прерывания технологического процесса на время обслуживания или ремонта.6) reduce the cost of maintenance and repair of the level gauge in comparison with the analogue, because there is no need to interrupt the process during maintenance or repair.

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.Thus, this level gauge can significantly reduce the cost of installation, maintenance and repair compared to its counterpart. This level gauge allows you to perform all of these operations without interrupting the process, depressurization of the tank.

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».The lack of mechanical parts, in contrast to the analogue, increases reliability, and allows ^; use the level gauge in aggressive environments or at high pressure. The achievement of such a positive effect does not follow from the currently known technical solutions. Based on the foregoing, the claimed solution should be considered as meeting the criterion of "novelty."

Claims

1. A method of measuring the level of bulk or liquid materials by converting the image of the measuring element into an electrical signal, followed by digital processing and determining the level, characterized in that using the camera, an image of the line of intersection of the surface of the material with the measuring element in the form of a measuring scale is converted to video signal, after which a data file is obtained in the form of a matrix of pixels, then it is used to search for and recognize the nearest N count value using a pre-trained neural network the primary measuring scale and the conditional line of the surface of the liquid or bulk material, count the number of pixels n in the image between the found closest N value of the reference of the primary measuring scale and the conditional line of the surface of the liquid or bulk material, and the calculation of the level of the material is carried out according to the formula H = Nk · n, where k is the coefficient of proportionality.

2. A device for implementing a method for measuring the level of bulk or liquid materials, including backlight and a television camera mounted on the surface of the measured material and hermetically separated from it by an optically transparent element, a signal transmission channel, a digital computing device and a device for displaying measurement results, characterized in that the camera is positioned to view the line of intersection of the surface of the measured material with a primary measuring scale, applied to a vertical wall reservoir, in this case, as a digital computing device, a hardware implementation of a neural network or a computer with built-in neural network cards or in the mode of emulation of a neural network is used.