Устройство для определения уровня жидкости в герметичных емкостях

 

Использование: приборостроение, а именно средства измерения уровня жидкости в резервуарах. Сущность изобретения: устройство содержит приемный и передающий световоды, заключенные в цилиндрический полый корпус, внутри которого с возможностью перемещения в вертикальной плоскости установлен поршень с выполненным на его поверхности основания уголковым отражателем, причем вход и выход излучения соединены между собой устройством оптического замыкания, выполненного в виде диска с окнами, внешняя поверхность которого покрыта отражающим слоем. Выход фотоприемника соединен с входом ждущего мультивибратора, выход которого связан с входом усилителя источника излучения и входом измерителя частоты, выход которого сопряжен с входом ЭВМ. 2 ил.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к средствам измерения уровня жидкости в резервуарах, и может быть применено в нефтяной и химической отраслях промышленности.

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.

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.

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.

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.

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.

Изобретение решает задачу повышения точности и взрывопожаробезопасности измерений уровня легковоспламеняющихся жидкостей.

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.

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.

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.

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.

Так как измерительная камера сообщается с наджидкостным пространством, можно исключить из выражения 2 Р₀.

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.

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.

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.

Формула изобретения

Устройство для определения уровня жидкости в герметичных емкостях, содержащее источник направленного излучения, оптически связанный через блоки ввода и вывода излучения, и вертикально установленный в герметичной емкости световод с входом приемника излучения, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй световод, оба световода одними из своих концов оптически сопряжены с уголковым отражателем, закрепленным на верхнем основании поршня, размещенного с возможностью перемещения под воздействием жидкости в цилиндрическом полом корпусе, размещенном в герметической емкости, при этом другие концы двух световодов оптически связаны с устройством оптического замыкания, выполненного в виде диска с окнами, внешняя поверхность которого покрыта отражающим слоем и связанного с электродвигателем, а выход приемника излучения через усилитель соединен с входом ждущего мультивибратора, выход которого связан с входом усилителя мощности источника излучения и входом измерителя частоты, выход которого сопряжен с входом ЭВМ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2