Устройство для измерения уровня жидкости в емкости

 

Изобретение может быть использовано для контроля за уровнем топлива в резервуарах. Устройство для измерения уровня жидкости в емкости включает лазер, фотоприемник и элемент фокусировки лазерного луча, выполненный в виде линзы. Линза размещена между лазером и поверхностью жидкости. Соотношение между фокусным расстоянием F_л линзы и минимальным расстоянием h_min от линзы до поверхности жидкости лежит в пределах F_л/h_min = 0,1-0,2. Повышена точность измерений, упрощена конструкция устройства. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство относится к приборостроению, в частности к технике бесконтактного измерения уровня с помощью лазера, и может быть использовано, например, для контроля за уровнем топлива в резервуарах, уровнем агрессивной среды в емкостях, применяемых в химической промышленности и т.п.

Известны устройства для контроля уровня жидкости, содержащие импульсный ультразвуковой генератор и приемник ультразвуковых импульсов (патент РФ N 2047109, кл. G 01 F 23/28, 25.06.93).

Недостатком этого устройства является его относительно низкая точность при определении уровня жидкости и необходимость постоянных калибровок устройства.

Известны также устройства для измерения уровня жидкости, содержащие СВЧ-резонатор, СВЧ-генератор и последовательно соединенные фильтр и частотомер (патент РФ N 2041446, кл. G 01 F 23/28, 23.04.92).

Недостатком таких устройств является их зависимость от изменения диэлектрической проницаемости контролируемой среды, что обусловливает систематические погрешности измерений.

Ближайшим аналогом к изобретению является устройство для измерения уровня жидкости в емкости (заявка РФ 94015789 A1, кл. G 01 F 23/22, 10.12.95), содержащее лазер, элемент фокусировки лазерного луча, выполненный в виде линзы, и фотоприемник для приема отраженных от поверхности жидкости лазерных лучей.

Недостатком данного устройства является низкая точность и отсутствие защиты от неблагоприятных воздействий со стороны объекта, расстояние до которого определяется. В случае, например, измерения уровня агрессивной жидкости в емкости ее пары и конденсат приводят к разрушению устройства.

Задачей изобретения является повышение точности измерений при быстром изменении уровня и формы отражающей поверхности, а также защита от вредных воздействий паров и конденсата жидкости.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в устройстве для измерения уровня жидкости в емкости, включающем лазер, фотоприемник для приема отраженных от поверхности жидкости лазерных лучей и элемент фокусировки лазерного луча, выполненный в виде линзы, линза размещена между лазером и поверхностью жидкости, при этом соотношение между фокусным расстоянием линзы F_л и минимальным расстоянием от линзы до поверхности жидкости h_min лежит в пределах F_л/h_min = 0,1 - 0,2; лазер, фотоприемник и линза герметично отделены от полости емкости посредством плоской диафрагмы из оптического стекла; плоскость диафрагмы из оптического стекла ориентирована под углом, не превышающим 90^o, к крайнему со стороны фотоприемника лучу расходящегося после прохождения линзы лазерного пучка; диафрагма из оптического стекла снабжена нагревательным элементом.

Исключение влияния изменений измеряемого уровня жидкости и формы ее отражающей поверхности объясняется тем, что лазерный луч попадает на поверхность жидкости рассеянным пучком; при этом отдельные лучи этого пучка (см. фиг. 2, 3) приходят к поверхности жидкости и отражаются от нее под различными углами; вследствие этого при изменении уровня жидкости и формы ее поверхности в определенных заданных пределах часть лучей рассеянного лазерного пучка всегда попадает на фотоприемник.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено: на фиг. 1 - общая схема устройства; на фиг. 2 - схема прохождения лазерных лучей при использовании собирающей линзы; на фиг. 3 - схема прохождения лазерных лучей при использовании рассеивающей линзы; на фиг. 4 - плоская диафрагма из оптического стекла, вид сверху.

Устройство включает лазер 1, фотоприемник 2 и линзу 3 для фокусировки луча лазера 1. Линза 3 установлена между лазером 1 и поверхностью 4 жидкости 5, находящейся в емкости 6. В конкретном примере в емкости 6 находится топливо, потребляемое тепловой электростанцией, при температуре 80-85^oC. Линза 3 может быть собирающей, как на фиг. 3. Соотношение между фокусным расстоянием линзы F_л (в обоих случаях) и минимальным расстоянием от линзы до поверхности жидкости лежит в пределах F_л/h_min = 0,1-0,2. Нижний предел этого соотношения (0,1) ограничен степенью рассеяния луча лазера. При F_л/h_min < 0,1 рассеяние будет недопустимо большим, поскольку потребуется слишком большая мощность лазера или сверхвысокая чувствительность фотоприемника, что практически нерационально. При F_л/h_min > 0,2 рассеяние луча лазера недостаточно для компенсации изменений уровня и формы поверхности жидкости в емкости. Лазер 1, фотоприемник 2 и линза 3 герметично отделены от полости емкости 6 посредством плоской диафрагмы 7 из оптического стекла, укрепленной во фланце 8 в верхней части емкости 6.

В конкретном примере использовано бронированное плоскопараллельное стекло. Плоскость диафрагмы 7 ориентирована под углом α , не превышающим 90^o, к крайнему со стороны фотоприемника 2 лучу 9 расходящегося после прохождения линзы 3 лазерного пучка; диафрагма 7 снабжена нагревательным элементом 10, выполненным из нихромовой фольги, укрепленной по периметру диафрагмы 7.

Работает устройство следующим образом.

Луч лазера 1 проходит через линзу 3 и превращается в рассеянный пучок, который затем проходит через диафрагму 7 и попадает на поверхность 4 жидкости 5 в емкости 6. Отдельные лучи рассеянного лазерного пучка приходят на поверхность 4 под разными углами и отражаются под соответствующими разными углами от этой поверхности. Благодаря этому при изменении уровня жидкости 5 в емкости 6 и/или формы поверхности 4 часть отдельных лучей рассеянного пучка всегда попадает на фотоприемник 2. Вследствие наклона диафрагмы 7 лучи, отражаемые от ее поверхности, не попадают на фотоприемник 2 и не перекрывают более слабое отражение от поверхности 4 жидкости. Для предотвращения запотевания диафрагмы 7 включается автоматически регулируемый (с точностью до 1 - 1,5^oC) нагревательный элемент 10.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения уровня жидкости в емкости, включающее лазер, элемент фокусировки лазерного луча, выполненный в виде линзы, и фотоприемник для приема отраженного от поверхности жидкости лазерного луча, отличающееся тем, что линза расположена между лазером и поверхностью жидкости, при этом соотношение между фокусным расстоянием F_л линзы и минимальным расстоянием h_min от линзы до поверхности жидкости лежит в пределах F_л/h_min = 0,1 - 0,2.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лазер, фотоприемник и линза герметично отделены от полости емкости посредством плоской диафрагмы из оптического стекла.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что плоскость диафрагмы из оптического стекла ориентирована под углом, не превышающим 90^o, к крайнему со стороны фотоприемника лучу расходящегося после прохождения линзы лазерного пучка.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что диафрагма из оптического стекла снабжена нагревательным элементом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4