Технические науки / 5.Энергетика

к.т.н. Борминский С.А., к.т.н. Солнцева А.В.

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)

Устройство оптического измерения уровня и объема жидкости в резервуаре

Для измерения количественных параметров жидких продуктов, находящихся в резервуарах, например, топлива в баках подвижных объектов, резервуарных парков нефтебаз и автозаправок, а также в других ёмкостях, используемых для хранения и производства жидких продуктов, используют различные измерительные устройства.

Для измерения уровня жидкости в резервуарах могут применятьс оптические средства, содержащие помещённую в контролируемую среду вертикально расположенную трубку, на верхнем торце которой расположен лазерный дальномер, подключенный к блоку передачи данных [1]. Основным недостатком таких устройств является сложность реализации, связанная с необходимостью установки в резервуар трубки, а также обеспечения коэффициента отражения лазерного луча достаточного для выполнения измерений лазерным дальномером. Измерение объема с использованием таких устройств возможно путем вычисления по измеренному уровню соответствующего объема по тарировочным таблицам, однако такие таблицы не учитывают изменение геометрических параметров резервуара, связанных с изменением температуры, давления и возможными внешними механическими деформациями.

Для организации измерения двух важных параметров - уровня и объема жидкости в резервуаре, предлагается устройство, структурная схема которого представлена на рисунке 1. Устройство включает в себя телевизионную камеру 1, источники лазерного излучения 2 (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.

Рисунок 1 - Структурная схема устройства измерения уровня и объема жидкости в резервуаре

Устройство работает следующим образом. Один или несколько лучей от источников лазерного излучения 2 оставляют метки на поверхности жидкости, как показано на рисунке 2 поз. 4, по координатам данных меток на матрице в блоке 3 происходит вычисление уровня жидкости.

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 3, координаты на изображении которого определяются блоком распознавания границы жидкости 4. Алгоритм работы данного блока основан на поиске линии контраста на изображении, при этом для уменьшения погрешности отбрасываются резкие скачки и разрывы данной линии. Граница жидкости и резервуара поз. 3 на рисунке 2 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.

1 - чувствительная зона матрицы, 2 -торец резервуара (вид сверху), 3 - граница жидкости и резервуара, 4 - следы от лазерных лучей на поверхности жидкости

Рисунок 2 - Изображение, получаемое на фотоприёмной матрице телевизионной камеры

На рисунке 3 представлена упрощенная модель оптической системы и ход световых лучей в ней. Координаты границы между жидкостью и резервуаром передаются в блок вычисления площади жидкости 5. Расстояния L и H (см. рисунок 3) являются заранее вычисленной величиной с помощью блока вычисления уровня 3. Расстояние между матрицей и оптической системой a является также известной величиной. Для получения a 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.

Рисунок 3 - Модель оптической системы и ход световых лучей в ней

Работа блока вычисления объёма 6 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.

Предлагаемой устройство позволяет производить автоматическую градуировка резервуара и вычисление объема жидкости без дополнительных технологических операций и использования 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.

Литература:

1. Пат. 115886 Российская Федерация, МПК G01F1/86 Устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах [Текст] / Скворцов Б.В., Блинов Д.И., Солнцева А.В., Борминский С.А. ; заявитель и патентообладатель: СГАУ. - №2011151843/28, заявл.19.12.2011; опубл. 10.05.2012.