Волоконно-оптическое устройство для контроля параметров жидкости в резервуаре и/или цистерне
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована в системах товарного учета нефтепродуктов, например для контроля параметров светлых нефтепродуктов в автомобильных цистернах и резервуарных парках топливозаправочных станций. Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение - расширение функциональных возможностей при одновременном упрощении системы и повышении ее надежности. Устройство для контроля параметров жидкости в цистерне содержит корпус 1 выполненный в виде поплавка, полуутопленного за счет груза 2, расположенного в его нижней части. В верхней части поплавка 1 закреплен основной световод 3 вход которого совмещен с источником света 4, а выход через многопроходную кювету 5 с интегральной многоэлементной фотоприемной матрицей 6. В нижней части поплавка 1 расположен дополнительный волоконно-оптический световод 7, вход которого совмещен с источником света 4, а выход с интегральной миогоэлементной фотоприемной матрицей 6 выше поверхности контролируемой жидкости 8, причем на участке дополнительного световода 7 погруженного в жидкость сформирован изгиб 9 с радиусом R, определяемым соотношением: n0+1/n0-1*r<R<nc+n 0/nc-n0*р где n0 - показатель преломления материала оболочки волокна, nс - показатель преломления материала сердцевины волокна, r - внешний радиус оболочки, р - радиус сердцевины волокна. Выход интегральной многоэлементной фотоприемной матрицы соединен через спектральный фильтр 10 со входом блока первичной обработки информации 11, который содержит блок выделения и усиления видеосигнала 12, вход которого соединен с выходом интегральной миогоэлементной фотоприемной матрицы 6, а выход - со входом блока формирования информационного сигнала 13, второй вход которого соединен с первым выходом блока развертки 14, второй выход которого соединен со входом интегральной многоэлементной фотоприемной матрицы. Выход блока формирования информационного сигнала 13 соединен с первым входом блока сопряжения 15 выход которого соединен с блоком анализа и представления информации 16, т.е. с компьютером. 1 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована в системах товарного учета нефтепродуктов, например для контроля параметров светлых нефтепродуктов в автомобильных цистернах и резервуарных парках топливозаправочных станций.
В настоящее время разработаны и успешно функционируют разнообразные системы контроля параметров и коммерческого учета жидкостей, находящихся в резервуарах и/или автоцистернах автозаправочных станций.
Все эти системы состоят из датчиков первичной информации о параметрах жидкости (например, светлых нефтепродуктов) и блока обработки, анализа и отображения информации. В качестве последнего используется как правило компьютер с соответствующим программным обеспечением.
Известны радарные измерители уровня жидкости в резервуарных парках нефтехранилищ, нефтеперерабатывающих и химических комплексов, выпускаемые шведской фирмой SAAB TANK CONTROL - TRL/2 [Экспресс - информация, зарубежный опыт, серия «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов», 
7-8 1996 г, с.23-25]. В зависимости от типа крыши резервуара конструкция уровнемера содержит либо параболическую антенну, для резервуаров с фиксированной крышей, либо использует специальную модуляцию волны, для резервуаров с понтоном или с «плавающей» крышей.
Недостатком такой системы является сложность, высокая стоимость, а также невозможность использовать ее на эксплуатирующемся в настоящее время оборудовании автозаправочных станций. Кроме того, для расширения функциональных возможностей системы, ее необходимо оснащать дополнительными модулями, контролирующими тот или иной параметр жидкости в резервуаре. Это также ведет к удорожанию системы, усложнению ее обслуживания и снижению надежности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в «Оптическом способе измерения поверхностного уровня жидкости» [патент WO9505583 фирмы PETETRONIK Т от 15.08.94 г.]. Это устройство содержит корпус, погруженный в жидкость, уровень которой надо измерить. Внутри корпуса находится емкость с вторичной жидкостью. Корпус выполнен так, что измеряемая жидкость оказывает давление на его основание. С помощью входного оптического волокна источник света оптически сопряжен с нижним торцом емкости с вторичной жидкостью. С помощью выходного оптического волокна емкость с вторичной жидкостью соединена с фотоприемником. Уровень первичной жидкости определяется по изменению интенсивности выходного излучения, величина которого зависит от высоты столба вторичной жидкости. Интенсивности излучения на выходе выходного оптического волокна сравнивается с выходным излучением эталонного оптического волокна. Истинный уровень измеряемой жидкости определяется путем сопоставления результатов измерения с калибровочной кривой. Данное устройство выбрано за прототип.
Как и все системы на основе волоконно-оптических датчиков первичной информации, прототип взрыво- и пожаробезопасен, сравнительно прост и надежен. Однако, он обладает рядом серьезных недостатков. Устройство - прототип обладает недостаточно высокой точностью ввиду наличия дополнительной вторичной жидкости, уровень которой измеряется. Этот косвенный метод контроля неизбежно ведет к погрешности в конечном результате. Кроме того, сложен метод обработки первичной информации, поскольку сравнивается интенсивность излучения посторонних объектов (вторичная жидкость и эталонное оптическое волокно) с целью определения искомого значения уровня основной жидкости. Другим недостатком устройства - прототипа являются малые функциональные возможности, поскольку оно позволяет измерять только уровень жидкости.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение - расширение функциональных возможностей при одновременном упрощении системы и повышении ее надежности.
Поставленная цель достигается тем, что волоконно-оптическое устройство для контроля параметров жидкости в резервуаре и/или цистерне, содержит корпус, внутри которого расположен волоконно-оптический световод, вход которого оптически сопряжен с источником света, а выход - с приемником света, выход которого соединен с блоками первичной обработки, анализа и отображения информации, в котором в отличие от прототипа, корпус выполнен в виде полуутопленного поплавка в нижней части которого закреплен дополнительный волоконно-оптический световод, вход которого сопряжен с источником света, а выход - с приемником света, в качестве которого использована интегральная многоэлементная фотоприемная матрица, продольная ось которой параллельна вертикальной оси, причем утопленная часть дополнительного световода имеет изгиб, а основной световод сопряжен с интегральной многоэлементной фотоприемной матрицей через многопроходную кювету. Основной световод выполнен с полупроводниковой прослойкой из Ga-As или Cd-Te.
Кроме того, поставленная цель достигается тем, что электронный блок первичной обработки сигналов содержит блок выделения и усиления видеосигнала, вход которого соединен с выходом интегральной многоэлементной фотоматрицы (фотолинейки), а выход - со входом блока формирования информационного сигнала, второй вход которого соединен с первым выходом блока развертки, второй выход которого соединен со входом интегральной многоэлементной фотоматрицы (фотолинейки). Выход блока формирования информационного сигнала соединен с первым входом блока сопряжения, выход которого соединен с блоком анализа и представления информации, т.е. с компьютером.
На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства.
Волоконно-оптическое устройство для контроля параметров жидкости в резервуаре и/или цистерне содержит корпус 1 выполненный в виде поплавка, полуутопленного за счет груза 2, расположенного в его нижней части. В верхней части поплавка 1 закреплен основной световод 3, вход которого совмещен с источником света 4, а выход через щюгопроходную кювету 5 с интегральной многоэлементной фотоприемной матрицей 6. В нижней части поплавка 1 расположен дополнительный волоконно-оптический световод 7, вход которого совмещен с источником света 4, а выход с интегральной многоэлементной фотоприемной матрицей 6 выше поверхности контролируемой жидкости 8, причем на участке дополнительного световода 7 погруженного в жидкость сформирован изгиб 9 с радиусом R, определяемым соотношением:
n0+1/n0-1*r<R<nc +n0/nc-n0*р;
где n0 - показатель преломления материала оболочки волокна,
пс - показатель преломления материала сердцевины волокна,
r - внешний радиус оболочки,
р - радиус сердцевины волокна.
Выход интегральной многоэлементной фотоприемной матрицы соединен через спектральный фильтр 10 со входом блока первичной обработки информации 11, который содержит содержит блок выделения и усиления видеосигнала 12, вход которого соединен с выходом интегральной многоэлементной фотоприемной матрицы 6, а выход - со входом блока формирования информационного сигнала 13, второй вход которого соединен с первым выходом блока развертки 14, второй выход которого соединен со входом интегральной миогоэлементной фотоприемной матрицы. Выход блока формирования информационного сигнала 13 соединен с первым входом блока сопряжения 15, выход которого соединен с блоком анализа и представления информации 16, т.е. с компьютером. Техническая реализация элементов, входящих в электронный блок первичной обработки информации является общеизвестной и описана, например в Системе технического зрения [Справочник (В.И.Сырямкин, В.С.Титов, М.Г.Лкушенков, Р.М.Галиулин и др.) Под общ. ред. В.И.Сырямкина и В.С.Титова - Томск, МГП «Раско», 1993 г., с.36-132.].
Заявляемое устройство работает следующим образом: световой поток от источника света 4 по волоконно-оптическим световодам 3 и 7 поступает к миогоэлементной интегральной фотоприемной матрице. Электронный блок первичной обработки информации 11 обеспечивает развертку интегральной фотоприемной матрицы 6 и соответствующую обработку видеосигнала, для выделения информации о положении центра проекции изображения пятна в требуемом динамическом диапазоне изменений интенсивности. По положению проекции пятна определяют уровень контролируемой жидкости, а по интенсивности принятого излучения - информацию об иных параметрах жидкости в резервуаре. Рассмотрим информационное значение каждого световода в отдельности. Основной световод 3 жестко закреплен в поплавке 1 над поверхностью контролируемой жидкости. Вместе с изменением уровня жидкости, меняется и положение марки от светового луча, доставленного этим световодам к интегральной многоэлементной фотоприемной матрице 6. Фактический уровень жидкости в резервуаре определяется по формуле:
U=H-h;
где H - расстояние от нулевой точки (например от дна резервуара) до марки на фотоматрице 6; являлся бы воздух, излучение отразившись от границы раздела возвратилось бы в сердцевину на участке, где световод снова становится прямым. Но, в нашем случае дополнительный световод находится в контролируемой жидкости с показателем преломления большим 1, 28, следовательно оптическое излучение частично покидает световод. Это приводит к резкому уменьшению интенсивности сигнала, что регистрируется соответствующим датчиком (не показан). Таким образом дополнительный световод дает информацию о качестве находящейся в емкости жидкости. С помощью него также можно получить информацию об уровне жидкости в емкости. Эта информация не является избыточной, а служит для контроля правильности функционирования заявляемого устройства, а также для отслеживания расхода отпускаемой жидкости.
Таким образом заявляемое устройство, будучи простым по конструкции, надежным в эксплуатации и обладающее малыми габаритами позволяет контролировать следующие параметры жидкости в резервуаре и/или цистерне:
- уровень и/или расход жидкости;
- газовый состав в емкости и/или интенсивность испарения контролируемой жидкости;
- температуру в емкости;
- качество контролируемой жидкости.
По сравнению с прототипом, а также другими известными системами контроля параметров жидкости, заявляемое устройство допускает дальнейшее расширение его функциональных возможностей за счет придания ему помимо контролирующих еще и функции управления. Действительно, получение многоаспектной информации в реальном масштабе времени позволяет незамедлительно формировать управляющее воздействие на системы налива и отпуска жидкости, например на заслонки трубопровода, в случае превышения допустимого уровня при наливе, недопустимого отклонения от качества жидкости по составу и т.д., также оперативно принять меры по взрыво и пожаробезопасности в случае превышения допустимых уровней температуры и/или концентрации паров.
1. Волоконно-оптическое устройство для контроля параметров жидкости в резервуаре и/или цистерне, содержащее корпус, внутри которого расположен волоконно-оптический световод, вход которого оптически сопряжен с источником света, а выход - с приемником света, выход которого соединен с блоками первичной обработки, анализа и отображения информации, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде полуутопленного поплавка, в нижней части которого закреплен дополнительный волоконно-оптический световод, вход которого сопряжен с источником света, а выход - с приемником света, в качестве которого использована интегральная многоэлементная фотоприемная матрица, продольная ось которой параллельна вертикальной оси, причем утопленная часть дополнительного световода имеет изгиб, а основной световод сопряжен с интегральной многоэлементной фотоприемной матрицей через многопроходную кювету.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электронный блок первичной обработки сигналов содержит блок выделения и усиления видеосигнала, вход которого соединен с выходом интегральной многоэлементной фотоматрицы (фотолинейки), а выход - со входом блока формирования информационного сигнала, второй вход которого соединен с первым выходом блока развертки, второй выход которого соединен со входом интегральной многоэлементной фотоматрицы (фотолинейки), выход блока формирования информационного сигнала соединен с первым входом блока сопряжения, выход которого соединен с блоком анализа и представления информации, т.е. с компьютером.
3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что радиус изгиба дополнительного волоконно-оптического световода определяется соотношением:
n0+1/n 0-1·r<R<nc+n0/nc -n0·p,
где n0 - показатель преломления материала оболочки волокна;
nc - показатель преломления материала сердцевины волокна;
r - внешний радиус оболочки;
p - радиус сердцевины волокна.
4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что основной световод выполнен с полупроводниковой прослойкой из Ga-As или Cd-Te.
