CZ36774U1 - Systém pro monitorování výšky hladiny kapaliny v uzavřené nádobě - Google Patents

Description

Systém pro monitorování výšky hladiny kapaliny v uzavřené nádobě

Oblast techniky

Předkládané technické řešení se týká systému pro monitorování výšky hladiny kapaliny v uzavřené nádobě, např. v uzavřené průmyslové nádobě.

Dosavadní stav techniky

V mnoha odvětvích průmyslu jsou využívané různé druhy kapalin, ať už se jedná např. o vodu, benzín, barvu, lak či jakoukoliv jinou kapalinu potřebnou pro danou oblast. Tyto kapaliny jsou často drženy v uzavřených nádobách, přičemž obecně existuje potřeba průběžně kontrolovat výšku hladiny kapaliny v dané nádobě. Monitorováním výšky hladiny lze získat přehled např. o tom, jak rychle je kapalina spotřebovávána či zda nedochází k jejímu nežádoucímu úniku nebo vypařování v případě, že nádoba není dokonale utěsněná.

V současném stavu techniky existuje řada dokumentů, které se zabývají měřením výšky hladiny v nádobě. Konkrétně se jedná např. o patentový dokument JP 2013140070 A, který popisuje zařízení využívající pro měření výšky hladiny ultrazvukový senzor. Tento senzor vysílá a přijímá ultrazvukové vlny do tzv. měřicího potrubí, které vede z nádoby, respektive je s ní spojeno jiným potrubím. To však představuje výrazný zásah do integrity nádoby, neboť je pro stanovení výšky hladiny nutné k nádobě tuto soustavu potrubí připojit, případně je použití uvedeného zařízení omezeno pouze na nádoby, které takové potrubí již zahrnují.

V dalších patentových dokumentech (US 2016238428 A1, EP 0070334 A1 či US 6205855 A1) jsou pro měření výšky použity různé vibrující prvky, např. kovové tyče, které jsou vloženy dovnitř nádoby, nebo jsou dokonce ponořeny do samotné kapaliny.

Toto opět představuje nežádoucí zásah do integrity nádoby, případně jsou tímto kladeny omezující požadavky na její konstrukci, a vzhledem ke kontaktu vibrující tyče s kapalinou navíc existuje riziko znečištění kapaliny nebo jiných nežádoucích změn jejích vlastností.

Další informace k problematice měření výšky hladiny lze nalézt také v odborných publikacích, např. v Breathing Vibrations of a Circular Cylindrical Shell With an Internal Liquid (Lindholm et al., 2012) či Liquid-Level Sensing by Trapped-Energy-Mode Thickness Vibration (Yamada et al., 2009). V těchto článcích je však popisováno využití pouze pro jednu danou hladinu, případně je zmíněno ponoření vibrujícího prvku do kapaliny s tím, že informace o výšce hladiny je získána z pozorování elektrických charakteristik (např. elektrické vodivosti) tohoto prvku.

Bylo by proto žádoucí přijít s řešením, které by umožňovalo neinvazivní monitorování výšky hladiny v uzavřené nádobě a které by bylo použitelné pro uzavřené nádoby různých tvarů a velikostí. Především vzniká potřeba po řešení, které by nevyžadovalo zvláštní úpravu samotné nádoby a které by nijak nezasahovalo do její integrity.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje systém pro monitorování výšky hladiny v uzavřené nádobě, přičemž systém zahrnuje uzavřenou nádobu a zařízení pro monitorování výšky hladiny. Podstata systému dle předkládaného technického řešení spočívá v tom, že zařízení pro monitorování výšky hladiny je upevněno k vnější straně uzavřené nádoby a zahrnuje zdroj vibrací pohyblivý vůči uzavřené nádobě, senzor vibrací pro zaznamenávání vibrací uzavřené nádoby, modul pro zpracování signálu ze senzoru vibrací a napájecí modul, přičemž senzor vibrací je spojen

- 1 CZ 36774 U1 s modulem pro zpracování signálu a modul pro zpracování signálu je spojen s napájecím modulem, přičemž systém dále zahrnuje výpočetní modul pro stanovení výšky hladiny.

Hlavní výhoda předkládaného technického řešení spočívá v tom, že umožňuje monitorovat výšku hladiny v uzavřené nádobě neinvazivně, tzn. bez nežádoucího zásahu do integrity nádoby nebo potřeby konstrukční úpravy nádoby. Výše popisované zařízení lze navíc při provedení kalibrace použít pro monitorování výšky hladiny v uzavřených nádobách různého tvaru či velikosti.

Výpočetní modul pro stanovení výšky hladiny je uzpůsoben pro výpočet frekvenčního spektra signálu a pro stanovení výšky hladiny na základě hodnot tohoto frekvenčního spektra. Měření vibrací uzavřené nádoby a jejich frekvenční analýza umožňují získat hodnotu výšky hladiny monitorované uzavřené nádoby, přičemž nezáleží na umístění zařízení pro monitorování výšky hladiny na uzavřené nádobě. Nezáleží také na přesném umístění senzoru vibrací v tomto zařízení.

Zdrojem vibrací je výhodně lineární aktuátor. Lineární aktuátor představuje konstrukčně jednoduchou součástku, která umožňuje definované klepnutí do uzavřené nádoby z její vnější strany, což vede k rozvibrování uzavřené nádoby. Lineární aktuátor lze ovládat např. stisknutím tlačítka či automaticky.

Modul pro zpracování signálu zahrnuje zesilovač, přičemž zesilovač je spojený se senzorem vibrací. Pomocí zesilovače lze zesílit signál naměřený senzorem vibrací, a tím lépe odlišit užitečný signál senzoru odpovídající vibracím uzavřené nádoby od okolního šumu.

Modul pro zpracování signálu výhodně zahrnuje analogově digitální převodník a mikropočítač, přičemž mikropočítač je spojený s analogově digitálním převodníkem. Díky analogově digitálnímu převodníku lze analogový signál ze senzoru vibrací převést na digitální signál, který je již možné zpracovat mikropočítačem nebo jej zaslat do jiné části systému, např. bezdrátovým spojením na vzdálený server.

Napájecí modul výhodně zahrnuje akumulátor a nabíjecí systém spojený s akumulátorem. Zařízení tak dokáže využívat energii z akumulátoru.

Zařízení pro monitorování výšky hladiny je k uzavřené nádobě výhodně připevněno pomocí alespoň jednoho magnetu. Upevnění zařízení pro monitorování výšky hladiny k uzavřené nádobě pomocí magnetů zajišťuje spolehlivý přenos vibrací uzavřené nádoby do senzoru vibrací. Zároveň je toto spojení odnímatelné a nijak nezasahuje do integrity monitorované uzavřené nádoby.

Systém dále výhodně zahrnuje vzdálený server komunikačně spojený se zařízením pro monitorování výšky hladiny. Vzdálený server (tzv. cloud) může sloužit např. k ukládání či zobrazování naměřených dat nebo vypočítaných hodnot, případně také k samotnému výpočtu hodnot výšky hladiny.

Výpočetní modul pro stanovení výšky hladiny je výhodně součástí modulu pro zpracování signálu, přičemž zařízení pro monitorování výšky hladiny dále zahrnuje displej komunikačně spojený s výpočetním modulem pro stanovení výšky hladiny. V tomto provedení není potřeba žádné připojení zařízení k externímu serveru, přičemž všechny výpočty potřebné pro analýzu naměřeného signálu provádí modul pro zpracování signálu, tj. přímo samotné zařízení. Vypočítané hodnoty jsou uživateli zobrazovány na displeji.

Výpočetní modul pro stanovení výšky hladiny je součástí vzdáleného serveru. V tomto provedení není nutné mít výkonnější, a tudíž nákladnější mikropočítač, neboť modul pro zpracování signálu neprovádí detailní analýzu naměřeného signálu, ale tento signál zasílá pro další zpracování (tj. provedení výpočtů) na server. Server může poskytovat také uživatelsky přívětivější a přehlednější výstup.

- 2 CZ 36774 U1

Objasnění výkresů

Podstata technického řešení je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:

obr. 1 je znázorněno schéma systému pro monitorování výšky hladiny dle předkládaného technického řešení a obr. 2 je znázorněno blokové schéma zařízení pro monitorování výšky hladiny v prvním příkladném provedení dle předkládaného technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Technické řešení bude dále objasněno na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy. Předmětem předkládaného technického řešení je systém pro monitorování výšky hladiny kapaliny v uzavřené nádobě 1, přičemž tento systém v prvním příkladném provedení zahrnuje uzavřenou nádobu 1 a zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny upevněné k vnější straně uzavřené nádoby 1. Pro větší přehlednost a lepší logickou návaznost textu bude v rámci příkladných uskutečnění nejprve detailně popsáno zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny a jeho spojení s uzavřenou nádobou 1 a následně bude podrobněji popsáno zpracování dat získaných pomocí zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny.

V prvním příkladném provedení, jak se schematicky znázorněno na obr. 1 a obr. 2, zahrnuje zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny zdroj 3 vibrací, senzor 4 vibrací, modul 5 pro zpracování signálu ze senzoru 4 vibrací, napájecí modul 6 a displej 14. Pro zajištění větší kompaktnosti zahrnuje zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny pouzdro, ve kterém jsou jednotlivé komponenty uloženy, přičemž displej 14 je uspořádán tak, aby se jeho obrazovka nacházela na vnější straně pouzdra, a byla tak pro uživatele viditelná. Pouzdro je v prvním příkladném provedení vyrobeno z magnetického materiálu, např. z magnetického kovového plechu, přičemž pro jeho upevnění k vnější straně uzavřené nádoby 1 je použit alespoň jeden magnet 15. Počet, umístění či síla magnetů 15 může být různá, pokud je takovým provedením zajištěno spolehlivé upevnění zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny k vnější straně uzavřené nádoby 1. Alternativně může být pouzdro vyrobeno z jiného materiálu a jeho upevnění k vnější straně uzavřené nádoby 1 může být realizováno jinak, např. prostřednictví na míru vyrobené kontaktní plošiny.

Zdrojem 3 vibrací je v prvním příkladném provedení lineární aktuátor pohyblivý vůči uzavřené nádobě 1, přičemž pohyb lineárního aktuátoru probíhá mezi dvěma krajními polohami. V první krajní poloze se lineární aktuátor nachází v určité vzdálenosti od vnější strany uzavřené nádoby 1, jak je vidět na obr. 1, a není tedy s uzavřenou nádobou 1 v kontaktu, zatímco ve druhé krajní poloze je lineární aktuátor v kontaktu s vnější stranou uzavřené nádoby 1. Pohybem lineárního aktuátoru z první krajní polohy do druhé krajní polohy, tj. udeřením lineárního aktuátoru do uzavřené nádoby 1, dojde k rozvibrování uzavřené nádoby 1. Jsou tedy generovány vlastní kmity uzavřené nádoby 1, které závisejí na výšce hladiny kapaliny v uzavřené nádobě 1. Alternativně může být zdroj 3 vibrací realizován jinak, např. jako jiný typ aktuátoru či klepátka. Udeření zdroje 3 vibrací do vnější strany uzavřené nádoby 1 může být spuštěno automaticky podle předem daného nastavení nebo manuálně např. stiskem tlačítka, které může být uspořádáno např. na vnější straně pouzdra.

Vibrace uzavřené nádoby 1 generované zdrojem 3 vibrací jsou následně snímány senzorem 4 vibrací. Senzor 4 vibrací je v prvním příkladném provedení pevně uložen v pouzdře zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny, přičemž upevněním pouzdra k vnější straně uzavřené nádoby 1 (např. pomocí magnetu 15, jak bylo popisováno výše) je zajištěn přenos vibrací uzavřené nádoby 1 na pouzdro, kde je následně zaznamená senzor 4 vibrací. Příkladně je senzorem 4 vibrací geofon. Alternativně může být senzor 4 vibrací vyveden z pouzdra a může být připojen přímo k vnější

- 3 CZ 36774 U1 straně uzavřené nádoby 1. Signál zaznamenaný senzorem 4 vibrací, tj. typicky analogový, např. napěťový signál, je dále zpracován modulem 5 pro zpracování signálu.

Modul 5 pro zpracování signálu je v prvním příkladném provedení realizován jako deska elektroniky zahrnující zesilovač 9, analogově digitální převodník 10 a výpočetní modul 7 pro stanovení výšky hladiny zahrnující mikropočítač 8 a paměť 11. Senzor 4 vibrací je spojen se zesilovačem 9, např. s operačním zesilovačem, který zaznamenaný signál zesílí. Zesilovač 9 je na svém výstupu spojen s analogově digitálním převodníkem 10, kde je zesílený signál následně převeden na signál digitální. Data v podobě digitálního signálu jsou dále přivedena na vstup mikropočítače 8, kde jsou dále zpracovávána a vyhodnocována s cílem získat absolutní hodnotu výšky hladiny v monitorované uzavřené nádobě 1. Zpracování dat je realizováno např. s využitím programu, který je prováděn mikropočítačem 8 a který je uložen v paměti 11. Postup tohoto zpracovávání a vyhodnocování digitálního signálu, které je prováděno s využitím spojité vlnkové transformace signálu nebo Welchovy metody frekvenční analýzy, bude popsán níže.

V prvním příkladném provedení je mikropočítač 8 spojen se zesilovačem 9, AD převodníkem 10, pamětí 11 a také s napájecím modulem 6, který slouží pro napájení modulu 5 pro zpracování signálu, konkrétně pro napájení mikropočítače 8. Spojení mikropočítače 8 se zesilovačem 9 je výhodné především z toho důvodu, že zesilovač 9 může fungovat jako tzv. „variable-gain“ zesilovač 9, což znamená, že digitálním signálem z mikropočítače 8, který je přiveden zpět na zesilovač 9, lze podle potřeby měnit zesílení zesilovače 9. Pokud např. mikropočítač 8 vyhodnotí, že není dostatečný odstup mezi samotným signálem a šumem pozadí, může zvýšit zesílení zesilovače 9. Toto spojení mikropočítače 8 se zesilovačem 9 však modul 5 pro zpracování signálu zahrnovat nemusí.

Energie je do výpočetního modulu 7 pro stanovení výšky hladiny, konkrétně do mikropočítače 8 dodávána prostřednictvím nabíjecího systému 13, který je součástí napájecího modulu 6 a k němuž je dále v prvním příkladném provedení připojen akumulátor 12. Zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny je možné rovněž napájet ze standardní elektrické zásuvky.

Výpočetní modul 7 pro stanovení výšky hladiny je dále v prvním příkladném provedení komunikačně spojen s displejem 14 pro zobrazení naměřených dat nebo konkrétních hodnot výšky hladiny vypočítaných mikropočítačem 8. V alternativním příkladném provedení může systém podle předkládaného technického řešení dále zahrnovat vzdálený server (tzv. cloud) komunikačně spojený se zařízením 2 pro monitorování výšky hladiny, přičemž naměřená data či vypočítané hodnoty výšky hladiny je možné zobrazovat či ukládat na tomto vzdáleném serveru. Komunikační spojení mezi zařízením 2 pro monitorování výšky hladiny a vzdáleným serverem může být realizováno např. pomocí síťového kabelu ethernet, případně pomocí jiného kabelu, nebo bezdrátově, např. pomocí technologie Wi-Fi. Pro tyto účely může zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny zahrnovat Wi-Fi modul, případně jiný komunikační modul. V dalším alternativním provedení zahrnuje systém dle předkládaného technického řešení vzdálený server komunikačně spojený se zařízením 2 pro monitorování výšky hladiny, přičemž výpočetní modul 7 pro stanovení výšky hladiny není součástí modulu 5 pro zpracování signálu, ale je součástí vzdáleného serveru. To znamená, že potřebné výpočty pro stanovení výšky hladiny nejsou prováděny přímo v zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny, ale na vzdáleném serveru.

V následující části bude popsán princip stanovení absolutní výšky hladiny na základě měření frekvenčních charakteristik uzavřené nádoby 1 s důrazem na výpočet prováděný zpracování dat výpočetním modulem 7 pro stanovení výšky hladiny.

Po upevnění zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny k vnější straně uzavřené nádoby 1 a udeření zdroje 3 vibrací do uzavřené nádoby 1 jsou senzorem 4 vibrací zaznamenány vlastní kmity uzavřené nádoby 1. Měření je vhodné provést v klidu, aby byl minimalizován vliv okolního šumu na přesnost výsledků. Výpočetní modul 7 pro stanovení výšky hladiny je uzpůsoben pro výpočet frekvenčního spektra naměřeného signálu a pro stanovení výšky hladiny na základě hodnot tohoto

- 4 CZ 36774 U1 frekvenčního spektra. Frekvenční spektrum je vypočítáno pomocí Welchovy metody frekvenční analýzy, nebo pomocí spojité vínkové transformace (CWT, Continuous Wavelet Transformation), přičemž obě tyto metody jsou ve stavu techniky známé a dobře popsané v odborné literatuře. Pro určení přesné absolutní hodnoty výšky hladiny na základě vytvořeného frekvenčního spektra je 5 nicméně nutné porovnat výsledek s kalibrační křivkou. Je tedy potřeba provést kalibraci pomocí modelu charakterizujícího míru naplnění dané uzavřené nádoby 1 (určitého tvaru a velikosti).

Zmiňovaný model je vytvořen tak, že se uzavřená nádoba 1 postupně naplňuje a v určitých fázích plnění (např. vždy po naplnění 10 % objemu) je zařízení 2 pro monitorování výšky hladiny 10 upozorněno (např. stiskem tlačítka), že došlo k navýšení naplnění o daný počet procent. Poté výpočetní modul 7 pro stanovení výšky hladiny vypočítá frekvenční spektrum a v daném rozmezí frekvencí (příkladně v rozmezí 10-100 Hz) zjistí, u které frekvence dochází k monotónnímu růstu či poklesu intenzit. Pokud tento růst či pokles nastane u více frekvencí, rozhodne výpočetní modul 7 pro stanovení výšky hladiny, u které frekvence je průměrný růst/pokles v absolutní hodnotě 15 nejvyšší. Takto zvolená frekvence pak odpovídá za určení výšky hladiny, přičemž intenzitě na dané frekvenci je přiřazeno procentuální naplnění uzavřené nádoby 1. Zbylá procenta jsou určena lineární interpolací.

Claims (10)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Systém pro monitorování výšky hladiny kapaliny v uzavřené nádobě (1), přičemž systém zahrnuje uzavřenou nádobu (1) a zařízení (2) pro monitorování výšky hladiny, vyznačující se tím, že zařízení (2) pro monitorování výšky hladiny je upevněno k vnější straně uzavřené nádoby (1) a zahrnuje zdroj (3) vibrací pohyblivý vůči uzavřené nádobě (1), senzor (4) vibrací pro zaznamenávání vibrací uzavřené nádoby (1), modul (5) pro zpracování signálu ze senzoru (4) vibrací a napájecí modul (6), přičemž senzor (4) vibrací je spojen s modulem (5) pro zpracování signálu a modul (5) pro zpracování signálu je spojen s napájecím modulem (6), přičemž systém dále zahrnuje výpočetní modul (7) pro stanovení výšky hladiny.
2. 2. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že výpočetní modul (7) pro stanovení výšky hladiny je uzpůsoben pro výpočet frekvenčního spektra signálu a pro stanovení výšky hladiny na základě hodnot tohoto frekvenčního spektra.
3. 3. Systém podle kteréhokoli z předcházejících nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že zdrojem (3) vibrací je lineární aktuátor.
4. 4. Systém podle kteréhokoli z předcházejících nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že modul (5) pro zpracování signálu zahrnuje zesilovač (9), přičemž zesilovač (9) je spojený se senzorem (4) vibrací.
5. 5. Systém podle kteréhokoli z předcházejících nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že modul (5) pro zpracování signálu zahrnuje analogově digitální převodník (10) a mikropočítač (8), přičemž mikropočítač (8) je spojený s analogově digitálním převodníkem (10).
6. 6. Systém podle kteréhokoli z předcházejících nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že napájecí modul (6) zahrnuje akumulátor (12) a nabíjecí systém (13) spojený s akumulátorem (12).
7. 7. Systém podle kteréhokoli z předcházejících nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že zařízení (2) pro monitorování výšky hladiny je k uzavřené nádobě (1) připevněno pomocí alespoň jednoho magnetu (15).
8. 8. Systém podle kteréhokoli z předcházejících nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že systém dále zahrnuje vzdálený server komunikačně spojený se zařízením (2) pro monitorování výšky hladiny.
9. 9. Systém podle kteréhokoli z předcházejících nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že výpočetní modul (7) pro stanovení výšky hladiny je součástí modulu (5) pro zpracování signálu, přičemž zařízení (2) pro monitorování výšky hladiny dále zahrnuje displej (14) komunikačně spojený s výpočetním modulem (7) pro stanovení výšky hladiny.
10. 10. Systém podle nároku 8, vyznačující se tím, že výpočetní modul (7) pro stanovení výšky hladiny je součástí vzdáleného serveru.