способ измерения объема молока в резервуаре

Формула изобретения

Способ измерения объема молока в резервуаре, заключающийся в регистрации расстояния от бесконтактного датчика, закрепленного на верхнем упоре, до поверхности молока, которое вычитают из расстояния до дна пустого резервуара, отличающийся тем, что в качестве датчика используют съемный цифровой лазерный дальномер со встроенными батареями питания, причем перед измерением молоко перемешивают, а после измерения определяют объем по индивидуальной тарировочной таблице уровней, полученной при последовательном заполнении резервуара от нуля до максимума через эталонный счетчик-расходомер с дискретностью, например, 50 л.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной и холодильной техники и может быть использовано в пищевой промышленности, в агропромышленном комплексе и предназначено для бесконтактного измерения объема преимущественно охлажденного молока при продажах отгрузках и покупках на молокозаводах, молочнотоварных фермах и фермерских хозяйствах для коммерческого учета.

Известны приборы фирмы Endress+Hauser: микроволновые радарные уровнемеры для жидкостей Micropilot S FMR531, использующие регистрацию расстояния от бесконтактного датчика с измерительным преобразователем. непосредственно закрепленного на верхнем кронштейне вертикальных цилиндрических резервуаров, которые вычитают из расстояния от датчика до дна пустого резервуара [1]. Также известны ультразвуковые бесконтактные уровнемеры Prosonic M FMU 40/45 [2]. состоящие из датчика и измерительного преобразователя, выполненных в едином корпусе, работающие по такому же принципу. В танках-охладителях молока Кryos фирмы Westfalia Surge [3] используется погружной электронный датчик уровня, с измерительным поплавком и стержнем, ценой 1690 .

Молочная холодильная установка по патенту RU 2265322, А01J 9/04, 2005 г в качестве простейшего измерителя объема молока в резервуаре использует мерную линейку из нержавеющей стали, отградуированную через 50 литров [4]. Опуская ее через люк до упора, отмечают уровень и объем продукта по глубине погружения в молоко на соответствующем делении. Аналогичный простейший измеритель объема применяется в вариантном исполнении резервуаров Westfalia Surge (без электронного датчика уровня). С другой стороны, известен портативный цифровой лазерный дальномер (ЦЛД) DLL 50 Professional фирмы BOSCH [5], габаритные размеры которого 58×100×32 мм. масса 0.18 кг. цена деления 1 мм, со встроенными батареями питания, стоимостью 150 , предназначенный для измерения дальностей, длин, высот от датчика до непрозрачных, непористых поверхностей, с помощью узконаправленного лазерною луча. Он применяется преимущественно для строительных работ - своеобразная «лазерная рулетка».

Стационарные бесконтактные уровнемеры для жидкостей Micropilot S FMR 531 и Prosonic M FMU 40/45 используют принцип соответственно радиолокации и эхолокации, поставляются с протоколами калибровки и программным обеспечением, а также возможностью задания собственной таблицы линеаризации для пересчета уровня в единицы объема. Они содержат отдельно излучатель и программируемый ЖК-дисплей, являются сложными, габаритными и дорогими для использования в резервуарах охладителях молока, особенно учитывая невысокую квалификацию обслуживающего персонала ферм. К тому же ультразвуковой уровнемер FMU 40 усложнен встроенным датчиком температуры для коррекции точности. Аналогичными недостатками (сложностью и малой ремонтопригодностью) обладает емкостной поплавковый датчик уровня резервуара Kryos [3]. К тому же он является погружным и требует периодической очистки стержня и поплавка для сохранения точности.

Недостатком погружных мерных линеек [4] является невысокая точность и жесткая расчетная градуировка в литрах при нанесении шкалы, не позволяющая учесть реальный технологический разброс (допуск) размеров индивидуально каждого резервуара при его изготовлении и калибровке. Реальные отклонения диаметра, длины, высоты и ширины внутренней поверхности резервуаров [3, 4] до 10 мм приводят к погрешностям в десятки литров, которые необходимо учитывать дополнительными корректирующими таблицами. Длина мерной линейки цилиндрического резервуара на 6000 л составляет 2 м, что требует высоких потолков в молокоприемном пункте (до 4,5 м) чтобы была возможность извлечь двухметровую линейку из резервуара высотой 2,3 м через люк. Это приводит к дополнительным неудобствам в эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ измерения уровня (объема) молока в резервуаре. реализованный в уровнемере Micropilot S FMR 531, заключающийся в регистрации расстояния от микроволнового радарного датчика со стержневой антенной, стационарно закрепленного на верхнем упоре резервуара, до поверхности молока, которое вычитают из расстояния от датчика до дна пустого резервуара. Датчик (рабочая частота 6 ГГц) и измерительный преобразователь прибора выполнены в едином корпусе, содержат четырехстрочный жидкокристаллический дисплей с полноцветным текстовым меню, программным обеспечением для задания собственной таблицы пересчета измеренного уровня в литры, настройки и линейной калибровки, сделанной на заводе-изготовителе. Базовая стоимость микроволнового датчика FMR 531 составляет с НДС 4543 , что определяется его сложностью и соразмерно с ценой молочной холодильной установки [4], состоящей из резервуара и холодильного агрегата. Стационарное закрепление датчика на верхнем упоре резервуара, работающего в агрессивных средах, вынуждает изготовителей к пылевлагозащищенному исполнению узлов, что также усложняет и удорожает прибор. Масса датчика (без учета фланца) составляет 4 кг, а четырехпроводное соединение датчика с дисплеем обусловливает стационарное раздельное размещение датчика и дисплея на резервуаре, что также удорожает монтаж и усложняет прибор.

Изобретение направлено на упрощение и удешевление измерения объема молока в резервуаре для коммерческого учета при одновременном повышении точности и удобства.

Указанный технический результат достигается тем, что при регистрации расстояния от бесконтактного датчика, закрепленного на верхнем упоре резервуара, до поверхности молока, которое вычитают из расстояния до дна пустого резервуара, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, в качестве датчика используют съемный цифровой лазерный дальномер со встроенными батареями питания, причем перед измерением молоко перемешивают, а после измерения определяют объем по индивидуальной тарировочной таблице уровней, полученной при последовательном заполнении резервуара от нуля до максимума через эталонный счетчик-расходомер с дискретностью, например, 50 литров.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема регистрации уровня молока в цилиндрическом резервуаре, на фиг.2 - индивидуальная тарировочная таблица цилиндрического резервуара с номинальным объемом 3000 л, на фиг.3 - чертеж размещения верхнего упора при измерении уровня (объема) молока через закрытый люк, на фиг.4 - сборочный чертеж съемного цифрового лазерного дальномера (ЦЛД) с упорным флажком.

Способ измерения объема, V [л]: молока в резервуаре (фиг.1) основан на регистрации фактического расстояния Н_ф от цифрового лазерного дальномера ЦЛД 1 (его верхнего торца 2) до поверхности молока 3 лучом лазера 4, и вычитании этого значения из начального расстояния В между ЦЛД 1 и дном пустого резервуара. Для получения объема молока в резервуаре V [л] используют индивидуальную тарировочную таблицу перевода показаний ЦЛД 1 Н_ф [мм] в объем молока V [л], например, для трехтонного цилиндрического резервуара фиг.2 с размерами: D=2R=1274 мм - диаметр внутренней полоста резервуара, L=2560 мм - ее длина.

Расчетные значения Н [мм] на фиг.2 даны для идеального цилиндра с горизонтальным расположением резервуара на регулируемых опорах без учета выноса отсчетного торца 2 ЦЛД 1 над срезом люка на расстояние а=298 мм, включающее высоту установки упора в обечайке люка, размер упорного флажка и длину самого датчика (100 мм). Расчетные зависимости V (Н) и Н (V) получены численными методами из тригонометрического уравнения объема молока в резервуаре с уровнем h=2R-H:

H>R

Фактические показания ЦЛД Н _ф должны быть получены по результатам калибровки объемов молока в резервуаре эталонным счетчиком - расходомером, например, счетчиком холодной воды (СХВ), паспорт ПДЕК.407223.002 ПС, производитель г.Арзамас, ЗАО «Росавиаспецкомплект», номинальный расход 25 л/мин, цена деления младшего разряда 1 л стоимостью - 400 рублей. Замеры Н_ф проводятся через 50 л при последовательном заполнении резервуара вплоть до среза люка.

Для удобства измерения при закрытом люке, положение которого может изменяться в пределах податливости эластичной манжеты обечайки, на съемный ЦЛД 1 (фиг.3. фиг.4) неподвижно установлен упорный флажок 5, закрепленный на корпусе ЦЛД 1 винтом-фиксатором 6. При замерах и тарировке упорный флажок 5 съемного ЦЛД 1 сквозь щель 7 с резиновой шторкой в крышке люка 8 вставляют в упор 9, приваренный к обечайке 10. Тем самым жестко фиксируют расстояние от ЦЛД 1 до уровня молока. Для герметичности измерительные отверстия 11 в крышке люка 8 закрыты прозрачным оргстеклом 12, приклеенным к верхней плоскости крышки 8. Измерения сквозь прозрачное стекло 12, выполняемые ЦЛД 1, показывают идентичные результаты по сравнению с открытыми отверстиями 11, т.е. прозрачное стекло 12 не искажает результатов измерения. ЦЛД 1 питается от четырех штатных батарей 13 4×1.5 В, устанавливаемых под крышку корпуса.

При замерах согласно руководству по эксплуатации трижды нажимают на кнопку 14 (измерение), после чего на дисплее 15 появляется фиксируемый результат, например, 0.821 м ЦЛД 1 можно вынуть из щели 7 и снять показания, которые будут удерживаться 5 минут. Для выключения ЦЛД 1 можно обесточить нажатием на кнопку 16.

При оценке точности способа необходимо отметить, что лазерный луч 4, в связи с некоторой прозрачностью молока, проникает вглубь поверхности уровня 3 на расстояние =5 мм (фиг.1) при нормальной жирности 3,6 3,8%

Замеры датчиком DLE 50 Professional BOSCH с длиной волны 635 нм показывают, что снижение жирности молока до 1,5% и 1% соответственно увеличивают глубину проникновения луча до 9 мм и даже до 13 мм соответственно. Отстой молока и выделение на поверхности сливок с жирностью 15 20% уменьшают проникновение луча в поверхность 3 до =1 мм. Поэтому для повышения точности перед измерением молоко необходимо перемешивать в течение 1 2 минут. Для этой цели в резервуарах-охладителях молока применяется мешалка (фиг.1), обеспечивающая его равномерную плотность (гомогенизацию) по всему объему в процессе хранения. Нормальная жирность охлажденного или парного гомогенизированного молока 3,6 3,8% обеспечивает стабильное проникновение луча =5 мм при любых уровнях h и фактических показаниях Н _ф, независимо от температуры, что гарантирует высокую точность и стабильность Н_ф в сочетании с другими константами, жестко определяющими положение отсчетного торца 2 ЦЛД 1 над срезом люка в момент измерения (а=298 мм).

При поставках в хозяйства столбец Н_ф тарировочной таблицы (фиг.2) содержит пустые графы и только после монтажа резервуара с уклоном 1 2° проводится его калибровочное заполнение через эталонный счетчик-расходомер, поэтому все отклонения от идеальной расчетной зависимости Н_ф (V), обусловленные уклоном, а также полями допусков на изготовление внутренней полости цилиндров диаметром D=2R и длиной L, не влияют на точность измерения объема.

Рассмотрим измерение уровня и объема молока между узловыми (табличными) точками, например, при Н_ф=821 мм на промежуточном уровне. Отметим по тарировочной таблице (фиг.2) ближайшие значения, например, Н_ф=832 мм и Н_ф =87, полученные в результате калибровки, что соответствует расчетным уровням h=736 мм и h=751 мм в реальном резервуаре, а также объем V=1950 л и V=2000 л. С учетом кусочно-линейной аппроксимации между узловыми точками измеренный объем составит

Для снижения начальной погрешности метода , обусловленной проникновением лазерного луча 4 вглубь поверхности молока на =5 мм, при регулировке положения изгиба упорного флажка 5 в щели 9 следует приблизить пятно луча 4 к сливному патрубку резервуара на 150 200 мм по продольной оси. В этом случае уже первый литр молока при изначальном заполнении резервуара, с учетом уклона на 1 2° в сторону сливного патрубка, даст уровень h порядка 9 12 мм. Все последующие заполнения уровня h будут линейно с высокой точностью (до 1 мм) фиксироваться убывающими показаниями ЦЛД 1.

Таким образом, уровень h учитывается с точностью до 1 мм, а объем V - с точность до 1 л. Следовательно, фактическая точность метода определения объема молока в резервуаре обусловлена точностью эталонного счетчика-расходомера, поскольку замеры точности работы ЦЛД DLE 50 Professional (лазерной «рулетки») на эталонном расстоянии показывают погрешность не более 1 мм в пределах 0 3,000 м.

При поставках в фермерские хозяйства резервуаров с ЦЛД каждое изделие комплектуется СХВ - счетчиком-расходомером ПДЕК и тарируется по таблице (фиг.2) для коммерческого учета в присутствии покупателя и продавца. Паспортная погрешность СХВ ПДЕК.407223.002 ПС не превышает 3%. В спорных случаях погрешность метода может быть уменьшена за счет ручного заполнения резервуара эталонной емкостью с молоком 50 л.

Учитывая ограниченный расход (25 л/мин) через эталонный счетчик-расходомер СХВ, последовательное заполнение трехтонного резервуара через 50 л согласно таблицы (фиг.2) с 64 контрольными точками регистрации Н_ф с помощью ЦЛД 1 займет порядка трех часов (каждая точка - 2 3 минуты). Поэтому заполнение молоком трехтонного резервуара из-за возможных потерь (прокисления) нецелесообразно. Для упрощения калибровки резервуара в комплект также поставляется пластмассовая тарелка из полистирола толщиной 3 мм, глубиной 20 мм и диаметром 200 мм, которая наполняется на 6 8 мм цельным парным молоком. Она устанавливается на дно пустого резервуара под лазерный луч 4 датчика ЦЛД 1, который проникает вглубь цельного молока на упомянутую константу =5 мм. Последовательно заполняя резервуар водой через СХВ с расходами 25 л/мин, каждые 2 минуты перекрывают кран и снимают показания с ЦЛД 1 через 50 л. Тарелка на воде всплывает, при этом уровень молока в тарелке до долей миллиметра совпадает с уровнем воды, а измерение лазерным лучом 4 с помощью ЦЛД полностью имитирует заполненный молоком резервуар. Таким образом, в процессе калибровки резервуара задают точный объем воды через 50 л с помощью СХВ и замеряют уровень молока Н_ф в плавающей тарелке высокоточным ЦЛД 1, с регистрацией результатов в таблицу (фиг.2). Мы получаем точное соответствие уровня Н_ф [мм] объему молока V [л] в резервуаре, причем погрешности изготовления резервуара и регулировка его уклона не влияют на точность измерения.

К достоинствам способа можно отнести отсутствие в закрытых резервуарах-охладителях молока прямых солнечных лучей, которые могут искажать результаты лазерных измерений.

Преимущество предлагаемого способа измерения перед простейшей мерной линейкой с нанесенной через 50 л гравировкой уровней заключается в высокой точности, исключающей при замерах погрешности изготовления резервуара и регулировки его уклона при монтаже в хозяйствах. Габаритные размеры ЦЛД с упорным флажком значительно меньше мерной линейки и не требуют высоких потолков при замерах. Кроме того, нет необходимости в открытии люка в режиме регистрация уровня объема молока, при этом не нарушается герметичность резервуара.

По сравнению с прототипом (микроволновым радарным уровнемером FMR 531), преимущества предлагаемого способа заключаются в значительном упрощении конструкции, уменьшении габаритов, снижении стоимости на порядок, удобстве измерения, калибровки и обслуживания. Очевидно, что прототип, как и предлагаемый способ, с целью повышения точности, нуждается в эталонной калибровке, однако, для реализации этого он еще требует соответствующего программного обеспечения, встроенных перепрограммируемых запоминающих устройств, соответствующей квалификации персонала и микрокомпьютерной поддержки, что нереально в условиях российских ферм. Большим преимуществом предлагаемого способа является быстросъемное исполнение датчика в отличие от встроенной стержневой антенны прототипа, которое позволяет между замерами хранить ЦЛД в нормальных климатических условиях.

Таким образом, использование предлагаемого способа измерения объема молока в резервуарах-охладителях позволяет существенно повысить точность его коммерческого учета при хранении и сдаче. Реализовать это удается простейшими средствами и по доступным для крестьян ценам (порядка 1 3% от стоимости комплектной поставки).

Вот почему немедленно после внедрения этого способа в продукцию ООО «НИИ «Автомат» (г. Ковров), 30% заказов открытых и закрытых резервуаров-охладителей молока с декабря 2007 г комплектуются лазерными цифровыми дальномерами DLE 50 Professional со счетчиками-расходомерами СХВ ПДЕК.407223.002 ПС, тарировочной таблицей и пластмассовой тарелкой-поплавком.

Литература

1. Микроволновый радарный уровнемер для бесконтактного измерения уровня жидкостей Micropilot SFMR 531. В книге ОАО «Челябинский завод теплоприбор»: 2006 г., 454047, г.Челябинск, ул. 2-я Павелецкая, 36: дилерский центр ENDRESS+HAUSRR. стр.267-269; сайт http: www.tpchel.ru.

2. Компактный ультразвуковой уровнемер для жидкостей Prosonic M FME 40. Книга ОАО «Челябинский завод теплоприбор»: 2006 г., 454047, г.Челябинск, ул. 2-я Павелецкая, 36: дилерский центр ENDRESS+HAUSER. стр.271-272: сайт: www.tpchel.ru.

3. Танк охладитель молока Kryos Westfalia Surge. Рекламный буклет 2006 г. стр.2. 3, 6, сайт: www.westfalia surge.ru. Москва, ул.Семеновский Вал, 6, строение 1, тел.937-57-63.

4. Молочная холодильная установка. Патент RU № 2265322, A01J 9/04, 2005 г.

5. Цифровой лазерный дальномер DLE 50 Professional. BOSCH. Руководство по эксплуатации, стр.143-150. На русском языке. ООО «Роберт Бош». Сервисный центр по обслуживанию электроинструмента. 129515, Москва, ул.Академика Королева. 13, строение 5, тел. 935-71-93, сайт: www.bosch-pt.com.