УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
DEVICE FOR DETERMINING THE LEVEL OF DIELECTRIC SUBSTANCE

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах, транспортных средствах, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники.
В качестве одного из аналогов выбрано устройство, описанное в статье авторов Ю.Р. Агамалова, Д.А. Бобылева, В.Ю. Кнеллера «Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ» в журнале «Измерительная техника» 1996, №6.
Устройство для определения параметров двухполюсника содержит первый и второй измерительные входы, генератор синусоидального напряжения, блок задания схемы замещения, эталон, первый вывод которого подключен к первому входу блока переключения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь.
В аналоге использована схема косвенного измерения параметров при формировании напряжения синусоидального воздействия на объект измерения, нашедшая применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения. В аналоге измеряются два комплексных тока, которые преобразуются в пропорциональные напряжения, напряжение на объекте измерения и на резистивной мере-эталоне. Чтобы получить измерительную информацию, необходимую при вычислении комплексного сопротивления или проводимости, циклически по сигналам с персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) производится подключение измерительной цепи сначала к объекту измерения, а затем к резистивной мере с соответствующими переключениями фазы опорного напряжения с дискретностью , где n - целое число. В результате каждого измерительного цикла получается напряжение, которое соответствует проекции вектора измеряемого напряжения на вектор фазосдвигающего опорного напряжения (симметричный прямоугольный меандр). Коды, несущие информацию о проекциях вектора измеряемого напряжения на вектор опорного напряжения, поступают в ПЭВМ для вычисления действительной и мнимой составляющих напряжений на объекте измерения и резистивной мере. Из описания видно, что схема измерения, использованная в аналоге, требует фазовых измерений и четырехпроводной схемы подключения измеряемого объекта. При использовании аналога для измерения параметров удаленного объекта измерения получается результат с большой погрешностью измерения. Это объясняется тем, что синусоидальное воздействие на удаленном объекте измерения получит неоднозначный фазовый сдвиг за счет влияния длинной линии, и поэтому по отношению к циклически фазосдвигающему опорному меандру синусоидальное воздействие будет иметь неопределенный фазовый сдвиг, что приведет к появлению значительной погрешности измерения.
К недостаткам аналога можно отнести: низкую точность определения параметров удаленного на некоторое расстояние емкостного датчика уровня; низкое быстродействие в ряде случаев его использования, например, в устройствах сигнализации прохождения уровнем диэлектрической жидкости заданных высот бака; недостаточную технологичность подготовки ракеты, в связи с необходимостью предварительной настройки аппаратуры оператором.
Однако специфика эксплуатации изделий ракетно-космической техники для проведения измерения уровня диэлектрического вещества выставляет свои требования, способствующие поиску новых технических решений в области измерений. Обозначим наиболее характерные из них:
- удаленность до 500 метров емкостного датчика уровня заправки (ДУЗ) от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика уровня заправки, вмонтированного в бак ракеты, которая находится в испытательном корпусе или на стартовом комплексе во время ее заправки компонентами топлива;
- высокая точность и достоверность измерения параметров удаленного двухполюсника, коим является ДУЗ. Очевидно, что точность измерений напрямую связана с объемом гарантийных запасов топлива на борту ракеты. Чем выше точность измерений, тем меньше потребные гарантийные запасы топлива, тем выше эффективность ракеты, позволяющей вывести большую полезную нагрузку;
- требование высокой технологичности подготовки ракеты, исключающее процедуру предварительной настройки средства измерения человеком-оператором;
- высокая надежность средства измерения, обеспечивающая бесперебойную работу устройства для определения уровня диэлектрического вещества во всех режимах его работы;
При этом на точность измерения параметров датчика уровня могут оказывать влияние дестабилизирующие факторы, приводящие к появлению:
- сбойные процессы в устройствах вычислительной техники, а также отказы электронной компонентной базы в измерительном канале, что может привести к недостоверным измерениям уровня диэлектрического вещества и, как следствие, к недоливу или переливу топлива в баки ракеты-носителя или разгонного блока;
- воды или льда в электросоединителях наземной кабельной сети, что приводит к появлению сопротивлений утечек и внесению искажений в значения определяемых параметров ДУЗ;
- обрыву жил в измерительных цепях ДУЗ, в том числе экранных цепей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте РФ RU 2262668 С2, MПК: G01F 23/26, «Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества», авторов Балакина С.В., Долгова Б.К., Хачатурова Я.В., Одновола И.Е., выбранное в качестве прототипа.
Устройство для определения уровня диэлектрического вещества, содержащее первый измерительный канал, в который входят генератор синусоидального напряжения, выход которого подключен к входу эталона и к первому измерительному входу устройства, причем выход преобразователя ток-напряжение через последовательно соединенные масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу блока управления измерением, выходы которого с первого по третий подключены соответственно к управляющим входам масштабного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также к первому входу блока управления по частоте, первый выход которого подключен к управляющему входу генератора синусоидального напряжения, а в первый определитель уровня входят блок управления режимами, выходы которого с первого по четвертый подключены соответственно к входу блока задания схемы замещения, к первому входу первого вычислителя полного приращения электрической емкости, к первому входу первого вычислителя текущего приращения электрической емкости и к первому входу первого вычислителя уровня, при этом выход первого вычислителя электрической емкости подключен к вторым входам первого вычислителя полного приращения электрической емкости и первого вычислителя текущего приращения электрической емкости, выход которого подключен к второму входу первого вычислителя уровня, третий вход которого подключен к выходу первого вычислителя полного приращения электрической емкости, а выход блока задания схемы замещения подключен к первым входам первого вычислителя электрической емкости и первого вычислителя активного сопротивления, при этом второй выход блока управления по частоте первого измерительного канала подключен ко вторым входам первого вычислителя электрической емкости первого определителя уровня и первого вычислителя активного сопротивления первого определителя уровня, третьи входы которых подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя первого измерительного канала, а второй вход блока управления по частоте первого измерительного канала подключен к пятому выходу блока управления режимами первого определителя уровня, шестой выход которого подключен к четвертому входу блока управления измерением первого измерительного канала.
В основу способа положен метод косвенного измерения параметров двухполюсника при формировании напряжения синусоидального воздействия на объект измерения, нашедший применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения. Этот способ позволяет осуществлять измерения параметров двухполюсника, удаленного до 500 метров от средств измерения. Однако экспериментально установлено, что при использовании упомянутого устройства для измерения уровня диэлектрического вещества, выбранного авторами за прототип, точность и достоверность определения параметров снижается за счет влияния отказов в измерительных каналах, связанных со сбойными процессами в устройствах вычислительной техники, отказами электронной компонентной базы, влиянием помех на датчик, кабельную линию связи и измерительные каналы, а также отказов, связанных с плохим контактом в электросоединителях наземной кабельной сети, вызванным коррозией или загрязнением контактов электросоединителей, наличием воды или льда в электросоединителях, что приводит к появлению сопротивлений утечек.
Таким образом, недостатком прототипа является недостаточная надежность и достоверность измерения, обусловленная использованием одного измерительного канала и отсутствием встроенной системы диагностики устройства.
В связи со сказанным выше, техническим результатом предлагаемого устройства для определения уровня диэлектрического вещества является повышение достоверности измерения параметров датчиков уровня заправки, удаленных с помощью длинной кабельной линии связи от средства измерения, а также повышение надежности устройства, заключающееся в защите от сбойных процессов в устройствах вычислительной техники, и от отказов электронной компонентной базы в измерительном канале.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения уровня диэлектрического вещества, содержащем первый измерительный канал, в который входят генератор синусоидального напряжения, выход которого подключен к входу эталона и к первому измерительному входу устройства, причем выход преобразователя ток-напряжение через последовательно соединенные масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу блока управления измерением, выходы которого с первого по третий подключены соответственно к управляющим входам масштабного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также к первому входу блока управления по частоте, первый выход которого подключен к управляющему входу генератора синусоидального напряжения, а в первый определитель уровня входят блок управления режимами, выходы которого с первого по четвертый подключены соответственно к входу блока задания схемы замещения, к первому входу первого вычислителя полного приращения электрической емкости, к первому входу первого вычислителя текущего приращения электрической емкости и к первому входу первого вычислителя уровня, при этом выход первого вычислителя электрической емкости подключен к вторым входам первого вычислителя полного приращения электрической емкости и первого вычислителя текущего приращения электрической емкости, выход которого подключен к второму входу первого вычислителя уровня, третий вход которого подключен к выходу первого вычислителя полного приращения электрической емкости, а выход блока задания схемы замещения подключен к первым входам первого вычислителя электрической емкости и первого вычислителя активного сопротивления, при этом второй выход блока управления по частоте первого измерительного канала подключен ко вторым входам первого вычислителя электрической емкости первого определителя уровня и первого вычислителя активного сопротивления первого определителя уровня, третьи входы которых подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя первого измерительного канала, а второй вход блока управления по частоте первого измерительного канала подключен к пятому выходу блока управления режимами первого определителя уровня, шестой выход которого подключен к четвертому входу блока управления измерением первого измерительного канала, в отличие от прототипа, в первый измерительный канал введен ключ, выход которого соединен с входом преобразователя ток-напряжение, а первый и второй входы ключа подключены соответственно к второму измерительному входу устройства и к выходу эталона, при этом в первый определитель уровня введены второй вычислитель полного приращения электрической емкости, первый вход которого подключен ко второму выходу блока управления режимами, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первым входам второго вычислителя текущего приращения электрической емкости и второго вычислителя уровня, второй вход которого подключен к выходу второго вычислителя полного приращения электрической емкости, при этом выход блока задания схемы замещения подключен к первым входам второго вычислителя активного сопротивления и второго вычислителя электрической емкости, выход которого подключен ко второму входу второго вычислителя полного приращения электрической емкости, ко второму входу вычислителя текущего приращения электрической емкости, а также к первому входу блока диагностики достоверности измерения, входы которого со второго по четвертый подключены соответственно к выходу первого вычислителя электрической емкости, к выходу первого вычислителя уровня и к выходу второго вычислителя уровня, а выход аналого-цифрового преобразователя первого измерительного канала подключен к пятому входу блока диагностики достоверности измерения первого определителя уровня, при этом введен идентичный первому второй измерительный канал, а также введены второй и третий идентичные первому определители уровня, причем выход аналого-цифрового преобразователя второго измерительного канала подключен ко вторым входам первого вычислителя электрической емкости и первого вычислителя активного сопротивления третьего определителя уровня, ко вторым входам второго вычислителя электрической емкости и второго вычислителя активного сопротивления первого определителя уровня, к пятому входу блока диагностики достоверности измерения третьего определителя уровня и к шестому входу блока диагностики достоверности измерения первого определителя уровня, а выход аналого-цифрового преобразователя первого измерительного канала подключен ко вторым входам вторых вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления второго определителя уровня, ко вторым входам вторых вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления третьего определителя уровня, и к шестым входам блоков диагностики достоверности измерения второго определителя уровня и третьего определителя уровня, первый выход которого подключен к первому входу блока выборки медианного значения уровня, второй и третий входы которого подключены соответственно к первым выходам блока диагностики достоверности измерения второго измерительного канала и блока диагностики достоверности измерения первого измерительного канала, при этом выход первого вычислителя активного сопротивления первого определителя уровня подключен к первому входу основного сигнализатора отказов измерительных цепей, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам второго вычислителя активного сопротивления второго определителя уровня, второго вычислителя активного сопротивления третьего определителя уровня, а первый вычислитель активного сопротивления третьего определителя уровня подключен к первому входу дублирующего сигнализатора отказов измерительных цепей, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам первого вычислителя активного сопротивления второго определителя уровня, второго вычислителя активного сопротивления первого определителя уровня, причем выход блока управления по частоте первого измерительного канала подключен к третьим входам второго вычислителя электрической емкости и второго вычислителя активного сопротивления второго определителя уровня и к третьим входам второго вычислителя электрической емкости и второго вычислителя активного сопротивления третьего определителя уровня, а выход блока управления по частоте второго измерительного канала подключен к третьим входам первого вычислителя электрической емкости и первого вычислителя активного сопротивления третьего определителя уровня и к третьим входам второго вычислителя электрической емкости и второго вычислителя активного сопротивления первого определителя уровня, при этом вторые выходы блоков диагностики достоверности измерения первого, второго и третьего измерительных каналов, выходы основного и дублирующего сигнализатора отказов измерительных цепей, а также выход блока выборки медианного значения уровня являются выходами устройства.
Признаки, характеризующие введение в определитель уровня второго вычислителя электрической емкости и второго вычислителя активного сопротивления, соединенных с блоком задания схемы замещения, введение второго вычислителя полного приращения электрической емкости, соединенного с блоком управления режимами, вторым вычислителем уровня, вторым вычислителем электрической емкости, вторым вычислителем текущего приращения электрической емкости, введение второго вычислителя текущего приращения электрической емкости, соединенного с блоком управления режимами и введение второго вычислителя уровня, соединенного с блоком управления режимами и вторым вычислителем текущего приращения электрической емкости, а также введение второго измерительного канала, второго и третьего определителя уровня, соединение аналого-цифрового преобразователя второго измерительного канала с первым вычислителем электрической емкости и первым вычислителем активного сопротивления третьего определителя уровня, со вторым вычислителем электрической емкости и вторым вычислителем активного сопротивления первого определителя уровня, соединение аналого-цифрового преобразователя первого измерительного канала со вторым вычислителем электрической емкости и вторым вычислителем активного сопротивления второго определителя уровня, со вторым вычислителем электрической емкости и вторым вычислителем активного сопротивления третьего определителя уровня, соединение блока управления по частоте первого измерительного канала со вторым вычислителем электрической емкости и вторым вычислителем активного сопротивления второго определителя уровня, со вторым вычислителем электрической емкости и вторым вычислителем активного сопротивления третьего определителя уровня, соединение блока управления по частоте второго измерительного канала с первым вычислителем электрической емкости и первым вычислителем активного сопротивления третьего определителя уровня, со вторым вычислителем электрической емкости и вторым вычислителем активного сопротивления первого определителя уровня, позволяют, в отличие от прототипа, вычислять параметры каждого датчика уровня заправки и уровень заправки каждым из трех определителей уровня независимо, тем самым существенно повышая надежность устройства для определения параметров двухполюсников за счет обеспечения n - канального структурного резервирования процесса определения параметров емкостного датчика и соответственно уровня.
Признаки, характеризующие введение в определители уровня блока диагностики достоверности измерения, соединенного с выходами первого и второго вычислителей электрической емкости, с выходами первого и второго вычислителей уровня, с выходом аналого-цифрового преобразователя первого измерительного канала и с выходом аналого-цифрового преобразователя второго измерительного канала, а также введение блока выборки медианного значения уровня, соединенного с выходом блока диагностики достоверности измерения первого определителя уровня, с выходом блока диагностики достоверности измерения второго определителя уровня и с выходом блока диагностики достоверности измерения третьего определителя уровня позволяют, в отличие от прототипа, сравнивать измеренные аналого-цифровыми преобразователями первого и второго измерительных каналов значения токов с заданным диапазоном, сравнивать вычисленные первым и вторым вычислителями электрической емкости значения электрической емкости с заданным диапазоном, сравнивать вычисленные первым и вторым вычислителями уровня значения уровня с заданным диапазоном, при этом в результате сравнения вышеописанных параметров выбирать и выдавать в систему управления заправкой значения уровня по основному либо дублирующему емкостному датчику заправки, а также в случае возникновения отказов отбрасывать ложные значения и информировать оператора о неисправности, кроме того в результате выдачи в блок выборки медианного значения уровня вычисленных значений уровня с помощью трех определителей уровня позволяют выбирать одно медианное значение уровня, тем самым повышая достоверность результатов измерения уровня.
Признаки, характеризующие введение основного сигнализатора отказов измерительных цепей, соединенного с выходом первого вычислителя активного сопротивления первого определителя уровня, с выходом второго вычислителя активного сопротивления второго определителя уровня и с выходом второго вычислителя активного сопротивления третьего определителя уровня, а также введение дублирующего сигнализатора отказов измерительных цепей, соединенного с выходом второго вычислителя активного сопротивления первого определителя уровня, с выходом первого вычислителя активного сопротивления второго определителя уровня и с выходом первого вычислителя активного сопротивления третьего определителя уровня, позволяют, в отличие от прототипа, сравнивать измеренные значения сопротивления изоляции основного и дублирующего датчиков уровня заправки с заданным диапазоном и в случае выхода значений за диапазон измерения информировать оператора о неисправности кабельной линии связи либо датчика, тем самым повышая достоверность измерения.
Совокупность этих признаков позволяет:
- повысить точность и достоверность измерения параметров удаленного от средства измерения датчика уровня заправки;
- повысить надежность устройства для определения уровня диэлектрического вещества;
- диагностировать отказы датчика уровня заправки и кабельной линии связи, связанные с наличием воды или льда в электросоединителях наземной кабельной сети, повреждением наземной кабельной сети или датчика уровня заправки.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых приведены:
на фиг 1 - функциональная схема устройства для определения уровня диэлектрического вещества;
фиг. 2 - алгоритм управления определением уровня диэлектрического вещества;
на фиг. 3 - алгоритм управления настройкой устройства для определения уровня диэлектрического вещества;
на фиг. 4 - алгоритм управления измерением токов.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
3
3
1
1
3
1
1
2
2
3
3
2
3
2
1
1
2
3
3
2
1
1
2
2
3
3
2
3
3
1
1
1
1
1
2
2
2
1
2
3
Представленная на фиг. 1 функциональная схема устройства для определения уровня диэлектрического вещества содержит первый и второй идентичные измерительные каналы, выделенные пунктирной линией и первый, второй и третий идентичные определители уровня, выделенные пунктирной линией, причем нижний индекс цифрового обозначения блока указывает принадлежность блока определенному измерительному каналу или определенному определителю уровня, при этом в первый измерительный канал входят генератор 1 синусоидального напряжения, выход которого подключен к входу эталона 2 и к первому измерительному входу 3 устройства, причем выход преобразователя 4 ток-напряжение через последовательно соединенные масштабный 5 усилитель и аналого-цифровой 6 преобразователь подключен к первому входу блока 7 управления измерением, выходы которого с первого по третий подключены соответственно к управляющим входам масштабного 5 усилителя и аналого-цифрового 6преобразователя, а также к первому входу блока 8 управления по частоте, первый выход которого подключен к управляющему входу генератора 1 синусоидального напряжения, а в первый определитель уровня входят блок управления 9 режимами, выходы которого с первого по четвертый подключены соответственно к входу блока 10 задания схемы замещения, к первому входу первого вычислителя 11 полного приращения электрической емкости, к первому входу первого вычислителя 12 текущего приращения электрической емкости и к первому входу первого вычислителя 13 уровня, при этом выход первого вычислителя 14 электрической емкости подключен к вторым входам первого вычислителя 12 полного приращения электрической емкости и первого вычислителя 11 текущего приращения электрической емкости, выход которого подключен к второму входу первого вычислителя 13 уровня, третий вход которого подключен к выходу первого вычислителя 11 полного приращения электрической емкости, а выход блока 10 задания схемы замещения подключен к первым входам первого вычислителя 14 электрической емкости и первого вычислителя 15 активного сопротивления, при этом второй выход блока 10 управления по частоте первого измерительного канала подключен ко вторым входам первого вычислителя 14 электрической емкости первого определителя уровня и первого вычислителя 15 активного сопротивления первого определителя уровня, третьи входы которых подключены к выходу аналого-цифрового 6 преобразователя первого измерительного канала, а второй вход блока 8 управления по частоте первого измерительного канала подключен к пятому выходу блока 9 управления режимами первого определителя уровня, шестой выход которого подключен к четвертому входу блока 7 управления измерением первого измерительного канала, при этом, в первый измерительный канал входит ключ 16, выход которого соединен с входом преобразователя 4 ток-напряжение, а первый и второй входы ключа подключены соответственно к второму 17 измерительному входу устройства и к выходу эталона 2 при этом в первый определитель уровня введены второй вычислитель 18 полного приращения электрической емкости, первый вход которого подключен ко второму выходу блока 9 управления режимами, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первым входам второго вычислителя 19 текущего приращения электрической емкости и второго вычислителя 20 уровня, второй вход которого подключен к выходу второго вычислителя 18 полного приращения электрической емкости, при этом выход блока 10 задания схемы замещения подключен к первым входам второго вычислителя 21 активного сопротивления и второго вычислителя 22 электрической емкости, выход которого подключен ко второму входу второго вычислителя 18 полного приращения электрической емкости, ко второму входу вычислителя 19 текущего приращения электрической емкости, а также к первому входу блока 23 диагностики достоверности измерения, входы которого со второго по четвертый подключены соответственно к выходу первого вычислителя 14 электрической емкости, к выходу первого вычислителя 13 уровня и к выходу второго вычислителя 20 уровня, а выход аналого-цифрового преобразователя 6 первого измерительного канала подключен к пятому входу блока 23 диагностики достоверности измерения первого определителя уровня, причем выход аналого-цифрового 6 преобразователя второго измерительного канала подключен ко вторым входам первого вычислителя 14 электрической емкости и первого вычислителя 15 активного сопротивления третьего определителя уровня, ко вторым входам второго вычислителя 22 электрической емкости и второго вычислителя 21 активного сопротивления первого определителя уровня, к пятому входу блока 23 диагностики достоверности измерения третьего определителя уровня и к шестому входу блока 23 диагностики достоверности измерения первого определителя уровня, а выход аналого-цифрового 6 преобразователя первого измерительного канала подключен ко вторым входам вторых вычислителя 22 электрической емкости и вычислителя 21 активного сопротивления второго определителя уровня, ко вторым входам вторых вычислителя 22 электрической емкости и вычислителя 21 активного сопротивления третьего определителя уровня, и к шестым входам блоков диагностики достоверности измерения 23 второго определителя уровня и 23 третьего определителя уровня, первый выход которого подключен к первому входу блока 24 выборки медианного значения уровня, второй и третий входы которого подключены соответственно к первым выходам блока 23 диагностики достоверности измерения второго измерительного канала и блока 23 диагностики достоверности измерения первого измерительного канала, при этом выход первого вычислителя 15 активного сопротивления первого определителя уровня подключен к первому входу основного 25 сигнализатора отказов измерительных цепей, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам второго 21 вычислителя активного сопротивления второго определителя уровня, второго 21 вычислителя активного сопротивления третьего определителя уровня, а первый вычислитель 15 активного сопротивления третьего определителя уровня подключен к первому входу дублирующего 26 сигнализатора отказов измерительных цепей, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам первого вычислителя 15 активного сопротивления второго определителя уровня, второго вычислителя 21 активного сопротивления первого определителя уровня, причем выход блока 8 управления по частоте первого измерительного канала подключен к третьим входам второго вычислителя 14 электрической емкости и второго вычислителя 15 активного сопротивления второго определителя уровня и к третьим входам второго вычислителя 22 электрической емкости и второго вычислителя 21 активного сопротивления третьего определителя уровня, а выход блока 8 управления по частоте второго измерительного канала подключен к третьим входам первого вычислителя 14 электрической емкости и первого вычислителя 15 активного сопротивления третьего определителя уровня и к третьим входам второго 22 вычислителя электрической емкости и второго вычислителя 21 активного сопротивления первого определителя уровня, причем к первому измерительному 3 входу первого измерительного канала и ко второму измерительному 17 входу первого измерительного канала подключен основной датчик 27 уровня заправки, а к первому измерительному 3 входу второго измерительного канала и ко второму измерительному 17 входу второго измерительного канала подключен дублирующий датчик 27 уровня заправки, при этом вторые выходы блоков 23, 23, 23 диагностики достоверности измерения первого, второго и третьего измерительных каналов, выходы основного 25 и дублирующего 26 сигнализатора отказов измерительных цепей, а также выход блока 24 выборки медианного значения уровня являются выходами устройства.
Представленный на фиг. 2 алгоритм управления определением параметров двухполюсников обеспечивает пояснение работы устройства фиг. 1. Блоки, выделенные пунктиром и включающие ту или иную функцию алгоритма, указывают на принадлежность этой функции в охватываемом блоке.
Согласно алгоритму фиг. 2 работа устройства состоит из двух режимов:
режим настройки устройства, целью которого является настройка устройства на конкретный емкостной датчик уровня. При этом происходит измерение токов через каждый датчик на длинной кабельной линии связи и эталон с последующим вычислением электрической емкости каждого сухого (незаполненного диэлектрическим веществом) емкостного датчика уровня. Затем вычисляется полное приращение электрической емкости каждого датчика, полностью погруженного в диэлектрическое вещество. При вычислении расчетного значения полного приращения электрической емкости используется вычисленное значение электрической емкости сухого датчика и заданные значения диэлектрической проницаемости окислителя, горючего и газовой подушки. После этого, в отличие от прототипа, с помощью встроенной системы диагностики проводится анализ достоверности выполненных измерений и, в случае, если какое-либо измерение не достоверно, выводиться признак недостоверности. При этом все измеренные и расчетные значения величин сохраняются в памяти функциональных блоков устройства;
режим измерения уровня, который заключается в определении фактического уровня заполнения топливом каждого емкостного датчика уровня при заправке. При этом происходит измерение токов через каждый датчик на длинной кабельной линии связи и эталон с последующим вычислением реальной, текущей электрической емкости каждого заполняемого диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня. Затем вычисляется текущее приращение электрической емкости каждого заполняемого датчика, после чего вычисляется относительное заполнение каждого емкостного датчика (вычисляется уровень). При этом отличительными от прототипа особенностями является троирование и перевязка определителей уровня при дублированных измерительных каналах, а также введение встроенной системы диагностики, повышающими надежность устройства.
1
2
3
Согласно алгоритму фиг. 2 блоки управления режимами 9, 9, 9 устанавливают режим работы устройства. В этом случае:
1
2
3
1
2
3
- в вычислители полного приращения электрической емкости 11, 11, 11, 18, 18, 18 выдаются значения диэлектрических проницаемостей окислителя и горючего, а также диэлектрические проницаемости газовой среды, находящейся в газовой подушке. Эти параметры необходимы для получения расчетных значений полного приращения электрической емкости каждого емкостного датчика, полностью погруженного в соответствующее диэлектрическое вещество;
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
- в блоки задания схемы замещения 10, 10, 10 выдаются расчетные зависимости для вычисления параметров емкостного датчика уровня, схема замещения которого состоит из параллельно соединенных электрической емкости и электрического сопротивления, при этом блоки задания схемы замещения фиксируют расчетные зависимости в вычислителях электрической емкости 14, 14, 14, 22, 22, 22 и вычислителях активного сопротивления 15, 15, 15, 21, 21, 21. Расчетные зависимости имеют следующий вид:
1
2
1
2
ЭТ
1
2
3
ω1
ω2
где: ω, ω,- величины известные и задаются блоками 8, 8 управления по частоте; R - величина известная и задается блоками 10, 10, 10 задания схемы замещения; I, I - значения токов, которые измеряются, как в процессе настройки, так и в процессе измерения и формируются с выходов аналого-цифровых преобразователей;
1
2
- в блоки управления измерением 7, 7 выдается число необходимых измерений и значения частот на которых они будут проводиться, в данном случае, поскольку датчик является двухэлементным двухполюсником, количество измерений будет 2 на 2 разных частотах. Полученные в процессе измерения значения токов через каждый датчик и эталон будут использованы в дальнейшем для вычисления реальной сухой электрической емкости каждого датчика в режиме настройки и для вычисления реальной текущей электрической емкости каждого датчика в режиме измерения уровня;
1
2
3
- в блоки диагностики достоверности измерения 23, 23, 23, в основной 25 и дублирующий 26 сигнализаторы отказов измерительных цепей выдаются граничные значения сопротивления изоляции, кодов АЦП, емкости и уровня, которые необходимы для дальнейшего анализа достоверности измерений;
1
2
- в блоки управления по частоте 8, 8 выдаются значения частот, на которых будут проводиться измерения.
1
2
3
После того, как блоки 9, 9, 9 управления режимами осуществили приведение устройства в исходное состояние, необходимое для выполнения процесса его настройки, начинается процесс настройки.
1
2
В этом случае согласно фиг. 3 блоки управления измерением 7, 7 осуществляют измерение и фиксирование токов через основной и дублирующий датчик уровня и эталон в соответствии с алгоритмом фиг.4. При этом операции в первых измерительном канале и определителе уровня и операции в вторых измерительном канале и определителе уровня идентичны друг другу.
i
i
Согласно фиг. 4 блок управления измерением 7, которым задано блоком управления режимами 9 число измерений (в данном случае 2), выставлет в блок 8 управления по частоте сигнал установки первой частоты, на которой должны быть проведены измерения токов через емкостной датчик уровня и эталон 2. Согласно фиг.4 блок управления измерением 7 присваивают индексу текущей частоты измерения i значение 1 и выставляет в блок 8 управления по частоте соответствующий сигнал. После чего, блок 8 управления по частоте выставляет и фиксирует в вычислителях 14, 22 электрической емкости и в вычислителях 15, 21 активного сопротивления значение первой частоты ω, которая в дальнейшем используется для расчета параметров двухполюсника, а на управляющий вход генератора 1 синусоидального напряжения подает сигнал, согласно которому последний на выходе формируют напряжение заданной первой частоты ω.
ωi
ЭT
Напряжения заданной частоты U поступает на измерительные входы устройства для питания емкостного датчика уровня и эталона. Далее блок управления измерением 7 устанавливают признак j положения ключа 16. Положений у ключа 2, а признаку j присваивается значение 1. Согласно этому признаку, емкостной датчик уровня отключен от измерительной цепи, а вместо него к измерительной цепи подключен эталон. В качестве эталона может быть использован резистор сопротивлением R.
1
2
3
Значение тока измеряется следующим образом. Согласно фиг. 1 ток через эталон с выхода ключа 16 поступает на вход преобразователя ток-напряжение 4, которым преобразовывается в эквивалентное напряжение. Затем масштабный усилитель обеспечивает усиление напряжения в соответствии с масштабом, который ему задает блок управления измерением 7. С выхода масштабного усилителя напряжение поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6 интегрирующего типа. АЦП выполнен в виде двухтактного интегратора. Выбор такого вида АЦП обусловлен, прежде всего, высокой линейностью характеристики, большой разрешающей способностью и хорошим подавлением сетевой помехи. АЦП работает в два такта, первый такт заряд интегратора, второй такт его разряд. В первый такт происходит интегрирование входного сигнала, являющийся периодической функцией, во втором такте происходит интегрирование сигнала от источника опорного напряжения. Разрешающая способность АЦП, определяющая разрешающую способность устройства в целом, пропорциональна времени второго такта (разряда интегратора), а также частоте заполняющих импульсов. Управление переключением тактов АЦП и подачу заполняющих импульсов осуществляет блок управления измерением 7. Оцифрованное значение измеренного тока поступает в блок управления измерением 7 для управления масштабом усиления. Управление масштабом усиления направлено на повышение точности работы АЦП. Масштабирование построено таким образом, что цифровое значение снимаемого с АПЦ сигнала не должно быть меньше половины емкости АЦП. Алгоритм масштабирования представлен на фиг. 4. Согласно этому алгоритму анализируется число а, которое равно отношению значения полной емкости АЦП к цифровому значению измеренного тока. Исходя из вычисленного значения числа α, выбирается один из пяти масштабов (16; 8; 4; 2; 1). Измеренное с соответствующим масштабом значение тока фиксируется в вычислителях 14, 22 электрической емкости, в вычислителях 15, 21 активного сопротивления для дальнейшего его использования в вычислениях согласно выражениям (1), (2), а также в блоках диагностики достоверности измерения 23, 23, 23. Далее, согласно фиг. 4 если j не равно 2, то его значение в блоке управления измерением 7 увеличивается на единицу и там же формируется управляющий сигнал на переключение ключа 16 во второе положение. Это соответствует тому, что эталон отключается и подключается емкостной датчик уровня к измерительной цепи.
i
i
Далее процедура измерения тока через датчик уровня определяется действиями, описанными при измерении тока через эталон. После того, как измеренное значение тока через емкостной датчик уровня будет зафиксировано в вычислителях 14, 22 электрической емкости, в вычислителях 15, 21 активного сопротивления, алгоритм согласно фиг.4 перейдет к анализу условия, в котором j равно 2. Так как ключ 16 находится во втором положении, то условие будет выполнено и алгоритм перейден к анализу следующего условия, в котором будет осуществлен анализ текущей частоты измерения. Так как измерение производилось на первой частоте, то условие не будет выполнено, и алгоритм перейдет к выполнению действия по установке второй частоты ω. В результате будет выполнено действие i: =i+1 и блок 7 управления измерением выставит сигнал об установке второй частоты ω. По этому сигналу блок 8 управления по частоте формирует сигнал в генератор 1 синусоидального напряжения, для того, чтобы установить вторую частоту, предназначенную для питания емкостного датчика уровня или эталона. Одновременно блок 8 управления по частоте выставляет и фиксирует в вычислителях 14, 22 электрической емкости, в вычислителях 15, 21 активного сопротивления значение второй частоты. После этого блок 7 управления измерением инициирует измерение. Процедура измерения токов на второй частоте повторяется согласно вышеописанному.
После того, как число измерений i будет равно 2, то условие последнего блока алгоритма согласно фиг. 4 будет выполнено и алгоритм закончит свою работу. Это будет соответствовать завершению процедуры измерения тока через первый емкостной датчик уровня.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Далее алгоритм осуществляет вычисление в вычислителях электрической емкости 14, 14, 14, 22, 22, 22 и вычислителях активного сопротивления 15, 15, 15, 21, 21, 21 значений электрической емкости и активного сопротивления основного и дублирующего емкостных датчиков уровня по формулам (1), (2). Результаты вычисления значений электрической емкости из вычислителей 14, 14, 14, 22, 22, 22 поступают в вычислители полного 11, 11, 11, 18, 18, 18 приращения электрической емкости, в блоки диагностики достоверности измерения 23, 23, 23, а результаты вычисления значений активного сопротивления из вычислителей 15, 15, 15, 21, 21, 21 поступают в основной 25 и дублирующий 26 сигнализаторы отказов измерительных цепей.
1
2
Затем алгоритм переходит к проверке кабельной линии связи с помощью встроенной системы диагностики, а также к анализу достоверности выполненных измерений и вычислений. Согласно алгоритму фиг. 3 основной 25 и дублирующий 26 сигнализаторы отказов измерительных цепей сравнивают измеренные значения сопротивления изоляции с введенным ранее граничным диапазоном и, в случае выхода за его границы формируется признак отказа кабельной линии связи по основному каналу j либо по дублирующему j, после чего алгоритм заканчивает свою работу. В случае если значения сопротивления изоляции в норме, алгоритм переходит к анализу достоверности измеренных токов и вычисленных емкостей. При этом в блоках диагностики достоверности измерения каждого измерительного канала проводиться сравнения измеренных токов и вычисленных емкостей основного и дублирующего емкостного датчика уровня с заданными на этапе настройки диапазонами. В результате сравнения, в случае, если измеренные значения недостоверны, алгоритм выдает признак отказа измерительного канала, тем самым, исключая возможность участия этих значений в дальнейших расчетах, повышая точность и достоверность измерения уровня.
В случае если значения измеренных токов и вычисленных емкостей основного и дублирующего емкостного датчика уровня в норме, алгоритм переходит к вычислению полного приращения электрической емкости.
1
2
3
1
2
3
При этом в вычислителях полного приращения электрической емкости 11, 11, 11, 18, 18, 18 осуществляется вычисление полного приращения электрической емкости емкостного датчика уровня полностью погруженного в диэлектрическое вещество по следующей зависимости:
СУХ
где С - электрическая емкость сухого емкостного датчика уровня, вычисленная по зависимости (1);
Ж
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического вещества;
Г
ε - диэлектрическая проницаемость газовой подушки, расположенной в баке ракеты над диэлектрическим веществом.
1
2
3
1
2
3
Результаты вычисления полного приращения электрической емкости фиксируются в вычислителях уровня 13, 13, 13, 20, 20, 20 для дальнейшего вычисления уровня диэлектрического вещества. На этом этапе алгоритм настройки устройства завершает свою работу.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
После этого устройство по команде оператора может быть переведено в режим измерения уровня. В этом режиме вычислители полного 11, 11, 11, 18, 18, 18 приращения электрической емкости выключаются, так как эта функция в этом режиме не используется. Вычисленные значения электрической емкости полностью погруженных емкостных датчиков зафиксированы в вычислителях 13, 13, 13, 20, 20, 20 уровня и будут использованы при вычислении уровня по каждому емкостному датчику в режиме измерения уровня.
1
2
1
2
Блоки 9, и 9 управления режимами формируют в блоки 7, 7 управления измерением сигналы, по которым последние запускают алгоритм измерения токов через эталоны и заполняемые диэлектрическим веществом основной и дублирующий датчики уровня. Процедура измерения токов через емкостной датчик уровня и эталон представлена алгоритмом согласно фиг. 4.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
ТЕК
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
После того, как процесс измерения токов через емкостные датчики уровня и эталоны будет завершен, алгоритм согласно фиг. 2 перейдет к вычислению текущего значения электрической емкости заполняемых датчиков уровня и их активного сопротивления, используя при этом измеренные значения токов через емкостные датчики уровня и эталоны. Вышеуказанные процедуры выполняются блоками 14, 14, 14, 22, 22, 22; 15, 15, 15, 21, 21, 21. Вычисленные значения электрических емкостей заполняемых датчиков С с выходов блоков 14, 14, 14, 22, 22, 22 поступают в вычислители 12, 12, 12, 19, 19, 19 текущего приращения электрической емкости, а также в блоки диагностики достоверности измерения 23, 23, 23, а вычисленные значения сопротивления изоляции с выходов блоков 15, 15, 15, 21, 21, 21 поступают в основной 25 и дублирующий 26 сигнализаторы отказов измерительных цепей.
1
2
Затем алгоритм переходит к проверке кабельной линии связи с помощью встроенной системы диагностики. При этом, основной 25 и дублирующий 26 сигнализаторы отказов измерительных цепей сравнивают измеренные значения сопротивления изоляции с введенным ранее граничным диапазоном и, в случае выхода за его границы формируется признак отказа кабельной линии связи по основному каналу j либо по дублирующему j, после чего алгоритм заканчивает свою работу. В случае если значения сопротивления изоляции в норме, алгоритм переходит к вычислению текущего приращения электрической емкости.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
В этом случае вычислители 12, 12, 12, 19, 19, 19 текущего приращения электрической емкости вычисляют и фиксируют в вычислителях уровня 13, 13, 13, 20, 20, 20 значения текущего приращения электрических емкостей датчиков. Значение приращения электрической емкости заполняемого датчика вычисляется по следующей зависимости:
ТЕК
где С вычисленное на базе измеренных токов текущее значение электрической емкости заполняемого диэлектрическим веществом датчика уровня.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Затем вычислители уровня 13, 13, 13, 20, 20, 20 проводят вычисление в блоках диагностики достоверности измерения 23, 23, 23 относительного заполнения диэлектрическим веществом емкостных датчиков уровня по следующей зависимости:
Значения полного приращения электрических емкостей полностью заполненных датчиков было занесено в память вычислителей уровня в режиме настройки устройства.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Далее, алгоритм согласно фиг. 2  переходит к анализу достоверности измеренных токов, вычисленных емкостей и уровней заполнения емкостных датчиков уровня блоками диагностики достоверности измерения 23, 23, 23. При этом вышеописанные значения проверяются на соответствие вверенным ранее граничным диапазонам. В первую очередь проводиться проверка значений по основному емкостному датчику уровня. При попадании значений измеренных токов, вычисленных емкостей и уровней в заданный диапазон, блоки диагностики достоверности измерения 23, 23, 23 выдают значения уровня, измеренного основным емкостным датчиком уровня в блок выборки медианного значения уровня 24. В случае выхода за граничный диапазон какого-либо значения, алгоритм переходит к анализу достоверности измеренных токов, вычисленных емкостей и уровней заполнения по дублирующему емкостному датчику уровня. Если значения не в норме, то алгоритм выдает признак отказа измерительного канала i, i, i в зависимости от того, какой канал отказал и заканчивает свою работу, тем самым, исключая попадания недостоверных значений уровня в систему управления заправкой повышая при этом достоверность измерений. В случае, если значения токов, емкостей и уровней в норме, блоки диагностики достоверности измерения 23, 23, 23 выдают значения уровня, измеренного дублирующим емкостным датчиком уровня в блок выборки медианного значения уровня 24.
В блок выборки медианного значения уровня 24 поступают 3 значения уровня, измеренного основным либо дублирующим емкостным датчиком уровня тремя измерительными каналами. При этом эти значения могут быть немного различными вследствие разнесенной во времени циклограммы вычисления значений каждого измерительного канала. Для повышения точности измерения уровня, блок выборки медианного значения уровня 24 выбирает медианное (центровое) значение из трех значений уровня и выдает его в смежную систему управления заправкой для реализации циклограммы заправки.
Затем, алгоритм переходит к анализу условия окончания заправки и, в случае ее окончания заканчивает свою работу. В случае, если заправка продолжается, алгоритм, согласно фиг. 2 переходит к этапу измерения токов через основной и дублирующие емкостной датчик уровня и эталоны и продолжает свою работу.
Устройство в виде системы измерения уровня заправки модифицированного разгонного блока повышенной грузоподъемности смонтировано на одной из площадок космодрома «Байконур» и готовится к очередному этапу испытаний.
Используемая литература
1. Балакин С.В., Долгов Б.К., Хачатуров Я.В., Одновол И.Е. «Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества», патент РФ №2262668 С2, МПК: G01F 23/26.
2. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ. Измерительная техника. 1996, №6, с. 56-60.
3. Патент РФ №2025666, МПК: G01F 23/26, «Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)».