СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДИСКРЕТНЫХ УРОВНЕЙ ЖИДКОСТИ И СИСТЕМА (УСТРОЙСТВО), ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИЮ
CONTROL METHOD OF DISCRETE LIQUID LEVELS AND SYSTEM (DEVICE) FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к приборостроению, а именно к дискретным измерителям уровня, и может быть использовано для контроля уровня компонентов топлива при заправке, расходовании и хранении в ракетно-космической и других областях промышленности.
Известны способы и устройства измерения уровней жидкости с использованием терморезисторных преобразователей, изменяющих сопротивление подогреваемого резистора (терморезистора) в зависимости от условий теплообмена в газовой или жидкой среде (Г.Виглеб. Датчики. М.: Мир, 1989 г., стр.53; RU 2081400 C1; US 5421202; SU 1735721 A1). Недостатком известных способов измерения и реализующих их устройств с использованием терморезисторов являются низкое быстродействие, недостаточная точность определения уровня, обусловленные массой и низким тепловым сопротивлением конструкции датчиков.
Наиболее близким к изобретению является патент RU 2319114, в котором предложен способ контроля дискретных уровней жидкости, включающий размещение датчиков уровня с чувствительными элементами в контрольных точках в емкости, циклическое поочередное подключение чувствительных элементов к измерительному устройству и измерение параметров всех датчиков снизу вверх в каждом цикле опроса, усреднение измеряемых значений за определенный промежуток времени и передачу информационного сигнала о состоянии датчиков. Данный способ реализуется устройством, содержащим блок датчиков уровня с чувствительными элементами, соединенный с измерительным устройством, которое соединено с информационным входом индикатора уровня. При этом устройство содержит не менее трех измерительных устройств, обеспечивающих реализацию указанного способа, каждое из которых соединено с одним из блоков датчиков уровня, выполненных в виде печатных плат с отверстиями. Над отверстиями расположены подложки с терморезисторами (чувствительными элементами), причем печатные платы размещены под равными двугранными углами относительно друг друга внутри корпуса, выполненного из теплоизоляционного материала. Предложенные в прототипе способ и устройство для его реализации позволяют повысить быстродействие и точность определения уровня жидкости при колебаниях зеркала жидкости и неоднородном кипении поверхностного слоя, однако целесообразным является также уменьшение массы и габаритных размеров устройства.
Цель изобретения - уменьшение массогабаритных характеристик системы (устройства) контроля уровней криогенного топлива за счет сокращения числа гермовыводов и соединительных проводов, применяемых для подключения датчиков, при сохранении точности и быстродействия системы (устройства), а также увеличение количества измерительных точек, уровень жидкости в которых контролируется одним измерительным устройством.
Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля дискретных уровней жидкости, включающем размещение датчиков уровня с чувствительными элементами в контрольных точках в емкости, циклическое поочередное подключение чувствительных элементов (датчиков) к измерительному устройству, измерение параметров всех датчиков снизу вверх или сверху вниз при каждом цикле опроса, усреднение измеряемых значений за определенный промежуток времени, передачу информационного сигнала о состоянии датчиков, подключение соседних датчиков по мере изменения параметров датчиков при погружении или извлечении из жидкости, дополнительно осуществляется соединение каждых четырех чувствительных элементов (датчиков) между собой в измерительную схему на печатной плате, с которой по измерительному каналу сигналы поступают на вход измерительного устройства, контроллер которого поочередно циклически подключает выходы измерительных схем и определяет по величине сигнала, сравнивая с пороговым значением, среду (жидкость или газ) в контрольной точке, при этом при переходе границы жидкость-газ первым чувствительным элементом, включенным в первую измерительную схему, сигнал увеличивается, при переходе границы жидкость-газ вторым чувствительным элементом, включенным в эту же первую схему, сигнал также увеличивается, при переходе границы жидкость-газ следующим третьим чувствительным элементом, включенным во вторую измерительную схему, сигнал увеличивается, при переходе границы жидкость-газ следующим четвертым чувствительным элементом, включенным также во вторую измерительную схему, сигнал увеличивается. При переходе границы жидкость-газ пятым чувствительным элементом, включенным в первую измерительную схему, сигнал уменьшается, при переходе границы жидкость-газ шестым чувствительным элементом, включенным в первую измерительную схему, сигнал уменьшается, при переходе границы жидкость-газ седьмым чувствительным элементом, включенным во вторую измерительную схему, сигнал уменьшается, при переходе границы жидкость-газ восьмым чувствительным элементом, включенным во вторую измерительную схему, сигнал уменьшается.
Предложенный способ реализуется системой (устройством), содержащей блок датчиков уровня с чувствительными элементами, выполненными в виде печатных плат с отверстиями, над которыми размещены подложки с терморезисторами, соединенными с измерительным устройством, которое соединено с информационным входом индикатора уровня, чувствительные элементы (датчики) соединены между собой, образуя измерительные схемы. При этом чувствительные элементы (датчики) размещены на печатной плате попарно чередуясь, а именно, первый и второй чувствительные элементы входят в первую измерительную схему, третий и четвертый чувствительные элементы входят во вторую измерительную схему, пятый и шестой чувствительные элементы входят в первую измерительную схему, а седьмой и восьмой чувствительные элементы входят во вторую схему. Сопротивления терморезисторов чувствительных элементов, включенных в одну измерительную схему, отличаются друг от друга не более чем на пять процентов, выходы измерительных схем соединены со входами усилителей, а выходы усилителей - с информационными входами микроконтроллера с программным обеспечением, выполняющим обработку результатов измерения, управления и формирования интерфейсных сообщений, в которых содержатся номера датчиков и их состояние: в парах, в жидкости или неисправность цепи.
Увеличение количества измерительных точек и снижение массогабаритных характеристик системы (устройства) измерения уровня при сохранении точности и быстродействия обеспечиваются за счет блока чувствительных элементов (датчиков), размещенных в измерительных точках и соединенных между собой определенным способом, образуя измерительные схемы, для подключения которых к преобразовательному устройству требуется меньшее количество проводов и измерительных каналов, позволяющих снизить количество элементов схемы, необходимых для работы преобразовательного устройства.
Изобретение поясняется чертежами, схемами и графиками:
Фиг.1 - блок чувствительных элементов (плата с установленными терморезистивными чувствительными элементами);
Фиг.2 - функциональная схема терморезистивного дискретного измерителя уровня;
Фиг.3 - схема измерения блока чувствительных элементов в сосуде с жидкостью;
Фиг.4 - результаты испытаний при погружении блока чувствительных элементов в жидкость, выведенные на экран осциллографа.
Блок чувствительных элементов (датчиков), изображенный на Фиг.1, состоит из печатной платы 1, над отверстиями 2 печатной платы 1 симметрично установлены подложки 3 из теплоизоляционного материала, на которых изготовлены пленочные терморезисторы 4, выполненные в виде меандра и расположенные симметрично по краям подложки 3. Контактные площадки 5 печатной платы 1 соединены при помощи пайки с контактными площадками подложки 3, проводники обеспечивают соединение содержащих терморезисторы 4 чувствительных элементов R (датчиков) в измерительную схему и подключение их с помощью проводов 6 к устройству контроля уровня.
Терморезистивный дискретный измеритель уровня, функциональная схема которого приведена на Фиг.2, содержит: блок терморезистивных чувствительных элементов 7 с измерительными схемами, электронный преобразовательный модуль 8, источник питания 9.
В состав преобразовательного модуля 8 входят:
- управляемые источники постоянного напряжения (УИПН) 10-6 шт., для подачи питания на измерительные схемы, расположенные в блоке чувствительных элементов 7, изменяющие уровни напряжения и его отключения по команде устройства управления 11;
- операционные усилители (ОУ) 12-6 шт., обеспечивающие подключение каждой измерительной схемы к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), входящему в состав устройства управления 11;
- устройство управления 11 (микроконтроллер с программным управлением), обеспечивающее поочередное подключение и измерение сигналов со схем, расположенных в блоке чувствительных элементов 7, выполняющее цифровую фильтрацию измеряемых сигналов, их сравнение с пороговыми значениями и определение по результату сравнения положения чувствительных элементов в жидкости или газе, формирование кодовой последовательности информационных сигналов, определяющих состояние каждого чувствительного элемента: исправен или неисправен и его положение (жидкость или газ);
- формирователь сигналов интерфейса 13, обеспечивающий прием сигналов при настройке и передачу сигналов о состоянии каждого чувствительного элемента R11, R21 и R31 по интерфейсу, например, RS485;
- источник напряжения 14 - для формирования питающих напряжений элементов схемы.
При заправке терморезистивный дискретный измеритель уровня работает следующим образом:
С преобразовательного модуля 8 подается питающее напряжение в блок чувствительных элементов 7 для нагрева терморезисторов, расположенных у нижнего края подложки (при контроле расхода - для нагрева терморезисторов, расположенных у верхнего края подложки). При переходе границы жидкость-газ за счет изменения теплопроводности среды происходит изменение температуры и сопротивления терморезистора, на выходе измерительной схемы изменяется напряжение, подаваемое на вход преобразовательного модуля 8. Каждые четыре чувствительных элемента (датчика) соединены между собой, образуя измерительную схему, и размещаются в контрольных точках, обеспечивая следующее изменение сигналов: при переходе границы жидкость-газ первым чувствительным элементом (датчиком) в первой измерительной схеме сигнал увеличивается, при переходе границы жидкость-газ следующим вторым чувствительным элементом (датчиком), включенным в первую измерительную схему, сигнал в этой же схеме также увеличивается. При переходе границы жидкость-газ следующим третьим чувствительным элементом (датчиком), включенным во вторую измерительную схему, сигнал увеличивается, при переходе границы жидкость-газ следующим четвертым чувствительным элементом (датчиком), включенным также во вторую измерительную схему, сигнал увеличивается. При переходе границы жидкость-газ пятым или шестым чувствительными элементами (датчиками), включенными в первую измерительную схему, сигнал уменьшается, при переходе границы жидкость-газ седьмым или восьмым чувствительными элементами (датчиками), включенными во вторую измерительную схему, сигнал уменьшается.
Сигналы с блоков чувствительных элементов 7 по соединительным проводам и контактам герметичного разъема поступают на входы операционных усилителей 12 преобразовательного модуля 8, с четырех чувствительных элементов два провода на вход одного операционного усилителя, один провод на вход источника питания и один провод - общий для всех преобразовательных схем. В отличие от схемы (патент-прототип), в которой каждый чувствительный элемент подключался к входу измерительной схемы, с выхода которой сигнал подавался на вход операционного усилителя, в предложенном устройстве четыре чувствительных элемента (датчика) образуют измерительную схему, с выхода которой сигнал подается на вход одного усилителя. Такое включение позволяет в четыре раза уменьшить количество измерительных каналов, габаритные размеры и массу преобразовательного модуля, а также сократить количество проводов, необходимых для подключения чувствительных элементов (датчиков), объединенных в измерительные схемы.
При этом точность (погрешность измерения уровня в контрольной точке, в которой установлены чувствительные элементы (датчики), составляет не более ±0.5 мм) и быстродействие (время задержки не более 0.2 сек) определения контрольного уровня обеспечиваются за счет:
- отличия сопротивления терморезисторов чувствительных элементов, включенных в одну измерительную схему, не более чем на 5 процентов. При отличии сопротивления терморезисторов более чем на 5 процентов уровни сигнала на выходе измерительной схемы при изменении среды в контрольной точке, в которой установлены чувствительные элементы одной схемы, будут отличаться друг от друга более, чем на 20 процентов. При этом трудно обеспечить заданную точность измерения без применения подстроек операционных усилителей.
- применения терморезисторов, выполненных в точечном исполнении с размером не более 0.3 мм×0.3 мм и толщиной 0.005 мм и размещенных на расстоянии не более 0.3 мм от края теплоизоляционной подложки шириной не более 2.0 мм и толщиной не более 50 мкм, что обеспечивает снижение теплообмена между терморезистором и подложкой;
- расположения теплоизоляционной подложки с терморезисторами над отверстием печатной платы, практически исключающим влияние печатной платы на теплообмен между чувствительными элементами и средой;
- программируемого управляющего устройства, обрабатывающего сигналы с измерительных схем, устанавливающего значение порога, который определяет границу жидкость-газ и формирующего информационные сигналы о состоянии среды в контрольной точке.
При неисправности одного из чувствительных элементов формируется сигнал оповещения о неисправности (короткого замыкания или холостого хода в цепи подключения).
Защита от ложных срабатываний обеспечивается установкой чувствительных элементов (датчиков) в контрольных точках, исключающих неоднозначность определения изменения уровня при изменениях сигналов с чувствительных элементов (датчиков), установленных в соседних контрольных точках.
Проверка функционирования и определение параметров системы (точность и быстродействие) проводились на специальной установке.
Схема установки для испытаний устройств, входящих в состав системы контроля дискретных уровней жидкости, представлена на Фиг 3.
В состав установки входят:
- механизм перемещения с микрометрическим винтом - 15,
- штанга с установленным блоком чувствительных элементов - 16,
- сосуд с жидкостью - 17,
- двухканальный цифровой осциллограф - 18,
- источник питания - 19,
- блок чувствительных элементов - 7,
- модуль электронный преобразовательный - 8,
- адаптер (преобразователь интерфейсов RS485 в USB) - 20,
- персональный компьютер - 21.
Механизм перемещения 15 обеспечивает перемещение штанги 16 внутри сосуда 17 с шагом 0,1 мм. Момент изменения сопротивления терморезистора при переходе границы жидкость-газ определяется при помощи модуля электронного преобразовательного 8 и контролируется осциллографом 18. Информационный сигнал о состоянии чувствительных элементов (жидкость-газ) передается при помощи адаптера сети 21 RS485-USB 47 на вход персонального компьютера 21.
Определение времени задержки производится при помощи цифрового осциллографа 18, два канала которого подключаются прямо к соответствующим выходам измерительных схем.
На фиг.4 представлены результаты испытаний при погружении блока чувствительных элементов в жидкость (заправка бака), выведенные на экран осциллографа. При пересечении границы жидкость-газ нижним первым чувствительным элементом R1 напряжение на выходе первой измерительной схемы в канале 1 увеличивается, при пересечении границы жидкость-газ чувствительным элементом R2 напряжение на выходе первой измерительной схемы также увеличивается. При пересечении границы жидкость-газ чувствительным элементом R3 напряжение на выходе второй измерительной схемы увеличивается, и при пересечении границы жидкость-газ чувствительным элементом R4 напряжение на выходе второй измерительной схемы в канале 2 также увеличивается. При пересечении границы жидкость-газ чувствительным элементом R5 напряжение на выходе первой измерительной схемы уменьшается, при пересечении границы жидкость-газ чувствительным элементом R6 напряжение на выходе первой измерительной схемы также в канале 1 уменьшается. При пересечении границы жидкость-газ чувствительным элементом R7 напряжение на выходе второй измерительной схемы в канале 2 уменьшается, при пересечении границы жидкость-газ чувствительным элементом R8 напряжение на выходе второй измерительной схемы также уменьшается. Таким образом, при изменении направления изменения уровня исключается неоднозначность определения среды (жидкость или газ) в контрольной точке за счет определенного расположения и включения чувствительных элементов в измерительную схему.
Аналогичным образом устройство по Фиг.4 работает при измерении изменения уровня при извлечении блока чувствительных элементов из жидкости (опорожнении бака). При этом блок чувствительных элементов устанавливается в баке с поворотом на 180° и первый нижний чувствительный элемент становится верхним чувствительным элементом в блоке.
Время задержки сигнала при переходе границы жидкость-газ не более 0.15 сек. На фиг.4 показана зависимость сигнала с выхода измерительной схемы от перемещения чувствительного элемента относительно уровня жидкости с помощью микрометрического механизма перемещения. Погрешность определения уровня по пороговому напряжению составляет не более 0.5 мм.
Таким образом, предложенный способ измерения и разработанная система (устройство) для его реализации обеспечивают достижение поставленной цели, а именно уменьшение массогабаритных характеристик системы (устройства) контроля уровней криогенного топлива при сохранении точности и быстродействия устройства, а также увеличение количества измерительных точек, уровень жидкости в которых контролируется одним измерительным устройством.