СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЗАПРАВКИ
SYSTEM OF FUELLING LEVEL MEASUREMENT

Изобретение относится к системам и датчикам указания уровня и, в частности, к системам контроля заправки баков компонентами топлива летательных аппаратов и датчикам для них.
Системы измерения уровня диэлектрических жидкостей известны из уровня техники. Среди систем измерения уровня известны системы емкостного типа, основанные на измерении изменения емкости между двумя электродами вследствие разницы диэлектрической проницаемости жидкости и газа и их соотношения (т.е. уровня жидкости) между проводниками датчика.
Известна система конденсаторного (емкостного) типа по заявке US 2008276704 (А1), содержащая емкостной датчик, датчик для сравнения и систему обработки результатов измерения уровня. Основной датчик предназначен для измерения уровня жидкости, датчик для сравнения указывает, когда уровень достиг максимального.
Недостатком системы является нестабильность показаний в зависимости от изменения диэлектрической проницаемости жидкости от температуры и др. факторов.
Другие примеры схожих систем, также использующие емкостной принцип измерения, описаны в документах WO 2007092832 (А2) и WO 2006122173 (А2). Указанные датчик также не лишены недостатков предыдущего - нестабильности показаний в зависимости от изменения диэлектрической проницаемости жидкости от температуры.
Для устранения этого недостатка предложены отдельные системы калибрования, описанные, например, в заявках WO 2008121661 (А1) и US 2004225463 (А1).
Недостатком систем является громоздкость, обусловленная потребной повышенной точностью измерения.
Известна система конденсаторного (емкостного) типа по патенту US 6502460, содержащая датчик уровня. Датчик уровня содержит приемную секцию, секцию для измерения уровня и секцию для расчета свойств жидкости.
Система предназначена для измерения уровня масла в двигателе, а также для постоянного мониторинга свойств масла для точной оценки наступления момента его замены.
Эта система выбрана в качестве прототипа.
Технический результат состоит в повышении стабильности показаний, в том числе от изменения диэлектрической проницаемости жидкости, снижения весовых характеристик датчиков, в уменьшении величины емкостей датчиков и одновременном увеличении точности измерения, к уменьшению габаритов, веса, в получении линейности характеристики, недостижимой для систем, основанных на измерении тока, протекающего через электроды ДУЗ.
Существующие датчики и системы не позволяют достичь заявленного технического результата.
Предлагается система измерения уровня заправки, предназначенная для определения уровня компонентов топлива в баках во время предстартовой подготовки летательного аппарата (ЛА), а также для формирования управляющих команд в систему дистанционного управления заправкой (СДУЗ) при достижении заранее заданных значений уровня, визуализации и документирования информации о ходе заправки и состоянии системы.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
1 - Троированный датчик уровня заправки окислителя (ДУЗ О).
2 - Троированный датчик уровня заправки горючего (ДУЗ Г).
3 - Рабочая секция в баке окислителя,
3.0 - генераторный электрод в баке окислителя,
3.1 - первая рабочая секция в баке окислителя,
3.2 - вторая рабочая секция в баке окислителя,
3.3 - третья рабочая секция в баке окислителя.
4 - Рабочая секция в баке горючего,
4.0 - генераторный электрод в баке окислителя,
4.1 - первая рабочая секция в баке горючего,
4.2 - вторая рабочая секция в баке горючего,
4.3 - третья рабочая секция в баке горючего.
5 - Компенсационная секция в баке окислителя,
5.1 - первая компенсационная секция в баке окислителя,
5.2 - вторая компенсационная секция в баке окислителя,
5.3 - третья компенсационная секция в баке окислителя.
6 - Компенсационная секция в баке горючего,
6.1 - первая компенсационная секция в баке горючего,
6.2 - вторая компенсационная секция в баке горючего,
6.3 - третья компенсационная секция в баке горючего.
7- Блок измерения уровня (БИУ),
7.1 - БИУ первого канала,
7.2 - БИУ второго канала,
7.3 - БИУ третьего канала.
8 - Бортовая кабельная сеть (БКС).
9 - Блок обработки (БО),
9.1 - БО 1,
9.2 - БО 2,
9.3 - БО 3.
10 - Наземная кабельная сеть(НКС).
11 - Система дистанционного управления заправкой (СДУЗ).
12 - Источник бесперебойного питания (ИБП),
12.1 - ИБП 1,
12.2 - ИБП 2.
13 - Персональная ЭВМ (ПЭВМ),
13.1 - ПЭВМ 1,
13.2 - ПЭВМ 2.
14 - Принтер.
15 - Конструктив (корпус) пульта (ПОС).
16 - Температурный датчик.
17 - Усилитель.
18 - Мультиплексор.
19 - Генератор.
20 - 24-бит сигма-дельта-генератор.
21 - Источник опорного напряжения.
22 - Цифровой фильтр.
23 - Микроконтроллер.
24 - Гальваническая развязка по информационной шине (барьер искробезопасности).
25 - Гальваническая развязка по информационной шине (барьер искробезопасности).
26 - Формирователь RS-485.
27 - Стабилизатор.
28 - Гальваническая развязка по электропитанию (барьер искробезопасности).
29 - Гальваническая развязка по электропитанию (барьер искробезопасности).
30 - RS-485.
Система измерения уровня заправки (СИУЗ) состоит из следующих основных частей:
- бортовых внутрибаковых емкостных датчиков уровня заправки 1 и 2 (ДУЗ), при этом в каждом баке размещен корпус датчика, в котором находятся три рабочих секции 3 и 4 (3.1, 3.2, 3.3 - в баке окислителя, 4.1, 4.2, 4.3 - в баке горючего) и три компенсационные секции 5 и 6 датчика (5.1, 5.2, 5.3 - в баке окислителя, 6.1, 6.2, 6.3 - в баке горючего);
- бортовых измерителей уровня 7 (БИУ) по одному на каждый блок ЛА для преобразования измерения уровня с датчиков в цифровое значение и передачи в наземную часть 11 СИУЗ;
- бортовой кабельной сети 8 (БКС), соединяющей между собой элементы 11 СИУЗ;
- пульта 15 оператора системы (ПОС);
- наземной кабельной сети 10 (НКС);
- комплекта контрольно-проверочной аппаратуры (КПА) для проверки бортовых элементов 11 СИУЗ на внешнем проверочном техническом комплексе;
- комплекта ЗИП.
Описание чертежей
На фиг.1 показана общая схема взаимодействия составных частей системы.
На фиг.2 показана структурная схема системы.
На фиг.3 показана структурная схема одного канала БИУ с барьером искробезопасности (24-25 и 28-29).
На фиг.4 и 5 показана общая структура бортовой части.
На фиг.6 показана общая структура наземной части.
На фиг.7 показано устройство ДУЗ на примере 1.
Описание системы
Описание бортовой части
К бортовой части СИУЗ относятся:
- датчики уровня заправки бака окислителя 1 (ДУЗ О);
- датчики уровня заправки бака горючего 2 (ДУЗ Г);
- бортовая кабельная сеть 8 (БКС);
- бортовые измерители уровня 7 (БИУ).
Устройство системы
В предлагаемом варианте реализации ДУЗ (1 и 2) выполнен в троированном исполнении. В каждом из трех каналов ДУЗ 1 и 2 использованы две секции - основная (3 и 4) и компенсационная (5 и 6). Физически они представляют собой два расположенных друг над другом два конденсатора с одним общим генераторным электродом 3.0. Блок измерения уровня позволяет с точностью до 0,05% измерять изменение емкости основных и компенсационных секций ДУЗ в диапазоне 0…8,192 пФ. Схема измерения БИУ 7 основана на принципе сигма-дельта-преобразования емкости в цифровой код (измерение заряда). Это решение позволило уменьшить величину емкостей датчиков и одновременно увеличить точность измерения, получить линейность характеристики, недостижимую для систем основанных на измерении тока, протекающего через электроды ДУЗ. Структурная схема одного канала БИУ показана на фиг.3.
Уменьшение емкости датчика приводит к уменьшению его габаритных характеристик, что позволяет существенно облегчить конструкцию и создать троированный ДУЗ (1 и 2), более легкий, чем существующие дублированные датчики. Устанавливаемые в баки окислителя (О) и горючего (Г) ДУЗ аналогичны по конструкции между собой, что позволяет во многом унифицировать бортовую и наземную аппаратуру.
В качестве заполнителя между алюминиевыми деталями датчика предлагается использовать пресс-материалы марок ДСВ-2, ДСВ-4. Пресс-материалы ДСВ-2, ДСВ-4 относятся к дозирующимся стекловолокнитам, изготовлены из стеклянных комплексных нитей, пропитанных полимерным фенолоформальдегидным связующим.
Высокие механические характеристики, достаточная теплостойкость, хорошая текучесть и дозируемость обеспечивают широкий диапазон использования материалов ДСВ.
Высокопрочные детали из пресс-материалов пригодны для работы при температуре от -196°С до +200°С и в условиях тропического климата; изготовляются прямым или литьевым прессованием.
Для склеивания составных частей датчика СИУЗ 11 предлагается анаэробный герметик. Такой герметик способен заполнять микропоры и трещины размерами до 0,1 мм на металлических поверхностях изделий и отвердевать в них с образованием прочного полимера. Он предназначен для устранения негерметичностей, микропор и микротрещин в сварных швах, околошовной зоне, литье, штампованных и прессованных изделиях, а также для герметизации и стопорения мелкой резьбы. Герметик наносят на требуемую поверхность изделия. Отверждение происходит либо при комнатной температуре, либо при повышенной температуре.
Альтернативой использованию пресс-материалов ДСВ может служить стеклотекстолит КАСТ-В, из которого в этом случае будет нужно изготовить детали (вкладки) во внутренние полости датчика.
Стеклотекстолит КАСТ-В выдерживает кратковременное повышение температуры до 750°С, благодаря низкой теплопроводности может использоваться в качестве теплоизоляционного материала. Также стеклотекстолит КАСТ-В часто используют в качестве электроизоляционного материала благодаря неплохим диэлектрическим характеристикам.
Подключение ДУЗ требует повышенной помехозащищенности и минимальной емкости экран-жила в кабеле.
БКС 8 от датчика до БИУ 7 выполнена в троированном исполнении - по три экранированных провода (например, марки МСЭО) на каждый канал ДУЗ. Цепи, предназначенные для передачи информации между ПОС 15 и БИУ 7 и питания БИУ, выполнены витыми парами проводов - по три витые пары на каждый из трех каналов системы. Модульная конструкция БИУ позволяет реализовать как троированный, так и дублированный вариант БИУ.
Структура канала измерения БИУ с барьером искробезопасности (24-25 и 28-29) показана на фиг.3.
Общая структура бортовой части показана на фиг.4 и 5.
Описание наземной части
К наземной части СИУЗ относятся пульт оператора системы 15 и наземная кабельная сеть 10 между пультом и ЛА.
Пульт предназначен для контроля и управления системой в процессе ее подготовки к совместным работам с ЛА и при проведении операций по заправке ЛА жидким кислородом и керосином.
В предпочтительном варианте ПОС 15 выполнен в троированном исполнении.
ПОС 15 состоит по крайней мере из следующих основных составных частей:
- блок обработки измерительной информации 9 (БО) (9.1, 9.2, 9.3) - 3 шт.;
- ПЭВМ 13 (13.1, 13.2) - 2 шт.
В предпочтительном исполнении ПОС 15 дополнительно снабжен:
- источником бесперебойного питания 12 (ИБП) (12.1, 12.2) - 2 шт.;
- принтером 14;
- конструктивом пульта 15;
- соединительными кабелями 10.
В каждом канале ПОС 15 используют блок обработки (БО) 9, выполняющий функцию обработки измерительной информации от БИУ 7 по всем бакам ЛА и сравнения ее с заранее заданными значениями уровня, о достижении которых по схеме с мажоритированием (при наличии двух одинаковых показаний из трех) формируют и выдают команды в СДУЗ 11 и в ПЭВМ 13 для отображения и протоколирования.
БО 9 дополнительно выполняет функцию источника питания для бортовой части СИУЗ 11, а также обеспечивает гальваническую развязку бортовой и наземной части СИУЗ.
БО 9 обеспечивает обмен данными с БИУ 7 по интерфейсу RS-485 30 (либо, например, по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС)).
БО 9 выполнен в виде отдельного модуля, в состав которого входит промышленный одноплатный компьютер, преобразователь интерфейса RS-485/RS-232 (либо сигнала ВОЛС в RS-232) 26, источник питания с гальванической развязкой 27, 28, 29, модуль для связи со СДУЗ 11.
Троированный сигнал в СДУЗ 11 по принципу «два из трех» формируют в кабеле, соединяющем релейные выходы БО 9 и СДУЗ 11.
БО 9 формируют следующие команды:
ПЭВМ 13 служит для отображения, протоколирования и хранения информации о работе системы, ввода необходимой для работы системы информации (установок, паспортных данных ДУЗ и т.п.) на этапе подготовки к работе. Каждая из двух ПЭВМ 12 (12.1 и 12.2) получает информацию от каждого из трех БО 9. Таким образом, повышается надежность системы по каналам отображения и хранения информации. Во время штатной работы ПЭВМ 12 выполняют исключительно контрольные функции и сбой в работе одной (или даже двух) не приведет к отказу системы в части измерения уровня и формирования команд в СДУЗ 11. Программно-математическое обеспечение (ПМО) ПЭВМ 13 работает с использованием графического интерфейса, что существенно облегчает работу оператора на всех этапах эксплуатации системы. Между собой ПЭВМ 13 связаны в локальную сеть, что позволяет синхронизировать базу данных результатов работы СИУЗ 11. При необходимости база данных может быть скопирована на оптический носитель информации. Связь ПЭВМ 13 с БО 9 осуществляют по интерфейсу RS-232. В качестве ПЭВМ 13 используют промышленные компьютеры, что также повышает общую надежность СИУЗ 11.
Для обеспечения нормального функционирования СИУЗ 11 в случае кратковременного (до нескольких минут) пропадания питания в состав ПОС 15 включены источники бесперебойного питания 12.
Распечатку отчетов и результатов работы СИУЗ 11 производят с помощью периферийного печатающего устройства 14.
Общая структура наземной части показана на фиг.6.
Обобщенное описание работы СИУЗ
В баках ЛА размещены троированные датчики измерения уровня 1 и 2 емкостного типа. Существенным отличием от применяемых в настоящее время емкостных ДУЗ является пониженная эффективная емкость и наличие компенсационной секции, расположенной в нижней части ДУЗ. Эффективная емкость основной и компенсационной секций ДУЗ составляет 5-8 пФ (у существующих датчиков 100-400 пФ), в то время как полная емкость каждой секции ДУЗ (включая паразитную емкость НКС) не должна превышать 24 пФ. Уменьшение емкости рабочих электродов сделало возможным уменьшение массы и изготовление троированных ДУЗ и БКС, при выигрыше в весе по сравнению с применяемыми в настоящее время дублированными ДУЗ.
Компенсационные секции 5 и 6 размещают в нижней части ДУЗ 1 и 2, так чтобы при заправке заполнялись жидкостью (компонентом топлива) раньше рабочих. Это позволяет автоматически получать реальное значение диэлектрической проницаемости жидкости (компонента топлива) в рабочей зоне ДУЗ, невзирая на возможные отклонения температуры, сплошности и сортности жидкости от расчетной. Подробнее описание метода измерения приведено ниже.
Информация об изменении электрической емкости компенсационных и рабочих секций 3 и 4 ДУЗ 1 и 2 обрабатывает БИУ 7. БИУ 7 также преобразует полученные значения в значение уровня жидкости (компонента топлива) внутри ДУЗ. В каждом блоке ЛА размещен один БИУ 7, обрабатывающий информацию от ДУЗ окислителя и ДУЗ горючего данного блока. Обработку производят отдельно для каждого датчика (т.е. поканально).
Информацию об уровне в БИУ 7 преобразуют в цифровой код и передают в ПОС 15 через НКС 10 на расстояние до 1200 метров. В ПОС 15 расположены 3 блока обработки 9 (БО) - по одному на каждый канал СИУЗ (датчик). В БО 9 поступает информация со всех блоков ЛА, информацию обрабатывают с учетом поправок на наличие паразитной емкости соединительных кабелей между БИУ 7 и ДУЗ (1 и 2), а также с учетом поправок на величину емкости «сухого» датчика, и передают в ПЭВМ 13 и СДУЗ 11. В ПЭВМ 13 реализуют служебные и вспомогательные программы СИУЗ 11 (тестовые программы, ПМО по функциям отображения, протоколирования и хранения информации о работе системы).
Подробное описание способа измерения уровня
В качестве способа измерения уровня выбран метод, основанный на измерении изменения емкости ДУЗ.
Изменение уровня жидкости - диэлектрика - в зазоре между электродами вызывает изменение электрической емкости, причем это изменение зависит не только от величины изменения уровня жидкости в рабочем зазоре, но и от диэлектрических свойств жидкости - диэлектрика. Таким образом, значение уровня в ДУЗ определяет положение плоскости раздела двух сред (жидкой и газовой), имеющих разную диэлектрическую проницаемость. Максимальное значение измеряемого уровня равно полной длине рабочих секций ДУЗ.
К преимуществам непрерывных датчиков емкостного типа следует отнести:
- возможность работы практически на любых электронепроводящих жидкостях (керосине, жидком кислороде, жидком водороде и т.п.);
- возможность работы в кипящем компоненте (датчик исключает газовую составляющую в кипящем слое за счет разницы в значении диэлектрической проницаемости жидкой и газовой фаз топлива);
- возможность иметь непрерывную и линейную характеристику;
- отсутствие подвижных частей;
- нечувствительность к колебаниям компонента при расположении ДУЗ по оси бака;
- отсутствие частей, критичных к загрязнению;
- простота внутрибаковых устройств;
- малые возмущения, вводимые в бак;
- технологичность конструкции;
- возможность резервирования;
- возможность оперативного изменения алгоритма управления заправкой в части изменения контрольных уставок уровня, при которых формируют командные сигналы.
В предлагаемой конструкции ДУЗ рабочие 3 и компенсационные 5 секции представляют собой плоские электрические конденсаторы, пространство между обкладками которых заполняют диэлектрической жидкостью (горючим, окислителем) в процессе заправки бака. Устройство ДУЗ показано на фиг.7.
Способ гамма-дельта-преобразования применительно к измерению емкости предлагаемого ДУЗ состоит в следующем.
Емкость каждой секции ДУЗ определяется формулой:
где
ε - диэлектрическая постоянная среды,
0
-12
ε - электрическая постоянная, равная 8.8*10 Ф/м,
S - площадь электрода (рабочего или компенсационного),
d - расстояние между электродами.
Емкость каждой секции ДУЗ складывается из двух составляющих:
где
э
С - эффективная емкость секции ДУЗ, изменяющаяся при заправке,
п
С - паразитная емкость ДУЗ, вызванная конструктивными особенностями ДУЗ и БКС, не изменяющаяся при заправке.
При заполнении пространства между генераторным и рабочим или компенсационным электродами компонентом топлива происходит изменение величины электрической емкости секции ДУЗ, вызванное разницей диэлектрических проницаемостей газа и компонента топлива:
где
ж
ε - диэлектрическая проницаемость компонента топлива,
г
ε - диэлектрическая проницаемость газовой подушки,
N - уровень заполнения секции ДУЗ.
Из формулы (3) получаем выражение для уровня:
В ходе заправки компенсационная секция датчика заполнена на 100% к моменту достижения уровнем нижней границы рабочей секции. Для нее справедливо выражение:
Из формул (4) и (5) получаем выражение для уровня:
д
эр
эк
Коэффициент К=С/С является конструкционной характеристикой и не изменяется в процессе эксплуатации, измеряется один раз при изготовлении датчика (и заносится в формуляр).
Таким образом, получается окончательная формула для расчета уровня:
Таким образом, использование компенсационной секции ДУЗ позволяет исключить из расчетов диэлектрическую проницаемость компонентов топлива. Другим важным техническим результатом является исключение влияния температуры, т.к. изготовленные по одной технологии секции датчика имеют одинаковый коэффициент укорочения, присутствующий в числителе и знаменателе выражения (7), - т.е. сокращающийся.
СИУЗ может быть интегрирован в ДУЗ датчика температуры. Это делает возможным автоматическое вычисление массы заправляемого компонента с учетом его плотности.
СИУЗ может быть объединен с уровнемером системы управления расходованием топлива (УСУРТ) с датчиками емкостного типа. При этом предпочтительно включение датчиков УСУРТ по матричной схеме, что существенно сокращает БКС и повышает достоверность полученной информации.
Возможна передача информации об уровне из БИУ 7 параллельно в бортовую автоматизированную систему (БАСУ) по согласованному протоколу.
Возможно реализовать в одной системе функции СИУЗ и СДУЗ.