СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
METHOD OF DETERMINING 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.
Известен способ измерения уровня диэлектрического вещества, описанный в книге «Емкостные самокомпенсированные уровнемеры» авторов К.Б.Карандеева, Ф.Б.Гриневича, А.И.Новика, М.: «Энергия», 1966, с.28.
Способ определения уровня диэлектрического вещества заключается в формировании синусоидального напряжения на емкостном датчике уровня заправки (ДУЗ), измерении комплексного тока через сухой емкостный ДУЗ и измерении комплексного тока через заполняемый емкостный датчик.
В представленном аналоге измерение уровня диэлектрической жидкости базируется на сложении токов датчиков, которое осуществляется при помощи тесно связанных индуктивных плеч моста на суммирующем измерительном трансформаторе. Причем коэффициент, с которым ток входит в общую сумму, определяется числом витков плеча, а знак коэффициента - направлением включения обмотки этого плеча. Условием равновесия измерительной схемы является равенство нулю суммы всех токов, протекающих через датчики-плечи моста. Отношение числа витков тесно связанных индуктивных плеч определяет относительное заполнение (уровень) емкостного ДУЗ диэлектрическим веществом.
При использовании аналога для определения уровня диэлектрического вещества с помощью емкостного ДУЗ, удаленного на достаточно большое расстояние (до 500 метров) от средства измерения, получается результат с повышенной степенью погрешности. Низкая технологичность и точность измерения уровня аналогом обусловлены следующим:
- способ не обладает полной инвариантностью по отношению к длинной линии связи между средством измерения и емкостным датчиком уровня, т.е. не полностью исключает влияния длинной линии связи на результат определения уровня;
- способ измеряет комплексные токи через емкостные ДУЗ, которые не учитывают значения параметров диэлектрических веществ (диэлектрические проницаемости вещества и газовой среды над веществом, включая их температуру, изменение геометрических размеров емкостных ДУЗ из-за воздействия на них криогенных температур). Исходя из этого, перед технологическим процессом заправки требуется предварительная ручная настройка средства измерения на заданные параметры жидкости и ДУЗ при определении уровня заправки для каждого датчика индивидуально;
- относительно низкое быстродействие способа измерения (10-20) сек на измерение. Это связано с конструктивным исполнением мостового средства измерения, представляющего собой следящую систему, которая уравновешивается как по активной, так и по реактивной составляющим комплексного тока, протекающего через датчик. А так как процесс заправки ракеты непрерывный, то низкое быстродействие процесса измерения уровня вносит дополнительную погрешность.
Специфика эксплуатации изделий ракетно-космической техники (РКТ) для проведения измерения параметров двухполюсников выставляет свои требования, способствующие поиску новых технических решений в области измерений. Обозначим наиболее характерные из них:
- удаленность до 500 метров объекта измерения от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика контроля уровня заправки (ДУЗ), вмонтированного в бак ракеты, которая находится в испытательном корпусе или на стартовом комплексе во время ее заправки компонентами топлива. При этом основные технические требования при измерении параметров удаленного на 500 м емкостного ДУЗ должны быть следующими:
- диапазон измерения значений электрической емкости ДУЗ должен быть (100-2500) нФ с относительной погрешностью измерения не более 0,1%;
- диапазон измерения значения паразитной электрической емкости (паразитная электрическая емкость - емкость между проводником, подключающим ДУЗ к измерителю, и экраном проводника) (100-30000) пФ с относительной погрешностью измерения 0,5%;
- диапазон измерения сопротивления изоляции (контроль состояния электрически разобщенных цепей) от 50 кОм до 29 мОм с относительной погрешностью измерения не более 1,0%;
- высокая точность измерения параметров удаленного двухполюсника, коим является емкостный датчик уровня. Очевидно, что точность измерения напрямую связана с массой гарантийных запасов топлива на борту ракеты. Чем выше точность, тем меньше масса гарантийных запасов топлива, тем выше эффективность ракеты, позволяющей вывести большую массу полезной нагрузки. По результатам проведения глубокой модернизации ракеты-носителя (создание ракеты «Союз-2») система измерения уровня заправки ракеты «Союз-2» должна измерять уровень с относительной погрешностью ±0,5%. Реализация такой погрешности измерения имеет большое значение, так как приводит к существенному (свыше сотни килограммов) высвобождению массы гарантийных запасов топлива, что особенно актуально для блока «И».
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является выбранный авторами в качестве прототипа способ определения уровня диэлектрического вещества, описанный в патенте РФ №2262669, опубликованный 20.10.2005 в бюллетене №29 авторов Балакина С.В., Долгова Б.К.
Способ определения уровня диэлектрического вещества заключается в воздействии синусоидальными напряжениями на n заданных фиксированных частотах (где n - число элементов двухполюсника в схеме замещения ДУЗ) на емкостный датчик уровня и эталон, задании схемы замещения емкостного датчика уровня, в последовательном измерении тока через сухой емкостный датчик уровня и эталон, фиксации результатов измерения, определении и фиксации электрической емкости сухого датчика уровня, определении и фиксации приращения электрической емкости датчика уровня при полном его погружении в диэлектрическое вещество, в периодическом измерении и фиксации тока через заполняемый диэлектрическим веществом емкостный датчик уровня и эталон, вычислении и фиксации электрической емкости емкостного датчика уровня для каждого периодического измерения, в последующем определении относительного заполнения диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня как разности значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика уровня и электрической емкости сухого емкостного датчика уровня, отнесенной к приращению электрической емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество емкостного датчика уровня.
В основу способа положен один из методов косвенного измерения параметров двухполюсника при формировании напряжений синусоидального воздействия на объект измерения, нашедший применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения. Измерение параметров емкостного ДУЗ осуществляется на n-заданных частотах, где n - число элементов датчика в его схеме замещения. По результатам определения параметров сухого и заполняемого ДУЗ вычисляется относительное заполнение ДУЗ диэлектрическим веществом.
Этот способ позволяет осуществлять измерение уровня диэлектрического вещества по ДУЗ, удаленного от средства измерения до 500 метров. Однако при использовании упомянутого способа определения уровня диэлектрического вещества, выбранного авторами за прототип, экспериментально установлено:
- на результат измерения влияют токи, наводимые на длинной линии связи от внешних источников. Подавить такие токи наводки, так называемые токи смещения, с помощью аналоговых и цифровых фильтров является не простой задачей. Причем использование таких фильтров не всегда достигает желаемого эффекта;
- на результат измерения влияет значение разницы частот, на которых осуществляют воздействие на емкостный ДУЗ. Причем чем больше значение разницы частот, тем выше точность измерения параметров емкостного ДУЗ;
- при измерении параметров ДУЗ через линию до 500 метров максимальное значение частоты должно быть не более 10 кГц, что обусловлено характеристиками длинной линии связи. Поэтому повышение частоты переменного напряжения выше 10 кГц с целью увеличения разницы частот является нецелесообразным, так как не способствует повышению точности измерения.
Таким образом, недостатком прототипа является недостаточная точность определения уровня диэлектрического вещества, обусловленная недостаточной точностью определения параметров емкостного ДУЗ, удаленного от измерительной цепи на существенное расстояние.
n
В связи со сказанным выше, задачей предлагаемого способа определения уровня диэлектрического вещества является повышение точности его измерения, которое достигается путем измерения и аналитического учета токов смещения при определении параметров ДУЗ с помощью схемы замещения, а также вместо воздействия на ДУЗ переменным током с частотой ω использовать воздействие постоянным током. Причем создаваемые на основе предлагаемого способа средства измерения при сохранении высоких метрологических качеств с одновременным упрощением последовательности действий, связанных с определением параметров, должны быть достаточно просты.
Технический результат достигается тем, что в способе определения уровня диэлектрического вещества, заключающемся в воздействии синусоидальными напряжениями на заданных частотах на емкостный датчик уровня и эталон, задании схемы замещения емкостного датчика уровня, в последовательном измерении тока через сухой емкостный датчик уровня и эталон, фиксации результатов измерения, определении и фиксации электрической емкости сухого датчика уровня, определении и фиксации приращения электрической емкости датчика уровня при его полном погружении в диэлектрическое вещество, в периодическом измерении и фиксации тока через заполняемый диэлектрическим веществом емкостный датчик уровня и эталон, в периодическом измерении, определении и фиксации электрической емкости заполняемого датчика уровня, в последующем определении относительного заполнения диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня как разности значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика уровня и электрической емкости сухого датчика уровня, отнесенной к приращению электрической емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество емкостного датчика уровня, в отличие от прототипа воздействие на сухой емкостный датчик уровня и эталон последовательно осуществляют синусоидальными напряжениями на n-1 фиксированной частоте (где n - число элементов двухполюсника в схеме замещения), затем напряжением постоянного тока, при воздействиях синусоидальными напряжениями на n-1 фиксированной частоте и напряжением постоянного тока измеряют ток через сухой емкостный датчик уровня и эталон и периодически измеряют ток через заполняемый диэлектрическим веществом (при заправке) емкостный датчик уровня и эталон, затем снимают воздействие синусоидальными напряжениями и напряжением постоянного тока на емкостный датчик уровня и эталон, производят измерение токов смещения на емкостном датчике уровня и эталоне и фиксируют результаты измерения, затем определяют разность токов, измеренных по результатам воздействия синусоидальных напряжений и напряжения постоянного тока на емкостный датчик уровня и эталон и соответствующих токов смещения, полученные разности токов фиксируют, а определение и фиксацию электрических параметров и относительного заполнения емкостного датчика уровня осуществляют по зафиксированным ранее результатам измерений токов через двухполюсник и эталон, включая токи смещения с учетом схемы замещения, используя при этом зафиксированные разности токов и электрические параметры емкостного датчика уровня.
Совокупность признаков, характеризующих в заявленном способе использование измеренных токов на n-1 частотах синусоидального напряжения, воздействующего на емкостный ДУЗ и эталон, с последующим воздействием напряжением постоянного тока, вместо синусоидального напряжения n-ой частоты, в отличие от прототипа, позволяет добиться максимальной разницы между частотами напряжений и, таким образом, повысить точность измерения параметров емкостного ДУЗ.
С другой стороны, совокупность признаков, характеризующих измерение тока смещения, наводимого на длинной линии связи, и вычитание его из токов, измеренных по результатам воздействия напряжений на ДУЗ и эталон, позволяет исключить влияние тока смещения на результат измерения и тем самым так же повысить точность измерения параметров емкостного ДУЗ.
При создании системы измерения уровня заправки компонентами топлива жидкостной ракеты на основе вновь изобретенного способа определения уровня диэлектрического вещества при удалении ДУЗ до 500 м появляется возможность, в отличие от прототипа, получить следующие технические преимущества:
- обеспечить измерение значений электрической емкости ДУЗ в диапазоне (100-2500) пф с относительной погрешностью измерения не более 0,1%;
- обеспечить измерение сопротивления изоляции (контроль состояния электрически разобщенных цепей) от 50 кОм до 29 мОм с относительной погрешностью измерения не более 1,0%;
- обеспечить измерение уровня компонентов ракетного топлива при заправке ракеты «Союз-2» с относительной погрешностью не хуже ±0,5%. Реализация такой погрешности измерения даст существенный выигрыш в массе гарантийных запасов топлива (свыше сотни килограммов), что особенно актуально для разгонных блоков, типа блока «И».
Для практической реализации заявленного способа авторами использована технология автоматизированного проектирования электронных схем, построенная на применении программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) разработки фирмы Xilinx. На базе ПЛИС построены такие функциональные блоки, как аналогово-цифровой преобразователь интегрирующего типа, генератор синусоидального напряжения, схемы управления по частоте и масштабу усиления. При этом используется программное обеспечение Foundation Series. Данный пакет проектирования включает в себя комплекс средств, позволяющих осуществить разработку ПЛИС фирмы Xilinx, начиная от описания внутреннего содержимого устройства до загрузки конфигурации ПЛИС и отладки непосредственно на печатной плате. Программное обеспечение Foundation Series позволяет реализовать все необходимые функции, включая реализацию численных методов вычисления значений.
В качестве примера на фиг.1 представлена самая простая схема замещения емкостного ДУЗ, на фиг.2 представлена векторная диаграмма схемы замещения емкостного ДУЗ.
Для конкретности рассмотрим процедуру определения уровня заправки диэлектрического вещества в баке изделия РКТ. В качестве диэлектрического вещества можно рассмотреть, например, керосин.
Р
Пусть емкостному датчику уровня соответствует схема замещения, приведенная на фиг.1, где: С есть рабочая электрическая емкость датчика, которая несет полезную информацию об уровне заправки бака; R - сопротивление тока утечки через диэлектрик либо через кабельную линию связи, которое зависит в том числе и от сортности керосина и вносит погрешность в процесс измерения уровня заправки, если ее не учитывать.
Для векторной диаграммы емкостного ДУЗ, представленной на фиг.2, справедливы следующие соотношения:
Ток через ДУЗ равен:
Ток утечек через R равен:
1
Для определения параметров ДУЗ необходимо произвести измерение токов через датчик уровня и эталон. Так как емкостный датчик уровня является двухэлементным двухполюсником, то в соответствии с признаком формулы изобретения измерение тока необходимо проводить на одной частоте ω и постоянном токе.
1
1
Для этого согласно признаку формулы изобретения производят формирование синусоидального напряжения на сухом емкостном датчике уровня на частоте ω и напряжение постоянного тока. Затем последовательно производят измерение значений токов через сухой емкостный датчик уровня и эталон на частоте ω и постоянном токе. Значения напряжений и токов через эталон соответствуют выражениям:
Согласно векторной диаграмме фиг.2 модули измеряемых токов через емкостный датчик уровня можно записать следующими выражениями:
ω1
ω0
ω1
ω0
см
см
ω1
ω0
ω1
ω0
эт
эт
эт
эт
эт
После измерения токов I , I , I, I по (3, 4, 5, 6) в соответствии с признаком формулы изобретения производится измерение тока смещения при отключенном синусоидальном напряжении и напряжении постоянного тока питания ДУЗ - I и I , и измеренные токи смещения вычитаются из токов I , I , I, I по выражениям (3, 4, 5, 6).
ω1
ω0
Если в выражения (5), (6) подставить значения напряжений V и V, из результатов измерения эталона по выражениям (3), (4), то с учетом вычитания токов смещения получим два уравнения с двумя неизвестными, решая которые, получим окончательные выражения для определения параметров двухполюсника - датчика ДУЗ:
Перед заправкой бака изделия РКТ производят действия для настройки средств измерения, заключающейся в измерении токов через сухой емкостный датчик уровня, подключенный к средствам измерения через линию связи. Измеренные результаты токов фиксируются. С точки зрения практической реализации процедура фиксации может быть выполнена в виде операции сохранения результатов измерения в запоминающем устройстве, построенного по технологии Xillinx.
р
пр
После этого определяются параметры емкостного датчика уровня в соответствии с зависимостями (7) и (8). Результаты определения параметров сухого емкостного датчика С и R фиксируются и представляют собой исходные данные, необходимые для выполнения дальнейшей последовательности действий способа. Процедуру настройки средств измерения завершает действие согласно формуле изобретения по определению приращения электрической емкости емкостного датчика уровня, полностью погруженного в данном случае в керосин. Зависимость, по которой определяется приращение (С) электрической емкости, имеет вид:
где
СУХ
С - электрическая емкость емкостного датчика уровня, определяемая с учетом влияния линии связи по зависимости (7);
Ж
ε - известная диэлектрическая проницаемость керосина;
Г
ε - известная диэлектрическая проницаемость газовой подушки, расположенной в баке изделия РКТ над керосином.
Результат определения приращения емкости, выполненный по зависимости (9), фиксируется.
Совокупность признаков, обеспечивающая определение параметров сухого емкостного датчика уровня и приращение электрической емкости при его полном погружении в керосин с учетом влияния на результаты определения линии связи, позволяет процесс настройки средств измерения автоматизировать. Тем самым, совокупность вышеописанных признаков позволяет повысить технологичность и точность измерения за счет исключения инструментальной погрешности и человеческого фактора.
1
ТЕК
При осуществлении заправки бака изделия РКТ периодически производят последовательное измерение тока через заполняемый емкостный датчик уровня и эталон на частоте ω и постоянном токе. Причем на результат измерения токов через заполняемый емкостный датчик линия связи оказывает такое же влияние, как и при измерении тока через сухой емкостный датчик. Результаты измерений фиксируются. Затем после каждого измерения тока через заполняемый емкостный датчик и эталон осуществляется определение его параметров в соответствии с выражениями (7) и (8). Результат определения параметров датчика фиксируются. Электрическая емкость заполняемого емкостного датчика уровня является величиной переменной, поэтому ее можно назвать текущей С.
ТЕК
Затем осуществляют определение относительного заполнения емкостного датчика уровня керосином. Согласно признакам формулы изобретения это осуществляется следующим образом. Сначала определяется разность значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика - С и электрической емкости сухого емкостного датчика, определенная при настройке средств измерения по выражению
ТЕК
где С - значение электрической емкости заполняемого датчика уровня, полученное в соответствии с выражением (7). Аналитическое выражение электрической емкости заполняемого керосином емкостного датчика уровня можно записать в следующем виде:
где h - текущая высота погружения емкостного датчика уровня в керосин;
H - полная высота погружения датчика в керосин.
Далее определяется отношение разности электрических емкостей согласно выражению (10) и приращения электрической емкости полностью погруженного емкостного датчика уровня в керосин, которое можно записать в следующем виде
СУХ
ТЕК
Совокупность признаков, характеризующих определение относительного заполнения емкостного датчика уровня керосином как разность значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика уровня и электрической емкости сухого емкостного датчика уровня, отнесенную к приращению электрической емкости полностью погруженного в керосин емкостного датчика уровня, обеспечивает исключение влияния линии связи на результат определения уровня. Из аналитической зависимости (12) это следует очевидным образом, С и С определялись с учетом влияния линии связи, поэтому в отношении согласно выражению (12) влияние линии связи аналитически исключается.
Таким образом, вышеописанная совокупность признаков характеризует способ как инвариантный по отношению к линии связи.
Процесс периодического определения уровня продолжается до тех пор, пока бак изделия РКТ не будет заполнен до требуемого уровня.
Заявленный способ определения уровня диэлектрического вещества может быть реализован с помощью устройства, функциональные блоки которого выполнены на микросхеме 2S200PQ208 фирмы Xilinx. Численные решения представленных выше выражений могут быть реализованы с помощью программного пакета Foundation Series.
Заявленный способ авторами апробирован на макетном изделии. В настоящий момент авторами создается система измерения уровня заправки ракетного блока, которая предназначена для модернизации наземной аппаратуры одной из стартовых пусковых установок полигона «Байконур».
Литература
1. К.Б.Карандеев, Ф.Б.Гриневич, А.И.Новик. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры. М: «Энергия», 1966, с.135.
2. Патент РФ №2262669, «Способ определения уровня диэлектрического вещества», опубликованный 20.10.2005 в бюллетене №29, авторов Балакина С.В., Долгова Б.К. - прототип.