УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
DEVICE TO MEASURE 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 аналога выбрано устройство «Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)», описанное в патенте РФ №2025666, МПК: G01F 23/26, включает группу измерительных емкостных датчиков, генератор переменного напряжения, два коммутатора, два преобразователя ток-напряжение, вычитающее устройство, синхронный детектор, компаратор, два триггера, дифференциатор, тактовый генератор, схему совпадения, счетчик импульсов, сумматор и цифровой индикатор. Причем каждый измерительный датчик выполнен в виде двух плоскопараллельных конденсаторов с неодинаковыми площадями электродов, которые располагаются горизонтально и симметрично относительно средних линий датчиков. Кроме того, вместо компараторов тока трансформаторного типа использовано вычитающее устройство, которое может быть построено на интегральной микросхеме.
Однако специфика эксплуатации изделий ракетно-космической техники 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 емкостного датчика уровня от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика контроля уровня заправки, вмонтированного в бак ракеты, которая находится в испытательном корпусе или на стартовом комплексе во время ее заправки компонентами топлива;
- высокая точность измерения параметров удаленного двухполюсника, коим является емкостный датчик уровня. Очевидно, что точность измерения напрямую связана с объемом гарантийных запасов топлива на борту ракеты. Чем выше точность измерения, 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, а также позволяющую работу одного средства измерения с несколькими емкостными датчика уровня ракеты поочередно;
- высокое быстродействие измерения уровня диэлектрического вещества, позволяющее расширить функциональные возможности устройства и использовать его аналогичным образом в уровнемере бортовой терминальной системы автоматического управления, которой является система управления расходом топлива ракеты.
В качестве другого аналога 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.
<mrow><mi>Δ</mi><mi>ψ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>n</mi></mrow></mfrac></mrow>
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 но отношению к циклически фазосдвигающему опорному меандру синусоидальное воздействие будет иметь неопределенный фазовый сдвиг, что приведет к появлению значительной погрешности измерения.
К недостаткам аналогов можно отнести: недостаточную точность определения параметров удаленного на некоторое расстояние емкостного датчика уровня; низкое быстродействие в ряде случаев его использования, например, в устройствах сигнализации прохождения уровнем неэлектропроводной жидкости заданных высот бака; недостаточную технологичность подготовки ракеты в связи с необходимостью предварительной настройки аппаратуры оператором.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте РФ 2262668 C2, МПК: G01R 23/26, «Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества», авторов Балакина С.В., Долгова Б.К., Хачатурова Я.В., Одновола И.Б., выбранное в качестве прототипа.
Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества, содержащее эталон, первый вывод которого подключен к первому входу блока переключения, а второй вывод эталона подключен к выходу генератора синусоидального напряжения и к первому измерительному входу устройства, при этом измерительные входы устройства со второго по (n+1)-й, где n - количество двухполюсников, подключены к соответствующим входам блока переключения, выход которого через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу блока управления измерением, выходы которого с первого по пятый подключены соответственно к первым управляющим входам блока переключения, масштабного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также к первому входу блока управления по частоте и к первым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а второй вход блока управления измерением подключен к первому выходу блока управления режимами, выходы которого со второго по седьмой подключены соответственно к второму входу блока управления по частоте, к входу блока задания схемы замещения, к первому входу вычислителя полного приращения электрической емкости, к первому входу вычислителя текущего приращения электрической емкости, к первому входу вычислителя уровня и к входу блока управления переключением, выход которого подключен к второму управляющему входу блока переключения, причем выход вычислителя электрической емкости подключен к второму входу вычислителя текущего приращения электрической емкости и к второму входу вычислителя полного приращения электрической емкости, выход которого подключен к второму входу вычислителя уровня, при этом выход блока задания схемы замещения подключен к вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, третьи входы которых подключены к первому выходу блока управления по частоте, причем выход вычислителя текущего приращения электрической емкости подключен к третьему входу вычислителя уровня, выход которого, а также выходы вычислителя активного сопротивления и блока управления переключением являются выходами устройства.
Опыт работы прототипа показал, что погрешность измерения уровня диэлектрического вещества может быть уменьшена еще больше, если измерить и учесть токи смещения на длинной кабельной линии связи до измеряемого емкостного датчика уровня, обусловленные наводками на длинную линию и работой выходных каскадов усилителей, а также увеличить разницу между частотами, на которых производятся измерения.
Таким образом, недостатком прототипа является недостаточная точность измерения уровня диэлектрического вещества на удаленном от средства измерения объекте измерения.
В связи с описанным выше техническим результатом предлагаемого устройства измерения уровня диэлектрического вещества является повышение точности измерения уровня диэлектрического вещества емкостным датчиком уровня, удаленным с помощью длинной кабельной линии связи от средства измерения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения уровня диэлектрического вещества, содержащем эталон, первый вывод которого подключен к первому входу блока переключения, а второй вывод эталона подключен в первому измерительному входу устройства, при этом измерительные входы устройства со второго по (n+1)-й, где n - количество двухполюсников, подключены к соответствующим входам блока переключения, выход которого через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключены к первому входу блока управления измерением, выходы которого с первого по пятый подключены соответственно к первым управляющим входам блока переключения, масштабного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также к первому входу блока управления по частоте и к первым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, причем второй вход блока управления измерением подключен к первому выходу блока управления режимами, выходы которого со второго по седьмой подключены соответственно к второму входу блока управления по частоте, к входу блока задания схемы замещения, к первому входу вычислителя полного приращения электрической емкости, к первому входу вычислителя текущего приращения электрической емкости, к первому входу вычислителя уровня и к входу блока управления переключением, выход которого подключен к второму входу блока переключения, причем выход вычислителя электрической емкости подключен к вторым входам вычислителя текущего приращения электрической емкости и вычислителя полного приращения электрической емкости, выход которого подключен к второму входу вычислителя уровня, причем выход блока задания схемы замещения подключен к вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, третьи входы которых подключены к первому выходу блока управления по частоте, при этом выход вычислителя текущего приращения электрической емкости подключен к третьему входу вычислителя уровня, выход которого, а также выходы вычислителя активного сопротивления и блока управления переключением являются выходами устройства, в отличие от прототипа, введен формирователь разности токов, выход которого подключен к четвертым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, при этом выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу формирователя разности токов, второй вход которого подключен к шестому выходу блока управления измерением, седьмой и восьмой выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго ключей, которые соединены последовательно, причем выход первого ключа подключен к первому измерительному входу устройства, а первый и второй входы второго ключа подключены соответственно к выходам источника постоянного тока и генератора синусоидального напряжения, управляющий вход которого подключен ко второму выходу блока управления по частоте.
Признаки, характеризующие подключение двухполюсника к первому измерительному входу через первый и второй ключи, а также характеризующие введение формирователя разности токов и подключение его к выходу аналого-цифрового преобразователя и к входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления позволяют, в отличие от прототипа, запитать испытуемый двухполюсник от источника постоянного тока или от генератора синусоидальных напряжений, обеспечивая наибольшую разницу измерительных частот (вторая частота равна нулю), а также позволяют исключить влияние токов смещения, возникающих на длинной кабельной линии связи до емкостного датчика уровня из-за наводок.
Совокупность этих признаков позволяет в заявленном устройстве:
- увеличить точность измерения уровня диэлектрического вещества (так как погрешность определения параметров емкостного датчика уровня заправки уменьшается приблизительно c ±0,2% до ±0,1%);
- производить через длинную кабельную линию связи измерение уровня диэлектрического вещества с улучшением точностных характеристик (в ряде практических случаев длина соединительной линии может достигать от 100 до 500 метров).
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения уровня диэлектрического вещества.
На фиг.2 представлен алгоритм работы устройства для измерения уровня диэлектрического вещества.
На фиг.3 представлен алгоритм измерения токов через емкостный датчик уровня и эталон.
Представленная на фиг.1 функциональная схема устройства для измерения уровня диэлектрического вещества содержит n двухполюсников, в частности, емкостных датчиков уровня 1-1, …, 1-n, которые через кабельную линию 2 подключены к измерительному входу 3 и измерительным входам 4-1, …, 4-n, эталон 5, блок переключения 6, преобразователь ток-напряжение 7, масштабный усилитель 6, аналого-цифровой преобразователь 9, первый ключ 10, второй ключ 11, блок управления измерением 12, формирователь разности токов 13, источник постоянного тока 14, генератор синусоидального напряжения 15, блок управления по частоте 16, блок управления режимами 17, блок задания схемы замещения 18, вычислитель электрической емкости 19, вычислитель активного сопротивления 20, вычислитель полного приращения электрической емкости 21, вычислитель текущего приращения электрической емкости 22, блок управления переключением 23, вычислитель уровня 24. Измерительные входы 4-1, …, 4-n подключены к входам блока переключения 6, выход которого через преобразователь ток-напряжение 7, масштабный усилитель 8 и аналого-цифровой преобразователь 9, подключен к входам блока управления измерением 12 и формирователя разности токов 13, выход которого подключен к входам вычислителя электрической емкости 19 и вычислителя активного сопротивления 20, причем измерительный вход 3 датчиков уровня через последовательно соединенные первый и второй ключи 10 и 11 соответственно подключен к выходам источника постоянного тока 14 и генератора синусоидального напряжения 15. Также выход первого ключа 10 подключен к эталону 5, выход которого подключен к блоку переключения 6, а выходы блока управления измерением подключены к управляющим входам первого 10 и второго 11 ключей, масштабного усилителя 8, аналого-цифрового преобразователя 9, формирователя разности токов 13, блока переключения 6, вычислителя электрической емкости 19, вычислителя активного сопротивления 20 и блока управления по частоте 16, выходы которого подключены к управляющему входу генератора синусоидального напряжения 15 и к входам вычислителя электрической емкости 19 и вычислителя активного сопротивления 20, причем блок задания схемы замещения 18 подключен также к входам вычислителя электрической емкости 19 и вычислителя активного сопротивления 20. Блок управления режимами 17 соединен с входами блока управления но частоте 16, блока задания схемы замещения 18, вычислителя полного приращения электрической емкости 21, вычислителя текущего приращения электрической емкости 22, вычислителя уровня 24, блока управления измерением 12 и блока управления переключением 23, выход которого соединен со входом блока переключения 6, а вычислитель электрической емкости 19 через вычислитель текущего приращения электрической емкости 22 подключен к входу вычислителя уровня 24, другой вход которого соединен с выходом вычислителя полного приращения емкости 21, вход которого соединен с выходом вычислителя электрической емкости 19. Выходы вычислителя активного сопротивления 19, вычислителя уровня 24 и блока управления переключением 23 являются выходами устройства. Причем n емкостных датчиков уровня подключены к измерительным входам 4-1, …, 4-n и измерительному входу 3 через экранированную кабельную линию связи 2. Экраны линии связи у измерительных входов соединены и подключены к земляной клемме устройства.
P
Работу устройства рассмотрим на примере измерения уровня диэлектрического вещества, в качестве которого использован, например, керосин и кислород, в баках многоступенчатой ракеты. Емкостные датчики уровня, подключенные с помощью линии 2 связи, удалены от устройства на расстояние 500 метров. Электрическая емкость сухого датчика уровня пусть составляет 500 пФ, а паразитная электрическая емкость жила-экран кабельной линии связи, в качестве которой может быть использован, например, кабель РК 75, может составлять порядка 30000 пФ. Электрическая схема замещения емкостного датчика уровня соответствует параллельно соединенным электрической емкости C и активному сопротивлению R. Активная составляющая полного сопротивления емкостного датчика уровня определяется состоянием сопротивления изоляции кабельной линии связи, сортностью керосина и влажностью газовой подушки топливного бака. Значение активной составляющей может находиться в пределах от 200 кОм до 20 мОм. Поэтому учет этой составляющей при определении комплексного сопротивления емкостного датчика уровня имеет принципиальное значение для точности измерения уровня заправки.
Представленный на фиг.2 алгоритм работы устройства для измерения уровня диэлектрического вещества поясняет работу устройства, представленного на фиг.1. Блоки, выделенные пунктиром и включающие ту или иную функцию алгоритма, указывают на принадлежность этой функции охватываемому блоку.
Согласно алгоритму фиг.2 работа устройства состоит из двух режимов:
- режим настройки устройства, который заключается в настройке системы на конкретный емкостный 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. Причем 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).
Блок управления режимами 17 устанавливает режим работы устройства. В этом случае:
- в блоки вычисления электрической емкости 19 и вычисления активного сопротивления 20 выдаются значения эталонного сопротивления, а в блоки вычисления полного приращения электрической емкости 21 и текущего приращения электрической емкости 22 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,
- блок задания схемы замещения 18 выдаст в вычислитель электрической емкости 19 и вычислитель активного сопротивления 20 соответственно расчетные зависимости следующего вида, которые в вышеназванных блоках фиксируются:
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>R</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>J</mi><mi>P</mi><mo>~</mo></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>J</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>~</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>J</mi><mi>P</mi><mo>=</mo></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>J</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>=</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>J</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>=</mo></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>J</mi><mi>P</mi><mo>=</mo></msubsup></mrow></mfrac><msub><mi>R</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ЭТ
<mrow><msubsup><mi>J</mi><mi>P</mi><mo>~</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>J</mi><mi>P</mi><mo>=</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>J</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>~</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>J</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>=</mo></msubsup></mrow>
где ω - частота измерительного сигнала, величина известная и задается блоком управления но частоте 16; R - величина известная и задается блоком управления режимами 17;
,
,
,
- значения токов через датчик и эталон с учетом токов смещения, которые необходимо вычислять как в процессе настройки, так и в процессе измерения, причем индексы ~ и = указывают, что измерение проводится на переменном или постоянном токе соответственно;
- в блок управления измерением 12 выдается число необходимых измерений, в данном случае 3 для каждого датчика, которыми являются измерение переменного тока через датчик, измерение постоянного тока через датчик и измерения токов смещения. 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 (при заполнении каждого датчика диэлектрическим веществом), а также для вычисления активного сопротивления датчика и компенсации токов смещения;
- в блок управления по частоте 16 задается значение частоты ω, на которой будет производиться измерение токов;
- в блок управления переключением 23 задается количество подключенных к устройству емкостных датчиков уровня, а также выдается сигнал, по которому блок 23 через блок переключения 6 управляет подключением к цепи преобразователя ток-напряжение 7 датчиков уровня.
После того как блок управления режимами 17 осуществил приведение устройства в исходное состояние, он с помощью блока 23 через блок 6 подключает первый датчик уровня. Затем устройство переходит в режим настройки.
В этом случае согласно фиг.2 блок управления измерением 12 осуществляет измерение и фиксирование токов через первый емкостный датчик уровня и эталон в соответствии с алгоритмом фиг.3. Согласно фиг.3 блок управления измерением 12, которому задано блоком управления режимами 17 число измерений (в данном случае 3), устанавливает признак i положений первого 10 и второго 11 ключей и присваивает этому признаку значение 1. Ключи 10 и 11 реализуют 3 комбинации, согласно которым на входы емкостных датчиков уровня и эталона подается напряжение переменного тока либо напряжение постоянного тока, либо входы датчиков и эталона отключены от питающих цепей для измерения токов смещения. Затем блок управления измерением 12 выставляет в блок управления по частоте 16 сигнал, по которому последний выставляет значение частоты генератору синусоидального напряжения 15. Также блок управления по частоте 16 выставляет и фиксирует в вычислителе электрической емкости 19 и в вычислителе активного сопротивления 20 значение частоты ω.
Далее блок управления измерением 12, согласно индексу текущего измерения, выдает сигнал управления второму ключу 11, который подключает к питающим цепям датчика генератор синусоидального напряжения 15, формирующий синусоидальный сигнал с частотой ω, причем первый ключ 10 остается в замкнутом положении. Также блок управления измерением 12 выставляет и фиксирует в вычислителе электрической емкости 19 и в вычислителе активного сопротивления 20 вид текущего измерения, которым является измерение на переменном токе.
ωi
ЭТ
Напряжение заданной частоты U поступает на измерительные входы устройства для питания подключенного емкостного датчика уровня и эталона. Далее блок управления измерением 12 устанавливает признак j положения ключа блока переключения 6. Положений у ключа 2, а признаку j присваивается значение 1. Согласно этому признаку первый или текущий емкостный датчик уровня отключен от измерительной цепи, а вместо него к измерительной цепи подключен эталон 5. В качестве эталона может быть использован резистор сопротивлением R.
Значение тока измеряется следующим образом. Согласно фиг.1 ток через эталон с выхода блока переключения 6 поступает через преобразователь ток-напряжение 7 на вход масштабного усилителя 8. Масштабный усилитель обеспечивает усиление напряжения в соответствии с масштабом, который ему задает блок управления измерением 12. С выхода масштабного усилителя напряжение поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 9 интегрирующего типа. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выполнен в виде двухтактного интегратора. Выбор такого вида АЦП обусловлен, прежде всего, высокой линейностью характеристики, большой разрешающей способностью и хорошим подавлением высокочастотной помехи. АЦП работает в два такта, первый такт - заряд интегратора, второй такт - его разряд. В первый такт происходит интегрирование входного сигнала, являющееся 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 12. Оцифрованное значение измеренного тока поступает в блок управления измерением 12 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.2. Согласно этому алгоритму анализируется число α, которое равно отношению значения полной емкости АЦП к цифровому значению измеренного тока. Исходя из вычисленного значения числа α, выбирается один из четырех масштабов (16; 8; 4; 2; 1). После того как определен масштаб усиления измеряемого тока, он фиксируется в вычислителе электрической емкости 19 и в вычислителе активного сопротивления 20 для дальнейших операций по определению параметров емкостного датчика уровня. Измеренное с соответствующим масштабом значение тока фиксируется в формирователе разности токов 13 для дальнейшей компенсации токов смещения. Далее, согласно фиг.3, если j не равно 2, то его значение в блоке управления измерением 12 увеличивается на единицу и там же формируется управляющий сигнал на переключение ключа блока переключения 6 во второе положение. Это соответствует тому, что эталон отключается и подключается емкостный датчик уровня к измерительной цепи.
Далее процедура измерения тока через датчик уровня определяется действиями, описанными при измерении тока через эталон. После того как измеренное значение тока через емкостный датчик уровня будет зафиксировано в формирователе разности токов 13, алгоритм согласно фиг.3 перейдет к анализу условия, в котором j равно 2. Так как ключ блока 6 переключения находится во втором положении, то условие будет выполнено и алгоритм перейдет к анализу следующего условия, в котором будет осуществлен анализ текущего измерения. Так как измерение производилось на переменном токе (первое измерение), то условие не будет выполнено, и алгоритм перейдет к выполнению действия но установке второго измерения, которым является измерение на постоянном токе.
В результате будет выполнено действие i:=i+1 и блок управления измерением 12 с помощью второго ключа 11 подключит источник постоянного тока к входам измерительных датчиков и эталона. После этого блок управления измерением 12 инициирует измерение. Процедура измерения на постоянном токе повторяется согласно вышеописанному.
После того как будут измерены и зафиксированы токи через эталон и емкостный датчик уровня при измерении на постоянном токе, блок управления измерением 12 присвоит индексу текущего измерения i значение 3, согласно которому он разомкнет первый ключ 10. В этом случае измерение токов через эталон и емкостный датчик уровня будет проводиться при отключенных от входа датчиках и эталона генератора синусоидального напряжения и источника постоянного тока. Это необходимо для дальнейшей компенсации токов смещения, вызываемых наводками на длинную линию связи с целью повышения точности измерения. Измеренные значения токов смещения также фиксируются в формирователе разности токов 13.
После того как число измерений i будет равно 3, то условие последнего блока алгоритма согласно фиг.3 будет выполнено и алгоритм закончит свою работу.
Это будет соответствовать завершению процедуры измерения тока через первый емкостный датчик уровня. Затем согласно алгоритму фиг.2 в формирователе разности токов 13 вычисляются значения каждого измеренного тока через датчик и эталон по следующим зависимостям:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msubsup><mi>J</mi><mi>P</mi><mo>~</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>P</mi><mo>~</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>P</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msubsup><mi>J</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>~</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>~</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>J</mi><mi>P</mi><mo>=</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>P</mi><mo>=</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>P</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msubsup><mi>J</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>=</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>=</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>P</mi><mo>~</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>P</mi><mo>=</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>P</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>~</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>=</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup></mrow>
где
,
,
,
,
,
- токи через рабочий датчик уровня и эталон, причем индекс "см" указывает на то, что измерение проводилось при отключенных генераторе синусоидального напряжения и источнике постоянного тока.
<mrow><msubsup><mi>J</mi><mi>P</mi><mo>~</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>J</mi><mi>P</mi><mo>=</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>J</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>~</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>J</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>=</mo></msubsup></mrow>
После вычисления формирователем разности токов 13 значений;
,
,
,
, они фиксируются в вычислитель электрической емкости 19 и вычислитель активного сопротивления 20.
Далее алгоритм осуществляет вычисление в блоках 19 и 20 значений электрической емкости и активного сопротивления первого емкостного датчика уровня по формулам (1), (2). Результаты вычисления значения электрической емкости из блока 19 поступают в блок вычисления полного приращения электрической емкости 21 и в блок вычисления текущего приращения электрической емкости 22, в которых фиксируются по команде из блока управления режимами 17 в ячейках памяти, соответствующих номеру подключенного измерительного входа. Вычисленное значение активного сопротивления с выхода блока 20 поступает па выход R устройства. Значение активного сопротивления характеризует состояние наземной и бортовой кабельной сетей и анализируется сопрягаемой с устройством аппаратурой на соответствие требуемых эксплуатационных характеристик.
По управляющему сигналу блока управления режимами 17 в вычислителе полного приращения электрической емкости 21 осуществляется вычисление полного приращения электрической емкости емкостного датчика уровня, полностью погруженного в диэлектрическое вещество по следующей зависимости:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>С</mi><mi>У</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mi>Г</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
СУХ
где C - 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.
Результаты вычисления полного приращения электрической емкости фиксируются в вычислителе уровня 24 в ячейке памяти, соответствующей номеру измеряемого входа (номеру емкостного датчика уровня).
Затем алгоритм переходит к анализу условия k=n. Условие не будет выполнено, так как был подключен второй измерительный вход (первый емкостный датчик уровня). Поэтому алгоритм перейдет к выполнению действия k=k+1 в блоке управления переключением 23, который через блок переключения 6 отключит второй измерительный вход и подключит третий измерительный вход.
Дальнейшая работа устройства будет соответствовать вышеописанным действиям до тех пор, пока не будет выполнено условие k=n, т.е. пока не будут вычислены значения электрических емкостей сухих датчиков уровня и вычислены значения электрических емкостей, полностью погруженных в диэлектрическое вещество всех n-датчиков уровня, последовательно подключаемых через кабельную сеть 2 к измерительным входам. При выполнении условия k=n заканчивается режим настройки устройства.
После этого по команде оператора устройство может быть переведено в режим измерения уровня. В этом режиме вычислитель полного приращения электрической емкости 21 выключается, так как эта функция на этом режиме не используется. Вычисленные значения электрической емкости полностью погруженных емкостных датчиков зафиксированы в вычислителе уровня 24 и будут использованы при вычислении уровня по каждому емкостному датчику на режиме измерения уровня.
Блок управления режимами 17 устанавливает режим измерения уровня диэлектрического вещества и в блоке управления переключением 23 присваивает k значение 1. Блок управления переключением 23 через блок переключения 6 подключает к измерительной цепи первый измерительный вход. После этого блок управления режимами 17 формирует в блок управления измерением 12 сигнал, по которому последний начинает измерения токов через заполняемый диэлектрическим веществом первый емкостный датчик уровня и эталон. Процедура измерения токов через емкостный датчик уровня и эталон представлена алгоритмом согласно фиг.3 и аналогична вышеописанному.
После измерения токов через емкостный датчик и эталон, формирователь разности токов 13 вычисляет токи с учетом компенсации наводок на линию связи согласно вышеописанному и фиксирует их в вычислителе электрической емкости 19 и вычислителе активного сопротивления 20.
ТЕК
Затем алгоритм согласно фиг.2 перейдет к вычислению текущего значения электрической емкости заполняемого датчика уровня и его активного сопротивления, используя при этом вычисленные значения токов через емкостный датчик уровня и эталон. Вышеуказанные процедуры выполняются блоками 19 и 20. Вычисленное значение электрической емкости заполняемого датчика C с выхода блока 19 поступает в вычислитель текущего приращения электрической емкости 22, в котором вычисляется и фиксируется значение приращения электрической емкости датчика в ячейке памяти, соответствующей номеру измерительного входа. Значение приращения электрической емкости заполняемого датчика вычисляется по следующей зависимости:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Е</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Е</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>С</mi><mi>У</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ТЕК
где C- вычисленное на базе измеренных комплексных токов текущее значение электрической емкости заполняемого диэлектрическим веществом датчика уровня.
Вычисленное значение активного сопротивления заполняемого диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня с выхода блока 20 поступает на R выход устройства и используется для оценки состояния датчика и его кабельной сети.
ТЕК
Затем по управляющему воздействию блока управления режимами 17 вычислитель уровня 24 производит вычисление относительного заполнения диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня, а вычислитель 22 выставляет в вычислитель 24 значение текущего приращения электрической емкости ΔC заполняемого датчика уровня.
Вычислитель уровня 24 производит вычисление относительного заполнения датчика по следующей зависимости:
<mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>H</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Е</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Е</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>С</mi><mi>У</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>С</mi><mi>У</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mi>Г</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Значение полного приращения электрической емкости полностью погруженного датчика было занесено в память вычислителя уровня 24 в режиме настройки устройства.
СУХ
ТЕК
ПР
Следует учесть, что вычисление сухой электрической емкости, полного приращения электрической емкости и текущего приращения электрической емкости произведено с учетом влияния длинной линии связи одним и тем же средством измерения. Это обстоятельство обеспечивает минимизацию влияния линии связи на результат вычисления уровня. Из аналитической зависимости (7) это следует очевидным образом, C и C определялись с учетом влияния линии связи, C также определялось с учетом влияния линии связи. Поэтому в отношении согласно выражению (7) влияние линии связи минимизируется.
Кроме того, данное устройство в отличие от прототипа становится полностью инвариантно к линии связи, поскольку ее влияние исключается в связи с компенсацией наводимых на нее помех.
Значение уровня h/H заполнения емкостного датчика подается на выход устройства, с которым сопрягается аппаратура стартового комплекса, управляющая подачей через наземное технологическое оборудование компонентов топлив (диэлектрических веществ) в баки ракеты.
Затем алгоритм переходит к анализу условия k=n. Условие не будет выполнено, так как был подключен первый измерительный вход. Поэтому алгоритм перейдет к выполнению действия k=k+1 в блоке управления переключением 23, который через блок переключения 6 отключит первый измерительный вход и подключит второй измерительный вход. Дальнейшая работа устройства будет соответствовать вышеописанным действия до тех нор, пока не будет выполнено условие k=n, т.е. пока не будут вычислены значения уровня заполнения диэлектрическим веществом каждого емкостного датчика уровня.
При выполнении условия k=n алгоритм перейдет к анализу условия на предмет заполнения всех баков до требуемого согласно полетному уровню задания. В случае, если уровень в баках не достиг такового, блок управления режимами 17 присвоит в блоке управления переключением 23 переменной k значение единица, в результате чего последний через блок переключения 6 подключит первый измерительный вход, и процесс измерения уровня заполнения каждого емкостного датчика уровня повторится вновь. Процедура циклического измерения заполнения каждого датчика уровня диэлектрическим веществом будет продолжаться до тех пор, пока каждый бак ракеты не будет заправлен до требуемого согласно полетному уровню задания.
Представленные на фиг.2, 3 алгоритмы работы устройства содержат действия, которые направлены на вычисление выражений с (1) по (7).
В примере исполнения устройства в формулах (1), (2) и (3) имеется такая функция, как извлечение квадратного корня. Алгоритм вычисления квадратного корня широко известен (например, см. патент РФ RU 2262668 C2, МПК: G01F 23/26).
Заявленное устройство авторами апробировано 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» и стартового комплекса космодрома «Куру» Гвианского космического центра.
Используемая литература
1. Балакин С.В., Долгов Б.К., Хачатуров Я.В., Одновол И.Е. «Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества», патент РФ №2262668 C2, МПК: G01F 23/26.
2. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.Л., 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)».