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)», описанный в патенте РФ №2025666, МПК: G01F 23/26, включающий 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 уровня диэлектрического вещества выставляет свои требования, способствующие поиску новых технических решений в области измерений. Обозначим наиболее характерные из них.
- Удаленность до 500 метров емкостного датчика уровня от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика уровня заправки, вмонтированного в бак ракеты, которая находится в испытательном корпусе или на стартовом комплексе во время се заправки компонентами топлива.
- Высокая точность измерения параметров удаленного двухполюсника, коим является емкостной датчик уровня. Очевидно, что точность измерений напрямую связана с объемом гарантийных запасов топлива на борту ракеты. Чем выше точность измерений, тем меньше потребные гарантийные запасы топлива, тем выше эффективность ракеты, позволяющей вывести большую полезную нагрузку.
- Требование высокой технологичности подготовки ракеты, исключающее процедуру предварительной настройки средства измерения человеком-оператором, а также позволяющее работу одного средства измерения с несколькими емкостными датчиками 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 расходованием 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 по 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 диэлектрической 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 RU 2262668 С2, МПК: G01F 23/26, «Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества», авторов Балакина С.В., Долгова Б.К., Хачатурова Я.В., Одновола И.Е., выбранное в качестве прототипа.
Устройство для 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 шестой подключены соответственно к второму входу блока управления по частоте, к первому входу вычислителя полного приращения электрической емкости, к первому входу вычислителя уровня, к первому входу вычислителя текущего приращения электрической емкости 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 аналого-цифрового преобразователя подключен к вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, третьи входы которых подключены к первому выходу блока управления по частоте, второй выход которого подключен к управляющему входу генератора синусоидального напряжения, причем выход вычислителя текущего приращения электрической емкости подключен к третьему входу вычислителя уровня, при этом выход блока управления переключением является выходом устройства.
При работе прототипа во время измерения уровня диэлектрического вещества с помощью емкостного датчика уровня, удаленного на достаточно большое расстояние (до 400 метров) от средства измерения, получаемый результат имеет малую погрешность измерения. Вычисление значений параметров (электрической емкости и активного сопротивления) сухого и заполняемого диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня, а также вычисление значения полного приращения электрической емкости датчика уровня при его полном погружении в диэлектрическое вещество обеспечивается в одинаковых условиях наличия длинной линии связи. Эти условия дают возможность учитывать влияние длинной линии связи на результатах вычислений прототипом параметров датчика уровня и практически полностью исключить влияние длинной линии на результат вычисления уровня. Однако практика эксплуатации ракетно-космической техники на стартовых комплексах показывает, что нередко в контактных группах электросоединителей кабельной линии связи возникают переходные сопротивления или обрывы, так как линия связи проходит по фермам кабельных мачт в условиях воздействия атмосферных осадков. В этом случае может возникнуть существенная погрешность при измерении основного параметра - уровня диэлектрического вещества. А это может иметь серьезные последствия, например недозаправку топливом баков ракеты носителя.
Из вышеописанного следует, что недостатком прототипа является существенное влияние кабельной линии связи на результат измерения уровня в случае, когда параметры линии связи значительно меняются непосредственно в процессе штатной работы.
Техническим результатом предлагаемого устройства для измерения уровня диэлектрического вещества является повышение надежности в его измерении, заключающееся в исключении неправильных результатов измерения уровня диэлектрического вещества, которые могут возникнуть из-за изменения электрического сопротивления длинной линии связи, возникающего при плохом контакте в электросоединителях, при обрывах токопроводящих жил, на «холодных» пайках, при попадании влаги и по ряду других причин.
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 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 шестой подключены соответственно к второму входу блока управления по частоте, к первому входу вычислителя полного приращения электрической емкости, к первому входу вычислителя уровня, к первому входу вычислителя текущего приращения электрической емкости 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 аналого-цифрового преобразователя подключен к вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, третьи входы которых подключены к первому выходу блока управления по частоте, второй выход которого подключен к управляющему входу генератора синусоидального напряжения, причем выход вычислителя текущего приращения электрической емкости подключен к третьему входу вычислителя уровня, при этом выход блока управления переключением является выходом устройства, в отличие oт прототипа введен второй блок задания схемы замещения, причем выходы первого и второго блоков задания схемы замещения подключены соответственно к первому и второму входам первого ключа, управляющий вход которого подключен к управляющему входу второго ключа и к седьмому выходу блока управления режимами, при этом выход первого ключа подключен к четвертым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, выход которого подключен к входу второго ключа, первый выход которого подключен к первому входу порогового элемента, второй вход которого подключен к шестому выходу блока управления измерением, а выход порогового элемента является выходом устройства и подключен к управляющему входу третьего ключа, вход которого подключен к выходу вычислителя уровня, при этом второй выход второго ключа и выход третьего ключа являются выходами устройства.
Признаки, характеризующие введение второго блока задания схемы замещения, подключение первого и второго блоков задания схемы замещения через управляемый ключ на входы вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, позволяют последовательно, после вычисления параметров двухполюсника и соответственно определения значения уровня подключить вторую схему замещения и определить значение переходного сопротивления в электрических измерительных цепях емкостного датчика уровня. Признаки, характеризующие подключение выхода вычислителя активного сопротивления через второй управляемый ключ и вновь введенный пороговый элемент на управляющий вход третьего ключа, позволяют измеренное значение активного сопротивления цепей емкостного датчика уровня сравнить в пороговом элементе с допускаемым значением сопротивления. В случае выхода измеренного значения сопротивления цепи за предел допуска выход вычислителя уровня через третий ключ отключается от выхода устройства. В этом случае результаты вычисления уровня на выход устройства не подаются, то есть признаются недостоверными путем выставления с выхода порогового элемента на выход устройства признака недостоверности вычисленного значения уровня. Таким образом, заявленное устройство приобретает новое качество, не позволяющее допустить ошибки в значении уровня заправки и, соответственно, ошибки при заправке РН из-за неисправностей в длинной линии связи между емкостным датчиком и измерительной аппаратурой. Данное качество существенно повышает надежность измерения уровня топлива при подготовке изделия к штатной работе.
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 емкостной 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, кабельную линию связи 2, измерительные входы устройства 3, 4-1,…4-n, а также генератор 5 синусоидального напряжения, соединенный с эталоном 6, выход которого через последовательно соединенные блок 7 переключения, преобразователь 8 ток-напряжение, масштабный  усилитель 9 и аналого-цифровой  преобразователь 10 подключен к входу блока 11 управления измерением, блок управления по частоте 12, блоки задания схем замещения 13 и 14, блок управления режимами 15, первый ключ 16, вычислитель электрической емкости 17, вычислитель активного сопротивления 18, вычислитель полного приращения электрической емкости 19, второй ключ 20, вычислитель текущего приращения электрической емкости 21, блок управления переключением 22, третий ключ 24, пороговый элемент 25. Выход аналого-цифрового преобразователя 10 подключен к вторым входам вычислителя электрической емкости датчика 17 и вычислителя активного сопротивления 18. Емкостные датчики уровня через измерительные входы устройства 3, 4-1,…,4-n подключены к соответствующим входам блока 7 переключения, а выходы с первого по шестой блока 11 управления измерением подключены к управляющим входам блока 7 переключения, преобразователя 8 ток-напряжение, масштабного 9 усилителя, аналого-цифрового 10 преобразователя, к первому входу блока 12 управления по частоте, к первым входам вычислителя 17 электрической емкости и вычислителя 18 активного сопротивления и к второму входу порогового 25 элемента, выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа 24. Причем выходы блока 12 управления по частоте подключены к управляющему входу генератора 5 синусоидального напряжения и к третьим входам вычислителя 17 электрической емкости и вычислителя 18 активного сопротивления. Блок 15 управления режимами выходами с первого по седьмой подключен соответственно к блоку 11 управления измерением, к блоку 12 управления по частоте, к первым входам вычислителя 19 полного приращения электрической емкости, вычислителя 21 текущего приращения электрической емкости, вычислителя 23 уровня соответственно, к блоку 22 управления переключением и к управляющим входам ключей 16, 20. Блоки задания схем замещения 13 и 14 подключены к входам ключа 16, выход которого подключен к третьим входам вычислителей электрической емкости и активного сопротивления. Выход вычислителя 17 электрической емкости подключен к вторым входам вычислителя 19 полного приращения электрической емкости и вычислителя 21 текущего приращения электрической емкости, выход которого подключен к третьему входу вычислителя 23 уровня, выход которого подключен к входу третьего ключа 24, выход которого является выходом устройства. Выход вычислителя 18 активного сопротивления подключен к входу второго ключа 20, первый выход которого подключен к входу порогового 25 элемента, выход которого является выходом устройства и подключен к управляющему входу третьего 24 ключа, а второй выход второго ключа 20 является выходом устройства. Выход блока 22 управления переключением подключен к второму управляющему входу блока 7 переключения и является выходом устройства. Причем n-емкостных датчиков уровня подключены к измерительным 3 и 4-1,…, 4-n входам через экранированную кабельную линию 2 связи. Экраны линии связи у измерительных входов соединены и подключены к земляной клемме генератора 5 синусоидального напряжения.
Работу устройства рассмотрим на примере измерения уровня диэлектрического вещества, в качестве которого использован, например, керосин или кислород, в баках многоступенчатой ракеты. Емкостные датчики уровня, подключенные с помощью кабельной линии 2 связи, удалены от устройства на расстояние до 500 метров. Электрическая емкость сухого датчика уровня может составлять около 500 пФ, а паразитная электрическая емкость жила-экран кабельной линии связи, в качестве которой может быть использован, например, кабель РК 75, может составлять около 30000 пФ. Электрическая схема замещения емкостного датчика уровня соответствует параллельно соединенным электрической емкости Ср 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 существенное значение для точности измерения уровня диэлектрического вещества.
Представленный на фиг.2 алгоритм работы устройства для измерения уровня диэлектрического вещества обеспечивает пояснение работы устройства согласно фиг.1. Блоки, выделенные пунктиром и включающие ту или иную функцию алгоритма, указывают на принадлежность этой функции в охватываемом блоке.
Согласно алгоритму фиг.2 работа устройства состоит из двух режимов.
- Режим настройки устройства, который заключается в последовательном измерении через кабельную линию 2 связи токов через каждый емкостный датчик уровня и эталон с последующим вычислением значений электрической емкости каждого сухого (незаполненного диэлектрическим веществом) емкостного датчика уровня. Затем следует вычисление значения приращения электрической емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество каждого датчика. При вычислении значения приращения электрической емкости датчика уровня, полностью погруженного в диэлектрическое вещество, используются вычисленное значение электрической емкости сухого датчика и заданные значения диэлектрической проницаемости топлива (окислителя, горючего) и газовой среды подушки бака. Причем все измеренные и расчетные значения величин сохраняются в памяти функциональных блоков устройства.
- Режим измерения уровня, который заключается в измерении через кабельную линию связи значений токов через каждый емкостный датчик и эталон с последующим вычислением значений текущей электрической емкости каждого заполняемого диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня. Затем вычисляется текущее приращение электрической емкости каждого заполняемого датчика, после чего вычисляется относительное заполнение, выраженное в процентном отношении, каждого емкостного датчика (вычисляется уровень). При этом в отличие от прототипа в устройство введены дополнительные функциoнaльные блоки, реализующие дополнительный, вновь введенный режим контроля состояния электрических цепей емкостных датчиков. Вновь введенный контроль состояния цепей датчиков используется только в режиме измерения уровня. Результаты контроля состояния цепей датчиков через вновь введенный функциональный блок отключают/подключают вычислитель уровня к выходу устройства, при этом снимают/выставляют признак достоверности измерения.
Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества согласно фиг.2 работает следующим образом. Блок 15 управления режимами вначале устанавливает режим настройки устройства.
В этом случае в блок 11 управления измерением выдается число необходимых измерений, в данном случае 2 для каждого датчика, так как емкостной датчик уровня является двухэлементным двухполюсником. 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).
1
2
В блок 12 управления по частоте задаются значения частот ω, ω, на которых будут производиться измерения токов.
В вычислитель 19 полного приращения электрической емкости 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.
В вычислитель 21 текущего приращения электрической емкости выдаются значения диэлектрических проницаемостей окислителя и горючего, а также диэлектрические проницаемости газовой среды, находящейся в газовой подушке. Эти параметры необходимы для получения расчетных значений текущего приращения электрической емкости каждого емкостного датчика, заполняемого в процессе заправки диэлектрическим веществом.
Вновь введенный первый ключ 16, к первому и второму входам которого подключены блоки задания 13 и 14 схемы замещения, причем блок 14 введен вновь, выдаст на четвертые входы вычислителя 17 электрической емкости и вычислителя 18 активного сопротивления соответственно схемы замещения объектов измерения, в частности емкостных датчиков уровня. Если блоком 15 управления режимами не задан режим контроля состояния электрических цепей датчиков (задается только в режиме измерения уровня диэлектрического вещества), то на входы блоков 17 и 18 через ключ 16 подключается блок 13 и выдается соответствующая схема замещения. В противном случае подключается блок 14 и выдается другая схема замещения. Причем на вторые входы блоков 17 и 18, подключенных к выходу аналого-цифрового  преобразователя 10, выдаются в процессе настройки или измерения уровня значения токов, а на третьи входы блоков 17 и 18 подаются с выхода блока 12 управления по частоте значения частот, на которых осуществляются измерения токов. Схема замещения объекта измерения, формируемая блоком 13, соответствует параллельно соединенным электрической емкости и активному сопротивлению, при этом расчетные зависимости для определения параметров объекта измерения имеют нижеследующий вид и которые в вышеназванных блоках фиксируются:
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>2</mn></mrow><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ω</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>;</mo><mtext>                                                        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ω</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>2</mn></mrow><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>ω</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>ω</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></msqrt><mo>.</mo><mtext>                                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
ЭТ
ω1
ω2
где ω, ω - величины известные и задаются блоком 12 управления по частоте; R - величина известная и задается блоком 13 задания схемы замещения; I, I - значения токов, которые измеряются как в процессе настройки, так и в процессе измерения и формируются с выхода аналого-цифрового преобразователя.
Схема замещения, формируемая блоком 14, соответствует последовательно соединенным электрической емкости и активному сопротивлению, при этом расчетная зависимость для определения сопротивления электрической цепи емкостного датчика уровня имеет нижеследующий вид и которая в блоке 18 фиксируется
<mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msubsup><mi>ω</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>2</mn></mrow><mrow><mi>Э</mi><mi>Т</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>ω</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ω</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>.</mo><mtext>                                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В блок 22 управления переключением задается количество подключенных к устройству емкостных датчиков уровня, а также выдается сигнал, по которому блок 22 через блок 7 переключения управляет подключением к измерительной цепи преобразователя 8 ток-напряжение второго измерительного входа (первого емкостного датчика уровня).
После того как блок 15 управления режимами осуществил приведение устройства в исходное состояние, необходимое для выполнения процесса его настройки, начинается процесс настройки.
i
i
В этом случае согласно фиг.2 блок управления измерением 11 осуществляет измерение и фиксирование токов через первый емкостной датчик уровня и эталон в соответствии с алгоритмом фиг.3. Согласно фиг.3 блок управления измерением 11, которому задано блоком управления режимами 15 число измерений (в данном случае 2), выставляет в блок 12 управления по частоте сигнал установки первой частоты, на которой должны быть проведены измерения токов через первый емкостной датчик уровня и эталон 6. Согласно фиг.3 блок 11 присваивает индексу текущей частоты измерения i значение 1 и выставляет в блок 12 управления по частоте соответствующий сигнал. После чего блок 11 управления по частоте выставляет и фиксирует в вычислителе 17 электрической емкости и в вычислителе 18 активного сопротивления значение первой частоты ω, а на управляющий вход генератора 5 синусоидального напряжения подает сигнал, согласно которому последний на выходе формирует напряжение заданной первой частоты ω.
ωi
ЭТ
Напряжения заданной частоты U поступают на измерительные входы устройства для питания подключенного емкостного датчика уровня и эталона. Далее блок управления измерением 11 устанавливает признак j положения ключа блока переключения 7. Положений у ключа 2, а признаку j присваивается значение 1. Согласно этому признаку первый или текущий емкостной 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 7 поступает через преобразователь ток-напряжение 8 на вход масштабного усилителя 9. Масштабный усилитель обеспечивает усиление напряжения в соответствии с масштабом, который ему задает блок управления измерением 11. С выхода масштабного усилителя напряжение поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 10 интегрирующего типа. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выполнен в виде двухтактного итератора. 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 11. 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). Измеренное с соответствующим масштабом значение тока фиксируется в вычислителе 17 электрической емкости, в вычислителе 18 активного сопротивления для дальнейшего его использования в вычислениях согласно выражениям (1), (2) и (3). Далее, согласно фиг.3 если j не равно 2, то его значение в блоке управления измерением 11 увеличивается на единицу и там же формируется управляющий сигнал на переключение ключа блока переключения 7 во второе положение. Это соответствует тому, что эталон отключается и подключается емкостной датчик уровня к измерительной цепи.
i
i
Далее процедура измерения тока через датчик уровня определяется действиями, описанными при измерении тока через эталон. После того как измеренное значение тока через емкостной датчик уровня будет зафиксировано в вычислителе 17 электрической емкости и вычислителе 18 активного сопротивления, алгоритм согласно фиг.3 перейдет к анализу условия, в котором j равно 2. Так как ключ блока 7 переключения находится во втором положении, то условие будет выполнено и алгоритм перейден к анализу следующего условия, в котором будет осуществлен анализ текущей частоты измерения. Так как измерение производилось на первой частоте, то условие не будет выполнено, и алгоритм перейдет к выполнению действия по установке второй частоты ω. В результате будет выполнено действие i:=i+1 и блок 11 управления измерением выставит сигнал об установке второй частоты ω. По этому сигналу блок 12 управления по частоте формирует сигнал в генератор 5 синусоидального напряжения, для того чтобы установить вторую частоту, предназначенную для питания емкостного датчика уровня или эталона. Одновременно блок 12 управления по частоте выставляет и фиксирует в вычислителе 17 электрической емкости и в вычислителе 18 активного сопротивления значение второй частоты, которая в дальнейшем используется для расчета параметров двухполюсника. После этого блок 11 управления измерением инициирует измерение. Процедура измерения токов на второй частоте повторяется согласно вышеописанному.
После того как число измерений i будет равно 2,  условие последнего блока алгоритма согласно фиг.3 будет выполнено и алгоритм закончит свою работу. Это будет соответствовать завершению процедуры измерения тока через первый емкостной датчик уровня.
Согласно фиг.2 алгоритм осуществляет вычисление и фиксацию в блоках 17 и 18 значений электрической емкости и активного сопротивления первого емкостного датчика уровня. Результаты вычисления значения электрической емкости из блока 17 поступают в вычислитель 19 полного приращения электрической емкости и в вычислитель 21 текущего приращения электрической емкости, в которых фиксируются по команде из блока 15 управления режимами в ячейках памяти соответствующих номеру подключенного измерительного входа. Вычисленное значение активного сопротивления с выхода блока 18 поступает через второй ключ 20 на 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 15 управления режимами в вычислителе 19 полного приращения электрической емкости осуществляется вычисление полного приращения электрической емкости емкостного датчика уровня, полностью погруженного в диэлектрическое вещество, по следующей зависимости:
<mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>С</mi><mi>У</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ε</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mi>Г</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                                                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
СУХ
где С - электрическая емкость сухого емкостного датчика уровня, вычисленная по зависимости (1);
Ж
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического вещества;
Г
ε - диэлектрическая проницаемость газовой подушки, расположенной в баке ракеты над диэлектрическим веществом. Результаты вычисления полного приращения электрической емкости фиксируются в вычислителе 23 уровня 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 4-1 (первый емкостной датчик уровня). Поэтому алгоритм перейдет к выполнению действия k=k+1 в блоке 22 управления переключением, который через блок 7 переключения отключит измерительный вход 4-1 и подключит измерительный вход 4-2. Признаки, характеризующие подключение выхода блока управления режимами к входу блока управления переключением, выход которого подключен к второму управляющему входу блока переключения, обеспечивают последовательное подключение измерительных входов устройства к измерительной цепи преобразователя ток-напряжение, тем самым обеспечивают повышение эффективности устройства, последовательно подключая к устройству совокупность емкостных датчиков уровня. 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 электрический 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 и алгоритм переходит к  выполнению измерения уровня диэлектрического вещества. В режиме измерения уровня вычислитель 19 полного приращения электрической емкости выключается, так как эта функция на этом режиме по используется. Вычисленные значения электрической емкости полностью погруженных емкостных датчиков зафиксированы в вычислителе 23 уровня и будут использованы при вычислении уровня по каждому емкостному датчику на режиме измерения уровня.
Блок 15 управления режимами устанавливает режим измерения уровня диэлектрического вещества и в блоке 22 управления переключением присваивает k значение 1. При этом блок управления режимами  устанавливает либо режим измерения уровня диэлектрического вещества, либо режим контроля состояния электрических цепей датчиков уровня.
В первом случае блок 15 через ключ 16 подключает блок 13 задания схемы замещения к входам вычислителя 17 электрической емкости и вычислителю 18 активного сопротивления, а также через второй ключ 20 выход вычислителя 18 активного сопротивления подключает к входу устройства. Выход вычислителя 23 уровня через третий ключ остается подключенным к выходу устройства, по которому выдается значение уровня диэлектрического вещества.
Во втором случае блок 15 через ключ 16 подключает блок 14 задания схемы замещения к входам вычислителя 17 электрической емкости и вычислителя 18 активного сопротивления, а также через второй ключ 20 выход вычислителя 18 активного сопротивления подключает к входу порогового  элемента 25, в память которого из блока 11 управления измерением внесено предельное значение сопротивления электрических цепей датчиков. При этом пороговый   элемент 25 управляет ключом 24, который в случае превышения измеренного значения сопротивления цепи датчика предельного значения отключает выход вычислителя 23 уровня от выхода устройства, по которому выдается значение уровня диэлектрического вещества. В этом случае пороговый элемент выставляет на выходе устройства признак недостоверности значения уровня.
Блок управления переключением через блок 7 переключения подключает к измерительной цепи первый измерительный вход. После этого блок 15 управления режимами формирует в блок 11 управления измерением сигнал, по которому последний запускает алгоритм измерения токов через эталон и заполняемый диэлектрическим веществом первый емкостной датчик уровня. Процедура измерения токов через емкостной датчик уровня и эталон осуществляется блоками 8, 9, 10 и 11  и представлена алгоритмом согласно фиг.3 прототипа.
ТЕК
После того как процесс измерения токов через емкостной датчик уровня и эталон будет завершен, алгоритм согласно фиг.2 перейдет к вычислению текущего значения электрической емкости заполняемого датчика уровня и его активного сопротивления, используя при этом измеренные значения токов через емкостной датчик уровня и эталон. Вышеуказанные процедуры выполняются блоками 17 и 18. Вычисленное значение электрической емкости заполняемого датчика С с выхода блока 17 поступает в вычислитель 21 текущего приращения электрической емкости, 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>С</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Е</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Е</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>С</mi><mi>У</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                            </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ТЕК
где С- вычисленное на базе измеренных токов текущее значение электрической емкости заполняемого диэлектрическим веществом датчика уровня.
Для первого случая вычисленное значение активного сопротивления заполняемого диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня с выхода блока 18 поступает на R выход устройства и используется для оценки состояния датчика и его кабельной сети.
ТЕК
Затем по управляющему воздействию блока 15 управления режимами вычислитель 23 уровня производит вычисление относительного заполнения диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня, а вычислитель 21 выставляет в вычислитель 23 уровня значение текущего приращения электрической емкости ΔС заполняемого диэлектрическим веществом датчика уровня.
Вычислитель 23 уровня производит его вычисление по следующей зависимости:
<mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>H</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>С</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Е</mi><mi>К</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Е</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>С</mi><mi>У</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>С</mi><mi>У</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ε</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mi>Г</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Значение полного приращения электрической емкости полностью погруженного датчика занесено в память вычислителя 23 уровня в режиме настройки устройства.
Признаки, характеризующие подключение через ключ 16 блоков 13, 14 задания схемы замещения к входам вычислителя 17 электрической емкости и вычислителя 18 активного сопротивления, обеспечивают контроль состояния электрических цепей емкостных датчиков уровня. А признаки, характеризующие подключение через второй ключ 20 выхода вычислителя 18 активного сопротивления к входу порогового элемента 25, в память которого из блока 11 управления измерением внесено предельное значение сопротивления электрических цепей датчиков, при этом пороговый элемент 25 управляет ключом 24, который в случае превышения измеренного значения сопротивления цепи датчика предельного значения отключает выход вычислителя уровня 23 от выхода устройства, обеспечивают отключение от выхода устройства недостоверного значения измеренного уровня диэлектрического вещества. Таким образом, совокупность вышеописанных признаков придает заявленному устройству в отличие от прототипа новое качество - повышение надежности в измерении уровня диэлектрического вещества, заключающееся в исключении неправильных результатов измерения, которые могут возникнуть из-за изменения электрического сопротивления длинной линии связи, возникающего при плохом контакте в электросоединителях, при обрывах токопроводящих жил, на «холодных» пайках, при попадании влаги и по ряду других причин. В этом случае пороговый элемент выставляет на выходе устройства признак недостоверности значения уровня.
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 22 управления переключением, который через блок 7 переключения отключит измерительный вход 4-1 и подключит измерительный вход 4-2. Дальнейшая работа устройства будет соответствовать вышеописанным действиям до тех пор, пока не будет выполнено условие k=n, т.е. пока не будут вычислены значения уровня заполнения диэлектрическим веществом каждого емкостного датчика уровня.
После этого блок 15 управления режимами установит режим контроля состояния электрических цепей датчиков уровня, при этом ключ 16 подключит блок 14 задания схемы замещения к входам вычислителя 17 электрической емкости и вычислителя 18 активного сопротивления, выход которого через второй ключ 20 будет подключен к пороговому элементу 25.
В этом случае блок 15 управления режимами присвоит в блоке 22 управления переключением k значение единица, в результате чего последний через блок 7 переключения подключит первый измерительный вход и запустит процесс контроля состояния электрических цепей первого емкостного датчика уровня, повторится вновь. Процедура циклического контроля состояния электрических каждого датчика уровня будет продолжаться до тех пор, пока не будет выполнено условие k=n.
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 С2, МПК: С01F 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 С2, кл. С01F 23/26.
2. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ. Измерительная техника. 1996, №6, с. 56-60.
3. Патент РФ №2025666, кл. G01F 23/26, «Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)».