СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА И КАЧЕСТВА ТОПЛИВА В БАКЕ С ТРЕХСЛОЙНОЙ СМЕСЬЮ "ВОЗДУХ-ТОПЛИВО-ВОДА" И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING AMOUNT AND QUALITY OF FUEL IN THE TANK WITH THREE-LAYER MIXTURE "AIR-FUEL-WATER" AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к электрическим методам измерения и предназначены для определения количества топлива и его качества в баках транспортных средств и стационарных установок, в которых в процессе эксплуатации образуется трехслойная смесь «воздух (газ) - топливо - вода». Количество топлива определяется по разности измеряемых значений положения границы раздела «газ - топливо» и границы раздела «топливо - вода», качество топлива оценивается по измерениям его диэлектрической проницаемости. Оно применимо также для измерения количества веществ, полученных в результате сепарации жидких смесей в технологических установках пищевых производств.
Известно широко используемое для наземных транспортных средств устройство, в котором количество топлива определяют по положению поплавка в объеме бака (Хасанов М. М. Световодный поплавковый бесконтактный измеритель уровня жидкости с цифровым выходом показаний результатов. RU 2359237, C1, 20.06.2009). Это устройство имеет невысокую точность измерения, а наличие подвижных частей приводит к его низкой надежности.
В авиации применяют, в основном, емкостные датчики уровня. При тщательном контроле качества топлива и при наличии дополнительных датчиков температуры и давления они обеспечивают высокую точность измерения (Гришов А.П., Луцкий А.С, Спивак В.Б. Электроемкостный топливомер. RU 2014573, С1, 15.06.1994). Однако появление слоя воды в баке приводит, практически, к полной потере информативности датчика. Поэтому устройство дополняют поплавковым датчиком.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым изобретениям является способ, приведенный в работе (Лункин Б.В. «Многоканальный датчик параметров слоистых сред с одним чувствительным элементом». Автоматика и телемеханика. 2012 г., №10, стр. 127-141) - прототип. По способу-прототипу в резонаторе, который является чувствительным элементом датчика, возбуждают электромагнитные колебания на трех собственных частотах. По этим измеренным частотам решением системы уравнений, составленной из их зависимостей от параметров контролируемой среды, определяются значения параметров. Недостатком этого способа является то, что для получения приемлемой точности измерения, особенно в области малых значений количества топлива, требуется высокая точность определения собственных частот, что на практике трудно осуществить. При этом возникает проблема выбора начальных значений параметров при решении вышеуказанной системы уравнений для получения однозначных решений даже при высокой точности определения собственных частот.
Известно устройство (Лункин Б.В., Азмаипарашвили А.А. Устройство для измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре. RU 2427805, С1, 27.08.2011) - прототип. Реализующее данный способ устройство-прототип содержит синтезатор частоты электромагнитных колебаний, возбуждающий резонатор, который размещен в баке с контролируемой средой, детектор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, формирующий напряжение для перестройки частоты синтезатора и реализующий алгоритм определения параметров по трем измеренным собственным частотам. Недостатком этого устройства является то, что конфигурация чувствительного элемента и алгоритм преобразования собственных частот не обеспечивают необходимую точность; в нем даже не исключена возможность потери первичной информации.
-4
Технический результат способа измерения и устройства, его реализующего, заключается в обеспечении высокой точности определения количества топлива в трехслойной среде (с погрешностью, не превышающей нескольких долей процентов) по измеренным собственным частотам с практически реализуемой точностью (относительная погрешность не превышает значения 10) и осуществлении оценки качества топлива посредством измерения его диэлектрической проницаемости.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения количества и качества топлива в баке с трехслойной смесью «воздух - топливо - вода», по которому в размещенном в баке резонаторе возбуждают электромагнитные колебания на трех собственных частотах, измеряют их и по ним судят о параметрах контролируемой среды - положению двух границ раздела и диэлектрической проницаемости топлива, по этим параметрам определяют количество топлива и его качество, нижняя часть резонатора погружена в автономный контейнер, полностью заполненный водой, а остальная его часть погружена в контролируемую смесь, для полностью заправленного топливом бака по трем измеренным собственным частотам резонатора определяют суммарное количество воды в баке и контейнере и диэлектрическую проницаемость топлива, их значения заносят в архив, по мере расходования топлива в зависимости от его количества параметры трехслойной смеси определяют в трех режимах, при большом количестве топлива - по трем измеренным собственным частотам резонатора, при среднем количестве - по двум из измеренных собственных частот и архивному значению суммарного количества воды в баке и контейнере, при малом количестве топлива - по одной из измеренных частот и архивным значениям суммарного количества воды и диэлектрической проницаемости топлива.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для реализации предлагаемого способа содержится синтезатор частоты электромагнитных колебаний, резонатор, размещенный в баке с контролируемой смесью, детектор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, формирующий напряжение для перестройки частоты синтезатора и реализующий алгоритм измерения, резонатор выполнен в виде W-образнораспределенного в металлической трубе проводника в диэлектрической оболочке, нижняя часть которого изолирована от контролируемой смеси металлическим экраном, размещенным на внешней поверхности этой оболочки.
На фиг. 1 представлены графики погрешностей для разного количества топлива и воды.
На фиг. 2 - зависимость погрешности измерения от количества топлива.
На фиг. 3 - эскиз распределения проводника чувствительного элемента.
1
2
3
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Трехслойная среда типична для смесей в топливных баках и резервуарах хранения нефти и нефтепродуктов. Для определенности рассматривается модель слоистой среды со следующими значениями диэлектрических проницаемостей: нижний слой - вода с ε=3.5, средний слой - топливо с ε=1.6-1.8, верхний слой - воздух с ε=1 (с учетом того, что в качестве чувствительного элемента применен отрезок длинной линии, покрытый оболочкой). Диэлектрические проницаемости воздуха и воды реально не меняются, а диэлектрическая проницаемость топлива есть величина переменная и зависит от температуры, сортности, наличия примесей и пр.
1
2
2
2
1
2
Параметры контролируемой среды - положение X границы раздела «вода - топливо», Х - «топливо - воздух» и диэлектрическая проницаемость ε топлива могут быть определены по значениям трех собственных частот электромагнитных колебаний, возбуждаемых в резонаторе, размещенном в баке. По разности значений Х и X определяется количество топлива и по его диэлектрической проницаемости ε оценивается качество топлива.
Для резонатора в виде длинной линии, образуемой распределенным в металлической трубке по W-образному закону проводником, и возбуждаемого низшими типами колебаний на первой, второй и четвертой собственных частотах, зависимости этих частот от контролируемых параметров имеют следующий вид (зависимости первой и третьей частот совпадают):
Параметры находятся из решения системы уравнений, образуемой этими зависимостями с известными (измеренными) значениями собственных частот. В уравнениях ,  - собственные частоты порожнего и заполненного резонатора, , l - длина распределенного отрезка длинной линии.
При решении системы уравнений (1) методом итерации истинные значения параметров могут быть найдены не при любых начальных заданиях параметров (НЗП). В результате сходимости итераций могут быть получены такие значения параметров, которые не соответствуют истинным, и при подстановке их в уравнения системы хотя бы одна из полученных при этом частот не совпадает с измеренной. Более того, при выборе произвольных НЗП наряду с истинными решениями могут существовать решения, не имеющие физического смысла, или методом итерации не удается найти какие-либо решения. Возникает проблема выбора начальных значений параметров.
Непосредственные вычисления позволили составить таблицу НЗП, при которых в результате решения системы (1) найдены значения параметров, соответствующие истинным, или не соответствующие, но находящиеся в априорно известном диапазоне изменения параметров. Причем в последнем случае при подстановке полученных параметров в уравнения всегда имеем , , но , где индекс «*» относится к величинам, полученным при решении системы (1), а «М» - к измеренным.
Погрешности измерения параметров определяются точностью измерения собственных частот. Причем точность измерения собственных частот определяется не только техническими возможностями вторичных преобразований, но и неконтролируемой нестабильностью влияющих факторов на чувствительный элемент, например температуры, давления, колебания границ раздела, отложения твердых частиц на поверхности чувствительного элемента и пр. Задача в этом случае состоит в поиске алгоритмов измерения, обеспечивающих приемлемые точности определения параметров при ограничениях на точность измерения собственных частот во всем диапазоне изменения параметров.
i
i
1
2
2
Моделирование погрешности измерения собственных частот, полученных с высокой точностью вычисления из соотношений (1) для истинных параметров, осуществлялась изменением на единицу значений числа в k-м знаке после запятой величин F, что соответствует погрешности измерения собственных частот . Рассматривались три варианта изменения на единицу: в сторону возрастания, в сторону убывания и в разные стороны для различных частот. Для измененных таким образом значений F решением системы уравнений определялись параметры x, х, ε и погрешности их измерения.
1
2
1
1
F
F
<mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mi>o</mi></msubsup></mrow>
-4
По результатам вычислений, связанных с поиском решения, замечена тенденция повышения точности измерения параметров с увеличением x до некоторых пределов. Это наглядно подтверждается графиками на фиг. 1а, б зависимости погрешности
от истинного количества топлива x-x для разных значений положения границы раздела x и погрешности измерения собственных частот δ. Существует оптимальное значение
, при котором погрешность измерения количества топлива имеет минимальное значение; к примеру, для δ=10 можно принять
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mi>o</mi></msubsup></mrow>
F
01
02
-6
Наличие оптимального значения
позволяет не только получить приемлемые точности определения параметров при более грубых измерениях собственных частот в сравнении с δ≤10, но и существенно упростить процедуру выбора НЗП: единственное решение существует при любых НЗП, кроме может быть случая x=x=0.
Однако, как видно из графиков фиг. 1,а, измерения малых значений количества топлива сопровождаются значительными погрешностями, вплоть до отсутствия каких-либо значений параметров при решении системы (1).
2
2
Для указанных значений количества топлива предлагается другой подход к алгоритму измерения, определяемый спецификой задачи. Он основан на том, что в процессе расходования топлива количество воды в баке практически не меняется. При этом алгоритм, связанный с возбуждением и достаточно «грубым» измерением трех собственных частот, обеспечивает высокую точность (десятые доли процентов) определения положения границы раздела «вода - топливо» в большом диапазоне изменения количества топлива, начиная от полного бака. Полученное значение количества воды можно хранить в памяти и использовать его для дальнейших измерений. При наличии такой информации остаются неизвестными два параметра x и ε, которые могут быть найдены решением первых двух уравнений системы (1). Эти уравнения имеют следующий вид:
где значение параметра , взятого из архива, получено по измеренным (вычисленным) собственным частотам решением системы (1).
<mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow>
2
1
Зависимость погрешности измерения
от количества топлива для этого случая показана на фиг. 2 (график 2). Из сравнения графика 2 с графиком 1, изображающим ту же погрешность в случае измерения параметров по трем собственным частотам, отметим, что точность определения количества топлива по формуле (2) в два раза выше, чем по формуле (1) в диапазоне (x-x)<0,2.
2
1
Как видно из фиг. 2 (график 2), для (x-x)<0,02 погрешность определения количества топлива резко увеличивается вплоть до отсутствия решения системы уравнений (2). Чтобы получить приемлемые точности измерения в окрестности этих значений количества топлива, предлагается дополнительно сформировать архив значений диэлектрической проницаемости . Причем для этого можно использовать значения, полученные при решении системы уравнений (1) при большом количестве топлива. Используя архивные данные по диэлектрической проницаемости топлива  и положения границы раздела «вода - топливо»  задача измерения сводится к нахождению единственного оставшегося неизвестного параметра - положения границы раздела «топливо - воздух», из соотношения, полученного из первого уравнения системы (1) в виде:
2
2
1
Заметим, что для получения высокой точности измерения параметра x при малом количестве топлива необходимы ограничения на погрешности измерения параметров, заносимых в архив. Вычисления показывают, что для получения измерений количества топлива с погрешностью не более 0.5% (прямая 3 на фиг. 2) погрешность измерения  диэлектрической проницаемости  не должна превышать 7,5%, а погрешность  измерения положения границы раздела  - быть не более 0,1-0,2%. Эти показатели достижимы при решении уравнений (1) в пределах изменения количества топлива 0,2<(x-x)<0,5. При снижении требований к точности измерения количества топлива (прямая 3 на фиг. 2) естественно снижаются требования к точности значений архивных параметров, и вместе с этим существует возможность их измерения при меньшем количестве топлива.
Таким образом, предлагаемый способ измерения параметров трехслойной смеси - положения двух границ раздела между слоями и диэлектрической проницаемости среднего слоя, по которым определяют количество и качество топлива в баке, сводится к измерениям трех собственных частот, возбуждаемых в W-образном резонаторе электромагнитных колебаний. Резонатор помещают верхней частью в топливный бак, а нижней - в автономный контейнер, полностью заполненный водой. Предварительно измеряют частоты для порожних бака и контейнера. Затем для полностью заправленного топливом бака и контейнера по трем измеренным собственным частотам резонатора из системы уравнений (1) определяют суммарное количество воды в баке и контейнере, а диэлектрическую проницаемость топлива и их значения заносят в архив. По мере расходования топлива в зависимости от его количества параметры трехслойной смеси определяют в трех режимах. При большом количестве топлива - по трем измеренным собственным частотам резонатора, решая систему уравнений (1). При среднем количестве топлива - по двум из измеренных собственных частот и архивному значению суммарного количества воды в баке и контейнере, решая систему уравнений (2). При малом количестве топлива - по одной из измеренных частот и архивным значениям суммарного количества воды и диэлектрической проницаемости топлива. В результате можно получить высокую точность измерения количества топлива (погрешность не более 0,5%) во всем диапазоне его изменения - от порожнего бака до полностью заполненного трехслойной смесью, и диэлектрической проницаемости (погрешность не более 5%) при больших количествах топлива.
Функциональная схема предлагаемого устройства аналогична схеме, описанной в прототипе. Отличаются они чувствительными элементами и реализуемыми в микроконтроллере алгоритмами измерения.
В этой схеме в резонаторе, являющимся чувствительным элементом датчика, от блока высокочастотного генератора с перестраиваемой частотой возбуждаются электромагнитные колебания. Получаемый на выходе резонатора непрерывный сигнал детектируется и преобразуется в цифровой двоичный код. Блок генератора включает синтезатор частоты, управляемый ступенчатым пилообразным напряжением, три частотных фильтра, пропускающие сигналы в соответствии с диапазоном изменения собственных частот, и селектор, разделяющий эти сигналы по времени. Сигнал с резонатора после детектирования и аналого-цифрового преобразования поступает на вход микроконтроллера, в котором измеряются три собственные частоты резонатора. Соответствие частот синтезатора собственным частотам устанавливается по максимуму напряжения сигнала, получаемого на выходе детектора.
В память микроконтроллера вводятся значения предварительно измеренных трех частот, соответствующих собственным частотам резонатора в порожнем баке и другие величины, в соответствии с предлагаемым способом. В микроконтроллере также заложены алгоритмы определения параметров трехслойной смеси по измеренным собственным частотам, основанных на решении систем уравнений (1)-(3).
На фиг. 3 приведен эскиз электромагнитного резонатора, используемого в качестве чувствительного элемента. В соответствии с предлагаемым способом устройство должно содержать автономный контейнер, заполненный водой, в который погружен резонатор нижней своей частью. Такое техническое воплощение чувствительного элемента является громоздким и непрактичным. В качестве чувствительного элемента выбран резонатор в виде проводника в диэлектрической оболочке, W-образно распределенного в металлическом цилиндре. В нем покрытие внешней поверхности диэлектрической оболочки металлическим экраном имитирует постоянное заполнение чувствительного элемента водой на длину этого покрытия. Это позволяет сделать конструкцию чувствительного элемента компактной. На фиг. 3 обозначено: 4 - металлическая стенка верхней части ЧЭ; 5 - его нижняя часть, находящаяся на уровне дна бака; 6 - линии трассировки проводника в верхней части ЧЭ; 7 - распределенный проводник в нижней части, имитирующий погружение ЧЭ в воде; 8-11 - точки сочленения проводников; 12 и 13 - генератор для возбуждения электромагнитных колебаний и детектор. Проводник по всей длине находится в диэлектрической оболочке, при этом в нижней части ЧЭ он дополнительно снабжен металлическим экраном.
1
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mi>o</mi></msubsup></mrow>
Для такого чувствительного элемента, естественно, сохраняются зависимости собственных частот, описываемых системой уравнений (1), только в них следует иметь в виду, что параметр x включает величину, имитирующую слой воды толщиной
и слой воды, содержащейся в топливном баке.