СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при контроле и измерении уровня жидкости в системах контроля и диагностики технических объектов, а также в системах контроля уровня заправки ракетно-космической техники компонентами топлива.

Известен способ определения уровня диэлектрического вещества, описанный в работе "Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ" авторов Агамалова Ю.Р., Бобылева Д.А., Кнеллера В.Ю. (Измерительная техника. - 1996. №6. С. 56-60), где используется схема косвенного измерения параметров двухполюсного элемента при формировании синусоидального напряжения на нем. Способ инвариантен к виду двухполюсника и его схеме замещения. При измерениях поочередно определяют величину комплексных токов, протекающих через двухполюсник и резистивное сопротивление (эталон), на которое воздействуют опорным напряжением с соответствующим изменением фазы. Токи преобразуются в напряжения, которые соответствуют проекции вектора измеряемого напряжения на вектор фазосдвигающего опорного напряжения. Коды, несущие информацию о проекциях вектора измеряемого напряжения на вектор опорного напряжения, поступают на ЭВМ, где производится вычисление действительной и мнимой составляющих напряжения на объекте измерения и резистивном эталоне.

К недостаткам известного способа измерений следует отнести его большую погрешность, так как он требует фазовых измерений и не учитывает при этом сопротивление внешней электрической цепи. Из-за удаленности средств измерений от емкостного датчика такая цепь в общем случае содержит линию связи, сопротивление ключевых устройств в открытом состоянии, входное сопротивление преобразователя емкость-напряжение, выходное сопротивление источника синусоидального напряжения. Длина линии связи может достигать 500 м.

Кроме того, при измерениях данным способом не учитывается относительная диэлектрическая проницаемость и температура парогазовой смеси и жидкости, заполняющей межэлектродное пространство емкостного датчика. А так как электрическая емкость конденсатора пропорциональна относительной диэлектрической проницаемости его межэлектродного пространства, то это приводит к существенным погрешностям измерений.

Недостатком способа можно считать также и то обстоятельство, что он ориентирован на работу только с одним объектом измерения, в то время как в бортовых системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники целесообразно обслуживать одной системой несколько датчиков уровня.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ определения уровня диэлектрического вещества, изложенный в патенте РФ №2262669 С2, МПК G01F 23/26, G01R 17/00 от 01.10.2003 г., и ориентированный на измерение уровня заправки ракет компонентами топлива. Он выбран в качестве прототипа.

Измерение уровня в способе-прототипе сводится к следующему. Задают схему замещения емкостного датчика уровня, состоящую из электрической емкости и активного сопротивления. Выбирают эталон - активное сопротивление известной величины. Формируют синусоидальное напряжение на емкостном датчике и на эталоне на двух частотах. Производят последовательно измерение и фиксацию комплексного тока через "сухой" датчик и эталон на каждой из двух частот. Определяют и фиксируют электрическую емкость "сухого" датчика. Используя справочные данные или какую-либо другую информацию, определяют и фиксируют значение относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости при заданной температуре. Вычисляют и фиксируют приращение электрической емкости датчика при полном его погружении в диэлектрическое вещество. Периодически производят последовательное измерение и фиксацию комплексного тока через заполняемый емкостной датчик уровня и эталон на каждой из двух частот. Для каждого периодического измерения определяют и фиксируют электрическую емкость емкостного датчика уровня. Определяют относительное заполнение его диэлектрическим веществом как разность значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика уровня и электрической емкости "сухого" датчика, отнесенную к приращению емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество датчика. При этом способ-прототип ориентирован на работу с несколькими емкостными датчиками в режиме разделения времени.

В соответствии с алгоритмом функционирования рассматриваемого способа, значение сопротивления эталонного резистора, электрическая емкость емкостного датчика уровня, заполненного контролируемой жидкостью, температура и относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости должны быть известны априори и вводятся в систему на этапе подготовки ее к работе. Большое количество подготовительных операций обусловливает низкую технологичность и степень автоматизации определения уровня. При этом атмосферное давление, примесное содержание контролируемой жидкости, ее технологические особенности, влияющие на относительную диэлектрическую проницаемость вещества, а также температура парогазовой смеси над контролируемой жидкостью не учитываются.

Кроме того, действительные (текущие) значения названных параметров за время подготовки системы к работе и в процессе измерений могут претерпевать существенные изменения. Учесть это в рассматриваемой системе не представляется возможным, что, естественно, приводит к дополнительной погрешности измерений.

Рассматриваемый способ не позволяет учитывать параметры внешней электрической цепи, подключаемой к емкостному датчику уровня в процессе измерений. Это приводит к дополнительной погрешности определения уровня контролируемой жидкости.

Технологически сложной и информационно затратной представляется также наиболее часто повторяющаяся операция по определению и фиксации комплексной величины измеряемых токов, так как она предполагает каждый раз определение двух составляющих тока: реактивной и активной.

Кроме того, согласно рассматриваемому способу измерения необходимо знать величину емкости датчика при его полном погружении в контролируемую жидкость. Такая операция требует предварительного заполнения емкостей баков ракетоносителей контролируемой жидкостью, что технологически либо очень сложно, либо невыполнимо. Особенно, если контролируется уровень химически агрессивной или криогенной жидкости. Аналитический же расчет этого параметра не обеспечивает необходимой точности.

Все это вместе взятое обусловливает недостаточно совершенную технологию определения уровня заправки ракет компонентами топлива.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения уровня диэлектрического вещества, выполнение процесса измерений на более совершенной технологической основе.

Цель достигается тем, что в способе измерения уровня диэлектрического вещества, при котором задают схему замещения емкостного датчика уровня с известными геометрическими размерами его электродов, поочередно формируют на емкостном датчике синусоидальное напряжение на частотах ω₁, ω₂, на этих частотах измеряют токи и электрическую емкость "сухого" датчика уровня, периодически измеряют токи через заполняемый контролируемой жидкостью емкостный датчик уровня, определяют электрическую емкость и величину его сопротивления утечки, определяют и фиксируют приращение емкости датчика уровня за счет частичного заполнения контролируемой жидкостью его межэлектродного пространства, в отличие от прототипа используют компенсационный конденсатор с известными геометрическими размерами его электродов. Размещают компенсационный конденсатор ниже емкостного датчика уровня. При этом на нем, так же как на емкостном датчике уровня, поочередно формируют синусоидальное напряжение на частотах ω₁, ω₂. На этих частотах измеряют амплитудные значения токов, протекающих через компенсационный конденсатор, электрическую емкость "сухого" компенсационного конденсатора и сопротивление внешней по отношению к нему электрической цепи. После заполнения межэлектродного пространства компенсационного конденсатора контролируемой жидкостью измеряют амплитуды токов, протекающих через него на двух частотах ω₁, ω₂, определяют и фиксируют его электрическую емкость и сопротивление утечки, определяют приращение емкости компенсационного конденсатора и вычисляют относительное значение уровня контролируемой жидкости в соответствии с математическим выражением:

где µ_И=L_ИН_И/d_И - конструкционная постоянная емкостного датчика уровня;

L_И, Н_И - ширина и высота электродов емкостного датчика уровня соответственно;

d_И - расстояние между электродами емкостного датчика уровня;

ΔС_И - приращение электрической емкости емкостного датчика уровня за счет частичного заполнения его межэлектродного пространства контролируемой жидкостью;

µ_К=L_КН_К/d_K - конструкционная постоянная компенсационного конденсатора;

L_K, Н_K - ширина и высота электродов компенсационного конденсатора соответственно;

d_K - расстояние между электродами компенсационного конденсатора;

ΔС_K - приращение электрической емкости компенсационного конденсатора за счет заполнения его межэлектродного пространства контролируемой жидкостью.

При этом определение емкости "сухого" и заполняемого контролируемой жидкостью емкостного датчика уровня производят по величине амплитудных значений синусоидальных токов, пропускаемых через него на частотах ω₁, ω₂. Определение емкости "сухого", частично или полностью заполненного жидкостью емкостного датчика уровня и компенсационного конденсатора производят при учете сопротивлений внешней по отношению к каждому из них электрической цепи и текущего значения относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.

На Фиг. 1 изображена эквивалентная схема "сухого" емкостного датчика уровня с подключенной к ней внешней электрической цепью. В состав схемы входят: С_ИГ - электрическая емкость "сухого" емкостного датчика уровня, r₁ - активное сопротивление открытых ключевых устройств внешней электрической цепи, r₂, r₃ - соответственно активное сопротивление соединительных проводов и активное входное сопротивление преобразователя ток-напряжение этой цепи, U_ИГ - выходное напряжение генератора синусоидального напряжения в цепи емкостного датчика уровня. При этом принимается во внимание, что сопротивление утечки "сухого" емкостного датчика уровня в атмосфере парогазовой смеси достаточно велико и его влиянием можно пренебречь.

Активное сопротивление R_ВИ рассматриваемой цепи определяется суммой сопротивлений:

Тогда комплексное сопротивление электрической цепи Ż_И и его модуль Z_И будут определяться соответственно соотношениями:

Согласно методике измерений полагают, что источник U_ИГ в электрической цепи Фиг. 1 формирует поочередно синусоидальные напряжения на частотах ω₁, ω₂. Следовательно, для квадратов амплитудных значений токов , в рассматриваемой электрической цепи на частотах ω₁, ω₂ соответственно можно записать:

Решая совместно (4), (5), для активной составляющей сопротивления внешней электрической цепи R_ВИ и емкостной составляющей "сухого" датчика уровня С_ИГ можно получить соотношения:

где

γ=ω₂/ω₁.

Аналогично для электрической схемы подключения "сухого" компенсационного конденсатора С_КГ к внешней электрической цепи, можно записать уравнения для квадратов амплитудных значений токов , на частотах ω₁, ω₂, соответственно:

где R_ВК - активная составляющая сопротивления внешней электрической цепи компенсационного конденсатора;

U_КГ - выходное напряжение генератора синусоидального напряжения в цепи "сухого" компенсационного конденсатора.

Решая уравнения (8), (9), совместно определяют значения R_BK и С_КГ:

Здесь

В условиях частичного или полного заполнения межэлектродного пространства емкостного датчика уровня контролируемой жидкостью начинает проявляться его сопротивление утечки. Поэтому при расчетах используют схему замещения датчика уровня в виде параллельного соединения емкости датчика С_И и его сопротивления утечки R_И. На Фиг. 2 изображена эквивалентная схема емкостного датчика уровня, частично или полностью заполненного контролируемой жидкостью. На схеме использованы следующие обозначения: U_И - напряжение генератора синусоидального напряжения в цепи датчика уровня, R_ВИ - внутреннее сопротивление внешней электрической цепи, С_И и R_И - емкость и сопротивление утечки емкостного датчика уровня соответственно.

Согласно заявляемому способу определяют амплитудные значения токов I_1И, I_2И, протекающих в рассматриваемой цепи на частотах ω₁, ω₂. Для этого, в соответствии с Фиг. 2, определяют комплексную проводимость датчика уровня Ÿ:

его комплексное сопротивление Ż_Х:

комплексное сопротивление всей электрической цепи:

и квадрат модуля сопротивления Z² этой цепи:

Как и в предыдущем случае, для квадратов амплитудных значений токов , на частотах ω₁, ω₂ можно записать соответственно:

Решая совместно (16), (17), определяют параметры емкостного датчика уровня С_И, R_И:

Здесь

;

γ=ω₂/ω₁.

Если величина сопротивления утечки R_И достаточно велика, и его влиянием можно пренебречь, то выражение для С_И существенно упрощается:

Соотношения (18)-(20) позволяют определить величину емкости и сопротивление утечки емкостного датчика уровня в процессе заполнения его межэлектродного пространства контролируемой жидкостью.

Аналогичным образом можно получить соотношения для величины емкости С_К и сопротивления утечки R_К компенсационного конденсатора при заполнении его межэлектродного пространства контролируемой жидкостью:

Здесь

U_К - напряжение на выходе генератора синусоидального напряжения в цепи компенсационного конденсатора;

R_BK - внутреннее сопротивление внешней электрической цепи компенсационного конденсатора.

Если величина сопротивления утечки R_K компенсационного конденсатора достаточно велика, и его влиянием можно пренебречь, то выражение для С_К существенно упрощается:

Соотношения (18)-(24) позволяют определить аппаратными средствами текущие значения параметров емкостного датчика уровня и компенсационного конденсатора с учетом текущих значений относительной диэлектрической проницаемости и температуры контролируемой жидкости, а также с учетом значений сопротивлений внешних электрических цепей.

Емкость "сухого" компенсационного конденсатора С_КГ, определяемая аппаратными средствами (за счет измерения токов, протекающих в его цепи), включает в себя емкость межэлектродного пространства С_КМ, заполненного парогазовой смесью, и паразитную емкость С_КП:

Паразитная емкость С_КП учитывает емкость подводящих проводов, проходную емкость изоляторов и элементов крепления компенсационного конденсатора. Величину ее определяют по месту крепления компенсационного конденсатора априори и вносят в паспорт изделия как константу.

Электрическая емкость С_КМ межэлектродного пространства компенсационного конденсатора, заполненного парогазовой смесью, зависит от ширины L_K и высоты Н_К его взаимодействующих электродов, расстояния между ними d_K, относительной диэлектрической проницаемости парогазовой среды ε_Г и электрической постоянной ε₀:

Аппаратно эта емкость может быть определена только в совокупности с его паразитной емкостью С_КП:

Здесь ε_Ж - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости.

Приращение емкости компенсационного конденсатора ΔС_К за счет заполнения его межэлектродного пространства контролируемой жидкостью будет определяться разностью:

Последнее соотношение позволяет определить разность (ε_Ж-ε_Г) относительных диэлектрических проницаемостей двух сред (контролируемой жидкости и парогазовой):

и относительную диэлектрическую проницаемость контролируемой жидкости:

Емкость датчика уровня С_И, при постепенном заполнении его межэлектродного пространства жидкостью, непрерывно изменяется. Контролировать текущее значение С_И можно аппаратными средствами согласно соотношению (18). В общем случае величина С_И включает в себя паразитную емкость С_ИП, емкость части межэлектродного пространства емкостного датчика уровня С_ИЖ, заполненной жидкостью, и емкость другой его части межэлектродного пространства С_ИГЧ, заполненной парогазовой смесью:

Так же, как и в случае компенсационного конденсатора, паразитная емкость С_ИП учитывает емкость подводящих проводов, проходную емкость изоляторов и элементов крепления емкостного датчика уровня. Величину ее определяют априори по месту крепления емкостного датчика уровня и вносят в паспорт изделия как константу.

Величина составляющей С_ИЖ определяется соотношением:

где h - текущее значение уровня контролируемой жидкости;

L_И - ширина межэлектродного пространства емкостного датчика уровня;

d_И - расстояние между электродами емкостного датчика уровня.

Величина составляющей С_ИГЧ соответственно будет равна:

Здесь Н_И - высота электродов емкостного датчика уровня (диапазон измерения емкостного датчика уровня).

Подставляя (32), (33) в (31) и преобразуя, получим:

В последнем соотношении сумма паразитной составляющей емкости С_ПИ и емкости межэлектродного пространства датчика уровня, заполненного парогазовой смесью:

представляет собой емкость С_ИГ "сухого" емкостного датчика уровня:

величину которой можно определить аппаратными средствами в соответствии с соотношением (7). Следовательно, согласно (34) приращение емкости емкостного датчика уровня ΔС_И:

за счет заполнения части его межэлектродного пространства жидкостью, можно определить как разность двух величин С_И, С_ИГ, определяемых аппаратными средствами:

Тогда соотношение (33) можно записать в таком виде:

Подставляя (29), (37) в (38), для относительного значения уровня контролируемой жидкости h/Н_И с учетом текущего значения относительной диэлектрической проницаемости можно записать:

Процесс периодического определения уровня контролируемой жидкости продолжают до тех пор, пока ни будет заполнен до требуемого уровня бак изделия РКТ.

В выражении (39) отношение L_KH_K/d_K определяется габаритными размерами компенсационного конденсатора и может быть определено априори как его конструкционная постоянная µ_К. Аналогично в качестве отношения L_ИН_И/d_И используют конструкционную постоянную емкостного датчика уровня µ_И. Выражение для относительной величины уровня контролируемой жидкости в этом случае имеет вид:

Процедура измерений относительной величины уровня жидкости в процессе контроля согласно заявляемому способу сводится к последовательности таких операций:

- задают схему замещения емкостного датчика уровня в виде параллельного соединения его электрической емкости С_И и сопротивления утечки R_И;

- устанавливают ниже емкостного датчика уровня компенсационный конденсатор с известной длиной, шириной электродов и величиной расстояния между ними;

- определяют и фиксирую в памяти конструкционные постоянные компенсационного конденсатора µ_К и емкостного датчика уровня µ_И согласно соотношениям µ_К=L_KH_K/d_K, µ_И=L_ИН_И/d_И;

- на начальной стадии заполнения, когда уровень контролируемой жидкости располагается ниже электродов компенсационного конденсатора, подают через внешние электрические цепи стабилизированное синусоидальное напряжение на частотах ω₁, ω₂ поочередно, вначале на емкостный датчик уровня, затем - на компенсационный конденсатор;

- измеряют амплитудные значения синусоидальных токов, протекающих через компенсационный конденсатор и емкостный датчик уровня на частотах ω₁, ω₂ поочередно;

- определяют и фиксируют в памяти величину электрической емкости "сухого" компенсационного конденсатора с учетом сопротивления внешней по отношению к нему электрической цепи;

- определяют и фиксируют в памяти величину электрической емкости "сухого" емкостного датчика уровня с учетом сопротивления внешней по отношению к нему электрической цепи;

- при заполненном межэлектродном пространстве компенсационного конденсатора контролируемой жидкостью измеряют амплитудные значения синусоидальных токов, протекающих через компенсационный конденсатор на двух частотах ω₁, ω₂ поочередно;

- с учетом сопротивления внешней электрической цепи определяют и фиксируют в памяти сопротивление утечки, электрическую емкость компенсационного конденсатора и приращение емкости его ΔС_К за счет заполнения межэлектродного пространства контролируемой жидкостью;

- подают на емкостный датчик уровня синусоидальные напряжения на частотах ω₁, ω₂ поочередно и периодически измеряют амплитудные значения синусоидальных токов, протекающих через емкостный датчик уровня на этих частотах;

- после каждого измерения токов определяют с учетом сопротивления внешней электрической цепи текущие значения сопротивления утечки, электрическую емкость и приращение емкости ΔС_И емкостного датчика уровня за счет частичного заполнения его межэлектродного пространства контролируемой жидкостью;

- обращаясь к памяти, периодически определяют текущее значение относительной величины уровня контролируемой жидкости согласно выражению h/H_И=µ_КΔС_И/µ_ИΔС_К;

- периодические измерения относительной величины уровня контролируемой жидкости продолжаются до тех пор, пока значение его не достигнет необходимой величины.

Применение последовательности операций заявляемого способа измерения уровня диэлектрического вещества позволяет определять и учитывать в режиме автомата текущее значение относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости непосредственно в процессе заполнения его баков компонентами топлива, с учетом текущего значения атмосферного давления, температуры окружающего воздуха, контролируемой жидкости и парогазовой смеси над ней, с учетом примесного содержания контролируемой жидкости, возможной неоднородности ее и других параметров, влияющих на относительную диэлектрическую проницаемость.

Следовательно, и относительная диэлектрическая проницаемость, и атмосферное давление, и температура, и примесное содержание контролируемой жидкости, и возможная ее неоднородность учитываются как при измерении токов, так и при определении относительной величины уровня контролируемой жидкости и делает заявляемый способ технологически более совершенным, с более высокой степенью автоматизации.

При этом возрастает и точность измерения уровня, так как при определении электрической емкости датчика уровня учитывается текущее значение относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, а не справочные данные, которые не могут в полной мере учесть на момент измерения ни атмосферное давление, ни температуру жидкости, ни примесное ее содержание, ни возможную неоднородность.

Повышение точности измерений обеспечивает также и учет параметров внешней электрической цепи емкостного датчика уровня и компенсационного конденсатора. Это дает возможность более точно определять амплитуду синусоидальных токов, а следовательно, и приращение емкости емкостного датчика уровня и компенсационного конденсатора.

Кроме того, введение компенсационного конденсатора позволило избежать технологически очень сложной операции по определению априори емкости датчика уровня, заполненного контролируемой жидкостью. При этом следует иметь в виду, что введение компенсационного конденсатора не влечет за собой увеличение количества операций, так как при заявляемом способе нет необходимости измерять напряжение и токи эталонного сопротивления. Это также делает заявляемый способ технологически более совершенным, с более высокой степенью автоматизации.

В отличие от прототипа, в заявляемом способе в качестве измеряемой величины используется амплитудное значение синусоидального тока (или его действующее значение), что делает процедуру измерения более технологичной, оперативной и информативно менее затратной.

Таким образом, заявляемый способ измерения уровня диэлектрического вещества обеспечивает достижение поставленной цели.

Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "новизна".

При реализации заявляемого способа используются типовые, широко распространенные методы формирования, обработки и преобразования аналоговых сигналов: генерирование синусоидального напряжения, коммутации аналоговых сигналов, преобразование электрического тока в напряжение, масштабирование, аналого-цифровое преобразование сигналов. Современные средства обработки и преобразования информации позволяют выполнять перечисленные операции в виде устройств с малыми массогабаритными показателями. Хранение и передача информации, выполнение арифметических операций в цифровом виде тоже не вызывает в настоящее время существенных затруднений и может быть выполнено, например, на микросхемах фирмы Xilinx.

Заявляемый способ был апробирован авторами на макете. В настоящее время на его основе с участием авторов способа создается система измерения уровня заправки ракетоносителей компонентами топлива для космодрома "Восточный".