CC BY
60
УДК 681.5:622.276
DOI 10.21685/2307-5538-2019-1-4
А. Г. Годнее
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШИРОКОДИАПАЗОННОГО ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА УРОВНЯ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ УЧЕТА НЕФТЕПРОДУКТОВ
TECHNIQUE OF DESIGNING A WIDE-BAND BAND CAPACITIVE LEVEL SENSOR FOR AUTOMATED INFORMATION AND MEASURING SYSTEMS OF PETROLEUM PRODUCTS
Аннотация. Материалы и методы. Разработан метод проектирования емкостных датчиков уровня на основе многослойных печатных плат, позволяющий создать целый ряд высокоточных, дешевых и надежных средств измерений для уровня широкого класса неэлектропроводных жидкостей. Новизна метода заключается в формировании на печатных платах эталонных концевых мер, расположенных на определенном расстоянии друг от друга и представляющих собой дискретные сигнализаторы уровня с абсолютной погрешностью срабатывания А = ± 0,3 мм. Результаты. Встроенные в датчик эталонные концевые меры позволяют в процессе наполнения и опорожнения резервуара производить его автоматическую автокалибровку и тем самым исключить влияние различных дестабилизирующих факторов на точность измерений. Также с помощью эталонных концевых мер проводится периодическая поверка уровнемера без его демонтажа с объекта установки. Выводы. Объединение в едином технологическом цикле изготовления измерительных электродов датчика уровня, его эталонных концевых мер, а также линий связи с его вторичным преобразователем позволяет значительно снизить себестоимость его производства и, как следствие, повысить конкурентоспособность на внешнем рынке.
Abstract. Materials and methods. A method has been developed for designing capacitive level sensors based on multilayer printed circuit boards, which makes it possible to create a range of highly accurate, cheap and reliable measuring instruments for a wide class of nonconducting liquids. The novelty of the method lies in the formation of standard end measures on printed circuit boards located at a certain distance from each other and representing discrete level signaling devices with an absolute error of response А = ± 0.3mm. Results. The reference end measures built into the sensor allow the process of filling and emptying the tank to automatically auto-calibrate it and thereby eliminate the influence of various destabilizing factors on the measurement accuracy. Also, with the help of standard end measures, periodic calibration of the level gauge is carried out without dismantling it from the installation object. Conclusions. Combining in a single technological cycle of manufacturing the measuring electrodes of the level sensor, its reference end measures, as well as communication lines with its secondary transducer can significantly reduce the cost of its production and, consequently, increase competitiveness in the external market.
A. G. Godnev
© Годнев А. Г., 2019
Ключевые слова: емкостной уровнемер, метод проектирования, погрешность измерений, калибровка, печатная плата.
Keywords: capacitive level gauge, design methodology, measurement error, calibration, printed circuit board.
В информационно-измерительных системах (ИИС) учета нефтепродуктов датчик уровня играет одну из ключевых ролей. Абсолютная погрешность измерения в диапазоне измерений от 0 до 20 м не должна превышать значения ±1 мм, что соответствует относительной погрешности ±5 • 10-3 %. Создание такого уровнемера, работающего в температурном диапазоне -50 + + 50 °С, представляет собой достаточно сложную научно-техническую задачу. Как показывает опыт отечественного и зарубежного приборостроения, перспективными для измерения широкого круга физических величин являются емкостные датчики, отличающиеся высокими эксплуатационными характеристиками, надежностью, простотой и технологичностью изготовления наряду с невысокой конечной стоимостью.
Согласно основному выводу Бриллюэна информация может быть получена только в результате затрат энергии. В этой связи при проектировании емкостного датчика уровня необходимо стремиться получить как можно большую девиацию начальной емкости при изменении входной величины. Типичная область девиации номинальных значений емкостей датчиков лежит от единиц до нескольких сотен пикофарад [1, 2]. Чувствительность же измерительных каналов достигает значений в сотые и даже тысячные доли пикофарад [2], при этом паразитные емкости соединительных линий могут в сотни и тысячи раз превышать преобразуемую емкость.
В настоящее время наибольшее распространение получили преобразователи емкость-напряжение (ПЕН) с импульсным уравновешиванием зарядов (рис. 1).
Рис. 1. Функциональная схема и временные диаграммы работы преобразователя относительного приращения емкости
Отличной особенностью данных ПЕН является возможность обеспечения инвариантности к паразитным емкостям и реализации функции преобразования, позволяющей уменьшить погрешность измерительного канала в целом [3, 4]. Уравнение преобразования ПЕН имеет вид
Цвых = и [ Кмп1 - С- ^ , (1)
где Кмп1 - коэффициент передачи масштабного преобразователя МП1.
Принцип действия данного ПЕН основан на уравновешивании измерений зарядов на конденсаторах С1 и С2:
и0С1 + (ивых - Кмп1 ЩС2 = 0. (2)
Соответствующим выбором коэффициента Кмп1 обеспечивается компенсация смещения передаточной характеристики ПЕН, вызванного нулевым значением начальной емкости измерительного конденсатора. Следствием такой компенсации является исключение влияния нестабильности коэффициента преобразования ПЕН на аддитивную погрешность и возможность существенного увеличения чувствительности.
Эффективное увеличение чувствительности обеспечивается уменьшением коэффициента передачи цепи обратной связи путем введения масштабного преобразователя МП2. В этом случае уравнение преобразования ПЕН имеет вид
=К-мпт (Км-- С2) ■ (3)
где Кмп2 - коэффициент передачи масштабного преобразователя МП2.
Основными причинами, определяющими порог чувствительности ПЕН, являются шумы операционных усилителей (ОУ) и сопротивления обратной связи преобразователя заряд-напряжение (ПЗН), а также сопротивления утечки измерительного конденсатора С1 и линии связи, подключенной к входу ПЗН (рис. 2).
Рис. 2. Схема ПЗН с основными источниками шумов
Особенность работы емкостного датчика заключается в отличии от нуля начального значения входной величины ПЕН. В этом случае измерительную емкость С1 и опорную С2 целесообразно представить в виде С1 = С10 + ДСЬ С2 = С20 + ЛС2, где С10 и С20 - начальное значение емкости, ДС\ и ДС2 - изменение соответственно емкости С1 и емкости С2 относительно своих начальных значений. Тогда согласно работе [5] минимальные размеры относительных изменений преобразуемых величин в устройстве с измерительным конденсатором С1 и опорным конденсатором С2 при известных эффективных значениях напряжений шумов на выходе определяются соотношениями
Um С2
Um С,
Л _ m 2 1 _ m 20 --, Л2Ш--
U С
U0С1
где Х1ш - шумовая погрешность преобразования;
С2(С + С2 + С3 + Сп2 )2 + ( )2 + 8kTTA
Um =
AF,
(4)
(5)
иш - эффективное значение шума на выходе ПЕН; С1 - измеряемая емкость; С2 — опорная емкость; С3 - емкость в цепи обратной связи усилителя заряда А1; Сп2 - паразитная емкость, подключенная к входу усилителя заряда А1; еш = 50 • 10-9 В/^/Гц и /ш А - соответственно входное напряжение и ток шумов ОУ; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Т0 - период одного результата измерений; и0 - источник опорного напряжения; АР - полоса пропускания инерционного звена первого порядка.
Формула (5) позволяет определить максимальную величину паразитной емкости и, следовательно, длину линии связи, при которой обеспечивается заданная погрешность преобразования [3] :
Сп2 _ ^lmU0
С 2eVAF '
(6)
где Сп2 - паразитная емкость, подключенная непосредственно ко входу усилителя заряда.
При разработке уровнемера для системы учета нефтепродуктов УИП-9602 была сформулирована главная задача обеспечить абсолютную погрешность измерения уровня ±1 мм в диапазоне измерений 0-20 м при минимальных затратах ресурсов. Данный датчик был сконструирован на основе двусторонней печатной платы, на которой методом фотолитографии с высокой точностью сформированы его чувствительные элементы, емкостные эталонные концевые меры, а также все коммуникационные линии связи (рис. 3) [3, 4].
Зазор (эталонная концевая мера)
Генераторный электрод
Стеклотекстолит
Линии связи_
Рис. 3. Фрагмент измерительного электрода в разрезе с линиями связи
Известно, что для быстродействующей цифровой аппаратуры предпочтение следует отдавать многослойной печатной плате [6]. Системы проводников, образующих линию связи по локализации электромагнитного поля, разделяют на следующие виды: однослойные без экранирующей плоскости, двуслойные с экранирующей плоскостью и трехслойные с двумя экранирующими плоскостями. С увеличением экранирующих плоскостей электромагнитное поле все больше сосредотачивается в области между проводником и экраном, что обеспечивает стабильные электрические параметры линии по длине проводника и приводит к уменьшению уровня индуцированных помех. Однако использование в конструкции датчика уровня трехслойной печатной платы вместо двухслойной приведет к существенному его удорожанию. Поэтому весь дальнейший порядок расчета первичных и вторичных параметров печатного монтажа приведен для двусторонней печатной платы.
Поскольку в процессе проведения измерений все электроды датчика уровня и линии связи, кроме рабочих, заземляются с целью обеспечения максимальной помехоустойчивости, то расчет паразитной емкости Сп2 производится по формуле (7), приведенной в работе [7] :
Сп2 - 8,85 1 (£г эф.1 С1
+ £
I дв. г эф.2
С1 од. Ь
(7)
где I - длина линии связи, представляющая собой длину печатных дорожек уровнемера от 0,5 до 20 м; £г эф 1 - эффективная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала пластины (£гэф. ~ 5,6...6 [6]).
Для защиты медных электродов и линии связи от воздействия на них различных агрессивных сред, содержащихся в нефтепродуктах, они покрываются масло-бензостойкой эмалью (специальным лаком), эффективная диэлектрическая проницаемость которой £г эф2 приблизительно равна 4; С1 од = 4КК - безразмерная величина, определяющая емкость на единицу длины рассчитываемой системы проводников для односторонней печатной платы; К(т), К (т) -эллиптические интегралы как функции соответственно модулярного и дополнительного модулярного углов (определяются по таблицам полных эллиптических интегралов первого рода);
т = I 1 +
2а / ё
1 + Ь / ё
2 + Ь / ё ) (1 + а /ё)( + а/а + Ь /ё)'
(8)
где а, Ь - ширина медных дорожек линий связи на печатных платах датчика уровня; ё - расстояние между дорожками; к - толщина печатной платы; С, = —7—-^ - безразмерная
. 1п
^ а/2Ь< 1
величина, определяющая емкость на единицу длины рассчитываемой для системы проводников для двусторонней печатной платы.
Таким образом, задав начальные условия, равные: а = Ь = ё = к = 2 мм, I = 12 м, вычис-
К
лив по формуле (8) значение т = 0,926 и по графику (рис. 4) определив отношение — ~ 0,51,
К
рассчитаем по формуле (7) значение паразитной емкости Сп2:
С
п2
8,85 • 12(4 • 0,51 • 4 +
6,28
I,
8 • 2
) • 6 ® 2790,0 пф.
Параметр т О 0,01 0,02 0,03 0.04 0.05
3,0
2.0
-Я1,5
Ю
I 0,5
и
0,2 0,4 0.6 Д< Параметр т
2,75
2,5
X
сь
2,25 ё
2.0
К
Рис. 4. Отношение ^ как функция параметра т
2
Фактическая паразитная емкость на действующих 12 м уровнемерах, изготовленных по данной технологии, не превышает значений 2240±30 пф. Можно предположить, что используемые в данном расчете ег эф материалов взяты по максимально допустимым значениям, в то
время как фактические значения применяемых материалов были несколько ниже. Однако полученная оценка Сп2 позволяет сделать дальнейший обоснованный шаг в расчете минимально допустимой измеряемой емкости Сь при которой обеспечивается заданная погрешность преобразования при полосе пропускания ДГ и паразитной емкости Сп2 = 2790 пф
С = Cu22em4ÂF
o
(8)
В работах [5, 6] в реальных преобразователях емкость-напряжение при Сп2 / С = 103 погрешность преобразования составляет величину = 10-3 в полосе частот ДГ = 1000 Гц.
В этом случае при и0 = 5в, ДГ = 1000 Гц, Х1ш = 10 , еш = 50 • 10 С1т1П будет равно
л/Гц
Сп2 = 2790 пф.
_ 2790 •25OiO-^VÎ000 Cimin = -—^- = 1,763 пф.
10-3 • 5
Однако, учитывая широкий диапазон рабочих температур оборудования ±50°С, а также разброс параметров применяемых электрорадиоэлементов за рабочую величину емкости С1р, следует принять 3С1тт, в данном конкретном примере принимает С1р ~ 3С1тт ~ 6 пф. Площадь конденсатора ячейки поддиапазона уровнемера 1 составит величину
С „à S = ^^ = е0
6 • 10-i20,0i 8,85 • i0-i2
= 0,007 м2.
После того, как определена минимальная величина емкости Сь при которой обеспечивается заданная погрешность преобразования = 10-3 с конкретной длиной линии связи, возникает необходимость определения величины поддиапазона измерения Л датчика уровня. При рассчитанной чувствительности ДС = С1р • 10-3 канала измерения емкости С максимальный поддиапазон измерения составит величину
С
N =
_ ^i р
AC
(9)
Для нашего конкретного примера при расчетном значении ДС = С = 0,006 пф/мм:
= 6 • 10-3 =
Ni =
6 • 10-
0,006 • 10-
= iOOO мм.
Однако для поддиапазона измерения датчика уровня с Л = 1000 мм погрешность нелинейности между обкладками конденсатора С должна быть практически нулевой, т.е. расстояние между обкладками конденсатора С^0 должно быть выполнено с нулевым отклонением. В то же время при практической реализации конкретной конструкции уровнемера нелинейность от слоя запретной эмали, разновысотности соединительных втулок и т.п. составляет значение ~ 5 %, т.е. зазор й0 выдерживается в заданном поддиапазоне измерений Ь с абсолютной погрешностью ±0,5 мм (250 мк на одну сторону конденсатора С1). Тогда на отдельных участках измерения по длине Л датчика уровня девиация емкости ДС\ [пф/мм] будет иметь большую или меньшую величину, что может привести к увеличению погрешности измерений более ±1 мм.
Так, например, при d0l = 9,5 мм С1 составит величину
Ci =
8,85 • 10-i2 • 0,007 0,0095
= 6,52 пф.
ДС1 = С1 - С = 6,52 - 6 = 0,52 пф на весь поддиапазон измерения Ь.
в
12
12
Также будем считать, что нелинейность зазора й0 между пластинами конденсатора не превышает 10 % и равномерно распределена по всему поддиапазону N. В этом случае участок поддиапазона измерений Ы, на котором может произойти систематическая ошибка в ±1 мм, составит величину
ды— 10% ас1 -
0,1 • 0,52
100% 8С1 0,006
— 8,6 мм.
Для дальнейших расчетов положим 5С1р — 8 5С1н , т.е. изменение емкости С1р на величину 5С1р — 8 5С1н — 8 • 0,006 — 0,048 пф должно соответствовать изменению уровня на 1 мм. Тогда по формуле (9) несложно рассчитать значение поддиапазона измерений уровнемера N
N —
С
6
8С
1р
0,048
— 125 мм.
Таким образом, каждый метр уровнемера получается разбит на восемь поддиапазонов измерения уровня по 125 мм, оканчивающихся эталонной концевой мерой, за счет которой в этом поддиапазоне осуществляется автокалибровка с абсолютной погрешностью Д ±0,3 мм. Контроль точности с помощью эталонных концевых мер осуществляется в каждом цикле измерений равномерно в пределах диапазона измерений уровня контролируемой жидкости. Структурная схема конструкции емкостного уровнемера приведена на рис. 5.
Рис. 5. Структурная схема конструкции емкостного уровнемера со штангой: 1 - несущая
штанга емкостного уровнемера; 2 - секция уровнемера; 3 - выходные электроды; 4 - входные генераторные электроды; 5 - разъемные соединения секции; 6 - электронный
блок преобразователей, включающий в себя ПЕН и аналоговые ключи с внутренним сопротивлением Я — 0,01 Ом, коммутирующие чувствительные элементы датчика уровня
Заключение
Метод проектирования емкостных датчиков уровня на основе многослойных печатных плат позволяет создать целый ряд высокоточных, дешевых и надежных средств измерений для
информационно-измерительных систем учета нефтепродуктов. Встроенные в датчик эталонные концевые меры позволяют каждые 125 мм производить его автокалибровку и тем самым избежать периодическую поверку службами Госстандарта.
Библиографический список
1. Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах / В. С. Гутни-ков. - Ленинград : Энергия, 1980. - 240 с.
2. Грохольский, А. Л. Емкостные первичные измерительные преобразователи диаметра неизолированного микропровода / А. Л. Грохольский, М. М. Горбов, М. Г. Струнский, В. К. Федотов // Измерения, контроль, автоматизация : науч.-техн. сб. обзоров. -Москва : ЦНИИ ТЭН приборостроения, 1978. - Вып. 2. - С. 16-23.
3. Чередов, А. И. Преобразователи для электрического измерения параметров емкостных датчиков : дис. ... канд. техн. наук / Чередов А. И. - Ленинград, 1984.
4. Бухгольц, В. П. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления / В. П. Бухгольц, Э. Г. Тисевич. - Москва : Энергия, 1972. - 80 с.
5. Пат. 2239164. Емкостной уровнемер со штангой / Годнев А. Г., Суслов В. М. // Бюллетень измерений. - 2002. - № 30.
6. А.с. 2005999. Устройство для измерения уровня жидкости / Годнев А. Г., Свицын А. А., Суслов В. М. Заявл. 10.02.1992 ; опубл. 15.01.1994.
7. Князев, А. Д. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной современности / А. Д. Князев, Л. Н. Кечнев, Б. В. Петров. - Москва : Радио и связь, 1989. - 224 с.
Годнев Александр Геннадьевич
кандидат технических наук, доцент, Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина (Россия, г. Москва, Ленинский просп., 65) E-mail: ntc-korolev@yandex.ru
Godnev Aleksandr Gennadevich
candidate of technical sciences, associate professor, Russian State University of Oil and Gas named after I. M. Gubkin (65 Leninsky avenue, Moscow, Russia)
Образец цитирования:
Годнев, А. Г. Методика проектирования широкодиапазонного емкостного датчика уровня для автоматизированных информационно-измерительных систем учета нефтепродуктов / А. Г. Годнев // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2019. - № 1 (27). - С. 25-32. - Б01 10.21685/23075538-2019-1-4.
í.........................................................................................
Measuring. Monitoring. Management. Control
