CC BY
81
системный анализ, управление и обработка информации в космической отрасли
ШИРОКОДИАПАЗОННЫИ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНЫИ
ДАТЧИК УРОВНЯ
А.Г ГОДНЕВ, доц., вед. научи, сотрудник ООО «НТЦ ИИТ» канд. техн. наук
ntc-korolev@yandex. ru
ООО «Научно-технический центр информационно-измерительной техники», 141070, Московская область, г. Королев, ул. Пионерская, д. 2
Широкодиапазонный дискретно-непрерывный уровнемер со штангой с автокалибровкой предназначен для измерения уровня светлых нефтепродуктов и масел в диапазоне от 0 до 20 м с погрешностью измерения ± 1 мм. Отличительной особенностью разработанного дискретно-непрерывного уровнемера является то, что контроль точности измерения осуществляется равномерно в пределах всего диапазона измерения уровня контролируемой жидкости и обеспечена возможность контроля точности в каждом цикле измерений, т. е. в процессе эксплуатации без создания специальных условий. Увеличение числа реперных точек существенно повышает метрологическую надежность емкостного уровнемера и снижает риск недостоверных измерений.
Ключевые слова: датчик уровня емкостной, дискретно-непрерывный, широкодиапазонный.
В информационно-измерительной систе-
ме учета нефтепродуктов датчик уровня играет одну из ключевых ролей. Абсолютная погрешность измерения в динамическом диапазоне 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 от - 50 до + 50°С, представляет собой достаточно сложную научно-техническую задачу. Широкое многообразие существующих в мире конструкций уровнемеров не всегда отвечает жестким требованиям их эксплуатации на территории РФ. Либо очень высокая цена приобретения и эксплуатации, либо узкий температурный диапазон (поплавковые уровнемеры), либо невысокая точность измерения уровня в большом динамическом диапазоне датчики уровня на основе гидростатики.
Как показывает опыт отечественного и зарубежного приборостроения, перспективными для измерения широкого круга физических величин являются емкостные датчики, отличающиеся высоким эксплуатационными характеристиками, надежностью, простотой и технологичностью изготовления наряду с невысокой конечной стоимостью. При разработке уровнемера для системы учета нефтепродуктов УИП-9602 была сформулирована главная задача обеспечить абсолютную погрешность измерения уровня ±1 мм в динамическом диапазоне 0 - 20 м при минимальных затратах ресурсов.
На практике наибольшее распространение получил емкостной датчик уровня сис-
темы УИП-9602 [2]. Данный датчик сконструирован на основе двухсторонней печатной платы, на которой методом фотолитографии с высокой точностью сформированы чувствительные элементы емкостных датчиков, емкостные эталонные концевые меры, а также все коммуникационные линии связи (рис. 1).
Емкостной уровнемер состоит из штанги 1 с автономными емкостными датчиками уровня 2, и последовательно включенных блока преобразователей 3, и вычислительного блока 4. Блок преобразователей 3 включает преобразователь емкость-напряжение 5 и микропроцессорный блок 6. Вычислительный блок 4 имеет канал вычисления уровня подтоварной воды (льда) 7, а также канал встроенных средств контроля 8. Автономные датчики уровня 2 состоят из входных
9 и одного общего выходного 10 электродов. Количество равномерно распределенных по высоте резервуара автономных емкостных датчиков уровня 2 кратно количеству входных электродов 9 в каждой секции 11. Входные электроды 9 (рис. 4) и выходные электроды 10 гальваническим способом нанесены на печатные платы 12 и 13 соответственно. И таким образом, боковой зазор 14 между входными электродами 9 и выходным электродом
10 является рабочим зазором автономных емкостных датчиков уровня 2. Он определяет величину электрической емкости между ними и может меняться в зависимости от размеров входных и выходных электродов. Между входными электродами 9 введены зазоры 15, играющие роль реперных точек для встроен-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 3/2015
189
системный анализ, управление и обработка информации в космической отрасли
Рис. 1. Фрагмент генераторного электрода в разрезе с линиями связи Fig. 1. Fragment Generator and electrode section with links
Рис. 2. Структурная схема конструкции емкостного уровнемера со штангой Fig. 2. Block diagram of the structure of the capacitive transmitter to the pole
ных средств контроля. На обратной стороне печатной платы 13 расположены входные электрические шины 16. На этой же стороне расположены коммутаторы импульсов опроса
17 автономных емкостных датчиков уровня
2. Коммутаторы импульсов опроса 17 могут быть выполнены в виде дешифраторов, коммутирующих импульсы опроса по всем вход-
190
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2015
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ В КОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ
ным электродам 9 последовательно по времени, или на регистрах сдвига, выполняющих ту же функцию. Профили 18, являющиеся одновременно несущими элементами конструкции, являются также экранами для электрических полей и наводок, так как между обратными сторонами печатных плат 12 и 13 и внутренней поверхностью профилей 18 предусмотрены экранирующие зазоры 19, уменьшающие электрическую нагрузку на входные электроды 9 и выходные электроды 10. Величина нагрузочной (паразитной) емкости на выходной электрод 10 непосредственно влияет на коэффициент передачи преобразователя емкость-напряжение 5 и является одним из основных факторов, уменьшающих точность измерения. Величина нагрузочной емкости на выходные электроды 10 сказывается на форме импульсов опроса, отклонение которых от прямоугольной формы приводит к снижению точности измерений. Поэтому в данном случае оптимальный подбор экранного зазора 19 осуществляется таким образом, чтобы величина емкости была не более 2000,0 Пф.
Величина экранного зазора 19 находится в пределах 18,0-27,0 мм. Блок преобразователей 3, включающий преобразователь емкости напряжения 5 и микропроцессорный блок 6, формирует управляющие сигналы для коммутаторов импульсов опроса 17 и обеспечивает передачу в цифровом виде данных от блока преобразователей 3 в вычислительный блок 4. В вычислительном блоке 4 имеется канал вычисления уровня взлива нефтепродукта и подтоварной воды (льда) 7 и канал вычисления средств контроля 8, который вычисляет координату зазора 15 между смежными входными электродами 9 и выделяет момент времени, когда уровень нефтепродукта находится в пределах этого зазора. Через разъемные электрические соединения 20 осуществляется электрическая связь между секциями 11, и между платами через перемычки, монтируемые в процессе изготовления секций 11.
Емкостной уровнемер работает следующим образом. Микропроцессорный блок 6 по заданной программе вырабатывает сигналы, управляющие коммутатором импульсов
Рис. 3. Штанга Fig. 3. Rod
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2015
191
системный анализ, управление и обработка информации в космической отрасли
опроса 17. Коммутаторы импульсов опроса 17 последовательно во времени формируют импульсные сигналы для опроса состояния автономных емкостных датчиков уровня 2. Опрос состояния автономных емкостных датчиков уровня 2 осуществляется путем подачи импульсного сигнала на соответствующий входной электрод 9. Опрос начинается с первого (считая снизу) автономного емкостного датчика уровня 2 и заканчивают последним (верхним) автономным емкостным датчиком уровня 2. В автономных емкостных датчиках уровня 2 информационным параметром является величина электрической емкости между входным 9 и выходным 10 электродами, т. е. по величине электрической емкости автономного датчика уровня 2 судят о степени его заполнения нефтепродуктом. Измерение электрической емкости обусловлено тем, что диэлектрическая проницаемость 8 контролируемого нефтепродукта отличается от диэлектрической проницаемости воздуха. При этом в пределах диапазона измерения автономный емкостной датчик уровня 2 работает как непрерывный емкостной датчик. Импульсы опроса, поступающие на входные электроды 9, далее поступают на выходной электрод 10, и в виде последовательности импульсов поступают на преобразователь емкость-напряжение 5. С выхода преобразователя емкость-напряжение 5 сигнал в виде импульсов напряжения поступает в микропроцессорный блок 6, где преобразуется в соответствующие кодовые посылки. Таким образом, на выходе микропроцессорного блока 6 и на выходе вычислительного блока 4 за один цикл опроса присутствует вся информация о состоянии каждого автономного емкостного датчика уровня 2. среди последовательности импульсов А (i = 1 - n, где n - количество входных электродов 9), характеризующих состояние каждого автономного емкостного датчика уровня 2, существует три группы, отличающиеся своим физическим состоянием. Первая группа соответствует полностью замоченным жидкостью емкостным датчиком уровня, вторая - частично замоченным и третья - полностью сухим.
Для автономного емкостного датчика уровня 2 мокрое состояние AM отличается от
сухого состояния AS. в 8 раз, где 8 - диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости: AM = 8XAS..
Для частично замоченных емкостных датчиков уровня, находящихся на границе раздела сред, значение А. находится в диапазоне значений [AS, AM]. Для выделения рабочих автономных емкостных датчиков уровня 2 из всей совокупности вводится пороговое значение для каждого автономного емкостного датчика уровня 2
P . = (AS + AM. )/2.
Все емкостные датчики уровня 2, для которых выполняется соответствующие А . > P., являются полностью мокрыми, за исключением .-го и .+ 1 автономных емкостных датчиков уровня, один из которых может быть частично замоченным, а второй полностью сухим или полностью мокрым, в зависимости от взаимного расположения зеркала контролируемой жидкости и входных электродов 9 этих автономных емкостных датчиков уровня 2. Все остальные датчики уровня от .+2 до n являются полностью сухими.
Автономные емкостные датчики уровня 2, которые могут быть частично замоченными, назовем первым и вторым рабочими датчиками в порядке возрастания их номеров (снизу вверх) и обозначим соответственно R1 и R2. В вычислительном блоке 4 в канале вычисления уровня 7 осуществляется вычисление точной границы раздела сред, т. е. уровня жидкости в резервуаре. Вычисление производится по формуле
Н = L0 х (. - 1) + h1 + h2, где Н - уровень жидкости в резервуаре;
L0 - длина входного электрода, включая зазор 15;
h1 - расчетная длина погружения в контролируемую жидкость первого рабочего датчика R1;
h2 - расчетная длина погруженного в контролируемую жидкость второго рабочего датчика R2.
Величины Ми h2 рассчитываются по формулам
h1 = (A - )КП; h2 = (A+! - AS.+1 )КЦ+1;
КП = (A. е- AS. )L0; 8 = (Am - ASm )AS.+1.
192
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2015
системный анализ, управление и обработка информации в космической отрасли
Здесь h2 = 0, когда частично погружен рабочий датчик R1, и h1 = L когда частично погружен рабочий датчик R2.
В каждом цикле измерения совокупность сигналов А. с выхода автономных емкостных датчиков уровня 2 обрабатывается и в канале встроенных средств контроля 8, вычисляемыми параметрами которого являются координаты Н зазора 15 между входными электродами 9 рабочих датчиков R1 и R2 и моменты времени, когда уровень контролируемой жидкости находится в пределах этого рабочего зазора. Здесь входные электроды 9 рабочих датчиков R1 и R2 играют роль двух сигнализаторов, один из которых находится ниже уровня контролируемой жидкости, а второй - выше. Координата рабочего зазора вычисляется по формуле
Hi = L0 х i,
где i - номер первого рабочего датчика R.
Для индикации момента времени, когда уровень жидкости находится в пределах рабочего зазора 15, осуществляется следующая процедура:
1. Вычисляется параметр
dA = A - A....
2. В массиве памяти вычислительного блока 4 отводится регистр М для хранения максимального значения параметра dA. В каждом цикле измерений параметр dA сравнивается по модулю с содержимым регистра М. По результатам сравнения в регистре М остается большая из двух сравниваемых величин. Таким образом, в регистре М хранится наибольшее значение параметра dA.
3. Вычисляется параметр
ddA = М - dA.
4. Для параметра ddA вводится поле допусков, в которое попадает значение ddA, когда уровень контролируемой жидкости находится в пределах зазора 15, и осуществляется анализ соотношений величины ddA с полем допусков. Как только величина ddA попадет в поле допусков, на выходе канала встроенных средств контроля 8 индицируется значение координаты Н..
5. Анализируется соотношение значения Н на выходе вычислительного блока 6 на предмет соответствия точности измерения
емкостного уровнемера заданной точности из технических требований.
Отличительной особенностью разработанного дискретно-непрерывного уровнемера является то, что контроль точности измерения осуществляется равномерно в пределах всего диапазона измерения уровня контролируемой жидкости и обеспечена возможность контроля точности в каждом цикле измерений, т. е. в процессе эксплуатации без создания специальных условий. Увеличение числа реперных точек существенно повышает метрологическую надежность емкостного уровнемера и снижает риск недостоверных измерений.
Так, при длине входного электрода L0 = 62,5 мм и диапазон, измерений Н = 20 м число реперных точек составит 160, при L0 = 31,25 мм - 320 и т. д. В емкостном уровнемере снимаются ограничения, связанные с динамикой слива и налива контролируемой жидкости. Поскольку в емкостном уровнемере контроль ведется по двум входным электродам 9, то они играют руль двух дискретных сигнализаторов. Их принципиальное отличие от одного сигнализатора состоит в том, что два сигнализатора позволяют точно определить нахождение уровня нефтепродукта, когда один из них оказывается выше уровня нефтепродукта, а другой - ниже. Таким образом, при любой скорости измерения уровня контролируемой жидкости в резервуаре факт нахождения уровня в зазоре между двумя сигнализаторами является событием достоверным. Это обеспечивает возможность контроля точности в каждом цикле измерений, т. е. непрерывно в процессе эксплуатации, в то время как в известных устройствах для этого должны быть созданы специальные условия, которые обеспечиваются, как правило, только при периодических поверках 1 раз в год.
В настоящее время изготавливаются емкостные датчики уровня с максимальной длиной плат и секций соответственно 1000 мм и 3 м. Таким образом, в каждой трехметровой секции размещается 3 пары печатных плат соответственно с восемью или более автономными емкостными датчиками уровня. Для удобства сборки, транспортировки и монтажа
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2015
193
системный анализ, управление и обработка информации в космической отрасли
штанги более трех метров на сопрягаемые концы трехметрового профиля устанавливаются силовые опорные кронштейны. Подбор штанги для резервуаров с высотой взлива, не кратной трем метрам, осуществляется за счет уменьшения или увеличения длины секции 11, устанавливаемой сверху. Силовые опорные кронштейны изготавливаются из сплава АК 12 М2 и имеют накладываемую на профиль 18 П-образную форму с элементом фланцевого соединения с двумя отверстиями и усиливающее ребро.
Библиографический список
1. Чередов А.И. Преобразователи для электрических измерений параметров емкостных датчиков. Дисс. ... к.т.н. Ленинград - 1984 г.
2. Патент 2239164. Емкостной уровнемер со штангой. Год-нев А.Г., Суслов В.М. - Опубл. В Б.И., 2002, № 30.
3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цены и сигналы.
- М.: Сов. Радио, 1977.
4. Richards I.C.S. hinear capacitance proximity gauges with high resolution. - Jurnal Physics E. Seiences Instrument, 1976, №8.
5. Ковтун А.А. Оценка чувствительности электроемкостных преобразователей. - Труды ВНИИЭП, 1976, вып. 31.
6. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергия, 1980.
7. Грохольский А.Л., Горбов М.М., Струнский М.Г., Федотов В.К. Емкостные первичные измерительные преобразователи диаметра неизолированного микропровода.
- Измерения, контроль, автоматизация: Научн.-техн. Сб. обзоров/ЦНИИТЭН приборостроения. - М., 1978.
8. Годнев А.Г., Свицын А.А. Средства измерения количества топлива в резервуарах. - Зарубежная радиоэлектроника, 1996, №8, С.118-120.
WIDE-RANGE DISCRETE CONTINUOUS LEVEL SENSOR Godnev A.G., Assoc., a leading researcher of «SEC IIT», Ph.D (Tech.)
ntc-korolev@yandex.ru
Scientific and Technological Center of Information and Measuring Equipment, 141070, Moscow region. Queens, Pionerskaya St., 2
A wide-range discrete-continuous level sensor with a self-calibrating rod is intended for the measurement of light oil products and oils in the range from 0 to 20 m with a measurement accuracy ±1 mm. A distinctive feature of the developed discrete continuous level sensor is that the control of the accuracy of measurement is carried out uniformly over the entire measurement range of the level of the controlled liquid and thus it provides the possibility to control the accuracy in each measurement cycle,
i.e. during the operation without creating specific conditions. An increase in the number of fixed points significantly improves the metrological reliability of the capacitive transmitter and reduces the risk of inaccurate measurements.
Keywords: capacitance level sensor, discrete continuous level sensor, wide-range level sensor.
References
1. Cheredov A.I. Preobrazovateli dlya elektricheskikh izmereniy parametrov emkostnykh datchikov [Converters for electrical measurements of parameters of capacitive sensors]. Diss.PhD. Leningrad, 1984.
2. Patent 2239164. Emkostnoy urovnemer so shtangoy. Godnev A.G., Suslov V.M. [Patent 2239164. Capacitive rod.] Publ. In BI, 2002, No 30.
3. Gonorovskiy I.S. Radiotekhnicheskie tseny i signaly [Radio engineering and price signals]. Moscow: Sov. Radio, 1977.
4. Richards I.C.S. hinear capacitance proximity gauges with high resolution. - Jurnal Physics E. Seiences Instrument, 1976, No 8.
5. Kovtun A.A. Otsenka chuvstvitel’nosti elektroemkostnykh preobrazovateley [Evaluation of the sensitivity elektroemkostnyh converters]. Trudy VNIIEP [Proceedings VNIIEP], 1976, vol. 31.
6. Gutnikov VS. Integral’naya elektronika v izmeritel’nykh ustroystvakh [The integrated electronics in the measuring devices]. Leningrad: Energy, 1980.
7. Grokhol’skiy A.L., Gorbov M.M., Strunskiy M.G., Fedotov V.K. Emkostnye pervichnye izmeritel’nye preobrazovateli diametra neizolirovannogo mikroprovoda [Capacitive transducers diameter bare microwires]. Izmereniya, kontrol’, avtomatizatsiya: Nauchn.-tekhn. Sb. obzorov/TsNIITEN priborostroeniya [Measuring, control, automation: Coll. Reviews / TSNIITEN instrumentation]. Moscow, 1978.
8. Godnev A.G., Svitsyn A.A. Sredstva izmereniya kolichestva topliva v rezervuarakh [Means for measuring the amount of fuel in the tanks]. Zarubezhnaya radioelektronika [Foreign electronics], 1996, №8, pp.118-120.
194
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2015
