CC BY
9в
естник АПК
Ставрополья Агроинженерия
---------- № 1(5), 2012 ■ ■
55
УДК 681.128
Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А.
Minaev I. G., Vorotnikov I. N., Mastepanenko M. A.
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ РАЗЛИЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
UNIVERSAL METHOD FOR CONTROL OF DIFFERENT LIQUIDS’ LEVEL AND HARDWARE COMPLEX FOR ITS REALIZATION
Рассматривается способ измерения уровня электропроводных и диэлектрических жидкостей, основанный на емкостном методе измерения. Расчет уровня жидкости выполняется по универсальному для любого типа жидкостей алгоритму. Устройство, реализующее новый способ измерения, содержит два конденсаторных датчика, по показаниям которых вторичное измерительное устройство ведет расчет уровня жидкости в соответствии с алгоритмом расчета. Способ измерения уровня жидкостей позволяет полностью устранить влияние диэлектрических свойств контролируемой среды на результаты измерений.
Ключевые слова: емкостной способ, уровнемер, электрическая емкость, диэлектрическая проницаемость.
Method of measurement of the level of electroconduc-tive and dielectric fluids based on a capacitive measurement method is considered. Calculation of liquid level is performed by the common algorithm for any type of fluid. A device that implements a new method of measurement includes two condensing sensors, according to their sensor value the secondary measuring device carries out stage routing of liquid in accordance with the algorithm of the calculation. Method for liquid level measuring can entirely eliminate the effect of the dielectric properties of the controlled environment on the measurement results.
Keywords: capacitive method, liquid level gage, electrical capacity, dielectric constant.
Минаев Игорь Георгиевич -
кандидат технических наук,
профессор, заведующий кафедрой автоматики,
электроники и метрологии
Ставропольский государственный
аграрный университет
Тел. 8-962-448-98-95
E-mail: vorotn_in@mail.ru
Воротников Игорь Николаевич -
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой теоретических основ электротехники
Ставропольский государственный аграрный университет Тел. 8-928-309-99-71 E-mail: vorotn_in@mail.ru
Мастепаненко Максим Алексеевич -
аспирант кафедры автоматики, электроники и метрологии Ставропольский государственный аграрный университет Тел. 8-962-014-42-57 E-mail: vorotn_in@mail.ru
Эффективность работы современных систем управления во многом зависит от рационального выбора средств измерения, которые позволяют своевременно получать и обрабатывать информацию, обеспечивая тем самым выполнение задач технологического управления. Основой для получения первичной информации и технологических параметров являются датчики, в том числе датчики уровня различных жидкостей.
Непрерывный контроль уровня различных жидкостей играет важную роль при автоматизации технологических процессов во многих отраслях промышленности [1]. На сегодняшний день существует множество методов
Minaev Igor Georgievich -
Ph. D. in Technical Sciences, Professor, Head of
Department of Automatics, Electrics and Metrology
Stavropol State
Agrarian University
Теl. 8-962-448-98-95
E-mail: vorotn_in@mail.ru
Vorotnikov Igor Nicolaevich -
Ph. D. in Technical Sciences, Docent, Head of
Department of Theoretical Bases of Electrotechnics
Stavropol State
Agrarian University
Теl. 8-928-309-99-71
E-mail: vorotn_in@mail.ru
Mastepanenko Maxim Alekseevich -
Ph. D. Student of Department of Automatics, Electrics
and Metrology
Stavropol State
Agrarian University
Теl. 8-962-014-42-57
E-mail: vorotn_in@mail.ru
и приборов для измерения уровня жидкостей в резервуарах различной формы, самым простым из которых является использование щупа или индикаторного поплавка.
Особый интерес вызывают датчики и вторичные приборы, реализующие, казалось бы, хорошо известный емкостной метод измерения, основанный на различии диэлектрических свойств контролируемой жидкости и воздушной или паровоздушной среды над ее поверхностью [2].
Однако в идеале емкостные способы предназначены по своей сути для работы с диэлектрическими жидкостями, так как в случае с электропроводной средой сразу же возникает
56
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
в
комплекс проблем, обусловленных необходимостью устранения влияния ее проводимости.
Кроме того, при работе даже с хорошими диэлектриками (минеральные масла, нефтепродукты и др.) необходимо применять дополнительные меры по устранению влияния на метрологические характеристики изменения диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости. Эти изменения могут быть вызваны как колебаниями температуры, так и сменой состава или типа жидкости.
Предлагаемый емкостной способ контроля уровня жидкостей позволяет снять указанные вопросы и может быть реализован в универсальном уровнемере, не требующем какой-либо переградуировки при изменении свойств контролируемой среды, будь то трансформаторное масло или серная кислота [3,4].
Этот способ имеет несколько вариантов его технического воплощения [5,6]. Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит два коаксиальных конденсаторных датчика 1 и 2, один из которых не менее чем на 10 % длиннее другого (рис. 1). Длинный датчик 2 выполняет функции датчика диэлектрических свойств, нижний конец которого постоянно погружен в контролируемую жидкость [7].
Рисунок 1 - Эквивалентная схема емкостного уровнемера жидкостей
При этом конечное выражения для определения уровня жидкости выглядит следующим образом:
hi =
D( Cb - Ca ) - Ca A(Cb - Ca) - B ’
(1)
где
Однако расчетная формула (1) предназначена для определения уровня от верхней отметки конденсаторного датчика 1.
Если шкалу отсчета уровня h2 «привязать» к нижнему концу датчика 1 (рис. 1), то получается несколько другой алгоритм расчета уровня:
h2 =------Ca^--------------. (2)
A(Cb - Ca) - B
При этом изменится лишь конструктивный параметр D:
YLe 1 = D - const [пФ].
В общем случае за точку отсчета можно принять любую отметку на воображаемой вертикале резервуара в зависимости от технологического регламента.
Путем несложных геометрических построений легко вычислить соответствующую поправку h0 и ввести в выражения (1) или (2):
h1 = D(Cb - Ca) - Ca ± ho;
A(Cb - Ca) - B
h2 = -
Ca - D
± ho
Л(Св - Са) - В
В случае измерения уровня электропроводной жидкости один из электродов емкостных датчиков 1 и 2 должен иметь изоляционное покрытие. Естественно, таким электродом должен быть потенциальный электрод (т. е. внутренние электроды конденсаторных датчиков 1 и 2). При этом материал изоляционного покрытия должен быть одним и тем же для обоих датчиков 1 и 2. В этом случае датчики 1 и 2 становятся двухслойными конденсаторами. Один слой межэлектродного пространства занят изоляционным покрытием внутренних электродов, имеющим постоянное значение диэлектрической проницаемости. Другой же является либо воздухом (при минимальном значении уровня), либо жидкостью (при полном погружении конденсаторного датчика уровня жидкости).
На рисунке 2 представлена эквивалентная схема участка датчика 1 на границе раздела «воздух - жидкость».
h1 - длина непогруженной части датчика 1 [м];
Са - электрическая емкость конденсаторного датчика 1[пФ] ;
Св - электрическая емкость конденсаторного датчика 2[пФ] ;
А, В и й - конструктивные параметры датчиков 1 и 2, которые определяются экспериментально при их изготовлении.
Рисунок 2 - Эквивалентная схема участка датчика 1 на границе раздела «воздух - жидкость»
в
№ 1(5), 2012
Агроинженерия
57
Нетрудно заметить, что в этом случае незаполненный жидкостью участок датчика 1 будет иметь емкость С1, образованную последовательным соединением С1-2 и С1-1, а импеданс погруженной части датчика 1 будет восприниматься измерительным устройством как некое емкостное сопротивление конденсатора с кажущейся или эффективной емкостью С2, зависящей от ряда параметров: электропроводности жидкости (сопротивления утечки ЯУТ на рисунке 2), диэлектрических свойств изоляционного покрытия и самой жидкости (а точнее от соотношения ЯУТ и емкостного сопротивления конденсатора С2-1).
В частности, если ЯУТ ^ 0, то С2 ^ С2-1.
Но также «ведет» себя и конденсаторный датчик 2, нижний конец которого постоянно погружен в контролируемую жидкость, так как его потенциальный электрод покрыт тем же изоляционным материалом. Поэтому в расчетах будет участвовать некая кажущаяся или эффективная относительная диэлектрическая проницаемость 82 контролируемой среды, которая в частном случае при ЯУТ ^ 0 будет определяться только диэлектрическими свойствами изоляционного покрытия.
С учетом вышеизложенного методика измерения уровня и расчетные выражения (1) и (2) останутся прежними. В этом и заключается уникальность предлагаемого способа измерения уровня, использующего общеизвестный классический принцип регистрации различия диэлектрических свойств на границе раздела «воздух - жидкость» и в то же время полностью исключающего из расчетного алгоритма не только само понятие «диэлектрическая проницаемость», но и другие параметры контролируемой жидкости (температура, состав, электропроводность и т. д.). При этом следует иметь в виду, что датчики с неизолированными электродами применимы только для диэлектрических жидкостей, а датчики, имеющие изоляционное покрытие хотя бы одного электрода, обладают универсальностью по отношению к свойствам контролируемой жидкости.
Для реализации алгоритма обработки и дистанционной передачи данных предлагается вторичное измерительное устройство, позволяющее интегрировать устройство с системами пользователя по стандартному магистральному интерфейсу Я8-232/я8-485/ Я8-422.
Отличительной особенностью предлагаемого вторичного прибора является получение и передача измеряемой величины в цифровом виде, что дает возможность устранить дополнительные погрешности, связанные с дистанционной передачей данных, по сравнению
с унифицированными сигналами тока, напряжения или частоты, на большие расстояния.
Вторичное измерительное устройство выполнено на базе микроконтроллера AVR ATMEGA 8-16PI фирмы «Atmel». Принцип измерения электрической емкости в предлагаемом устройстве основан на измерении времени заряда конденсаторного датчика до заданного порогового значения напряжения, контролируемого встроенными аналого-цифровыми преобразователями микроконтроллера [8].
Полученные значения электрических емкостей конденсаторных датчиков 1 и 2 измеряются многократно, а затем усредняются и участвуют в дальнейших расчетах согласно алгоритму функционирования системы. Как показали экспериментальные исследования, наиболее актуальное число повторений измерений электрических емкостей конденсаторных датчиков - 16, с последующим усреднением значений. Визуализация результатов измерений осуществляется на цифровом индикаторе и на ПК.
Предлагаемое вторичное измерительное устройство выполнено с возможностью как вести непрерывный контроль уровня, так и сигнализировать о заданных предельных значениях уровня жидкостей, а также имеет возможность реагировать на изменения уровня и на основе получаемых с конденсаторных датчиков данных управлять производственными процессами в соответствии с технологическими регламентами.
Для получения и обработки данных на ПК разработано программное обеспечение «Уровнемер-1» [9,10]. Программа представляет собой ядро автоматизированного рабочего места (АРМ) измерительного комплекса, позволяющее пользователю решать задачи настройки и эксплуатации системы измерения уровня жидкости.
Программа позволяет обрабатывать и визуализировать данные, полученные с датчиков измерительного комплекса. Работает с заданным списком оборудования в соответствии с алгоритмом функционирования, выдает сообщения об ошибках при неверно заданных исходных данных, поддерживает диалоговый режим в рамках предоставляемых пользователю возможностей, т. е. имеет удобный интерфейс. Условия эксплуатации программы совпадают с условиями эксплуатации ПЭВМ IBM PC и совместимых с ними ПК. Программа рассчитана на непрофессионального пользователя. Программа может работать автономно под управлением операционной системы FreeBSD версии не ниже 6.2. Базовый язык программирования — UNIX SHELL.
Литература
1. Датчики : справочное пособие / В. М. Шарапов, Е. С. Полищук, Г Г Ишанин и др. Черкассы : Брама - Украина, 2008. 1072 с.
2. Емкостные датчики / В. М. Шарапов, И. Г Минаев, К. В. Базило и др. Черкассы : Брама - Украина, 2010. 152 с.
References
1. Sensors : handbook / V. M. Sharapov, E. S. Polishchuk, G. G. Ishanin et al. Cherkasy : Brama - Ukraine, 2008. 1072 p.
2. Capacitive sensors / V. M. Sharapov, I. G. Minaev, K. V. Bazilo, etc. Cherkasy : Brama -Ukraine, 2010. 152 p.
3. Pat. 2407993 Russian Federation, IPC 8
58
научно-практический журнал
3. Пат. 2407993 Российская Федерация, МПК 8 G01F23|24. Емкостной способ измерения уровня жидкостей и устройство для его осуществления | Минаев И. Г, Мастепаненко М. А. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2009141472|28 ; заявл. 09.11.2009 ; опубл. 27. 12.2010, Бюл. № 36. - 2 с.
4. Минаев И. Г., Мастепаненко М. А. Способ измерения уровня жидкостей || Достижения науки и техники АПК. 2010. № 9. С.68-70.
5. Пат. 78929 Российская Федерация, МПК 8 G01F23|24. Емкостной двухэлектродный датчик уровня жидкости | Минаев И. Г., Ушкур Д. Г., Мастепаненко М. А. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2008131178|22 ; заявл. 28.07.2008 ; опубл. 10.12.2008. Бюл. № 34. - 1 с.
6. Minaev I. G., Mastepanenko M. A. BY A CAPACITY LIQUIDOMETER || Вісник Черкаського державного технологічного универсітету. 2009. Спецвипуск. С. 69-71.
7. Пат. 85641 Российская Федерация, МПК 8 G01F23|24. Емкостной измеритель уровня | Минаев И. Г., Ушкур Д. Г., Мастепа-ненко М. А., Самойленко В. В. ; заявитель и патентообладатель ООО НПО Электроимпульс. № 2009105632|22 ; заявл.
19.02.2009 ; опубл. 19.02. 2009, Бюл. № 22. 1 с.
8. Минаев И. Г., Мастепаненко М. А. Информационно-измерительная система контроля уровня различных жидкостей || Вісник Черкаського державного технологічного универсітету. 2010. № 3. С. 6163.
9. Свидетельство № 2011611635. Программа расчета уровня различных жидкостей «Уровнемер-1» : программа для ЭВМ | Никульников А. В., Мастепаненко М. А., Воротников И. Н., Минаев И. Г. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2010618307 ; заявл. 27.12.2010 ; опубл. 18.02.2011. Бюл. № 2(72) (II ч.). 394 с.
10. Свидетельство № 2011612176. Программно-алгоритмический комплекс информационно-измерительной системы контроля уровня нефтепродуктов : программа для ЭВМ | Минаев И. Г., Мастепаненко М. А., Воротников И. Н., Карабакин И. А., Автухов А. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2011610463 ; заявл. 25.01.2011 ; опубл. 15.03.2011. Бюл. № 2 (72) (II ч.). 521 с.
G01F23/24. The capacitive method of measuring liquid level and device for its implementation / Minaev I. G., Mastepanenko M. A, applicant and patent owner FSBEI HPE Stavropol State Agrarian University. № 2009141472/28 ; appl. 09/11/2009, publ. 27.12.2010. Bull. № 36. 2 p.
4. Minaev I. G., Mastepanenko M. A. Method for measuring the liquid level // Advances in Science and technology agriculture 2010. № 9. P. 68-70.
5. Pat. 78929 Russian Federation, IPC 8 G01F23/24. Two electrode capacitive liquid level sensor / Minaev I. G., Ushkur D. G, Mastepanenko M. A. ; applicant and pat-ente owner FSBEI HPE Stavropol State Agrarian University. № 2008131178/22 ; appl. 07.28.2008 ; pub.10.12.2008. Bull. № 34. 1 P.
6. Minaev I. G., Mastepanenko M. A. BY A CAPACITY LIQUIDOMETER // Bulletin of Cherkasky sovereign tehnological university. 2009. Special Issue. P. 69-71.
7. Pat. 85 641 Russian Federation, IPC 8 G01F23/24. Capacitive level meter / Minaev I. G., Ushkur D. G., Mastepanenko M. A., Samoilenko V. V ; applicant and patent ovner LLC SPA Electroimpulse. - № 2009105632 / 22 ; appl. 19.02.2009 ; publ. 19.02.2009, Bull. № 22. 1 p.
8. Minaev I. G., Mastepanenko M. A. Information-measuring system controls the level of various liquids // Bulletin of Cherkasky sovereign tehnological university. 2010. № 3. P 61-63.
9. Certificate № 2011611635. Software for calculating the level of various liquids, «Rosemount-1» : a computer program / Nikulnikov A. V., Mastepanenko M. A., Vorotnikov I. N., Minaev I. G., applicant and patent owner FSBEI HBE Stavropol State Agrarian University. № 2010618307 ; appl.
27.12.2010 ; publ. 18.02.2011. Bull. № 2(72) (II h.). 394 p.
10.Certificate № 2011612176 Software-algorithmic complex information-measuring systems control the level of petroleum products: a computer program / Minaev I. G., Mastepanenko M. A., Vorotnikov I. N., Kara-bakin I. A., Avtukhov A. A., applicant and patent owner FSBEI HBE Stavropol State Agrarian University. № 2011610463 ; appl.
01.25.2011 ; publ. 15.3.2011. Bull. № 2(72) (II h.). 521 p.
