Исследование способа измерения уровня топлива электропроводных жидкостей емкостным методом

Контроль уровня различных жидкостей играет важную роль при автоматизации технологических процессов во многих отраслях промышленности [1, с. 70]. Для измерения уровня жидкостей применяются различные методы и приборы (поплавковые, гидростатические, омические, емкостные, термические, акустические, радиоизотопные и другие), возможности которых определяются, с одной стороны, технологическими требованиями (диапазон, точность, взрывобезопасность и другие) и, с другой стороны, наличием неинформативных влияющих параметров (давление, плотность, вязкость, электропроводность и т. д.) [2, с. 169–170].

Особый интерес вызывают уровнемеры, реализующие, казалось бы, хорошо известный емкостной метод, основанный на различии диэлектрических свойств контролируемой жидкости и воздушной или паровоздушной среды над ее поверхностью [2].

В работах [3, с. 62, 4, с. 1] предложен оригинальный способ измерения уровня различных жидкостей инвариантный к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости. Для практической реализации способа в работах предложена [5, с. 1, 6, с. 1, 7, с.1] конструкция емкостного уровнемера (рисунок 1).

Сущность способа заключается в поочередном измерении электрической емкости рабочего и компенсационного датчиков и определении уровня по формуле:

                                                                                                   (1)

где А, В, и D — конструктивные параметры датчиков 2 и 4 (рисунок 1), которые определяются экспериментально при их изготовлении [5, с. 1, 6, с. 1, 7, с.1].

Рис. 1. Емкостной измеритель уровня жидкости

Конструктивные константы емкостных датчиков определяются следующим образом:

-const [м^-1]; -const [безразмерная величина];

-const [пФ/м].                                                                                                   (2)

где -удельная емкость двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости [пФ/м]

 — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха(≈1);

L- длина конденсаторного датчика 2 [м].

- начальная емкость датчика 4 на воздухе, т. е. до погружения в контролируемую жидкость [пФ].

В случае измерения уровня электропроводной жидкости один из электродов емкостных датчиков 2 и 4 должен иметь изоляционное покрытие (рисунок 1). Естественно, таким электродом должен быть потенциальный электрод 5, и соответственно, подключаемый к нему через геркон электрод датчика 4 [4, с. 1, 8, с. 232]. При этом материал изоляционного покрытия должен быть одним и тем же для обоих датчиков 2 и 4. В этом случае датчики 2 и 4 становятся двухслойными конденсаторами [9, с. 53]. На рисунке 2 представлена эквивалентная схема участка датчика 2 на границе раздела «воздух-жидкость».

Рис. 2. Эквивалентная схема участка датчика 2 на границе раздела «воздух-жидкость»

В этом случае, незаполненный жидкостью участок датчика 2 будет иметь емкость, образованную последовательным соединением С_1–2 и С_1–1, а импеданс погруженной части датчика 2 будет восприниматься измерительным устройством как некое емкостное сопротивление конденсатора с кажущейся или эффективной емкостью С₂, зависящей от ряда параметров: электропроводности жидкости (сопротивления утечки R_УТ нарис. 2), диэлектрических свойств изоляционного покрытия и самой жидкости (а точнее от соотношения R_УТ и емкостного сопротивления конденсатора С_2–1). В частности, если R_УТ → 0, то  → [10, с. 183, 11, с. 49–53].

Но так же «ведет» себя и постоянно погруженный в жидкость датчик 4, так как его потенциальный электрод покрыт тем же изоляционным материалом. Поэтому в выражении (1) будет участвовать в этом случае некая кажущаяся или эффективная относительная диэлектрическая проницаемость  контролируемой среды, которая в частном случае при RУТ → 0 будет определяться только диэлектрическими свойствами изоляционного покрытия [4, с. 1, 11, с. 49–53].

С учетом вышеизложенного, методика измерения уровня и расчетное выражение (2) останется 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 ввиду, 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 [12, с. 56, 13, с. 11–14].

Датчик диэлектрических свойств лучше всего выполнить в виде клубка произвольно смятых проводников, хотя бы один из которых должен иметь изоляционное покрытие [6, с. 1, 7, с. 2].

Точность результат измерения уровня определяется точностью измерения электрической емкости первичных преобразователей. Для измерения электрической емкости первичных преобразователей предпочтительнее использовать методы, описанные в [14, с. 180–181, 15, с. 174–175], где относительная погрешность измерения электрической емкости не превышает ±0,055 %.

В работах [16, с. 10–11, 17, с. 52–55], предложена конструкция вторичного измерительного устройства, реализующего алгоритмы измерения электрической емкости рабочего и компенсационного датчиков и по их показаниям, алгоритма расчета уровня h.

Вторичное измерительно-вычислительное устройство обладает свойствами универсальности: способно измерять как электрическую емкость датчиков, по оптимальному алгоритму, так и вести расчет уровня жидкости. Полученные значения электрических емкостей конденсаторных датчиков 1 и 2 измеряются поочередно и многократно, а затем усредняются, статистически обрабатываются и участвуют в дальнейших расчетах, согласно алгоритму функционирования системы. Измеритель уровня обладает функцией выведения сигналов о состоянии контролируемых параметров для управления внешними исполнительными устройствами.

Литература:

1.                  Minaev I. G., Mastepanenko M. A. By a capacity liquidometer // Вiсник Черкаського державного технологiчного универсiтету: сб. ст. Спецвыпуск. Черкассы: Изд-во ЧГТУ, 2009. С. 69–71.

2.                  Мастепаненко М. А., Воротников И. Н., Гурковский А. А., Тарануха Д. С. Аппаратно-алгоритмический комплекс информационно-измерительной системы контроля уровня топлива на основе емкостных датчиков // Молодой ученый. 2015. № 7. С. 168–172.

3.                  Минаев И. Г., Мастепаненко М. А. Информационно-измерительная система контроля уровня различных жидкостей // Вiсник Черкаського державного технологiчного универсiтету: сб. ст. — Черкассы: Изд-во Черкас. гос. техн. ун-та. 2010. № 3. С. 61–63.

4.                  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.

5.                  Пат. 147261 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной измеритель уровня жидкости / Мастепаненко М. А., Воротников И. Н, Шарипов И. К., Аникуев С. В., Фалько К. А..; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. — № 2014119647; заявл. 15.05.2014; опубл. 27.10.2014, Бюл. № 30. -2 с.

6.                  Пат. 85641 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной измеритель уровня / Минаев И. Г., Ушкур Д. Г., Мастепаненко 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.

7.                  Пат. 93975 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостный уровнемер жидкостей / Минаев И. Г., Мастепаненко М. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. — № 2009147414/22 (070186); заявл. 21.12.2009; опубл. 10. 05.2010.

8.                  Математические модели и методы обработки измерительных сигналов емкостных преобразователей на постоянном токе: монография / М. А. Мастепаненко, И. Н. Воротников, С. В. Аникуев, И. К. Шарипов. — Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. Аграрного ун-та, 2015. 232с.

9.                  Минаев И. Г., Мастепаненко М. А. Емкостной способ измерения уровня электропроводных и диэлектрических жидкостей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2011. № 5. С. 52–55.

10.              Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Система непрерывного контроля уровня различных жидкостей на основе микроконтроллера // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. науч. тр. / СтГАУ. Ставрополь: АГРУС, 2011. C. 181–185.

11.              Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: учебное пособие / А. Ф. Шаталов, И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко, И. К. Шарипов, С. В. Аникуев. Ставрополь: АГРУС, 2014. 64 с.

12.              Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Универсальный способ контроля уровня различных жидкостей и аппаратный комплекс для его реализации // Вестник АПК Ставрополья. 2012. № 5. С. 55–58.

13.              Моделирование в электроэнергетике: учебное пособие / А. Ф. Шаталов, И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко, И. К. Шарипов, С. В. Аникуев. Ставрополь: АГРУС, 2014. 140 с.

14.              Воротников И. Н., Мастепаненко М. А., Байрамалиев С. Ш., Тарануха Д. С., Фалько К. А. Оценка влияния нелинейности функции преобразования АЦП на погрешность оценки постоянной времени при измерении электрической емкости на постоянном токе // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов по материалам 77-й научно-практической конференции Ставропольского ГАУ (г. Ставрополь, март — апрель 2013 г.) — Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. Аграрного ун-та, 2013. С. 178–184.

15.              Мастепаненко М. А., Воротников И. Н., Шарипов И. К. Алгоритмы оценки постоянной времени измерительной цепи с использованием цифрового дифференцирования // Молодой ученый. 2015. № 7. С. 172–176.

16.              Воротников И. Н., Мастепаненко М. А., Ивашина А. В. Вторичное измерительно-вычислительное устройство конденсаторного датчика уровня // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов по материалам 76-й научно-практической конференции СтГАУ (г. Ставрополь, 10–25 марта 2012 г.) / Ставропольский государственный аграрный университет. Ставрополь: АГРУС, 2012. С. 9–13.

17.              Введение в специальность: учебное пособие / М. А. Мастепаненко, И. К. Шарипов, И. Н. Воротников, Габриелян Ш. Ж., А. В. Ивашина, С. В. Аникуев, В. Н. Шемякин. — Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2015. 113 с.