автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система непрерывного контроля уровня топлива в емкостях

На правах рукописи

/су

Мастепаненко Максим Алексеевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ТОПЛИВА В ЕМКОСТЯХ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2014

005568837

005568837

Работа выполнена на кафедре «Теоретические основы электротехники» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет» Министерства сельского хозяйства РФ.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Воротников Игорь Николаевич.

Официальные оппоненты: Круг Петр Германович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», кафедра «Информационно-измерительная техника», профессор

Макартичян Сергей Валерьевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», кафедра электротехники, доцент.

Ведущая организация ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный

университет», г. Ставрополь.

Защита состоится 20 февраля 2015 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, Волгоград, просп. им. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.vstu.ru Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «Я^е&С^*2014 г.

Ученый секретарь , /

диссертационного совета Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Измерение уровня жидкостей является ключевой операцией при автоматизации технологических процессов во многих отраслях промышленности, особенно химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей. Так как именно в этих отраслях промышленности измерение уровня напрямую связано с условиями безопасной работы оборудования, а также вопросами коммерческого учета светлых нефтепродуктов (таких как бензины различных марок, дизельное топливо, керосин), на долю которых приходится около 70 % продуктов, получаемых из нефти.

В настоящее время измерение уровня светлых нефтепродуктов (топлива) осуществляют различными методами и приборами (поплавковые, гидростатические, емкостные, 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.).

Наибольшее распространение в системах измерения уровня светлых нефтепродуктов получил емкостной метод. Отличительной особенностью емкостных измерителей уровня (ЕМУ) является: исключительная конструктивная простота датчиков; отсутствие подвижных частей первичного преобразователя; удобство монтажа; возможности использования в широком интервале температур и давлений; высокая чувствительность, малые габариты и масса; относительно высокое быстродействие и искробезопасность.

Большой вклад в разработку и исследование емкостных методов измерения внесли такие известные ученые, как В. П. Бухгольц, Э. Г. Тисевич, И. Форейт, В. А. Мишин, К. Б. Карандеев, Е. С. Полищук, Г. В. Медведев, В. М. Шарапов, В. А. Ацюковский, М. Д. Кошевой, И. Г. Минаев, В. М. Фомин и другие.

Несмотря на ряд преимуществ, применение ЕМУ в системах контроля и управления сопряжено с рядом трудностей. Основными из которых являются:

- влияние диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости г.ж на результаты измерений (этот недостаток частично устраняют различными конструктивными и схемными решениями, например, устанавливают дополнительный компенсационный датчик);

- необходимость установки дополнительной линии связи компенсационного датчика с вычислительными устройствами (этот недостаток обусловлен появлением дополнительной погрешности, вызванной изменением электрической емкости соединительного кабеля (которая с течением времени будет меняться), особенно при больших диапазонах измеряемого уровня);

- отсутствие возможности использования ЕМУ для различных типов жидкостей (например, различных марок бензина), без переградуировки измерительной схемы, либо необходимость калибровки устройства под конкретно измеряемую жидкость;

- дополнительные преобразования с целью получения выходного сигнала, удобного для дистанционной передачи, а также необходимость в некоторых случаях расположения генератора высокой частоты в непосредственной близости от первичного преобразователя, что по условиям эксплуатация не всегда приемлемо;

- высокая погрешность измерения электрической емкости (±0,1-4,0%).

Таким образом, вопросы совершенствования известных или разработка новых подходов к измерению уровня топлива емкостным методом, расширения

функциональных возможностей, с целью повышения метрологических и эксплуатационных характеристик емкостных уровнемеров, совместимости их со стандартными контроллерами и терминалами продолжают оставаться весьма актуальными.

Решение этих задач позволит значительно упростить проектирование, монтаж и эксплуатацию емкостных уровнемеров и повысить надежность функционирования систем контроля и управления уровнем топлива в целом.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время измерение уровня топлива осуществляют емкостными уровнемерами, что обусловлено отсутствием подвижных частей первичного преобразователя, высокой чувствительностью и точностью. Детальные исследования можно найти в работах: В. П. Бухгольца, Э. Г. Тисевича, К. Б. Карандеева, В. М. Шарапова, В. А. Ацюковского и других. Погрешность емкостных уровнемеров не превышает ±(0,5-^5) %.

Основной задачей, стоящей перед исследователями, является снижение погрешности измерений за счет усовершенствования известных или применения новых методов обработки измерительных сигналов (методов преобразования электрической емкости в электрический сигнал) первичных преобразователей, а также методов учета и компенсации внешних возмущающих воздействий.

Целью работы является повышение метрологических характеристик емкостных уровнемеров топлива, разработка структуры и алгоритма работы двухканального инвариантного измерителя уровня.

Эта цель достигается решением следующих частных научных задач:

1. Разработка и исследование структуры двухканального емкостного измерителя уровня топлива, обладающего высокой точностью учета флуктуации относительной диэлектрической проницаемости контролируемой среды.

2. Разработка и исследование оптимального по быстродействию и точности алгоритма преобразования электрической емкости в код с промежуточным преобразованием в постоянную времени.

3. Разработка и исследование способа измерения уровня топлива, инвариантного к влиянию относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.

4. Разработка структуры вторичного измерительно-вычислительного устройства с разновременной коммутацией рабочего и компенсационного конденсаторных датчиков для практической реализации алгоритмов измерения электрической емкости и способа измерения уровня.

5. Разработка комплекса программ для практической реализации информационно-измерительной системы непрерывного контроля уровня топлива в емкостях.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы анализа переходных процессов в электрических цепях, методы математического моделирования, теории погрешностей средств измерений, физики диэлектриков, теории дифференциальных уравнений и методов статистической обработки результатов измерений, анализа динамической погрешности, специализированные программные среды МаЛСас! и Ма1:ЬаЬ.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Предложена структура двухканального емкостного измерителя уровня, инвариантного к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, а также конструктивные варианты исполнения емкостного

измерителя уровня, отличающегося от существующих устранением необходимости установки дополнительной линии связи рабочего и компенсационного датчиков и высокой удельной емкостью компенсационного датчика, без изменения габаритов устройства и зоны измеряемого уровня.

2. Предложен алгоритм преобразования электрической емкости в код с промежуточным преобразованием в постоянную времени измерительной цепи, отличающийся повышенной точностью и быстродействием.

3. Разработан способ измерения уровня, инвариантный к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой среды по параметрам двух емкостных датчиков (рабочего и компенсационного).

4. Предложено техническое решение цифрового измерительно-вычислительного устройства системы непрерывного контроля уровня топлива, а также комплекс программ для его практической реализации.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Предложена структура двухканалыюго емкостного измерителя уровня топлива в емкостях, инвариантного к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, разработана и исследована конструкция емкостного измерителя уровня, новизна и полезность которой подтверждена четырьмя патентами РФ.

2. Предложен алгоритм преобразования электрической емкости в код с промежуточным преобразованием в постоянную времени, отличающийся высокой точностью и быстродействием.

3. Разработан алгоритм измерения уровня, инвариантный к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, научная новизна и практическая ценность которого подтверждена патентом РФ на изобретение.

4. Предложена структура вторичного измерительно-вычислительного и управляющего устройства с разновременной коммутацией рабочего и компенсационного конденсаторных датчиков, программный комплекс для его практической реализации, полезность которого подтверждена восемью свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ.

5. Результаты работы используются в учебном процессе (в курсовом и дипломном проектировании) на кафедрах «Теоретические основы электротехники» и «Автоматика, электроника и метрология» электроэнергетического факультета ФГБОУ ВПО «Ставропольский ГАУ», что подтверждается двумя актами внедрения НИР в учебный процесс.

Положения, выносимые на защиту:

1. Структура двухканального емкостного измерителя уровня топлива, инвариантного к флуктуации относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.

2. Результаты исследования оптимального алгоритма преобразования электрической емкости в код с промежуточным преобразованием в постоянную времени, отличающегося высокой точностью и быстродействием, а также рекомендации по его практической реализации.

3. Способ измерения уровня по параметрам двух емкостных датчиков, инвариантный к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.

4. Структура вторичного измерительно-вычислительного и управляющего устройства с разновременной коммутацией рабочего и компенсационного конденсаторных датчиков, а также комплекс программ для его реализации.

Достоверность результатов обусловлена совпадением аналитических исследований и имитационного моделирования алгоритма преобразования электрической емкости в код с промежуточным преобразованием в постоянную времени и инвариантного алгоритма расчета уровня по параметрам двухканального емкостного измерителя.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях, выставках и конкурсах: V Международная научно-техническая конференция «ДАТЧИКИ, ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ - 2009» (г. Ялта, 1319 сентября 2009 г.); Президиум Российской академии наук, Победитель Конкурса 2010 года на соискание медалей РАН «За лучшую научную разработку года» в номинации «Разработка или создание приборов, методик, технологий и новой научно-технической продукции научного и прикладного значения» (г. Москва, 2011 г., золотая медаль Президиума РАН постановлением РАН от 22 февраля 2011 г.); Петербургская техническая ярмарка - Лучший инновационный проект и лучшая научная разработка 2013, 2014 гг. в номинации «Приборостроение» (г. Санкт-Петербург, 2011 и 2012 гг., золотые медали); 7-я Биотехнологическая Международная выставка-ярмарка «РосБиоТех-2013» (г. Москва, 2013 г., золотая медаль); ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», 19-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2013 г.).

Публикации. Научные результаты работы опубликованы в следующих рецензируемых журналах: «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика», «Достижения науки и техники АПК», «Вестник АПК Ставрополья», «Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве», «Вкник Черкаського державного технолопчного универЫтету», а также в сборниках материалов конференций. Всего по теме диссертации опубликовано 35 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 патентов РФ и 8 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы» (в машиностроении), а именно: п. 1 «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем»; п. 3 «Методы и технические средства метрологического обеспечения информационно-измерительных и управляющих систем, метрологического обеспечения испытаний и контроля, метрологического сопровождения и метрологической экспертизы информационно-измерительных и управляющих систем, методы проведения их метрологической аттестации»; п. 4 «Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем»; п. 6 «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и

управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Внедрение результатов работы. Работа выполнялась в рамках реализации федеральной государственной программы «СТАРТ-09» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Техническое средство для измерения уровня различных жидкостей с унифицированным выходным сигналом», государственный контракт № 6743р/9378 от 10 апреля 2009 года. Разработка зарегистрирована во Всероссийском научно-техническом информационном центре (ВНТИЦ, регистрационный номер 01200954636). На сегодняшний день реализуется государственный контракт № 12528р/23928 от 28.02.2014 на тему «Разработка аппроксимационных алгоритмов обработки первичных информативных параметров регистрируемых сигналов системы непрерывного контроля уровня нефтепродуктов».

Личный вклад автора. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежат: разработка инвариантного способа измерения уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей емкостными уровнемерами [4, 6, 8, 11, 21]; метод преобразования электрической емкости в код по мгновенным значениям параметров переходного процесса в измерительной цепи на постоянном токе [3, 5]; разработка алгоритмов и программ для ЭВМ по расчету уровня топлива по значению электрической емкости рабочего и компенсационного конденсаторных датчиков.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений, библиографического списка, включающего 110 источников. Основная часть работы изложена на 163 страницах, содержит 52 рисунка и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор научно-технической и патентной литературы, проведен анализ существующих систем измерения уровня топлива. Рассмотрены их математические модели. Проведена оценка методов преобразования уровня топлива в электрические величины и выявлены их основные недостатки. Сформулированы частные научные задачи исследования.

Функционально емкостные датчики уровня связаны с относительной диэлектрической проницаемостью среды еж, заполняющей межэлектродное пространство, которая зависит от температуры состава или свойств контролируемой жидкости. Для устранения влияния еж на сегодняшний день используются различные структурные решения, которые в большинстве случаев сводятся к установке дополнительного компенсационного датчика.

Установлено, что использование компенсационного датчика в емкостном уровнемере сопряжено с рядом трудностей, основными из которых являются: сложность подключения компенсационного датчика к измерительной схеме и его малая начальная емкость, увеличенная зона неизмеряемого уровня, необходимость учета

погрешности, вносимой линией связи, необходимость градуировки прибора под конкретную жидкость в процессе эксплуатации.

С целью устранения указанных выше недостатков предложена конструкция емкостного измерителя уровня (ЕИУ), выполненного в виде двух коаксиальных конденсаторов (датчиков) КД1 и КД2, соединенных через контакт герконового реле (рисунок 1, а). Компенсационный датчик (рисунок 1, а) постоянно погружен в контролируемую жидкость, уровень которой не должен опускаться ниже этого предела.

Для увеличения начальной емкости компенсационный датчик содержит электроды, выполненные из многожильных изолированных проводников, уложенных в виде многовитковой петли во внутренней полости внешнего электрода КД2 вдоль его оси на каркас (рисунок 1, а). Такая конструкция компенсационного датчика позволяет устранить технологический разброс начальной емкости при его изготовлении и подстраивать ее в пределах 30 %.

Общие емкости Сл и С в ЕИУ определяются выражениями (рисунок 1, б):

СА = С0 + Сг + С2, Св = С0 + С! + С2 + С3, (1)

где Сг - емкость незаполненной жидкостью части КД1 и КД2\ С2 - емкость погруженной части в жидкость этих датчиков; С0 - емкость проходного изолятора и соединительного кабеля (на рисунке не показано); С3 - емкость компенсационного конденсаторного датчика диэлектрических свойств, постоянно погруженного в контролируемую жидкость.

Так как измерительный канал КД1 и КД2 идентичен, то выражения для определения значений С/ и С2 будут справедливы для расчета Сл и Св. При этом емкость СА КД1 будет меньше общей емкости Св КД2 на С3, которая не зависит от изменения уровня, а является только функцией диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости и определяется выражением

Сз = Св — СА = С0к ■ £ж, (2)

где Сок - начальная емкость компенсационного датчика (т. е. до погружения в жидкость).

При наличии электропроводной среды внутренние электроды КД1 и КД2 должны иметь изоляционное покрытие. Материал изоляционного покрытия должен быть одним и тем же для обоих датчиков КД1 и КД2.

Установлено, что импеданс погруженной части датчика будет восприниматься измерительным устройством как некое емкостное сопротивление конденсатора с кажущейся или эффективной емкостью С2, зависящей от параметров: электропроводности жидкости (сопротивления утечки Яут на рисунке 1, в), диэлектрических свойств изоляционного покрытия и самой жидкости (а точнее от соотношения Луг и емкостного сопротивления конденсатора С2Г).

В частности, если Куг —> <х>, то С2—* С/.

Доказано, что компенсационный конденсаторный датчик, постоянно погруженный в жидкость, будет «вести» себя так же, как и КД1 (рисунок 1, в), так как его потенциальный электрод покрыт тем же изоляционным материалом, с теми же геометрическими размерами. Поэтому в расчетах уровня будет участвовать некая кажущаяся или эффективная относительная диэлектрическая проницаемость еж контролируемой среды, которая в частном случае при Яут —> оо будет определяться только диэлектрическими свойствами изоляционного покрытия.

Рисунок 1 - Емкостной измеритель уровня: а) конструкция емкостного уровнемера; б) эквивалентная электрическая схема ЕИУ жидкостей; в) эквивалентная схема участка КД1 на границе раздела «воздух - электропроводная жидкость» Предложена структурная схема инвариантного ЕИУ с разновременным вводом входных сигналов (хгих2) через измерительные каналы (К1, К2) в вычислительное устройство (В), которая представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема двухканального инвариантного измерителя уровня: - входное воздействие, подлежащее измерению (полезная информация); /({) - возмущающее воздействие;^/) - выходная величина, содержащая информацию о воздействии

Установлено, что, применительно к теории инвариантности, рассматриваемый ЕИУ удовлетворяет основному принципу построения измерительных систем -многоканальное™.

С учетом выше изложенного, предлагаемый ЕИУ по структурной схеме на рисунке 2 представляет собой двухканальное инвариантное измерительное устройство.

Конструкция ЕИУ (рисунок 1. а) позволила устранить необходимость установки дополнительной линии связи компенсационного датчика с вторичным преобразователем, так как эту функцию выполняет КД2. Устройство позволяет вести непрерывный контроль за изменением так как Св > Са на С3, которое не зависит от изменения уровня жидкости в резервуаре, а является функцией только еж.

Доказано, что конструкция компенсационного датчика позволила уменьшить неизмеряемую зону уровня и увеличить удельную начальную емкость, не изменяя габариты устройства. Поэтому данная конструкция ЕИУ может быть использована для

реализации новых способов измерения уровня топлива в баках летательных аппаратов емкостным методом.

Во второй главе рассматриваются известные подходы к измерению электрической емкости. Приводится сравнительный анализ методов измерения электрической емкости на переменном и постоянном токе.

Установлено, что методы измерения емкости, основанные на организации переходного процесса (ПП) в измерительной RC-цепи при подключении ее к источнику постоянного напряжения, а также исследования погрешности методов и измерительных алгоритмов параметров ПП на постоянном токе в технической литературе изучены недостаточно, выводы по исследованиям противоречивы, рекомендации по практическому их применению отсутствуют.

Большой вклад в исследование методов измерения параметров электрических цепей при подключении к измерительной цепи (ИЦ) напряжения постоянного тока внесли такие известные ученые, как Guan Gen-Zhi, Liu Kai, Huang Hai-kun, Zhao Lai-Hong (КНР), В. С. Мелентьев, В. И. Батищев, А. В. Цапаев, И. Н. Желбаков, А. А. Лупачев (РФ).

Определение постоянной времени г ИЦ по параметрам ПП является одной из основных метрологических задач при измерении электрической емкости на постоянном токе. Принимая во внимание работы известных исследователей в данной области знаний, считаем актуальными углубленные исследования измерительных алгоритмов постоянной времени т и связанной с ней емкости на постоянном токе путем организации ПП.

Постоянная времени ИЦ может быть определена следующими известными методами динамических измерений (ДИ)\

1. Путем логарифмирования экспоненты в определенный момент времени:

г = -1п(1£о(3)

где Е0 - ЭДС источника энергии; t — текущее время.

2. Использованием значения функции напряжения на конденсаторе и скорости ее изменения в определенный момент времени, а именно:

г = (4)

"'СхСО W

3. Использованием отношения первой и второй производных функции напряжения на емкости С, в определенный момент времени:

и»схСО (Э)

Используя методы определения параметров электрических цепей по мгновенным значениям ПП, исследованы измерительные алгоритмы оценки г ИЦ:

1. т =--(E0-uCr(t)) алгоритм исследуемый).

2. f =--M(t3)-M(t2)- (2-й алгоритм сравнительный).

'"uCtjJ-utt!)

3- т = -u(t3)+4u(t2)-3u(tl) ~ (3"и алг°Ри™ сравнительный).

4- f = " 2i2uull-ü^l-u(tl))' At - (4"й алг°Ри™ сравнительный), (6)

где и({2), и(£3) - значения отсчетов функции напряжения в момент времени

¡2, Д/ - шаг дифференцирования, который равен: ДС = — = С3 — Г2.

Методами математического моделирования проведены исследования приведенных выше измерительных алгоритмов (6) оценки т ИЦ.

В таблице 1 приведена относительная погрешность оценки г по результатам моделирования системы обработки измерительных сигналов с использованием четырех алгоритмов.

Таблица 1 — Относительная погрешность оценки постоянной времени

Относительная погрешность за 1000 наблюдений, %

1-я модель (исследуемая)

(¡/Ео

МОГ7 3.29 ТО"5

мсг6 3,89-10"4

1-10-5 5,09-КГ*

МО4 5,69 ТО"2

2-я модель (логарифмирование экспоненты)

Ч/Ев Параметр алгоритма М-к оатность интервала обработки

1 10 25 50 100

1-1<Г7 1,97- Ю"2 510"4 2,85-10"4 4,4-10"5

1-10Г6 1,84 3,72-10"2 7,39-10"3 910"4

1-1<Г5 4,69 0,26 9,35-10"3

1-10Г4 1,83

3-я модель (по Ньютону)

1-1(Г7 4.3110"4 3,45 10"' 2,05-10"2 8,04-10"2 0,31

1-10Г6 1,59-10"2 4,23 ТО"3 2,12-10"2 8,13-Ю"2 0,31

1-1 (Г5 1,734725 2,23 ТО"2 3,20 10"2 8,86-10"2 0,31

МО4 1,75 0,34 0,21 0,39

4-я модель (по производным)

1-1(Г 2,05 10"2 5,71-10"3 0,02 0,08

1-1 (Г6 1,84 4,24-10"2 0,02 0,08

¡•КГ3 4,70 0,28 0,09

1-1 (Г4 1,91

I ~~1— работа алгоритма неустойчива и погрешность не предсказуема.

Результаты сравнения позволяют сделать вывод о явном преимуществе и оптимальности первого исследуемого алгоритма по отношению к остальным, а именно:

1. Точность первого алгоритма на 2—3 порядка выше точности трехточечных алгоритмов.

2. Первый алгоритм имеет значительно большую зону работоспособности, ограниченную относительным уровнем квантования входных отсчетов — = Ю-3.

Ео

3. Для всех исследуемых алгоритмов оптимальным динамическим диапазоном проведения отсчетов параметров развивающегося ПП является период времени (0,1-Ч,0)т , как имеющий минимальную погрешность оценки т.

4. Интервал обработки 2Д//т для аппроксимирующих алгоритмов должен быть не менее (0,2-0,3)т и с учетом момента времени первого отсчета укладываться в оптимальный диапазон измерения.

В процессе проведения исследований выполнен анализ составляющих погрешности измерения электрической емкости по параметрам переходного процесса в измерительной цепи.

Оценка погрешности косвенного измерения г исследуемого алгоритма (3) осуществляется методом частных производных:

где Дт - абсолютная погрешность измерения г, Аь — абсолютная погрешность задания времени измерения; Ди - абсолютная погрешность измерения напряжения на конденсаторе.

После вычисления дифференциалов и упрощения выражения (7) предельная относительная погрешность т определяется следующим образом:

МтЬ ]ф2 + (#)2-100 (8)

где I — момент измерения (отсчета).

Минимальное значение второй составляющей погрешности в (8) можно найти исследованием ее на экстремум:

М ^ СЕ0 )

с I £

или- • е* — <?■• = 0. (9)

Решением является момент времени I = т. Окончательно получим:

<5гт;п^5г|с=т«(^ + ^)-100%. (Ю)

То есть вторая составляющая имеет минимум при / = т, равный Ди ■ е/Е0, где Д и/Е0 - относительная погрешность измерения напряжения; е - основание натурального логарифма (е = 2,71828).

Из приведенных выше рассуждений можно сделать следующий вывод о том, что в момент времени / = т относительная погрешность измерения т минимальна и численно в 2,72 раза больше относительной погрешности измерения напряжения (Аи/Е0), при несущественности аддитивной составляющей задания момента измерения.

Проведена оценка влияния сопротивления утечки в контролируемой среде на погрешность измерения т. Схема замещения ИЦ при наличии утечек представлена на рисунке 3. Относительная погрешность измерения т, обусловленная утечками, определяется по выражению

6^=^^-100%. (11)

Тогда

= (12)

Используя параметры установившегося режима ИЦ (рисунок 3), выражение для определения Иут примет вид

V - (13)

где ид - значение напряжения на входе измерительной цепи в установившемся режиме.

G)

Ей

Рисунок 3 - Схема замещения ИЦ при наличии утечки

Для определения пределов допустимых значений Rym необходимо ввести ограничения на величину St^, определяемую по выражению (12):

где е(т) - заданная точность. Тогда

До < £{T)(Rym + fí0) , или < (15)

Выражение (15) может использоваться для диагностики параметров первичных преобразователей в процессе эксплуатации.

Оценка результирующей погрешности основного информативного параметра (постоянной времени) проведена через оценку доверительных границ неисключенной составляющей погрешности (НСП).

В соответствии с ГОСТ 8.207-76 НСП вычисляется по формуле

5т =

(16)

где 9, - граница /-той составляющей НСП; К- коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью. При т > 4, К= 1,1, Р = 0,95.

В настоящих исследованиях результирующая погрешность определения т по мгновенным значениям развивающегося переходного процесса определяется следующим образом:

5т = и-дДбОД2 +(8т)2 +(Sí/ftl)2 ЦШдат)2 +(5fíyr)2,

где 5Uq - погрешность квантования входного сигнала; 5т - погрешность метода определения т (шаг округления 10"6, при М = 10);í/,vi - погрешность линейности функции преобразования АЦП;SUdam - погрешность датирования входных отсчетов; ñRyr - погрешность, вносимая сопротивлением утечки в контролируемой среде.

Результирующая погрешность измерения емкости также определена через оценку доверительных границ неисключенной составляющей погрешности:

&С=К-у] (6т)2 + (5^, )2,

где 6Ra - погрешность измерения зарядного сопротивления R0; К - коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью, при т = 2, 0,/02=4, К = 1,1, Р = 0,95.

Сопротивление Ra является внешним элементом измерительной системы и может быть измерено со сколь угодно высокой точностью при изготовлении ЕМУ.

Установлено, что погрешность измерения т не превышает ±0,049 %, а погрешность расчета электрической емкости не превышает ±0,055 %, при Р = 0,95.

В третьей главе проведен анализ вариантов схем измерения уровня емкостным способом, представлен способ измерения уровня, инвариантный к изменению еж и результаты его экспериментальных исследований. Приведена аналитическая оценка погрешности алгоритма измерения уровня и результаты численного моделирования алгоритма.

Конструктивное решение ЕМУ, предложенное и исследованное в первой главе (рисунок 2), является одним из вариантов технического воплощения алгоритма косвенного измерения уровня.

Исследования, проведенные в главе 1, показали, что С3 не зависит от изменения уровня жидкости, а является функцией только еж и определяется выражением (2). Значение еж примет вид

= (19)

Используя понятие удельной емкости у на единицу длины КД1 (в незаполненном состоянии) можно представить С/ и С2 в виде:

Ci = yhl£r « Yh, (20)

С2= YEm{L-h{), (21)

где ег - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха (ег =1); у - удельная емкость КД1 на единицу его длины; h, - длина непогруженной части КД1; еж - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости; L — длина КД1. Для упрощения расчетов выведены конструктивные константы КД1 и КД2 ЕМУ: А = -7— [лГ1] - const; D =j--L = AL- const; В = у • еГ [пФ/м] - const. (22)

Сок Сок

Тогда расчетная формула для определения уровня примет вид

. _ Р(.СВ-СА)-СА

- Л1св-сл-в ' <23)

где А, В и D - конструктивные параметры КД1 и КД2 ЕИУ, которые определяются экспериментально при их изготовлении.

В вычислительном алгоритме (23) выражение (19) используется в расчетах в качестве еж, как этот видно из выражения

-• (24)

Поэтому выражение (23) вычислительного алгоритма не зависит от возмущающего воздействия - изменения еж и является инвариантным.

Расчетная формула (23) предназначена для определения h, от верхней отметки КД1. Если шкалу отсчета уровня h2 «привязать» к нижнему концу КД1 (рисунок 1, а), то получается несколько другой алгоритм расчета уровня: h _ с a-lb _ сА-о

2 л(св-сЛ)-в А(СВ-СА)-В ' При этом изменится лишь конструктивный параметр D:

D = у £г- L - const [пФ]. (26)

Очевидно, что отсчет показаний уровня можно вести от любой вертикальной точки резервуара.

Теоретические и экспериментальные исследования алгоритма расчета уровня с диэлектрическими (дизельное топливо, бензин) и токопроводящими жидкостями (вода) показали:

- погрешность измерения уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей не зависит от изменения еж\

- отсутствует необходимость градуировки измерительной схемы под конкретно измеряемую жидкость.

Представлено выражение для определения относительной погрешности косвенного измерения уровня по результатам измерения электрической емкости:

юо% (27)

Определены пределы допускаемой основной погрешности bh результатов измерения уровня по двучленной формуле согласно ГОСТ.8.401-80:

= Т = • (28)

где с - относительная погрешность в конце шкалы; d - относительная погрешность в начале шкалы; Хк = L - предельное значение измеряемого уровня; Х= h - измеряемый уровень.

Методами имитационного моделирования установлено, что предельная относительная погрешность алгоритма расчета уровня зависит от значения разницы С в - СА, т. е. от значения С0к.

В результате исследований доказано: емкость Св КД2 должна быть не менее чем на 10 % больше емкости СА КД1, так как в случае понижения этой разницы алгоритм расчета уровня теряет свою работоспособность и погрешность измерения становится непредсказуемой (емкость СА КД1 становится соизмеримой с емкостью Св КД2), особенно при малых начальных значениях емкости КД1 и КД2. Практически значимые значения сок Для устойчивой работоспособности алгоритма лежат в пределах 15 до 50% от Cao- В этом случае основная приведенная погрешность информационно-измерительной системы контроля уровня емкостным методом не превышает ±0,14 %.

Втиричный преобраинитгель

Рисунок 4 - Функциональная структура информационно-измерительной системы непрерывного контроля уровня топлива

Для реализации двухканапьного инвариантного ЕМУ предложена функциональная структура, представленная на рисунке 4. С учетом методов преобразования электрической емкости в код (3) с промежуточным преобразованием в постоянную времени получена зависимость, описывающая связь измеряемого уровня

по алгоритму (23) емкостным методом с постоянными времени Тд и Тв измерительных цепей двухканального ЕМУ:

^_Сок'Ь г та—САО'КО (29*\

Сао те-тд-СокЯо

Результаты оценки предельной погрешности измерительного канала уровня приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Оценка погрешности измерительного канала

Элемент канала Метод оценки Значение, %

Первичный преобразовател ь Литературные данные, натурный эксперимент ±0,090

АЦП Имитационное моделирование ±3,1 ТО"5

Погрешность датирования входных отсчетов Имитационное моделирование ±0,001

Метод измерения т Имитационное моделирование ±3,89-10"4

СА, Св Аналитически С = т//?0 ±0,055

И Аналитически, имитационное моделирование, натурный эксперимент ±0,063

8, % измерительного канала уровня ±|0,14+0,05(|Х,А1-Л>1

В четвертой главе предложена конструкция вторичного измерительного устройства, реализующего алгоритмы измерения электрической емкости рабочего и компенсационного датчиков и по их показаниям алгоритма расчета уровня И.

Вторичное измерительно-вычислительное устройство обладает свойствами универсальности: способно измерять как электрическую емкость КД1 и КД2, по оптимальному алгоритму, так и вести расчет уровня жидкости по показаниям датчиков, согласно выражениям (23) или (25). Полученные значения электрических емкостей КД1 и КД2 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.

Пределы измерения электрической емкости лежат от 0,5 до 1000 пФ, что обеспечивает измерение практически значимого уровня в пределах 2 метров.

Предложено программное обеспечение для работы микроконтроллера и для визуализации принимаемых от устройства данных на мониторе персонального компьютера.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена структура двухканального ЕМУ, инвариантного к изменению сж, путем использования коаксиального датчика, к которому подсоединен параллельно компенсационный датчик через контакт герконового реле. Конструкция ЕИУ позволила значительно сократить неизмеряемую зону, увеличить удельную емкость

компенсационного датчика на единицу его длины и устранить технологический разброс начальной емкости.

2. Установлено, что перспективным методом повышения точности систем обработки измерительных сигналов является использование мгновенных значений напряжения во время развивающегося переходного процесса путем преобразования электрической емкости в код с промежуточным преобразованием в постоянную времени. Предложен оптимальный по точности метод преобразования ЭЕ. Предложены рекомендации по его практической реализации: в момент времени / = т относительная погрешность определения т (как основного информативного параметра) минимальна и не превышает ±0,049 %, а погрешность определения электрической емкости не превышает ±0,055 %.

3. Разработан новый алгоритм расчета уровня емкостным методом с компенсацией влияния возмущающих воздействий на результат измерения.

4. Методом имитационного моделирования установлен определяющий критерий, влияющий на работоспособность и точность системы измерения уровня: Св > СА> 15 50 %. Результаты исследований показали, что предлагаемая информационно-измерительная система позволила в 3,4 раза снизить погрешность измерения уровня топлива с ±0,5% до ±0,14 % (за время измерения и статистической обработки результатов, не превышающее 0,1 с).

5. Предложена структура вторичного измерительно-вычислительного и управляющего устройства, реализующего алгоритм измерения электрической емкости и алгоритм расчета уровня И, а также комплекс программ для их реализации.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах: Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации кандидатских и докторских диссертаций:

1. Минаев, И. Г. Способ измерения уровня жидкостей / И. Г. Минаев, И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко // Достижения науки и техники АПК. - 2010. -№ 9. - С. 68-70.

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

3. Воротников, И. Н. Способы измерения электрической емкости по параметрам переходного процесса / И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2013. -№ 10. - С. 60-65.

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

Публикации в других изданиях:

5. Мастепаненко, М. А. Численный метод экстраполяции контролируемой переменной к установившемуся значению / М. А. Мастепаненко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. / СтГАУ. - Ставрополь : АГРУС, 2014.-С. 129-132.

6. Мастепаненко, М. А. Математическая модель системы измерения уровня топлива в баках летательных аппаратов / М. А. Мастепаненко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. / СтГАУ. - Ставрополь : АГРУС, 2014.-С. 133-139.

7. Воротников, И. Н. Емкостной способ измерения уровня электропроводных и диэлектрических жидкостей / И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко // Управление качеством : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Москва : Изд-во Университета машиностроения, 2013. - С. 99-105.

8. Мастепаненко, М. А. Разработка нового способа измерения уровня различных жидкостей и устройство для его осуществления / М. А. Мастепаненко // Научный потенциал студенчества в XXI веке : материалы V Междунар. науч. конф. -Ставрополь : Изд-во Сев.-Кав. гос. техн. ун-та, 2011. - Т. 1. - С. 40-43.

9. Минаев, И. Г. Емкостной двухэлектродный датчик уровня жидкости / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко // Молодые аграрии Ставрополья : сб. науч. ст. / ФГОУ ВПО СтГАУ. - Ставрополь : АГРУС, 2008. - С. 140-143.

10. Минаев, И. Г. Емкостной двухэлектродный датчик уровня жидкости / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко // Вавиловские чтения : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов : ИЦ Наука, 2008. - С. 273.

11. Мастепаненко, М. А. Оценка погрешности математической модели системы прогнозирования контролируемого уровня топлива в баках летательных аппаратов / М. А. Мастепаненко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. науч. тр. / СтГАУ. - Ставрополь : АГРУС, 2014. - С. 125-128.

12. Минаев, И. Г. Устройство для измерения уровня диэлектрических жидкостей высокой точности / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко // Физико-технические проблемы создания новых экологически чистых технологий в агропромышленном комплексе : сб. науч. тр. по матер. V Российской науч.-практ. конф. / Ставропольский гос. аграрный ун-т. - Ставрополь : АГРУС, 2009. - С. 156-158.

13. Minaev, I. G. By a capacity liquidometer / I. G. Minaev, M. A. Mastepanenko // BicHHK Черкаського державного технологичного универатету : сб. ст. Спецвыпуск. -Черкассы : Изд-во ЧГТУ, 2009. - С. 69-71.

14. Минаев И. Г. Емкостной измеритель уровня жидкости / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко // Научный потенциал студенчества в XX веке : материалы III Междунар. науч. студ. конф. - Ставрополь : Изд-во Сев.-Кав. техн. ун-та, 2009. -Т. 1.-С. 242.

15. Минаев, И. Г. Емкостной измеритель уровня жидкости / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко // Материалы VII Междунар. студ. науч.-практ. конф. -Дмитровград : Изд-во Ульяновской ГСХА, 2009. - С. 416-417.

16. Минаев, И. Г. Разработка емкостных датчиков уровня жидкости с унифицированным сигналом / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко // Студенческая наука в XXI веке : сб. науч. ст. / ФГОУ ВПО СтГАУ. - Ставрополь : АГРУС, 2009. -С. 49-51.

17. Минаев, И. Г. Информационно-измерительная система контроля уровня различных жидкостей / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко // Вюник Черкаського

державного технолопчного университету : сб. ст. - Черкассы : Изд-во Черкас, гос. техн. ун-та. - 2010. -№ 3. - С. 61-63.

18. Минаев, И. Г. Емкостной способ измерения уровня жидкостей и устройство для его осуществления / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-кон курса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2009». - Новочеркасск : Лик, 2010. - С. 266-268.

19. Минаев, И. Г. Разработка универсальной информационно-измерительной системы контроля уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко // Материалы IV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научный потенциал студенчества в XXI веке». Том первый. Естественные и технические науки. -Ставрополь : Изд-во Сев.-Кав. гос. тех. ун-та, 2010. - С. 205-209.

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

21. Мастепаненко, М. А. Анализ методов измерения уровня жидкостей / М. А. Мастепаненко, И. Н. Воротников // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : 19-я Междунар. науч.-техн. студентов и аспирантов : тез. докл. В 4 т. Т. 2. - М. : Издательский дом МЭИ, 2013. - С. 95.

22. Воротников, И. Н. Исследование методов измерения электрической емкости на постоянном токе / И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко // Методы и средства повышения эффективности технологических процессов АПК : сб. науч. ст. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. - Ставрополь : АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2013. - С. 66-68.

Патенты РФ и свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ:

1. Пат. 78929 Российская Федерация, МПК 8 С01Р23/24. 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.

2. Пат. 85641 Российская Федерация, МПК 8 001Р23/24. 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.

3. Пат. 93975 Российская Федерация, МПК 8 001Р23/24. 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.

4. Пат. 2407993 Российская Федерация, МПК 8 С01Е23/24. 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 С01Р23/24. Емкостной измеритель уровня жидкости / Мастепаненко М. А., Воротников И. Н. и др. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. -№2014119647 ; заявл. 15.05.2014 ; опубл. 27.10.2014, Бюл. № 30.-2 с.

6. Минаев И. Г., Ушкур Д. Г., Мастепаненко М. А. Программа расчета уровня жидкости емкостным датчиком. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612807. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 23.04.2010.

7. Минаев И. Г., Мастепаненко М. А., Воротников И. Н. и др. Программа расчета уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей в резервуарах любой формы. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617936 Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 02.12.2010.

8. Минаев И. Г., Ушкур Д. Г., Шарипов И. К., Карабакин И. А., Автухов А. А., Мастепаненко М. А. Программа измерения уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей по показаниям универсального емкостного уровнемера. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613575 Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 31.05.2010.

9. Никульников А. В., Мастепаненко М. А., Воротников И. Н. и др. Программа расчета уровня различных жидкостей «Уровнемер-1». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611635. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 18.02.2011.

10. Минаев И. Г., Мастепаненко М. А., Воротников И. Н. и др. Программно-алгоритмический комплекс информационно-измерительной системы контроля уровня нефтепродуктов. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612176. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 15.03.2011.

11. Мастепаненко М. А., Воротников И. Н. и др. Программа работы микроконтроллера для реализации алгоритма расчета уровня жидкостей емкостным методом. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614124. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 24.04.2013.

12. Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. и др. Программа приема, обработки и визуализации данных, получаемых от коаксиальных емкостных датчиков уровня светлых нефтепродуктов. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614553. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 15.05.2013.

13. Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. и др. Программа контроля и управления конденсаторным датчиком сухого хода насосов. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612508. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 07.03.2012.

Подписано в печать 15.12.2014. Формат 60x84 '/|6. Гарнипра «Тайме». Бумага »¡¡сетная Печать офсетная. Усл. псч. л. 1.1 Тираж 120. Заказ №501.

Отпечатано в типографии излатсльско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Пушкина. 15.