автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Мостовые устройства для измерения электрических информативных параметров многоемкостных датчиков уровня неэлектропроводных жидкостей с малыми значениями диэлектрических проницаемостей

с"'

О ;Л!

АКАДЕМИЯ НАШ УК РАИНЫ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

На правах рукописи

САВОЛШ АЛЕКСАВДР МИХАЙЛОВИЧ.

МОСТОВЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ УРОВНЯ НЕЭЛЕКТРОПРОВОдаЫХ вдкостй С МАЛЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОНИЦАЕМОСТИ

Специальность 05.11.05. - Приборы и методы измерения

электрических и магнитных величин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев-1992

Работа выполнена в Институте электродинамики АН Украины

Научный руководитель - лауреат Государственной премии СССР,

академик АН Украины Ф.Б.Гриневич.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ю.А.Скрипник

- кандидат технических наук, доцент И.А.Иванов.

Ведущее предприятие - арендное предприятие "Росток", г.Киев.

Защита-состоится 28 апреля 1992г., в II час., ка заседании специализированного совета.Д 016.30.02 в Институте.электродинамики АН'Украины (252680, г.Киев-57, пр.Победы, 56, тел.'44б-91-15).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электродинамики АН Украины..

Автореферат разослан " " 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета

к.т.н., ст.н.с. _ Ю.А.МАСЮРЕНКО

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Во многих отраслях науки и техники возникает необходимость в дистанционном измерении очень малых вариаций электрической емкости между различными физическими телами. Очень часто необходимо обнаруживать, сравнивать и измерять малке вариации емкости между несколькими рядом расположенными физическими телами. Это необходимо для проведения научных экспериментов,при исследовании зависимости диэлектрической проницаемости тел от различных физических факторов / температура, давление и т.п. /.

Как показали исследования, для выполнения таких измерений наиболее подходящими являются мостовые устройства переменного тока. При решении проблемы измерения малых вариаций электрической емкости возникла необходимость на начальном этапе в решении более частной научной задачи, имеющей непосредственное прикладное значение с выходом в некоторые отрасли народного хозяйства: разработка и исследование мостовых устройств для измерения малых вариаций емкости многоемкостных датчиков с целью определения уровня криогенных жидкостей.

Кроме электроэнергетики, криогенные жидкости, обычно используемые для глубокого охлаждения, находят все более.широкое применение в медицине, биологических исследованиях, пищевой, химической и металлургической отраслях промышленности, а также в научных и космических исследованиях.

Особенно актуальным является измерение уровня таких' криогенных жидкостей как водород, гелий, кислород, азот. Их диэлектрические проницаемости очень мало отличаются от воздуха или паров самих сжиженных веществ. Например, диэлектрические проницаемости водорода только на 0,25, гелия на 0,05, кислорода на 0,4 отличаются от диэлектрической проницаемости воздуха. Специфическими свойствами криогенных веществ являются вертикальный градиент диэлектрической проницаемости и возможность больших перепадов давлений и температур.

Разработанные и широко используемые принципы построения емкостных самокомпенсированных уровнемеров; предложенные и исследованные К.Б.Карандеевым, Ф.Б.Гриневичем и А.И.Новиком, обеспечивают независимость измерений о~ изменений параметров контролируемых сред. Однако при этом не компенсируется погрешность, вызванная градиентом параметров этих сред по высоте, кроме того, при малых знелниях

[ГЛт^:-.

■ . I 'Г.. *

-ТДЭЛ

■ертеций

диэлектрических пронлцаемостей контролируемых сред существенно возрастают погрешности, вызванные неточным изготовлением емкостных датчиков / конструктивные и технологические погрешности/. Поэтому выпускаемые' в настоящее время серийно емкостные уровнемеры криогенных сред типа "РУС-К" имеют относительно высокую погрешность измерений - порядка 1,5 %. При высоте резервуара в 5 - 10 м такая погрешность в абсолютных величинах будет составлять 100 - 150 мм., что является для многих случаев неприемлемым.

Работа выполнялась в соответствии с "Планом научных исследований по естественным и общественным наукам АН Украины по теме. : "Исследования и разработка принципов построения селективных цифровых измерительных•систем для определения электрических и магнитных величин с адаптацией к измеряемым величинам и Еозмущающим воздействиям" / "Адаптация", пост. Президиума АН Украины I? 537 от 05.12.84 /.

Целью работы является исследование путей построения и разра-бог :а мостовых устройств для дистанционного измерения вариаций емкости многоемкостных датчиков уровня неэлектропроводных криогенных жидкостей с электрической коррекцией погрешностей, возникающих от градиента параметров контролируемых сред по высоте резервуара и от конструктивных и технологических отклонений параметров датчиков. При разработке таких устройств основными информативными параметрами являлись вариации емкости смежных двух, трех и четырех датчиков; энергетические потери, токи утечек, емкостные и индуктивные связи рассматривались как неинформативные паразитные параметры.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи

- исследовать пути построения измерительных цепей и разработать мостовые устройства для дистанционного измерения малых вариаций емкости многоемкостных датчиков уровня криогенных жидкостей с возможностью проведения электрической коррекции погрешностей, возникающих от конструктивных и,технологических отклонений параметров электродов секций датчиков;

- разработать мостовые измерительные цепи с коррекцией погреа-ностей измерения уровня от вертикального градиента параметров контролируемых криогенных сред ;

- разработать схемы реализации самоповерки и калибровки мостовых измерительных устройств в совокупности с непрерывными и дискретными многоемкостными датчиками; .

- создать действующие макеты аппаратуры для измерения уровня криогенных веществ. Провести экспериментальную проверку уровнемеров, выполнить работы по их подготовке к серийному внедрению.

Методы исследований. Теоретические исследования в работе проведены с использованием основ теоретической электротехники, элементов дифференциального и интегрального исчисления, теории электрических цепей и сигналов, теоретических основ информационно-измерительной техники. Результаты исследований проверялись экспериментальным путем на действующих макетах и образцах приборов.

Автор защищает :

- новизну и практическую ценность результатов исследования влияния погрешностей емкостных коаксиально-цилиндрических датчиков на точность, измерения уровня;

- преимущество и практическую ценность используемых путей электрической коррекции конструктивных и технологических отклонений параметров датчиков ;

- оригинальность и практическую ценность разработанных методов электрической коррекции погрешностей от влияния вертикального градиента контролируемых сред при работе как с непрерывными, так и с дискретными емкостными датчиками ;

- новизну и практическую ценность разработанных путей улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик разработанных устройств ;

- новизну разработанных мостовых систем контроля и измерения уровня криогенных сред.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем :

- исследованы мотоды дистанционного обнаружения, измерения и контроля малых и сверхмалых вариаций электрической емкости между различными физическими телами. Полученные результаты и разработанные схемы могут найти применение в научном эксперименте и при разработке промышленных приборов различного назначения;

- разработаны структуры мостовых устройств с электрической коррекцией погрешностей емкостных датчиков;

- разработаны пути повышения точности измерения при наличии вертикального градиента диэлектрической проницаемости контролируемой среды путем использования специально разработанных мостовых цепей и соответствующих многоемкостных датчиков;

- разработаны устройства для осуществления встроенной поверки разработанных мостовых цепей и рассмотрены особенности их калибровки.

Практическая ценность работы состоит в следующем :

- приведены практические рекомендации по установке необходимых допусков на отдельные составляющие конструктивных и технологических отклонений параметров датчиков ;

- оценена эффективность компенсации различных составляющих этих отклонений по снижению и- влияния на точность измерения уровня при подгонке параметров датчиков или электрической коррекции в мостовых измерительных цепях ;

- оценена эффективность компенсации погрешности от влияния вертикального градиента диэлектрической проницаемости для различных мостовых цепей и соответствующих им многоемкостных датчиков ;

- разработаны принципиальные электрические схемы системы контроля и измерения уровня криогенных сред, а также алгоритмы и программы микропроцессорного варианта системы.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке и внедрении в Омском производственном объединении "Полет" системы контроля и измерения уровня криогенных сред СКИУ, состоящей из блока управления и блока измерения Э222 а также при разработке и передаче для изготовления в Омском производственном объединении "Полет" микропроцессорного варианта этой, системы..

Общий экономический эффект от внедрения этих устройств составляет 546 тыс.руб., в том числе экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 179,7 тыс.руб.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на всесоюзных конференциях:

"Системные исследования и автоматизация в метрологическом обеспечении ИИС и управлении качеством '/ 'г.Львов, 1986 г. /,

"Измерительные информационные системы ШС-89" /г.Ульяновск / и двух республиканских конференциях:

"Структурные методы повышения точности, чувствительности и быстродействия измерительных приборов и систем" /г.Киев,1995 г./,

"Повышения быстродействия и метрологической надежности систем контроля параметров средств измерения" /г.Киев, 1987 г./.

Публикации. По теш диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе получены I авторское свидетельство СССР и 2 положительных решения о выдаче авторского свидетельства и патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 157 страниц текста, список литературы из 124 наименований, 47 рисунков, 9 таблиц и приложение на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, намечены цель и задачи исследования. Проведен краткий сравнительный обзор различных методов измерения уровня. Показано, что наиболее предпочтительным для решения данной группы задач является емкостной метод измерения уровня.

В первой главе рассмотрены различные варианты конструкций емкостных датчиков уровня и показано, что наиболее предпочтительными с точки зрения обеспечения высокой чувствительности и прочности конструкции являются емкрстные коаксиально-цилиндрические датчики. В дальнейшем исследовались погрешности именно таких датчиков.

В работе проанализированы различные факторы конструктивных и технологических отклонений параметров датчиков : параллельное взаимное смещение осей цилиндров-электродов, наклон осей цилиндров, конусность электродов датчика, эллиптичность поперечного сечения электродов, неточность выполнения линейных и радиальных размеров, неточность установки сосуда и монтажа датчика в нем.

Получены выражения для погрешностей измерения уровня, обусловленных указанными факторами

г

где дсо - относительное отклонение емкости датчика, независимое от его длины ( сюда входят неточности выполнения радиальных размеров, параллельное взаимное смещение осей цилиндров-электродов, прогиб датчика и эллиптичность поперечного сечения датчика);

<5Ср - относительное отклонение емкости, вызванное конусностью электродов ;

¿и - относительное отклонение емкости, вызванное наклоном осей цилиндров-электродов ;

X - ^/н - уровень в относительных единицах, определяемый

отношением погруженной в жидкость части датчика длиной А, к общей длине датчика Н ;

V - 1/л£,где Л£- ¿ж~£г - разность относительных диэлектрических проницаемостей измеряемой жвдгэсти £ж и газа над ее поверхностью

£г »

Влияние конструктивных и технологических погрешностей датчиков на точность измерения возрастает при контроле уровня сред с малыми значениями диэлектрических проницаемостей, что имеет место в случае криогенных жидкостей.

Рассмотрены вопросы подгонки начальных емкостей датчиков под их номинальные значения. Показано, что наиболее приемлемым путем подгонки датчиков является'регулировка параметров, влияющих на величину ¿со , например, радиусов электродов. Регулировка коэффициента преобразования емкости в активную электрическую величину в мостовой измерительной цепи аналогична изменению величины ¿со , поскольку вносит поправку,,.независимую от длины погруженной части датчика. Исходя из этих предпосылок в работе были рассмотрены возможности и оценена эффективность компенсации различных составляющих конструктивных и технологических отклонений параметров датчиков по снижению их влияния на точность измерения уровня.

Получаны выражения для расчета эффективности компенсации указанных отклонений .

Эсо= 00 ; Эр = 2 (I + 2яГ+1 ) /2/

3 - 8 игг

4 * з 1+г*г •

Показано, что электрическая компенсация отклонений начальных емкостей коаксиально-цилиндрических датчиков уровня в мостовых цепях позволяет принципиально полностью устранить' влияние на точность измерения таких технологических и конструктивных погрешностей, как разброс.радиальных размеров, эллиптичность поперечного сечения электродов, прогиб датчика и параллельное взаимное смещение осей электродов.

Компенсация позволяет в 2-4 раза уменьшить влияние конус-

нойти электродов и в 1,3 - 2,7 раза - угла наклона осей электродов датчика / рис.1 /.

При малых значениях диэлектрической проницаемости хуже других компенсируется влияние конусности и взаимного наклона осей электродов, поэтому-для повышения точности измерений необходимо устанавливать более жесткие допуски на эти составляющие. В связи с этим была рассмотрена возможность взаимной компенсации суммарного влияния этих факторов. При этом влияние конусности и наклона осей электродов снижается не менее, чем в 6,7 раза. Эффективность компенсации возрастает при измерении уровня сред с малыми значениями диэлектрических проницаемостей.

Рассмотрены погрешности емкостных коаксиально-цилиндрических датчиков от действия сил поверхностного натяжения жидкости, выражающиеся в смещении уровня в зачоре датчика относительно уровня в резервуаре и искривлении поверхности квдкости /мениск/. Как показали проведенные расчеты, наиболее оптимальной с точки зрения обеспечения высокой чувствительности датчиков /для этого уменьшают зазор датчика / и минимума погрешности от действия капиллярных явлений является величина зазора от 3 до 4 мм.

Исследованы также погрешности от влияния пленки жидкости, которая остается на электродах датчиков и выпадения твердых осадков на электродах. Показано, что вторая составляющая погрешности может быть полностью скорректирована путей электрической компенсации отклонений начальной емкости датчика.

Проанализированы динамические погрешности емкостных коаксиально-цилиндрических датчиков, выражающиеся в отставании изменений уровня в зазоре датчика относительно изменений уровня в резервуаре. Эти погрешности обусловлены вязкостью жидкости и малой величиной рабочего зазора датчика, которая необходима для обеспечения высокой чувствительности датчиков. Рассмотрены случаи как постоянного притока или внтока жидкости из резервуара, так и переменного - ускоренного или замедленного. Получены аналитические выражения для расчета указанных погрешностей. Погрешности незначительны / <1 10 мм/ при величинах потока, не превышающих 0,25 м/сек.

Во второй главе рассматриваются вопросы построения мостовых цепей дня измерения вариаций многоемкостных датчиков уровня с электрической коррекцией конструктивных и технологических отклонений

параметров датчиков и погрешностей от градиента параметров, контролируемых сред'по высоте резервуара.

Показано, что наиболее предпочтительным путем коррекции конструктивных и технологических отклонений параметров датчиков -является компенсация относительного отклонения начальной емкости путем электрической коррекции. Однако для обеспечения независимости показаний измеряемого уровня от изменений диэлектрических проницаемостей верхней и нижней контролируемых пред необходимо использовать кроме ра- • бочего датчика два компенсационных - верхний и нижний. Поэтому для осуществления такой коррекции необходимо обеспечить электрическую коррекцию отклонений начальных емкостей всех трех датчиков. Одна ии мостовых схем для осуществления описанной электрической коррекции изображена на рис. 2.

Подстройка незаполненных датчиков уровня и компенсационных датчиков друг под друга происходит посредством введения двух цифроана-логовых преобразователей ЦАП1 и ЦАП2, включенных последовательно с преобразователями ток-напряжение ПТН1 и ПТН2. Схема работает в двух, режимах : режиме настройки и режиме измерения.

Настройка осуществляется в два такта. Вначале с блок'а управления в регистры ЦАП2 и ЦАПЗ заносятся нулевые коды. При этом сигнал ■ на выходе мостовой измерительной цепи /выход ВУЗ / пропорционален погрешности от неидентичности каналов рабочего Ср и верхнего компенсационных датчиков Св • При помощи регулировки кода Ы8 , поступающего в регистры ЦАП1, происходит уравновешивание измерительной цепи. Значение кода Nв запоминается в регистрах ЦАШ.

Затем устанавливается коэффициент передачи ЦАПЗ, равный I. При этом напряжение на выходе измерительной цепи пропорционально погрешности от неидентичности каналов рабочего и нижнего компенсационного С„ датчиков. После уравновешивания цепи регулировкой кода 1\1ц равновесный код записывается в регистрах ЦАП2. Таким образом, с помощью цифроаналоговых преобразователей ЦАП1 и ЦАП2 происходит компенсация технологических И конструктивных отклонений параметров ем-костньи датчиков уровнемера.

В режиме измерения при помощи регулировки коэффициента передачи ЦАПЗ выходное напряжение схемы устанавливается равным нулю, а значение кода , управляющего ЦАПЗ, будет соответствовать измеряемому уровню ОС •

j r -Г - J Г N" Nx ■

Nx

oL»C Nh 9

где К- , "S~ некоторый постоянный коэффициент ;

8 в -ТГ-

Net

o¿e и - коэффициенты передачи преобразователей ПТН1 и ПТН2 ;

Neo, N на и Nxa - объемы входных регистров ЦАП1, ЦАП2 и ЦАПЗ соответственно.

Следует отметить, что настройка ветвей, содержащих датчики уровня и компенсационные датчики должна проводиться при пустом резервуаре, когда все датчики незаполненные.

В работе рассмотрен и ряд других схем, в частности мостовые измерительные цепи на трансформаторах напряжений с тесной индуктивной связью, а также с использованием цифроаналоговых преобразователей на основе схем подключения датчиков как с общим токовым, так и с общим потенциальным электродами.

В работе исследовались пути снижения погрешностей от вертикального градиента диэлектрической проницаемости контролируемой среды. Разработаны мостовые цепи с многоемкостными датчиками, позволяющие корректировать эти погрешности. Предложены конструкции датчиков, работающие совместно с разработанными измерительными цепями. В одном из вариантов такой конструкции вместо рабочего датчика с постоянной по высоте погонной емкостью и компенсационного, расположенного на дне резервуара, использовано два датчика, расположенных на одной высоте и параллельно друг другу. При этом в качестве рабочего датчика используется датчик с линейно изменяющейся по высоте погонной емкостью / например, с электродами треугольной формы /, а в качест ве компенсационного - обцчный датчик с постоянной по.- высоте погонной емкостью. В этом случае удается снизить погрешность от влияния вертикального градиента примерно в 3 раза. Исследовались возможности использования датчиков с более высокими порядками изменения погонных емкостей

СР = Ap¿n ; /А/

Ск = АкГ',

где 'Ар и Ац - некоторые постоянные коэффициенты, i - длина датчика.

Эффективность компенсации погрешности от вертикального, градиента диэлектрической проницаемости контролируемой среды определяется выражением

3 - ~£ . /5/

При использовании предложенных датчиков компенсируется погрешность от градиента параметров не только верхней, но и нижней сред, и независимо от направления градиента.

6 работе также исследовалась возможность применения дагчиков с диэлектрическими покрытиями электродов. Одна из конструкций содержит два датчика с разными коэффициентами диэлектрических покрытий. Датчики располагаются на одной высоте параллельно друг другу. Получено выражение для расчета эффективности компенсации погрешности в этом случае

л _ ¿еНх*( А С,ДСа(р,-р,)

2Д£ иа.ЛС^+рЛ-С.ЖЛ^) I , /6/

где ^ й рг - коэффициенты диэлектрических покрытий первого и второго датчика, г _ Э £>г

0{ - - градиент диэлектрической проницаемости,

ДС< и дСа - приращения емкостей первого и второго датчиков, вызванные их погружением в контролируемую среду, С<о и Сго - начальные емкости этих датчиков.

Как показали расчеты, проведенные согласно выражению /б/,эффективность компенсации может находиться в пределах от десятков / для £„«1,2-1,5/ до тысяч /например,в случае дистиллированной веды £Л = =81/.

Одна из разработанных измерительных цепей для работы с многоемкостными датчиками,содержащими диэлектрические покрытия электродов, изображена на рис.3. Ыост содержит генератор Г, трансформаторы напряжений ТК1 и ТН2, компаратор товов КТ, два рабочих датчика

С/н и Срг • Два компенсационных датчика и С« «Два устройства дискрет-лого уравновешивания УДУ1 и УДУ2.

Вначале регулировкой числа витков тг производится настройка измерительной цепи при помощи УДУ1. Затем с помощью регулировки числа витков обмотки тг производится уравновешивание УДУ2. При этом, если числа витков обмоток m^ , ,гпз , т^щн т9 удовлетворяют соотношениям

'1г< Сро, - т1 Срп — т3 Сщ !

т*СроI - т9Скг , /?/

где С,» и Сряг ~ значения незаполненных емкостей датчиков СР, и Срг, равновесное число витков будет пропорционально измеряемому уровню.

В работе исследовались пути снижения погрешностей мостовых измерительных цепей с дискретными датчиками уровня /сигнализаторов дискретных значений уровня /. Разработаны мостовые цепи, в которых существенно снижена погрешность от капиллярных явлений и отсутствует погрешность от градиента диэлектрической проницаемости по высоте. Для работы с данными мостовыми цепями используется пара рабочих датчиков с горизонтально расположенными электродами. Средние линии зазоров датчиков располагаптся на одном горизонтальном уровне. Площади пластин и величины рабочих зазоров выбираются для обоих датчиков разными, но при этом задается условие, чтобы емкости незаполненных /"сухих"/ датчиков-были примерно равны. Как показали расчеты, такие датчики имеют чувствительность, как минимум, на порядок большую,чем у аналогичных датчиков 'с вертикально расположенными электродами. За счет использования горизонтально расположенных электродов, удалось значительно снизить погрешность от действия сил поверхностного натяжения жидкости. Кроме того, отпадает необходимость в использовании компенсационных датчиков.

В целях упрощения схем мостовых измерительных цепей с многоемкостными датчиками за счет уменьшения числа коммутируемых элементов и моточных изделий /трансформаторов с тесной индуктивной связью/ в работе предложено в качестве одного из рабочих использовать датчик с диэлектрическим покрытием электродов. При этом параметры рабочих датчиков и диэлектрического покрытия выбираются из специально рас-читанного условия.

В третьей главе' рассмотрены вопросы расширения функциональных возможностей и улучшения эксплуатационных характеристик мостовых измерительных цепей с многоемкостными датчиками.

Предложены устройства,позволяющие осуществлять встроенную автоматическую поверку уровнемеров путем регулирования активных величин /токов или напряжений/ на электродах свободных от контролируемой жидкости датчиков. Одно ид разработанных устройств представлено на рис.4. Устройство содержит генератор Г, кодоуправляемые масштабные преобразователи 'МП и КМП2, задатчики кодов уровня Х{ и диэлектрической проницаемости контролируемой среды ,два сумматора Л, и £а , вычитающее ВУ и регистрирующее РУ устройства.

Поверка осуществляется в нескольких точках шкалы при определенных значениях диэлектрической проницаемости контролируемых сред, выбранных в соответствии г программой метрологических испытаний.

Выходные коды задатчиков поступают на цифровые входы кодоуп-равляемых масштабных преобразователей. Напряжения на выходах сумматоров 2, и 2г определяются из выражений

= ' ..

где U - напряжение генератора,

' N* и N4 - фиксированные значения входных кодов задатчиков, No* и N04 - число возможных значений выходных кодов этих задатчиков.

В случае поверки все датчики должны быть свободны от контролируемой среды /"сухие"/, а к потенциальным электродам их приложены раи.^ичные напряжения : к верхнему компенсационному - напряжение U генератора, а к рабочему и нижнему - напряжения U£)' и Viz.

В случае измерения уровня рабочий и нижний компенсационный датчики погружены в контролируемую среду, а их- емкости определяются выражениями

ср-Çf,(itù£x) ; С к = + . /9/

где Сро и Ст - емкости незаполненных рабочего и нижнего компенсационных- датчиков.

Выражения /8/ и /9/ идентичны. Следовательно,изменением кодов N* и можно имитировать изменение уровня ОС и диэлектрической проницаемости -л£.

Рассмотрены вопросы калибровки емкостных уровнемеров. Исследованы особенности калибровки путем регулирования коэффициента преобразования емкости в активную электрическую величину /ток или напряжение/, регулировки начального смещения измерительного преобразователя и регулировки чувствительности мостовой схемы. Предложено прот изводить калибровку регулировкой одного параметра - коэффициента преобразования емкости в активную электрическую величину.

Рассмотренные виды калибровки приводят к устранению систематической погрешности в начале и конце шкалы. При этом не требуется технологическая подгонка емкости датчиков.

Рассмотрена возможность снижения погрешностей от таких составляющих технологических погрешностей, как конусность и наклон осей, которые, как указывалось в гл.1, являются наиболее влияющими и трудно. контролируемыми ¿(акторами. Получено выражение для остаточной суммарной погрешности измерения уровня /после калибровки/ для этих составляющих. Показано,что эта погрешность имеет наибольшее значение примерно в середине диапазона измерения / X =0,5/.

Исходя из этого, предложено проводить дополнительную калибровку, которая приводит к снижению погрешности по диапазону измерения примерно в два раза. Для этого на концах шкалы /х-0 и Х.-1/ устанавливаются не нулевые значения погрешностей, а равные половине максимального значения погрешности в середине диапазона /зг=0,5/. Для перераспределения погрешности и ее уменьшения в начальной части диапазона измерений предложена разновидность калибровки, которая заключается в установке правильных показаний в одном конце шкалы /х=0/. При этом общая погрешность в диапазоне также снижается в 2 раза, однако в начальной его части она существенно ниже.

Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации мостовых устройств для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей с малыми значениями диэлектрической проницаемости.

Разработана система контроля и измерения уровня криогенных срзд СКИУ.'Система внедрена в Омском, производственном объединении "Полет" и имеет следующие технические характеристики:

Значение емности незаполненного рабочего датчика уровня - (300+3 Значение емкостей незаполненных компенсационных и дискретных датчиков уровня -(50+0,5) пФ

Основная приведенная погрешность измерения уровня / в % от высоты рабочего датчика/, не более - 0,4 %

Разрешающая способность - 0,1 %

Расстояние выноса датчиков от измерительной цепи, не более - 600 и.

Диэлектрическая проницаемость контролируемых сред ^ 1,2 Скорость слежения за изменением уровня / в % от зысоты рабочего датчика за I сек./ -1,2^

Система осуществляет коррекцию конструктивных и технологических склонений параметров датчиков путем электрической "подгонки". В ней меется встроенное поверочное устройство.которое имитирует 25 % и '5 заполнение рабочего датчика. Переход системы в режим изменения ровня возможен как при "сухих", так и при заполненных датчиках

уровня. Имеется встроенная диагностика неисправностей отдельных узлов и блоков системы, а также приборный интерфейс,, который выдает информацию в виде, удобном для, восприятия ЭШ. Система обеспечивает индикацию квк непрерывног , так и двух дискретных значений уровня.

Разработан улучшенный микропроцессорный вариант системы контроля и измерения уровня криогенных сред. Усовершенствованная система обладает той же точностью, однако по сравнению с ранее разработанной позволяет выполнять дополнительные функции :

1. Измерение емкостей датчиков.

2. Измерение относительной диэлектрической проницаемости контролируемой среды.

3. Автоматическую коррекцию погрешностей датчиков при помощи специальных программ вычислений.

4. Автоматическую коррекции погрешностей, вызванных изменением внешних факторов / температуры, давления, влажности и т.д./.

Реализация этих функций детально рассмотрена в диссертационной работе.

В приложении представлена программа для расчета эффективности компенсации погрешностей от вертикального градиента диэлектрической проницаемости контролируемой среды в случае использования датчиков с диэлектрическими покрытиями электродов. Имеются также документы, подтверждающие метрологические характеристики разработанных устройств, ух внедрение и экономическую Эффективность.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

I. На основе проведенных исследований созданы мостовые устройства для измерения малых вариаций емкости многоемкостных датчиков уровня неэлектропроводных криогенных жидкостей, которые позволяют корректировать конструктивные и технологические отклонения параметров датчиков.

2-, Исследованы пути построения мостовых цепей с многоемкостныш датчиками уровня неэлектропроводных сред, с коррекцией погрешностей от вертикального градиента параметров контролируемых сред. Разработ) ны мостовые цепи с коррекцией указанных погрешностей при работе как с непрерывными, так и с. дискретными датчиками уровня.

3. Рассмотрены вопросы расширения функциональных возможностей разработанных мостовых устройств. Показана возможность реализации на их основе встроенных поверочных устройств. Рассмотрены особенное ти и разновидности калибровки мостовых уровнеизмерительных устройст

4. На основе исследования погрешностей емкостных коаксиально-цилиндрических датчиков. уроБня систематизированы требования к их изготовлению и установке необходимых допусков при их разработке и производстве.

5. Проведен анализ составляющих конструктивных и технологических отклонений- параметров емкостных коаксиально-цилиндрических датчиков уровня и показана целесообразность компенсации отклонений их начальных емкостей б схеме измеритёльного прибора. Оценена остаточная погрешность измерения уровня. Сформулированы условия взаимной компенсации некоторых составляющих отклонений параметров датчиков.

.6. На основе проведенных исследований изготовлены, экспериментально испытаны и внедрены

- система контроля и измерения уровня криогенных сред СКИУ,

- микропроцессорная система контроля и измерения уровня.

Основные публикации по теме диссертации :

1. A.c. 1303834, СССР, МКИ Cr Olf 23/26. Многоточечный сигнализатор уровня / Ф.Б.Гриневич, 3.Я.Монастырский, М.С.Евдокимов,A.B.Рыцарь, A.M.Саволюк // Бюл.изобрет. - 1986. - № 14.

2. Монастырский З.Я., Саволюк A.M., Беэносов В.Г., Евдокимов М.С. Емкостной уровнемер. - Решение ВНИИП1Э о выдаче а.с. СССР от 28-.06.9I v. по заявке № 4833096/10.

3. Гриневич Ф.Б.,• Монастырский З.Я., Саволюк A.M. Многоточечный сигнализатор уровня, варианты. - Решение ВНИИГПЭ о выдаче патента от 30.01.92г. по заявке № 5003286/10.

4. Гриневич Ф.Б.Г Монастырский З.Я., Саволюк.A.M. Влияние технологических погрешностей на точность емкостных коаксиально-цилиндричес-ких датчикоз уровня // Техническая электродинамика. - i984. -

№ б. - с.83-89.

5. Монастырский З.Я., Саволюк A.M. Компенсация влияния на точность измерения технологических погрешностей коаксиально-цилиндрических емкостных датчиков уровня // Техническая электродинамика. - 1986. - № I. - С.95-101.

6. Гриневич Ф.Б., Монастырский З.Я., Саволюк A.M. Коррекция погрешности от вертикального градиента диэлектрической проницаемости в емкостных самокомпонсированных уровнемерах // Техническая электродинамика. - 1990. - № 5. - С.93-99.

7. Монастырский З.Я., Рыцарь A.B., Саволкж A.M. Коррекция систематических погрешностей емкостных датчиков в системах контроля и измерения уровня // Структурные методы повышения точности, чувстви-

. тельности и быстродействия измерительных приборов и систем.: Тез. докл.'Респ. НТК. -..Киев, 1985. - ВыпЛ. - С.9.

8. Гриневич Ф.Б., Монастырский З.Я., Рыцарь A.B., Саволюк A.M. Методы и средства самодиагностики и встроенной имитационной поверки систем контроля и измерения уровня криогенных жидкостей // Системные исследования и автоматизация в метрологическом обеспечении ИИС и управлении качеством : Тез.докл. Всесоюзной НТК. - Львов, 1986.

- Вып.II. - С.75-76.

9. Монастырский.З.Н., Саволюк A.M., Шурпач О.М, Автоматизация имитационной поверки емкостных самокомпенсированных уровнемеров с многосекционными датчиками // Повышение быстродействия и метрологической надежности системы контроля параметров средств измерения •: Тез. докл. Респ. НТК. - Киев, 1987. - С.28'.

10.Гриневич Ф.Бъ, Монастырский З.Я., Саволюк A.M. Датчики емкостных уровнемеров с'компенсацией по диапазону измерения // Измерительные информационные системы : Тез. докл. Всесоюзной НТК. - Ульяновск, 1989. -.С.200.

В работах 1-3 соискателем было предложено ввести в соответствующие устройства существенные признаки, позволяющие получить положительный эффект. В этих работах результаты получены при равном участии авторов. В работе 4 проведен анализ отдельных составляющих конструктивных и технологических отклонений параметров датчиков.. В работах 5, 7 оценена эффективность компенсации этих отклонений при.электрической коррекции." В работах 6,10 дан анализ путей коррекции погрешностей от вертикального градиента параметров контролируемой среды. В работах 8, 9 рассмотрены особенности построения поверочных устройств.

СОИСКАТЕЛЬ:

Г'Г

Рис. i.

-го-

rn_iiÇpi

Ш2

Puc;3.

Ci

кнш TT

КНП£

~7Ï

"Li

•„cp

ил

8У

РУ

Xi

Рас. 4.