автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Разработка и исследование емкостных измерителей уровня светлых нефтепродуктов

На правах рукописи

Мастепаненко Максим Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕМКОСТНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ УРОВНЯ СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Специальность: 05.11.01- Приборы и методы измерения (по видам измерений: электрические и магнитные)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва-2013

005543095

005543095

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» на кафедре «Теоретические основы электротехники».

Научный руководитель Воротников Игорь Николаевич

кандидат технических наук, доцент Официальные оппоненты: Диденко Валерий Иванович

доктор технических наук, профессор, кафедра Информационно-измерительной техники ФГБОУ ВПО

«НИУ «МЭИ», г. Москв

Исаев Вячеслав Иванович

кандидат технических наук, начальник лаборатории ОАО «НИИЭМ» «НИИ электромеханики»

Ведущая организация: Государственное образовательное учреяедение

высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики», г. Москва

Защита состоится «23» декабря 2013 г. в 16 час.00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.13 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу:

Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, ауд. 3-505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, проси направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый сове ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «20 » ШЗУбкА 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.13, кандидат технических наук, доцент

С.В. Вишняков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Измерения 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 связанно 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, измерения уровня светлых нефтепродуктов 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 нашел емкостной метод. Отличительной особенностью емкостных измерителей уровня (ЕИУ) 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 Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г., Туричин A.M., Преображенский В.П., Форейт И., Мишин В.А., Карандеев К.Б., Полищук Е.С., Медведев Г.В., Шарапов В.М., Ацюковский В.А., Кошевой М.Д., Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков B.C., Минаев И.Г., Фомин В.М. и другие.

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

- влияние диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости еж 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 ЕИУ для различных типов жидкостей (например, различных марок бензина), без переградуировки измерительной схемы, либо необходимость калибровки устройства под конкретно измеряемую жидкость;

а (д

! V /

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

Таким образом, вопросы универсального подхода к измерению уровня светлых нефтепродуктов емкостным методом, расширения функциональных возможностей и повышения метрологических характеристик емкостных уровнемеров, а также совместимости их со стандартными контроллерами и терминалами продолжают оставаться весьма актуальными.

Решение этих задач позволит значительно упростить проектирование, монтаж и эксплуатацию ЕИУ, а также повысить надежность функционирования систем контроля и управления в целом.

Делью работы является повышение метрологических характеристик емкостных измерителей уровня светлых нефтепродуктов, разработка структуры и алгоритма работы двухканального инвариантного измерителя уровня.

Эта цель достигается решением следующих основных задач:

1. Разработка и исследование структуры двухканального емкостного измерителя уровня, инвариантного к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.

2. Разработка и исследование оптимального по быстродействию, точности и работоспособности алгоритма оценки постоянной времени измерительной цепи, как основного параметра для измерения электрической емкости.

3. Разработка и исследование способа измерения уровня по параметрам двух емкостных датчиков (рабочего и компенсационного), инвариантного к влиянию относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.

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

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, а также метод имитационного моделирования.

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. Предложена оптимизация и критерий работоспособности алгоритма оценки постоянной времени измерительной цепи, отличающегося повышенной точностью и быстродействием.

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

Практическая значимость работы. Основные результаты диссертационного исследования, имеющие практическую значимость, заключаются в следующем:

1. Предложена структура двухканального емкостного измерителя уровня, 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 критерий работоспособности оптимального алгоритма оценки постоянной времени измерительной цепи, а также определены оптимальные динамические диапазоны проведения отсчетов параметров развивающегося переходного процесса.

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

4. Предложена схема вторичного измерительно-вычислительного устройства и программное обеспечение для него, с разновременной коммутацией рабочего и компенсационного конденсаторных датчиков для практической реализации алгоритмов измерения электрической емкости и способа измерения уровня, полезность которых подтверждена семью свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ.

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

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях, выставках и конкурсах: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, Открытый конкурс на лучшую научную работу студентов вузов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в номинации «Приборостроение, метрология, информационно-измерительные системы и приборы» (г. Санкт-Петербург 2008 г.); V Международная научно-техническая конференция «ДАТЧИКИ, ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ - 2009" (г. Ялта13-19 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 года); Северо-Кавказский государственный технический университет, Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научный потенциал студенчества в 21 веке» (г. Ставрополь 2010 г.); X Международный Московский салон «Инноваций и Инвестиций», (г. Москва 2010 г., золотая медаль); Петербургская техническая ярмарка - Лучший инновационный проект и лучшая научная разработка 2011 и 2012 гг. в номинации «Приборостроение» (г. Санкт-Петербург 2011 и 2012 г., золотые медали); 6-я Биотехнологическая Международная выставка-ярмарка «РосБиоТех-2012» (г. Москва 2012 г., золотая медаль); ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», 19-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2013 г.).

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).

Положения, выносимые на защиту

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

2. Результаты исследования оптимального алгоритма оценки постоянной времени измерительной цепи, отличающегося высокой точностью, работоспособностью 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. Схема вторичного измерительно-вычислительного устройства с разновременной коммутацией рабочего и компенсационного конденсаторных датчиков и оценка погрешности измерительного канала емкостного измерителя уровня.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 34 печатных работы, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 патента РФ и 7 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений, библиографического списка, включающего 103 источника. Основная часть работа изложена на 168 страницах, содержит 65 рисунков и 37 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работы обоснованна актуальность работы, определены цель и задачи исследований, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих методов и приборов для измерения уровня жидкостей. На основании этих исследований приведена классификация основных методов измерения уровня жидкостей.

Наибольшее распространение в системах измерения уровня светлых нефтепродуктов получил емкостной метод.

Функционально емкостные датчики уровня связаны с относительной диэлектрической проницаемостью среды сж, 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 ЕИУ сопряжено с рядом трудностей, основными из которых являются: сложность подключения компенсационного датчика к измерительной схеме и его малая начальная емкость, увеличение зоны неизмеряемого уровня, необходимость учета погрешности, вносимой линией связи, необходимость градуировки прибора под конкретную жидкость.

С целью устранения указанных выше недостатков предложена конструкция ЕИУ, выполненного в виде двух идентичных коаксиальных конденсаторов (датчиков) КД 1 и КД 2 разной длины. Разница в длине представляет собой компенсационный датчик (рисунок 1 а), постоянно погруженный 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 КД 2 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 СА КД 1 и СВКД 2 ЕИУ определяются выражениями: СА = С0 + Сх + С2, Св = С0 + + С2 + С3, (1)

где с1 - емкость незаполненной жидкостью части КД 1 и КД 2;

С2' емкость погруженной части в жидкость этих датчиков;

Со - емкость проходного изолятора и соединительного кабеля.

Сз - емкость компенсационного конденсаторного датчика диэлектрических свойств, постоянно погруженного в контролируемую жидкость.

Так как, конструкции КД 1 и КД 2 идентичны, то выражения для определения значения С/ и С^ будут справедливы для расчета Сл и Св- При этом емкость С л КД 1 будет меньше общей емкости Св КД 2 на С3, которая не зависит от изменения

уровня, а является только функцией диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости и определяется выражением:

с3 = Св - Сд = Сок ' £ж> (2)

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

Рисунок 1 - Емкостной измеритель уровня СНП: а) эквивалентная электрическая схема ЕИУ жидкостей; б) эквивалентная схема участка КД1 на границе раздела «воздух - электропроводная жидкость»

При измерении уровня электропроводной жидкости внутренние электроды КД 1 и КД 2 должны иметь изоляционное покрытие. Материал изоляционного покрытия должен быть одним и тем же для обоих датчиков КД 1 и КД 2.

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 б), диэлектрических свойств изоляционного покрытия и самой жидкости (а точнее от соотношения Луг и емкостного сопротивления конденсатора С2').

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

Доказано, что компенсационный конденсаторный датчик, постоянно погруженный в жидкость, будет «вести» себя так же, как и КД 1 (рисунок 1 б), 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 Нут —> оо будет определяться только диэлектрическими свойствами изоляционного покрытия.

Предложена структурная схема инвариантного ЕИУ с разновременным вводом выходных сигналов {ххих2) измерительных каналов (Кг, К2) в вычислительное устройство (В), которая представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема двухканального инвариантного измерителя уровня: х(0 - входное воздействие, подлежащее измерению полезная информация/^ - возмущающее воздействие^^ - выходная величина, содержащая информацию о воздействии х(1).

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

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

Конструкция ЕИУ, в частности использование второго идентичного датчика вместе с параллельно соединенньм компенсационным датчиком, постоянно погруженный в жидкость, позволила устранить необходимость установки дополнительной линии связи компенсационного датчика с вторичным преобразователем, так. как эту функцию выполняет КД 2. Устройство позволяет вести непрерывный контроль за изменением еж, так как Св > СА на С?, которое не зависит от изменения уровня жидкости в резервуаре, а является функцией только еж.

Доказано, что конструкция компенсационного датчика позволила уменьшить не измеряемую зону и увеличить удельную емкость, не изменяя габариты устройства. Поэтому данная конструкция ЕИУ может быть использована для реализации новых способов измерения уровня 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 (1111) в измерительной КС-цепи при подключении ее к источнику постоянного напряжения, а также исследования погрешности методов и измерительных алгоритмов параметров ПП на постоянном токе в технической

литературе 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 ученые как Guan Gen-zhi, Liu Kai, Huang Hai-kun, Zhao Lai-hong (КНР), Мелентьев B.C., Батищев В.И., Цапаев A.B., Желбаков И.Н., Лупачев A.A. (РФ).

Определение постоянной времени т 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 актуальным углубленные исследования измерительных алгоритмов постоянной времени г, 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:

т = ~ щСЕо^Щ' О

где: Ео - ЭДС источника энергии;

t - текущее время.

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

_ Ea-uCx{t) .

и'схЮ ' l J

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

т = (5)

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

1. f =--(E0-uCx(t))' ~ (1-ый алгоритм исследуемый)

е0 )

* = ^°t)-u(t2) " (2-ой алгоритм сравнительный) it

, - 2 ¿KEp-ufo)) ,, „ „ч

3' т = -u(t3)+4u(t2)-3u(tl)" (3"ии алг°Ри™ сравнительный)

4- f = 2(2U(S1"(S-U(tl))'At - (4"ЫЙ МГ°РИ™ сравнительный). (6)

где: u(t2), u(t3) - значения отсчетов функции напряжения в момент времени U, h, <!?;

At - шаг дифференцирования, который равен: At = t2 — = t3 —12;

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

В таблице 1 приведена относительная погрешность оценки т по результатам моделирования четырех алгоритмов.

Таблица 1 - Относительная погрешность оценки постоянной времени

Относительная погрешность за 1000 наблюдений, %

q/Eo Параметр алгоритма М

1 1 10 | 25 1 50 1 100

1-ый алгоритм (исследуемый)

МОГ7 3,29-Ю"5 ' ........... ...........

МОГ6 3,89-10^

МОГ5 5,09-Ю"3

1-КГ4 5,69-Ю^

2-ой алгоритм (двухточечный, сравнительный)

1-1СГ7 0,05 0,50 1,25 2,52

1-КГ" 0,05 0,50 1,25 2,52

МОГ5 0,05 0,50 1,25 2,52

МОГ* 0,57 0,51 1,26 2,52

3-й алгоритм (трехточечный по Ньютону, сравнительный)

МОГ7 4,31-Ю"4 3,45-10'J 2,05-10"^ 8,04-Ю"12 0,31

МОГ6 1,59-10"1 4,23-10° 2,12-10"* 8,13-Ю"2 0,31

МОГ5 1,734725 2,23-10"4 3,20-Ю"1 0,31

МО* 1,75 0,34 0,21 0,39

4-й алгоритм (трехточечный по производным, сравнительный

МОГ7 2,05-10"' 5,71-10"J 0,02 0,08

МОГ6 1,84 4,24-10""' 0,02 0,08

МОГ5 4,70 0,28 0,09

МО4 1,91

Г'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 двух - и трехточечных алгоритмов.

2. Первый алгоритм имеет значительно большую зону работоспособности,

ограниченную относительным уровнем квантования входных отсчетов — = Ю-3.

Ео

3. Критерием работоспособности первого алгоритма является соотношение ^ < (—)2, где St - время дискретизации ПП.

4. Для всех исследуемых алгоритмов оптимальным динамическим диапазоном проведения отсчетов параметров развивающегося ПП является период времени ('0,1+1,0)т, как имеющей минимальную погрешность оценки т.

5. Интервал обработки 2At/r для аппроксимирующих алгоритмов должен быть не менее 0,2-0,3 и с учетом момента времени первого отсчета укладываться в оптимальный диапазон измерения. Поэтому: M=(0,2+0,3)t/St.

Методом имитационного моделирования проведена оценка влияния нелинейности функции преобразования АЦП на результат измерения г ИЦ. В моделировании использовались современные АЦП, таких фирма как Texas

Instruments и Analog Devices. В работе рассмотрены два вида нелинейности, заданные полиноминальными функциями второго порядка.

Имитационное моделирование показало, что погрешность, вносимая нелинейностью функции преобразования АЦП (при различных видах нелинейности) не превышает 0,036 %.

Проведена оценка влияния погрешности датирования отсчетов оптимального алгоритма на результат измерения г ИЦ, которая показала, что погрешность датирования входных отсчетов при относительной погрешности квантования 10"6 не превышает 0,013%.

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

100%. (7)

8т = тгт~т°. о Ту, га

Тогда

¿Tvt = —:

'ут

"о+йуI

100%.

(8)

Сд

SW

Ro

ltd

Eofz

ф

Rvn

-*. к АЦП

Рисунок 3 - Схема замещения ИЦ при наличии утечки

Используя параметры установившегося режима ИЦ (рисунок 3) выражение для определения Яут примет вид:

й™ —

"¿■До

(9)

>т е-щ'

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

Для определения пределов допустимых значений Яут необходимо ввести ограничения на величину ¿»Тут, определяемую по выражению (8).

<10>

где: £(т) - заданная точность. Тогда

Д0 < еШНут + Д0) , или ^ < (11)

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 ЕИУ, 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 С? не зависит от изменения уровня жидкости, а является функцией только сж и определяется выражением (2).

Значение еж примет вид:

¿ж = (12)

Используя понятие удельной емкости у на единицу длины КД 1 (в незаполненном состоянии) можно представить С\ и С2 в виде:

Ci = YKEv » yhx, (13)

С2 = уеж(£ - fti), (14)

где: ег - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха ( ег =1); у - удельная емкость КД 1 на единицу его длины; h1 - длина непогруженной части КД 1;

еж - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости;

L- длина КД 1.

Для упрощения расчетов выведены конструктивные константы КД 1 и КД 2

ЕИУ:

а=7~ С**-1]" const; D L = AL- const; В = у • е. [пФ/м] - const; (15)

L0x t.0K

Тогда расчетная формула для определения уровня примет вид: и - Р(СВ-Са)-СА

hl~ л(св-са)-в' (16)

где: А, В, и D - конструктивные параметры КД I и КД 2 ЕИУ, которые определяются экспериментально при их изготовлении.

В вычислительном алгоритме (16) выражение (12) используется в расчетах в качестве еж, как этот видно из выражения:

у£Ар£вь_Сд

hi = "crfe-■ (17)

Поэтому, выражение (16) вычислительного алгоритма не зависят от возмущающего воздействия - изменения еж, и является инвариантным.

Расчетная формула (16) предназначена для определения hi от верхней отметки КД 1. Если шкалу отсчета уровня h2 «привязать» к нижнему концу КД 1 (рисунок 1 а), то получается несколько другой алгоритм расчета уровня: ■ _ ca-lb _ са-р

2 ~ а(св-са)-в ~ а(св-са)-в ■ При этом изменится лишь конструктивный параметр D: D = у ■ ег ■ L -const [пФ]. (19)

Очевидно, что отчет 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 предельной относительной погрешности косвенного измерения уровня по результатам измерения электрической емкости:

* - Т - Ш+ISK - (¡й=+5У ■«■ <2°>

Методами имитационного моделирования установлено, что предельная относительная погрешность алгоритма расчета уровня зависит от значения разницы Св - С л, т.е от значения Cqk.

В результате исследований доказано:

- емкость СвКД 2 должна быть не менее чем на 10 % больше емкости САКД1, так как в случае понижения этой разницы, алгоритм расчета уровня теряет свою работоспособность и погрешность измерения становится непредсказуемой (емкость СА КД 1 становится соизмеримой с емкостью Св КД 2), особенно при малых начальных значениях емкости КД 1 и КД 2.

Для реализации двухканального инвариантного ЕИУ предложена функциональная структура, представленная на рисунке 4.

Получена завивисимость описывающая связь измеряемого уровня по алгоритму (16) емкостным методом с постоянными времени тА и тв измерительных цепей двухканального ЕИУ.

_ Срк'Ь . тА~сАо'^о (21)

Cao ок-ЯО"

Вторичный преобразователь

Рисунок 4 - Функциональная структура двухканального ЕИУ

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

Таблица 2 - Оценка погрешности измерительного канала

№ Элемент канала Метод оценки Значение, %

1. Первичный преобразователь Литературные данные, натурный эксперимент ±0,090

2. АЦП Имитационное моделирование ±0,036

3. Погрешность датирования входных отсчетов Имитационное моделирование ±0,013

4. Метод измерения Т Имитационное моделирование ±3,89-Ю-4

5. СА, Сй Аналитически С=тЛ*о ±0,060

6. к Аналитически, Имитационное моделирование, натурный эксперимент ±0,063

5, % измерительного канала уровня ±0,15

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

Вторичное измерительно-вычислительное устройство обладает свойствами универсальности: способно измерять как электрическую емкость КД 1 и КД 2, по оптимальному алгоритму, так и вести расчет уровня жидкости по показаниям датчиков, согласно выражениям (16) или (18). Полученные значения электрических емкостей КД 1 и КД 2 измеряются поочередно и многократно, а затем усредняются, статистически обрабатываются и участвуют в дальнейших расчетах, согласно алгоритму функционирования системы.

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 ЕИУ, инвариантного к изменению еж, путем использования двух идентичных коаксиальных датчиков, к одному из которых подсоединен параллельно компенсационный датчик. Конструкция ЕИУ позволила значительно сократить неизмеряемую зону, увеличить удельную емкость компенсационного датчика на единицу его длины и устранить технологический разброс начальной емкости.

2. Предложен оптимальный по точности и работоспособности алгоритм оценки постоянной времени измерительной цепи.

Предложены рекомендации по практической реализации исследуемого алгоритма:

критерием работоспособности исследуемого алгоритма является

Я ^ /Йч?

соотношение — < (—),

е0 т

- область работоспособности оптимального алгоритма, ограниченна уровнем

квантования входных отсчетов — = Ю-3;

е0

- оптимальным динамическим диапазоном проведения отсчетов параметров развивающегося 1111 является период времени (0,1+1,0) ту

3. Проведена оценка влияния нелинейности функции преобразования АЦП и погрешности датирования отсчетов оптимального алгоритма на результат измерения х ИЦ, которая показала, что погрешность, вносимая нелинейностью функции преобразования АЦП (при различных видах нелинейности) не превышает 0, 036 %, а погрешность датирования входных отсчетов при относительной погрешности квантования 10"6 не превышает 0,013%.

Проведена оценка влияния сопротивления утечки в контролируемой среде на погрешность измерения г и получено соотношения для определения предельно допустимых значений сопротивления утечки.

4. Разработан способ измерения уровня, инвариантный к изменению еж. Экспериментальные исследования емкостного измерителя уровня показали: алгоритм может быть использован как для расчета уровня диэлектрических, так и токопроводящих жидкостей.

5. Методом численного моделирования алгоритма измерения уровня выведен основной критерий, влияющий на работоспособность и точность алгоритма измерения уровня: Св> Са> 10 + 50%. Представлена зависимость описывающая связь измеряемого уровня с постоянными времени тА и тв измерительных цепей двухканального ЕИУ. Предельная погрешность всего измерительного канала составляет 3~0,15 %.

6. Предложена конструкция вторичного измерительно-вычислительного устройства, реализуемая алгоритмы измерения электрической емкости и по показаниям электрической емкости КД1 и КД 2, алгоритм расчета уровня Ь.

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.

Публикации в других изданиях:

4. Пат. 78929 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной двухэлектродный датчик уровня жидкости / Минаев И.Г., Ушкур Д.Г., Мастепаненко М.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. - № 2008131178/22; заявл. 28.07.2008; опубл. 10.12. 2008, Бюл. № 34. -1 с.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

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

10. 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. трудов по мат. V Российской науч.-практ. конф. Ставропольский государственный аграрный университет. Ставрополь: АГРУС. - 2009. - С. 156-158.

11. Minaev, I.G. By a capacity liquidometer / I.G. Minaev, М.А. Mastepanenko // В ¡сник Черкаського державного технолопчного универатету: сб. ст. Спецвыпуск. Черкассы: Изд-во ЧГТУ. - 2009. - С. 69-71.

12. Бондарь, М.С. Компромиссное решение между высокой разрешающей способностью и быстродействием аналого-цифровых преобразователей / М.С. Бондарь, М.А. Мастепаненко // Современные проблемы радиоэлектроники: сборник научных статей.- Красноярск: Сибирский федеральный университет, Политехнический институт. - 2007. - С. 102-105

13. 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.-Кавказ.тех.ун-та. - 2009. - Т. 1. - С. 242.

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

15. Минаев, И.Г. Разработка емкостных датчиков уровня жидкости с унифицированным сигналом / И.Г. Минаев, М.А. Мастепаненко // Студенческая наука в 21 веке: сб. науч. ст. ФГОУ ВПО СтГАУ. Ставрополь: АГРУС. - 2009. - С.49-51.

16. 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.тех.ун-та. - 2010. - №3.- С. 61-63.

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

18. Мастепаненко, М.А. Универсальное устройство для измерения уровня различных жидкостей / М.А. Мастепаненко, И.Г. Минаев // Молодые аграрии Ставрополья: сб. науч. ст.: по мат. 73-й науч.-практ. конф., Ставрополь: АГРУС. -2009. - С.113-115.

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, г. Ставрополь: Изд-во Сев.-Кавказ.гос.тех.ун-та. - 2010. - С. 205-209

20. Мастепаненко, М.А. Разработка вторичного измерительного устройства емкостного датчика уровня различных жидкостей / М.А. Мастепаненко, И.Г. Минаев, И.Н. Воротников // Молодые аграрии Ставрополья: сборник студенческих научных трудов. Ставрополь: АГРУС. - 2010.- С.124-129.

21. Мастепаненко, М.А. Разработка вторичного измерительного устройства на основе ШС-измерителя Е7-22 / М.А. Мастепаненко, А.А. Автухов, И.Н. Карабакин, И.Г. Минаев // Молодые аграрии Ставрополья: сборник студенческих научных трудов. Ставрополь: АГРУС. - 2010. - С.148-151.

22. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612807 «Программа расчета уровня жидкости емкостным датчиком» / Минаев И.Г., Ушкур Д.Г., Мастепаненко М.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2010611216, заявл. 04.04.2010, опубл. 23.04.2010.

23. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617936 «Программа, расчета уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей в резервуарах любой формы» / Минаев И.Г., Мастепаненко М.А., Воротников И.Н., Карабакин И.А., Автухов A.A.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2010616164, заявл. 07.10.2010, опубл. 02.12.2010.

24. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613575 «Программа измерения уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей по показаниям универсального емкостного уровнемера» / Минаев И.Г., Ушкур Д.Г., Шарипов И.К., Карабакин И.А., Автухов A.A., Мастепаненко М.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2010611871, заявл. 07. 04. 2010, опубл. 31. 05. 2010.

25. 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.-Кавказ.гос.тех.ун-та. - Т. 1 - 2011. - С. 40-43.

26. Плужников, A.A. Разработка взрывобезопасной информационно-измерительной системы контроля и управления сухим ходом насосов в нефтеперерабатывающей промышленности / М.Н. Тарануха, М.А. Мастепаненко, И.Г. Минаев // Молодые аграрии Ставрополья: сб. науч. ст. Ставрополь: АГРУС, 2011. С.136-139.

27. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611635. Программа расчета уровня различных жидкостей «Уровнемер-1»: программа для ЭВМ / Никульников А. В., Мастепаненко М. А., Воротников И. Н., Минаев И. Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. - № 2010618307; заявл. 27.12.2010; опубл. 18.02.2011, Бюл. №2(72) (II ч.). - 394 с.

28. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612176. Программно-алгоритмический комплекс информационно-измерительной системы контроля уровня нефтепродуктов: программа для ЭВМ / Минаев И. Г., Мастепаненко М. А., Воротников И. Н., Карабакин И. А., Автухов А. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2011610463; заявл. 25.01.2011; опубл. 15.03.2011, Бюл. №2 (72) (II ч.). 521с.

29. 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: сборник научных трудов / СтГАУ. - Ставрополь: АГРУС. - 2011. - С.181-185.

30. 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.

31. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614124 Программа работы микроконтроллера для реализации алгоритма расчета уровня жидкостей емкостным методом / Мастепаненко М.А., Воротников И.Н., Шарипов И.К., Шаталов А.Ф., Аникуев C.B.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. №2013611780, заявл. 12.03.2013, опубл. 24.04.2013

32. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614553 Программа приема, обработки и визуализации данных, получаемых от коаксиальных емкостных датчиков уровня светлых нефтепродуктов // Воротников И.Н., Мастепаненко М.А., Шарипов И.К., Шаталов А.Ф., Боровлев И.И.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. №2013612362, заявлено 12.03.2013, опубл. 15.05.2013г.

33. Мастепаненко, М.А. Анализ методов измерения уровня жидкостей / М.А. Мастепаненко, И.Н. Воротников // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 19 Междунар. Науч. -техн. Студентов и аспирантов: Тез. Докл. В 4 т. Т.2 М.: Издательский дом МЭИ. - 2013. - С. 95.

34. 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: сборник научных статей по материалам Международной научно-практической конференции. - г. Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. Аграрного ун-та. - 2013. - С. 66 - 68.

Подписано в печать #,//. ХРёг Зак. ш Тир. ¡00 П.л. Ы6 Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул., д.13