Введение к работе
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 малые 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 энелниях
_ 4 -
диэлектрических прогащаемостей контролируемое 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 измерительныхсистем для определения электрических и магнитных величин с адаптацией к измеряемым величинам и Еозмущаицим воздействиям" / "Адаптация", пост. Президиума АН Украины № 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 информативньми 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 уровнеме
ров, 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 хак 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 методы 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 калибров
ки.
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 отих 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 криоген-^ них 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 ИйС-89" /г.Ульяновск / и двух республиканских конференциях:
"Структурные методы повышения точности, чувствительности и быстродействия измерительных приборов и систем" /г.Киев,1935 г./,
"Повышения быстродействия и метрологической надежности систем контроля параметров средств измерения" /г.Киев, 1987 г./.
-7-.
Публикации. По теме 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.
