Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Аналитический обзор методов и средств измерения уровня топлива 15
1.1 Анализ методов измерения уровня топлива 15
1.2 Особенности применения емкостного метода в системах измерения и контроля уровня 18
1.3 Исследование конструктивных особенностей емкостных первичных преобразователей уровня 22
1.3.1 Принцип инвариантности в построении измерительных устройств 23
1.3.2 Исследование функций преобразования коаксиальных датчиков уровня 25
1.3.3 Конструктивные методы учета и компенсации влияния относительной диэлектрической проницаемости контролируемой среды 32
1.3.4 Совершенствование конструкций коаксиальных датчиков уровня топлива с использованием различных методов подключения компенсационного датчика к вычислительному устройству 34
1.4 Выводы 49
Глава 2: Методы обработки измерительных сигналов первичных преобразователей информационно измерительных систем контроля уровня топлива 51
2.1 Методы обработки измерительных сигналов емкостных уровнемеров на переменном токе 51
2.2 Методы обработки измерительных сигналов емкостных уровнемеров по параметрам переходных процессов 56
2.3 Сравнительный анализ методов обработки измерительных сигналов 60
2.4 Исследование методов преобразования электрической емкости в код с промежуточным преобразованием в постоянную времени 63
2.4.1 Исследование методов определения информативного параметра регистрируемого сигнала по мгновенным значениям переходного процесса 63
2.4.2 Алгоритмы оценки постоянной времени измерительной цепи с использованием цифрового дифференцирования 65
2.5 Математическое моделирование системы обработки измерительных сигналов по мгновенным значениям 66
переходного процесса
2.5.1 Параметры математического моделирования 70
2.5.2 Моделирование погрешности квантования по уровню 73
2.5.3 Анализ погрешности квантования 74
2.6 Сравнение точности математических моделей системы обработки измерительных сигналов по параметрам переходного процесса 77
2.7 Оценка составляющих результирующей погрешности системы обработки измерительных сигналов по мгновенным значениям переходного процесса 79
2.7.1 Анализ влияния линейности функции преобразования АЦП на погрешность оценки постоянной времени 79
2.7.2 Оценка влияния погрешности датирования отсчетов на результат оценки f 84
2.7.3 Определение зависимости между скоростью изменения напряжения на конденсаторе и апертурным временем 88
2.7.4 Оценка влияния сопротивления утечки в первичных преобразователях емкостных уровнемеров на погрешность оценки постоянной времени 90
2.7.5 Аналитическая оценка погрешности метода определения постоянной времени 93
2.7.6 Оценка результирующей погрешности системы обработки измерительных сигналов по мгновенным значениям переходного процесса 95
2.8 Выводы 96
Глава 3: Разработка емкостного способа измерения урвоня топлива, инвариантного к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой среды 99
3.1 Анализ структурных схем измерения уровня емкостным методом 99
3.2 Разработка алгоритма измерения уровня жидкости, инвариантного к изменению относительной диэлектрической
проницаемости среды 100
3.2.1 Разработка способа и алгоритма измерения уровня 100
3.3 Оценка погрешности методов компенсации влияния относительной диэлектрической проницаемости контролируемой среды 104
3.3.1 Аналитическая оценка составляющих погрешности алгоритма расчета уровня для предлагаемой структуры первичных преобразователей 111
3.4 Имитационное моделирование информационно-измерительной системы непрерывного контроля уровня топлива 114
3.4.1 Сравнительный анализ точности информационно измерительной системы контроля уровня топлива с использованием различных методов компенсации влияния относительной диэлектрической проницаемости 114
3.4.2 Оценка влияния емкости компенсационного датчика на точность измерения уровня 120
3.5 Выводы 122
Глава 4 Программная и аппаратная реализация системы непрерывного контроля уровня топлива 123
4.1 Разработка конструкции вторичного измерительно-вычислительного устройства 123
4.2 Разработка программного обеспечения вторичного измерительно-вычислительного устройства 131
4.3 Характеристики АЦП вторичного измерительно-вычислительного устройства 133
4.4 Экспериментальные исследования информационно- 138 измерительной системы непрерывного контроля уровня 4.5 Выводы 146
Основные результаты и выводы 148
Список использованной литературы
- Исследование конструктивных особенностей емкостных первичных преобразователей уровня
- Методы обработки измерительных сигналов емкостных уровнемеров по параметрам переходных процессов
- Разработка способа и алгоритма измерения уровня
- Разработка программного обеспечения вторичного измерительно-вычислительного устройства
Исследование конструктивных особенностей емкостных первичных преобразователей уровня
Из выражения (1.1) видно, что значение емкости конденсаторных датчиков (КД), имеющих плоскопараллельную систему электродов зависит от изменения одного из трех переменных параметров площади электродов 5" конденсатора, расстояния между электродами d и относительной диэлектрической проницаемости є среды, находящейся между электродами, либо от комбинации всех параметров одновременно [4, 11, 14, 15].
Контролируемая неэлектрическая величина обычно воздействует на какой - либо из этих параметров, меняя тем самым емкость КД. Таким образом, принцип работы емкостных датчиков (датчики давления, датчики угловых и линейных перемещений, влажности, датчики уровня жидких и сыпучих материалов и т.д.) определяется видом измеряемой величины и способом ее воздействия на емкость датчика.
Измерение уровня жидкостей емкостными датчиками основано на изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство. Из выражения (1.1) видно, что емкость конденсатора пропорциональна относительной диэлектрической проницаемости є вещества, заполняющего межэлектродное пространство. Диэлектрическая проницаемость воз воздуха практически равна 1, а для различных жидкостей значения гж лежат в пределах от 2 до 80.
Особенностью применения ЕУ в системах управления и контроля является малая начальная емкость датчиков, которая в большинстве случаев лежит в пределах от 10 до 10 пФ. Это обстоятельство приводит к необходимости использования напряжения высокой частоты от 1-10 до для работы датчиков. При использовании низких частот, например промышленной частоты 50 Гц, емкостные датчики уровня (и другие типы емкостных датчиков) обладают большим реактивным сопротивлением, что ограничивает их использования в измерительных цепях.
Использование высокочастотного сигнала приводит к необходимости дополнительного аналогового и цифрового преобразования, с целью получения унифицированных сигналов (тока, частоты или напряжения), удобных для дистанционной передачи их на расстояния, и последующем использовании в системах управления и контроля.
Анализ литературы [1, 3, 4, 7, 9, 11, 14, 15] показал, что емкостной метод измерения является одним из наиболее распространенных методов измерения уровня. Основными преимуществами емкостных уровнемеров является, прежде всего, отсутствие подвижных элементов, что значительно повышает надежность работы устройства, простота обслуживания, удобства монтажа первичного преобразователя, возможности использования в широком интервале температур и давлений. Кроме того, емкостные датчики уровня обладают высокой чувствительностью, малыми габаритами и массой, относительно высоким быстродействием, искробезопасностью, небольшими усилиями электромеханического взаимодействия между электродами, однонаправленностью действия, легкостью формирования требуемой формы зависимости между входной и выходной величинам [4, 7, 8, 14, 15, 16, 17].
Несмотря на ряд преимуществ, применение емкостных датчиков уровня в системах управления и контроля сопряжено с рядом трудностей: влиянием диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, влиянием линии связи (особенно компенсационных датчиков) с измерительной схемой, отсутствием возможности использования устройств для различных типов жидкостей, без переградуировки измерительной схемы, наличием активных потерь в емкостном преобразователе и другими. Перечисленные особенности приводят к повышению погрешности, к ограничению возможности использования емкостных преобразователей (ЕП) в ряде технологических процессов.
Еще одним важным параметром, влияющим на точность измерения уровня емкостными датчиками является активное сопротивление утечек Ryr первичного преобразователя. Значение этого сопротивления зависит от качества изоляционных материалов, используемых в конструкции емкостного датчика, от сопротивления утечки соединительного кабеля, а также проводящих пленок, которые могут образовываться на поверхности изоляторов. В случае, если качество изолятора будет не удовлетворительное, активная проводимость датчика может быть соизмеримой с емкостной [14]. Это приведет к значительному повышению погрешности измерения, а в некоторых случаях к неисправности датчика - отсутствию возможности проведения измерений.
Поэтому, в идеале емкостные способы предназначены по своей сути для работы с диэлектрическими жидкостями, которые обладают достаточно большим удельным электрическим сопротивлением. В случае же с электропроводной средой, как это отмечено выше, сразу же возникает комплекс проблем, обусловленных необходимостью устранения влияния «паразитной» проводимости.
Кроме того, при работе даже с хорошими диэлектриками (минеральные масла, нефтепродукты и др.) необходимо применять дополнительные меры по устранению влияния на метрологические характеристики изменения гж. Эти изменения могут быть вызваны колебаниями, как температуры, так и сменой состава или типа жидкости.
Методы обработки измерительных сигналов емкостных уровнемеров по параметрам переходных процессов
Метод динамических измерений исследован в работах [58, 59, 60, 61, 62, 74, 75, 83]. Особый интерес при исследовании методов определения информативных параметров (в частности постоянной времени) регистрируемого сигнала вызывают подходы, основанные на использовании мгновенных значений напряжения во время развивающегося переходного процесса. Основным достоинством такого подхода, а именно использования мгновенных значений, является сокращение времени определения постоянной времени, за счет соответствующего выбора tlt... tm. Т.е. устраняется необходимость ожидания окончания переходного процесса или момента определения контролируемой переменной [60, 61, 62, 63].
Авторами перечисленных выше работ рассмотрены методы оценки постоянной времени по результатам одного, двух, и трех измерений мгновенных значений напряжений на элементах ИЦ.
При этом основными параметрами рассматриваемой цепи (рисунок 2.3) являются: напряжении Uo, текущее время t и постоянная времени т.
Для наших исследований особый интерес представляет подход B.C. Мелентьева [60, 61, 62, 63], связанный с определением параметров электрических цепей по мгновенным значениям ПП, не связанным с моментом подключения напряжения к измерительной RC-цепи для случая, когда время измерения меньше т.
Мгновенные значения напряжения на конденсаторе в соответствии с (2.6) определяются: Для упрощения решения системы выбор моментов времени tj, t2, ts не должен носить произвольный характер. Поэтому мгновенные значения на средней точке берутся через одинаковые интервалы времени At, после произвольно взятого первого момента t].
Временная диаграмма напряжения на средней точке измерительной RC-цепи (конденсаторе Сх) Используя (2.7) через равноотстоящие моменты времени в [ 60, 61, 62] приведен один из алгоритмов для определения постоянной времени по мгновенным значениям переходного процесса:
В выводах по результатам исследований [60, 61, 63] отмечается, что измерительный алгоритм по трем измерениям мгновенных значений напряжения во время развивающегося переходного процесса, который часто называют «трехточечный алгоритм» или «алгоритм выбранных точек» имеет следующие преимущества: - независимость измерений от начала переходного процесса, что расширяет его область применения; - автоматическая компенсация погрешности от смещения нуля измерительного канала, так как в алгоритме используется дробь (и3 — и2)/(Ц2 ui) (устраняется аддитивная составляющая погрешности измерения); - отношения разностей напряжений устраняет мультипликативную составляющую погрешности измерения.
Указанные преимущества метода, несомненно, говорят о его эффективности и перспективности.
Принимая во внимание, приведенные выше рассуждения известных исследователей в данной области знаний, автор настоящей работы считает актуальным исследования методов определения постоянной времени г, и связанной с ней емкости на постоянном токе, путем организации ПП.
Сравнительный анализ методов обработки измерительных сигналов Объединяющим недостатком математических моделей (2.1) и (2.2) является применение в системе обработки измерительного сигнала переменного тока высокой частоты, что имеет свои недостатки и ограничения: необходимость размещения генератора высокой частоты в непосредственной близости от емкостного датчика, что во многих технологических процессах невозможно, в связи с тяжелыми условиями эксплуатации; - необходимость дополнительного преобразования высокочастотного выходного сигнала датчиков в более удобную форму для дистанционной передачи и дальнейшей обработки [18, 37]; - низкое быстродействие методов обработки и отсутствие возможности принятия решение в масштабе реального времени, с целью своевременного обнаружения и исключения аварийных ситуаций [21,22].
В работе [63] автором отмечается, что «методы измерения параметров электрических цепей (ПЭЦ) на переменном токе достаточно хорошо изучены и продолжают успешно совершенствоваться.
Однако, измерение ПЭЦ при подключении к измерительной цепи напряжения постоянного тока не изучено».
Сравнительные характеристики методов преобразования электрической емкости по результатам анализа литературных источников [14, 15, 20, 23, 39, 40, 42, 43, 50, 51, 61, 63] представлены в таблице 2.1.
В работе [61] отмечается, что исследований точности методов и измерительных алгоритмов параметров переходных процессов 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 GuanGen-zhi, LiuKai, HuangHai-kun, ZhaoLai-hong (КНР), Мелентьев B.C., Батищев В.И., Цапаев А.В., Желбаков И.Н., Лупачев А.А. (РФ).
Принимая во внимание рассуждения известных исследователей в данной области [50, 51, 60, 61, 62, 63], считаем актуальным в данной работе проведение исследований методов преобразования электрической емкости на постоянном токе (преобразования электрической емкости в код с промежуточным преобразованием в постоянную времени) при построении новых информационно-измерительных систем контроля уровня топлива в баках ЛА.
Разработка способа и алгоритма измерения уровня
Таким образом, для нахождения уровня без учета соединительных проводов необходимо измерить пять величин: емкости двух датчиков в воздухе и после погружения в жидкость, а также длину L КД 1.
Определим относительную погрешность косвенного измерения уровня через полный дифференциал выражения (3.28). Аналитическая оценка составляющих погрешности алгоритма расчета уровня для предлагаемой структуры первичных преобразователей
Как было показано в первой главе, эффективным методом устранения влияния возмущающих воздействий при проектировании систем измерения уровня топлива в баках летательных аппаратов является использование структурных методов построения измерительных устройств. С целью устранения влияния єж, как основного возмущающего воздействия, предложена структура СИУ (рисунок 1.1), техническим воплощением которой является предложенная конструкция емкостного уровнемера (рисунок 1.13).
Основными преимуществами такого подхода является: - возможность устранения влияния возмущающего воздействия (єж); - возможность устранения погрешности «не идентичности» рабочего и компенсационного измерительных каналов (т.к. измерения проходят по одному и тому же каналу); устраняется необходимости установки дополнительного соединительного кабеля; предлагаемая структура соответствует основному принципу построения измерительных устройств - многоканальности. где С - емкость незаполненной топливом части рабочего датчика; Сіл - емкость погруженной части в топливо рабочего датчика; г- относительная диэлектрическая проницаемость воздуха ( г 1); СА0- начальная емкость рабочего датчика. Решение системы выглядит следующим образом:
Для проведения исследований предлагаемого алгоритма расчета уровня (3.35), определим пределы допускаемой основной относительной погрешности 8h результатов измерения уровня по двучленной формуле согласно ГОСТ 8.401-80 . относительная погрешность в начале шкалы; Хк = L - предельное значение измеряемого уровня; X=h - измеряемый уровень.
Имитационное моделирование информационно-измерительной системы непрерывного контроля уровня топлива Сравнительный анализ точности информационно-измерительной системы контроля уровня топлива с использованием различных методов компенсации влияния относительной диэлектрической проницаемости
Сравнительный анализ одного и того же алгоритма расчета уровня (3.12) информационно-измерительной системы с использованием различных методов компенсации влияния относительной диэлектрической проницаемости контролируемой среды (для различных конструкций первичных преобразователей) проведен имитационным моделированием при параметрах, указанных в таблице 3.2.
При моделировании абсолютные погрешности измерения начальных емкостей измерительных преобразователей и кабеля выбраны равными 0,01 пФ, т.к. могут быть измерены образцовыми средствами измерений при изготовлении ЕУ. Абсолютные погрешности измерения емкостей датчиков с жидкостями выбраны с учетом неисключеной составляющей систематической погрешности измерения емкости, полученной в главе 2 и равной 0,055 %. Расчет погрешности уровня осуществляется по (3.36).
Для дальнейшего анализа полученных результатов введем заданное значение относительной погрешности измерения уровня 51ізад, ограничивающее нижнею границу рабочего диапазона на уровне 0,5%.
Результаты моделирования системы контроля уровня с использование различных методов компенсации относительной диэлектрической проницаемости контролируемой среды Параметры двучленной формулы Системы контроля уровня 1-ый алгоритм (сравнительный) 2-ой алгоритм (сравнительный) 3-ий алгоритм (исследуемый)
Предлагаемая информационно-измерительная система, в основу работы которой положен алгоритм (3.12) позволила за счет нового метода преобразования электрической емкости в код с промежуточным преобразованием в потсоянную времени, алгоритма расчета уровня с компенсацией влияния єж в 3,4 раза снизить погрешность измерения уровня топлива в баках ЛА: с ± 0,5 % для известных систем (при времени обработки 10 - 20 с), до ± 0,14 % в предлагаемой (при времени обработки 0,1 с).
Начальная емкость компенсационного датчика, равно как и его емкость в погруженном состоянии, оказывают существенное влияние на точность измерения уровня. Предельная относительная погрешность алгоритма расчета уровня зависит от значения разницы св - СА, т.е от значения Сок.
Результаты исследования зависимости погрешности измерения уровня от значения емкости компенсационного датчика QQK представлены на рисунке 3.10. Очевидно, что относительная погрешность измерения уровня, а также и относительная погрешность измерения ёмкости компенсационного датчика, возрастают при сближении емкостей СА И СВ.
Установлен определяющий критерий, влияющий на работоспособность и точность системы измерения уровня: Св Сд 10 50%. Практически значимые значения начальной емкости компенсационного датчика Сок для устойчивой работоспособности алгоритма лежат в пределах 15 до 50 % от начальной емкости рабочего датчика САО 3. Результаты исследований показали, что предлагаемая информационно-измерительная система позволила за счет нового метода обработки измерительных сигналов емкостных датчиков, алгоритма расчета уровня с компенсацией влияния єж 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).
Разработка программного обеспечения вторичного измерительно-вычислительного устройства
Измерение большинства физических величин осуществляется в аналоговой форме. Для повышения достоверности результатов измерений в современных вычислительных устройствах применяются цифровые методы обработки. Поэтому, соответствующие аналоговым электрические сигналы, полученные при измерении преобразуют в цифровой код. Осуществляют это при помощи аналого-цифровых преобразователей, которые преобразуют входной аналоговый сигнал в цифровое выходное значение, соответствующее уровню входного сигнала относительно опорного источника.
В настоящее время рынком предлагается тысячи АЦП с различными метрологическими характеристиками, относящиеся к различным классам. Отличаются они лишь тем, как во времени происходит процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой. В зависимости от типа измерительного оборудования и области применения используются различные архитектуры АЦП. Наиболее распространенными являются АЦП последовательного приближения (successive-approximation, SAR), сигма-дельта (X —А) и конвейерные (pipelined).
В таблице 4.1 приведены сравнительные характеристики некоторых современных АЦП, таких фирма как Texas Instruments и Analog Devices.
Основными критериями выбора являлись разрядность АЦП (12-16 бит), частота дискретизации (от 4 до 20 МГц) и максимальные значения интегральной и дифференциальной нелинейностей.
В нашей работе, применительно к методам измерения электрической емкости конденсаторных датчиков уровня по мгновенным значениям переходного процесса, особый интерес вызывают АЦП последовательного приближения и сигма-дельта, что обусловлено относительно высокой точностью, быстродействием и разрешающей способностью и невысокой стоимостью.
Возмущающим воздействием в рассматриваемой схеме являются активные сопротивления Ri, R2, RBH, переходные сопротивления ключей SW 1, SW 2 и их температурные и временные отклонения [83].
Сопротивления Ro является мерой, относительно которой определяются указанные выше активные сопротивления, по этому Ro возмущения в процессе измерения не вносит.
Поэтому необходимо знать тх и R x в момент времени t=x для обеспечения результатов наблюдения аргументов при косвенных измерениях [83].
Сопротивления Ri и R_2, как было показано ранее, используются для изменения диапазона измерения емкости для больших и малых значений.
Предполагается, что Ео в момент проведения измерений остается неизменным. В дальнейшем целесообразно проводить обработку полученных результатов измерения емкости по одному из известных алгоритмов:
Вычисления аналитических характеристик результатов измерения емкости: математическое ожидание случайной величины, ее среднеквадратическое отклонение может производиться следующими способами:
По результатам исследований [70,71,72], предпочтительно использование (4.3) и (4.4) алгоритмов вычисления емкости, так как они обеспечивают вдвое меньшую случайную погрешность по сравнению с одноканальной структурой. При этом следует иметь ввиду, что более точные алгоритмы измерений требуют большой объем памяти измерительной системы, так как в них происходит накопление не усредненных значений измеряемых величин.
Математическое моделирование показало, что для наших исследований предпочтительнее использовать сигма-дельта АЦП, как обладающие наибольшей точностью и быстродействием.
Экспериментальные исследования информационно-измерительной системы непрерывного контроля уровня
Для проведения экспериментальных исследований системы измерения уровня был изготовлен набор датчиков на диапазоны измерения уровня от 0,45 до 2 метров, с изолированными и «голыми» электродами и различными их диаметрами.
В качестве контролируемой жидкости использовались трансформаторное масло с =2,18 и дизельное топливо с =2,4 при температуре 20 С. Измерение С А КД 1 и Св КД 2 проводились многократно (число измерений каждого значения п=20) с доверительной вероятностью Р = 0,95. Результаты экспериментальных исследований опытного образца №1 ЕИУ с трансформаторным маслом представлены в таблице 4.3 и с дизельным топливом в таблице 4.4.
Исследования сводных статических параметров погрешности системы контроля уровня, представленных в таблице 4.8, позволяют сделать следующие выводы:
1. Погрешность измерения уровня как диэлектрических, так и токопроводящих жидкостей на выходе соответствует уровню погрешности исходных данных (на входе), т.е расчетный алгоритм не зависит от изменения еж и устраняет необходимость градуировки измерительной схемы под конкретно измеряемую жидкость.
2. Уровень погрешности для исследуемых жидкостей находится в пределах значимых значений от 0,27 до 0, 35%, что обусловлено низкой разрядностью АЦП (для опытного образца - 8-ми разрядный).
Исследования влияния температуры контролируемой жидкости на показания ЕИУ показали, что изменение температуры жидкости и соответственно еж, не влияет на результаты измерений. При повышении температуры контролируемой среды, в случае, когда действительное значение уровня остается неизменным, наблюдается повышение емкости рабочего AC/At -0,8 пФ/С, расчетное значение уровня также остается прежним. Таким образом, экспериментальные исследования системы контроля уровня позволяют сделать вывод о том, что система не зависит от изменения температуры, состава или свойств контролируемой среды и не требует проведения дополнительных операций по переградуировке устройства под конкретно измеряемую жидкость.
1. Для реализации алгоритма расчета уровня, визуализации результатов измерений, дистанционной передачи данных и настройки ЕИУ, в соответствии с требованиями технологического регламента, предложена конструкция вторичного измерительно-вычислительного устройства измерения электрической емкости и по показаниям электрической емкости КД1 ИІЩ2, расчета уровня It.
2. Предложено программное обеспечение, которое позволяет реализовать разработанный алгоритм работы вторичного измерительно вычислительного устройства по приему, анализу и обработке данных
3. Проведены экспериментальные исследования информационно измерительной системы контроля уровня топлива, которые подтвердили результаты моделирования.
