Введение к работе
Актуальность работы. Измерения уровня жидкостей является ключевой
операцией при автоматизации технологических процессовво 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 нефтепродуктовосуществляют 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 КБ., Полищук Е.С., Медведев Г.В., Шарапов В.М.,Ацюковский В.А., Кошевой М.Д., Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков B.C., МинаевИ.Г., Фомин В.М. и другие.
Несмотря на ряд преимуществ, применение ЕИУ в системах контроля и управления сопряжено с рядом трудностей. Основными, из которыхявляются:
- влияние диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости еж на
результаты измерений (этот недостатокчастично 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, либонеобходимость калибровки устройства под конкретно измеряемую жидкость;
- 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.
Целью 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:
-
Разработка и исследование структуры двухканального емкостного измерителя уровня, инвариантного к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.
-
Разработка и исследование оптимального по быстродействию, точности и работоспособности алгоритма оценки постоянной времени измерительной цепи, как основного параметра для измерения электрической емкости.
-
Разработка и исследование способа измерения уровня по параметрам двух емкостных датчиков (рабочего и компенсационного), инвариантного к влиянию относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.
-
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 емкостногоизмерителя уровня, отличающегося от существующих устранением необходимости установки дополнительной линии связи рабочего и компенсационного датчиков и высокой удельной емкостьюкомпенсационного датчика, без изменения габаритов устройства и зоны измеряемого уровня.
-
Предложенаоптимизацияи критерий работоспособности алгоритма оценки постоянной времени измерительной цепи, отличающегосяповышенной точностьюи быстродействием.
-
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:
-
Предложена структура двухканального емкостного измерителя уровня, инвариантного к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, разработана и исследована конструкцияемкостного измерителя уровня, новизна и полезность которой подтверждена четырьмя патентами РФ.
-
Предложен критерий работоспособностиоптимальногоалгоритмаоценки постоянной времени измерительной цепи, а также определены оптимальные динамические диапазоны проведения отсчетов параметров развивающегося переходного процесса.
-
Разработан емкостной способ измерения уровня, инвариантный к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости, научная новизна и практическая ценность которого подтверждена патентом РФ на изобретение.
-
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.
-
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 r.);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.);Х 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
-
Структура двухканального емкостного измерителя уровня, инвариантного к изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.
-
Результаты исследованияоптимального алгоритма оценки постоянной времени измерительной цепи, отличающегося высокойточностью, работоспособностью и быстродействием^ также рекомендации по егопрактической реализации.
-
Способ измерения уровня по параметрам двух емкостных датчиков, инвариантныйк изменению относительной диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.
-
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.
