Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Математическое моделирование емкостного датчика уровня топлива
1.1. Функция преобразования емкостного датчика уровня топлива 14
1.2. Функция преобразования поверхностного емкостного датчика 18
1.3. Измерительные схемы емкостных топливомеров 27
1.4. Разработка и исследование форм электродов для поверхностных емкостных датчиков уровня топлива
1.4.1. Конструкции датчиков 33
1.4.2. Варианты конструкции исследованных датчиков 34
1.4.3. Схема измерительной установки 37
1.4.4. Исследование измерительной схемы датчика 39
1.4.5. Результаты исследования измерительной схемы датчика 42
1.4.6. Исследование поверхностных датчиков 43
1.4.6.1. Выявление диапазона выходных параметров 44
1.4.6.2. Сравнение характеристик датчиков 45
1.4.6.3. Статические характеристики датчиков 46
1.4.6.4. Температурные характеристики датчиков 60
1.4.6.5. Результаты исследования поверхностных датчиков 61
1.4.7. Экспериментальное исследование макета прибора 64
Выводы по 1 главе 66
Глава вторая. Выбор и исследование измерительной схемы для поверхностных емкостных датчиков уровня топлива
2.1. Емкостно-диодные измерительные цепи 70
2.2. Исследование модернизированной измерительной схемы 71
2.3. Устройство для измерения емкости конденсатора 76
2.4. Исследование измерительной схемы емкостного топливомера 78
Выводы по 2 главе 86
Глава третья. Разработка и исследование макета многоканального датчика уровня топлива
3.1. Разработка макета многоканального датчика уровня топлива 89
3.2. Экспериментальные исследования многоканального датчика уровня топлива
3.3. Разработка двухканального датчика уровня топлива со встроенным образцовым датчиком
3.4 Разработка и исследование модульного датчика уровня топлива 148
3.5. Разработка алгоритма обработки информации многоканального датчика уровня топлива
Выводы по 3 главе 162
Глава четвертая. Оперативная оценка качества топлива
4.1. Методы и приборы для исследования параметров жидких нефтепродуктов
4.2. Допусковый контроль плотности моторного топлива 177
4.3. Емкостные анализаторы детонационной стойкости топлива 181
4.4. Датчик анализатора качества автомобильного топлива 186
4.5. Расчет поплавка датчика анализатора качества топлива 189
4.6. Исследование измерительной схемы емкостного октаномера 191
4.7. Исследование температурных погрешностей емкостного октаномера 196
Выводы по 4 главе 211
Заключение 214
Список литературы 218
Приложения
- Функция преобразования поверхностного емкостного датчика
- Исследование модернизированной измерительной схемы
- Экспериментальные исследования многоканального датчика уровня топлива
- Допусковый контроль плотности моторного топлива
Введение к работе
Оперативный контроль количества и качества топлива, используемого современными транспортными средствами, является актуальной задачей промышленности России - предприятий и организаций, эксплуатирующих транспортные средства и любые технологические системы с использованием двигателей внутреннего сгорания; каждого гражданина, имеющего в своем распоряжении автомобильный транспорт. В настоящее время из нефти вырабатывается более 500 видов продуктов, из них 90-95% — жидкие нефтепродукты (ЖНП), насчитывающие сотни наименований (бензины, дизельные топлива, масла и др.).
X арактерной особенностью сырья, промежуточных и конечных продуктов является то, что они представляют собой многокомпонентные смеси углеводородов и других соединений, содержащие десятки сотен компонентов. Поэтому каждый тип нефтепродукта характеризуется десятками параметров, для измерения которых применяется множество методов и приборов, разнородных по принципу действия (механические, электротепловые, оптические, электрохимические, спектральные, СВЧ и др.).
Топливные баки современных транспортных средств имеют довольно сложную конфигурацию и различные линейные размеры, что затрудняет применение поплавковых уровнемеров. Кроме того, возникла задача не только измерения уровня, но и контроля качества топлива. При эксплуатации транспортных средств в сложных климатических условиях возможна конденсация воды в топливном баке, что грозит выходом из строя двигателя. Задача контроля наличия воды в нефтесодержащих продуктах возникает также при их транспортировке и хранении. При этом качество нефтепродуктов в настоящее время оценивается комплексами характеристик. В тоже время, для управления технологическими процессами или при установлении качества используемого ЖНП обычно используют измерительную информацию об одной или двух характеристиках, входящих в комплекс, значение которых для конкретного процесса наиболее существенно.
Определение химического состава ЖНП - одна из сложнейших аналитических задач, для решения которой используется весь арсенал знаний физики, химии и других наук.' Измерительная информация о составе ЖНП в условиях химико-технологических процессов позволяет однозначно определять качество сырья, промежуточных и конечных продуктов.
' Сложность современных методов и средств автоматического анализа состава многокомпонентных сред, каковыми являются ЖНП, их разнообразие и все время изменяющиеся требования к регламенту химико-технологических процессов определяют тот факт, что во многих случаях еще не найдены удовлетворительные решения задачи анализа состава многокомпонентных сред, главным образом по скорости получения измерительной информации и точности измерений. Также необходимо учитывать, что ЖНП изготавливаются из нефти разных месторождений, и значения их параметров изменяются в широких пределах под влиянием температуры, группового состава и наличия посторонних примесей, т.е. их параметры априорно неопределенны.
Настоящая работа посвящена решению поставленных задач с помощью емкостных методов измерения уровня жидких сред, исследованию емкостно-диодных измерительных цепей, а также разработке и исследованию предлагаемых конструктивных решений датчиков, алгоритмов обработки и сопряжения получаемой информации об уровне топлива в топливных баках.
Приборы, измеряющие объемное или весовое количество топлива в баках транспортных средств, называемые топливомерами, позволяют водителю определить в любой момент, сколько топлива имеется в баках, и оценить время, в течение которого можно продолжать движение, а оператору неподвижных установок, с использованием двигателей внутреннего сгорания, оценить продолжительность времени работы до следующей дозаправки. Одновременно информация о количестве топлива в топливных баках является базовой для расчета расхода топлива по отношению к ожидаемому результату эксплуатации двигателя, например, на преодоление расстояния транспортными средствами или выработку электрической энергии для дизель-генераторных установок.
Большинство методов измерения количества топлива сводится к измерению его уровня. Количество топлива и его уровень связаны между собой функциональной зависимостью, определяемой формой топливного бака. На практике нашли применение следующие методы измерения количества топлива: весовой, гидростатический, поплавковый, акустический, емкостный, индуктивный, резисторный, радиоволновой, радиоизотопный. Рассмотрим эти методы.
Весовой метод
Весовой метод заключается в непосредственном взвешивании бака с топливом с помощью тензодатчиков, которые устанавливаются в местах крепления бака. Вес топлива
GT = P-G6, (1)
где Р - измеренная сила давления на опоры бака; G6 - вес пустого бака.
Гидростатический метод
Метод основан на зависимости гидростатического давления топлива от его уровня. По этому методу могут быть построены три варианта топливомеров -манометрический, барботажный и буйковый.
В манометрическом топливомере дифференциальный датчик давления смонтирован под баком, в нижней его точке, и непосредственно воспринимает давление топлива, преобразуя его в электрический сигнал. Противодавлением служит давление над поверхностью топлива. Измеряемое избыточное давление жидкости пропорционально высоте h ее уровня:
р = hT, (2)
где у - удельный вес топлива.
В барботажном топливомере сквозь трубку, погруженную в бак, продувают с малой скоростью воздух или инертный газ. Сопротивление жидкости создает противодавление р = h-y, измеряемое дифференциальным манометром.
В буйковом топливомере в топливо погружен буек (полый цилиндр), длина которого равна высоте бака. Измеряется выталкивающая сила:
Р = F-h-Y - G0, (3)
где F - площадь поперечного сечения буйка; G0 - вес буйка.
Поплавковый метод
Метод заключается в измерении линейного перемещения плавающего на поверхности топлива поплавка относительно вертикальной направляющей или углового перемещения, связанного с поплавком рычага. Датчик связан с указателем с помощью электрической дистанционной передачи. В настоящее время поплавковые измерители уровня топлива являются самыми массовыми средствами измерения, используемыми для оперативного контроля уровня топлива в топливном баке транспортного средства, выпускаются промышленностью большими партиями и пользуются устойчивым спросом.
Акустический метод
Акустический метод основан на свойстве ультразвуковых колебаний отражаться от границы раздела двух сред. Измерение уровня топлива в баке может осуществляться путем локации сверху или снизу.
В первом случае источник и приемник звука располагаются в верхней точке бака, и измеряется время прохождения звука по воздуху до поверхности топлива и обратно:
t = 2-(H-h)/a, (4)
где Н - общая высота бака; а — скорость звука в воздухе.
Во втором случае источник и приемник звука располагаются в нижней точке бака, и измеряется время прохождения звука по топливу до его поверхности и обратно:
t = 2-h/ar, (5)
где аг - скорость распространения звука в топливе.
Второй способ предпочтительнее, так как ультразвуковые колебания затухают в воздухе значительно быстрее, чем в жидкости.
Емкостный метод
Метод основан на зависимости емкости конденсатора, расположенного в топливном баке, от уровня топлива. Емкость изменяется в связи с тем, что диэлектрическая проницаемость топлива отличается от диэлектрической
проницаемости воздуха. Если жидкость электропроводна, то электроды конденсатора должны быть изолированы.
Индуктивный метод
Метод основан на зависимости индуктивности катушки, расположенной в баке, от уровня топлива. Индуктивность изменяется вследствие изменения электрических потерь в жидкости; эти потери ощутимы в электропроводящих жидкостях, для которых и применим данный метод.
Резисторный метод
Метод основан на зависимости активного сопротивления резистора, расположенного в баке, от уровня топлива. Сопротивление изменяется вследствие шунтирования его топливом. Метод пригоден для измерения уровня электропроводящих жидкостей.
Радиоволновой метод
Радиоволновой метод имеет две разновидности: радиоинтерференционный и резонансный.
Радиоинтерференционный метод основан на зависимости от уровня жидкости положения узлов стоячей электромагнитной волны, возникающей в коаксиальной линии при сложении падающей и отраженной от измеряемого уровня волн.
Резонансный метод основан на зависимости от уровня жидкости собственной частоты полого резонатора, которым служит бак с топливом.
Радиоизотопный метод
Метод основан на изменении интенсивности излучения радиоизотопов в жидкости. Контроль уровня осуществляется одним из двух способов.
Первый способ заключается в просвечивании жидкости с помощью источника гамма-излучения; приемником служит газоразрядный счетчик, измеряющий интенсивность излучения, зависящую от уровня жидкости, или механически перемещающийся вместе с источником вслед за уровнем с помощью следящей системы.
При втором способе источник и приемник излучения находятся по одну сторону бака; источник быстрых нейтронов посылает поток нейтронов по
направлению к баку. При изменении уровня жидкости разница в отражающих свойствах нижней и верхней сред приводит к резкому изменению количества нейтронов, отразившихся от среды и зарегистрированных приемником.
На транспорте широкое применение нашли поплавковые и емкостные топливомеры. Поплавковый тип топливомеров нашел преимущественное применение в автомобильном транспорте, где по существу в настоящее время является отраслевым стандартом, выпускаемым многомиллионными сериями. Конструктивно данный тип топливомера представляет собой поплавок, механически связанный с переменным резистором. При изменении уровня топлива в топливном баке, поплавок, перемещаясь вместе с уровнем топлива, посредством механической связи изменяет сопротивление потенциометра, которое отображается на приборной панели автомобиля.
Несмотря на широчайшее применение, данный тип топливомеров имеет существенные недостатки. Такие, как относительную сложность конструкции, включающей до 50 деталей, соответственно сложность изготовления с применением целого ряда производственных процессов: штамповка, литье пластмассы, механическая обработка, сборка и т.д. Датчик в процессе измерения требует питания источником постоянного тока, хотя и незначительного, обладает инерционностью.
Основным же недостатком является низкая точность данного решения и практически невозможное повышение точности измерения при использовании все более сложных форм топливных баков в транспортных средствах, когда линейное изменение уровня топлива далеко не всегда соответствует изменению его остатка в топливном баке.
В настоящий момент в большинстве случаев водитель лишь приблизительно оценивает количество топлива (с точностью нескольких литров) и принимает решение о безотлагательной заправке в случае сигнализации специализированного индикатора, информирующем о критическом уровне остатка топлива.
К основным достоинствам применяемой конструкции можно отнести высокую надежность данного типа датчика, его независимость от температуры окружающей среды, также как и от химического состава топлива.
Современная автомобильная промышленность становится заложником здорового консерватизма, не используя возможные альтернативные подходы к измерению уровня топлива.
Дополнительно, исключительно важной проблемой при эксплуатации современного транспортного средства является возможность оперативного контроля не только количества, но и, по крайней мере, оценочного (приблизительного) контроля качества используемого топлива. Современный двигатель внутреннего сгорания предъявляет все более высокие требования к качеству используемого топлива, содержанию в нем химических и механических примесей, а также конденсата воды, оказывающего разрушительное влияние на поверхность камеры сгорания двигателя в случае попадания паров влаги в процесс сгорания топлива.
Не лишним будет отметить, что введение в Российской Федерации норм выбросов двигателей внутреннего сгорания, соответствующих европейским нормам Евро-2, а в перспективе и более строгих норм Евро-3 и Евро-4, крайне затруднительно при существующем уровне культуры производства и продажи топлива на рынке. Возможность водителю, по крайней мере, бинарно, оперативно определить качество заливаемого в топливный бак жидкости могла бы стать инструментом защиты двигателя от некачественного топлива, и соответственно, снижения выбросов при сгорании топливных смесей.
Обзор задач, возникающих при конструировании, производстве и эксплуатации современных поплавковых топливомеров, позволяет утверждать, что проблема совершенствования конструкции датчика топливомера, улучшение его качественных показателей, таких как точность и надежность, а также расширения функциональных возможностей топливомеров является актуальной. Анализ теоретических и внедренных способов решения задачи оперативного измерения количества и качества топливной смеси непосредственно в топливном баке транспортного средства, для дальнейшего
11 использования полученной информации в системах контроля и управления транспортными средствами, показал возможность использования емкостной схемы построения датчика и совершенствования функциональных показателей датчика топливомера.
Поэтому в данной диссертационной работе разрабатываются ^ и исследуются емкостные датчики для измерения уровня топлива и оперативной оценки его качества. Использование в приборах измерения уровня топлива емкостных датчиков может предоставить следующие ожидаемые преимущества:
Упрощение механической конструкции измерительного прибора.
Упрощение технологии производства измерительных приборов с использованием предлагаемых датчиков, за счет снижения числа производственных операций и уменьшения количества деталей изделия.
Повышение точности измерения прибора с одновременным повышением уровня его помехозащищенности от внешних воздействий. Сокращение времени проведения измерений и уменьшение инертности, свойственной используемым в настоящее время поплавковым системам.
Упрощение сопряжения датчиков с приборами отображения информации за счет аналого-цифровой обработки выходного сигнала и разработки алгоритмов интерпретации выходной информации датчиков.
Расширение функциональных возможностей измерителей' уровня топлива, позволяющих, кроме информации о количестве топлива в топливном баке, получать оценочную информацию о его качестве, особенно о наличии в топливной смеси воды.
Представление возможности использования предлагаемых датчиков для измерения уровня топлива химически агрессивного состава.
Целью работы является разработка и исследование топливомера на основе емкостных датчиков уровня топлива, его измерительной схемы и ее
сопряжения с внешними устройствами, и алгоритмов обработки информации микропроцессорными контролерами, бортовыми ЭВМ транспортных средств, устройствами отображения и сигнализации.
Эта цель достигается решением следующих основных задач:
Получение функции преобразования -для информативной составляющей выходной емкости датчика с различными формами электродов конденсатора.
Разработка конструктивных вариантов исполнения емкостного датчика уровня топлива, состоящего из электродов конденсатора, находящегося внутри диэлектрика, а измеряемая жидкость - снаружи, предназначенного для решения задачи измерения уровня топливной смеси в баке транспортного средства и оперативного контроля ее качества.
Исследование факторов, влияющих на чувствительность и погрешности емкостного датчика уровня топлива, с целью обоснования формы электродов конденсатора для повышения чувствительности и помехозащищенности датчика.
Выбор и обоснование измерительных схем для емкостных датчиков уровня топлива, обладающих высокой чувствительностью, стабильностью характеристик и малыми габаритами.
Разработка структурных схем сопряжения с различными внешними устройствами и алгоритмов сбора и обработки информации.
Основные положения, выносимые на защиту:
Функция преобразования для информативной составляющей выходной емкости емкостного датчика уровня топлива и основных конструктивных вариантов его реализации.
Результаты исследования чувствительности, погрешностей емкостного датчика и обоснование формы его электродов для повышения чувствительности и помехозащищенности.
Результаты выбора и обоснования измерительных схем для емкостных датчиков -уровня топлива.
4. Структурные схемы сопряжения емкостных датчиков уровня топлива с внешними устройствами и алгоритмы обработки информации для различных задач применения, включая оперативную оценку качества топлива.
Результаты работы использованы в хоздоговорных НИР, проводимых кафедрой «Измерительно-вычислительные комплексы» Ульяновского государственного технического университета совместно с ОАО «Электроприбор» г. Чебоксары, а также при изготовлении опытных образцов товарной продукции на ОАО «Электроприбор» г. Чебоксары.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в Ульяновском государственном техническом университете, ОАО «Электроприбор», а также на межрегиональной научно-практической конференции Приволжского региона (г. Москва, 2006 г.).
Приоритет основных технических решений, разработанных в данной работе, защищен патентом РФ №2302617, 2007г.
Результаты исследований использованы на ОАО «Электроприбор» г. Чебоксары для изготовления макетных и опытных образцов дипольных емкостных топливомеров с расширенными функциональными возможностями.
Функция преобразования поверхностного емкостного датчика
Для уменьшения влияния указанных выше негативных факторов и имеющихся ограничений предлагается конструкция поверхностного датчика [87], в котором электроды конденсатора находятся внутри диэлектрика, а измеряемая жидкость - снаружи (рис. 1.2).
При расчете таких датчиков можно использовать математическую модель электрического диполя [92]. Положим, что на пластине 1 сосредоточен точечный заряд -q, а на пластине 2 - точечный заряд +q. Прямая, проходящая через оба заряда, называется осью диполя. Вычислим потенциал и напряженность поля диполя. Положение точки, в которой определяется поле диполя, характеризуется радиус-вектором г, или в полярной системе координат гиб (рис. 1.3). Введем вектор 1, проведенный от отрицательного заряда к положительному. Положение заряда +q относительно центра диполя определяется вектором а, заряда -q - вектором -а. Из рисунка 1.3 следует, что 1 = 2а.
Чтобы найти напряженность поля диполя, вычислим проекции вектора Е на два взаимно перпендикулярных направления. Одно из них определяется движением точки, вызванным изменением расстояния г (при фиксированном 0), второе - движением точки, обусловленным изменением угла 0 (при фиксированном г, рис. 1.3).
Электростатическое поле графически изображают при помощи силовых линий (линий напряженности Е) и эквипотенциальных поверхностей (геометрического места точек с одинаковыми потенциалами). Вокруг любых источников электростатического поля можно провести бесконечное множество эквипотенциальных поверхностей. Обычно их проводят так, чтобы разности потенциалов между любыми двумя соседними эквипотенциальными поверхностями были одинаковыми. В каждой точке эквипотенциальной поверхности вектор напряженности поля перпендикулярен к ней и направлен в сторону убывания потенциала. Примером эквипотенциальной поверхности является поверхность заряженного проводника. На рисунке 1.4 изображено плоское сечение электростатического поля диполя. Пунктиром показаны силовые линии (Е), сплошными линиями - сечение эквипотенциальных поверхностей. Для получения наглядных картин электрических полей используется ориентирующее действие электрического поля на диполь. Из металлической фольги вырезают модели электродов и наклеивают их на дно стеклянного сосуда. В сосуд наливают вязкую непроводящую жидкость и насыпают мелкие частицы.
Рассмотренное распределение напряженности поля диполя в вакууме можно использовать при расчете предложенного поверхностного датчика емкостного уровнемера с учетом диэлектрической проницаемости вещества (вместо е0 в расчетных формулах учитывается є0 є, где є - диэлектрическая проницаемость вещества).
Макет емкостного дипольного датчика Параметры макета: ширина электродов W = 5 мм, зазор между электродами d = 5 мм, толщина электродов t = 0.05 мм, длина среднего электрода L= 117 мм. Толщина стеклотекстолита 2 мм. Две пластины стеклотекстолита склеены эпоксидным клеем "ЭПД" таким образом, что в сечении макет датчика аналогичен рис. 1.2. При этом Ъ\ = Ъ2 = 2 мм. Электрическая емкость измерялась цифровым мостом Е7-8 №2530, точность измерения - 0.01 пф.
Измерения межэлектродной емкости дипольного датчика уровня жидкости проводились при температуре 20С в двух средах: в воздухе и в дизельном топливе. Диэлектрическая проницаемость воздуха єв=1, диэлектрическая проницаемость дизельного топлива єг=1.9. После проведения исследований макет был доработан путем снятия слоя диэлектрика (с той и другой стороны, bi = b2 = 1 мм).
Исследование модернизированной измерительной схемы
Исследовалась измерительная схема рис.2.2. Исследование измерительной схемы выполнялось путем ее моделирование в программной системе проектирования OrCAD 9.2. Подготовка измерительных схем для моделирования выполнялась с помощью пакета Pspice Shematic, а задания на моделирование заносилось в текстовые файлы программы Pspice. 1 Моделирование проводилось на частоте 500 кГц, напряжении питания +9.999 В, скважности 2.
Исследования моделированием в пакете PSpice схемы рис.2.2 показали приемлемые результаты для емкостных измерителей углового и линейного перемещения объекта, наличия воды в нефтесодержащих продуктах, уровня и качества топлива.
С увеличением сопротивления Ri чувствительность падает. Сравнение таблиц 2.1 и 2.2 (рис.2.3, 2.4) показывает, что смещение рабочей точки, за счет изменения значения емкости Сі, позволяет использовать и отрицательный участок характеристики. При этом несколько увеличивается чувствительность и значительно уменьшается нелинейность.
Характеристика имеет инвариантную к Ri зону: в окрестностях измеряемой емкости 13 пФ выходной сигнал практически не зависит от значения этого сопротивления. Такой эффект можно использовать, например, при построении октаномера.
Ограничение по диапазону измеряемой емкости объясняется тем, что выходной сигнал снимается с диодов, которые в данном случае являются ограничителем сигнала. Прямое падение напряжения на диодах Db D2 ограничивает обратное напряжение на диодах D3, D4 и наоборот, прямое падение напряжения на диодах D3, D4 ограничивает обратное напряжение на диодах Di, D2.
Устройство для измерения емкости конденсатора [83] Для расширения диапазона измерения и получения возможности размещения измеряемых емкостей на значительном расстоянии друг от друга (что важно при измерении угловых и линейных перемещений объектов), в схему рис.2.2 добавлен еще один накопительный конденсатор и резистор в цепи разряда измеряемой емкости.
Источник переменного тока напряжением U подсоединен к точкам 1 и 2 измерительной схемы через разделительный конденсатор Сз- Конденсатор Сх, емкость которого измеряется, подключен к точкам 1 и 2 через диод Di. Накопительный конденсатор Сі подсоединен к точкам 1 и 2 через резистор Rb а к конденсатору Сх - через диод D2. Образцовый конденсатор Со, емкость которого известна, подключен к точкам 1 и 2 через диод D3. Второй накопительный конденсатор Сг подсоединен к точкам 1 и 2 через резистор R.2, а к конденсатору Со - через диод D4.
К точкам 1 и 2 подсоединен также фильтр нижних частот, состоящий из последовательно соединенных резистора R3 и конденсатора С4. Параллельно конденсатору С4 включено сопротивление нагрузки R4, с которого и снимается выходной сигнал \]вык. При положительной полярности напряжения U (указанной на рис.2.6 без скобок) открывается диод D3 и конденсатор Со заряжается до напряжения Uc0, которое определяется значением С0.
При изменении направления U (полярность указана на рис.2.6 в скобках) будет протекать ток заряда конденсатора Сг по цепи: точка 2, конденсатор Со, диод D4, конденсатор Сз, точка 1. При этом конденсатор Сг зарядится до напряжения Uc2 = U + Uc0 так как источник напряжения U и конденсатор С0 оказались включенными последовательно и согласно. Аналогичным образом напряжение на конденсаторе Сі равно Uci= U + Ucx (где UCx определяется значением Сх), но полярность Uci противоположна полярности Uc2 Конденсатор Сі разряжается по цепи R3, R4, Ri, а конденсатор С2 - по цепи R2, R4, R3. Таким образом, токи разряда конденсаторов Сі и Сі протекают через сопротивление нагрузки R4 встречно, и выходной сигнал ивЫх будет пропорционален разности напряжений Uci и Uc2, т.е. в конечном счете, пропорционален разности емкостей конденсаторов Сх и Со В схеме сохраняется шунтирующее действие пар диодов Db D2 и D3, D4, но так как сопротивления резисторов Ri, R2 намного больше прямого сопротивления диодов, причем для шунтирующих токов резисторы Rb R2 оказываются включенными последовательно, то это действие намного меньше, чем в схеме рис.2.2.
Для подтверждения результатов исследования измерительных схем их моделированием в системе PSpice системы проектирования OrCAD 9.2 исследования измерительной схемы емкостного цилиндрического датчика проводились экспериментально. Контрольные приборы и оборудование: генератор импульсов точной амплитуды Г5-75, цифровой вольтметр В7-34А, измеритель добротности Е9-4. Исследования проводились на частотах 1-200 кГц, при напряжении питания +9.999 В, скважности 2. Вольтметр В7-34А установлен на измерение напряжения постоянного тока, предел 10 В.
В качестве Сх использовалась образцовая переменная емкость измерителя добротности Е9-4. Диоды DrD4 типа 2Д522Б, Сі = С2 = С3 = 68 нФ; С4 = 2.2 мкФ; R3 = 10 кОм; R4 = 680 кОм; С0 = 171 пФ.
Экспериментальные исследования многоканального датчика уровня топлива
Система работает следующим образом. Генератор Г вырабатывает импульсы положительной полярности амплитудой Un=9.999 В, скважностью 2, частотой f, которые через конденсаторы 68 нФ поступают на измерительные схемы датчиков Ді-Д . Выходные сигналы датчиков зависят от измеряемых величин Х1-Х4 (уровня и состава жидкости) и имеют постоянные и переменные составляющие. Постоянные составляющие выделяется фильтрами Ф]-Ф4 (Uj-U4) и измеряются аналого-цифровым преобразователем платы L-305. Работой платы L-305 управляет ЭВМ. Плата L-305 [100] является быстродействующим устройством для ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в персональных IBM-совместимых компьютерах. В состав L-305 входит сигнальный процессор фирмы Analog Devices ADSP-2105. Плата позволяет: 1) осуществлять многоканальный ввод с аналоговых входов с частотой 300 кГц на канал; 2) осуществлять асинхронный ввод с аналоговых входов; 3) управлять цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП); 4) осуществлять ввод в трех режимах - в программном, прямого доступа к памяти (ПДП) и генерации прерываний IRQ; 5) управлять цифровыми линиями в асинхронном режиме. На плате имеется встроенный в процессор счетчик-таймер, при помощи которого можно осуществлять синхронный ввод-вывод с аналоговых каналов. После инициализации платы межканальная задержка устанавливается равной 4 мкс.
В программном обеспечении платы L-305 имеется библиотека подпрограмм. Для вызова функций из языка Паскаль необходимо: - загрузить управляющую программу Lbios (в командной строке набрать LOADBIOS.EXE LBIOS011); - создать файл с будущей программой (например, example.pas); - добавить в список используемых библиотек модуль lbiospas.tpu (uses..., lbiospas,...); - теперь можно писать программу и в любом месте вызывать функции из библиотеки Lbiosdrv.obj. Ниже приведены примеры программ для работы с АЦП L-305. Установка номера канала АЦП { SetChannel } Назначение: устанавливает канал АЦП Channel для последующего ввода функцией однократного асинхронного ввода Sample (). Формат вызова: procedure SetChannel (Channekinteger); Параметры: Channel - номер канала АЦП. Однократный асинхронный ввод с АЦП { Sample } Назначение: осуществляет аналого-цифровое преобразование с канала АЦП, предварительно установленного при помощи процедуры SetChannel. Параметры отсутствуют. Uses lbiospas, crt; Var n: integer; begin ClrScr; \Л/пЧе( Выберите номер канала ); ReadLn(n); Delay(100); repeat SetChannel(n); {установка выбранного канала АЦП} GotoXY(1,2); \Л/пЧе1л( Значение, считанное с канала , п, , равно , Sample 5.12 / 2048 : 2 : 2, вольт ); {вывод значения с канала на экран} until keypressed; end. Однократный ввод с переустановкой канала АЦП { AdChan } Назначение: устанавливает заданный канал АЦП и осуществляет аналого-цифровое преобразование. Данная функция удобна для осуществления асинхронного ввода с разных каналов АЦП. Возвращает результат преобразования по каналу Channel . Формат: function AdChan (Channel:integer); Параметры: номер канала АЦП. Uses lbiospas, crt; Var n: integer; begin CIrScr; \Л/пЧе( Выберите номер канала ); ReadLn(n); Delay(100); repeat GotoXY(1,2); \Л/гіїеІ_п( Значение, считанное с канала , n, , равно , AdChan(n) 5.12 / 2048 : 2: 2, вольт ); {вывод значения с канала п на экран} until keypressed; end. Однократный ввод последовательности каналов АЦП { Kadr ()}.
Допусковый контроль плотности моторного топлива
Контроль плотности жидкости необходимо проводить при исследованиях различных свойств жидкостей, а также в промышленности в технологических процессах при изготовлении жидкостей, в автомобильном транспорте, в частности для определения марки автомобильного топлива. Плотностью р вещества называют физическую величину, определяемую отношением массы m вещества к занимаемому им объему V: р = m/V, [ед. массы]/[ед. объема]. (4.1) Плотность жидкостей уменьшается с увеличением температуры. В некоторых случаях используется понятие относительной плотности. Относительную плотность жидкости принято выражать отношением ее плотности, взятой при нормальной температуре (20С), к плотности дистиллированной воды при температуре 4С и обозначать p2Y
В технике по отношению к неоднородным (например, сыпучим) телам пользуются понятием объемной плотности. Объемной плотностью называется масса единицы объема данного вещества. Средства измерений плотности часто называют плотномерами или денсиметрами. Для измерения плотности в настоящее время применяются плотномеры весовые, поплавковые, гидроаэростатические, радиоизотопные, акустические и др. [103] .
Для построения портативного измерителя плотности наибольший интерес представляют поплавковые плотномеры. Изменение выталкивающей силы, действующей на поплавок, при прочих постоянных условиях, пропорционально изменению плотности жидкости. Однако существующие поплавковые плотномеры имеют достаточно сложную конструкцию и относительно низкую производительность операции контроля плотности жидкости.
Предлагается конструкция портативного плотномера с высокой производительностью и повышенной чувствительностью, приведенная на рис.4.1 [86]. Устройство содержит емкость 1 для жидкости с входным отверстием 2. Емкость 1 для жидкости разделена вертикальными перегородками 3 на сообщающиеся полости 4, имеющие верхние упоры 5 и нижние упоры 6.
В каждой из сообщающихся полостей 4 размещены поплавки 7-Ї-12 с различными калиброванными значениями объемной плотности; которые образуют шкалу контролируемой плотности жидкости, а указателем служит вертикальная перегородка 3 между смежными затонувшим и всплывшим поплавками, причем разность объемных плотностей двух соседних поплавков равна полю допуска плотности исследуемой жидкости. Все поплавки 7-І-12 изготовлены, например, из алюминия, и имеют внутри воздушные полости.
Поплавки 7 12 могут иметь простую геометрическую форму, например, цилиндрическую, что позволяет достаточно точно определить их объем, а их масса определяется с большой степенью точности путем взвешивания, т.е. поплавки 7 12 изготовлены с калиброванным значением объемной плотности.
С помощью соотношения (4.5) можно осуществить пересчет плотности жидкости, измеренной при одной температуре, например Х.г, к плотности при номинальной температуре tb например 20С. В тех случаях, когда необходимо измерить плотность как физическую величину, например для определения массового расхода или массы жидкости на основе информации об объемном расходе или его объеме и плотности, измерение плотности должно проводиться при фактической температуре измеряемой жидкости.
Устройство работает следующим образом. В емкость 1 через входное отверстие 2 заливается исследуемая жидкость. Те поплавки, у которых объемная плотность меньше плотности исследуемой жидкости, всплывут и окажутся у верхних упоров 5, а те поплавки, у которых объемная плотность больше плотности жидкости, окажутся у нижних упоров 6. Вертикальная перегородка 3 между смежными затонувшим и всплывшим поплавками укажет на значение плотности исследуемой жидкости с полем допуска, равным разности объемных плотностей затонувшего и всплывшего поплавков.
Так, например, если в качестве исследуемой жидкости взять автомобильное топливо, то по значению его плотности легко определить марку автомобильного топлива. Так как автомобильное топливо имеет ограниченную номенклатуру, то количество калиброванных поплавков тоже будет ограничено, при этом каждый из них может быть помечен маркой автомобильного топлива. Для практических целей достаточно иметь 54-10 поплавков, чтобы точно определить марку топлива.
Материал электродов на технические характеристики датчика практически не оказывает влияния и может выбираться из условия коррозионной стойкости, эксплуатационных и производственных требований. Зазор между электродами выбирается из условия меньшего влияния вязкости топлива и загрязнения поверхности диэлектрика. В данной работе он выбирался в пределах 2.5 -6 мм. Практически на относительное изменение показаний датчика зазор оказывает малое влияние. С эксплуатационной же точки зрения лучше выбрать зазор в пределах 3 6 мм.
Диаметр электродов и их длина на технические характеристики оказывают малое влияние, но с эксплуатационной, производственной точки зрения лучше выбирать большие размеры, так как в этом случае абсолютное изменение емкости датчика больше. Например, датчик №9 имеет изменение емкости для АИ-98 и А-76 порядка 1 пФ, датчик №7 - 0.46 пФ, а датчик №2 - 0.23 пФ. На показания датчика №1 с малой длиной рабочей части и датчика №3 с изолятором из материала АГ большое влияние оказывает емкость самих изоляционных прокладок, поэтому здесь относительное изменение емкости меньше, чем для других датчиков. Исследования показали необходимость экранирования внутреннего электрода с торцевых поверхностей.
На базе датчика №8 был разработан опытный образец емкостного датчика октаномера с экранированными электродами и четырехпроводным подключением к цифровому мосту Е7-8.
Конструкция такого датчика приведена на рис.4.3, где приняты следующие обозначения: 1 - наружный электрод, 2 - стеклянный изолятор-гермоввод, 3 -внутренний электрод, 4 - нижний фторопластовый изолятор, 5 - фиксатор-экран, 6 - держатель-изолятор, 7 - внешний экран, 8 — отметка верхнего уровня заполнения датчика топливом, 9 - герметизирующий держатель-изолятор.
Похожие диссертации на Разработка и исследование поверхностных емкостных датчиков для измерения уровня топлива
