RU2488783C1 - Method for determining level of dielectric substance - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: sine voltage is shaped on a capacitance level sensor; complex current is measured through a dry capacitance level sensor and complex current is measured through the capacitance level sensor being filled. The first equivalent circuit of the capacitance level sensor is set, which consists of parallel connected electric capacity and active resistance, formation of sine voltage on the capacitance level sensor is performed at two frequencies; after that, series measurement of complex current through dry level sensor and a reference on each of two frequencies is performed; at that, measurement results are fixed; electric capacity of the dry level sensor is determined and fixed; increment of electric capacity of the capacitance level sensor is calculated and fixed at its full submersion in dielectric substance. Relative filling of capacitance level sensor with dielectric substance is determined as difference of values of electric capacity of the capacitance level sensor being filled and electric capacity of dry capacitance level sensor, which is referred to increment of electric capacity of the capacitance level sensor fully submerged into dielectric substance. The second equivalent circuit of capacitance level sensor is set, which consists of in-series connected electric capacity and active resistance, and as per complex currents measured and fixed before through the capacitive level sensor and the reference on each of two specified frequencies there determined and fixed is in-series connected electric resistance of chains of the level sensor, as per which reliability of determination of dielectric substance level is evaluated.

EFFECT: excluding measurement results of the level, which occur as a result of failure in a long communication line between a sensor and measuring equipment.

4 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах, транспортных средствах, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники.The invention relates to electrical engineering, and specifically to measuring the electrical parameters of two-terminal devices used as sensors for physical processes (temperature, pressure, level of liquid and granular media, etc.) at industrial facilities, vehicles, as well as in systems for measuring the level of refueling space technology.

Близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому способу является способ измерения уровня диэлектрического вещества, описанный в книге "Емкостные самокомпенсированные уровнемеры" авторов К.Б.Карандеева, Ф.Б.Гриневича, Л.И.Новика, Москва: издательство "Энергия", 1966, с.28. (1, 2)Close in technical essence and the achieved positive effect to the claimed method is the method of measuring the level of dielectric substance described in the book "Capacitive self-compensated level gauges" authors K. B. Karandeyev, F. B. Grinevich, L. I. Novika, Moscow: publishing house "Energy ", 1966, p. 28. (12)

Способ определения уровня диэлектрического вещества заключается в формировании синусоидального напряжения на емкостном датчике уровня, измерении комплексного тока через сухой емкостной датчик уровня и измерении комплексного тока через заполняемый емкостной датчик уровня.A method for determining the level of a dielectric substance is to generate a sinusoidal voltage on a capacitive level sensor, measure the complex current through a dry capacitive level sensor, and measure the complex current through a capacitive level sensor.

В представленном аналоге способ измерения уровня диэлектрической жидкости базируется на сложении токов датчиков, которое осуществляется при помощи тесно связанных индуктивных плеч моста на суммирующем измерительном трансформаторе. Причем коэффициент, с которым ток входит в общую сумму, определяется числом витков плеча, а знак коэффициента - направлением включения обмотки этого плеча. Условием равновесия измерительной схемы является равенство нулю суммы всех токов, протекающих через датчики. Отношение числа витков тесно связанных индуктивных плеч определяет относительное заполнение (уровень) емкостного датчика уровня диэлектрическим веществом.In the presented analogue, the method of measuring the level of dielectric liquid is based on the addition of sensor currents, which is carried out using closely connected inductive arms of the bridge on a summing measuring transformer. Moreover, the coefficient with which the current is included in the total amount is determined by the number of turns of the shoulder, and the sign of the coefficient is determined by the direction of turning on the windings of this shoulder. The equilibrium condition of the measuring circuit is the equality to zero of the sum of all currents flowing through the sensors. The ratio of the number of turns of closely connected inductive arms determines the relative filling (level) of the capacitive level sensor with a dielectric substance.

При использовании аналога для определения уровня диэлектрического вещества с помощью емкостного датчика уровня, удаленного на достаточно большое расстояние (до 400 метров) от средства измерения, получается результат с высокой степенью погрешности. Низкая технологичность и точность измерения прототипа обусловлена следующим:When using an analogue to determine the level of a dielectric substance using a capacitive level sensor remote at a sufficiently large distance (up to 400 meters) from the measuring instrument, a result is obtained with a high degree of error. Low manufacturability and accuracy of measurement of the prototype is due to the following:

- способ-аналог не обладает полной инвариантностью по отношению к длинной линии связи между средством измерения и емкостным датчиком уровня, т.е. не исключает влияния длинной линии связи на результат определения уровня;- the analogue method does not have complete invariance with respect to the long communication line between the measuring means and the capacitive level sensor, i.e. does not exclude the influence of a long communication line on the level determination result;

- аналог измеряет комплексные токи через емкостные датчики уровня, которые не учитывают значения параметров диэлектрических веществ (диэлектрические проницаемости вещества и газовой среды над веществом, включая их температуру, изменение геометрических размеров емкостных датчиков уровня из-за воздействия на них криогенных температур). Исходя из этого перед технологическим процессом заправки требуется предварительная ручная настройка средства измерения на заданные параметры жидкости и датчика при определении уровня заправки, для каждого датчика индивидуально;- the analogue measures complex currents through capacitive level sensors that do not take into account the values of the parameters of dielectric substances (permittivity of the substance and the gas medium above the substance, including their temperature, change in the geometric dimensions of capacitive level sensors due to the effect of cryogenic temperatures on them). On this basis, prior to the refueling process, preliminary manual adjustment of the measuring instrument to the specified parameters of the liquid and the sensor is required when determining the level of refueling, for each sensor individually;

- относительно низкое быстродействие способа измерения (до 10 сек) на измерение. Это связано с конструктивным исполнением мостового средства измерения, представляющего собой следящую систему, которая уравновешивается как по активной, так и но реактивной составляющим комплексного сопротивления емкостного датчика. А так как процесс заправки ракеты непрерывный, то низкое быстродействие процесса измерения уровня вносит дополнительную погрешность.- relatively low speed measurement method (up to 10 seconds) per measurement. This is due to the design of the bridge measuring instrument, which is a tracking system that is balanced by both the active and reactive components of the complex resistance of the capacitive sensor. And since the rocket refueling process is continuous, the low speed of the level measurement process introduces an additional error.

Таким образом, недостатками аналога являются:Thus, the disadvantages of the analogue are:

- низкая точность определения уровня на достаточно удаленном от средства измерения емкостном датчике уровня;- low accuracy of determining the level at a sufficiently remote capacitive level sensor;

- низкое быстродействие способа измерения, связанное с процессом уравновешивания моста;- low speed measurement method associated with the process of balancing the bridge;

- низкая технологичность определения уровня, связанная предварительной ручной настройкой средства измерения на заданные параметры заправки. Наличие человеческого фактора в технологии определения уровня вносит также дополнительную погрешность в точность его определения.- low adaptability to determine the level associated with preliminary manual adjustment of the measuring instrument to the specified parameters of the filling. The presence of the human factor in the technology for determining the level also introduces an additional error in the accuracy of its determination.

Однако специфика эксплуатации изделий ракетно-космической техники для проведения измерения параметров двухполюсников выставляет свои требования, способствующие поиску новых технических решений в области измерений. Обозначим наиболее характерные из них:However, the specifics of the operation of rocket and space technology products for measuring the parameters of bipolar sets its own requirements, contributing to the search for new technical solutions in the field of measurements. Denote the most characteristic of them:

- удаленность до 400 метров объекта измерения от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика контроля уровня заправки, вмонтированного в бак ракеты, которая находится в испытательном корпусе или на стартовом комплексе во время ее заправки компонентами топлива;- remoteness up to 400 meters of the measuring object from the measuring instrument. An example of this is the process of determining the parameters of the complex resistance of a capacitive sensor for monitoring the level of a gas station mounted in a rocket tank, which is located in the test building or on the launch complex during its refueling with fuel components;

- высокая точность измерения параметров удаленного двухполюсника, коим является емкостной датчик уровня. Очевидно, что точность измерения напрямую связана с объемом гарантийных запасов топлива на борту ракеты. Чем выше точность, тем меньше гарантийные запасы топлива, тем выше эффективность ракеты, позволяющей вывести большую полезную нагрузку;- high accuracy in measuring the parameters of a remote two-terminal device, which is a capacitive level sensor. Obviously, the accuracy of the measurement is directly related to the volume of guaranteed fuel reserves on board the rocket. The higher the accuracy, the lower the guaranteed fuel reserves, the higher the efficiency of the rocket, allowing to bring a large payload;

- требование высокой технологичности подготовки ракеты, исключающее процедуру предварительной настройки аппаратуры измерения человеком-оператором, а также позволяющее проводить работу одного средства измерения с несколькими емкостными датчиками уровня ракеты поочередно;- the requirement of high adaptability of rocket preparation, excluding the procedure for pre-setting the measuring equipment by a human operator, as well as allowing the operation of one measuring instrument with several capacitive rocket level sensors in turn;

- высокое быстродействие определения параметров двухполюсника, позволяющее расширить функциональные возможности способа измерения и использовать его аналогичным образом в уровнемере бортовой терминальной системы автоматического управления, которой является система управления расходом топлива ракеты.- high speed of determining the parameters of the two-terminal network, which allows to expand the functionality of the measurement method and use it in a similar way in the level gauge of the on-board terminal automatic control system, which is the rocket fuel consumption control system.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому способу - прототипом является способ измерения уровня диэлектрического вещества, описанный в патенте №2262669, МПК: G01F 23/26, G01R 17/00 авторов Балакина С.В, Долгова Б.К. (3). В указанном способе формируют синусоидальное напряжение на емкостном датчике уровня, измеряют комплексный ток через сухой емкостной датчик уровня и измеряют комплексный ток через заполняемый емкостной датчик уровня. Задают схему замещения емкостного датчика уровня, состоящую из электрической емкости и активного сопротивления включенных параллельно. Формирование синусоидального напряжения на емкостном датчике уровня производят на двух частотах, после чего производят последовательно измерение комплексного тока через. сухой датчик уровня и эталон на каждой из двух частот, причем результаты измерения фиксируют, определяют и фиксируют электрическую емкость сухого датчика уровня, вычисляют и фиксируют приращение электрической емкости емкостного датчика уровня при полном его погружении в диэлектрическое вещество. Периодически производят последовательное измерение и фиксацию комплексного тока через заполняемый диэлектрическим веществом емкостной датчик уровня и эталон на каждой из двух заданных частот, для каждого периодического измерения определяют и фиксируют электрическую емкость емкостного датчика уровня, затем определяют относительное заполнение диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня как разность значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика уровня и электрической емкости сухого емкостного датчика уровня, отнесенную к приращению электрической емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество емкостного датчика уровня.The closest in technical essence and the achieved positive effect to the claimed method - the prototype is a method for measuring the level of dielectric substance described in patent No. 2262669, IPC: G01F 23/26, G01R 17/00 authors Balakina S.V., Dolgova B.K. (3). In this method, a sinusoidal voltage is generated on a capacitive level sensor, the complex current is measured through a dry capacitive level sensor and the complex current is measured through a capacitive level sensor. Set the equivalent circuit of the capacitive level sensor, consisting of an electric capacitance and active resistance connected in parallel. The formation of a sinusoidal voltage on a capacitive level sensor is carried out at two frequencies, after which the complex current is measured successively through. a dry level sensor and a reference at each of two frequencies, and the measurement results fix, determine and fix the electric capacitance of the dry level sensor, calculate and fix the increment of the electric capacitance of the capacitive level sensor when it is completely immersed in the dielectric substance. The complex current is measured and fixed periodically through a capacitive level sensor filled with a dielectric substance and a standard at each of two preset frequencies; for each periodic measurement, the capacitance of the capacitive level sensor is determined and fixed, then the relative filling of the capacitive level sensor with dielectric material is determined as the difference capacitance of a capacitive capacitive level sensor and electric capacitance of a dry capacitive sensor ur vnya, referred to the increment of the capacitance is fully immersed in the dielectric material of the capacitive level sensor.

При определении уровня диэлектрического вещества с помощью емкостного датчика уровня, удаленного на достаточно большое расстояние (до 400 метров) от средства измерения, получаемый результат имеет малую погрешность. Вычисление параметров сухого и заполняемого диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня, а также вычисление приращения емкости датчика уровня при его полном погружении в диэлектрическое вещество, обеспечивается в одинаковых условиях наличия длинной линии. Это дает возможность учитывать влияние длинной линии в результате обоих вычислений при автоматической настройке средств измерений. А совокупность признаков, обеспечивающих определение относительного заполнения диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня, как разность значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика уровня и электрической емкости сухого емкостного датчика уровня, отнесенную к приращению электрической емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество емкостного датчика уровня, позволяет почти полностью исключить влияние длинной линии на результат определения относительного заполнения датчика уровня. Тем не менее, влияние длинной линии электрических соединительных цепей связи между датчиком и измерительной аппаратурой остается. Особенно это относится к случаям, когда параметры длинной линии значительно меняются прямо в процессе штатной работы (Практика показывает, что такой вариант случается нередко, так как линия связи проходит по ферме на открытом воздухе). В этом случае может возникнуть существенная погрешность при измерении основного параметра-уровня диэлектрического вещества. А это может иметь серьезные последствия, например недозаправку топлива для вывода РН на целевую орбиту.When determining the level of a dielectric substance using a capacitive level sensor remote at a sufficiently large distance (up to 400 meters) from the measuring instrument, the result obtained has a small error. The calculation of the parameters of a dry and filled with a dielectric substance capacitive level sensor, as well as the calculation of the increment of the capacitance of the level sensor when it is completely immersed in the dielectric substance, is provided under the same conditions of a long line. This makes it possible to take into account the influence of a long line as a result of both calculations in the automatic setup of measuring instruments. A set of features that determine the relative filling of a capacitive level sensor with a dielectric substance, as the difference between the electric capacitance of a filled capacitive level sensor and the electric capacitance of a dry capacitive level sensor, related to the increment of the electric capacitance of a capacitive level sensor completely immersed in the dielectric material, can almost completely eliminate the effect long line on the result of determining the relative filling of the level sensor. However, the effect of a long line of electrical connection circuits between the sensor and the measuring equipment remains. This is especially true in cases where the parameters of a long line change significantly during regular operation (Practice shows that this option often happens, since the communication line passes through the farm in the open air). In this case, a significant error may arise when measuring the main parameter-level of the dielectric substance. And this can have serious consequences, for example, fuel refueling to launch the launch vehicle into the target orbit.

Из ранее сказанного видно, что недостатком прототипа является существенное влияние длинной линии связи на результат определения уровня в случае, когда параметры длинной линии значительно меняются непосредственно в процессе штатной работы.It can be seen from the foregoing that the disadvantage of the prototype is the significant influence of a long communication line on the result of determining the level in the case when the parameters of the long line significantly change directly during regular operation.

Задачей предлагаемого способа определения уровня диэлектрического вещества является повышение надежности его определения, заключающееся в исключении неправильных результатов определения уровня диэлектрического вещества, которые могут возникнуть из-за изменения электрического сопротивления длинной линии связи, возникающего при плохом контакте в соединителях, при обрывах токопроводящих жил, на «холодных» пайках, при попадании влаги и по ряду других причин.The objective of the proposed method for determining the level of dielectric substance is to increase the reliability of its determination, which consists in eliminating incorrect results of determining the level of dielectric substance, which can occur due to changes in the electrical resistance of a long communication line that occurs due to poor contact in the connectors, during breaks in conductive conductors, by " cold rations, in case of moisture and for a number of other reasons.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения уровня диэлектрического вещества, заключающемся в формировании синусоидального напряжения на емкостном датчике уровня, измерении комплексного тока через сухой емкостной датчик уровня и измерении комплексного тока через заполняемый емкостной датчик уровня, задании первой схемы замещения емкостного датчика уровня, состоящей из параллельно включенных электрической емкости и активного сопротивления, формирование синусоидального напряжения на емкостном датчике уровня производят на двух частотах, после чего производят последовательно измерение комплексного тока через сухой датчик уровня и эталон на каждой из двух частот, причем результаты измерения фиксируют, определяют и фиксируют электрическую емкость сухого датчика уровня, вычисляют и фиксируют приращение электрической емкости емкостного датчика уровня при полном его погружении в диэлектрическое вещество, периодически производят последовательное измерение и фиксацию комплексного тока через заполняемый диэлектрическим веществом емкостной датчик уровня и эталон на каждой из двух заданных частот, для каждого периодического измерения определяют и фиксируют электрическую емкость емкостного датчика уровня, затем определяют относительное заполнение диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня как разность значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика уровня и электрической емкости сухого емкостного датчика уровня, отнесенную к приращению электрической емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество емкостного датчика уровня в отличие от прототипа задают вторую схему замещения емкостного датчика уровня, состоящую из последовательно включенной электрической емкости и активного сопротивления и, по измеренным ранее комплексным токам через емкостной датчик уровня и эталон на каждой из двух заданных частот, для каждого периодического измерения определяют и фиксируют последовательно включенное электрическое сопротивление цепей датчика уровня, по которому судят о достоверности определения основного измеряемого параметра-уровня диэлектрического вещества.The solution to this problem is achieved by the fact that in the method for determining the level of dielectric substance, which consists in generating a sinusoidal voltage on a capacitive level sensor, measuring the complex current through a dry capacitive level sensor and measuring the complex current through a capacitive level sensor, setting the first equivalent circuit of the capacitive level sensor, consisting of parallel-connected electrical capacitance and active resistance, the formation of a sinusoidal voltage on a capacitive sensor ur A ram is produced at two frequencies, after which the complex current is measured sequentially through a dry level sensor and a reference at each of two frequencies, the measurement results are recorded, determined and fixed the electrical capacitance of the dry level sensor, the increment of the electric capacitance of the capacitive level sensor is calculated and recorded at full immersed in a dielectric substance, periodically perform sequential measurement and fixation of the complex current through a capacitance filled with a dielectric substance an ohmic level sensor and a reference at each of two preset frequencies, for each periodic measurement, the electric capacitance of the capacitive level sensor is determined and fixed, then the relative filling of the capacitive level sensor with dielectric substance is determined as the difference between the values of the electric capacitance of the filled capacitive level sensor and the electric capacity of a dry capacitive level sensor related to the increment of the electric capacitance of a capacitive level sensor completely immersed in the dielectric substance in ex The second equivalent circuit of a capacitive level sensor consisting of a series-connected electric capacitance and active resistance and, according to previously measured complex currents through a capacitive level sensor and a reference at each of two specified frequencies, is determined and fixed for each periodic measurement the resistance of the circuits of the level sensor, by which they judge the reliability of the determination of the main measured parameter-level of the dielectric substance.

Измеренное электрическое сопротивление цепей датчика уровня сравнивается с допуском и в случае его отклонения за поле допуска все результаты измерения основного параметра-уровня признаются неправильными и бракуются. Таким образом, заявленный способ приобретает новое качество: он не позволяет допустить ошибки при заправке РН из-за неисправностей в длинной линии связи между датчиком и измерительной аппаратурой, что заметно повышает надежность подготовки изделия к штатной работе.The measured electrical resistance of the circuits of the level sensor is compared with the tolerance and if it deviates from the tolerance field, all measurement results of the main level parameter are considered incorrect and rejected. Thus, the claimed method acquires a new quality: it does not allow mistakes in refueling due to malfunctions in the long communication line between the sensor and measuring equipment, which significantly increases the reliability of preparing the product for regular operation.

Таким образом, совокупность признаков, позволяющая после измерения комплексных токов через сухой емкостной датчик уровня и эталон на каждой из двух частот определить его текущие параметры (С и R), определить приращение электрической емкости датчика при его полном погружении в диэлектрическое вещество (с учетом температурных и физических параметров диэлектрического вещества), а также последовательное сопротивление линий связи - r, что обеспечивает автоматизацию процесса настройки средств измерения, достижение повышенной технологичности, точности и надежности определения уровня диэлектрического вещества, исключив неисправности в длинной линии связи, а так же погрешность человеческого фактора из процедуры настройки средств измерения.Thus, a set of features that allows after measuring complex currents through a dry capacitive level sensor and a standard at each of two frequencies to determine its current parameters (C and R), to determine the increment of the sensor’s electric capacity when it is completely immersed in a dielectric substance (taking into account temperature and physical parameters of the dielectric substance), as well as the serial resistance of communication lines - r, which provides automation of the process of setting up measuring instruments, achieving improved manufacturability and, accuracy and reliability of determining the level of dielectric substance, eliminating malfunctions in a long communication line, as well as the error of the human factor from the procedure for setting up measuring instruments.

Для практической реализации способа авторами использована технология автоматизированного проектирования электронных схем, построенная на применении программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) разработки фирмы Xilinx. При этом используется программное обеспечение Foundation Series. Данный пакет проектирования включает в себя комплекс средств, позволяющих осуществить разработку ПЛИС фирмы Xilinx, начиная от описания внутреннего содержимого устройства до загрузки конфигурации ПЛИС и отладки непосредственно на печатной плате. Программное обеспечение Foundation Series позволяет реализовать все необходимые функции, включая реализацию численных методов вычисления значений физических величин.For the practical implementation of the method, the authors used the technology of computer-aided design of electronic circuits, built on the use of programmable logic integrated circuits (FPGAs) developed by Xilinx. It uses Foundation Series software. This design package includes a set of tools that allow the development of Xilinx FPGAs, from describing the internal contents of the device to loading the FPGA configuration and debugging directly on the circuit board. Foundation Series software allows you to implement all the necessary functions, including the implementation of numerical methods for calculating the values of physical quantities.

На фиг.1 представлена первая схема замещения емкостного датчика уровня.Figure 1 presents the first equivalent circuit of a capacitive level sensor.

На фиг.2 представлена векторная диаграмма первой схемы замещения емкостного датчика уровня.Figure 2 presents a vector diagram of a first equivalent circuit of a capacitive level sensor.

На фиг.3 представлена вторая схема замещения емкостного датчика уровня.Figure 3 presents the second equivalent circuit of a capacitive level sensor.

На фиг.4 представлена векторная диаграмма второй схемы замещения емкостного датчика уровняFigure 4 presents a vector diagram of a second equivalent circuit of a capacitive level sensor

В качестве примера осуществления способа рассмотрим процедуру определения уровня заправки диэлектрического вещества в баке изделия ракетно-космической техники и последовательного сопротивления линии связи между датчиком и измерительной аппаратурой. В качестве диэлектрического вещества можно рассмотреть, например, керосин.As an example of the method, we consider the procedure for determining the level of filling of the dielectric substance in the tank of a rocket and space technology product and the serial resistance of the communication line between the sensor and measuring equipment. As a dielectric substance, for example, kerosene can be considered.

Емкостному датчику уровня соответствует схема замещения, приведенная на фиг.1, где: C_p есть рабочая электрическая емкость датчика, которая несет полезную информацию об уровне заправки бака; R - сопротивление тока утечки через диэлектрик, которое зависит от сортности керосина и вносит погрешность в процесс измерения уровня заправки, если ее не учитывать. На фиг.2 представлена векторная диаграмма емкостного датчика уровня, для которой справедливы следующие соотношения:A capacitive level sensor corresponds to the equivalent circuit shown in figure 1, where: C _p is the working electric capacity of the sensor, which carries useful information about the level of the tank; R is the resistance of the leakage current through the dielectric, which depends on the grade of kerosene and introduces an error in the process of measuring the level of the charge, if it is not taken into account. Figure 2 presents a vector diagram of a capacitive level sensor, for which the following relations are true:

$$I_C=V\cdot \omega \cdot C\left(1\right)$$

$$I_C=V\cdot \omega \cdot C\left(\mathrm{one}\right)$$

$$I_R=\frac{V}{R}\left(2\right)$$

$$I_R=\frac{V}{R}\left(2\right)$$

В силу специфики эксплуатации изделий ракетно-космической техники емкостной датчик уровня расположен па расстоянии до 400 метров от средства измерения.Due to the specifics of the operation of rocket and space technology products, a capacitive level sensor is located at a distance of up to 400 meters from the measuring instrument.

Согласно первой схеме замещения емкостного датчика уровня имеем следующие выражения для определения его параметров:According to the first equivalent circuit of a capacitive level sensor, we have the following expressions for determining its parameters:

Измеренная величина емкости датчика описывается выражением:The measured value of the sensor capacitance is described by the expression:

$$C=\frac{1}{R_{ЭТ}}\cdot \sqrt{\frac{{\left(\frac{I_{\omega 1}}{I_{\omega 1}^{ЭТ}}\right)}^2-{\left(\frac{I_{\omega 2}}{I_{\omega 2}^{ЭТ}}\right)}^2}{{\omega }_1^2-{\omega }_2^2}}\left(3\right)$$

$$C=\frac{\mathrm{one}}{R_{ET}}\cdot \sqrt{\frac{{\left(\frac{I_{\omega \mathrm{one}}}{I_{\omega \mathrm{one}}^{ET}}\right)}^2-{\left(\frac{I_{\omega 2}}{I_{\omega 2}^{ET}}\right)}^2}{{\omega }_{\mathrm{one}}^2-{\omega }_2^2}}\left(3\right)$$

Измеренная величина сопротивления изоляции датчика описывается выражением:The measured value of the insulation resistance of the sensor is described by the expression:

$$R=R_{ЭТ}\cdot \sqrt{\frac{{\omega }_1^2\cdot -{\omega }_2^2\cdot }{{\omega }_1^2\cdot C-{\omega }_2^2\cdot {\left(\frac{I_{\omega 1}}{I_{\omega 1}^{ЭТ}}\right)}^2}}\left(4\right)$$

$$R=R_{ET}\cdot \sqrt{\frac{{\omega }_{\mathrm{one}}^2\cdot -{\omega }_2^2\cdot }{{\omega }_{\mathrm{one}}^2\cdot C-{\omega }_2^2\cdot {\left(\frac{I_{\omega \mathrm{one}}}{I_{\omega \mathrm{one}}^{ET}}\right)}^2}}\left(\mathrm{four}\right)$$

Согласно второй схеме замещения емкостного датчика уровня измеренная величина последовательного сопротивления цепей датчика описывается выражением:According to the second equivalent circuit of the capacitive level sensor, the measured value of the series resistance of the sensor circuits is described by the expression:

$$r=R_{ЭТ}\cdot \sqrt{\frac{{\omega }_1^2\cdot {\left(\frac{I_{\omega 1}^{ЭТ}}{I_{\omega 1}}\right)}^2-{\omega }_2^2\cdot {\left(\frac{I_{\omega 2}^{ЭТ}}{I_{\omega 2}}\right)}^2}{{\omega }_1^2-{\omega }_2^2}}\left(4-1\right)$$

$$r=R_{ET}\cdot \sqrt{\frac{{\omega }_{\mathrm{one}}^2\cdot {\left(\frac{I_{\omega \mathrm{one}}^{ET}}{I_{\omega \mathrm{one}}}\right)}^2-{\omega }_2^2\cdot {\left(\frac{I_{\omega 2}^{ET}}{I_{\omega 2}}\right)}^2}{{\omega }_{\mathrm{one}}^2-{\omega }_2^2}}\left(\mathrm{four}-\mathrm{one}\right)$$

Для определения параметров C, R, r по выражениям 3, 4, 4-1 необходимо произвести измерение токов через емкостной датчик уровня и эталон. Так как емкостной датчик уровня является двухзвенным двухполюсником, то в соответствии с признаком формулы изобретения измерение комплексного тока необходимо проводить на двух частотах ω₁ и ω₂.To determine the parameters C, R, r from the expressions 3, 4, 4-1, it is necessary to measure currents through a capacitive level sensor and a reference. Since the capacitive level sensor is a two-link bipolar, in accordance with the characteristic of the claims, the measurement of the complex current must be carried out at two frequencies ω ₁ and ω ₂ .

Для этого согласно признаку формулы изобретения производят формирование синусоидального напряжения на сухом емкостном датчике уровня на двух частотах ω₁ и ω₂. Затем последовательно производят измерение значений комплексных токов через сухой емкостной датчик уровня и эталон на каждой из заданных частот. Значения токов через эталон соответствуют выражениямFor this, according to the feature of the claims, a sinusoidal voltage is generated on a dry capacitive level sensor at two frequencies ω ₁ and ω ₂ . Then, sequentially measure the values of the complex currents through a dry capacitive level sensor and a reference at each of the given frequencies. The values of the currents through the standard correspond to the expressions

$$V_{\omega 1}=I_{\omega 1}^{ЭТ}\cdot R_{ЭТ}\left(5\right)$$

$$V_{\omega \mathrm{one}}=I_{\omega \mathrm{one}}^{ET}\cdot R_{ET}\left(5\right)$$

$$V_{\omega 2}=I_{\omega 2}^{ЭТ}\cdot R_{ЭТ}\left(6\right)$$

$$V_{\omega 2}=I_{\omega 2}^{ET}\cdot R_{ET}\left(6\right)$$

Согласно векторной диаграмме фиг.2 модули измеряемых комплексных токов через емкостной датчик уровня можно записать следующими выражениями:According to the vector diagram of figure 2, the modules of the measured complex currents through a capacitive level sensor can be written with the following expressions:

$$I_{\omega 1}=V_{\omega 1}\cdot \sqrt{\frac{1}{R^2}-{\left({\omega }_1\cdot C\right)}^2}\left(7\right)$$

$$I_{\omega \mathrm{one}}=V_{\omega \mathrm{one}}\cdot \sqrt{\frac{\mathrm{one}}{R^2}-{\left({\omega }_{\mathrm{one}}\cdot C\right)}^2}\left(7\right)$$

$$I_{\omega 2}=V_{\omega 2}\cdot \sqrt{\frac{1}{R^2}-{\left({\omega }_2\cdot C\right)}^2}\left(8\right)$$

$$I_{\omega 2}=V_{\omega 2}\cdot \sqrt{\frac{\mathrm{one}}{R^2}-{\left({\omega }_2\cdot C\right)}^2}\left(8\right)$$

Следует сразу оговорить, что вышеописанные действия производят для настройки средств измерения перед заправкой бака изделия РКТ, заключающейся в измерении комплексных токов через сухой емкостной датчик уровня, подключенный к средствам измерения через линию связи. Измеренные результаты комплексных токов фиксируются. С точки зрения практической реализации процедура фиксации может быть выполнена в виде операции сохранения результатов измерения в запоминающем устройстве, построенного по технологии Xillinx.It should immediately be noted that the above steps are performed to set up the measuring instruments before refueling the tank of the RCT product, which consists in measuring the complex currents through a dry capacitive level sensor connected to the measuring instruments via a communication line. The measured results of complex currents are recorded. From the point of view of practical implementation, the fixing procedure can be performed in the form of the operation of storing the measurement results in a memory device constructed using Xillinx technology.

После этого определяется состояние емкостного датчика уровня в соответствии с зависимостями (3) и (4) и качества соединительных линий до датчика по формуле (4-1). Результаты определения параметров сухого емкостного датчика С, R и линий связи до датчика - r фиксируются и представляют собой исходные данные, необходимые для выполнения дальнейшей последовательности действий способа. Если измеренная величина r выходят за пределы допуска на нее, то выдается сообщение оператору и в систему управления заправкой о неисправности в данном канале измерения системы измерения уровня. Если допусковый контроль по r пройден, то процедуру настройки средств измерения завершает действие согласно формуле изобретения по определению приращения электрической емкости емкостного датчика уровня, полностью погруженного в данном случае в керосин. Зависимость, по которой вычисляется приращение электрической емкости, имеет видAfter that, the state of the capacitive level sensor is determined in accordance with the dependencies (3) and (4) and the quality of the connecting lines to the sensor according to the formula (4-1). The results of determining the parameters of a dry capacitive sensor C, R and communication lines to the sensor - r are recorded and represent the initial data necessary to perform a further sequence of steps of the method. If the measured value r is outside the tolerance on it, then a message is issued to the operator and to the fueling control system about a malfunction in this measurement channel of the level measurement system. If the tolerance control for r is passed, then the procedure for setting up the measuring instruments completes the action according to the claims to determine the increment of the electric capacity of the capacitive level sensor, completely immersed in kerosene in this case. The dependence by which the increment of the electric capacitance is calculated has the form

$$C_{ПР}=C_{СУХ}\cdot \left({\epsilon }_{Ж}-{\epsilon }_{Г}\right)\left(9\right)$$

$$C_{PR}=C_{\mathrm{FROM}\mathrm{At}X}\cdot \left({\epsilon }_F-{\epsilon }_G\right)\left(9\right)$$

C_СУХ - электрическая емкость емкостного датчика уровня, определяемая с учетом влияния линии связи по зависимости (3);C _SUH - the electric capacity of a capacitive level sensor, determined taking into account the influence of the communication line according to (3);

ε_Ж - диэлектрическая проницаемость керосина;ε _W - dielectric constant of kerosene;

ε_Г - диэлектрическая проницаемость газовой подушки, расположенной в баке изделия РКТ над керосином.ε _G is the dielectric constant of the gas cushion located in the tank of the product RKT over kerosene.

Результат определения приращения емкости, выполненный по зависимости (9), фиксируется.The result of determining the increment of the capacitance, performed according to dependence (9), is fixed.

Совокупность признаков, обеспечивающая определение параметров сухого емкостного датчика уровня и приращение электрической емкости при его полном погружении в керосин с учетом влияния на результаты определения линии связи, позволяет процесс настройки средств измерения автоматизировать. Тем самым совокупность вышеописанных признаков позволяет повысить технологичность и точность измерения за счет исключения инструментальной погрешности человеческого фактора.The set of features that provides the determination of the parameters of a dry capacitive level sensor and the increment of the electric capacitance when it is completely immersed in kerosene, taking into account the influence on the results of determining the communication line, allows the process of setting up measuring instruments to be automated. Thus, the totality of the above-described features allows to increase the manufacturability and accuracy of the measurement by eliminating the instrumental error of the human factor.

При осуществлении заправки бака изделия РКТ периодически производят последовательное измерение комплексного тока через заполняемый емкостной датчик уровня и эталон па каждой из двух заданных частот. Причем на результат измерения комплексных токов через заполняемый емкостной датчик линия связи оказывает такое же влияние, как и при измерении комплексного тока через сухой емкостной датчик. Результаты измерений фиксируются. Затем после каждого измерения комплексного тока через заполняемый емкостной датчик и эталон осуществляется определение его параметров в соответствии с выражениями (3), (4) и (4-1). Результаты определения параметров датчика и линий связи до него фиксируются. На протяжении всей штатной работы при заправке Ракеты-Носителя, в отличии от прототипа, производится контроль новой величины r - сопротивления линии связи до датчика. В случае выхода величины r за допуск производится сообщение оператору и в систему управления заправкой об отказе данного канала измерения уровня. Таким образом, появляется повое качество: непрерывный контроль сопротивления линий связи до датчика непосредственно в процессе боевой работы без расстыковки кабельных линий. Такой подход значительно увеличивает надежность системы измерения уровня.When refueling the tank, the RCT products periodically make sequential measurements of the complex current through the fill capacitive level sensor and a standard for each of two given frequencies. Moreover, the communication line has the same effect on the result of measuring complex currents through a filled capacitive sensor as when measuring complex current through a dry capacitive sensor. The measurement results are recorded. Then, after each measurement of the complex current through the filled capacitive sensor and the standard, its parameters are determined in accordance with expressions (3), (4) and (4-1). The results of determining the parameters of the sensor and communication lines to it are recorded. Throughout the entire normal operation, when loading the Booster Rocket, in contrast to the prototype, a new value of r is monitored - the resistance of the communication line to the sensor. In the event that the r value exceeds the tolerance, a message is sent to the operator and to the fueling control system about the failure of this level measurement channel. Thus, a new quality appears: continuous monitoring of the resistance of communication lines to the sensor directly in the process of combat work without undocking the cable lines. This approach significantly increases the reliability of the level measurement system.

Далее производится работа методике работы прототипа:Next, work is done on the prototype methodology:

Электрическая емкость заполняемого емкостного датчика уровня является величиной переменной, поэтому ее можно назвать текущей C_ТЕК. Затем осуществляют определения (уровня) относительного заполнения емкостного датчика уровня керосином. Согласно признакам формулы изобретения это осуществляется следующим образом. Сначала определяется разность значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика (назовем ее текущей электрической емкостью стек) и электрической емкости сухого емкостного датчика, вычисленная при настройке средств измерения. Эту разность можно определить по выражениюThe electric capacitance of the capacitive capacitive level sensor is variable, so it can be called the current C _TEK . Then carry out the determination (level) of the relative filling of the capacitive level sensor with kerosene. According to the features of the claims, this is as follows. First, the difference between the values of the electric capacitance of the filled capacitive sensor (let's call it the current electric capacity of the stack) and the electric capacity of the dry capacitive sensor, calculated when setting up the measuring instruments, is determined. This difference can be determined by the expression

$$\Delta C_{ТЕК}=C_{ТЕК}-C_{СУХ}\left(10\right)$$

$$\Delta C_{TE\mathrm{TO}}=C_{TE\mathrm{TO}}-C_{\mathrm{FROM}\mathrm{At}X}\left(10\right)$$

где C_ТЕК - значение электрической емкости заполняемого датчика уровня, вычисленное в соответствии с выражением (3). Аналитическое выражение электрической емкости заполняемого керосином емкостного датчика уровня можно записать в следующем виде:where C _TEK is the value of the electric capacitance of the filled level sensor, calculated in accordance with expression (3). The analytical expression of the electric capacity of a capacitive level sensor filled with kerosene can be written as follows:

$$C_{ТЕК}=C_{СУХ}+C_{СУХ}\cdot \left({\omega }_{Ж}-{\omega }_{Г}\right)\cdot \frac{h}{H}\left(11\right)$$

$$C_{TE\mathrm{TO}}=C_{\mathrm{FROM}\mathrm{At}X}+C_{\mathrm{FROM}\mathrm{At}X}\cdot \left({\omega }_F-{\omega }_G\right)\cdot \frac{h}{H}\left(\mathrm{eleven}\right)$$

где h - текущая высота погружения емкостного датчика уровня в керосин;where h is the current immersion height of the capacitive level sensor in kerosene;

H - полная высота погружения датчика в керосин.H is the total immersion height of the sensor in kerosene.

Далее определяется отношение разности электрических емкостей согласно выражению (10) и приращения электрической емкости полностью погруженного емкостного датчика уровня в керосин, которое можно записать в следующем видеNext, the ratio of the difference of electric capacitances is determined according to expression (10) and the increment of the electric capacitance of a fully immersed capacitive level sensor in kerosene, which can be written in the following form

$$\frac{h}{H}=\frac{C_{ТЕК}-C_{СУХ}}{C_{СУХ}\cdot \left({\epsilon }_{Ж}-{\epsilon }_{Г}\right)}\left(12\right)$$

$$\frac{h}{H}=\frac{C_{TE\mathrm{TO}}-C_{\mathrm{FROM}\mathrm{At}X}}{C_{\mathrm{FROM}\mathrm{At}X}\cdot \left({\epsilon }_F-{\epsilon }_G\right)}\left(12\right)$$

Совокупность признаков, характеризующих определение относительного заполнения емкостного датчика уровня керосином как разность значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика уровня и электрической емкости сухого емкостного датчика уровня, отнесенную к приращению электрической емкости полностью погруженного в керосин емкостного датчика уровня, обеспечивает исключение влияния линии связи на результат определения уровня. Из аналитической зависимости (12) это следует очевидным образом, C_СУХ и стек определялись с учетом влияния линии связи, C_ПР также определялось с учетом влияния линии связи. Поэтому в отношении согласно выражению (12) влияние линии связи аналитически исключается.The set of features characterizing the determination of the relative filling of the capacitive level sensor with kerosene as the difference between the electric capacitance of the filled capacitive level sensor and the electric capacity of the dry capacitive level sensor, related to the increment of the electric capacitance of the capacitive level sensor completely immersed in kerosene, eliminates the influence of the communication line on the level determination result . From the analytical dependence (12), this follows in an obvious way, C _CX and the stack were determined taking into account the influence of the communication line, C _{PR was} also determined taking into account the influence of the communication line. Therefore, according to expression (12), the influence of the communication line is analytically excluded.

Таким образом, вышеописанная совокупность признаков характеризует способ как инвариантный по отношению к линии связи и защищенный от внезапных изменений электрических характеристик линии связи между датчиком и измерительной аппаратурой благодаря контролю нового параметра - последовательного сопротивления линий связи до датчика (r).Thus, the above set of features characterizes the method as invariant with respect to the communication line and protected from sudden changes in the electrical characteristics of the communication line between the sensor and the measuring equipment due to the control of a new parameter - the serial resistance of the communication lines to the sensor (r).

Процесс определения уровня периодически продолжается до тех пор, пока бак изделия РКТ не будет заполнен до требуемого уровня.The process of determining the level periodically continues until the tank product PKT is filled to the required level.

Заявленный способ определения уровня диэлектрического вещества может быть реализован с помощью устройства, функциональные блоки которого выполнены на микросхеме 2S200PQ208 фирмы Xilinx. Численные решения представленных выше выражений могут быть реализованы с помощью программного пакета Foundation Series.The claimed method for determining the level of dielectric substance can be implemented using a device whose functional blocks are made on a 2S200PQ208 chip from Xilinx. Numerical solutions to the above expressions can be implemented using the Foundation Series software package.

Заявленный способ авторами апробирован на макетном изделии. В настоящий момент авторами создается система измерения уровня заправки ракетного блока, которая предназначена для наземной аппаратуры одной из стартовых пусковых установок полигона "Куру».The claimed method, the authors tested on a breadboard product. At present, the authors are creating a system for measuring the level of a rocket block refueling system, which is intended for the ground equipment of one of the launching launchers of the Kuru training ground.

Используемая литератураUsed Books

1. К.Б.Карандеев, Ф.Б.Гриневич, Л.И.Новик. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры. М.: Энергия, 1966, С. - 135.1. K. B. Karandeyev, F. B. Grinevich, L.I. Novik. Capacitive self-compensated level gauges. M .: Energy, 1966, S. - 135.

2. А.И.Цовик. Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока. Киев: Наукова Думка, 1983, с.9-10.2. A.I. Tsovik. Systems of automatic balancing of digital extreme bridges of alternating current. Kiev: Naukova Dumka, 1983, pp. 9-10.

3. Патент РФ №2262 669, МПК: G01F 23/26, G01R 17/00 «Способ определения уровня диэлектрического вещества» (прототип).3. RF patent No. 2262 669, IPC: G01F 23/26, G01R 17/00 "Method for determining the level of dielectric substance" (prototype).

Claims (1)

Способ определения уровня диэлектрического вещества, заключающийся в формировании синусоидальных напряжений на емкостном датчике уровня, измерении комплексного тока через сухой емкостный датчик уровня и измерении комплексного тока через заполняемый емкостный датчик уровня, причем задают первую схему замещения емкостного датчика уровня, состоящую из параллельно включенной электрической емкости и активного сопротивления, формируют синусоидальное напряжение на емкостном датчике уровня на двух частотах, после чего производят последовательное измерение комплексного тока через сухой датчик уровня и эталон на каждой из двух частот и результаты измерения фиксируют, определяют и фиксируют электрическую емкость сухого датчика уровня, вычисляют и фиксируют приращение электрической емкости датчика уровня при его полном погружении в диэлектрическое вещество, периодически производят последовательное измерение и фиксацию комплексного тока через заполняемый диэлектрическим веществом емкостный датчик уровня и эталон на каждой из двух заданных частот, для каждого периодического измерения определяют и фиксируют электрическую емкость датчика уровня, затем определяют относительное заполнение диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня как разность значений электрической емкости заполняемого емкостного датчика уровня и электрической емкости сухого датчика уровня, отнесенную к приращению электрической емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество емкостного датчика уровня, отличающийся тем, что задают вторую схему замещения емкостного датчика уровня, состоящую из последовательно включенной электрической емкости и активного сопротивления, и по измеренным и зафиксированным ранее комплексным токам через емкостный датчик уровня и эталон на каждой из двух заданных частот для каждого периодического измерения определяют и фиксируют последовательно включенное электрическое сопротивление цепей датчика уровня, по которому судят о достоверности определения уровня диэлектрического вещества. A method for determining the level of a dielectric substance, which consists in generating sinusoidal voltages on a capacitive level sensor, measuring the complex current through a dry capacitive level sensor and measuring the complex current through a capacitive level sensor, and the first equivalent circuit of the capacitive level sensor consisting of a parallel-connected electric capacitance and active resistance, form a sinusoidal voltage on a capacitive level sensor at two frequencies, after which the last An explicit measurement of the complex current through a dry level sensor and a reference at each of the two frequencies and the measurement results fix, determine and fix the electric capacitance of the dry level sensor, calculate and fix the increment of the electric capacitance of the level sensor when it is completely immersed in a dielectric substance, periodically measure it sequentially and fixing the complex current through a capacitive level sensor filled with a dielectric substance and a standard at each of two preset frequencies, for each period The electrical capacitance of the level sensor is determined and fixed, then the relative filling of the capacitive level sensor with the dielectric material is determined as the difference between the values of the electric capacitance of the filled capacitive level sensor and the electric capacity of the dry level sensor, related to the increment of the electric capacity completely immersed in the dielectric material of the capacitive level sensor, different by setting a second equivalent circuit of the capacitive level sensor, consisting of a follower the switched on electric capacitance and active resistance, and according to the measured and recorded complex currents through a capacitive level sensor and a standard at each of two preset frequencies for each periodic measurement, determine and fix the series-connected electrical resistance of the level sensor circuits, by which the reliability of determining the level is judged dielectric substance.

Images