Для решения ряда задач высокоточного измерения уровня и объема жидких продуктов, существующих на транспорте, целесообразно использовать информационно-измерительные системы (ИИС) на основе поплавковых рычажных уровнемеров [1; 2].
Уровнемер состоит из сферического или цилиндрического поплавка, жестко закрепленного на рычаге, второй конец которого вставлен в подвижное шарнирное соединение и может свободно поворачиваться. Угол отклонения от направления вектора ускорения свободного падения (&#;L) определяется расчетным путем по показаниям микромеханического (MEMS) акселерометра, входящего в состав жестко закрепленного на рычаге инклинометрического узла (ИУ).
В минимальной конфигурации, ИИС высокоточного измерения уровня и объема жидкости на транспорте должна содержать уровнемер, ИУ для измерения угла наклона резервуара (&#;T), вычислительное устройство, устройства электропитания и отображения информации.
Автором были разработаны математические модели, в которых точный расчет уровня и объема производится на основании измеренных значений &#;L, &#;T и известных параметрах уровнемера (радиус R и глубина погружения hA поплавка в стоячей воде, длина рычага L, расстояние от крыши резервуара до дна HT и точки подвеса h0). Известными также считаются размеры основания (крыши) резервуара и координаты установки уровнемера (x0, y0) в заранее заданной системе координат. Под уровнем жидкости понимается длина отрезка, соединяющего дно подвижного резервуара и поверхность жидкости, и лежащего на прямой, перпендикулярной к дну. Математические модели пригодны для определения объема жидкости в наклоненном резервуаре симметричной формы (параллелепипед, цилиндр). Схема измерения показана на рис. 1.
В разработанных математических моделях точный расчет объема жидкости производится в следующем порядке:
1. Определяется расстояние от точки подвеса до поверхности жидкости:
. (1)
2. Определяется уровень в точке пересечения поверхности жидкости и перпендикуляра, опущенного из точки подвеса уровнемера (О/):
.
(2)
Рис. 1. Схема измерения уровня жидкости в наклоненном резервуаре
3. Вычисляются координаты проекции точки O/ на отсчетную плоскость (крышу) (OT) в системе координат OXYZ, жестко связанной с резервуаром.
4. Определяется характер изменения уровня жидкости (увеличение или уменьшение) в направлении OTN0, где N0 – точка пересечения прямой О//ОТ (рис. 1) и перпендикуляра, опущенного из центра симметрии крыши на О//ОТ. При выполнении данной операции используются геометрические соотношения [3; 4].
5. Вычисляется уровень жидкости в точке N0:
,
(3)
где dT – длина отрезка OTN0.
Знак в формуле (3) определяется характером изменения уровня в направлении OTN0. Уровень в центре симметрии основания (крыши) h* будет равен hN0.
6. Определяется искомый объем жидкости [4] в резервуаре при условии, что дно покрыто полностью:
,
(4)
где S* - площадь основания резервуара.
Для проверки математических моделей измерения уровня и объема жидкости создана экспериментальная установка, состоящая из резервуара и упрощенной ИИС. Установка обеспечивает проведение измерений уровня и объема:
при углах наклона резервуара &#;T от 0 до 20о и различном направлении наклона;
при различном сорте жидкости и её количестве, позволяя имитировать обнажение дна, перелив и другие нештатные ситуации.
Структурная схема используемой ИИС приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема экспериментальной ИИС измерения объема
ИИС содержит два идентичных ИУ с интерфейсами связи RS485, источник питания 12 В, преобразователь интерфейсов RS232/RS485 (D5), персональную ЭВМ D6, стабилизатор напряжения питания А7. В состав ИУ входят акселерометры ММА7368 фирмы Freescale (США) с тремя чувствительными осями (А1, А2), микроконтроллеры (D1, D2), измерители температуры (A3, А4), аналого-цифровые преобразователи (А5, А6) и формирователи интерфейса RS485 (D3, D4).
В микроконтроллерах ИУ выполняется цифровая фильтрация сигналов с акселерометров (граничная частота фильтров низких частот 1 Гц) и расчет углов отклонения &#;L и &#;T. Определение направления наклона резервуара, расчет уровня, объема жидкости и вспомогательных параметров производится в ЭВМ.
Эскиз экспериментальной установки приведен на рис. 3. Цифрами обозначены: 1 – резервуар с прямоугольным отсеком для жидкости, 2 – поплавковый рычажный уровнемер, 3 – ИУ на рычаге поплавкового рычажного уровнемера, 4 – ИУ измерения угла &#;T и направления наклона резервуара, 5 – преобразователь интерфейсов RS232/RS485, 6 – стабилизатор напряжения питания ИУ, 7 – опорная рама. Связь между ИУ 3, источником питания и преобразователем 5 осуществляется посредством кабеля с малой жесткостью.
В экспериментальной установке поплавок может свободно перемещаться, располагаясь как справа (П.), так и слева (Л.) от опорной рамы. Геометрическим центром системы координат OXY, связанной с резервуаром, считается точка пересечения проволок (рис. 3), которые натягиваются при проведении калибровки. Изменение направления наклона и величины &#;T производится установкой под днище калиброванных брусков (рис. 4). Расчетные параметры сведены в таблицу 1 (x0, y0 – координаты точки подвеса уровнемера в системе OXY).
Рис. 3. Общий вид резервуара с установленной ИИС
Рис. 4. Направления наклона резервуара и ИИС при экспериментах
Таблица 1.
Параметры экспериментальной установки
|
№ п/п |
Параметр |
Значение |
№ п/п |
Параметр |
Значение |
|
1. |
L, м |
0,267 |
6. |
a, м* |
0,556 |
|
2. |
R, м |
0,030 |
7. |
b, м* |
0,262 |
|
3. |
HT, м |
0,356 |
8. |
x0, м |
+0,052 |
|
4. |
h0, м |
0,022 |
9. |
y0, м |
+0,079 |
|
5. |
hA (вода), м |
0,045 |
|
|
|
|
* – измерено в среднем сечении резервуара. Уменьшение у дна – не более 3 мм. |
|||||
При проведении исследований в расположенный горизонтально резервуар (&#;T&#;0о) была налита вода объемом около 20 л. Значение объема VT0 по показаниям ИИС составило 20,3 л. Поплавок был расположен слева от опорной рамы (рис. 4), дно оставалось покрытым слоем жидкости.
Угол наклона &#;T изменялся с шагом 5о в диапазоне от 0 до 20о и направлениях «1–», «2–», «3–», «3+», «4+» (рис. 4). С помощью ЭВМ, входящей в состав ИИС, вычислялось значение объема жидкости VT с учетом направления и величины наклона резервуара, площади основания S*, координат установки уровнемера. Одновременно фиксировались рассчитанные значения уровня hS (формула 2). По полученным данным определены:
относительная погрешность измерения объема, если координаты установки уровнемера и направление наклона резервуара не учитываются:
;
(5)
относительная погрешность измерения объема при учете направления наклона и координат установки уровнемера:
.
(6)
Графики зависимостей &#;VTS=f(&#;T) и &#;VT=f(&#;T) при различных направлениях наклона показаны на рис. 5 и рис. 6 соответственно.
Рис. 5. Ошибка измерения объема, если координаты установки уровнемера и направление наклона резервуара не учитываются
Согласно рис. 5, без учета направления наклона резервуара и координат установки уровнемера ошибка измерения объема жидкости достигает 10…15% даже при умеренных значениях &#;T, что неприемлемо практически для любой ИИС.
Рис. 6. Ошибка измерения объема при учете направления наклона и координат установки уровнемера
Исследования, проведенные на экспериментальной установке, доказывают справедливость разработанных математических моделей и возможность точного (с погрешностью менее 1…2%) измерения объема жидкости в наклоненном резервуаре с минимальными аппаратными затратами. Данный вывод позволяет рекомендовать ИИС, содержащие поплавковый рычажный уровнемер и дополнительный инклинометрический узел, для точного измерения уровня и объема жидких продуктов (в том числе топлива) на сухопутном и морском транспорте.
Литература:
1. Бобровников Г.Н. Методы измерения уровня/ Г.Н. Бобровников, А.Г. Катков. М.: Машиностроение, 1977. 167 с.
2. Следящий уровнемер. Пат. на полезную модель 34245 РФ, МПК G 01F 23/30 / М. Н. Ершов, С. Н. Зимин, А. Ф. Писарев, Н. В. Тингаев, В. В. Трофимов; Заявитель и патентообладатель ЗАО «Техно-Т» (Россия). № 2003116480; заявл. 04.06.03; опубл. 27.11.03; бюл. №33.; приоритет 04.06.03. 2 с.
3. Адамар Ж. Элементарная геометрия: в 2 ч. Ч. 1: Планиметрия/ Ж. Адамар: пер. с франц. М.: Изд-во Министерства просвещения РСФСР, 1948. 608 с.
4. Адамар Ж. Элементарная геометрия: в 2 ч. Ч. 2: Стереометрия/ Ж. Адамар: пер. с франц. М.: Изд-во Министерства просвещения РСФСР, 1951. 760 с.
