Аппаратно-алгоритмический комплекс информационно-измерительной системы контроля уровня топлива на основе емкостных датчиков | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Мастепаненко М. А., Воротников И. Н., Гурковский А. А., Тарануха Д. С. Аппаратно-алгоритмический комплекс информационно-измерительной системы контроля уровня топлива на основе емкостных датчиков // Молодой ученый. — 2015. — №7. — С. 168-172. — URL https://moluch.ru/archive/87/16845/ (дата обращения: 16.08.2018).

Измерение уровня жидкостей является важной задачей при автоматизации технологических процессов во многих отраслях промышленности: нефтепереработка, химическая промышленность, теплоэнергетика, пищевая промышленность и другие [1, с.56]. Однако, особый интерес вызывает применение уровнемеров в резервуарных парках нефтеперерабатывающей промышленности для измерения уровня, наиболее дорогостоящих — светлых нефтепродуктов (СНП). На долю СНП приходится более 70 % продуктов, получаемых из нефти (бензины, масла, дизельное топливо, керосин и другие).

На сегодняшний день, для измерения уровня нефтепродуктов применяются различные методы и приборы (поплавковые, гидростатические, емкостные, акустические, радиоизотопные и другие), возможности которых определяются, с одной стороны, технологическими требованиями (диапазон, точность, взрывобезопасность и другие) и, с другой стороны, наличием неинформативных влияющих параметров (давление, плотность, вязкость, электропроводность и т. д.) [2, с.183].

Однако, наибольшее распространение в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности нашел емкостной метод измерения уровня.

Это, прежде всего, связано с исключительной конструктивной простотой самого емкостного датчика уровня, который в простейшем случае может быть выполнен из двух металлических пластин произвольной формы (тогда как, например, в поплавковых уровнемерах используется более 50 составных деталей только первичного преобразователя).

Поэтому в данной работе разрабатываются и исследуются уровнемеры светлых нефтепродуктов, основанные на емкостном методе измерения. Такие приборы в наибольшей степени отвечают требованиям чувствительности, быстродействия, точности измерения уровня, а также совместимости первичных преобразователей с вторичными вычислительными устройствами [1, с.56, 3, с. 31].

Одним из эффективных подходов к исследованию емкостных измерителей уровня (ЕИУ) является применение структурных методов построения измерительных устройств с позиций принципа инвариантности возмущающего воздействия, в нашем случае — ԑж. Возмущающее воздействие на измеряемые объекты и средства измерения приводят к искажению и потери информации об измеряемых параметрах в измерительных устройствах, поэтому с возмущениями необходимо бороться [4, с.69].

Структурная схема инвариантного ЕИУ с разновременным вводом входных сигналов () измерительных каналов , ) в вычислительное устройство (В) представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема двухканального инвариантного емкостного уровнемера: где: x(t) — входное воздействие, подлежащее измерению полезная информация; f(t) — возмущающее воздействие; y(t) — выходная величина, содержащая информацию о воздействии x(t)

 

Таким образом, применительно к теории инвариантности, рассматриваемый ЕИУ удовлетворяет основному принципу построения измерительных устройств — многоканальности [4, с.68].

Функционально емкостные датчики уровня связаны с относительной диэлектрической проницаемостью среды εж, заполняющей межэлектродное пространство, которая зависит от температуры состава или свойств контролируемой жидкости. Для устранения влияния εж на сегодняшний день используются различные структурные решения, которые в большинстве случаев сводятся к установке дополнительного компенсационного датчика.

Установлено, что использование компенсационного датчика в ЕИУ сопряжено с рядом трудностей, основными из которых являются: сложность подключения компенсационного датчика к измерительной схеме и его малая начальная емкость, увеличенная зона неизмеряемого уровня, необходимость учета погрешности, вносимой линией связи, необходимость градуировки прибора под конкретную жидкость в процессе эксплуатации [5, с.68].

С целью устранения указанных выше недостатков предложена конструкция емкостного измерителя уровня (ЕИУ), выполненного в виде двух коаксиальных конденсаторов (датчиков) КД1 и КД2, соединенных через контакт герконового реле (рисунок 2 а) [6, с.1]. Компенсационный датчик (рисунок 2, а) постоянно погружен в контролируемую жидкость, уровень которой не должен опускаться ниже этого предела [7, с.1].

Рис. 2. Емкостной измеритель уровня: а) конструкция емкостного уровнемера; б) эквивалентная электрическая схема ЕИУ жидкостей

 

Для увеличения начальной емкости компенсационный датчик содержит электроды, выполненные из многожильных изолированных проводников, уложенных в виде многовитковой петли во внутренней полости внешнего электрода КД2 вдоль его оси на каркас (рисунок 2, а). Такая конструкция компенсационного датчика позволяет устранить технологический разброс начальной емкости при его изготовлении и подстраивать ее в пределах 30 % [8, с.1].

Общие емкости СА и СВ ЕИУ определяются выражениями (рисунок 2, б):

, ,                                                           (1)

где  — емкость незаполненной жидкостью части КД1 и КД2;  — емкость погруженной части в жидкость этих датчиков;  — емкость проходного изолятора и соединительного кабеля (на рисунке не показано);  — емкость компенсационного конденсаторного датчика диэлектрических свойств, постоянно погруженного в контролируемую жидкость.

Так как измерительный канал КД1 и КД2 идентичен, то выражения для определения значений С1 и С2 будут справедливы для расчета СА и СВ [7, с.1]. При этом емкость СА КД1 будет меньше общей емкости СВ КД2 на С3, которая не зависит от изменения уровня, а является только функцией диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости и определяется выражением:

.                                                                                                                    (2)

где С — начальная емкость компенсационного датчика (т. е. до погружения в жидкость).

При наличии электропроводной среды внутренние электроды КД1 и КД2 должны иметь изоляционное покрытие. Материал изоляционного покрытия должен быть одним и тем же для обоих датчиков КД1 и КД2 [8, с.1].

Используя понятие удельной емкости γ на единицу длины КД1 (в незаполненном состоянии) можно представить С1 и С2 в виде:

,                                                                                                       (3)

,                                                                                                      (4)

где εг — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха (εг ≈1); γ — удельная емкость КД1 на единицу его длины; h1 — длина непогруженной части КД1; εж — относительная диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости; L — длина КД1.

Для упрощения расчетов выведены конструктивные константы КД1 и КД2 ЕИУ:

const;  — const; [пФ/м] — const.        (5)

Тогда расчетная формула для определения уровня примет вид [9, с.1]:

,                                                                                                         (6)

где А, В и D — конструктивные параметры КД1 и КД2 ЕИУ, которые определяются экспериментально при их изготовлении.

В вычислительном алгоритме (6) выражение (2) используется в расчетах в качестве εж, как этот видно из выражения:

                                                                                                             (7)

Поэтому выражение (6) вычислительного алгоритма не зависит от возмущающего воздействия — изменения εж и является инвариантным.

Как видно из расчетного алгоритма, предлагаемый способ измерения уровня, использующий общеизвестный классический принцип регистрации различия диэлектрических свойств на границе раздела «воздух-жидкость» и, в то же время, полностью исключает влияние изменения ԑж, а также другие параметры контролируемой жидкости (температура, состав, электропроводность и т. д.).

Измерение электрической емкости САи СВ КД 1 и КД2 осуществляется по [10, с.63, 11, с. 67].

Одним из вариантов технической реализации алгоритма измерения электрической емкости [10, с.63, 11, с. 67] рабочего и компенсационного датчиков и по их показаниям алгоритма расчета уровня (6) является конструкция вторичного измерительного устройства, изложенная в [12, с.10].

 

Литература:

 

1.    Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Универсальный способ контроля уровня различных жидкостей и аппаратный комплекс для его реализации // Вестник АПК Ставрополья. 2012. № 5. С. 55–58.

2.    Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Система непрерывного контроля уровня различных жидкостей на основе микроконтроллера // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. науч. тр. / СтГАУ. Ставрополь: АГРУС, 2011. C. 181–185.

3.    Шаталов А. Ф., Хащенко А. А., Воротников И. Н. Влияние геометрии электродов на теплообмен при электроконвекции // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2013. № 1(170). С. 28–32.

4.    Минаев И. Г., Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Способ измерения уровня жидкостей // Достижения науки и техники АПК. 2010. № 9. С. 68–70.

5.    Минаев И. Г., Мастепаненко М. А. Емкостной способ измерения уровня электропроводных и диэлектрических жидкостей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2011. № 5. С. 52–55.

6.    Пат. 147261 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной измеритель уровня жидкости / Мастепаненко М. А., Воротников И. Н. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2014119647; заявл. 15.05.2014; опубл. 27.10.2014, Бюл. № 30. –2 с.

7.    Пат. 78929 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной двухэлектродный датчик уровня жидкости / И. Г. Минаев, Д. Г. Ушкур, М. А. Мастепаненко; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2008131178/22; заявл. 28.07.2008; опубл. 10. 12. 2008, Бюл. № 34. 1 с.

8.    Пат. 85641 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной измеритель уровня жидкости / И. Г. Минаев, Д. Г. Ушкур, М. А. Мастепаненко, В. В. Самойленко; заявитель и патентообладатель ООО НПО Электроимпульс. № 2009105632/22; заявл. 19.02.2009; опубл. 19.02. 2009, Бюл. № 22. 1 с.

9.    Пат. 2407993 Российская Федерация, МПК 8 G01F23/24. Емкостной способ измерения уровня жидкостей и устройство для его осуществления / И. Г. Минаев, М. А. Мастепаненко; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2009141472/28; заявл. 09.11.2009; опубл. 27.12.2010, Бюл. № 36. 2 с.

10.              Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Способы измерения электрической емкости по параметрам переходного процесса // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2013. № 10. С. 60–65.

11.              Воротников И. Н., Мастепаненко М. А. Исследование методов измерения электрической емкости на постоянном токе // Методы и средства повышения эффективности технологических процессов АПК: сб. науч. ст. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. Ставрополь: АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та. 2013. С. 66–68.

12.              Воротников И. Н., Мастепаненко М. А., Ивашина А. В. Вторичное измерительно-вычислительное устройство конденсаторного датчика уровня // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов по материалам 76-й научно-практической конференции СтГАУ (г. Ставрополь, 10–25 марта 2012 г.) / Ставропольский государственный аграрный университет. Ставрополь: АГРУС, 2012. С. 9–13.

Основные термины (генерируются автоматически): компенсационный датчик, контролируемая жидкость, возмущающее воздействие, относительная диэлектрическая проницаемость, начальная емкость, нефтеперерабатывающая промышленность, изоляционное покрытие, вычислительный алгоритм, удельная емкость, структурная схема.


Похожие статьи

Исследование способа измерения уровня топлива...

где -удельная емкость двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости [пФ/м]. — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха( ≈1)

- начальная емкость датчика 4 на воздухе, т. е. до погружения в контролируемую жидкость [пФ].

Исследование функций преобразования емкостных уровнемеров...

относительная диэлектрическая проницаемость, датчик, жидкость, контролируемая жидкость, электрическая емкость, изоляционный материал, измерение уровня, межэлектродное пространство...

Оценивание рабочей ёмкости и эквивалентной диэлектрической...

...(рабочую ёмкость или волновое сопротивление) путем формирования возмущенного

Традиционно эквивалентная диэлектрическая проницаемость направляющей среды

Параметры R и L, отображают в эквивалентной схеме (рис. 2) продольное сопротивление цепи...

Методы и устройства для бесконтактного...

7. Контроль уровня диэлектрической проницаемости воды и водных растворов.

Экспериментальная проверка технологии устройства асфальтобетонных покрытий при пониженных температурах воздуха.

Бесконтактные методы контроля толщины стенки изделия...

Для обеспечения акустического контакта на контролируемый участок изделия предварительно наносят контактные жидкости, такие как вода, масло, клейстер.

К недостаткам метода следует отнести: сравнительно низкую чувствительность и помехозащищенность; относительную...

Исследование резонансного режима плоских индукционных систем...

Исследования показали, что наиболее существенное влияние на число слоев W пакета индуктора оказывают следующие параметры: частота источника питания f; толщина изолирующего диэлектрика d; относительная диэлектрическая проницаемость e материала...

Обоснование применения электрохимический защиты...

Химическая технология и промышленность.

Использовалась емкость расширительного бака 1,5 м3, в качестве жидкости — вода с минерализацией 20 г/л.

Рис. 1. Схема стенда: 1 — задвижка, 2 — вентиль, 3 — манометр, 4 — антикоррозионный модуль, 5 — контрольный...

Анализ систем жидкостного охлаждения электронной аппаратуры

Анализ способов охлаждения вычислительных систем.

Конструктивно используется следующая схема при активном воздушном охлаждении

− тепловая емкость жидкости значительно больше, чем у воздуха, следовательно, эффективность теплоотвода выше

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Исследование способа измерения уровня топлива...

где -удельная емкость двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости [пФ/м]. — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха( ≈1)

- начальная емкость датчика 4 на воздухе, т. е. до погружения в контролируемую жидкость [пФ].

Исследование функций преобразования емкостных уровнемеров...

относительная диэлектрическая проницаемость, датчик, жидкость, контролируемая жидкость, электрическая емкость, изоляционный материал, измерение уровня, межэлектродное пространство...

Оценивание рабочей ёмкости и эквивалентной диэлектрической...

...(рабочую ёмкость или волновое сопротивление) путем формирования возмущенного

Традиционно эквивалентная диэлектрическая проницаемость направляющей среды

Параметры R и L, отображают в эквивалентной схеме (рис. 2) продольное сопротивление цепи...

Методы и устройства для бесконтактного...

7. Контроль уровня диэлектрической проницаемости воды и водных растворов.

Экспериментальная проверка технологии устройства асфальтобетонных покрытий при пониженных температурах воздуха.

Бесконтактные методы контроля толщины стенки изделия...

Для обеспечения акустического контакта на контролируемый участок изделия предварительно наносят контактные жидкости, такие как вода, масло, клейстер.

К недостаткам метода следует отнести: сравнительно низкую чувствительность и помехозащищенность; относительную...

Исследование резонансного режима плоских индукционных систем...

Исследования показали, что наиболее существенное влияние на число слоев W пакета индуктора оказывают следующие параметры: частота источника питания f; толщина изолирующего диэлектрика d; относительная диэлектрическая проницаемость e материала...

Обоснование применения электрохимический защиты...

Химическая технология и промышленность.

Использовалась емкость расширительного бака 1,5 м3, в качестве жидкости — вода с минерализацией 20 г/л.

Рис. 1. Схема стенда: 1 — задвижка, 2 — вентиль, 3 — манометр, 4 — антикоррозионный модуль, 5 — контрольный...

Анализ систем жидкостного охлаждения электронной аппаратуры

Анализ способов охлаждения вычислительных систем.

Конструктивно используется следующая схема при активном воздушном охлаждении

− тепловая емкость жидкости значительно больше, чем у воздуха, следовательно, эффективность теплоотвода выше

Задать вопрос