УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА Российский патент 2025 года по МПК G01R17/10 G01F23/26 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня, количества жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах, транспортных средствах, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники.

В качестве аналога выбрано устройство, описанное в статье авторов Ю.Р. Агамалова, Д.А. Бобылева, В.Ю. Кнеллера «Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ» в журнале «Измерительная техника» 1996, №6, выбранное в качестве прототипа. Устройство для определения параметров двухполюсника, содержащее измерительные входы, генератор синусоидального напряжения, блок задания схемы замещения, эталон, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь.

В аналоге использована схема косвенного измерения параметров при формировании напряжения синусоидального воздействия на объект измерения, нашедшая применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения. В аналоге измеряются два тока, которые преобразуются в пропорциональные напряжения, напряжение на объекте измерения и на резистивной мере-эталоне. Чтобы получить измерительную информацию, необходимую при вычислении комплексного сопротивления или проводимости, циклически по сигналам с персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) производится подключение измерительной цепи сначала к объекту измерения, а затем к резистивной мере с соответствующими переключениями фазы опорного напряжения с дискретностью где n - целое число. В результате каждого измерительного цикла получается напряжение, которое соответствует проекции вектора измеряемого напряжения на вектор фазосдвигающего опорного напряжения (симметричный прямоугольный меандр). Коды, несущие информацию о проекциях вектора измеряемого напряжения на вектор опорного напряжения, поступают в ПЭВМ для вычисления действительной и мнимой составляющих напряжений на объекте измерения и резистивной мере. Из описания видно, что схема измерения, использованная в аналоге, требует фазовых измерений и четырехпроводной схемы подключения измеряемого объекта. При использовании аналога для измерения параметров удаленного объекта измерения получается результат с большой погрешностью измерения. Это объясняется тем, что синусоидальное воздействие на удаленном объекте измерения получит неоднозначный фазовый сдвиг за счет влияния длинной линии, и поэтому по отношению к циклически фазосдвигающему опорному меандру синусоидальное воздействие будет иметь неопределенный фазовый сдвиг, что приведет к появлению значительной погрешности измерения.

К недостаткам аналогов можно отнести: отсутствие возможности определения массы, пониженную точность определения параметров удаленного на некоторое расстояние емкостного датчика уровня; низкое быстродействие в ряде случаев его использования, например, в устройствах сигнализации прохождения уровнем неэлектропроводной жидкости заданных высот бака.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному устройству прототипом является устройство определения уровня диэлектрического вещества, представленное в патенте Российской Федерации №2262668 (заявка: 2003129115/28, 01.10.2003), МПК G01F 23/26, G01R 17/00.

Устройство для измерения параметров диэлектрического вещества, содержащее генератор синусоидального напряжения, блок задания схемы замещения, эталон, первый выход которого подключен к первому входу блока переключения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), многоканальный блок переключения, первый измерительный вход подключен ко второму выходу эталона и выходу генератора синусоидального напряжения, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления по частоте, а измерительные входы с второго по (n+1)-ый подключены к соответствующим входам блока переключения, выход которого через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к первым выходам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а также к первому входу блока управления измерением, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам блока переключения, масштабного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также к первому входу блока управления по частоте и ко вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а управляющий выход блока управления измерением подключен к управляющему выходу блока управления режимами, выходы которого подключены соответственно к второму входу блока управления по частоте, к входу блока задания схемы замещения, к первому входу вычислителя полного приращения электрической емкости, к первому входу вычислителя уровня, к первому входу вычислителя текущего приращения электрической емкости и к входу блока управления переключением, выход которого подключен ко второму управляющему входу блока переключения, причем выход вычислителя электрической емкости подключен к второму входу вычислителя текущего приращения электрической емкости и к второму входу вычислителя полного приращения электрической емкости, выход которого подключен ко второму входу вычислителя уровня, а третий и четвертый входы вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления подключены соответственно к выходу блока задания схемы замещения и к второму выходу блока управления по частоте, причем выход вычислителя текущего приращения электрической емкости подключен к третьему входу вычислителя уровня, выход которого, а также выходы вычислителя активного сопротивления и блока управления переключением являются выходами устройства.

Представленный прототип определяет 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.

Емкостный датчик уровня, установленный в верхней части бака жидкостной ракеты, определяет параметры диэлектрического вещества без учета деформации бака, вызванной его криогенной температурой. Тем самым, влиянием криогенной температуры диэлектрического вещества вносится погрешность в измерении параметра, как следствие в определении массы диэлектрического вещества, заправленного в бак.

Кроме того, для выполнения полетной задачи жидкостной ракетой специалистами рассчитывается масса компонентов топлива (диэлектрического вещества), необходимая для вывода заданного полезного груза на заданную орбиту. Поэтому после определения уровня диэлектрического вещества, заправляемого в бак ракеты, специалистам приходится значение уровня заправленного диэлектрического вещества пересчитывать в значение его массы.

Таким образом, недостатками устройства прототипа являются:

- отсутствие возможности определения массы диэлектрического вещества, заправляемого в бак ракеты, что является более важным (существенным) параметром;

- недостаточная точность определения параметра диэлектрического вещества, так как прототип не учитывает влияния криогенной температуры диэлектрического вещества на конструкцию бака.

Техническим результатом устройства для измерения параметров диэлектрического вещества является расширение функциональных возможностей устройства, заключающееся в возможности определения массы диэлектрического вещества, а также в повышении точности определения массы диэлектрического вещества, заключающееся в учете влияния криогенной температуры на конструкцию заполняемого диэлектрическим веществом бака.

Технический результат достигается тем, что устройстве для измерения параметров диэлектрического вещества, содержащее генератор синусоидального напряжения, блок задания схемы замещения, эталон, первый выход которого подключен к первому входу блока переключения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, многоканальный блок переключения, первый измерительный вход подключен ко второму выходу эталона и выходу генератора синусоидального напряжения, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления по частоте, а измерительные входы со второго по (n+1)-ый подключены к соответствующим входам блока переключения, выход которого через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к первым выходам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а также к первому входу блока управления измерением, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам блока переключения, масштабного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также к первому входу блока управления по частоте и ко вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а управляющий выход блока управления измерением подключен к управляющему выходу блока управления режимами, выходы которого подключены соответственно к второму входу блока управления по частоте, к входу блока задания схемы замещения, к первому входу вычислителя полного приращения электрической емкости, к первому входу вычислителя уровня, к первому входу вычислителя текущего приращения электрической емкости и к входу блока управления переключением, выход которого подключен ко второму управляющему входу блока переключения, причем выход вычислителя электрической емкости подключен ко второму входу вычислителя текущего приращения электрической емкости и к второму входу вычислителя полного приращения электрической емкости, выход которого подключен ко второму входу вычислителя уровня, а третий и четвертый входы вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления подключены соответственно к выходу блока задания схемы замещения и ко второму выходу блока управления по частоте, причем выход вычислителя текущего приращения электрической емкости подключен к третьему входу вычислителя уровня, выход которого, а также выходы вычислителя активного сопротивления и блока управления переключением являются выходами устройства, отличающееся тем, что введен блок градуировки бака при температуре нормальных условий, выход которого подключен к первому входу блока пересчета градуировки бака при рабочей температуре, второй вход которого подключен к первому выходу блока определения рабочей температуры диэлектрического вещества, при этом второй выход подключен к входу определителя плотности диэлектрического вещества при рабочей температуре, выход которого подключен к первому входу вычислителя массы диэлектрического вещества, причем к входу блока рабочей температуры диэлектрического вещества подключен блок задания диапазона рабочей температуры диэлектрического вещества, выход вычислителя уровня подключен к блоку определения расстояния от уровня диэлектрического вещества до точки отсчета, выход которого подключен к первому входу блока аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре, выход блока пересчета градуировки бака при рабочей температуре подключен ко второму входу блока аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре, выход которого подключен ко второму входу вычислителя массы диэлектрического вещества, выход которого является выходом устройства.

Введение блока градуировки бака при температуре нормальных условий, выход которого подключен к первому входу блока пересчета градуировки бака для рабочей температуры, дает возможность провести градуировку топливного бака ракеты при температуре нормальных условий. Подключение выхода вычислителя уровня к блоку определения расстояния от уровня диэлектрического вещества до точки отсчета, который подключен ко второму входу блока аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре, второй вход которого подключен к выходу блока пересчета градуировки бака для рабочей температуры обеспечивают определение градуировки бака для рабочей температуры диэлектрического вещества, и учитывает влияние рабочей (криогенной) температуры диэлектрического вещества на конструкцию бака, тем самым позволяет обеспечить повышение точности определения уровня и массы и определить объем диэлектрической жидкости, заправленный в бак при его рабочей температуре.

Таким образом, заявленное устройство приобретает новое качество определения объема диэлектрического вещества при его рабочей температуре, которое, в свою очередь, необходимо для следующего этапа.

Подключение второго входа блока пересчета градуировки бака для рабочей температуры к первому выходу блока рабочей температуры диэлектрического вещества, второй выход которого подключен к входу определителя плотности диэлектрического вещества для рабочей температуры, выход которого подключен к первому входу вычислителя массы диэлектрического вещества, а выход блока аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре подключен ко второму входу вычислителя массы, выход которого является выходом устройства обеспечивают определение массы диэлектрического вещества, заправленного в бак при его рабочей температуре. Таким образом, заявленное устройство приобретает новое качество определения массы диэлектрического вещества при его рабочей температуре.

Суть изобретения поясняется графическими материалами, на которых приведены:

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства измерения параметров диэлектрического вещества.

На фиг. 2 представлен алгоритм измерения уровня диэлектрического вещества.

На фиг. 3 представлен алгоритм перехода от измерения уровня диэлектрического вещества к измерению массы диэлектрического вещества.

На фиг. 4 представлен алгоритм измерения токов через емкостный датчик уровня и эталон.

Представленная на фиг. 1 функциональная схема устройства для определения параметров двухполюсника содержит n-емкостных датчиков уровня 1, генератор 2 синусоидального напряжения, соединенный с эталоном 3, выход которого через последовательно соединенные блок 4 переключения, преобразователь 5 ток-напряжение, масштабный 6 усилитель и аналого-цифровой 7 преобразователь, подключен к входам блока 8 управления измерением и вычислителям электрической емкости датчика 9 и его активного сопротивления 10 соответственно, выходы блока 8 управления измерением подключены к управляющим входам ключа, масштабного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, вычислителям электрической емкости и активного сопротивления датчика и к входу блока 11 управления по частоте, выходы которого подключены к управляющему входу генератора синусоидального напряжения и к вычислителям электрической емкости и активного сопротивления датчика, блок 12 задания схемы замещения подключен также к вычислителям 9, 10 электрической емкости и активного сопротивления, блок 13 управления режимами соединен с блоком 11 управления по частоте, с вычислителем 14 полного приращения электрической емкости, вычислителем 15 текущего приращения электрической емкости, вычислителем 16 уровня и блоком 17 управления переключением, а вычислитель 9 электрической емкости датчика через вычислитель 15 текущего приращения электрической емкости подключен к вычислителю 16 уровня, а выходы вычислителя 10 активного сопротивления, вычислителя 16 уровня и блока 17 управления переключением каналов являются выходами устройства, выход вычислителя 16 уровня подключен к блоку 18 определения расстояния от уровня диэлектрического вещества до точки отсчета, блок 19 градуировки бака при температуре нормальных условий подключен к блоку 20 пересчета градуировки бака при рабочей температуре, который подключен ко второму входу блока 21 аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре, блок 22 задания диапазона рабочей температуры диэлектрического вещества подключен к блоку 23 рабочей температуры диэлектрического вещества, который подключен к определителю 24 плотности диэлектрического вещества при рабочей температуре, выход которого подключен к первому входу вычислителя 25 массы, выход которого является выходом устройства. Причем n-емкостных датчиков уровня подключены к измерительным 26 и 27-1, …, 27-n входам через экранированную кабельную линию 28 связи. Экраны линии связи у измерительных входов соединены и подключены к земляной клемме генератора синусоидального напряжения.

Работу устройства рассмотрим на примере измерения параметров (уровня) диэлектрического вещества, в качестве которого использован, например, жидкий кислород, в баках многоступенчатой ракеты. Емкостные датчики уровня, подключенные с помощью линии 20 связи, удалены от устройства на расстояние 500 метров. Электрическая емкость сухого датчика уровня пусть составляет 500 пФ, а паразитная электрическая емкость жила- экран кабельной линии связи, в качестве которой может быть использован, например, кабель РК 75, может составлять порядка 30000 пФ. Электрическая схема замещения емкостного датчика уровня соответствует параллельно соединенным электрической емкости Ср и активному сопротивлению R. Активная составляющая полного сопротивления емкостного датчика уровня определяется состоянием сопротивления изоляции кабельной линии связи, жидкого кислорода и влажностью газовой подушки топливного бака. Значение активной составляющей может находиться в пределах от 200 кОм до 20 мОм. Поэтому учет этой составляющей при определении комплексного сопротивления емкостного датчика уровня имеет принципиальное значение для точности измерения параметров (уровня) заправки и соответственно массы жидкого кислорода, заправляемого в бак.

Представленный на фиг. 2 и на фиг. 3 алгоритм измерения параметров диэлектрического вещества обеспечивает пояснение работы устройства согласно фиг.1. Блоки, выделенные пунктиром и включающие ту или иную функцию алгоритма, указывают на принадлежность этой функции в охватываемом блоке.

Согласно алгоритму фиг. 2 работа устройства состоит из двух режимов:

- режим настройки устройства, который заключается в измерении через кабельную линию связи токов через каждый датчик и эталон с последующим вычислением с использованием измеренных значений токов реальной электрической емкости каждого сухого (незаполненного диэлектрическим веществом) емкостного датчика уровня. Затем вычисляется полное приращение электрической емкости полностью погруженного в диэлектрическое вещество каждого датчика. При вычислении указанного расчетного значения электрической емкости используется вычисленное значение электрической емкости сухого датчика и заданные значения диэлектрической проницаемости окислителя, горючего и газовой подушки. Причем все измеренные и расчетные значения величин сохраняются в памяти функциональных блоков устройства;

- режим измерения параметров (уровня), который заключается в измерении через кабельную линию связи токов через каждый датчик и эталон с последующим вычислением с использованием измеренных значений токов реальной, текущей электрической емкости каждого заполняемого диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня. Затем вычисляется текущее приращение электрической емкости каждого заполняемого датчика, после чего вычисляется относительное заполнение каждого емкостного датчика (вычисляется уровень).

Блок 13 управления режимами устанавливает режим настройки устройства.

В этом случае:

- в блок 8 управления измерением выдается число необходимых измерений, в данном случае 2 для каждого датчика, так как емкостный датчик уровня является двухэлементным двухполюсником. Полученные в процессе измерения значения токов через каждый датчик и эталон будут использованы в дальнейшем для вычисления реальной сухой электрической емкости каждого датчика в режиме настройки и для вычисления реальной текущей электрической емкости каждого датчика в режиме измерения параметров (уровня) (при заполнении каждого датчика диэлектрическим веществом);

- в блок 11 управления по частоте задаются значения частот ω₁, ω₂, на которых будут производится измерения токов;

- в вычислитель 14 полного приращения электрической емкости выдаются значения диэлектрических проницаемостей окислителя или горючего, а также диэлектрические проницаемости газовой среды, находящейся в газовой подушке. Эти параметры необходимы для получения расчетных значений полного приращения электрической емкости каждого емкостного датчика, полностью погруженного в соответствующее диэлектрическое вещество.

- Блок 12 выдачи схемы замещения выдает в вычислитель 9 электрической емкости и вычислитель 10 активного сопротивления соответственно расчетные зависимости следующего вида, которые в вышеназванных блоках фиксируются:

где: ω₁, ω₂ - величины известные и задаются блоком 11 управления по частоте; R_ЭТ - величина известная и задается блоком 12 задания схемы замещения; I_ω1, I_ω2 - значения токов, которые необходимо измерять, как в процессе настройки, так и в процессе измерения;

- в блок 17 управления переключением задается количество подключенных к устройству емкостных датчиков уровня, а также выдается сигнал, по которому блок 17 через блок 4 переключения управляет подключением к измерительной цепи преобразователя 5 ток-напряжение второго измерительного входа (первого емкостного датчика уровня).

После того, как блок 13 управления режимами осуществил приведение устройства в исходное состояние, необходимое для выполнения процесса его настройки, начинается процесс настройки.

В этом случае согласно фиг. 2 блок 8 управления измерением осуществляет измерение и фиксирование тока через первый емкостный датчик уровня и эталон в соответствии с алгоритмом фиг. 4. Блок 8 управления измерением, которому задано блоком 13 управления режимами число измерений (в данном случае 2), выставляет в блок 11 управления по частоте сигнал установки первой частоты, на которой должны быть проведены измерения токов через первый емкостный датчик уровня и эталон 3. Согласно фиг. 4 блок 8 присваивает индексу текущей частоты измерения i значение 1 и выставляет в блок 11 управления по частоте соответствующий сигнал. После чего, блок 11 управления по частоте выставляет и фиксирует в вычислителе 9 электрической емкости и в вычислителе 10 активного сопротивления значение первой частоты а*, а на управляющий вход генератора 2 синусоидального напряжения сигнал, согласно которому последний на выходе формирует напряжение заданной первой частоты ω_i. Генератор синусоидального напряжения может быть выполнен в данном случае на операционном усилителе, в обратную связь которого включен мост Вина. Изменение частоты может быть реализовано через управление параметрами времязадающей цепи генератора. Другим примером выполнения генератора может быть его выполнение на микросхеме ХС25200 Xilinx, которая запрограммирована на формирование многоступенчатого сигнала с последующей его подачей на низкочастотный фильтр. Напряжения заданной первой частоты Uω_i поступает на измерительные входы устройства для питания подключенного емкостного датчика уровня и эталона. Далее блок 8 управления измерением устанавливает j положения ключа блока 4 переключения. Положений у ключа 2, a j присваивается значение 1. Согласно этому первый или текущий емкостный датчик уровня отключен от измерительной цепи, а вместо него к измерительной цепи подключен эталон 3. В качестве эталона может быть использован резистор сопротивлением R_ЭТ. Через эталон протекает ток, по измеренному значению которого определяется выходное напряжение генератора 2 синусоидального напряжения согласно выражению

Значение тока измеряется следующим образом. Согласно фиг.1 ток через эталон с выхода блока 4 переключения поступает через преобразователь 5 ток-напряжение на вход масштабного 6 усилителя. Масштабный усилитель обеспечивает усиление напряжения в соответствии с масштабом, который ему задает блок 8 управления измерением. Процесс масштабирования усилителя 6 показан на фиг. 4. С выхода масштабного усилителя напряжение поступает на вход аналого-цифрового 7 преобразователя интегрирующего типа. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выполнен в виде двухтактного интегратора. Выбор такого вида АЦП обусловлен, прежде всего, высокой линейностью характеристики, большой разрешающей способностью и хорошим подавлением высокочастотной помехи. АЦП работает в два такта, первый такт заряд интегратора, второй такт его разряд. В первый такт происходит интегрирование входного сигнала, являющийся периодической функцией, во втором такте происходит интегрирование сигнала от источника опорного напряжения. Разрешающая способность АЦП, определяющая разрешающую способность устройства в целом, пропорциональна времени второго такта (разряда интегратора), а также частоте заполняющих импульсов. Управление переключением тактов АЦП и подачу заполняющих импульсов осуществляет блок 8 управления измерением. Оцифрованное значение измеренного тока поступает в вычислитель 9 электрической емкости, в вычислитель 10 активного сопротивления для дальнейшего его использования в вычислениях согласно выражениям (1) и (2) и в блок 8 управления измерением для управления масштабом усиления. Управление масштабом усиления направлено на повышение точности работы АЦП. Масштабирование построено таким образом, что цифровое значение снимаемого с АПЦ сигнала не должно превышать половины емкости АЦП. Исходя из этого, для примера реализации изобретения предложен алгоритм, представленный на фиг. 2 и на фиг. 4. Согласно этому алгоритму анализируется число а, которое равно отношению значения полной емкости АЦП к цифровому значению измеренного тока. Исходя из вычисленного значения числа а, выбирается один из четырех масштабов (8; 4; 2; 1). После того, как определен масштаб усиления измеряемого тока, в вычислителе 9 электрической емкости и в вычислителе 10 активного сопротивления производится фиксирование его значения с масштабом измерения, предназначенное для дальнейших операций по определению параметров емкостного датчика уровня. Далее согласно фиг. 4 если j не равно 2, то его значение в блоке 8 управления измерением увеличивается на единицу и там же формируется управляющий сигнал на переключение ключа блока 4 переключения во второе положение. Это соответствует тому, что эталон отключается и подключается к измерительной цепи емкостный датчик уровня. Через емкостный датчик уровня протекает ток, значение которого определяется выражением

Далее процедура измерения тока через емкостный датчик уровня определяется действиями, описанными при измерении тока через эталон. После того, как измеренное значение тока через емкостный датчик уровня будет зафиксировано в вычислителе 9 электрической емкости и вычислителе 10 активного сопротивления, алгоритм согласно фиг. 4 перейдет к анализу условия, в котором j равно 2. Так как ключ блока 4 переключения находится во втором положении, то условие будет выполнено и алгоритм перейден к анализу следующего условия, в котором будет осуществлен анализ текущей частоты измерения. Так как измерение производилось на первой частоте, то условие не будет выполнено, и алгоритм перейдет к выполнению действия по установке второй частоты ω_i. В результате будет выполнено действие i:-=i+1 и блок 8 управления измерением выставит сигнал об установке второй частоты со,. По этому сигналу блок И управления по частоте формирует сигнал в генератор 2 синусоидального напряжения, для того, чтобы установить вторую частоту, предназначенную для питания емкостного датчика уровня или эталона. Одновременно блок 11 управления по частоте выставляет и фиксирует в вычислителе 9 электрической емкости и в вычислителе 10 активного сопротивления значение второй частоты, которая в дальнейшем используется для расчета параметров двухполюсника. После этого блок 8 управления измерением инициирует измерение. Процедура измерения токов на второй частоте повторяется согласно вышеописанному.

После того, как число измерений i будет равно 2, то условие последнего блока алгоритма согласно фиг. 4 будет выполнено и цикл завершится. Это будет соответствовать завершению процедуры измерения тока через первый емкостный датчик уровня. Затем согласно алгоритму фиг. 2 алгоритм осуществляет вычисление в блоках 9 и 10 значений электрической емкости и активного сопротивления первого емкостного датчика уровня. Результаты вычисления значения электрической емкости из блока 9 поступают в блок 14 вычисления полного приращения электрической емкости и в блок 15 вычисления текущего приращения электрической емкости, в которых фиксируются по команде из блока 13 управления режимами в ячейках памяти соответствующих номеру подключенного измерительного входа. Вычисленное значение активного сопротивления с выхода блока 10 поступает на выход R устройства. Значение активного сопротивления характеризует состояние наземной и бортовой кабельной сетей и анализируется сопрягаемой с устройством аппаратурой на соответствие требуемых эксплуатационных характеристик.

По управляющему сигналу блока 13 управления режимами в вычислителе 14 полного приращения электрической емкости осуществляется вычисление полного приращения электрической емкости емкостного датчика уровня полностью погруженного в диэлектрическое вещество по следующей зависимости:

С_СУХ - электрическая емкость сухого емкостного датчика уровня, вычисленная по зависимости (1);

ε_Ж - диэлектрическая проницаемость диэлектрического вещества;

ε_Г - диэлектрическая проницаемость газовой подушки, расположенной в баке ракеты над диэлектрическим веществом. Результаты вычисления полного приращения электрической емкости фиксируются в вычислителе 16 уровня в ячейке памяти соответствующей номеру измеряемого входа (номеру емкостного датчика уровня).

В дальнейшем осуществляется переход к анализу условия i=n. Условие не будет выполнено, так как был подключен второй измерительный вход (первый емкостный датчик уровня). Поэтому блок 17 управления переключением перейдет к выполнению действия i = i+1, который через блок 4 переключения отключит второй измерительный вход и подключит третий измерительный вход. Подключение выхода блока управления режимами к входу блока управления переключением, выход которого подключен к второму управляющему входу блока переключения, обеспечивают последовательное подключение измерительных входов устройства к измерительной цепи преобразователя ток-напряжение, тем самым, обеспечивают повышение эффективности устройства, последовательно подключая к устройству совокупность емкостных датчиков уровня. Дальнейшая работа устройства будет соответствовать вышеописанным действиям до тех пор, пока не будет выполнено условие i=n, т.е. пока не будут вычислены значения электрических емкостей сухих датчиков уровня и вычислены значения электрических емкостей, полностью погруженных в диэлектрическое вещество всех n-датчиков уровня, последовательно подключаемых через кабельную сеть 20 к измерительным входам. При выполнении условия i=n заканчивается режим настройки устройства и переходит к выполнению измерения параметров (уровня) диэлектрического вещества. В режиме измерения параметров (уровня) вычислитель 14 полного приращения электрической емкости выключается, так как эта функция на этом режиме не используется. Вычисленные значения электрической емкости полностью погруженных емкостных датчиков зафиксированы в вычислителе 16 уровня и будут использованы при вычислении параметров (уровня) по каждому емкостному датчику на режиме измерения параметров (уровня).

Блок 13 управления режимами устанавливает режим измерения параметров (уровня) диэлектрического вещества и в блоке 17 управления переключением присваивает i значение 1. Блок 17 управления переключением через блок 4 переключения подключает к измерительной цепи первый измерительный вход. После этого блок 13 управления режимами формирует в блок 8 управления измерением сигнал, по которому последний начинает измерения токов через заполняемый диэлектрическим веществом первый емкостный датчик уровня и эталон. Процедура измерения токов через емкостный датчик уровня и эталон осуществляется блоками 5, 6, 7 и 8 представлена алгоритмом согласно фиг. 4 и аналогична вышеописанному.

После того, как процесс измерения токов через емкостный датчик уровня и эталон будет завершен, согласно алгоритму фиг. 2 происходит переход к вычислению текущего значения электрической емкости заполняемого датчика уровня и его активного сопротивления, используя при этом измеренные значения токов через емкостный датчик уровня и эталон. Вышеуказанные процедуры выполняются блоками 9 и 10. Вычисленное значение электрической емкости заполняемого датчика С_ТЕК с выхода блока 9 поступает в вычислитель 15 текущего приращения электрической емкости, в котором вычисляется и фиксируется значение приращения электрической емкости датчика в ячейке памяти, соответствующей номеру измерительного входа. Значение приращения электрической емкости заполняемого датчика вычисляется по следующей зависимости:

где С_ТЕК вычисленное на базе измеренных токов текущее значение электрической емкости заполняемого диэлектрическим веществом датчика уровня. Аналитическая зависимость электрической емкости заполняемого датчика может быть представлена выражением

где h - текущая высота погружения емкостного датчика уровня в диэлектрическое вещество;

H - высота полного погружения датчика в диэлектрическое вещество.

Вычисленное значение активного сопротивления заполняемого диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня с выхода блока 10 поступает на R выход устройства и используется для оценки состояния датчика и его кабельной сети.

Затем по управляющему воздействию блока 13 управления режимами вычислитель 16 уровня производит вычисление относительного заполнения диэлектрическим веществом емкостного датчика уровня, а вычислитель 15 выставляет в вычислитель 16 значение текущего приращения электрической емкости ΔС_ТЕК заполняемого датчика уровня.

Вычислитель 16 уровня производит его вычисление по следующей зависимости:

Значение полного приращения электрической емкости полностью погруженного датчика занесено в память вычислителя 16 уровня в режиме настройки устройства.

Соединение вычислителя 9 электрической емкости с вычислителем 14 полного приращения электрической емкости и вычислителем 15 текущего приращения электрической емкости, а также соединение вычислителя 15 и вычислителя 14 с вычислителем 16 уровня, обеспечивают реализацию выражения (8). Следует учесть, что вычисления сухой электрической емкости, полного приращения электрической емкости и текущего приращения электрической емкости произведено с учетом влияния длинной линии связи одним и тем же средством измерения. Это обстоятельство обеспечивает исключение влияния линии связи на результат вычисления параметров (уровня). Из аналитической зависимости (8) это следует очевидным образом, С_СУХ и С_ТЕК определялись с учетом влияния линии связи, С_ПР также определялось с учетом влияния линии связи. Поэтому в отношении согласно выражению (8) влияние линии связи практически исключается.

Таким образом, вышеописанная совокупность блоков характеризует работу устройства, как инвариантную по отношению к линии связи.

Значение параметров (уровня) h/H заполнения емкостного датчика подается на выход устройства, с которым сопрягается аппаратура стартового комплекса, управляющая подачей через наземное технологическое оборудование компонентов топлив (диэлектрических веществ) в баки ракеты.

Согласно алгоритму осуществляется переход к анализу условия i=n. Условие не будет выполнено, так как был подключен первый измерительный вход. В дальнейшем осуществляется переход к выполнению действия i = i+1 в блоке 17 управления переключением, который через блок 4 переключения отключит первый измерительный вход и подключит второй измерительный вход. Дальнейшая работа устройства будет соответствовать вышеописанным действия до тех пор, пока не будет выполнено условие i=n, т.е. пока не будут вычислены значения параметров (уровня) заполнения диэлектрическим веществом каждого емкостного датчика уровня.

При выполнении условия i-n блок 13 управления режимами присвоит в блоке 17 управления переключением i значение единица, в результате чего последний через блок 4 переключения подключит первый измерительный вход и процесс измерения параметров (уровня) заполнения каждого емкостного датчика уровня повторится вновь. Процедура циклического измерения заполнения каждого датчика уровня диэлектрическим веществом будет продолжаться до тех пор, пока каждый бак ракеты не будет заправлен до требуемого согласно полетного задания уровня.

Представленные на фиг. 2, 4 алгоритмы работы устройства иллюстрируют действия, которые направлены на вычисление выражений с (1) по (7).

Согласно фиг. 1, после получения значения параметров (уровня) диэлектрического вещества осуществляется переход к фиг. 3.

Вводим данные блока 19, тем самым задаем градуировку бака при температуре нормальных условий. Следом вводим блок 22 и задаем диапазон рабочей температуры диэлектрического вещества, из которого в дальнейшем определяется рабочая температура диэлектрического вещества на момент окончания заправки, которую мы вводим в соответствии с блоком 23. С помощью данных о температуре диэлектрического вещества определяем плотность диэлектрического вещества в соответствии с блоком 24.

Дальше реализуется блок 20. Проводится перерасчет градуировки при рабочей температуре диэлектрического вещества. Пересчет заданных значений уровня осуществляют следующим образом:

где - высота уровня жидкости при фактической температуре, при проведении градуировки, мм;

- высота уровня жидкости при температуре плюс 15°С, мм;

α - коэффициент линейного расширения материала оболочки бака (равный 0,000025 для пересчета от температуры жидкости при градуировке к температуре плюс 15°C;

п - число заданных уровней необходимых для градуировки бака;

t - температура жидкости при градуировке, °C.

Полученные расчетным путем значения уровней для рабочей температуры фиксируют, занося их в паспорт на бак.

По измеренным значениям объема технологического вещества, полученных при градуировке бака при температуре нормальных условий, рассчитывают и фиксируют объем, которое будет занимать диэлектрическое вещество, при его рабочей температуре. Пересчет измеренных значений объемов осуществляют следующим образом:

где - объем полностью собранного бака «О» для каждого уровня при температуре, к которой ведется пересчет, л;

- объем полностью собранного бака «О» для каждого уровня при температуре плюс 15°C, л;

а - коэффициент линейного расширения материала оболочки бака (равный 0,000025 для пересчета от температуры жидкости при градуировке к температуре плюс 15°C;

t - температура жидкости при градуировке, °C.

Полученные расчетным путем значения объемов для рабочей температуры фиксируют, занося их в паспорт на бак.

В блоке 18 производится определение расстояния от уровня диэлектрического вещества до точки отсчета.

Информация с блоков 18 и 20 необходима для проведения аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре.

Значения зависимости V(h) между интервалами, полученными при градуировке определяют методом линейной интерполяции:

где: V_интерп искомое интерполированное значение объёма для заданного значения расстояния h'_{заданное}, находящегося между двумя градуировочными точками в которых измеренное значение объёма составляет V₁ и V₂ соответственно;

h' - расстояние от точки отсчета замера до текущего значения уровня компонента.

Имея данные о плотности диэлектрического вещества из блока 24 и объем из блока 21 рассчитываем массу заправленного диэлектрического вещества, блок 25, согласно зависимости

где: m - масса заправленной в бак диэлектрической жидкости;

ρ - плотность диэлектрической жидкости при температуре на момент окончания заправки;

V - объем заправленной в бак диэлектрической жидкости.

Полученное значение т является одним из выходов устройства.

Совокупность таких признаков, характеризующих соединение блока 19 градуировки бака при температуре нормальных условий, блока 20 пересчета градуировки бака при рабочей температуре, блок 22 задания диапазона рабочей температуры диэлектрического вещества, блока 23 определения рабочей температуры диэлектрического вещества, а также введение блока 18 определения расстояния от уровня диэлектрического вещества до точки отсчета, который вместе с блоком 20 подключены к блоку 21 аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре обеспечивают определение градуировки бака для рабочей температуры диэлектрического вещества и, учитывая влияние рабочей (криогенной) температуры диэлектрического вещества на конструкцию бака, тем самым, обеспечивать повышение точности определения уровня и массы и определение объема, заправленной в бак, диэлектрической жидкости при его рабочей температуре.

Таким образом, заявленное устройство приобретает новое качество определения объема диэлектрического вещества при его рабочей температуре.

По заданной в блоке 23 рабочей температуры диэлектрического вещества на момент окончания заправки в определителе 24 плотности диэлектрического вещества мы получаем плотность диэлектрического вещества, после чего рассчитываем массу диэлектрического вещества в вычислителе 25 массы диэлектрического вещества в результате обеспечивают определение массы диэлектрического вещества, заправленного в бак при его рабочей температуре. Таким образом, заявленный способ приобретает новое качество определения массы диэлектрического вещества при его рабочей температуре.

Заявленное устройство апробировано на макетном изделии. В настоящий момент авторами создается система измерения уровня заправки ракетного блока, которая предназначена для модернизации наземной аппаратуры одной из стартовых пусковых установок.

Используемая литература

1. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель- анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ. Измерительная техника. 1996, №6, с56-60.

2. К.Б. Карандеев, Ф.Б. Гриневич, А.И. Новик. Емкостные самокомпенсированный уровномеры. М:, издательство «Энергия», 1966, с, - 135.

3. А.И. Новиков. «Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока», Киев:, Наукова Думка, 1983, с. 9-10.

4. Патент РФ №2025666, MHK: G01F 23/26, «Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)».

5. Патент РФ №2262668 (заявка: 2003129115/28, 01.10.2003), МПК G01F 23/26, G01R 17/00, «Устройство определения уровня диэлектрического вещества».

6. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Пол ред. Проф. М.П. Малкова. Издание третье переработанное и дополненное. М:, Энергоатомиздат. 1985.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников. Сущность заявленного решения заключается в том, что введен блок градуировки бака при температуре нормальных условий, выход которого подключен к первому входу блока пересчета градуировки бака при рабочей температуре, второй вход которого подключен к первому выходу блока определения рабочей температуры диэлектрического вещества, при этом второй выход подключен к входу определителя плотности диэлектрического вещества при рабочей температуре, выход которого подключен к первому входу вычислителя массы диэлектрического вещества, причем к входу блока рабочей температуры диэлектрического вещества подключен блок задания диапазона рабочей температуры диэлектрического вещества, выход вычислителя уровня подключен к блоку определения расстояния от уровня диэлектрического вещества до точки отсчета, выход которого подключен к первому входу блока аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре, выход блока пересчета градуировки бака при рабочей температуре подключен ко второму входу блока аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре, выход которого подключен ко второму входу вычислителя массы диэлектрического вещества, выход которого является выходом устройства. Техническим результатом при реализации заявленного решения является расширение функциональных возможностей устройства, заключающееся в возможности определения массы диэлектрического вещества, а также в повышении точности определения массы диэлектрического вещества, заключающееся в учете влияния криогенной температуры на конструкцию заполняемого диэлектрическим веществом бака. 4 ил.

Устройство для измерения параметров диэлектрического вещества, содержащее генератор синусоидального напряжения, блок задания схемы замещения, эталон, первый выход которого подключен к первому входу блока переключения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, многоканальный блок переключения, первый измерительный вход подключен ко второму выходу эталона и выходу генератора синусоидального напряжения, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления по частоте, а измерительные входы со второго по (n+1)-й подключены к соответствующим входам блока переключения, выход которого через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к первым выходам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а также к первому входу блока управления измерением, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам блока переключения, масштабного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также к первому входу блока управления по частоте и ко вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а управляющий выход блока управления измерением подключен к управляющему выходу блока управления режимами, выходы которого подключены соответственно к второму входу блока управления по частоте, к входу блока задания схемы замещения, к первому входу вычислителя полного приращения электрической емкости, к первому входу вычислителя уровня, к первому входу вычислителя текущего приращения электрической емкости и к входу блока управления переключением, выход которого подключен ко второму управляющему входу блока переключения, причем выход вычислителя электрической емкости подключен ко второму входу вычислителя текущего приращения электрической емкости и к второму входу вычислителя полного приращения электрической емкости, выход которого подключен ко второму входу вычислителя уровня, а третий и четвертый входы вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления подключены соответственно к выходу блока задания схемы замещения и ко второму выходу блока управления по частоте, причем выход вычислителя текущего приращения электрической емкости подключен к третьему входу вычислителя уровня, выход которого, а также выходы вычислителя активного сопротивления и блока управления переключением являются выходами устройства, отличающееся тем, что введен блок градуировки бака при температуре нормальных условий, выход которого подключен к первому входу блока пересчета градуировки бака при рабочей температуре, второй вход которого подключен к первому выходу блока определения рабочей температуры диэлектрического вещества, при этом второй выход подключен к входу определителя плотности диэлектрического вещества при рабочей температуре, выход которого подключен к первому входу вычислителя массы диэлектрического вещества, причем к входу блока рабочей температуры диэлектрического вещества подключен блок задания диапазона рабочей температуры диэлектрического вещества, выход вычислителя уровня подключен к блоку определения расстояния от уровня диэлектрического вещества до точки отсчета, выход которого подключен к первому входу блока аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре, выход блока пересчета градуировки бака при рабочей температуре подключен ко второму входу блока аппроксимации соседних значений объемов при рабочей температуре, выход которого подключен ко второму входу вычислителя массы диэлектрического вещества, выход которого является выходом устройства.