Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества

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. Сущность: устройство для измерения уровня диэлектрического вещества содержит первый и второй измерительные входы, генератор синусоидального напряжения, блок задания схемы замещения, эталон, первый вывод которого подключен к первому входу блока переключения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Блок переключения выполнен многоканальным, первый измерительный вход подключен к второму выводу 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)-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 к вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а управляющий вывод блока управления измерением подключен к управляющему выводу 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 к 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 к 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. Технический результат: повышение точности измерений, исключение влияния длинной линии связи на результат измерений, повышение технологичности и эффективности измерения уровня. 6 ил.

 

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.

В качестве аналога выбрано устройство "Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)", описанный в патенте РФ №2025666, кл. G 01 F 23/26, включает группу измерительных емкостных датчиков, генератор переменного напряжения, два коммутатора, два преобразователя ток-напряжение, вычитающее устройство, синхронный детектор, компаратор, два триггера, дифференциатор, тактовый генератор, схему совпадения, счетчик импульсов, сумматор и цифровой индикатор. Причем каждый измерительный датчик выполнен в виде двух плоскопараллельных конденсаторов с неодинаковыми площадями электродов, которые располагаются горизонтально и симметрично относительно средних линий датчиков. Кроме того, вместо компараторов тока трансформаторного типа использовано вычитающее устройство, которое может быть построено на интегральной микросхеме.

Другим аналогом является устройство, описанное в книге "Емкостные самокомпенсированные уровнемеры", авторов К.Б.Карандеева, Ф.Б.Гриневича, А.И.Новика, Москва, издательство "Энергия", 1966, с.28. Описанный здесь уровнемер является автоматическим уравновешивающим мостом с тесной индуктивной связью. В плечи моста включены емкостной датчик уровня и компенсационные конденсаторы, величины которых выбираются оператором при настройке устройства на конкретный емкостной датчик уровня и диэлектрическое вещество. Сложение токов от конденсаторов и емкостного датчика осуществляются на суммирующем измерительном трансформаторе с тесной индуктивной связью. Условием равновесия измерительной схемы с тесной индуктивной связью является достижение минимума суммы токов (в идеальном случае равенство нулю), протекающих через емкостной датчик и компенсационные конденсаторы. При этом отношение числа витков тесно связанных индуктивных плеч определяет относительное заполнение (уровень) емкостного датчика уровня диэлектрическим веществом.

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:

- удаленность до 500 метров емкостного датчика уровня 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;

- 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 измерения, тем меньше потребные гарантийные запасы топлива, тем выше эффективность ракеты, позволяющей вывести большую полезную нагрузку;

- требование высокой технологичности подготовки ракеты, исключающее процедуру предварительной настройки средства измерения человеком-оператором, а также позволяющую работу одного средства измерения с несколькими емкостными датчиками уровня ракеты поочередно;

- высокое быстродействие измерения уровня диэлектрического вещества, позволяющее расширить функциональные возможности устройства и использовать его аналогичным образом в уровнемере бортовой терминальной системы автоматического управления, которой является система управления расходом топлива ракеты.

К недостаткам аналогов можно отнести: 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; недостаточно высокую технологичность подготовки ракеты, в связи с необходимостью предварительной настройки аппаратуры оператором, невозможностью работы одного средства измерения с несколькими емкостными датчиками уровня поочередно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному устройству является 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 первый и второй измерительные входы, генератор синусоидального напряжения, блок задания схемы замещения, эталон, первый вывод которого подключен к первому входу блока переключения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь.

В прототипе 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 прототипе измеряются два комплексных 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 прототипе, требует фазовых измерений и четырехпроводной схемы подключения измеряемого объекта. При использовании прототипа 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.

При использовании прототипа для определения уровня диэлектрического вещества с помощью емкостного датчика уровня, удаленного на достаточно большое расстояние (до 500 метров) от средства измерения, получается результат с повышенной степенью погрешности. Низкая технологичность и недостаточная точность и эффективность измерения прототипа обусловлена следующим:

- устройство-прототип не обладает инвариантностью по отношению к длинной линии связи между средством измерения и емкостным датчиком уровня, т.е. не исключает влияния длинной линии связи на результат измерения уровня диэлектрического вещества;

- прототип измеряет комплексный ток через емкостной датчик уровня, который не учитывает значения параметров диэлектрического вещества (диэлектрические проницаемости вещества и газовой среды над веществом, включая их температуру, изменение геометрических размеров емкостного датчика уровня из-за воздействия на него криогенной температуры). Исходя из этого перед технологическим процессом заправки требуется предварительная настройка средства измерения на заданные параметры определения уровня заправки для каждого датчика уровня индивидуально;

- прототип может работать только с одним емкостным датчиком уровня, что характеризует его недостаточную эффективность при наличии большого числа датчиков. Кроме того, прототип имеет четырехпроводную схему подключения измеряемого двухполюсника-датчика к средству измерения, что неприемлемо в ракетной технике из-за увеличения бортовых весов.

Таким образом, недостатками прототипа являются:

- низкая точность измерения уровня диэлектрического вещества на достаточно удаленном от средства измерения емкостном датчике уровня;

- низкая технологичность определения уровня, связанная с предварительной настройкой средства измерения на заданные параметры заправки;

- недостаточная эффективность, связанная с работой прототипа только с одним емкостным датчиком и увеличенные бортовые веса, связанные с четырехпроводной схемой подключения емкостного датчика уровня.

Задачей устройства измерения уровня диэлектрического вещества является повышение точности его измерения, заключающееся в исключении влияния длинной линии связи на результат измерения, а также повышении технологичности и эффективности измерения уровня, заключающейся в полной автоматизации процесса измерения уровня и работы устройства с несколькими емкостными датчиками уровня.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для измерения уровня диэлектрического вещества, содержащем первый и второй измерительные входы, генератор синусоидального напряжения, блок задания схемы замещения, эталон, первый вывод которого подключен к первому входу блока переключения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, в отличие от прототипа блок переключения выполнен многоканальным, первый измерительный вход подключен к второму выводу 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)-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 к вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а управляющий вывод блока управления измерением подключен к управляющему выводу 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 к 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 к 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.

Признаки, характеризующие подключение емкостных датчиков уровня через измерительные входы, с одной стороны, через блок переключения к входу преобразователя ток-напряжение, с другой стороны, к выходу генератора синусоидального напряжения, обеспечивают исключение влияния большой паразитной емкости кабельной линии связи на точность измерения его параметров. Это объясняется тем, что преобразователь ток-напряжение, имеющий нулевое входное сопротивление, шунтирует со своей стороны паразитную емкость кабельной линии связи и она не оказывает влияния на процесс определения параметров. С другой стороны, генератор синусоидального напряжения имеет очень малое выходное сопротивление и паразитная емкость линии связи также не оказывает влияния на ток через рабочую емкость датчика уровня. Указанные отличительные от прототипа признаки придают устройству новое качество, позволяющее проводить измерения параметров емкостного датчика уровня, удаленного от средства измерения через линию связи.

Совокупность признаков, характеризующих соединение блока управления по частоте с генератором синусоидального напряжения и с вычислителем электрической емкости датчика, а также соединение последнего блока через коммутатор режимов с вычислителем полного приращения электрической емкости датчика уровня, полностью погруженного в диэлектрическое вещество, обеспечивает автоматизацию процесса настройки средств измерения и достижение повышения технологичности.

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

На фиг.2 представлен алгоритм измерения уровня диэлектрического вещества.

На фиг.3 представлен алгоритм измерения комплексных токов через емкостной датчик уровня и эталон.

На фиг.4 представлен алгоритм вычисления параметров емкостного датчика уровня С и R.

На фиг.5 представлен алгоритм извлечения квадратного корня из числа.

На фиг.6 представлен алгоритм численной процедуры извлечения квадратного корня из числа X.

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. Емкостные датчики уровня через измерительные входы 18, 19-1, ..., 19-n подключены к блоку 4 переключения, а выходы блока 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. Причем n емкостных датчиков уровня подключены к измерительным 18 и 19-1, ..., 19-n входам через экранированную кабельную линию 20 связи. Экраны линии связи у измерительных входов соединены и подключены к земляной клемме генератора синусоидального напряжения.

Работу устройства рассмотрим на примере измерения уровня диэлектрического вещества, в качестве которого использован, например, керосин и 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 С_р и активному сопротивлению R. Активная составляющая полного сопротивления емкостного датчика уровня определяется состоянием сопротивления изоляции кабельной линии связи, сортностью керосина 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 уровня заправки.

Признаки, характеризующие подключение емкостных 1-1, ..., 1-n датчиков уровня через измерительные входы блока 4 переключения к входу преобразователя 5 ток-напряжение и к выходу генератора 2 синусоидального напряжения, обеспечивают исключение влияния большой паразитной емкости кабельной линии связи на точность определения его параметров. Это объясняется тем, что преобразователь 5 ток-напряжение, имеющий нулевое входное сопротивление, шунтирует со своей стороны паразитную емкость кабельной линии связи и она не оказывает влияние на процесс определения параметров. С другой стороны, генератор синусоидального напряжения имеет близкое к нулю выходное сопротивление и паразитная емкость линии связи также не оказывает влияния на ток через рабочую емкость С_р датчика уровня. Указанные отличительные от прототипа признаки позволяют проводить измерения параметров удаленных от измерительных входов устройства емкостных двухполюсников.

Представленный на фиг.2 алгоритм измерения уровня 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 комплексных токов через каждый датчик и эталон с последующим вычислением с использованием измеренных значений комплексных 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 уровня, который заключается в измерении через кабельную линию связи комплексных токов через каждый датчик и эталон с последующим вычислением с использованием измеренных значений комплексных 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 емкостной датчик уровня является двухэлементным двухполюсником. Полученные в процессе измерения значения комплексных 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 уровня (при заполнении каждого датчика диэлектрическим веществом);

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

- в вычислитель 14 полного приращения электрической емкости выдаются значения диэлектрических проницаемостей окислителя и 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 емкостной датчик уровня и эталон в соответствии с алгоритмом фиг.3. 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 емкостной датчик уровня и эталон 3. Согласно фиг.3 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 ω_i, 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 U_ωi поступает на измерительные входы устройства для питания подключенного емкостного датчика уровня и эталона. Далее блок 8 управления измерением устанавливает признак j положения ключа блока 4 переключения. Положений у ключа 2, а признаку j присваивается значение 1. Согласно этому признаку первый или текущий емкостной 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 3 показан на фиг.3. 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, являющегося 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. Согласно этому алгоритму анализируется число α, которое равно отношению значения полной емкости АЦП к цифровому значению измеренного тока. Исходя из вычисленного значения числа α, 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.3 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 емкостной датчик уровня. Через емкостной датчик уровня протекает ток, значение которого определяется выражением

Далее процедура измерения тока через двухполюсник определяется действиями, описанными при измерении тока через эталон. После того как измеренное значение тока через емкостной датчик уровня будет зафиксировано в вычислителе 9 электрической емкости и вычислителе 10 активного сопротивления, алгоритм согласно фиг.3 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 ω_i. По этому сигналу блок 11 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.3 будет выполнено и алгоритм закончит свою работу. Это будет соответствовать завершению процедуры измерения тока через первый емкостной 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:

где 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).

Затем алгоритм переходит к анализу условия i=n. Условие не будет выполнено, так как был подключен второй измерительный вход (первый емкостной датчик уровня). Поэтому алгоритм перейдет к выполнению действия i=i+1 в блоке 17 управления переключением, который через блок 4 переключения отключит второй измерительный вход и подключит третий измерительный вход. Признаки, характеризующие 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 алгоритм переходит к выполнению измерения уровня диэлектрического вещества. В режиме измерения 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 уровня по каждому емкостному датчику на режиме измерения уровня.

Блок 13 управления режимами устанавливает режим измерения 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 емкостной датчик уровня и эталон. Процедура измерения токов через емкостной датчик уровня и эталон осуществляется блоками 5, 6, 7 и 8, представлена алгоритмом согласно фиг.3 и аналогична вышеописанному.

После того как процесс измерения токов через емкостной датчик уровня и эталон будет завершен, алгоритм согласно фиг.2 перейдет к вычислению текущего значения электрической емкости заполняемого датчика уровня и его активного сопротивления, используя при этом измеренные значения токов через емкостной датчик уровня и эталон. Вышеуказанные процедуры выполняются блоками 9 и 10. Вычисленное значение электрической емкости заполняемого датчика C_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 C_ТЕК - вычисленное на базе измеренных комплексных 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 - полная высота 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.

Совокупность признаков, характеризующих 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 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 признаков характеризует работу устройства как инвариантную по отношению к линии связи.

Значение 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.

Затем алгоритм переходит к анализу условия i=n. Условие не будет выполнено, так как был подключен первый измерительный вход. Поэтому алгоритм перейдет 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 действиям до тех пор, пока не будет выполнено условие i=n, т.е. пока не будут вычислены значения 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 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 полетному заданию уровня.

Представленные на фиг.2, 3 алгоритмы работы устройства содержат действия, которые направлены на вычисление выражений с (1) по (7).

В примере исполнения устройства алгоритм вычисления параметров емкостного датчика уровня С и R представлен на фиг.4. Он представляет собой последовательность действий по определению промежуточных численных значений, которые необходимы для вычисления уровня диэлектрического вещества. Представленный на фиг.4 алгоритм вполне очевиден. Однако блоки, в которых вычисляются значения параметров, имеет такую функцию, как извлечение квадратного корня.

В алгоритмах согласно фиг.5, 6 представлен пример численного решения функции извлечения квадратного корня из числа. Причем на фиг.5 представлен алгоритм извлечения квадратного корня из числа х, который имеет вложенный блок Result=SQRoot 2(x), процедура реализации которого представлена на фиг.6.

Численная процедура извлечения квадратного корня из числа х, представленная на фиг.6, работает с числом, значение которого находится в пределах от 0,1 до 1,9.

Итак, алгоритм извлечения квадратного корня, представленный на фиг.5, работает следующим образом: вводится число х для извлечения квадратного корня; вводятся начальные переменные и константа, значение которой расположено в пределах от 0,1 до 1,9; число анализируется на нулевое значение, если оно не равно нулю, то осуществляется переход к блоку условия, в котором значение числа х сопоставляется с значением константы 1,4121; если значение числа х больше/меньше константа делится/умножается на 2 столько раз, чтобы результат был меньше/больше константы, при этом число N деления/умножений считается; в результате этих операций получается число х, значение которого находится в пределах от 0,1 до 1,9. После этого включается численная процедура извлечения квадратного корня, алгоритм которой представлен на фиг.6. Процедура извлечения квадратного корня работает следующим образом: вводится числовое значение х, из которого нужно извлечь корень; вводятся начальные значения результата и значение начального приближения к результату извлечения квадратного корня; вводятся начальные значения переменных алгоритма; вводится число шагов итерации, в конкретном случае N=128 (это число определяет точность численного решения извлечения квадратного корня); путем последовательных приближений через 128 шагов определяется численное значение результата извлечения квадратного корня; вывод результата.

Затем при возвращении к алгоритму согласно фиг.5 осуществляются следующие действия: то число х, которое делилось/умножалось на 2 N раз, теперь умножается/делится на 2 также N раз, т.е. число х возвращается к прежнему масштабу. После этих действий результат извлечения квадратного корня из числа выводится.

Вышеописанные алгоритмы известны и почерпнуты из общедоступной литературы. Также эти алгоритмы можно реализовать с помощью программного обеспечения Foundation Series, пакета программных средств, предназначенных для проектирования ПЛИС фирмы Xilinx, содержащего средства схемного ввода, моделирования, редактирования и синтеза.

Заявленное устройство авторами 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 полигона "Байконур".

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, с.56-60.

2. К.Б. Карандеев, Ф.Б. Гриневич, А.И. Новик. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры. М: Энергия, 1966, с. 135.

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

4. Патент РФ №2025666, кл. G 01 F 23/26, "Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)".

5. Патент №2144196, кл. G 01 R 17/10, 27/02, "Способ измерения параметров трехэлементных двухполюсников частотно-независимыми мостами переменного тока".

Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества, содержащее первый и второй измерительные входы, генератор синусоидального напряжения, блок задания схемы замещения, эталон, первый вывод которого подключен к первому входу блока переключения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что блок переключения выполнен многоканальным, первый измерительный вход подключен к второму выводу 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 к вторым входам вычислителя электрической емкости и вычислителя активного сопротивления, а управляющий вывод блока управления измерением подключен к управляющему выводу 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 к 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 к 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.