Лазерные устройства контроля уровня жидких нефтепродуктов в емкостях подвижных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Блинов, Дмитрий Игоревич

• Блинов, Дмитрий Игоревич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Блинов, Дмитрий Игоревич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ЕМКОСТЯХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

1.1 Виды жидких нефтепродуктов и основные параметры их количественного контроля

1.2 Основные виды емкостей подвижных объектов и их градуировочные характеристики

1.3 Классификация и обзор методов и устройств учёта количества

жидких нефтепродуктов в емкостях подвижных объектов

1.4 Требования к устройствам контроля уровня топлива в баках подвижных объектов и типовые примеры их реализации

1.5 Основные проблемы и направления развития устройств контроля

уровня жидких нефтепродуктов в емкостях подвижных объектов

1.6 Выводы по главе 1

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

2.1 Обобщённая математическая модель процедуры контроля уровня жидкостей методом оптического сканирования поверхности раздела

сред

2.2 Анализ отражения оптического сигнала от границы раздела сред

2.3 Математическая модель лазерно-акустического метода контроля

уровня жидкостей

2.4 Математическая модель и функция преобразования лазерного время-импульсного метода контроля уровня жидкостей

2.5 Функции преобразования фазового и частотного лазерных методов контроля уровня жидкостей. Выбор частотных диапазонов

2.6 Математическая модель и функция преобразования лазерно-телевизионного метода контроля уровня жидкостей

2.7 Выводы по главе 2

3 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И СХЕМОТЕХНИКА ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

3.1 Обобщённая структурная схема и датчики оптоэлектронных уровнемеров

3.2 Устройство лазерного время-импульсного уровнемера

3.3 Устройство лазерных уровнемеров с фазовой обработкой сигналов

3.4 Имитационное моделирование разработанных уровнемеров в программной среде LabVIEW

3.5 Имитационное моделирование реальных колебаний топлива в баках

3.6 Выводы по главе 3

4 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЛАЗЕРНЫХ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

4.1 Структура погрешностей

4.2 Основные погрешности

4.3 Дополнительные погрешности

4.4 Статистическая обработка результатов измерений при случайных колебаниях поверхности топлива в баке

4.5 Выводы по главе 4

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

5.1 Цели и задачи экспериментальных исследований

5.2 Испытания лазерного и лазерно-акустического уровнемеров

5.3 Испытания лазерно-телевизионного уровнемера

5.4 Выводы по главе 5

Заключение

Список литературы

Приложение А (справочное) Акты о внедрении результатов диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерные устройства контроля уровня жидких нефтепродуктов в емкостях подвижных объектов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Оперативный и достоверный контроль количества жидких нефтепродуктов в топливных баках и транспортных резервуарах подвижных объектов является важнейшей задачей, связанной не только с проблемами энергосбережения, но и с эффективной эксплуатацией транспортных средств. Общеизвестна низкая точность устройств контроля уровня топлива в баках, погрешность которых составляет не менее ±5 %. «Перезаправка» воздушного судна приводит к прямым убыткам, так как повышает взлётный вес, увеличивает себестоимость перелёта или пуска ракеты. Необходимость перевозки заведомо завышенных объёмов нефтепродуктов приводит к убыткам транспортных предприятий и создаёт условия для хищений. Одно из важнейших требований, предъявляемых к системам контроля уровня — обеспечение оперативности и высокой точности контроля.

Существующие устройства контроля уровня жидких нефтепродуктов в емкостях подвижных объектов в основном поплавковые или емкостные и не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по точности, быстродействию и надёжности, т.к. реализуют контактные методы измерения, что также требует повышенного внимания к обеспечению пожаровзрывобезопасности [1-9]. Прочие многочисленные устройства контроля уровня жидкостей также не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по какому-либо из эксплуатационных параметров - габаритам, весу, надёжности и т.д.

Перспективным направлением в разработке приборов для измерения и контроля уровня жидкостей является использование лазеров в сочетании с электронными устройствами обработки сигналов [10, 11].

Степень разработанности темы

Существуют лазерные дальномеры, обеспечивающие абсолютную погрешность измерения порядка ±1 мм. Важным преимуществом лазерной дальнометрии является отсутствие прямого контакта устройства с

контролируемой средой, что позволяет измерять уровень агрессивных сред, в том числе во взрывоопасных зонах. Однако возникают сложности, связанные с малым коэффициентом отражения оптического излучения от границы раздела сред, близких по коэффициенту преломления.

Цель и задачи работы

Диссертация посвящена разработке лазерных устройств контроля уровня жидкостей, обладающих высокой точностью и основанных на использовании лазерной техники в сочетании с современными методами обработки измерительной информации. Работа основывается на трудах отечественных учёных Гинзбурга В.Л., Ванштейна Л.А., Викторова В.А., Глебовича Г.В., Балакина С.В., Мукаева Р.Ю., Гордеева Б.Н., Ясовеева В.Х., Скворцова Б.В., Борминского С.А., а также швейцарских учёных Хармута Эбетса, Хайнца Бернарда, Курта Гигера, Ёрга Хиндерлинга и включает в себя разработку и исследование созданных автором оригинальных конструкций оптоэлектронных лазерных уровнемеров для подвижных объектов. В работе уделено внимание теоретическому исследованию распространения оптических сигналов в жидкостях и их отражению от границы раздела сред. Рассмотрены способы конкретной реализации лазерных уровнемеров подвижных объектов и их метрологические характеристики.

Целыо работы является повышение точности устройств контроля количества жидких нефтепродуктов в емкостях подвижных объектов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих

задач:

1 Анализ существующих методов и устройств контроля количества жидких нефтепродуктов в топливных баках и транспортных резервуарах подвижных объектов, а также выявление основных направлений и концепций их развития.

2 Разработка математической модели процедуры измерения уровня жидкости, связанной со сканированием поверхности раздела сред лазерным лучом и съёмкой поверхности теле(фото)камерой.

3 Разработка функций преобразования устройств контроля уровня жидкостей, основанных на различных методах преобразования сигнала.

4 Разработка структурных и функциональных схем, имитационных моделей и конструкций устройств контроля уровня жидкостей, разработка алгоритмов обработки сигналов.

5 Метрологический анализ и исследование влияния климатических и технологических факторов на характеристики разработанных устройств.

6 Изготовление и экспериментальные исследования созданных образцов уровнемеров.

Научная новизна

1 Разработана математическая модель лазерно-акустического уровнемера, описывающая измерительную процедуру при возбуждении границы раздела сред акустическим сигналом, повышающим коэффициент отражения оптически прозрачных жидкостей.

2 Разработана функция преобразования время-импульсного лазерного уровнемера, основанного на способе измерения временного интервала между апериодическими импульсам сложной формы, заключающемся в определении времени между координатами центров масс излучаемого и отражённого импульсов.

3 Разработана функция преобразования лазерно-телевизионного уровнемера, основанного на теле(фото)съёмке произвольно расположенных на фиксированных расстояниях оптических меток, создаваемых на контролируемой поверхности несколькими лазерными лучами.

4 Получены аналитические выражения, определяющие погрешность лазерных устройств контроля уровня жидкостей и метрологические требования к их элементной базе.

Теоретическую и практическую значимость работы составляют

1 Алгоритмы и программы обработки сигналов датчиков и реализации измерительных процедур в разработанных устройствах.

2 Структурные и функциональные схемы, технические описания

созданных образцов уровнемеров.

3 Образцы лазерно-акустического и лазерно-телевизионного уровнемеров.

4 Динамические имитационные модели разработанных устройств в программной среде Lab VIEW.

По результатам работы изготовлено лазерно-телевизионное устройство контроля уровня и внедрено в ООО «Аналитические приборы и системы». Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс СГАУ и используются в курсовом и дипломном проектировании.

Методология и методы исследования

При решении поставленных задач использовались теория анализа и синтеза информационно-измерительных устройств, теория погрешностей, методы дифференциального, интегрального исчислений, аналитической геометрии. При моделировании и проведении численных расчётов использовались программные продукты MATHCAD и Lab VIEW.

Положения, выносимые на защиту

1 Математическая модель лазерно-акустического уровнемера, описывающая измерительную процедуру при возбуждении границы раздела сред акустическим сигналом, повышающим коэффициент отражения оптически прозрачных жидкостей.

2 Функция преобразования время-импульсного лазерного уровнемера, основанного на способе измерения временного интервала между апериодическими импульсам сложной формы, заключающемся в определении времени между координатами центров масс излучаемого и отражённого импульсов.

3 Функция преобразования лазерно-телевизионного уровнемера, основанного на теле(фото)съёмке произвольно расположенных на фиксированных расстояниях оптических меток, создаваемых на контролируемой поверхности несколькими лазерными лучами.

4 Аналитические выражения, определяющие погрешности лазерных устройств контроля уровня жидкостей и метрологические требования к их элементной базе.

5 Практическая реализация разработанных устройств и результаты их экспериментальных исследований.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Достоверность результатов работы определяется экспериментальными исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы, которые не противоречат известным знаниям в данном направлении науки.

Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 гг.» (соглашение от 17 сентября 2010 г. №14.740.11.0310).

Результаты работы доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г. Самара) в 2011 и в 2013 гг., Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники (III Козловские чтения)» (г. Самара) в 2013 г.

По результатам исследований и разработок опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 2 патента на изобретение и 2 патента на полезные модели.

Все результаты, определяющие научную новизну работы, получены автором лично. Техническая реализация и экспериментальные исследования проведены совместно с сотрудниками научно-исследовательской лаборатории «Аналитические приборы и системы» СГАУ. Особую благодарность выражаю научному руководителю, д.т.н., профессору Скворцову Б.В. за советы и пожелания, данные им при написании работы, а также Борминскому С.А. за помощь в проведении экспериментов и практической реализации разработанных устройств.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ЕМКОСТЯХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

1.1 Виды жидких нефтепродуктов и основные параметры их количественного контроля

В соответствии с [12] к жидким нефтепродуктам относятся различные виды топлив: бензины, керосины, дизельные топлива, мазуты, а также ряд углеводородных технических жидкостей: масла, амортизаторные, антиобледенительные, гидравлические жидкости и т.д. Контроль количества топлива в баках с высокой точностью - важнейшая задача при эксплуатации транспортного средства. Все перечисленные нефтепродукты нуждаются в транспортировании и перевозятся в различных емкостях - в автомобильных и железнодорожных цистернах, в танках речных и морских судов, где также требуется непрерывный контроль их количества.

Основными параметрами количественного контроля нефтепродуктов являются:

- уровень продукта в ёмкости, Н [м], характеризующий положение границы раздела газовой и жидкой сред относительно определённой точки ёмкости, принятой за начало отсчёта;

- объём, V [м3], характеризующий количество занимаемого продуктом пространства в ёмкости;

- масса, М[кг], характеризующая количество вещества продукта.

От уровня зависит объём нефтепродукта, занимаемый им в ёмкости, в соответствии с функцией V = /(Я) , (1.1)

где /(Н) - градуировочная (калибровочная) характеристика, составляемая для каждой конкретной ёмкости.

Процесс составления градуировочной характеристики какой-либо ёмкости называют тарировкой. Известны различные методики тарировки, например, описанные в [13, 14, 73, 74], где приведены теоретические основы методов тарировки и их оптимального выбора. Тарировку проводят геометрическим или объемным методом. Выбор метода зависит от номинальной вместимости

исследуемой ёмкости, наличия требуемых средств измерений, удобства и возможности выполнения измерений, а также экономической целесообразности. После нахождения градуировочной характеристики составляется градуировочная таблица. Существуют издания, содержащие набор стандартных градуировочных таблиц выпускаемых промышленностью резервуаров, например [15]. Объём нефтепродукта, как и любой жидкости, зависит от температуры, что вызывает некоторые неудобства при учёте количества нефтепродукта.

Массу нефтепродукта можно определить прямым измерением с помощью взвешивания на весах, что далеко не всегда осуществимо. Косвенным методом массу можно определить, зная плотность продукта и величину занимаемого им объёма. Существуют стандартизированные методики выполнения измерений массы нефтепродуктов, например, приведённые в [3,4].

Масса и объём связаны соотношением

где pt, Vt — плотность и объём при температуре t.

Плотность р является фундаментальным параметром, напрямую связанным с другими многочисленными характеристиками нефтепродуктов [16, 17]. Плотность принято выражать абсолютной и относительной величиной [17, 18]. Абсолютная плотность представляет собой массу вещества, заключённую в единице объема: р = M/V. (1.3)

Относительная плотность нефтепродукта - это отношение его массы к массе чистой воды, взятой в том же объёме. Плотность нефтепродуктов принято определять при температуре 20 °С и относить к плотности воды при 4 °С (999,73 кг/м3 = 1 г/см3), а обозначать как р2V Пересчёт плотности, определённой при температуре t в /?204 проводят по формуле Менделеева [18]:

M = ptVt,

(1.2)

(1.4)

Формула (1.4) справедлива для диапазона температур от О °С до 50 °С. В более широком интервале температур (до 300 °С) и с меньшей погрешностью (до 3 %) зависимость плотности от температуры рассчитывается по уравнению А.К. Мановяна, приведённому в [18]. Плотность нефтепродуктов может быть определена в соответствии с методами, указанными в ГОСТ [19]. Там же представлена таблица перевода плотности при температуре испытания в плотность при 20 °С. Для светлых нефтепродуктов существует отдельный межгосударственный стандарт, содержащий таблицы пересчёта плотности по температуре к стандартным условиям и к условиям измерения объёма, а также таблицы коэффициентов сжимаемости [20].

Уровень, объём, массу и плотность при любой температуре можно связать одной формулой, которая имеет вид

М = рУ = р/(Я) . (1.5)

Формула (1.5) иллюстрирует возможность определения уровня через массу и плотность, если градуировочная функция/(Н) известна.

Поскольку предлагаемые в диссертации методы измерения уровня связаны с лазерным излучением, которое является электромагнитным сигналом, рассмотрим электродинамические и оптические характеристики жидких нефтепродуктов. Электродинамические свойства материалов и сред, в том числе нефтепродуктов, определяются диэлектрической е и магнитной // проницаемостями, а также удельной электрической проводимостью а [21]. Эти параметры взаимосвязаны и зависят от частоты и температуры [22-25]. Магнитная проницаемость состоит из действительной и мнимой частей ¡и = ¡и, + у//,, а в и (т образуют комплексную диэлектрическую проницаемость среды [21]:

. 47ГСГ . , ч

£а = £д-]— = £А • (1-6)

и)

Абсолютные сА, рц и относительные е, ¡л проницаемости связаны соотношениями: £А=£0е, Мл=Но И,

где е0 = 8.85416 10"12 [Ф/м], Мо = 1.256637" 10"6 [Гн/м].

Магнитная проницаемость // всех неферромагнитных жидкостей, к которым относятся углеводородные, равна единице практически во всем

диапазоне частот от инфранизких до оптических [26], хотя в малых проявлениях углеводородная среда, в зависимости от строения углеводородов, может иметь как диамагнитные, так и парамагнитные свойства. В частности ароматические углеводороды имеют диамагнитные свойства. Магнитная проницаемость чистого бензола равна 0.9999925. Соединения, содержащие серу, азот, кислород и присутствующие в смеси присадки могут давать парамагнитные свойства топлива.

Диэлектрическая проницаемость е зависит от частоты, на которой производятся измерения. Для относительных диэлектрических проницаемостей выражение (1.6) аналогично

£ = £-]£'. (1.7)

Мнимая часть (1.7) характеризует поглощение энергии в среде. Тангенс угла потерь определяется по формуле:

= (1.8) На рисунке 1.1 показана зависимость е' и е от частоты.

Рисунок 1.1 — Зависимость действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической

проницаемостей от частоты

Действительная часть е фактически не изменяется вплоть до частот 108 Гц. Максимальная величина диэлектрической проницаемости е достигается при со = 0. Это значение е называют квазистатическим е(0). С увеличением частоты действительная часть е сохраняется на уровне е(0) вплоть до области аномальной диэлектрической дисперсии, в которой постепенно уменьшается, спадая до постоянного значения е(со).

Известно [21], что г(оо) = п2. (1.9)

Диэлектрические проницаемости на предельных частотах и коэффициент оптического преломления связаны соотношением [27]:

£(0)+2 п2+2 ' U'1Uj

где А = 1,05-1,15.

Отставание в ориентации молекулярных диполей относительно осцилляций поля порождает аномальную дисперсию диэлектрической проницаемости. Дисперсия характеризуется временем релаксации г, зависит от вязкости раствора t] и радиуса молекул а [27]:

т = (1.11)

кТ ' v '

где к — постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура.

Q

Времена релаксации имеют порядок (10" -10" ) с, следовательно, для

I")

измерений в дисперсионной области нужны частоты до 10 " Гц.

По иному ведет себя показатель s\ В квазистатической и высокочастотной областях спектра значение е' практически очень мало. Только в области аномальной дисперсии значение е' становится существенным, а при критической частоте со0 достигает максимума.

Релаксация - это процесс установления статического равновесия, соответствующего данным внешним условиям, в частности процесс ориентационной поляризации дипольных молекул в статическом поле после его отключения. Постоянная времени релаксации т = 1/со0. В течение времени г после отключения статического поля ориентационная поляризация уменьшается в е раз. При частоте внешнего поля, существенно большей, чем релаксационная, ориентационная компонента поляризации становится пренебрежимо малой. Время, необходимое для поворота обладающих инерцией молекул в направлении поля после его включения, составляет около 10"8-10"9 с. Если через вещество пропускается свет, т.е. электромагнитные волны с частотой выше 109 1/с, то дипольные молекулы не обнаруживают ориентационной компоненты поляризации.

Аналитические зависимости диэлектрической проницаемости и проводимости нефтепродуктов от частоты получены в [24] и имеют вид

= + , (1.13)

со + 4 п(со~ + а>1)

где 60о = 1/т - частота дипольной релаксации молекул жидкости.

Например, для изооктана - эталонного компонента бензина: е(0)= 1,961; е(оо)= 1,958; ш0=0,204-109 1/с (г = 4,9-10"9 с).

У других основных компонентов бензинов эти значения близки к указанным. При со = соо имеем максимальное значение проводимости:

<г(й)0) £°"°|£б(7т0)-п]. (1.14)

Углеводородная среда плохой проводник электричества. Удельная электрическая проводимость а нефтепродуктов возрастает с повышением пределов их выкипания в процессе перегонки нефти и для рассматриваемых видов топлив находится в пределах 10"17-10"16 [Ом"''м"']. Для бензиновых фракций прямой перегонки проводимость составляет (0,1-1,0)-10"16 [Ом'^м"1]. В целях предотвращения скопления статического электричества в баках в бензин добавляют специальные присадки, которые увеличивают его электрическую проводимость. Проводимость готовых товарных автомобильных бензинов, измеренная на частотах 100-1000 Гц при температуре 20 °С составляет (3-10)-10"16 [Ом^-м"1]. С ростом частоты проводимость уменьшается до нуля в соответствии с формулой (1.13).

По значению диэлектрической проницаемости в [24] сделана классификация органических соединений, приведенная в таблице 1.1. Диэлектрическая проницаемость твердых веществ обычно находится в пределах от 2 до 10, у жидких веществ 1,8-120. Значения диэлектрической проницаемости е для нефтяных фракций с указанием их плотности р, при температуре 18 °С, приведены в таблице 1.2 [24].

Таблица 1.1 - Классификация химических веществ по комплексной диэлектрической проницаемости при температуре 20 °С

Группы органических соединений с

Алифатические и ароматические углеводороды 1,8-2,5 0,001-0,025

Галогензамещенные углеводороды (хлор-, фтор-, бром-, йод- содержащие) 3-10 0,5-2

Спирты и другие гидроксилосодержащие соединения 10-35 2-10

Карбоновые кислоты (содержат карбоксильные группы СООН) 2-10 1-2

Сложные эфиры 4-9 0,5-5

Альдегиды, кетоны 10-20 2-6

Простые эфиры 2-5 0,2-2

Амины 3-13 1-3

Нитрилы (алифатические, ароматические) 16-38 2-12

Нитросоединения 5-56 3-15

Эфирные масла 2-17 2-10

Таблица 1.2 — Диэлектрическая проницаемость нефтяных фракций

Нефть и нефтепродукты Температура выкипания, °С Диэлектрическая проницаемость, с Плотность, Pi8 , г/см3

Петролейный эфир 56-80 1,724 0,6550

Бензины 60-150 1,887 0,7668

Керосины 140-200 1,958 0,8057

Дизтопливо 190-250 1,963 0,8081

Нефть 50-300 2,183 0,8627

Мазут больше 300 2,401 0,9388

Как видно из таблицы 1.2, средняя диэлектрическая проницаемость бензиновых фракций (сырых, низкооктановых бензинов), измеренная на частотах до 10 ГГц составляет 1,887. Товарные бензины имеют несколько большую диэлектрическую проницаемость, так как имеют в своем составе высокооктановые присадки, в частности ароматические углеводороды.

Диэлектрические проницаемости некоторых углеводородов, используемых в качестве присадок при производстве товарных бензинов, а также других

соединений, которые могут входить в состав топлив, приведены в [24]. С ростом температуры диэлектрическая проницаемость жидких нефтепродуктов уменьшается с увеличением температуры, что иллюстрируется графиком на рисунке 1.2. Диэлектрические проницаемости при охлаждении и нагревании отличаются друг от друга на 10-15 %, однако общий характер сохраняется.

е/е го

Рисунок 1.2 - График зависимости отношения относительных диэлектрических проницаемости

нефтепродуктов от температуры

его - относительная диэлектрическая проницаемость при температуре 20 °С

В диапазоне 20-30 °С имеет место максимальная скорость изменения диэлектрической проницаемости от температуры и с погрешностью 5 % подчиняется следующей аналитической зависимости:

£ = е20 + 0,0015(20 - в). (1.15)

В диапазоне температур от -20 °С до +50 °С регрессионный анализ данных графика на рисунке 1.2 даёт следующее выражение [16]:

£ = £20(1,5243 • 1О-804 - 6,5944 ■ 10"76»-3 - 1,9141 ■ Ю~502 -

—1,7365 ■ 1О-40 + 1,0207) . (1.16)

Погрешность последней формулы не превышает 1 %.

Электрическое сопротивление нефтепродуктов своеобразно зависит от температуры. При температурах 20-30 °С удельное электрическое сопротивление резко возрастает и имеет ярко выраженный экстремум (рисунок 1.3) [25].

Рисунок 1.3 - Графики зависимости удельного электрического сопротивления углеводородных топлив от температуры при нагреве (1) и при охлаждении (2)

Оптические характеристики зависят от плотности нефтепродукта, причём показатель преломления и коэффициент поглощения на фиксированных частотах повышаются с возрастанием плотности по закону, близкому к линейному, и взаимосвязаны между собой через электродинамические параметры [22].Среди оптических характеристик жидких нефтепродуктов выделим коэффициент преломления фиксированной частоте.

Показатель преломления (или коэффициент рефракции) п - отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде. Это один из важнейших и достаточно просто определяемых параметров. Зависит от длины волны (частоты) света и от температуры. Частота со и длина волны X связаны соотношением А = —, (1.15)

(О 4

где с - скорость света в данной среде [м/с] (здесь и далее частота со в Герцах).

Принято измерять показатель преломления для определённых спектральных линий при температуре 20 °С. Показателю преломления приписывается соответствующий индекс. Реально используются значения показателя преломления относительно воздуха пв огч, который связан с абсолютным показателем преломления пабс формулой

паСк. = п-пЮУ1_. (1-16)

В дальнейшем под обозначением п понимается показатель преломления относительно воздуха. Чаще всего показатель преломления среды определяется

для длины волны X = 0,586 мкм, соответствующей жёлтой линии й спектра натрия (таблица 1.3) [18].

Таблица 1.3 - Индексы показателей преломления по Фраунгоферу

Обозначение показателя преломления Длина волны Индекс показателя преломления по Фраунгоферу Химический элемент, излучающий соответствующую линию спектра

пА 766,5 А К

пь 706,5 Ъ Не

ПС 656,3 С Н

Пи 589,3 £ N3

пЛ 587,6 й Не

Пе 546,1 е н8

Щ- 486,1 Н

П8 435,8 В Нё

По 434,0 в н

щ 404,7 И Нё

Показатель преломления постоянен для каждого углеводорода, входящего в состав нефтепродукта, при данной температуре и увеличивается с ростом молекулярного веса. Показатель преломления возрастает увеличением, что для различных видов нефтепродуктов иллюстрируется рисунком 1.4 [22].

Г, 70

ш

1

5 ',¡5

е-

1,ЬП

'■37ш 07 ¡3» Я9 0$5 То №

Платность

Рисунок 1.4 - Зависимость показателя преломления от плотности различных нефтепродуктов

1, 2, 3 - бензиновые фракции, 3-6 - керосинные фракции, 6-12- дизельные фракции

Для автомобильных и авиационных бензинов, с плотностью 0,65-0,8 зависимость показателя преломления от плотности с погрешностью 1 % можно описать функцией [23] п20о= 1,021 + 0,537р204, (1.17)

У

• < -----

я ' 'г У V 10 г>

¿У *

1 Г'

а для керосиновых и дизельных топлив с плотностями 0,8-0,98

n20D- 0,917 + 0,652р2°4. (1.18)

Для нефтепродуктов в широком диапазоне температур между

относительной плотностью и показателем преломления справедливо также следующее соотношение [27]

р420 = 1,357-^. (1.19)

™ nD + 0,4 v J

1.2 Основные виды емкостей подвижных объектов и их градуировочные

характеристики

Многообразие емкостей, используемых для хранения жидких нефтепродуктов в подвижных объектах, делятся на две большие группы:

- ёмкости, используемые для хранения жидких топлив на борту наземных транспортных средств или летательных аппаратов, т. е. топливные баки;

- ёмкости, используемые для хранения жидких нефтепродуктов при транспортировании.

Топливные баки грузовых автомобилей, автобусов и прочей мобильной техники имеют высокую надёжность, длительный срок эксплуатации и рассчитаны на эксплуатацию в широком диапазоне температур. Автомобильные баки, как правило, имеют форму прямоугольного параллелепипеда со скошенными краями, в которых горловина расположена на одной из сторон. Объем автомобильных баков составляет от 40 до 600 литров, размеры максимальной стороны от 600 до 1500 мм. Наибольшая по площади сторона, как правило, параллельна земле, что при колебаниях автомобиля относительно горизонта вызывает большие погрешности измерения уровня. Форма топливных баков варьируется по соотношению размеров на различных транспортных средствах, а зависимость объёма от уровня топлива не линейна вследствие отличия формы бака от геометрически простой. Внешний вид типичного топливного бака, устанавливаемого на автобусы и грузовые автомобили, представлен на рисунке 1.5, а его конструкционные размеры показаны на рисунке 1.6.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Блинов, Дмитрий Игоревич, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 ГОСТ 8.595-2004 Масса нефти и нефтепродуктов. Общие требования к методикам выполнения измерений. - М.: Стандартинформ, 2006. - 18 с.

2 ГОСТ 24802-81 Приборы для измерения уровня жидких и сыпучих веществ. - М.: Издательство стандартов, 1981. - 7 с.

3 РМГ 85-2009 Масса нефти. Методика выполнения измерений в железнодорожных цистернах в системе магистрального нефтепроводного транспорта. Основные положения. - М.: Стандартинформ, 2009. - 19 с.

4 РМГ 88-2009 Масса нефти. Методика выполнения измерений в автомобильных цистернах в системе магистрального нефтепроводного транспорта. Основные положения. - М.: Стандартинформ, 2009. - 15 с.

5 Фатхутдинов, А.Ш. Автоматизированный учёт нефти и нефтепродуктов при сборе, транспорте и переработке / А.Ш. Фатхутдинов. -Уфа: «Нефтеавтоматика», 1999. -295 с.

6 Методика тарировки бака окислителя первой ступени. -М.: НПО «Техномаш», 2010. - 49 с.

7 Датчики уровня топлива «СТРЕЛА». Инструкция по монтажу и эксплуатации [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.skontrol.ru (дата обращения 15.09.2014).

8 Руководство пользователя терминала «GALILEOSKY» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.7gis.ru (дата обращения 20.10.2014).

9 Писаренко, В.Н. Техническая эксплуатация и ремонт авиационных электрических систем и пилотажно-навигационных комплексов / В.Н. Писаренко. - Самара: Издательство СГАУ, 2010. - 242 с.

10 Блинов, Д.И. Анализ систем измерения уровня заправки ракет-носителей / Д.И. Блинов, С.А. Борминский // Авиакосмическое приборостроение, 2013,№9.-с. 3-8.

11 Балакин, C.B. Опыт эксплуатации систем контроля заправки жидкостных ракет как основа создания системы нового поколения / C.B. Балакин, Б.К. Долгов, В.М. Филин // Датчики и системы, 2005, №7. - с. 10-17.

12 ГОСТ 26098-84 Нефтепродукты. Термины и определения. -М.: Стандартинформ, 2010. - 12 с.

13 Методика тарировки и расчёта предельных погрешностей тарировки ёмкости изделий. - М.: НПО «Техномаш», 1969. - 64 с.

14 Макаров, В.М. Выбор оптимального метода тарирования крупногабаритных емкостей / под редакцией д.т.н. К.С. Касаева и к.т.н. Е.Д. Попова. // Научно-технический сборник «Технология машиностроения», 1991, №7.-31 с.

15 Таблицы калибровки железнодорожных цистерн. - М.: Трансинфо, 2007.- 156 с.

16 Скворцов, Б.В. Приборы и системы контроля качества углеводородных топлив / Б.В. Скворцов, Н.Е. Конюхов, В.Н. Астапов. -М.: Энергоатомиздат, 2000. - 366 с.

17 Рудин, М.Г. Карманный справочник нефтепереработчика / под редакцией М.Г. Рудина. - М.: ОАО «ЦНИИТЭнефтехим», 2004. - 336 с.

18 Кикоин, И.К. Таблицы физических величин. Справочник / под редакцией академика И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. - 1009 с.

19 ГОСТ 3900-85 Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности. - М.: Издательство стандартов, 1985. — 36 с.

20 ГОСТ 8.599-2010 Плотность светлых нефтепродуктов. Таблицы пересчёта плотности к 15 °С и к 20 °С и к условиям измерения объёма. -М.: Стандартинформ, 2012.- 133 с.

21 Гинзбург, В.JT. Распространение электромагнитных волн в плазме / В.Л. Гинзбург. - М.: Наука, 1960. - 550 с.

22 Скворцов, Б.В. Электрофизические устройства контроля качества углеводородных топлив / Б.В. Скворцов. - Самара: СГАУ, 2000. - 264 с.

23 Скворцов, Б.В. Импульсные методы измерений количества и качества жидких углеводородных топлив / Б.В. Скворцов, С.А. Борминский. - Самара: СНЦ РАН, 2010.-225 с.

24 Борминский, С.А. Методы измерений количественных и качественных характеристик жидких энергоносителей / С.А. Борминский, Б.В. Скворцов, A.B. Солнцева. - Самара: СНЦ РАН, 2012. - 222 с.

25 Чертков, Я.Б. Современные и перспективные углеводородные реактивные и дизельные топлива / Я.Б. Чертков. - М.: Химия, 1968. - 356 с.

26 Ландау, Д.Л. Теоретическая физика, том VIII. Электродинамика сплошных сред / Д.Л. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: Наука, 1982 - 621 с.

27 Ахадов, Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей / Я.Ю. Ахадов. - М.: Издательство стандартов, 1972. - 412 с.

28 Эрих, В.Н. Химия и технология нефти и газа / В.Н. Эрих, М.Г. Расина, М.Г. Рудин. - Л.: Химия, 1977. - 424 с.

29 Борен, А. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. / А. Борен, Д. Хофман. - М.: Мир, 1986. - 664 с.

30 ГОСТ 1510-84 Нефть и нефтепродукты. Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение. - М.: Стандартинформ, 2010. - 34 с.

31 Белоусов, Л.Н. Технология морских перевозок грузов / Л.Н. Белоусов, Я.Г. Корхов - М.: Транспорт, 1978. - 344 с.

32 Профос, П. Измерения в промышленности: справ, изд. в 3 кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: пер. с нем. / под ред. П. Профоса. -М.: Металлургия, 1990. - 384 с.

33 Викторов, В.А. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов / В.А. Викторов, Б.В. Лункин, A.C. Совлуков. -М.: Энергоатомиздат, 1989. - 208 с.

34 Дудкин, В.И. Квантовая электроника. Приборы и их применение / В .И. Дудкин, Л.Н. Пахомов. -М.: Техносфера, 2006.-432 с.

35 Яворский, Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, A.A. Детлаф. - М.: Наука, 1974. - 944 с.

36 Маслов, A.B. Геодезия / A.B. Маслов, A.B. Гордеев, Ю.Г. Батраков. -М.: Колос С, 2006.-598 с.

37 EMERSON Process Management [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.metran.ru (дата обращения 15.07.2014).

38 Патент на изобретение RU №2332644, МПК G 01 F 23/292 Способ и устройство для измерения уровня жидкости / З.Е. Леонидова, Р.Ю. Мукаев; заявитель и патентообладатель Уфимский государственный авиационный технический университет. - №2007111271/28; заявл. 27.03.2007; опубл. 27.08.2008.

39 Патент на изобретение RU №2338163, МПК G 01 F 23/292 Способ и устройство для измерения уровня жидкости / З.Е. Леонидова, Р.Ю. Мукаев; заявитель и патентообладатель Уфимский государственный авиационный технический университет. - №2007121235/28; заявл. 06.06.2007; опубл. 10.11.2008.

40 Резервуары ёмкости, баки. Каталог [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.unibox.su (дата обращения 01.12.2014).

41 Авторское свидетельство RU №2029919 МПК G 01 F 23/00 Устройство для измерения уровня жидкости / А.А. Астафьев, М.М. Болдырев, C.B. Ванцов, C.B. Новиков; заявитель и патентообладатель акционерное общество «Российской конверсии - новые технологии» - №5063786/10; заявл. 01.10.1992; опубл. 27.02.1995.

42 Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение / Г. Виглеб. - М.: Мир, 1989.- 196 с.

43 Балакин, C.B. Фазовый способ измерения уровня топлива жидкостных ракет / C.B. Балакин, А.Н. Дывак, В.М. Филин // Датчики и системы, 2005, №1, -с. 5-10.

44 Балакин, C.B. Моделирование статических погрешностей при измерении уровня топлива жидкостных ракет / C.B. Балакин, А.Н. Дывак, Д.В. Стерлигов, В.М. Филин // Датчики и системы, 2005, №2, - с. 2-7.

45 Балакин, C.B. Моделирование динамических погрешностей уровнемера топлива жидкостных ракет / C.B. Балакин, Д.В. Стерлигов // Датчики и системы, 2005, №12, - с. 7-12.

46 МИ 3020-2006 Резервуары (танки) стальные горизонтальные цилиндрические речных наливных судов (барж). Методика поверки геометрическим методом. - Казань: ФГУП ВНИИР-ГР1МЦ, 2006. - 52 с.

47 Крылов, К.И. Основы лазерной техники / К.И. Крылов,

B.Т. Прокопенко, В.А. Тарлыков. - Л.: Машиностроение, 1990. - 316 с.

48 Патент на полезную модель RU №115886, МПК G 01 F 1/86 Устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах / Б.В. Скворцов, Д.И. Блинов, А.В. Солнцева, С.А. Борминский; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика

C.П. Королёва. -№2011151843/28; заявл. 19.12.2011; опубл. 10.05.2012.

49 Патент на изобретение RU №2371682, МПК G 01 F 23/68, G 01 F 23/72 Уровнемер для жидкостей / В.Г. Фирисюк, В.И. Ковалев, С.В. Сушков; заявитель и патентообладатель Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения. - 2008126560/28; заявл. 30.06.2008; опубл. 27.10.2009.

50 Патент SU №885814, МПК G 01 F 23/12 Дискретный уровнемер / A.M. Борисевич, Н.И. Севостьянов, В.И. Тихоненко, И.А. Цысецкий, Ю.В. Шилин; заявитель Центральное конструкторское бюро с опытным производством АН БССР. -2907185; заявл. 04.04.1980; опубл. 30.11.1981.

51 Патент на полезную модель RU №135121, МПК G 01 F 1/86 Лазерно-акустический уровнемер / Б.В. Скворцов, Д.И. Блинов, А.В. Солнцева, С.А. Борминский; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва. -№ 2013120735/28; заявл. 06.05.2013; опубл. 27.10.2013.

52 Патент на изобретение RU №2461856, МПК G 04 F 10/04 Способ измерения временного интервала между двумя апериодическими импульсами сложной формы / Б.В. Скворцов, Д.И. Блинов; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва. -№2011116023/28; заявл. 22.04.2011; опубл. 20.09.2012.

53 Бреховских, Л.М. Волны в слоистых средах / Л.М. Бреховских. -М.: Наука, 1973.-344 с.

54 Выгодский, М.А. Справочник по высшей математике / М.А. Выгодский. - М.: Наука, 1973. - 872 с.

55 Бутиков, Е.И. Оптика / Е.И. Бутиков. - М.: Высшая школа, 1986. -

512 с.

56 Мищенко, К.П. Краткий справочник физико-химических величин / под редакцией К.П. Мищенко, А.А. Равделя. - Л.: Химия, 1974. - 200 с.

57 Патент на изобретение US 2003/0164938 А1, МПК G 01 С 3/08 Способ и устройство для измерения расстояний / Курт Гигер; заявитель и патентообладатель Курт Гигер. - №РСТ/СН01/00491; заявл. 08.10.2001; опубл. 25.02.2003.

58 Нестеров, В.Н. Метод многомерных тестовых объектов в оптических измерительных системах / В.Н. Нестеров, В.М. Мухин, А.В. Мещанов. -

Самара: СНЦ РАН, 2013.-224 с.

59 Крюков, В.П. Лазеры ультракоротких импульсов. Обзор /

B.П. Крюков // Квантовая электроника, №2, 2001. - с. 95-118.

60 Ахманов, С.А. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов /

C.А. Ахманов, В.А. Выслоух, A.C. Чиркин. - М.: Наука, 1988. - 312 с.

61 Крюков, П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов и их применение / П.Г. Крюков. - Долгопрудный: «Интеллект», 2012. - 248 с.

62 Патент на изобретение RU 2228517, МПК G 01 С 3/08 Фемтосекундный лазерный дальномер / И.В. Лесных, В.А. Середович, А.К. Синякин, A.B. Кошелев, М.Е. Миронов; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная геодезическая академия. - №2000100690/28; заявл. 10.01.2000; опубл. 10.05.2004.

63 Афонский, A.A. Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике / под ред. проф. В.П. Дьяконова. - М.: ДМК Пресс, 2011. -688 с.

64 Джексон, Р.Г. Новейшие датчики / Р.Г. Джексон. - М.: Техносфера, 2007.-384 с.

65 Каталог источников лазерного излучения [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://green-laser.ru (дата обращения 01.12.2014).

66 Якушенков, Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения / Ю.Г. Якушенков. -М.: Советское радио, 1977.-208 с.

67 Слюсарев, Г.Г. Расчёт оптических систем / Г.Г. Слюсарев. -Л.: Машиностроение, 1975. - 639 с.

68 Русинов, М.М. Техническая оптика / М.М. Русинов. -Л.: Машиностроение, 1979.-488 с.

69 Нефёдов, В.И. Метрология и радиоизмерения / В.И. Нефёдов. -М.: Высшая школа, 2006. -526 с.

70 Патент на изобретение RU 2314501, МПК G 01 F 25/00 Способ калибровки резервуаров / Э.Н. Шенкман, С.Н. Науменко, Л.К. Мартынов; заявитель и патентообладатель Шенкман Эдуард Наумович. - №2006118963/28; заявл. 01.06.2006; опубл. 10.01.2008.

71 Патент на изобретение RU 2393439, МПК G 01 F 25/00 Способ калибровки резервуаров / Э.Н. Шенкман, С.Н. Науменко, И.Э. Басагин; заявитель

и патентообладатель Шенкман Эдуард Наумович. - №2009118555/28, заявл. 19.05.2009, опубл. 27.06.2010.

72 Наземное лазерное сканирование [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://3dls.ru/article/! 18 (дата обращения 28.04.2014).

73 Тарировка. Расчет любых емкостей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.tarirovka.ru/ (дата обращения 28.04.2014).

74 Программа градуировки емкостей - RASCET [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.rascet.ru/ (дата обращения 28.04.2014).

75 Бокшанский, В.Б. Метод высокоточного измерения дальности путём использования цифровой обработки эхо-сигнала / В.Б. Бокшанский, М.В. Вязовых, Е Тэ Вун // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение, №1,2011. - с. 177-188.

76 Берников, Б.О. Методы повышения точности измерения дальности в лазерных фазовых дальномерах / Б.О. Берников, В.Б. Бокшанский, М.В. Вязовых, C.B. Фёдоров // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение, № 8, 2012. - с. 131-141.

77 Берников, Б.О. Исследование факторов, влияющих на погрешность измерения расстояния фазовым лазерным дальномером / Б.О. Берников, В.Б. Бокшанский, М.В. Вязовых, А.Н. Перов // Инженерный журнал: наука и инновации, №9, 2013.-е. 1-5.

78 Айхлер, Ю. Лазеры. Исполнение, управление, применение / Ю. Айхлер. -М.: Техносфера, 2012.-496 с.

79 Евдокимов, Ю.К. Lab VIEW для радиоинженера. От виртуальной модели до реального прибора / Ю.К. Евдокимов, В.Р. Линдваль, Г.И. Щербаков. -М.: ДМК Пресс, 2007. - 400 с.

80 Скворцов, Б.В. Методы дистанционных измерений геометрических параметров объектов / Б.В. Скворцов, И.Ю. Жиганов, А.Н. Малышева-Стройкова. - Германия: Лэп Ламберт Академик Паблишинг, 2012. - 316 с.

81 Мирошников, М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов / М.М. Мирошников. - Л.: Машиностроение, 1977. - 600 с.

82 Якушенков, Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения / Ю.Г. Якушенков. - М.: Советское радио, 1977. - 208 с.