Разработка и исследование поверхностных емкостных датчиков для измерения уровня топлива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Медведев, Александр Геннадьевич

• Медведев, Александр Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Медведев, Александр Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА ПЕРВАЯ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА УРОВНЯ ТОПЛИВА

1 Л. Функция преобразования емкостного датчика уровня топлива

1.2. Функция преобразования поверхностного емкостного датчика

1.3. Измерительные схемы емкостных топливомеров

1.4. Разработка и исследование форм электродов для поверхностных 33 емкостных датчиков уровня топлива

1.4.1. Конструкции датчиков

1.4.2. Варианты конструкции исследованных датчиков

1.4.3. Схема измерительной установки

1.4.4. Исследование измерительной схемы датчика

1.4.5. Результаты исследования измерительной схемы датчика

1.4.6. Исследование поверхностных датчиков

1.4.6.1. Выявление диапазона выходных параметров

1.4.6.2. Сравнение характеристик датчиков

1.4.6.3. Статические характеристики датчиков

1.4.6.4. Температурные характеристики датчиков

1.4.6.5. Результаты исследования поверхностных датчиков

1.4.7. Экспериментальное исследование макета прибора 64 Выводы по 1 главе

ГЛАВА ВТОРАЯ. ВЫБОР И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ 70 СХЕМЫ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ УРОВНЯ ТОПЛИВА

2.1. Емкостно-диодные измерительные цепи

2.2. Исследование модернизированной измерительной схемы

2.3. Устройство для измерения емкости конденсатора

2.4. Исследование измерительной схемы емкостного топливомера 78 Выводы по 2 главе

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА 89 МНОГОКАНАЛЬНОГО ДАТЧИКА УРОВНЯ ТОПЛИВА

3.1. Разработка макета многоканального датчика уровня топлива

3.2. Экспериментальные исследования многоканального датчика уровня 92 топлива

3.3. Разработка двухканального датчика уровня топлива со встроенным 140 образцовым датчиком

3.4 Разработка и исследование модульного датчика уровня топлива

3.5. Разработка алгоритма обработки информации многоканального 154 датчика уровня топлива

Выводы по 3 главе

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ОПЕРАТИВНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА 164 ТОПЛИВА

4.1. Методы и приборы для исследования параметров жидких 165 нефтепродуктов

4.2. Допусковый контроль плотности моторного топлива

4.3. Емкостные анализаторы детонационной стойкости топлива

4.4. Датчик анализатора качества автомобильного топлива

4.5. Расчет поплавка датчика анализатора качества топлива

4.6. Исследование измерительной схемы емкостного октаномера

4.7. Исследование температурных погрешностей емкостного октаномера 196 Выводы по 4 главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование поверхностных емкостных датчиков для измерения уровня топлива»

Оперативный контроль количества и качества топлива, используемого современными транспортными средствами, является актуальной задачей промышленности России - предприятий и организаций, эксплуатирующих транспортные средства и любые технологические системы с использованием двигателей внутреннего сгорания; каждого гражданина, имеющего в своем распоряжении автомобильный транспорт. В настоящее время из нефти вырабатывается более 500 видов продуктов, из них 90-95% — жидкие нефтепродукты (ЖИЛ), насчитывающие сотни наименований (бензины, дизельные топлива, масла и др.).

X арактерной особенностью сырья, промежуточных и конечных продуктов является то, что они представляют собой многокомпонентные смеси углеводородов и других соединений, содержащие десятки сотен компонентов. Поэтому каждый тип нефтепродукта характеризуется десятками параметров, для измерения которых применяется множество методов и приборов, разнородных по принципу действия (механические, электротепловые, оптические, электрохимические, спектральные, СВЧ и др.).

Топливные баки современных транспортных средств имеют довольно сложную конфигурацию и различные линейные размеры, что затрудняет применение поплавковых уровнемеров. Кроме того, возникла задача не только измерения уровня, но и контроля качества топлива. При эксплуатации транспортных средств в сложных климатических условиях возможна конденсация воды в топливном баке, что грозит выходом из строя двигателя. Задача контроля наличия воды в нефтесодержащих продуктах возникает также при их транспортировке и хранении. При этом качество нефтепродуктов в настоящее время оценивается комплексами характеристик. В тоже время, для управления технологическими процессами или при установлении качества используемого ЖНП обычно используют измерительную информацию об одной или двух характеристиках, входящих в комплекс, значение которых для конкретного процесса наиболее существенно.

Определение химического состава ЖНП - одна из сложнейших аналитических задач, для решения которой используется весь арсенал знаний физики, химии и других наук.' Измерительная информация о составе ЖНП в условиях химико-технологических процессов позволяет однозначно определять качество сырья, промежуточных и конечных продуктов. Сложность современных методов и средств автоматического анализа состава многокомпонентных сред, каковыми являются ЖНП, их разнообразие и все время изменяющиеся требования к регламенту химико-технологических процессов определяют тот факт, что во многих случаях еще не найдены удовлетворительные решения задачи анализа состава многокомпонентных сред, главным образом по скорости получения измерительной информации и точности измерений. Также необходимо учитывать, что ЖНП изготавливаются из нефти разных месторождений, и значения их параметров изменяются в широких пределах под влиянием температуры, группового состава и наличия посторонних примесей, т.е. их параметры априорно неопределенны.

Настоящая работа посвящена решению поставленных задач с помощью емкостных методов измерения уровня жидких сред, исследованию емкостно-диодных измерительных цепей, а также разработке и исследованию предлагаемых конструктивных решений датчиков, алгоритмов обработки и сопряжения получаемой информации об уровне топлива в топливных баках.

Приборы, измеряющие объемное или весовое количество топлива в баках транспортных средств, называемые топливомерами, позволяют водителю определить в любой момент, сколько топлива имеется в баках, и оценить время, в течение которого можно продолжать движение, а оператору неподвижных установок, с использованием двигателей внутреннего сгорания, оценить продолжительность времени работы до следующей дозаправки. Одновременно информация о количестве топлива в топливных баках является базовой для расчета расхода топлива по отношению к ожидаемому результату эксплуатации двигателя, например, на преодоление расстояния транспортными средствами или выработку электрической энергии для дизель-генераторных установок.

Большинство методов измерения количества топлива сводится к измерению его уровня. Количество топлива и его уровень связаны между собой функциональной зависимостью, определяемой формой топливного бака. На практике нашли применение следующие методы измерения количества топлива: весовой, гидростатический, поплавковый, акустический, емкостный, индуктивный, резисторный, радиоволновой, радиоизотопный. Рассмотрим эти методы.

Весовой метод

Весовой метод заключается в непосредственном взвешивании бака с топливом с помощью тензодатчиков, которые устанавливаются в местах крепления бака. Вес топлива

От = Р-Об, (1) где Р - измеренная сила давления на опоры бака; во - вес пустого бака.

Гидростатический метод

Метод основан на зависимости гидростатического давления топлива от его уровня. По этому методу могут быть построены три варианта топливомеров -манометрический, барботажный и буйковый.

В манометрическом топливомере дифференциальный датчик давления смонтирован под баком, в нижней его точке, и непосредственно воспринимает давление топлива, преобразуя его в электрический сигнал. Противодавлением служит давление над поверхностью топлива. Измеряемое избыточное давление жидкости пропорционально высоте И ее уровня:

Р = Ь-у, (2) где у - удельный вес топлива.

В барботажном топливомере сквозь трубку, погруженную в бак, продувают с малой скоростью воздух или инертный газ. Сопротивление жидкости создает противодавление р = 1гу, измеряемое дифференциальным манометром.

В буйковом топливомере в топливо погружен буек (полый цилиндр), длина которого равна высоте бака. Измеряется выталкивающая сила:

Р = Р-Ь-у - О0, (3) где Б - площадь поперечного сечения буйка; в0 - вес буйка.

Поплавковый метод

Метод заключается в измерении линейного перемещения плавающего на поверхности топлива поплавка относительно вертикальной направляющей или углового перемещения, связанного с поплавком рычага. Датчик связан с указателем с помощью электрической дистанционной передачи. В настоящее время поплавковые измерители уровня топлива являются самыми массовыми средствами измерения, используемыми для оперативного контроля уровня топлива в топливном баке транспортного средства, выпускаются промышленностью большими партиями и пользуются устойчивым спросом.

Акустический метод

Акустический метод основан на свойстве ультразвуковых колебаний отражаться от границы раздела двух сред. Измерение уровня топлива в баке может осуществляться путем локации сверху или снизу.

В первом случае источник и приемник звука располагаются в верхней точке бака, и измеряется время прохождения звука по воздуху до поверхности топлива и обратно: г = 2-(Н-Ь)/а, (4) где Н - общая высота бака; а — скорость звука в воздухе.

Во втором случае источник и приемник звука располагаются в нижней точке бака, и измеряется время прохождения звука по топливу до его поверхности и обратно: t = 2-И/аг, (5) где аг - скорость распространения звука в топливе.

Второй способ предпочтительнее, так как ультразвуковые колебания затухают в воздухе значительно быстрее, чем в жидкости.

Емкостный метод

Метод основан на зависимости емкости конденсатора, расположенного в топливном баке, от уровня топлива. Емкость изменяется в связи с тем, что диэлектрическая проницаемость топлива отличается от диэлектрической проницаемости воздуха. Если жидкость электропроводна, то электроды конденсатора должны быть изолированы.

Индуктивный метод

Метод основан на зависимости индуктивности катушки, расположенной в баке, от уровня топлива. Индуктивность изменяется вследствие изменения электрических потерь в жидкости; эти потери ощутимы в электропроводящих жидкостях, для которых и применим данный метод.

Резисторный метод

Метод основан на зависимости активного сопротивления резистора, расположенного в баке, от уровня топлива. Сопротивление изменяется вследствие шунтирования его топливом. Метод пригоден для измерения уровня электропроводящих жидкостей.

Радиоволновой метод

Радиоволновой метод имеет две разновидности: радиоинтерференционный и резонансный.

Радиоинтерференционный метод основан на зависимости от уровня жидкости положения узлов стоячей электромагнитной волны, возникающей в коаксиальной линии при сложении падающей и отраженной от измеряемого уровня волн.

Резонансный метод основан на зависимости от уровня жидкости собственной частоты полого резонатора, которым служит бак с топливом.

Радиоизотопный метод

Метод основан на изменении интенсивности излучения радиоизотопов в жидкости. Контроль уровня осуществляется одним из двух способов.

Первый способ заключается в просвечивании жидкости с помощью источника гамма-излучения; приемником служит газоразрядный счетчик, измеряющий интенсивность излучения, зависящую от уровня жидкости, или механически перемещающийся вместе с источником вслед за уровнем с помощью следящей системы.

При втором способе источник и приемник излучения находятся по одну сторону бака; источник быстрых нейтронов посылает поток нейтронов по направлению к баку. При изменении уровня жидкости разница в отражающих свойствах нижней и верхней сред приводит к резкому изменению количества нейтронов, отразившихся от среды и зарегистрированных приемником.

На транспорте широкое применение нашли поплавковые и емкостные топливомеры. Поплавковый тип топливомеров нашел преимущественное применение в автомобильном транспорте, где по существу в настоящее время является отраслевым стандартом, выпускаемым многомиллионными сериями. Конструктивно данный тип топливомера представляет собой поплавок, механически связанный с переменным резистором. При изменении уровня топлива в топливном баке, поплавок, перемещаясь вместе с уровнем топлива, посредством механической связи изменяет сопротивление потенциометра, которое отображается на приборной панели автомобиля.

Несмотря на широчайшее применение, данный тип топливомеров имеет существенные недостатки. Такие, как относительную сложность конструкции, включающей до 50 деталей, соответственно сложность изготовления с применением целого ряда производственных процессов: штамповка, литье пластмассы, механическая обработка, сборка и т.д. Датчик в процессе измерения требует питания источником постоянного тока, хотя и незначительного, обладает инерционностью.

Основным же недостатком является низкая точность данного решения и практически невозможное повышение точности измерения при использовании все более сложных форм топливных баков в транспортных средствах, когда линейное изменение уровня топлива далеко не всегда соответствует изменению его остатка в топливном баке.

В настоящий момент в большинстве случаев водитель лишь приблизительно оценивает количество топлива (с точностью нескольких литров) и принимает решение о безотлагательной заправке в случае сигнализации специализированного индикатора, информирующем о критическом уровне остатка топлива.

К основным достоинствам применяемой конструкции можно отнести высокую надежность данного типа датчика, его независимость от температуры окружающей среды, также как и от химического состава топлива.

Современная автомобильная промышленность становится заложником здорового консерватизма, не используя возможные альтернативные подходы к измерению уровня топлива.

Дополнительно, исключительно важной проблемой при эксплуатации современного транспортного средства является возможность оперативного контроля не только количества, но и, по крайней мере, оценочного (приблизительного) контроля качества используемого топлива. Современный двигатель внутреннего сгорания предъявляет все более высокие требования к качеству используемого топлива, содержанию в нем химических и механических примесей, а также конденсата воды, оказывающего разрушительное влияние на поверхность камеры сгорания двигателя в случае попадания паров влаги в процесс сгорания топлива.

Не лишним будет отметить, что введение в Российской Федерации норм выбросов двигателей внутреннего сгорания, соответствующих европейским нормам Евро-2, а в перспективе и более строгих норм Евро-3 и Евро-4, крайне затруднительно при существующем уровне культуры производства и продажи топлива на рынке. Возможность водителю, по крайней мере, бинарно, оперативно определить качество заливаемого в топливный бак жидкости могла бы стать инструментом защиты двигателя от некачественного топлива, и соответственно, снижения выбросов при сгорании топливных смесей.

Обзор задач, возникающих при конструировании, производстве и эксплуатации современных поплавковых топливомеров, позволяет утверждать, что проблема совершенствования конструкции датчика топливомера, улучшение его качественных показателей, таких как точность и надежность, а также расширения функциональных возможностей топливомеров является актуальной. Анализ теоретических и внедренных способов решения задачи оперативного измерения количества и качества топливной смеси непосредственно в топливном баке транспортного средства, для дальнейшего использования полученной информации в системах контроля и управления транспортными средствами, показал возможность использования емкостной схемы построения датчика и совершенствования функциональных показателей датчика топливомера.

Поэтому в данной диссертационной работе разрабатываются > и исследуются емкостные датчики для измерения уровня топлива и оперативной оценки его качества. Использование в приборах измерения уровня топлива емкостных датчиков может предоставить следующие ожидаемые преимущества:

- Упрощение механической конструкции измерительного прибора.

- Упрощение технологии производства измерительных приборов с использованием предлагаемых датчиков, за счет снижения числа производственных операций и уменьшения количества деталей изделия.

- Повышение точности измерения прибора с одновременным повышением уровня его помехозащищенности от внешних воздействий. Сокращение времени проведения измерений и уменьшение инертности, свойственной используемым в настоящее время поплавковым системам.

- Упрощение сопряжения датчиков с приборами отображения информации за счет аналого-цифровой обработки выходного сигнала и разработки алгоритмов интерпретации выходной информации датчиков.

- Расширение функциональных возможностей измерителей' уровня топлива, позволяющих, кроме информации о количестве топлива в топливном баке, получать оценочную информацию о его качестве, особенно о наличии в топливной смеси воды.

- Представление возможности использования предлагаемых датчиков для измерения уровня топлива химически агрессивного состава.

Целью работы является разработка и исследование топливомера на основе емкостных датчиков уровня топлива, его измерительной схемы и ее сопряжения с внешними устройствами, и алгоритмов обработки информации микропроцессорными контролерами, бортовыми ЭВМ транспортных средств, устройствами отображения и сигнализации.

Эта цель достигается решением следующих основных задач:

1. Получение функции преобразования -для информативной составляющей выходной емкости датчика с различными формами электродов конденсатора.

2. Разработка конструктивных вариантов исполнения емкостного датчика уровня топлива, состоящего из электродов конденсатора, находящегося внутри диэлектрика, а измеряемая жидкость - снаружи, предназначенного для решения задачи измерения уровня топливной смеси в баке транспортного средства и оперативного контроля ее качества.

3. Исследование факторов, влияющих на чувствительность и погрешности емкостного датчика уровня топлива, с целью обоснования формы электродов конденсатора для повышения чувствительности и помехозащищенности датчика.

4. Выбор и обоснование измерительных схем для емкостных датчиков уровня топлива, обладающих высокой чувствительностью, стабильностью характеристик и малыми габаритами.

5. Разработка структурных схем сопряжения с различными внешними устройствами и алгоритмов сбора и обработки информации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Функция преобразования для информативной составляющей выходной емкости емкостного датчика уровня топлива и основных конструктивных вариантов его реализации.

2. Результаты исследования чувствительности, погрешностей емкостного датчика и обоснование формы его электродов для повышения чувствительности и помехозащищенности.

3. Результаты выбора и обоснования измерительных схем для емкостных датчиков -уровня топлива.

4. Структурные схемы сопряжения емкостных датчиков уровня топлива с внешними устройствами и алгоритмы обработки информации для различных задач применения, включая оперативную оценку качества топлива.

Результаты работы использованы в хоздоговорных НИР, проводимых кафедрой «Измерительно-вычислительные комплексы» Ульяновского государственного технического университета совместно с ОАО «Электроприбор» г. Чебоксары, а также при изготовлении опытных образцов товарной продукции на ОАО «Электроприбор» г. Чебоксары.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в Ульяновском государственном техническом университете, ОАО «Электроприбор», а также на межрегиональной научно-практической конференции Приволжского региона (г. Москва, 2006 г.).

Приоритет основных технических решений, разработанных в данной работе, защищен патентом РФ №2302617, 2007г.

Результаты исследований использованы на ОАО «Электроприбор» г. Чебоксары для изготовления макетных и опытных образцов дипольных емкостных топливомеров с расширенными функциональными возможностями.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Медведев, Александр Геннадьевич

Выводы по 4 главе

1. Лабораторные исследования в диапазоне температур +20 +70°С подтвердили возможность применения предложенных поплавковых и емкостных датчиков для оценки качества топлива, показали возможность регулирования чувствительности, настройки схемы, уменьшения погрешностей в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

2. Анализ результатов испытаний показывает, что наиболее приемлемым материалом изоляционной прокладки емкостного датчика является фторопласт, но возникает задача герметичного электрического вывода от внутреннего электрода.

Материал электродов на технические характеристики датчика практически не оказывает влияния и может выбираться из условия коррозионной стойкости, эксплуатационных и производственных требований. Зазор между электродами выбирается из условия меньшего влияния вязкости топлива и загрязнения поверхности диэлектрика.

3. Исследования емкостного октаномера в лабораторных условиях и на нефтебазах показали хорошую повторяемость результатов испытаний и достаточную чувствительность датчика. В тоже время, исследования топлива от различных поставщиков показали, что необходимо вносить поправки на региональное сырье и тип производства топлива.

4. Исследования емкостного датчика с различными видами топлива показали, что такой датчик не "отличает" бензин от дизельного топлива. Так, в бензине А-76 емкость датчика составила 22.72 пФ, в бензине АИ-98 - 23.80 пФ, а в дизельном топливе - 23.22 пФ.

Без дополнительной информации с помощью емкостного датчика невозможно отличить бензин от дизельного топлива. Такой дополнительной информацией может стать плотность топлива.

Аналогичные исследования емкостного датчика с поплавком показали те же данные в автомобильных бензинах, а в дизельном топливе емкость датчика составила 18.9 пФ. Предложенное устройство емкостного датчика с поплавковым корректором позволяет различать эти типы углеводородных топлив и идентифицировать марку топлива.

5. Плотность автомобильного бензина составляет 0.68*0.76 г/см3, а плотность дизельного топлива — 0.8*0.98 г/см . Если изготовить поплавок с

•л объемной плотностью 0.78 г/см , то в автомобильном бензине он будет тонуть, а в дизельном топливе - всплывать. Это свойство поплавка и было положено в основу автоматической коррекции показаний емкостного датчика анализатора автомобильного топлива.

6. Анализ амплитудно-частотных характеристик измерительной схемы емкостного анализатора качества топлива показал, что схема имеет те же свойства, что и схема топливомера, хотя диапазон измеряемых емкостей другой. Выходной сигнал увеличивается с ростом измеряемой емкости, зависит от частоты напряжения питания и значений сопротивлений резисторов Rb R2.

Схема может быть настроена на оптимальное значение частоты, когда выходной сигнал максимальный и мало зависит от частоты напряжения питания, а также сопротивлений резисторов Ri, R2.

7. Статическая характеристика исследованной емкостно-диодной измерительной схемы имеет инвариантную к значению сопротивлений R зону — в окрестностях измеряемой емкости 13 пФ выходной сигнал практически не зависит от значений этих сопротивлений. Проведенные исследования схемы при Ri ^ R2 показали, что имеется возможность смещать статическую характеристику в сторону положительных или отрицательных значений выходного напряжения, что позволяет настраивать устройство только изменением сопротивления одного из резисторов (Rj или R2).

8. Анализ чувствительности и регулировочной характеристики схемы октаномера при * 1?.2, Со = 20*100 пФ, f- 500 кГц, скважности 2 и амплитуде прямоугольных импульсов напряжения питания 10 В показывает, что выбором параметров измерительной цепи можно получить чувствительность в рабочем диапазоне 0.22*0.24 В/пФ.

9. Понижение емкости датчика при повышении температуры для октаномера объясняется уменьшением диэлектрической проницаемости топлива. Это изменение различается для исследуемых типов топлив. Наибольшее отклонение наблюдается для АИ-98 (2.15 пФ), наименьшее - для дизельного топлива (1.29 пФ).

10. При заливке топлива в емкостный датчик с поплавковым корректором в нижней части поплавка может некоторое время сохраняться небольшой пузырек воздуха, что несколько уменьшает объемную плотность поплавка. Поэтому предлагается измененная конструкция поплавка. Нижняя часть поплавка выполняется конической, массивной (обеспечивающей получение граничного значения плотности для самого тяжелого из серии поплавков). Верхняя часть поплавка может быть выполнена плоской (а), овальной (б), конической (в). Наименьшее гидравлическое сопротивление имеет конструкция (б), наибольшее - конструкция (а). Отношение длины поплавка к его диаметру должно быть в пределах 3*5, при этом получается минимальное гидравлическое сопротивление поплавка при его всплытии.

11. Для практического применения рекомендуется схема октаномера с дросселем и одним датчиком (например, №5) на частоте 50 кГц. При этом в диапазоне температур от +25 до +69°С температурная погрешность для бензина А-76 не более 3%, а для бензина АИ-98 - не более 6.5%.

Модернизированная плата фильтров с дросселем и неизменным положением кабелей дали приемлемые результаты по температурным погрешностям в достаточно широком диапазоне частот для анализатора качества топлива, состоящего из двух датчиков №(4, 5) и бензина А-76.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе решены поставленные задачи разработки и исследования дипольных емкостных датчиков, приборов для измерения уровня топлива на их основе и алгоритмов обработки и интерпретации измерительной информации в микропроцессорных устройствах хранения, обработки и представления данных. Основные результаты данной диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Выделены основные задачи, требующие от приборов измерения уровня топлива - выдача электрического сигнала об уровне топлива, контроль за нахождением измеряемой величины топлива в заданных пределах, непрерывный сбор и обработка измерительной информации. Определены требования к разрабатываемой конструкции по параметрам точности, чувствительности, надежности, конструктивной и производственной сложности. Для решения поставленных задач разработаны и экспериментально опробованы конструкции поверхностных емкостных датчиков уровня топлива. Форма электродов определяет вид выходной характеристики датчика, область его применения, а вместе с используемой измерительной схемой и его метрологические параметры.

2. Выведены математические выражения функций преобразования разработанных конструкций емкостных датчиков, связывающие выходной сигнал датчика с его основными конструктивными параметрами. Так как система электродов датчика имеет относительно несложную пространственную конфигурацию, использование точных численных и математических методов расчета выходной характеристики датчика возможно или целесообразно, поэтому для получения математических моделей разработанных конструкций датчика использовалась модель плоского конденсатора с развернутыми на 180° электродами, представляющим в данной модели заряды диполя, являющегося источником электрического поля. Экспериментальная проверка адекватности полученных моделей на макетах датчиков показала, что погрешность расчетных функций преобразования в границах их применимости не превышает 5-10%.

3. Исследованы основные параметры, влияющие на чувствительность поверхностного емкостного датчика уровня топлива. Установлено, что для ее повышения необходимо использовать методы увеличения момента диполя в электрическом поле, образованном электродами датчика. Разработаны требования к соотношениям геометрических размеров электродов датчиков различной конструкции, позволяющие получить их функции преобразования, удобные для дальнейшей обработки и использования выходного сигнала датчика.

Проведены исследования датчиков емкостных топливомеров, диодно-емкостных измерительных схем в диапазоне температур +14 * +70°С. Лабораторные исследования подтвердили возможность применения предложенных датчиков в системах измерения уровня топлива, показали возможность регулирования чувствительности, настройки схемы, уменьшения погрешностей в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

4. Исследованы основные источники погрешностей поверхностного емкостного датчика. Установлено, что при воздействии на него температуры, вибраций, а также неточности изготовления формы электродов пренебрежимо малы. Сильные искажения в выходную характеристику некоторых конструкций датчика вносят изменения диэлектрической проницаемости среды его установки, за пределами ожидаемых параметров для топлива гарантированного качества вследствие наличия в топливе примесей и особенно воды. Установлено, что основными источниками внешних помех, искажающих выходной сигнал датчика, являются электрические поля и физические тела, подносимые к его электродам.

5. Разработаны формы электродов поверхностного емкостного датчика для определения моментов прохождения уровня топлива относительно его отметок. Сигналом о прохождении уровня контролируемого положения может быть (в зависимости от конструкции) максимум выходной емкости, точка равенства выходных дифференциальных емкостей, монотонно изменяющихся в окрестности контролируемого положения, дискретное изменение (и минимального значения на максимальное или наоборот) одного из емкостных выходов датчика.

6. Для повышения помехозащищенности поверхностного емкостного датчика, а именно с целью исключения влияния на него внешних электрических полей, предложено обратную сторону подложки электродов покрывать слоем токопроводящего материала, выполняющим функции экрана. Предложено также площади электродов датчиков с дифференциальной структурой емкостей делать равными между собой для минимизации погрешностей, вносимых в выходной сигнал внешними источниками помех. Выполнение этого условия позволяет подносить физические тела к маске электродов на расстояние до 10 см без внесения значительных искажений в выходной сигнал.

7. Предложено для преобразования выходного сигнала поверхностных емкостных датчиков использовать емкостно-диодные измерительной схемы. Предлагаемая измерительная схема позволяет сопрягать датчик с источником переменного тока подбором шунтирующего сопротивления и повысить чувствительность датчика подбором параметров выходного Я-С фильтра на выходе измерительной схемы.

8. Разработана структура и алгоритм функционирования системы интерпретации и отображения информации, получаемой датчиком, а также структурные схемы и алгоритмы сопряжения многоканальных поверхностных емкостных датчиков с ЭВМ и микропроцессорными контроллерами. Произведено математическое описание структуры прибора измерения уровня топлива, а также разработаны алгоритмы и программа ее формирования и оптимизации.

9. Разработаны, изготовлены и исследованы макеты многоканальных емкостных датчиков, состоящий из 4-х последовательно соединенных модулей, измерительная информация с которых, после преобразования, передается в ЭВМ по последовательному порту ввода-вывода (интерфейс К.8-232). Для ЭВМ разработана программа приема и обработки измерительной информации. Такие датчики могут найти применение для контроля запаса топлива и его качества в высоких баках на автотракторном и автомобильном транспорте. Проведены экспериментальные исследования опытных образцов датчиков в лабораторных условиях.

По результатам исследования макета поверхностного емкостного датчика предложены рекомендации проектировщикам приборов измерения уровня топлива с применением предложенной конструкции многоканального емкостного датчика по созданию структуры систем сбора, обработки, интерпретации и представления пользователю измерительной информации. Даны рекомендации по выбору параметров конструкции и измерительной схемы поверхностного датчика. Исследования показали хорошую повторяемость результатов испытаний и достаточную чувствительность емкостного датчика.

10. На предложенную конструкцию поверхностного емкостного датчика получено положительное решение о выдаче патента РФ, Полученные в данной работе результаты, использовались на ОАО "Электроприбор", г. Чебоксары, для проектирования и изготовления опытных образцов топливных уровнемеров с поверхностными емкостными датчиками.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Медведев, Александр Геннадьевич, 2008 год

1. Алексеев В.Н. Топлива и смазочные материалы для автомобилей. М.: Транспорт, 1976. 95с.

2. Азарх С.Х. Конденсаторы переменной емкости. М-Л.: Энергия, 1965-328с.

3. Аналоговые электроизмерительные приборы / Под ред. A.A. Преображенского. М.: Высшая школа, 1979 351 с.

4. Анализатор импеданса и амплитудно-фазовых характеристик Solatron 1260. Техническое описание и руководство к эксплуатации, www.wftest.ru

5. Андреев B.C., Пеопечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. — Л.: Машиностроение, 1981. 312с.

6. Ас. №20001171028/20 РФ. Устройство для определения суммарного с содержания ароматических углеводородов в нефтяных фракциях и светлых нефтепродуктах и их оптической активности. / Николаев В.Ф. — 2000. Опубл. БИ №24, 2000.

7. Ас. №2001103301/20 РФ. Устройство для определения качества топлива транспортного средства./ Худенко В.И., Шувалов H.H. 2001. Опубл. БИ №22, 2001.

8. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. М.: Энергия, 1970, 592с.

9. Ацюковский В.А. Емкостные преобразователи перемещения. М.-Л.: Энергия, 1966.-280 с.

10. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические параметры чистых жидкостей: Справочник. М.: МАИ, 1999. 856 с.

11. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем. Пер. с франц. М.: Мир, 1992. (кн. 1 480с., кн.2 424с.)

12. Баранов Л.А. Конденсаторные преобразователи в автоматике и системах управлениям.: Энергия, 1969.

13. Бардик Дональд Л., Леффер Уильям Л. Нефтехимия. Пер. с англ. М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2003. 416с.

14. Белов Г.А., Захаров В.Г. Применение символьных схемных функций для расчета линейных электрических цепей. // Электричество. 2003. №8. -С.34-46.

15. Бернштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ. М.: Наука, 1986 544с.

16. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. Пер. с англ., М.: Энергия, 1970. 376с.

17. Боднер В.А. Авиационные приборы. М.: Машиностроение, 1969. - 467 с.

18. Большаков Г.Ф. и др. Физико-химические основы применения моторных, реактивных и ракетных топлив. М.: Химия, 1965. 272с.

19. Браславский Д.А., Логунов С.С., Пельпор Д.С. Авиационные приборы. -М.: Машиностроение, 1964. 740 с.

20. Браславский Д.А. Приборы и датчики летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1970. - 392 с.

21. Брасняцев Н.В. и др. Автомобильные топлива. Эксплуатационные свойства и применение. М.: Автотрансиздат, 1962. 100с.

22. Брусиловский Л.П., Вайнберг А.Я. Приборы технологического контроля в молочной промышленности: Справочник 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Агропромиздат, 1990. -288 с.

23. Бугров A.B. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. М.: Машиностроение, 1982 94с.

24. Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматизированного контроля и управления. М.: Энергия, 1972 79с.

25. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии. Структурные методы и оптическая спектроскопия. М.: Высш. шк., 1987. 367с.

26. Волков Е.А. Численные методы. М.: Наука, 1986.

27. Вострокнутов H.H. Цифровые измерительные устройства. Теория, погрешности, испытания, поверка. — М.: Энергоатомиздат, 1990 — 208с.

28. Гаврилов А.Н. Основы технологии приборостроения. М.: Высшая школа, 1976-328с.

29. Горелик А.Л., Скрипкии B.B. Методы распознавания. Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1984. 208с.

30. Гоноровский П.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986-512с.

31. ГОСТ 8.009-84 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. ГСИ. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. М.: Изд-во стандартов. 1985.

32. ГОСТ 8.061-80 Поверочные схемы. Содержание и построение. М.: Изд-во стандартов, 1980-16с.

33. ГОСТ 8.508-84 Метрологические характеристики средств измерений и точностные характеристики средств автоматизации ГСИ. Общие методы оценки и контроля. М.: Изд-во стандартов, 1984-54с

34. Григорьев М.А. и др. Качество моторного масла и надежность двигателей. М.: Изд-во стандартов, 1981. 231с.

35. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980-247с.

36. Гутников B.C., Мальцева Л.А., Франберг Э.М., Ямпольский B.C. Основы цифровой техники. М.: Радио и связь, 1987 128с.

37. Гутников B.C., Соловьев А.Л. Измерительная схема для емкостных датчиков // Приборы и системы управления, 1991, №5, с.24.

38. Гуреев А. Применение автомобильных бензинов. М.: Химия, 1972. 364с.

39. Детлаф A.A. Курс физики, т.2 «Электричество и магнетизм». М.: Высшая школа, 1977-375с.

40. Дозорцев В.М., Ефитов Г.Л., Шестяков Н.В. Современные системы управления как средство снижения потерь в нефтепереработке. // Приборы и системы управления. -1998. №7. -С.13-17.

41. Драхсел Р. Основы электроизмерительной техники. М.: Энергоатомиздат, 1982-296с.

42. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. 448с.

43. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. 480с.

44. Евдокимов Ю.К., Никифоров И.К., Героев A.JI. Нейросетевой метод определения параметров бензопродуктов с применением импедансометрии. // Естественные и технические науки /Вестник Чуваш, ун-та №2. Чуваш, ун-т. Чебоксары, 2004. С142-149.

45. Евдокимов Ю.К., Никифоров И.К., Героев A.JI. Усовершенствование устройства для идентификации жидких нефтепродуктов с помощью искусственное нейронной сети // Сб. тр. молодых ученых и специалистов Чуваш. Ун-т. Чебоксары , 2003. С. 276 279.

46. Евдокимов Ю.К., Никифоров И.К. Виртуальный прибор — октаномер на основе искусственной нейронной сети // Тез. Докл. 7-й науч. конф. по радиофизике (ННГУ, 6-8 мая). Н. Новгород, 2003. С105.

47. Евдокимов Ю.К., Никифоров И.К. Использование искусственных нейронных сетей в виртуальных приборах // Тез. Докл. 5-й Всерос. научн. конф. «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем». Чуваш. Ун-т. Чебоксары, 2003. CI 11-112.

48. Евдокимов Ю.К., Никифоров И.К. Нейросетевой импедансный метод определения параметров жидких нефтепродуктов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 204. №12. С37-43.

49. Евдокимов Ю.К., Никифоров И.К. Устройство и способ идентификации бензинов с помощью искусственной нейронной сети // Сборник трудов молодых ученых и специалистов Чувашского ун-та. Чебоксары, 2003. С275-276.

50. Жарков Ф.П. и др. Использование виртуальных инструментов LAB VIEW./ Под ред. К.С. Демирчяна и В.Г. Миронова М.: Радио и связь, Горячая линия Телеком, 1999. 268с.

51. Замятин Н.В., Шадрин Я.П. Автоматизированная информационная система контроля параметров бензина. // Приборы и системы управления. 1998. -№5. - С.3-8.

52. Замятин Н.В., Шадрин Я.П. Автоматизированная информационная система контроля параметров бензина. // Приборы и системы управления. — 1998. -№5.-С.3-8.

53. Заявка РФ на изобретение №20000100547/04. Способ определения октанового числа бензина. / Кондаков В.Ю., Лесных И.В., Мещеряков H.A., Подъяпольский Ю.В. Опубл. БИ № 25, 2001.

54. Заявка РФ на изобретение №20000122691/28. Способ определения октанового числа автомобильных бензинов. / Пащенко В.М., Ванцов В.И., Чуклов В.М., Синицин Д.В., Опубл. БИ №23, 2002.

55. Заявка РФ на изобретение № 95105676/25. Оптоэлектронный октанометр. / Лиманов А.И. Опубл. БИ CD-ROM, 1998.

56. Заявка РФ на изобретение № 95110676/25. Способ определения октанового числа отдельных углеводородных смесей. / Матвеева H.A., Квашнин В.Н. Опубл. БИ CD-ROM, 1998.

57. Заявка РФ на изобретение №96100206/25. Устройство для измерения ОЧ неэтелированных бензинов. / Кольцов Ю.В., Королев В.Н., Кусакин С.А., Золотарев В.Г., Ермилов В.И. Опубл. БИ CD-ROM, 1998.

58. Иоссель Ю.А., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Л.: Энергоиздат, 1981. 288с.

59. Итинская Н.И., Кузнецов H.A. Справочник по топливу, маслам и техническим жидкостям. М.: Колос, 1982. 208с.

60. Итинская Н.И., Кузнецов H.A. Топлива, масла и технические жидкости. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1989. 303с.

61. Итинская Н.И., Кузнецов H.A. Топлива, масла и технические жидкости. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1974. 354с.

62. Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытание электроизоляционных материалов и изделий. Л.: Энергия, 1980. 216с.

63. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. JL: Энергоатомиздат, 1986 -120с.

64. Карапетьяис М.Х., Карапетьянс M.JI. Основные термодинамические константы веществ. Справочник. Л.: Химия, 1977. 388с.

65. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. — М.: Наука, 1975. -256 с.

66. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 320 с.

67. Методы электрических измерений / Л.Г. Журавин, М.А. Мариненко, Е.И. Семенов, Э.И. Цветков; Под ред. Э.И. Цветкова. Л.: Энергоатомиздат, 1990.-288 с.

68. Медведев Г.В., Мишин В.А., Шивринский В.Н. Емкостные уровнемеры топлива для автомобильного транспорта. Датчики и системы. 2003, № 10, стр.37-38.

69. Никифоров И.К., Михаилов М.В. Измеритель частотных характеристик диэлектрической проницаемости жидкостей. // Сб. тр. молодых ученых и специалистов Чуваш, ун-т. Чебоксары, 2002. С260-262.

70. Никифоров И.К. Исследование частотных характеристик бензинов // Тез. докл. школы-семинара: «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (Ульяновск, 6-7 декабря 2001 г.).УлГТУ. Ульяновск, 2001, С. 42.

71. Обельниций A.M. Топливо и смазочные материалы. Учеб. для Втузов. М.: Высш. школа, 1982. 208 с.

72. Октаномер CAT -1100. Рекламный проспект НПО «Сетал» (г. Самара)

73. Октаномер СВП1.14.212. Рекламные проспект фирмы «Sirius» (г. Томск)

74. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высш. школа, 1977. 448 с.

75. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы аналоговые и цифровые. Киев: Высшая школа, 1980 558с.

76. Папок К.К., Рогозин H.A. Технический словарь-справочник по топливу и маслам. М.: Изд-во нефтяной и горно-топливной лит-ры, 1963. 768с.

77. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники. 3-е изд., перераб. и доп. СПб.: Лань, 2001. 368с.

78. Пат. № 2085920 РФ. Способ определения октанового числа компонентов моторного топлива. / Кавыев А.Г., Глазунов В.И. — 1997. Опубл. БИ CD-ROM, 1998.

79. Пат. № 2094776 РФ. Способ определения октанового числа топлива. / Кольцов Ю.В., Королев В.Н., Кусакин С.А. 1997. Опубл. БИ CD-ROM, 1998.

80. Пат. № 2137111 РФ. Способ идентификации марки товарного бензина и устройство для его осуществления. / Бердников С.Л., Бобкова И.С., Зеликин Я.М. 1997. Опубл. БИ №25, 1999.

81. Пат. № 2173859 РФ. Устройство для измерения емкости конденсатора. / Медведев Г.В., Мишин В.А., Шивринский В.Н. Опубл. БИ №26, 2001.

82. Пат. № 2175131 РФ. Способ определения индукционного периода окисления топлив. / Астафьев A.A., Исаев И.А., Завьялов В.А., Чечкенов О.В., 2000. Опубл. БИ № 29, 2001.

83. Пат. № 2187092 РФ. Способ контроля качества нафтепродуктов и горючесмазочных материалов. / Страхов А.Ф., Чечкенев И.В., Страхов O.A., Алаторцев Е.И. 2001. Опубл. БИ №22, 2002.

84. Пат. № 2190206 РФ. Устройство допускового контроля плотности жидкости. / Медведев Г.В., Мишин В.А., Шивринский В.Н. Опубл. БИ №27, 2002.

85. Пат. № 2196966 РФ. Датчик для измерения уровня жидкости. / Медведев Г.В., Мишин В.А., Шивринский В.Н. Опубл. БИ №2, 2003.

86. Пат. № 2204824 РФ. Датчик диэлькометрического анализатора качества моторного топлива. / Медведев Г.В., Мишин В.А., Шивринский В.Н. Опубл. БИ №14, 2003

87. Пятин Ю.М. Проектирование элементов измерительных приборов. М.: Высшая школа, 1977. 304 с.

88. Расчет и конструирование расходомеров. JL: Машиностроение, 1978. — 224 с.

89. Рекламный проспект фирмы «Протон»: октаномер АС-98; адаптивная система управления процессом приготовления товарных бензинов.

90. Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М.: Наука, 1982. - 496 с.

91. Соловьев A.JI. Измерительные преобразователи емкостных датчиков. Диссертация на соискание уч. степени канд. тех. наук, Ленинград, 1989.

92. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с IBM PC. / Ф.А. Абедадзе, Чжу Ань, Ли Ден и др., Под ред. У. Томпкинса, Д. Уэбстера. Пер. с англ. Ю.А. Кузьмина М.: Мир, 1992. 589с.

93. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 320 с.

94. Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надежность / H.A. Барканов, Б.Е. Бердичевский, П.Д. Верхопятников и др. Под ред. Р.Г. Варламова. М.: Радио и связь, 1985 384с.

95. Справочник конструктора точного приборостроения / Под ред. Ф.Л. Литвина. М.: Машиностроение, 1964 -943с.

96. Справочник по электроизмерительным приборам, Под ред. Илюхина К.К., Л.: Энергия, 1977. -402с.

97. Техническое описание и инструкция по эксплуатации платы L-305. М.: L-CARD, 1998.-49 с.

98. Товарные нефтепродукты, их свойства и применение. Справочник. Под ред. Н.Г. Пучкова М.: Химия, 1971. 414с.

99. Том А., Эйплт К.Д. Числовые расчеты полей в технике и физике. М.: Энергия, 1964.

100. Фарзане Н.Г., Илясов JI.B., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. М.: Высш. шк.3 1989. 456 с.

101. Цырлин Л.Э. Избранные задачи расчета электрических и магнитных полей. М.: Энергия, 1977.

102. Шивринский В.Н., Медведев А.Г. Оперативный контроль качества моторного топлива. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2006, № 8, стр.60-62.

103. Электрические измерения / Л.И. Байда, Н.С. Добротворский, Е.М. Душин и др.; Под ред. А.В. Фремке. Л.: Энергия, 1973. - 424 с.

104. Электрические измерения / К. П. Дьяченко, Д. И. Зорин, П. В. Новицкий и др.; Под ред. В. Г. Шрамкова. М.: Высшая школа, 1972. - 520 с.

105. Электрические измерения неэлектрических величин / A.M. Туричин, П.В. Новицкий, Е.С. Левшина и др.; Под ред. П.В. Новицкого. Л.: Энергия, 1975. - 576 с.

106. Finkelstein L. Measurement and instrumentation science An analytical review, Measurement 14 (1994) 3-14.

107. Fiok A., Jawinski J. «Selected problems of quality of measurement systems»; Proceeding of the XIV 1МЁСО World Congress, Tampere, Finland, 1-6 june 1997, vol.5.