CC BY
82
2013, № 1(3)
21
УДК 53.083.92
П. И. Артамонов, Ф. У. Маликова, П. Т. Харитонов
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОРШНЯ РАСХОДОМЕРА ЖИДКОСТИ В УНИФИЦИРОВАННЫЙ СИГНАЛ С ЕМКОСТНЫМ ДАТЧИКОМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИМ ПРИНЦИП ВРЕМЕННОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ
P. I. Artamonov, F. U. Malikova, P. T. Kharitonov
DISPLACEMENT TRANSDUCER PISTON FLOW OF LIQUID IN A UNIFIED SIGNAL TO THE CAPACITIVE SENSOR USING THE PRINCIPLE OF TIME REDUNDANCY
Аннотация. Рассмотрен вариант использования структурной избыточности емкостных датчиков положения свободного поршня в мерном гидроцилиндре для повышения точности измерения объемного расхода жидкостей. Процесс измерения разделен на несколько циклов с последующим сравнением результатов измерения и выбором некоего среднего из нескольких циклов.
Abstract. In the article the variant of the use of structural surplus of capacity sensors of position of free piston is considered in the measured hydrocylinder for the increase of exactness of measuring of by volume expense of liquids. Ameasuring process is separate on a few cycles with subsequent comparison of measuring results and choice certain middle from a few cycles.
Ключевые слова: измерение, погрешность, точность, емкость, потенциал, временная избыточность.
Key words: measuring, error, exactness, capacity, potential, temporal surplus.
Емкостные датчики перемещений широко используются в информационных и управляющих системах. Благодаря известным преимуществам предпочтение отдается дифференциальным датчикам с выделенными автономными каналами преобразования емкости каждого плеча датчика. Вместе с тем в ряде случаев известные преимущества такого построения измерителей не покрывают недостатков последних, обусловленных влиянием неидентичности параметров отдельных каналов преобразования емкости каждого плеча датчика [1].
Предлагается введение в известные структуры преобразователей емкости датчиков в унифицированный сигнал временной избыточности, т.е. многократного (в нашем случае -двукратного) использования одного и того же канала для одноплечего (одинарного) датчика. При этом указанные выше погрешности «заменяются» заведомо меньшими погрешностями неидентичности (более точно - временной нестабильности в течение двух тактов преобразования) собственно параметров единственного плеча емкостного датчика.
Схема преобразователя приведена на рис. 1.
Емкостный датчик (Д) содержит один подвижный электрод, относительно которого симметрично установлены два неподвижных электрода [2].
Процесс преобразования в соответствии с принципом временной избыточности осуществляется в два такта последовательно во времени.
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Рис. 1. Схема преобразователя
В первом такте реверсивный счетчик (РСч) сигналом с устройства управления (УУ) переключается на сложение.
Измерение искомого перемещения Ах при движении поршня расходомера приводит к увеличению емкости датчика АС и, соответственно, к увеличению частоты на выходе преобразователя АС/А/ на величину А/. Таким образом, /1 = /0 + А/ . Это приращение частоты
фиксируется реверсивным счетчиком. (Отметим, что «нулевая» частота /0 соответствует
начальному значению измеряемого перемещения.)
На втором этапе РСч переключается на вычитание. По описанной схеме в памяти РСч (и УУ) фиксируется значение /1 = /0 + А/ .
Таким образом, разность зафиксированных РСч частот прямо пропорциональна удвоенному значению разности частот А/, которая, в свою очередь, пропорциональна искомому перемещению Ах:
/ = /2 + /1 = 2А/ ~ 2Ах.
^ изм ^ 2 ^ 1 ^
Необходимым моментом при использовании емкостных датчиков для определения уровня, диэлекрической проницаемости и т.п. является организация в датчике дополнительных («охранных») электродов, ограничивающих влияние электрических полей, создаваемых в контролируемом материале, друг на друга и, соответственно, искажающих результаты измерения [3].
С учетом емкостей этих дополнительных обкладок емкость датчика Сд определяется следующим выражением:
с Д -
С" С'
СНД СДП
С " + С'
НД ДП
(у* ✓п'//
СНД СДП
С" + С"
НД ДП
(1)
где СНд ; СДп - емкости между первой (второй) неподвижными обкладками и первой (второй) дополнительными обкладками датчика соответственно; СНд ; СДП - емкости между первой (второй) дополнительными обкладками и подвижным (центральным) электродом соответственно.
Переключение обкладок датчика и режима счета реверсивного счетчика осуществляется импульсами устройств управления согласно (в нашем случае) положению поршня в мерном цилиндре расходомера.
На дополнительные электроды в результате подается напряжение, синфазное и равное по амплитуде напряжению, подаваемому на неподвижные электроды.
В первом такте замыкается ключ «+», ключ «-» размыкается. В результате потенциал первого дополнительного электрода становится равным потенциалу первой неподвижной обкладки, вследствие чего СНд = 0, и емкость всего датчика становится равной (1)
_ СНДСДП С НД _
С" + С"
^НД ДП
(2)
В следующем из практических соотношений предположении, что СНд >> СДп , из (2) имеем
С Д _ Сдп _ с 0 ^ + Хм )
(3)
2013, № 1(3)
23
Из выражений (2) и (3) следует, что при отсутствии входного сигнала датчика (при перемещении х = 0) емкости С Д = СД = С0 ■
При наличии измеряемого перемещения (х Ф 0) емкости СД и = СД изменяются однонаправленно на одну и ту же величину:
АС = С о ^ + ХХ
V / лм
Описанный преобразователь предназначен для работы совместно с измерителем объемного расхода жидкости [4]. Подвижная обкладка датчика размещается при этом на поршне, а неподвижная - на торцевых концах мерного цилиндра. В результате удалось заметно улучшить метрологические характеристики расходомера и существенно снизить требования к емкостному датчику.
На рис. 2 показана структура топливной системы дизельного двигателя с измерителем объемного расхода топлива. Топливный бак 1 с заправочной горловиной 2 снабжен расходным 3 и доливным 4 патрубками. Топливный насос 5 подает топливо через элементы 6, 10 и 13 гидрораспределителя 7 в правую полость мерного гидроцилиндра 15. Свободный поршень 17 перемещается влево, вытесняя топливо из левой полости мерного гидроцилиндра 15, которое через элементы 14, 8, 12, 9, 22 и 23 впрыскивается в цилиндры дизельного двигателя 24. Несгоревшие остатки топлива стекают через элементы 25 и 26 в ресивер 27 со сливным патрубком 28 и дренажным патрубком 29. Датчики 30 и 31 контролируют предельные значения уровня топлива в ресивере 27 и управляют положением электромагнитного клапана 32. Элементы 33-35 образуют резервный байпас для сохранения работоспособности двигателя 24 при отключенной контрольно-измерительной части структуры.
Рис. 2. Структура топливной системы дизельного двигателя с измерителем объемного расхода топлива
Положение свободного поршня 17 в мерном гидроцилиндре 15 контролируется тремя датчиками 19-21. При подходе свободного поршня 17 к левому торцу мерного гидроцилиндра
24
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
15 формируется сигнал на переключение ротора 11 гидрораспределителя 7 на 90° - начинается процесс заполнения левой полости и вытеснения поршнем 17 топлива из правой полости мерного гидроцилиндра до момента достижения поршнем 17 крайнего правого положения в мерном гидроцилиндре 15. Микропроцессорная система управления осуществляет автоматическое управление исполнительными устройствами и рассчитывает значения объемного расхода топлива по значениям сигналов и\-и5 с датчиков. Описанный в начале статьи алгоритм расчета контролируемого параметра по значениям информативных параметров датчиков может быть занесен в память микропроцессора. Объем топлива, не поступившего в камеры сгорания двигателя 24, сливается в топливный бак порциями, равными полезному объему ресивера 27 и вычитается из значений объема, рассчитанного по информативным параметрам датчиков 19-21 ■ Авторами ведутся исследования по использованию оригинальных индуктивных датчиков положения поршня 17 внутри мерного гидроцилиндра 15, о результатах которых будет подготовлена отдельная статья.
Список литературы
1. Новицкий, П. В. Цифровые приборы с частотными датчиками / П. В. Новицкий,
В. Г. Кнорринг, В. С. Гутников. - Л. : Энергия, 1970.
2. Артамонов, П. И. Простое устройство для измерения емкости датчика /
П. И. Артамонов // Информационные, измерительные и управляющие системы : материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. - Самара : СГТУ, 2012.
3. Гусев, В. Г. Принципы построения емкостных измерителей расхода диэлектрических жидкостей / В. Г. Гусев, А. В. Мулик // Приборы и системы управления. - 1998. - № 2.
4. Артамонов, П. И. Измеритель объемного расхода жидкости / П. И. Артамонов,
П. Т. Харитонов // Вестник Казахского национального технического университета имени К. И. Сатпаева. Технические науки. - 2012. - № 4.
Артамонов Павел Игоревич
аспирант,
Пензенская государственная технологическая академия E-mail: [email protected]
Маликова Феруза Умирзаховна
докторант,
Казахский национальный технический университет им. К. И. Сатпаева E-mail: [email protected]
Харитонов Петр Тихонович
кандидат технических наук, академик МАИН, главный специалист по инновационной деятельности, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Artamonov Pavel Igorevich
postgraduate student,
Penza State Technology Academy
Malikova Feruza Umirzakhovna
doctoral candidate,
Kazakh National Technical University of the named after K. I. Satpaeva
Kharitonov Petr Tikhonovich
candidate of technical sciences, academician of the International Academy of Mortgage and Real Estate, chief specialist in innovative activities,
Penza State University
УДК 53.083.92 Артамонов, П. И.
Преобразователь перемещений поршня расходомера жидкости в унифицированный сигнал с емкостным датчиком, использующим принцип временной избыточности / П. И. Артамонов, Ф. У. Маликова, П. Т. Харитонов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. -№ 1(3). - С. 21-24.
