Обзор методов измерения плотности топлива

Введение

Плотность топлива измеряется с помощью емкостного датчика плотности. Работу датчика можно рассмотреть на примере ДПЕ5-1т.

Датчик плотности служит для получения электрического сигнала, пропорционального плотности топлива. Датчик плотности включен в цепь измерительного емкостного моста, находящегося в блоке БОП5-1т. С помощью потенциометрической следящей системы, осуществляется измерение действительной плотности и непрерывное внесение поправки на плотность в показания указателя расхода.

Емкостные чувствительные элементы нашли широкое применение для измерения перемещений (угловых и линейных), усилий, давлений, уровня, влажности, температуры и других физических величин. Принцип действия емкостных чувствительных элементов состоит в том, что измеряемая величина может быть связана с одним из параметров, определяющих емкость конденсатора, а именно, диэлектрической постоянной ε среды, эффективной площадью S электродов, расстоянием (зазором) δ между электродами, диэлектрическими потерями ∆. В пространстве между электродами находится диэлектрик в виде газа (воздуха), жидкости, твердого тела или их комбинаций.

Для применяемых марок топлива Т-1, ТС-1, Т-7 диэлектрическая проницаемость практически пропорциональна плотности топлива.

Таким образом, по значению электрической емкости датчика плотности, полностью залитого топливом, можно судить о значении плотности топлива.

Конструктивно датчик плотности состоит из: корпуса, пакета пластин и штепсельного разъема. Пластины объединены перемычками в две группы, от каждой группы предусмотрены токоподводы к штепсельному разъему.

На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурная схема такого ПНЧ приведена на рис. 1. По этой схеме построена ИМС VFC-32 (отечественный аналог - 1108ПП1).

Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала U_вх напряжение U_и на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение U_и уменьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной длительности Т_и, который управляет ключем. Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ замыкается и ток I_оп в течение Т_и поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс снова повторяется.

 

Рисунок 1. Структурная схема ПНЧ

Импульсы тока I_оп уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением U_вх. В установившемся режиме

                                           (1)

Отсюда следует

                                          (2)

где U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за период Т. Выражение (2)  [1] показывает, что точность преобразования определяется точностью установки опорного тока I_оп, точностью выдержки длительности импульса одновибратора Ти, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не оказывает влияния на частоту ПНЧ.

 

Рисунок 2. Блок-схема АЦП на основе ПНЧ

Таким образом, по существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик. Схема интегрирующего АЦП на базе ПНЧ приведена на рис. 2. Двоичный счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за период Т_отсч=1/f_отсч, задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр-защелку. Вслед за этим происходит обнуление счетчика. Число импульсов n, подсчитанных счетчиком за время Т_отсч, [1]

                                                                       (3)

Здесь U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за весь период Т_отсч.

Можно заметно повысить точность ПНЧ, если вместо одновибратора включить тактируемый импульсами стабильной частоты D-триггер. Несложно, что в этом случае ПНЧ превращается в однобитный сигма-дельта модулятор. [1]

 

Топливо – стандартные марки

Реактивные топлива вырабатывают для самолетов дозвуковой авиации по ГОСТ 10227-86 и для сверхзвуковой авиации по ГОСТ 12308-89. Для дозвуковой авиации предусмотрено пять марок топлива (ТС-1, Т-1, Т-1С, Т-2 и РТ), для сверхзвуковой — две (Т-6 и Т-8В). Массовыми топливами в настоящее время являются топлива ТС-1 (высшего и первого сортов) и топливо РТ(высшего сорта).

Топливо ТС-1

Получают прямой перегонкой сернистых нефтей (целевая фракция — 150—250 °C). В случае высокого содержания общей серы и меркаптанов проводят гидроочистку или демеркаптанизацию, после чего используют в смеси с прямогонной фракцией. Содержание гидроочищенного компонента ограничивают концентрацией 70 % для предотвращения снижения противоизносных свойств топлива. Наиболее распространенный вид авиакеросина для дозвуковой авиации. Используется как в военной, так и в гражданской технике.Так же применяется для обогащения методом флотации

Топливо Т-1

Продукт перегонки малосернистых нефтей нафтенового основания с пределами выкипания 130—280 °C. Содержит большое количество нафтеновых кислот, из-за чего имеет высокую кислотность, поэтому после выделения фракции из нефти её подвергают защелачиванию с последующей водной промывкой. Гетероатомные нафтеновые соединения, содержащиеся в топливе, обеспечивают хорошие противоизносные свойства и химическую стабильность, с другой стороны, топливо имеет очень низкую термоокислительную стабильность. Длительные испытания показали, что при использовании этого топлива в двигателях НК-8 (ТУ-154(А,Б,Б-1,Б-2) и Ил-62) имеют место повышенные смолистые отложения, из-за чего срок службы двигателей сокращается в два раза. В настоящее время топливо выпускают только первого сорта и очень ограниченно. Сырьем для производства могут служить дефицитные сорта нефти с ничтожным содержание серы (нефти Северного Кавказа и Азербайджана).

Топливо Т-2

Продукт перегонки нефти широкого фракционного состава — 60-280 °C. Содержит до 40 % бензиновых фракций, что приводит к высокому давлению насыщенных паров, низкой вязкости и плотности. Повышенное давление насыщенных паров обуславливает вероятность образования паровых пробок в топливной системе самолета, что ограничивает высоту его полета. Топливо не производится; является резервным по отношению к ТС-1 и РТ.

Топливо РТ

Получают гидроочисткой прямогонных керосиновых фракций с пределами выкипания 135—280 °C. В результате гидроочистки снижается содержание серы и меркаптанов, но также ухудшаются противоизносные свойства и химическая стабильность. Для предотвращения этого в топливо вводят противоизносные и антиокислительные присадки. Топливо РТ полностью соответствует международным нормам, превосходя их по отдельным показателям. Оно имеет хорошие противоизносные свойства, высокую химическую и термоокислительную стабильность, низкое содержание серы и почти полное отсутствие меркаптанов. Топливо может храниться до 10 лет и полностью обеспечивает ресурс работы двигателя.

Топливо Т-6

Получают путем глубокого гидрирования прямогонных фракции 195—315 °C, полученных из подходящих нафтеновых нефтей. Используется в сверхзвуковой авиации в основном ВВС РФ.

Топливо Т-8В

Представляет собой гидроочищенную фракцию с пределами выкипания 165—280 °C. В случае нафтеновых малосернистых нефтей, допускается использовать прямогонную фракцию без гидроочистки. Используется в сверхзвуковой авиации в основном ВВС РФ. [2]

Техническое предложение

Работа схемы

От источника опорного напряжение, в составе которого содержится операционный усилитель, подается сигнал на ПНЧ. Под действием положительного входного сигнала, напряжение на выходе интегратора (А1) уменьшается. Триггер при этом находится в состоянии «нуль», ключи S1, S2 находятся в состоянии, показанном на рисунке. Ток I1 нагружает А1, не влияя на его выходное напряжение. Ток I2 через ключ S2 идет на землю. Когда напряжение на выходе А1 уменьшиться до нуля, срабатывает компаратор А2 и переводит триггер в единицу, запуская тем самым одновибратор. При этом ключ S2 размыкается и под влиянием тока I2 начинает уменьшаться напряжение на конденсаторе Сх. Конденсатор Сх является емкостью зависящей от плотности топлива в датчике плотности ДПЕ5-1т. Когда это напряжение достигает уровня Ur, срабатывает компаратор А3 и триггер снова возвращается в состояние «нуль». Пока триггер находился в единице, ток I1 поступал на вход интегратора, вследствие чего напряжение на выходе А1 снова возросло. Далее описанный процесс снова повторяется. [6]

 

Технический проект

Расчет емкостного датчика

Конструкция датчика – ссылка на чертеж ДПЕ5-1т

Принцип действия датчика плотности основан на том, что емкость датчика плотности зависит от геометрических размеров пластин и диэлектрической проницаемости топлива, находящегося между пластинами. Эта зависимость может быть выражена формулой 4 [5]:  

 

  ,                                                                                                 (4)

где

S – площадь пластин;

d – расстояние между пластинами;

ξ – диэлектрическая проницаемость;

K – постоянный коэффициент, зависящий от выбора единиц.

S = 6*5*8 = 240 см²;

С = К * Ɛ*S/d = 0,86*2,01*240/2 = 204,4 пФ;

3.2 Расчет схемы преобразования емкости в частоту

Имея все значения нужные для расчета частоты, подставляем в формулу преобразования емкости в частоту (5) [6].

Опорное напряжение U_R = -7 В изменяется от температуры;

Токи I₂ и I₁ номинально равны - 0,8 мА;

С = 2,064*10^-10 Ф – мы рассчитали в разделе «расчет емкостного датчика»;

R₁ = 10⁴ Oм;

F = Uвх/(-U_R) * I₂/I₁ * 1/R₁*C₂                                                                                                                            (5)

F = 15/7 * 1 * 1/10⁴ * 2,064*10^-10 =

= 2,14 * 10⁶/2,064 = 1,036 МГц;

Заключение

В данном проекте представлен измеритель плотности ёмкостной с частотным выходным сигналом. Датчик с частотным выходом более актуален, чем аналоговым, так как:

- В системах с разными землями можно обеспечить емкостную или оптическую связь сигналов для избегания «петли» и других нежелательных эффектов.

- Шумов, вносимых в аналоговый сигнал длинным кабелем, можно избежать, передавая сигналы с логическими уровнями определенной частоты.

- Измерение частоты вместо аналоговых величин позволит применить более простой микропроцессор, поскольку не требуется применение АЦП.

Также была разработана функциональная схема ПНЧ с источником опорного напряжения. Также был рассчитан емкостной датчик и схема преобразования емкости в частоту с наглядным графиком зависимости выходного частотного сигнала от плотности топлива. При построении чертежа датчика была встроена схема преобразования ПП-1108.

 

 

Библиографический список

1.Тычино К.К. Преобразователи напряжения в частоту. 1972г.

2. Аксенов А.Ф. Авиационные топлива, смазочные материалы и специальные жидкости. 1970г.

3. Джани-Заде М., Савченко В.С. Штепсельные разъемы. 1969г.

4. www.cable-msk.ru

5. Гаузнер С.И., Кивилис С.С. Измерители массы, объема и плотности. 1972г.

6. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных процессах. 1988г.

7. www.expertsoft.ru

Введение

Плотность топлива измеряется с помощью емкостного датчика плотности. Работу датчика можно рассмотреть на примере ДПЕ5-1т.

Датчик плотности служит для получения электрического сигнала, пропорционального плотности топлива. Датчик плотности включен в цепь измерительного емкостного моста, находящегося в блоке БОП5-1т. С помощью потенциометрической следящей системы, осуществляется измерение действительной плотности и непрерывное внесение поправки на плотность в показания указателя расхода.

Емкостные чувствительные элементы нашли широкое применение для измерения перемещений (угловых и линейных), усилий, давлений, уровня, влажности, температуры и других физических величин. Принцип действия емкостных чувствительных элементов состоит в том, что измеряемая величина может быть связана с одним из параметров, определяющих емкость конденсатора, а именно, диэлектрической постоянной ε среды, эффективной площадью S электродов, расстоянием (зазором) δ между электродами, диэлектрическими потерями ∆. В пространстве между электродами находится диэлектрик в виде газа (воздуха), жидкости, твердого тела или их комбинаций.

Для применяемых марок топлива Т-1, ТС-1, Т-7 диэлектрическая проницаемость практически пропорциональна плотности топлива.

Таким образом, по значению электрической емкости датчика плотности, полностью залитого топливом, можно судить о значении плотности топлива.

Конструктивно датчик плотности состоит из: корпуса, пакета пластин и штепсельного разъема. Пластины объединены перемычками в две группы, от каждой группы предусмотрены токоподводы к штепсельному разъему.

На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурная схема такого ПНЧ приведена на рис. 1. По этой схеме построена ИМС VFC-32 (отечественный аналог - 1108ПП1).

Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала U_вх напряжение U_и на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение U_и уменьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной длительности Т_и, который управляет ключем. Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ замыкается и ток I_оп в течение Т_и поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс снова повторяется.

 

Рисунок 1. Структурная схема ПНЧ

Импульсы тока I_оп уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением U_вх. В установившемся режиме

                                           (1)

Отсюда следует

                                          (2)

где U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за период Т. Выражение (2)  [1] показывает, что точность преобразования определяется точностью установки опорного тока I_оп, точностью выдержки длительности импульса одновибратора Ти, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не оказывает влияния на частоту ПНЧ.

 

Рисунок 2. Блок-схема АЦП на основе ПНЧ

Таким образом, по существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик. Схема интегрирующего АЦП на базе ПНЧ приведена на рис. 2. Двоичный счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за период Т_отсч=1/f_отсч, задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр-защелку. Вслед за этим происходит обнуление счетчика. Число импульсов n, подсчитанных счетчиком за время Т_отсч, [1]

                                                                       (3)

Здесь U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за весь период Т_отсч.

Можно заметно повысить точность ПНЧ, если вместо одновибратора включить тактируемый импульсами стабильной частоты D-триггер. Несложно, что в этом случае ПНЧ превращается в однобитный сигма-дельта модулятор. [1]

 

Топливо – стандартные марки

Реактивные топлива вырабатывают для самолетов дозвуковой авиации по ГОСТ 10227-86 и для сверхзвуковой авиации по ГОСТ 12308-89. Для дозвуковой авиации предусмотрено пять марок топлива (ТС-1, Т-1, Т-1С, Т-2 и РТ), для сверхзвуковой — две (Т-6 и Т-8В). Массовыми топливами в настоящее время являются топлива ТС-1 (высшего и первого сортов) и топливо РТ(высшего сорта).

Топливо ТС-1

Получают прямой перегонкой сернистых нефтей (целевая фракция — 150—250 °C). В случае высокого содержания общей серы и меркаптанов проводят гидроочистку или демеркаптанизацию, после чего используют в смеси с прямогонной фракцией. Содержание гидроочищенного компонента ограничивают концентрацией 70 % для предотвращения снижения противоизносных свойств топлива. Наиболее распространенный вид авиакеросина для дозвуковой авиации. Используется как в военной, так и в гражданской технике.Так же применяется для обогащения методом флотации

Топливо Т-1

Продукт перегонки малосернистых нефтей нафтенового основания с пределами выкипания 130—280 °C. Содержит большое количество нафтеновых кислот, из-за чего имеет высокую кислотность, поэтому после выделения фракции из нефти её подвергают защелачиванию с последующей водной промывкой. Гетероатомные нафтеновые соединения, содержащиеся в топливе, обеспечивают хорошие противоизносные свойства и химическую стабильность, с другой стороны, топливо имеет очень низкую термоокислительную стабильность. Длительные испытания показали, что при использовании этого топлива в двигателях НК-8 (ТУ-154(А,Б,Б-1,Б-2) и Ил-62) имеют место повышенные смолистые отложения, из-за чего срок службы двигателей сокращается в два раза. В настоящее время топливо выпускают только первого сорта и очень ограниченно. Сырьем для производства могут служить дефицитные сорта нефти с ничтожным содержание серы (нефти Северного Кавказа и Азербайджана).

Топливо Т-2

Продукт перегонки нефти широкого фракционного состава — 60-280 °C. Содержит до 40 % бензиновых фракций, что приводит к высокому давлению насыщенных паров, низкой вязкости и плотности. Повышенное давление насыщенных паров обуславливает вероятность образования паровых пробок в топливной системе самолета, что ограничивает высоту его полета. Топливо не производится; является резервным по отношению к ТС-1 и РТ.

Топливо РТ

Получают гидроочисткой прямогонных керосиновых фракций с пределами выкипания 135—280 °C. В результате гидроочистки снижается содержание серы и меркаптанов, но также ухудшаются противоизносные свойства и химическая стабильность. Для предотвращения этого в топливо вводят противоизносные и антиокислительные присадки. Топливо РТ полностью соответствует международным нормам, превосходя их по отдельным показателям. Оно имеет хорошие противоизносные свойства, высокую химическую и термоокислительную стабильность, низкое содержание серы и почти полное отсутствие меркаптанов. Топливо может храниться до 10 лет и полностью обеспечивает ресурс работы двигателя.

Топливо Т-6

Получают путем глубокого гидрирования прямогонных фракции 195—315 °C, полученных из подходящих нафтеновых нефтей. Используется в сверхзвуковой авиации в основном ВВС РФ.

Топливо Т-8В

Представляет собой гидроочищенную фракцию с пределами выкипания 165—280 °C. В случае нафтеновых малосернистых нефтей, допускается использовать прямогонную фракцию без гидроочистки. Используется в сверхзвуковой авиации в основном ВВС РФ. [2]

Техническое предложение

Обзор методов измерения плотности топлива

 Методов измерения плотности:

 - буйковый

 - весовой

 - гидростатический

 - радиоизотопный

 - поплавковый

 - ультразвуковой

 - емкостной

 

Принцип действия буйковых плотномеров аналогичен принципу действия буйковых уровнемеров. Здесь также применяется неподвижный буек, передающий выталкивающее его усилие на рычаг промежуточного преобразователя. В отличие от буйкового уровнемера, здесь буек всегда полностью погружен в измеряемую жидкость и поэтому ее объем, вытесненный буйком, постоянный. Поэтому сила в соответствии с законом Архимеда будет изменяться только в зависимости от плотности жидкости.

В весовых плотномерах непрерывно взвешивается постоянный объем жидкости. В таких плотномерах жидкость протекает по петлеобразному участку трубы, соединенному с основным трубопроводом гибкими соединениями (сильфонами). Вес трубы с жидкостью пропорционален плотности протекающей по петле жидкости. Измерение веса петли производится преобразователем (электрическим или пневматическим), к рычагу которого подвешена труба.

Действие гидростатического плотномера основано на том, что давление, создаваемое столбом жидкости постоянной высоты, пропорционально ее плотности. Для измерения плотности нет необходимости поддерживать постоянный уровень измеряемой жидкости в емкости. Достаточно применить в качестве измерительного устройства дифманометр. При таком включении он измеряет разность давлений, создаваемых двумя столбами жидкости. Ясно, что при любом уровне в емкости разность столбов жидкости постоянна и перепад давлений будет зависеть только от плотности жидкости.

Радиоизотопные плотномеры, в отличие от рассмотренных выше, позволяют измерять плотность неконтактным способом. Их действие основано на ослаблении радиоактивного излучения с повышением плотности измеряемой жидкости.В состав радиоизотопного плотномера входят источник и приемник у — излучения, выходной сигнал которого подается на автоматический потенциометр. Интенсивность излучения, воспринимаемая приемником, зависит от плотности протекающей по трубопроводу жидкости: чем больше плотность, тем сильнее поглощение у излучения и тем меньше сигнал на входе приемника. [5]