RU190697U1 - Устройство измерения уровня топлива в баках летательных аппаратов - Google Patents
Устройство измерения уровня топлива в баках летательных аппаратов Download PDFInfo
- Publication number
- RU190697U1 RU190697U1 RU2019112289U RU2019112289U RU190697U1 RU 190697 U1 RU190697 U1 RU 190697U1 RU 2019112289 U RU2019112289 U RU 2019112289U RU 2019112289 U RU2019112289 U RU 2019112289U RU 190697 U1 RU190697 U1 RU 190697U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- measuring
- level
- aircraft
- electrodes
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 23
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 244000309464 bull Species 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 1
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D37/00—Arrangements in connection with fuel supply for power plant
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Abstract
Устройство относится к средствам измерения и контроля уровня жидкости, в частности может применяться на борту летательных аппаратов при заправке баков компонентами топлива. Принцип работы основан на измерении электрической емкости воздушного конденсатора, заполняемого контролируемой жидкостью. Устройство состоит из корпуса 1, в котором размещены три плоских параллельных электрода: 2 - центральный, 3 - боковой профильный, 4 - боковой прямоугольный. Боковые электроды размещены по разные стороны от центрального электрода на одинаковом расстоянии d и образуют два соединенных общим электродом конденсатора С, С, подключенных к входу микропроцессорного устройства обработки 5. Профильный электрод может состоять из набора плоских фигур, например, ромбов, соединенных вершинами. Число элементарных ячеек зависит от необходимой точности измерений. Общим условием профилирования электрода является то, чтобы его суммарная площадь была равна площади прямоугольного электрода.Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает повышение точности и оперативности измерений, так как в отличие от известных устройств, не требует ввода в память каких либо априорных данных об электрофизических свойствах среды, автоматически учитывает климатические факторы и капиллярные явления, не требует проведения калибровочных операций. Кроме того, расширяются функциональные возможности устройства, обеспечивающие возможность его использования для управления расходом топлива после пуска летательного аппарата. 3 ил.
Description
Устройство относится к средствам измерения и контроля уровня жидкости, в частности может применяться на борту летательных аппаратов при заправке баков компонентами топлива. Принцип работы основан на измерении электрической емкости воздушного конденсатора, заполняемого контролируемой жидкостью. Изменение электрической емкости происходит вследствие разницы диэлектрических проницаемостей жидкости и газа на границе раздела.
Известны устройства и системы контроля уровня жидкости, использующие емкостной принцип измерения (US 2008276704 (А1) МПК G01F 23/26 от 13.11.2008, WO 2007092832 (А2) МПК H04Q 9/00 от 16.08.2007, WO 2006122173 (А2) МПК G01F 23/26 от 16.11.2006, WO 2008121661 (А1) МПК G01F 23/266 от 09.10.2008, US 2004225463 (А1) МПК B60R 16/0232 от 11.11.2004, US 6502460 (В1) МПК F01M 11/12 от 07.01.2003, RU 2156445 С1 МПК G01F 23/26, бюлл. №26 от 20.09.2000, RU 2532946 С1 МПК B64D 37/00, В64С 17/10, G01F 9/00, G01F 23/22, бюлл. №32 от 20.11.2014, RU 2445585 С1 МПК G01F 23/26, бюлл. №8 от 20.03.2012, RU 2567018 С9 МПК G01F 23/26, G01R 17/00, бюлл. №4 от 00.02.2016, RU 2262669 С2 МПК G01F 23/26, G01R 17/00, бюлл. №29 от 20.10.2005, SU 200799 А1 МПК G01F 23/26 от 00.00.1967, SU 1002842 А1 МПК G01F 23/26 от 07.03.1983, RU 2262668 С2 МПК G01F 23/26, G01R 17/00, бюлл. №29 от 20.10.2005, WO 1999010714 А1 МПК G01C 9/20 от 04.03.1999), содержащие бортовую и наземную части, соединенные наземной кабельной сетью, передающей сигналы бортовых датчиков уровня в пульт оператора.
Недостатком аналогов является нестабильность показаний, зависящих от емкости кабелей связи, необходимость проведения сложных калибровочных операций перед заправкой, зависимость показаний от типа контролируемой жидкости, температуры и других климатических факторов, громоздкость и длительность подготовительных операций. Большая длина кабельной трассы приводит к проблеме паразитной емкости. Поскольку основой работы системы является измерение емкости датчика уровня, а сама аппаратура (измерительные крейты) находятся в комнате управления заправкой, то система измеряет не только собственную емкость датчика, но и емкость всей кабельной сети до него. Для точного получения значения уровня компонентов топлива при подготовке стартового комплекса к пуску необходимо учесть емкость кабельной сети или применять специальные, довольно сложные методики измерений, разработанные в указанных выше изобретениях.
Прототипом заявляемой полезной модели является емкостной датчик с компенсационным электродом, используемый в системе измерения уровня заправки (патент № RU 2414687 C1 МПК G01F 23/26, бюлл. №8 от 20.03.2011). Датчик состоит из корпуса, внутри которого установлено три электрода - основной, рабочий и компенсационный, образующие соответственно рабочий и компенсационный конденсаторы, заполняемые контролируемой жидкостью. Компенсационный конденсатор, расположен ниже рабочего и используется для оперативной калибровки датчика, связанной с устранением влияния диэлектрической проницаемости и проводимости среды на результат измерения уровня.
Недостатком прототипа является низкая точность измерений, обусловленная тем, что калибровка датчика производится только в одной начальной точке функции преобразования. Более того, факт полного заполнения компенсационного конденсатора жидкостью не так просто зафиксировать, особенно при заполнении криогенными компонентами топлива, в силу неоднородности процесса кипения. Это не позволяет оперативно учесть и компенсировать изменение климатических факторов и свойств жидкости в процессе заправки, которая, как правило, длится в течение нескольких часов. Кроме того, прототип не обладает достаточными функциональными возможностями, так как после заправки не может использоваться в системе управления расходом топлива (СУРТ) ракеты-носителя (РН). Это связано с тем, что принцип работы СУРТ основан на одновременном прохождении компонентами топлива (горючего и окислителя) в некоторых контрольных (реперных) точках баков, которые не предусмотрены конструкцией датчика по всему диапазону измерений.
Поставлена задача повысить точность измерения уровня и расширить функциональные возможности датчика, обеспечивающие его использование для управления расходом топлива после пуска летательного аппарата.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве измерения уровня топлива, состоящем из корпуса, внутри которого установлено три плоских параллельных электрода, два из которых размещены симметрично по разные стороны от центрального прямоугольного электрода, образуя таким образом два соединенных общим электродом конденсатора, одновременно заполняемых контролируемой жидкостью и подключенных ко входу электронного устройства обработки информации, один из боковых электродов выполнен в виде профилированной фигуры, а второй боковой электрод выполнен в виде прямоугольной пластины, которая при той же длине имеет площадь равную суммарной площади фигурного электрода.
Такое конструкционное решение позволяет сформировать в функции преобразования устройства по всему диапазону измерения контрольные реперные точки, положение которых в пространстве топливного бака определяется только профилем фигурного электрода и не зависит от электрофизических параметров среды, климатических факторов и паразитных емкостей кабелей связи. Это позволит проводить текущие измерения уровня относительно реперных точек, что значительно снижает погрешность устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
- на фиг. 1 приведена конструкция заявляемого устройства;
- на фиг. 2 представлен закон изменения разностей емкостей между профилированным и прямоугольным электродами;
- на фиг. 3 представлен закон изменения емкостей C1 и С2 в зависимости от уровня жидкости.
Устройство состоит из корпуса 1, в котором размещены три плоских параллельных электрода: 2 - центральный, 3 - боковой профильный, 4 - боковой прямоугольный. Боковые электроды размещены по разные стороны от центрального электрода на одинаковом расстоянии d и образуют два, соединенных общим электродом конденсатора С1, С2, подключенных ко входу микропроцессорного устройства обработки 5. Профильный электрод может состоять из набора плоских фигур, например, ромбов, соединенных вершинами, как показано на чертеже. Число элементарных ячеек зависит от необходимой точности измерений. В общем случае конфигурация ячеек профильного электрода может быть другой, определяемой по специальным правилам, излагаемым ниже. Общим условием профилирования электрода является то, чтобы его суммарная площадь была равна площади прямоугольного электрода. Принцип работы устройства основывается на вычислении емкости плоского конденсатора, которая имеет вид
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, ε0=8.8⋅10-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума, S - площадь электрода, d -расстояние между электродами.
Устройство работает следующим образом. При параллельном заполнении конденсаторов С1 и С2 жидкостью с диэлектрической проницаемостью еж, отличающейся от диэлектрической проницаемости εж газа, находящегося выше границы раздела сред, их емкость будет определяться по формулам.
где h - уровень жидкости, Н - полная высота электрода (диапазон преобразования), СП - паразитная емкость конденсаторов, определяемая соединительными проводами и полями рассеивания; S0=gH - полная площадь каждого из боковых электродов; S1(h) - закон изменения площади погруженной в жидкость части профильного электрода при изменении уровня; S2(h)=gh - закон изменения площади погруженной в жидкость части прямоугольного электрода при изменении уровня.
Разность ΔC=C2-C1, определяемая мостовой схемой не будет зависеть от паразитных емкостей и определится по формуле.
Анализ выражения (3) показывает, что профилированием электрода можно найти такой закон изменения S1(h), при котором выражение (4) будет иметь знакопеременный характер, показанный на Фиг. 2.
При этом нулевые точки функции (4) будут определяться только геометрией электрода и не зависят от свойств среды. В частности, если сделать электрод 2 из набора соединенных вершинами плоских фигур в виде ромба, с диагоналями a и b (см. Фиг. 1), то функция S1(h), будет определяться формулами, описывающими изменение площади ромба в зависимости от номера фигуры и диапазона перемещения уровня жидкости (k-1)b≤h≤kb.
Для нечетных точек 
Для четных точек 
Здесь нечетным точкам соответствует середина ромба, четным точкам - вершины ромба (см. Фиг. 1). Согласно формул (2), (3) закон изменения емкостей будет иметь вид, показанный на Фиг. 3, на которой показано, что емкость С2 линейно нарастает в зависимости от уровня жидкости h, что определяется линейным увеличением погруженной в жидкость площади перекрытия центрального 2 и прямоугольного 4 электродов. В тоже время емкость C1(h), образованная профилированным электродом, нелинейно изменяется в зависимости от профиля электродов и пересекает линейную функцию C2(h) в определенных точках, место положения которых в диапазоне преобразования определяется исключительно геометрией электрода 2.
Таким образом, в момент равенства емкостей C1=С2 мы имеем в диапазоне преобразования калибровочные точки, соответствующую точному значению уровня жидкости, определяемую вершинами и серединами составных ромбов профильного электрода. Если нам нужно определить уровень в диапазоне, находящемся между точками калибровки при (k-1)b≤h≤kb, то это делается по следующей методике. Измерим и запомним значение емкости С2 в реперных точках hk-1, hk
Так как на двух соседних участках калибровочной характеристики коэффициенты А и В изменяются незначительно можно записать: Ak-1≈Ak≈ A, Bk-1≈Bk≈B. Это допущение вполне оправдано, так как паразитные емкости, температура и сопутсвующие ей изменения электрофизических свойств среды не могут сильно меняться в течении заполнения межкалибровочного интервала.
Тогда можно составить систему уравнений (9) для определения текущих значений коэффициентов А, В, получаемых в результате измерений емкостей в соседних реперных точках.
Решая эту систему относительно А и В, получим:
Последнее равенство получилось с учетом того, что hk=kb. Текущее значение измеренной емкости С2>к при изменении уровня в интервале (k-1)b≤h≤(k+1)b
определится по формуле
Отсюда 
Проверим: при 
при 
при 
Из формулы (12) следует, что текущий уровень жидкости определяется только значениями емкостей, измеренных в реперных точках в текущих климатических условиях в процессе заправки и не зависят от паразитных емкостей соединительных проводов и электрофизических свойств среды, участвующей в измерительной процедуре. Фактически получается, что при измерении уровня в каждом текущем интервале производится по функции преобразования (11), коэффициенты А и В которой находятся по измеренным на предыдущем интервале значениям емкости в реперных точках.
Таким образом, реализуется следующий алгоритм измерений уровня заправки. В процессе движения уровня жидкости блоком обработки производится непрерывное сравнение емкостей С1 и С2. В момент первого равенства этих емкостей устройство обработки зафиксирует достижение уровнем первой реперной точки, соответствующей значению h1. Текущему счетчику реперных узлов в устройстве обработки будет присвоено значение k=1. Устройство обработки измерит и запомнит в этот момент значение емкости С2,1. Когда уровень жидкости в процессе заправки достигнет второй реперной точки, определяемой равенством С1=С2, текущий счетчик получит значение k=2. Устройство обработки измерит и запомнит в этот момент значение емкости С2,2. Затем по формулам (10) определит коэффициенты А и В функции преобразования (11) датчика. В следующем интервале движения зеркала жидкости между реперными точками k=2 и k=3, путем непрерывного измерения емкости С2(h) и вычисления по формуле (12) блок обработки определит уровень топлива h с учетом реальных значений паразитных и электрофизических параметров среды. При достижении уровнем реперной точки k=3, определяемой очередным равенством С1=С2, устройство обработки пересчитает коэффициенты функции преобразования и по формуле (12) будет непрерывно определять текущий уровень жидкости в диапазоне между реперными точками k=3 и k=4. Таким образом, при перемещении зеркала жидкости блок обработки, непрерывно измеряя и сравнивая значения C1(h) C2(h), определяет очередную реперную точку и автоматически калибрует устройство по данным измерений, полученным на двух предыдущих реперных точках. Это позволяет значительно снизить погрешности измерений, так как в отличие от прототипа, где калибровочные данные, несущие в себе информацию о электрофизических свойствах среды, определяются только в одной начальной точке диапазона преобразования, здесь калибровочные данные оперативно обновляются при движении зеркала жидкости. Устройство не требует ввода в память каких либо априорных данных об электрофизических свойствах жидкости и газа, автоматически учитывает климатические факторы и капиллярные явления. Кроме того, данное техническое решение позволяет расширить функциональные возможности датчика, обеспечивающие его использование для управления расходом топлива после пуска РН. Это связано с тем, что при уменьшении уровня жидкости система работает аналогично и имеет заранее встроенные контрольные точки уровня, по которым производится корректировка работы двигателей, обеспечивающая равномерный расход компонентов топлива в баках РН.
Claims (1)
- Устройство измерения уровня топлива, состоящее из корпуса, внутри которого установлено три плоских параллельных электрода, два из которых размещены симметрично по разные стороны от центрального прямоугольного электрода, образуя, таким образом, два соединенных общим электродом конденсатора, одновременно заполняемых контролируемой жидкостью и подключенных ко входу электронного устройства обработки информации, отличающееся тем, что один из боковых электродов выполнен в виде профилированной фигуры, а второй боковой электрод выполнен в виде прямоугольной пластины, которая при той же длине имеет площадь, равную суммарной площади фигурного электрода.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019112289U RU190697U1 (ru) | 2019-04-23 | 2019-04-23 | Устройство измерения уровня топлива в баках летательных аппаратов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019112289U RU190697U1 (ru) | 2019-04-23 | 2019-04-23 | Устройство измерения уровня топлива в баках летательных аппаратов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU190697U1 true RU190697U1 (ru) | 2019-07-09 |
Family
ID=67216167
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019112289U RU190697U1 (ru) | 2019-04-23 | 2019-04-23 | Устройство измерения уровня топлива в баках летательных аппаратов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU190697U1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040194545A1 (en) * | 2003-02-26 | 2004-10-07 | Sylvain Hauzeray | Gauge for measuring fuel level in a tank, and a system for measuring the weight of fuel in the tank |
| RU2382723C1 (ru) * | 2008-07-15 | 2010-02-27 | Открытое акционерное общество "Техприбор" | Топливоизмерительная электроемкостная система самолета |
| RU2384482C1 (ru) * | 2008-07-15 | 2010-03-20 | Открытое акционерное общество "Техприбор" | Бортовая топливоизмерительная система самолета |
| RU123942U1 (ru) * | 2012-07-27 | 2013-01-10 | Марат Габдулгазизович Бикмуллин | Емкостной датчик уровня топлива, предназначенный для эксплуатации в условиях повышенной вибрации |
-
2019
- 2019-04-23 RU RU2019112289U patent/RU190697U1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040194545A1 (en) * | 2003-02-26 | 2004-10-07 | Sylvain Hauzeray | Gauge for measuring fuel level in a tank, and a system for measuring the weight of fuel in the tank |
| RU2382723C1 (ru) * | 2008-07-15 | 2010-02-27 | Открытое акционерное общество "Техприбор" | Топливоизмерительная электроемкостная система самолета |
| RU2384482C1 (ru) * | 2008-07-15 | 2010-03-20 | Открытое акционерное общество "Техприбор" | Бортовая топливоизмерительная система самолета |
| RU123942U1 (ru) * | 2012-07-27 | 2013-01-10 | Марат Габдулгазизович Бикмуллин | Емкостной датчик уровня топлива, предназначенный для эксплуатации в условиях повышенной вибрации |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3862571A (en) | Multielectrode capacitive liquid level sensing system | |
| US9354099B2 (en) | Aircraft fuel level measurement apparatus and method | |
| US4641434A (en) | Inclination measuring device | |
| US8146421B2 (en) | Method and apparatus for sensing levels of insoluble fluids | |
| US20040187570A1 (en) | Self-calibrating capacitance gauge | |
| EP2414792A2 (en) | Fuel gauging system utilizing a digital fuel gauging probe | |
| US2622442A (en) | Apparatus for measuring liquid levels | |
| Chakraborty et al. | Study on further modification of non-contact capacitance type-level transducer for a conducting liquid | |
| CN103430016A (zh) | 用于校准导电性测量单元的方法 | |
| CN106404112A (zh) | 一种电容式液位传感器的免标定测量方法和装置 | |
| RU190697U1 (ru) | Устройство измерения уровня топлива в баках летательных аппаратов | |
| US2919579A (en) | Electrically-conductive liquid level measuring system | |
| US2817967A (en) | Automatic metering apparatus | |
| US2789435A (en) | Capacitive liquid measuring apparatus | |
| Lee et al. | Precise measurement of the dielectric constants of liquids using the principle of cross capacitance | |
| RU2750089C2 (ru) | Емкостный датчик топлива | |
| CN105628143A (zh) | 一种用于负压创面治疗设备的液量检测方法及装置 | |
| US2688875A (en) | Airplane fuel gauge | |
| RU2262669C2 (ru) | Способ определения уровня диэлектрического вещества | |
| CN208155402U (zh) | 一种低温液位计 | |
| Velichkov et al. | Capacitive level meters for cryogenic liquids with continuous read-out | |
| RU2439504C2 (ru) | Устройство для измерения положения границы раздела фаз в расслоенном водонефтяном потоке | |
| RU2567018C1 (ru) | Способ измерения уровня диэлектрического вещества | |
| RU2567018C9 (ru) | Способ измерения уровня диэлектрического вещества | |
| US3295372A (en) | Capacitance type fluid measuring apparatus |