RU2597682C1 - Method of measuring amount and quality of fuel in the tank with three-layer mixture "air-fuel-water" and device for its implementation - Google Patents

Method of measuring amount and quality of fuel in the tank with three-layer mixture "air-fuel-water" and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2597682C1
RU2597682C1 RU2015126888/28A RU2015126888A RU2597682C1 RU 2597682 C1 RU2597682 C1 RU 2597682C1 RU 2015126888/28 A RU2015126888/28 A RU 2015126888/28A RU 2015126888 A RU2015126888 A RU 2015126888A RU 2597682 C1 RU2597682 C1 RU 2597682C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
tank
water
amount
resonator
Prior art date
Application number
RU2015126888/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Васильевич Лункин
Нина Абрамовна Криксунова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2015126888/28A priority Critical patent/RU2597682C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2597682C1 publication Critical patent/RU2597682C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: use: for determination of the amount of fuel and its quality in the tanks of vehicles. Essence of the invention is in that the method of measuring amount and quality of fuel in the tank with three-layer mixture "air-fuel-water", according to which in the resonator placed in the tank electromagnetic oscillations are excited on three natural frequencies, they are measured, and by them are detected the parameters of the controlled medium-position of two interface borders and fuel dielectric permeability, by these parameters the amount of fuel and its quality is determined, lower part of the resonator is submerged into a self-contained canister completely filled with water, and its remaining part is submerged into controlled mixture for the tank completely refuelled with a fuel on three measured natural frequency of resonator the total amount of water in the tank and container and dielectric permeability of fuel are determined, their values are stored in archive, following the fuel consumption depending on its amount the parameters of three-layer mixture are determined in three modes, with a large amount of fuel - by three measured natural frequency of resonator, with an average amount - by two of the measured free frequency and an archive value of the total amount of water in the tank and in the container, with a small amount of fuel - by one measured frequency and the archive values of the total amount of water and fuel dielectric permeability.
EFFECT: provision of possibility of high accuracy of determining amount of fuel in three-layer medium and its quality.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретения относятся к электрическим методам измерения и предназначены для определения количества топлива и его качества в баках транспортных средств и стационарных установок, в которых в процессе эксплуатации образуется трехслойная смесь «воздух (газ) - топливо - вода». Количество топлива определяется по разности измеряемых значений положения границы раздела «газ - топливо» и границы раздела «топливо - вода», качество топлива оценивается по измерениям его диэлектрической проницаемости. Оно применимо также для измерения количества веществ, полученных в результате сепарации жидких смесей в технологических установках пищевых производств.The invention relates to electrical measurement methods and is intended to determine the amount of fuel and its quality in the tanks of vehicles and stationary installations, in which during operation a three-layer mixture of "air (gas) - fuel - water" is formed. The amount of fuel is determined by the difference between the measured values of the gas – fuel interface and the fuel – water interface, and the quality of the fuel is estimated by measuring its dielectric constant. It is also applicable for measuring the amount of substances obtained as a result of the separation of liquid mixtures in technological plants of food production.

Известно широко используемое для наземных транспортных средств устройство, в котором количество топлива определяют по положению поплавка в объеме бака (Хасанов М. М. Световодный поплавковый бесконтактный измеритель уровня жидкости с цифровым выходом показаний результатов. RU 2359237, C1, 20.06.2009). Это устройство имеет невысокую точность измерения, а наличие подвижных частей приводит к его низкой надежности.A device is widely used for land vehicles in which the amount of fuel is determined by the position of the float in the volume of the tank (Khasanov M. M. A light-guide float-free non-contact liquid level meter with a digital output of the results. RU 2359237, C1, 06/20/2009). This device has a low measurement accuracy, and the presence of moving parts leads to its low reliability.

В авиации применяют, в основном, емкостные датчики уровня. При тщательном контроле качества топлива и при наличии дополнительных датчиков температуры и давления они обеспечивают высокую точность измерения (Гришов А.П., Луцкий А.С, Спивак В.Б. Электроемкостный топливомер. RU 2014573, С1, 15.06.1994). Однако появление слоя воды в баке приводит, практически, к полной потере информативности датчика. Поэтому устройство дополняют поплавковым датчиком.In aviation, mainly capacitive level sensors are used. With careful monitoring of the quality of the fuel and in the presence of additional temperature and pressure sensors, they provide high accuracy of measurement (Grishov A.P., Lutsky A.S., Spivak V.B. Electrical capacitive fuel meter. RU 2014573, C1, 06.15.1994). However, the appearance of a layer of water in the tank leads, in fact, to a complete loss of information content of the sensor. Therefore, the device is supplemented with a float sensor.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым изобретениям является способ, приведенный в работе (Лункин Б.В. «Многоканальный датчик параметров слоистых сред с одним чувствительным элементом». Автоматика и телемеханика. 2012 г., №10, стр. 127-141) - прототип. По способу-прототипу в резонаторе, который является чувствительным элементом датчика, возбуждают электромагнитные колебания на трех собственных частотах. По этим измеренным частотам решением системы уравнений, составленной из их зависимостей от параметров контролируемой среды, определяются значения параметров. Недостатком этого способа является то, что для получения приемлемой точности измерения, особенно в области малых значений количества топлива, требуется высокая точность определения собственных частот, что на практике трудно осуществить. При этом возникает проблема выбора начальных значений параметров при решении вышеуказанной системы уравнений для получения однозначных решений даже при высокой точности определения собственных частот.Closest to the technical nature of the proposed invention is the method described in (Lunkin BV "Multichannel sensor parameters of layered media with one sensing element. Automation and telemechanics. 2012, No. 10, p. 127-141) - prototype. According to the prototype method in the resonator, which is a sensitive element of the sensor, electromagnetic waves are excited at three natural frequencies. The values of the parameters are determined from these measured frequencies by solving a system of equations composed of their dependences on the parameters of the controlled medium. The disadvantage of this method is that in order to obtain an acceptable measurement accuracy, especially in the region of small values of the amount of fuel, a high accuracy in determining the natural frequencies is required, which is difficult in practice. This raises the problem of choosing the initial parameter values when solving the above system of equations to obtain unique solutions even with high accuracy in determining the natural frequencies.

Известно устройство (Лункин Б.В., Азмаипарашвили А.А. Устройство для измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре. RU 2427805, С1, 27.08.2011) - прототип. Реализующее данный способ устройство-прототип содержит синтезатор частоты электромагнитных колебаний, возбуждающий резонатор, который размещен в баке с контролируемой средой, детектор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, формирующий напряжение для перестройки частоты синтезатора и реализующий алгоритм определения параметров по трем измеренным собственным частотам. Недостатком этого устройства является то, что конфигурация чувствительного элемента и алгоритм преобразования собственных частот не обеспечивают необходимую точность; в нем даже не исключена возможность потери первичной информации.A device is known (Lunkin B.V., Azmaiparashvili A.A. A device for measuring the mass of liquefied gas in a closed tank. RU 2427805, C1, 08.27.2011) - prototype. The prototype device that implements this method includes an electromagnetic oscillation frequency synthesizer, an exciting resonator that is located in a tank with a controlled environment, a detector, an analog-to-digital converter, a microprocessor that generates a voltage for tuning the synthesizer frequency and implements an algorithm for determining parameters from three measured natural frequencies. The disadvantage of this device is that the configuration of the sensitive element and the algorithm for converting the natural frequencies do not provide the necessary accuracy; it does not even exclude the possibility of loss of primary information.

Технический результат способа измерения и устройства, его реализующего, заключается в обеспечении высокой точности определения количества топлива в трехслойной среде (с погрешностью, не превышающей нескольких долей процентов) по измеренным собственным частотам с практически реализуемой точностью (относительная погрешность не превышает значения 10-4) и осуществлении оценки качества топлива посредством измерения его диэлектрической проницаемости.The technical result of the measurement method and the device that implements it is to ensure high accuracy in determining the amount of fuel in a three-layer medium (with an error not exceeding a few fractions of a percent) from the measured natural frequencies with practicable accuracy (the relative error does not exceed 10 -4 ) and assessment of fuel quality by measuring its dielectric constant.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения количества и качества топлива в баке с трехслойной смесью «воздух - топливо - вода», по которому в размещенном в баке резонаторе возбуждают электромагнитные колебания на трех собственных частотах, измеряют их и по ним судят о параметрах контролируемой среды - положению двух границ раздела и диэлектрической проницаемости топлива, по этим параметрам определяют количество топлива и его качество, нижняя часть резонатора погружена в автономный контейнер, полностью заполненный водой, а остальная его часть погружена в контролируемую смесь, для полностью заправленного топливом бака по трем измеренным собственным частотам резонатора определяют суммарное количество воды в баке и контейнере и диэлектрическую проницаемость топлива, их значения заносят в архив, по мере расходования топлива в зависимости от его количества параметры трехслойной смеси определяют в трех режимах, при большом количестве топлива - по трем измеренным собственным частотам резонатора, при среднем количестве - по двум из измеренных собственных частот и архивному значению суммарного количества воды в баке и контейнере, при малом количестве топлива - по одной из измеренных частот и архивным значениям суммарного количества воды и диэлектрической проницаемости топлива.The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for measuring the quantity and quality of fuel in a tank with a three-layer mixture of “air - fuel - water”, according to which electromagnetic oscillations are excited in the tank placed in the tank at three natural frequencies, they are measured and they are used to judge the parameters controlled environment - the position of two interfaces and the dielectric constant of the fuel, these parameters determine the amount of fuel and its quality, the lower part of the resonator is immersed in an autonomous container, completely filled with water, and the rest of it is immersed in a controlled mixture, for a tank completely filled with fuel, the total amount of water in the tank and container and the dielectric constant of the fuel are determined from the three measured natural frequencies of the resonator, their values are recorded in the archive, depending on fuel consumption the parameters of a three-layer mixture are determined in three modes, for a large amount of fuel - for the three measured natural frequencies of the resonator, for an average quantity - for two of the measured x natural frequencies and the archive value of the total amount of water in the tank and container, with a small amount of fuel - according to one of the measured frequencies and the archive values of the total amount of water and dielectric constant of the fuel.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для реализации предлагаемого способа содержится синтезатор частоты электромагнитных колебаний, резонатор, размещенный в баке с контролируемой смесью, детектор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, формирующий напряжение для перестройки частоты синтезатора и реализующий алгоритм измерения, резонатор выполнен в виде W-образнораспределенного в металлической трубе проводника в диэлектрической оболочке, нижняя часть которого изолирована от контролируемой смеси металлическим экраном, размещенным на внешней поверхности этой оболочки.The technical result is achieved by the fact that the device for implementing the proposed method contains a frequency synthesizer of electromagnetic waves, a resonator located in a tank with a controlled mixture, a detector, an analog-to-digital converter, a microcontroller that generates a voltage for tuning the frequency of the synthesizer and implements a measurement algorithm, the resonator is made in a W-shaped conductor in a metal pipe in a dielectric sheath, the lower part of which is isolated from a controlled mixture of meta a faceplate placed on the outer surface of this shell.

На фиг. 1 представлены графики погрешностей для разного количества топлива и воды.In FIG. Figure 1 shows the error plots for different amounts of fuel and water.

На фиг. 2 - зависимость погрешности измерения от количества топлива.In FIG. 2 - dependence of the measurement error on the amount of fuel.

На фиг. 3 - эскиз распределения проводника чувствительного элемента.In FIG. 3 is a sketch of the distribution of the conductor of the sensing element.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Трехслойная среда типична для смесей в топливных баках и резервуарах хранения нефти и нефтепродуктов. Для определенности рассматривается модель слоистой среды со следующими значениями диэлектрических проницаемостей: нижний слой - вода с ε1=3.5, средний слой - топливо с ε2=1.6-1.8, верхний слой - воздух с ε3=1 (с учетом того, что в качестве чувствительного элемента применен отрезок длинной линии, покрытый оболочкой). Диэлектрические проницаемости воздуха и воды реально не меняются, а диэлектрическая проницаемость топлива есть величина переменная и зависит от температуры, сортности, наличия примесей и пр.The essence of the proposed method is as follows. A three-layer medium is typical of mixtures in fuel tanks and storage tanks for oil and oil products. For definiteness, we consider a model of a layered medium with the following permittivities: the lower layer is water with ε 1 = 3.5, the middle layer is fuel with ε 2 = 1.6-1.8, and the upper layer is air with ε 3 = 1 (taking into account that as a sensitive element, a segment of a long line coated with a shell is used). The dielectric constants of air and water do not really change, and the dielectric constant of a fuel is a variable and depends on temperature, grade, the presence of impurities, etc.

Параметры контролируемой среды - положение X1 границы раздела «вода - топливо», Х2 - «топливо - воздух» и диэлектрическая проницаемость ε2 топлива могут быть определены по значениям трех собственных частот электромагнитных колебаний, возбуждаемых в резонаторе, размещенном в баке. По разности значений Х2 и X1 определяется количество топлива и по его диэлектрической проницаемости ε2 оценивается качество топлива.The parameters of the controlled medium — the position X 1 of the water – fuel interface, X 2 —fuel – air, and the dielectric constant ε 2 of the fuel can be determined from the values of the three eigenfrequencies of electromagnetic waves excited in the resonator located in the tank. The quantity of fuel is determined from the difference in the values of X 2 and X 1 and the fuel quality is estimated from its dielectric constant ε 2 .

Для резонатора в виде длинной линии, образуемой распределенным в металлической трубке по W-образному закону проводником, и возбуждаемого низшими типами колебаний на первой, второй и четвертой собственных частотах, зависимости этих частот от контролируемых параметров имеют следующий вид (зависимости первой и третьей частот совпадают):For a resonator in the form of a long line formed by a conductor distributed in a metal tube according to a W-shaped law and excited by lower types of vibrations at the first, second, and fourth eigenfrequencies, the dependences of these frequencies on the controlled parameters have the following form (the dependences of the first and third frequencies coincide) :

Figure 00000001
Figure 00000001

Параметры находятся из решения системы уравнений, образуемой этими зависимостями с известными (измеренными) значениями собственных частот. В уравнениях

Figure 00000002
,
Figure 00000003
- собственные частоты порожнего и заполненного резонатора,
Figure 00000004
, l - длина распределенного отрезка длинной линии.The parameters are found from the solution of the system of equations formed by these dependencies with known (measured) values of natural frequencies. In the equations
Figure 00000002
,
Figure 00000003
- natural frequencies of the empty and filled resonator,
Figure 00000004
, l is the length of the distributed segment of the long line.

При решении системы уравнений (1) методом итерации истинные значения параметров могут быть найдены не при любых начальных заданиях параметров (НЗП). В результате сходимости итераций могут быть получены такие значения параметров, которые не соответствуют истинным, и при подстановке их в уравнения системы хотя бы одна из полученных при этом частот не совпадает с измеренной. Более того, при выборе произвольных НЗП наряду с истинными решениями могут существовать решения, не имеющие физического смысла, или методом итерации не удается найти какие-либо решения. Возникает проблема выбора начальных значений параметров.When solving the system of equations (1) by the iteration method, the true values of the parameters can not be found for any initial parameter assignments (NZP). As a result of the convergence of iterations, such parameter values can be obtained that do not correspond to the true ones, and when they are substituted into the equations of the system, at least one of the frequencies obtained in this case does not coincide with the measured one. Moreover, when choosing arbitrary NZP, along with true solutions, there may be solutions that do not have physical meaning, or iterative methods cannot find any solutions. There is a problem of choosing the initial values of the parameters.

Непосредственные вычисления позволили составить таблицу НЗП, при которых в результате решения системы (1) найдены значения параметров, соответствующие истинным, или не соответствующие, но находящиеся в априорно известном диапазоне изменения параметров. Причем в последнем случае при подстановке полученных параметров в уравнения всегда имеем

Figure 00000005
,
Figure 00000006
, но
Figure 00000007
, где индекс «*» относится к величинам, полученным при решении системы (1), а «М» - к измеренным.Direct calculations made it possible to compile the NZP table, in which, as a result of solving system (1), the values of the parameters were found that correspond to the true ones or do not correspond, but are in the a priori known range of parameter changes. Moreover, in the latter case, when we substitute the obtained parameters into the equations, we always have
Figure 00000005
,
Figure 00000006
but
Figure 00000007
, where the index “*” refers to the values obtained by solving system (1), and “M” refers to the measured ones.

Погрешности измерения параметров определяются точностью измерения собственных частот. Причем точность измерения собственных частот определяется не только техническими возможностями вторичных преобразований, но и неконтролируемой нестабильностью влияющих факторов на чувствительный элемент, например температуры, давления, колебания границ раздела, отложения твердых частиц на поверхности чувствительного элемента и пр. Задача в этом случае состоит в поиске алгоритмов измерения, обеспечивающих приемлемые точности определения параметров при ограничениях на точность измерения собственных частот во всем диапазоне изменения параметров.The measurement error of the parameters is determined by the accuracy of the measurement of natural frequencies. Moreover, the accuracy of measuring the natural frequencies is determined not only by the technical capabilities of the secondary transformations, but also by the uncontrolled instability of influencing factors on the sensitive element, for example, temperature, pressure, interface fluctuations, deposition of solid particles on the surface of the sensitive element, etc. The task in this case is to search for algorithms measurements providing acceptable accuracy of parameter determination with restrictions on the accuracy of measuring natural frequencies in the entire range of variation parameters of Ia.

Моделирование погрешности измерения собственных частот, полученных с высокой точностью вычисления из соотношений (1) для истинных параметров, осуществлялась изменением на единицу значений числа в k-м знаке после запятой величин Fi, что соответствует погрешности измерения собственных частот

Figure 00000008
. Рассматривались три варианта изменения на единицу: в сторону возрастания, в сторону убывания и в разные стороны для различных частот. Для измененных таким образом значений Fi решением системы уравнений определялись параметры x1, х2, ε2 и погрешности их измерения.The modeling of the error in measuring the natural frequencies obtained with high accuracy from (1) for the true parameters was carried out by changing the unit of the number in the kth decimal place of the values of F i , which corresponds to the error in measuring the natural frequencies
Figure 00000008
. Three variants of change per unit were considered: in the direction of increase, in the direction of decrease, and in different directions for different frequencies. For the values of F i changed in this way, the parameters x 1 , x 2 , ε 2 and the errors of their measurement were determined by solving a system of equations.

По результатам вычислений, связанных с поиском решения, замечена тенденция повышения точности измерения параметров с увеличением x1 до некоторых пределов. Это наглядно подтверждается графиками на фиг. 1а, б зависимости погрешности δ x 2 x 1

Figure 00000009
от истинного количества топлива x2-x1 для разных значений положения границы раздела x1 и погрешности измерения собственных частот δF. Существует оптимальное значение x 1 o
Figure 00000010
, при котором погрешность измерения количества топлива имеет минимальное значение; к примеру, для δF=10-4 можно принять
Figure 00000011
According to the results of calculations related to the search for a solution, there is a tendency to increase the accuracy of measuring parameters with an increase in x 1 to some limits. This is clearly confirmed by the graphs in FIG. 1a, b depending on the error δ x 2 - x one
Figure 00000009
from the true amount of fuel x 2 -x 1 for different values of the position of the interface x 1 and the measurement error of the natural frequencies δ F. There is an optimal value x one o
Figure 00000010
at which the error in measuring the amount of fuel has a minimum value; for example, for δ F = 10 -4 you can take
Figure 00000011

Наличие оптимального значения x 1 o

Figure 00000012
позволяет не только получить приемлемые точности определения параметров при более грубых измерениях собственных частот в сравнении с δF≤10-6, но и существенно упростить процедуру выбора НЗП: единственное решение существует при любых НЗП, кроме может быть случая x01=x02=0.Optimum value x one o
Figure 00000012
allows not only to obtain acceptable accuracy in determining the parameters for coarser measurements of natural frequencies in comparison with δ F ≤10 -6 , but also to significantly simplify the selection of the short-circuit breaker: the only solution exists for any short-circuit breaker, except for the case x 01 = x 02 = 0 .

Однако, как видно из графиков фиг. 1,а, измерения малых значений количества топлива сопровождаются значительными погрешностями, вплоть до отсутствия каких-либо значений параметров при решении системы (1).However, as can be seen from the graphs of FIG. 1a, measurements of small values of the amount of fuel are accompanied by significant errors, up to the absence of any parameter values when solving system (1).

Для указанных значений количества топлива предлагается другой подход к алгоритму измерения, определяемый спецификой задачи. Он основан на том, что в процессе расходования топлива количество воды в баке практически не меняется. При этом алгоритм, связанный с возбуждением и достаточно «грубым» измерением трех собственных частот, обеспечивает высокую точность (десятые доли процентов) определения положения границы раздела «вода - топливо» в большом диапазоне изменения количества топлива, начиная от полного бака. Полученное значение количества воды можно хранить в памяти и использовать его для дальнейших измерений. При наличии такой информации остаются неизвестными два параметра x2 и ε2, которые могут быть найдены решением первых двух уравнений системы (1). Эти уравнения имеют следующий вид:For the indicated values of the fuel quantity, another approach to the measurement algorithm is proposed, which is determined by the specifics of the problem. It is based on the fact that in the process of fuel consumption, the amount of water in the tank practically does not change. Moreover, the algorithm associated with the excitation and rather “rough” measurement of three natural frequencies provides high accuracy (tenths of a percent) of determining the position of the water – fuel interface in a large range of changes in the amount of fuel, starting from a full tank. The obtained value of the amount of water can be stored in memory and used for further measurements. In the presence of such information, two parameters x 2 and ε 2 remain unknown, which can be found by solving the first two equations of system (1). These equations have the following form:

Figure 00000013
Figure 00000013

где значение параметра

Figure 00000014
, взятого из архива, получено по измеренным (вычисленным) собственным частотам решением системы (1).where parameter value
Figure 00000014
taken from the archive, obtained by measured (calculated) natural frequencies by the solution of system (1).

Зависимость погрешности измерения δ x 2 x 1

Figure 00000015
от количества топлива для этого случая показана на фиг. 2 (график 2). Из сравнения графика 2 с графиком 1, изображающим ту же погрешность в случае измерения параметров по трем собственным частотам, отметим, что точность определения количества топлива по формуле (2) в два раза выше, чем по формуле (1) в диапазоне (x2-x1)<0,2.Measurement Error δ x 2 - x one
Figure 00000015
of the amount of fuel for this case is shown in FIG. 2 (chart 2). From a comparison of graph 2 with graph 1, which depicts the same error in the case of measuring parameters at three natural frequencies, we note that the accuracy of determining the amount of fuel by formula (2) is two times higher than by formula (1) in the range (x 2 - x 1 ) <0.2.

Как видно из фиг. 2 (график 2), для (x2-x1)<0,02 погрешность определения количества топлива резко увеличивается вплоть до отсутствия решения системы уравнений (2). Чтобы получить приемлемые точности измерения в окрестности этих значений количества топлива, предлагается дополнительно сформировать архив значений диэлектрической проницаемости

Figure 00000016
. Причем для этого можно использовать значения, полученные при решении системы уравнений (1) при большом количестве топлива. Используя архивные данные по диэлектрической проницаемости топлива
Figure 00000017
и положения границы раздела «вода - топливо»
Figure 00000018
задача измерения сводится к нахождению единственного оставшегося неизвестного параметра - положения границы раздела «топливо - воздух», из соотношения, полученного из первого уравнения системы (1) в виде:As can be seen from FIG. 2 (graph 2), for (x 2 -x 1 ) <0.02, the error in determining the amount of fuel increases sharply until there is no solution to the system of equations (2). In order to obtain acceptable measurement accuracy in the vicinity of these fuel quantity values, it is proposed to additionally generate an archive of dielectric constant values
Figure 00000016
. And for this, you can use the values obtained when solving the system of equations (1) with a large amount of fuel. Using archived dielectric constant data
Figure 00000017
and the provisions of the water-fuel interface
Figure 00000018
the measurement task is reduced to finding the only remaining unknown parameter - the position of the "fuel - air" interface, from the ratio obtained from the first equation of system (1) in the form:

Figure 00000019
Figure 00000019

Заметим, что для получения высокой точности измерения параметра x2 при малом количестве топлива необходимы ограничения на погрешности измерения параметров, заносимых в архив. Вычисления показывают, что для получения измерений количества топлива с погрешностью не более 0.5% (прямая 3 на фиг. 2) погрешность измерения

Figure 00000020
диэлектрической проницаемости
Figure 00000021
не должна превышать 7,5%, а погрешность
Figure 00000022
измерения положения границы раздела
Figure 00000023
- быть не более 0,1-0,2%. Эти показатели достижимы при решении уравнений (1) в пределах изменения количества топлива 0,2<(x2-x1)<0,5. При снижении требований к точности измерения количества топлива (прямая 3 на фиг. 2) естественно снижаются требования к точности значений архивных параметров, и вместе с этим существует возможность их измерения при меньшем количестве топлива.Note that to obtain high accuracy in measuring the parameter x 2 with a small amount of fuel, restrictions on the measurement errors of the parameters recorded in the archive are necessary. The calculations show that to obtain measurements of the amount of fuel with an error of not more than 0.5% (line 3 in Fig. 2), the measurement error
Figure 00000020
dielectric constant
Figure 00000021
should not exceed 7.5%, and the error
Figure 00000022
measuring the position of the interface
Figure 00000023
- be no more than 0.1-0.2%. These indicators are achievable when solving equations (1) within the limits of changing the amount of fuel 0.2 <(x 2 -x 1 ) <0.5. When reducing the requirements for the accuracy of measuring the amount of fuel (line 3 in Fig. 2), the requirements for the accuracy of the values of the archive parameters naturally decrease, and at the same time there is the possibility of measuring them with a smaller amount of fuel.

Таким образом, предлагаемый способ измерения параметров трехслойной смеси - положения двух границ раздела между слоями и диэлектрической проницаемости среднего слоя, по которым определяют количество и качество топлива в баке, сводится к измерениям трех собственных частот, возбуждаемых в W-образном резонаторе электромагнитных колебаний. Резонатор помещают верхней частью в топливный бак, а нижней - в автономный контейнер, полностью заполненный водой. Предварительно измеряют частоты для порожних бака и контейнера. Затем для полностью заправленного топливом бака и контейнера по трем измеренным собственным частотам резонатора из системы уравнений (1) определяют суммарное количество воды в баке и контейнере, а диэлектрическую проницаемость топлива и их значения заносят в архив. По мере расходования топлива в зависимости от его количества параметры трехслойной смеси определяют в трех режимах. При большом количестве топлива - по трем измеренным собственным частотам резонатора, решая систему уравнений (1). При среднем количестве топлива - по двум из измеренных собственных частот и архивному значению суммарного количества воды в баке и контейнере, решая систему уравнений (2). При малом количестве топлива - по одной из измеренных частот и архивным значениям суммарного количества воды и диэлектрической проницаемости топлива. В результате можно получить высокую точность измерения количества топлива (погрешность не более 0,5%) во всем диапазоне его изменения - от порожнего бака до полностью заполненного трехслойной смесью, и диэлектрической проницаемости (погрешность не более 5%) при больших количествах топлива.Thus, the proposed method for measuring the parameters of a three-layer mixture — the position of two interfaces between the layers and the dielectric constant of the middle layer, which determine the quantity and quality of fuel in the tank, is reduced to measuring three natural frequencies excited in a W-shaped electromagnetic resonator. The resonator is placed in the upper part of the fuel tank, and the bottom in an autonomous container, completely filled with water. Pre-measure the frequency for an empty tank and container. Then, for the tank and container completely refueled with fuel, the total amount of water in the tank and container is determined from the system of equations (1) using the three measured natural frequencies of the resonator, and the dielectric constant of the fuel and their values are recorded in the archive. As fuel is consumed, depending on its quantity, the parameters of the three-layer mixture are determined in three modes. With a large amount of fuel - according to the three measured natural frequencies of the resonator, solving the system of equations (1). With an average amount of fuel - according to two of the measured natural frequencies and the archive value of the total amount of water in the tank and container, solving the system of equations (2). With a small amount of fuel - according to one of the measured frequencies and archival values of the total amount of water and the dielectric constant of the fuel. As a result, it is possible to obtain high accuracy in measuring the amount of fuel (error not more than 0.5%) in the entire range of its change - from an empty tank to a completely filled three-layer mixture, and dielectric constant (error not more than 5%) for large quantities of fuel.

Функциональная схема предлагаемого устройства аналогична схеме, описанной в прототипе. Отличаются они чувствительными элементами и реализуемыми в микроконтроллере алгоритмами измерения.The functional diagram of the proposed device is similar to the circuit described in the prototype. They differ in sensitive elements and measurement algorithms implemented in the microcontroller.

В этой схеме в резонаторе, являющимся чувствительным элементом датчика, от блока высокочастотного генератора с перестраиваемой частотой возбуждаются электромагнитные колебания. Получаемый на выходе резонатора непрерывный сигнал детектируется и преобразуется в цифровой двоичный код. Блок генератора включает синтезатор частоты, управляемый ступенчатым пилообразным напряжением, три частотных фильтра, пропускающие сигналы в соответствии с диапазоном изменения собственных частот, и селектор, разделяющий эти сигналы по времени. Сигнал с резонатора после детектирования и аналого-цифрового преобразования поступает на вход микроконтроллера, в котором измеряются три собственные частоты резонатора. Соответствие частот синтезатора собственным частотам устанавливается по максимуму напряжения сигнала, получаемого на выходе детектора.In this circuit, in the resonator, which is the sensitive element of the sensor, electromagnetic oscillations are excited from the block of the high-frequency generator with a tunable frequency. The continuous signal received at the resonator output is detected and converted into a digital binary code. The generator unit includes a frequency synthesizer controlled by a step-like sawtooth voltage, three frequency filters that transmit signals in accordance with the range of natural frequencies, and a selector that separates these signals in time. The signal from the resonator after detection and analog-to-digital conversion is fed to the input of the microcontroller, in which three natural frequencies of the resonator are measured. The correspondence of the synthesizer frequencies to the natural frequencies is established by the maximum voltage of the signal received at the detector output.

В память микроконтроллера вводятся значения предварительно измеренных трех частот, соответствующих собственным частотам резонатора в порожнем баке и другие величины, в соответствии с предлагаемым способом. В микроконтроллере также заложены алгоритмы определения параметров трехслойной смеси по измеренным собственным частотам, основанных на решении систем уравнений (1)-(3).The microcontroller’s memory contains the values of the previously measured three frequencies corresponding to the natural frequencies of the resonator in the empty tank and other values, in accordance with the proposed method. The microcontroller also contains algorithms for determining the parameters of a three-layer mixture from measured natural frequencies, based on the solution of systems of equations (1) - (3).

На фиг. 3 приведен эскиз электромагнитного резонатора, используемого в качестве чувствительного элемента. В соответствии с предлагаемым способом устройство должно содержать автономный контейнер, заполненный водой, в который погружен резонатор нижней своей частью. Такое техническое воплощение чувствительного элемента является громоздким и непрактичным. В качестве чувствительного элемента выбран резонатор в виде проводника в диэлектрической оболочке, W-образно распределенного в металлическом цилиндре. В нем покрытие внешней поверхности диэлектрической оболочки металлическим экраном имитирует постоянное заполнение чувствительного элемента водой на длину этого покрытия. Это позволяет сделать конструкцию чувствительного элемента компактной. На фиг. 3 обозначено: 4 - металлическая стенка верхней части ЧЭ; 5 - его нижняя часть, находящаяся на уровне дна бака; 6 - линии трассировки проводника в верхней части ЧЭ; 7 - распределенный проводник в нижней части, имитирующий погружение ЧЭ в воде; 8-11 - точки сочленения проводников; 12 и 13 - генератор для возбуждения электромагнитных колебаний и детектор. Проводник по всей длине находится в диэлектрической оболочке, при этом в нижней части ЧЭ он дополнительно снабжен металлическим экраном.In FIG. Figure 3 shows a sketch of an electromagnetic resonator used as a sensitive element. In accordance with the proposed method, the device should contain an autonomous container filled with water, in which the resonator is immersed in its lower part. Such a technical embodiment of the sensing element is cumbersome and impractical. A resonator in the form of a conductor in a dielectric sheath, W-shapedly distributed in a metal cylinder, was chosen as a sensitive element. In it, coating the outer surface of the dielectric shell with a metal screen simulates the constant filling of the sensing element with water over the length of this coating. This allows you to make the design of the sensitive element compact. In FIG. 3 marked: 4 - metal wall of the upper part of the SE; 5 - its lower part, located at the level of the bottom of the tank; 6 - trace lines of the conductor in the upper part of the SE; 7 - distributed conductor in the lower part, simulating the immersion of the SE in water; 8-11 - junction points of conductors; 12 and 13 - generator for exciting electromagnetic waves and a detector. The conductor along the entire length is in the dielectric sheath, while in the lower part of the CE it is additionally equipped with a metal screen.

Для такого чувствительного элемента, естественно, сохраняются зависимости собственных частот, описываемых системой уравнений (1), только в них следует иметь в виду, что параметр x1 включает величину, имитирующую слой воды толщиной x 1 o

Figure 00000010
и слой воды, содержащейся в топливном баке.For such a sensitive element, of course, the eigenfrequency dependences are described by the system of equations (1), only in them it should be borne in mind that parameter x 1 includes a value simulating a water layer with a thickness x one o
Figure 00000010
and a layer of water contained in the fuel tank.

Claims (2)

1. Способ измерения количества и качества топлива в баке с трехслойной смесью «воздух - топливо - вода», по которому в размещенном в баке резонаторе возбуждают электромагнитные колебания на трех собственных частотах, измеряют их и по ним судят о параметрах контролируемой среды - положении двух границ раздела и диэлектрической проницаемости топлива, по этим параметрам определяют количество топлива и его качество, отличающийся тем, что нижняя часть резонатора погружена в автономный контейнер, полностью заполненный водой, а остальная его часть погружена в контролируемую смесь, для полностью заправленного топливом бака по трем измеренным собственным частотам резонатора определяют суммарное количество воды в баке и контейнере и диэлектрическую проницаемость топлива, их значения заносят в архив, по мере расходования топлива в зависимости от его количества параметры трехслойной смеси определяют в трех режимах, при большом количестве топлива - по трем измеренным собственным частотам резонатора, при среднем количестве - по двум из измеренных собственных частот и архивному значению суммарного количества воды в баке и контейнере, при малом количестве топлива - по одной из измеренных частот и архивным значениям суммарного количества воды и диэлектрической проницаемости топлива.1. A method of measuring the quantity and quality of fuel in a tank with a three-layer mixture of “air - fuel - water”, according to which electromagnetic oscillations are excited in the tank placed in the tank at three natural frequencies, measure them and judge the parameters of the controlled environment — the position of two boundaries section and dielectric constant of fuel, these parameters determine the amount of fuel and its quality, characterized in that the lower part of the resonator is immersed in an autonomous container completely filled with water, and the rest of it immersed in a controlled mixture, for a tank completely filled with fuel, the total amount of water in the tank and container and the dielectric constant of the fuel are determined from the three measured natural frequencies of the resonator, their values are recorded in the archive, as the fuel is consumed, depending on its quantity, the parameters of the three-layer mixture are determined in three modes, with a large amount of fuel - according to the three measured natural frequencies of the resonator, with an average quantity - according to two of the measured natural frequencies and the archive symbol the total amount of water in the tank and container, with a small amount of fuel - according to one of the measured frequencies and the archive values of the total amount of water and dielectric constant of the fuel. 2. Устройство для измерения количества и качества топлива в баке с трехслойной смесью «воздух - топливо - вода», содержащее синтезатор частоты электромагнитных колебаний, резонатор, размещенный в баке с контролируемой средой, детектор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, формирующий напряжение для перестройки частоты синтезатора и реализующий алгоритм измерения, отличающееся тем, что резонатор выполнен в виде W-образно распределенного в металлической трубе проводника в диэлектрической оболочке, нижняя часть которого изолирована от контролируемой смеси металлическим экраном, размещенным на внешней поверхности этой оболочки. 2. A device for measuring the quantity and quality of fuel in a tank with a three-layer mixture of “air - fuel - water” containing an electromagnetic frequency synthesizer, a resonator located in a tank with a controlled environment, a detector, an analog-to-digital converter, a microprocessor that generates voltage for tuning the frequency of the synthesizer and implementing a measurement algorithm, characterized in that the resonator is made in the form of a conductor W-shapedly distributed in a metal pipe in a dielectric sheath, the lower part of which is insulated is isolated from the controlled mixture by a metal screen placed on the outer surface of this shell.
RU2015126888/28A 2015-07-06 2015-07-06 Method of measuring amount and quality of fuel in the tank with three-layer mixture "air-fuel-water" and device for its implementation RU2597682C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015126888/28A RU2597682C1 (en) 2015-07-06 2015-07-06 Method of measuring amount and quality of fuel in the tank with three-layer mixture "air-fuel-water" and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015126888/28A RU2597682C1 (en) 2015-07-06 2015-07-06 Method of measuring amount and quality of fuel in the tank with three-layer mixture "air-fuel-water" and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2597682C1 true RU2597682C1 (en) 2016-09-20

Family

ID=56937770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015126888/28A RU2597682C1 (en) 2015-07-06 2015-07-06 Method of measuring amount and quality of fuel in the tank with three-layer mixture "air-fuel-water" and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2597682C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7117732B2 (en) * 2003-12-01 2006-10-10 Societe Bic Fuel gauge for fuel cartridges
US7644889B2 (en) * 2006-07-18 2010-01-12 Insitu, Inc. Fluid sensing system and methods, including vehicle fuel sensors
RU2421693C1 (en) * 2010-02-24 2011-06-20 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of measuring mass of liquefied gas in closed reservoir
RU2427805C1 (en) * 2010-04-19 2011-08-27 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Measuring device of liquefied gas in closed tank
US8171786B2 (en) * 2007-11-19 2012-05-08 Petroleum Recovery Services, LLC Fuel inventory monitoring system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7117732B2 (en) * 2003-12-01 2006-10-10 Societe Bic Fuel gauge for fuel cartridges
US7644889B2 (en) * 2006-07-18 2010-01-12 Insitu, Inc. Fluid sensing system and methods, including vehicle fuel sensors
US8171786B2 (en) * 2007-11-19 2012-05-08 Petroleum Recovery Services, LLC Fuel inventory monitoring system
RU2421693C1 (en) * 2010-02-24 2011-06-20 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of measuring mass of liquefied gas in closed reservoir
RU2427805C1 (en) * 2010-04-19 2011-08-27 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Measuring device of liquefied gas in closed tank

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Лункин Б.В., Криксунова Н.А. Алгоритм высокоточного измерения параметров трехслойных сред в резервуарах, Труды XII Всероссийского совещания по проблемам управления, ИПУ РАН, стр. 6865-6873, *
Лункин Б.В., Криксунова Н.А. Алгоритм высокоточного измерения параметров трехслойных сред в резервуарах, Труды XII Всероссийского совещания по проблемам управления, ИПУ РАН, стр. 6865-6873, Москва, 2014. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9410904B2 (en) System and method for determining density of a medium in a tank
US20080060431A1 (en) Radar level gauging
WO2019103645A1 (en) Method and device for measuring the physical parameters of a material
RU2647182C1 (en) Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank
RU2578749C1 (en) Method of determining position of interface of two substances in container
RU2597682C1 (en) Method of measuring amount and quality of fuel in the tank with three-layer mixture &#34;air-fuel-water&#34; and device for its implementation
CN104236672A (en) Multi-redundancy capacitance type oil quantity sensor
RU2473052C1 (en) Device for measuring level of dielectric liquid in container
CN102656453B (en) For the method and apparatus measuring fuel mixture component
RU2698575C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
RU2752555C1 (en) Method for determining position of interface between two liquids in tank
RU2421693C1 (en) Method of measuring mass of liquefied gas in closed reservoir
RU2620780C1 (en) Method for determining interface position between components of three-component medium in container
RU2393435C1 (en) Method of indicating availability of liquid in reservoir and device for realising said method
RU2558629C1 (en) Method of parameters measuring of liquefied gas in three-phase state
WO2017018893A1 (en) Method and device for determining the quality of motor-car fuel
RU2768556C1 (en) Apparatus for measuring the level of liquid in a tank
RU2794447C1 (en) Device for measuring level of dielectric liquid in tank
RU2647186C1 (en) Method for measuring a position of interfaces between components of three-component medium in a tank
RU2506545C1 (en) Method to determine mass of liquefied hydrocarbon gas in reservoir
RU2778284C1 (en) Apparatus for measuring the level of dielectric liquid in a tank
RU2334217C1 (en) Microwave-resonator method for determination of moisture volume fraction in liquid mediums
RU2753830C1 (en) Method for measuring position of interface between two liquids in container
RU2473055C1 (en) Method of measuring level of liquid in container
RU2774218C1 (en) Method for measuring the position of the interface between two dielectric media in a tank

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200707