metrolМетрологияMetrologiya0132-47132712-9071ВНИИМС10.32446/0132-4713.2021-1-31-45metrol-64Research ArticleМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯИнтеллектуальная система измерения уровня и массы жидкости в топливных баках и танках при качке и наклонахIntelligent system for measuring the level and mass of liquid in fuel tanks and tanks during pitching and tiltingСухинецЖ. А.SukhinetsZh. A.

Жанна Артуровна Сухинец 

Уфа

Zhanna A. Sukhinets 

Ufa

sukhinets@mail.ruГулинА. И.GulinA. I.

Артур Игоревич Гулин 

Уфа

Artur I. Gulin 

Ufa

gulin1940@gmail.comУфимский государственный авиационный технический университетРоссияUfa State Aviation Technical UniversityRussian FederationУфимский государственный нефтяной технический университетРоссияUfa State Petroleum Technological UniversityRussian Federation202131052021013145Copyright © ВНИИМС, 20212021ВНИИМСВНИИМСhttps://metrol.elpub.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://metrol.elpub.ru/jour/article/view/64

Представлен обзор существующих способов измерения уровня жидкости и их недостатки при колебаниях поверхности. Предложена система непрерывного измерения массы жидкостей в топливных баках и танках при качке и наклонах транспортных средств и судов, реализуемая в уровнемере на основе интеллектуальных датчиков. В состав датчиков входят микроконтроллер с индивидуальной градировочной характеристикой зависимости объёма от уровня, учитывающей форму резервуара или топливного бака, и встроенные в интеллектуальный датчик наносенсоры для измерения плотности, диэлектрической проницаемости и температуры окружающей среды. Установлено, что реальные метрологические характеристики интеллектуальных датчиков существенно выше характеристик датчиков традиционного исполнения. Обоснованы количество и размеры пластин плоских конденсаторов и представлена схема их расположения на крыше резервуаров. Исключение подвижных элементов повысило надёжность работы, упростило обслуживание и требования к конструкции объекта измерения. Приведены аналитические выражения для вычислений уровня и массы жидкости, реализуемые микроконтроллером. Использование предложенной системы измерения со сложной вычислительной обработкой и учёт поправок на температуру, плотность, влажность и диэлектрическую проницаемость жидкости позволили увеличить точность и стабильность показаний уровнемера. Выведены аналитические выражения, связывающие уровень жидкости и выходную частоту генератора из состава уровнемера.

An overview of the existing methods for measuring the liquid level and their disadvantages in the case of surface vibrations is presented. A system for continuous measurement of the mass of liquids in fuel tanks and tanks during rolling and tilting of vehicles and ships, implemented in a level gauge based on intelligent sensors, is proposed. The sensors include a microcontroller with an individual calibration characteristic of the volume-level dependence, taking into account the shape of the tank or fuel tank, and nanosensors built into the intelligent sensor (ID) for measuring density, permittivity and ambient temperature. It is established that the actual metrological characteristics of the ID are significantly higher than the characteristics of traditional sensors. The number and dimensions of the plates of flat capacitors are justified and the scheme of their arrangement on the roof of the tanks is presented. The exclusion of movable elements increased the reliability of operation, simplified maintenance and design requirements of the measuring object. Analytical expressions for calculating the level and mass of the liquid, implemented by the microcontroller, are given. The use of the proposed measurement system with complex computational processing and taking into account corrections for temperature, density, humidity and permittivity of the liquid made it possible to increase the accuracy and stability of the level meter readings. Analytical expressions are derived that relate the liquid level and the output frequency of the generator from the composition of the level gauge.

интеллектуальный датчикёмкостный уровнемернестационарный уровеньчастотафазирующая цепочкамикроконтроллерintelligent sensorcapacitive level gaugenon-stationary levelfrequencyphasing chainmicrocontrollerReferencesСухинец Ж. А., Гулин А. И. Теоретические основы построения и методы проектирования аналого-цифровых интерфейсов и интеллектуальных датчиков с цепной трехполюсной структурой. М.: СОЛОН-Пресс, 2020. 180 c.Sukhinets Zh. A., Gulin A. I., Teoreticheskie osnovy postroeniya i metody proektirovaniya analogo-tsifrovykh interfeisov i intellektual’nykh datchikov s tsepnoi trekhpolyusnoi strukturoi, Mocow, SOLON-Press Publ., 2020. 180 p. (in Russian).Годнев А. Г., Зоря Е. И. Метод повышения точности вычисления массы нефтепродуктов при хранении // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. 2008. № 2. С. 35–37.Godnev A. G., Zorya E. I., Upravlenie kachestvom v neftegazovom komplekse, 2008, no. 2, pp. 35–37 (in Russian).Souza M., Car valho E., Canuto J., IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 14–17 May, 2018, Houston, USA, 2018, pp. 1–5.Souza M., Carvalho E., Canuto J., IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 14–17 May, 2018, Houston, USA, 2018, pp. 1–5.Loizou K., Koutroulis E., Zalikas D., Liontas G., IEEE ICIT 2015 International Conference on Industrial Technology, March 17th to 19th, 2015, Seville, Spain, 2015, pp. 1416–1421.Loizou K., Koutroulis E., Zalikas D., Liontas G., IEEE ICIT 2015 International Conference on Industrial Technology, March 17th to 19th, 2015, Seville, Spain, 2015, pp. 1416–1421.Yuliza E., Sa lam R., Amri I., Atmajati E., IEEE International Conference on Instrumentation, Control and Automation (ICA), 29–31 August 2016, Bandung, Indonesia, pp. 99–102.Yuliza E., Salam R., Amri I., Atmajati E., IEEE International Conference on Instrumentation, Control and Automation (ICA), 29–31 August 2016, Bandung, Indonesia, pp. 99–102.Zhao C., Chen Y., IEEE International Conference on Control and Automation, Guangzhou, 30 May – 1 June, 2007, pp. 3207–3212.Zhao C., Chen Y., IEEE International Conference on Control and Automation, Guangzhou, 30 May – 1 June, 2007, pp. 3207–3212.Sukhinets Zh. A., Gulin A. I., Prokopenko N. N., International Russian Automation Conference (RusAutoCon), 8–14 September 2019, Sochi, Russia, 2019, pp. 1–4. https://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2019.8867707Sukhinets Zh. A., Gulin A. I., Prokopenko N. N., International Russian Automation Conference (RusAutoCon), 8–14 September 2019, Sochi, Russia, 2019, pp. 1–4. https://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2019.8867707Гулин А. И., Сухинец Ж. А. Измерение уровня и массы жидкости при изменении положений ёмкости // Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика. 2012. № 8. С. 63–66.Gulin A. I., Sukhinets Zh. A., Pribory i sistemy. Upravlenie, Kontrol’, Diagnostika, 2012, no. 8, pp. 63–66 (in Russian).Пат. № 2491517 РФ / А. И. Гулин, Ж. А. Сухинец // Изобретения. Полезные модели. 2013. № 24.Gulin A. I., Sukhinets Zh. A., RF Patent no. 2491517, Byull. Izobret., no. 24 (2013).Гулин А. И. Проектирование многозвенных RC-генераторов // Известия вузов. Приборостроение. 2012. Т. 15. № 1 (41). С. 14–18.Gulin A. I., Izvestiya vuzov. Priborostroenie, 2012, vol. 15, no. 1 (41), pp. 14–18 (in Russian).Домрачев В. Г., Скрипник А. А. Влияние температуры на оценку массы в системах определения параметров жидкости в резервуарах // Лесной вестник, 2012. №. 6. С. 41–44.Domrachev V. G., Skripnik A. A., Lesnoi vestnik, 2012, no. 6, pp. 41–44 (in Russian).Пат. № 2594338 РФ / И. Б. Широков // Изобретения. Полезные модели. 2016. № 22.Shirokov I. B., RF Patent no. 2594338, Byull. Izobret., no. 22 (2016).Воротников И. Н., Головинов В. А., Щегорец А. С., Шунина А. А., Савельева Е. В. Исследование функций преобразования ёмкостных уровнемеров при построении математических моделей // Молодой ученый. 2015. № 19 (99). С. 118–121.Vorotnikov I. N., Golovinov V. A., Shchegorets A. S., Shunina A. A., Savel’eva E. V., Molodoi uchenyi, 2015, no. 19 (99), pp. 118–121 (in Russian).Богуш О. В., Зацерклянный О. В., Пикалев Э. М. Моделирование вибрационного датчика плотности методом конечных элементов // Датчики и системы. 2018. № 10. С. 8–13.Bogush O. V., Zatserklyannyi O. V., Pikalev Eh. M., Datchiki i Sistemy, 2018, no. 10, pp. 8–13 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.