Измерительные схемы топливомеров

Измерение емкости конденсаторных датчиков топливомеров может осуществляться различными измерительными схемами.

В одних емкость датчика включается в LC или RC коле­бательный контур [1, 14, 15], в других емкость датчика включается в плечо мостовой схемы [1, 14, 15, 16, 17]. Возможны и другие измерительные схемы.

В авиационных отечественных и зарубежных топливомерax широкое применение нашли мостовые автоматически урав­новешиваемые схемы. В отечественных электроемкостных топливомерах используется RC — мостовая схема (рис. 4.18), одним плечом которой является емкость С_х датчика, а осталь­ными плечами моста являются активные сопротивления R₁—R₆ и емкость С₀ образцовой меры. Уравновешивание схемы осуществляется путем изменения сопротивления плеча моста R₁—R₄ при перемещении щетки резистора R₁.

Кроме такой схемы, могут быть использованы мостовые схемы, у которых все плечи являются емкостными или два плеча емкостных и два индуктивных.

Однако рассмотренные выше измерительные схемы не позволяют полностью использовать преимущества трехэлектродных конденсаторных датчиков.

Применение для измерения прямой емкости трехэлектродных конденсаторов, так называемых трансформаторных мостов, позволяет исключить влияние частичных емкостей конденсатора на точность измерения его прямой емкости.

Под, трансформаторными мостами подразумевают такие мостовые измерительные схемы, у которых смежные плечи вы­полнены из катушек, помещенных на общий магнитный сердечник и обладающих тесной индуктивной связью, так как по конструкции такие плечевые элементы напоминают трансформаторы. Индуктивная связь между плечевыми элементами будет тесной, если коэффициент k связи близок к единице:

, (4.46)

Рисунок 4.18. Принципиальная схема топливомера типа СЭТС: У — усилитель, Д— двигатель, ОУ—отсчетное устройство.

где М — взаимоиндуктивность катушек;

L_x , L_y — индуктивность смежных катушек.

Трансформаторные мосты обладают необыкновенно высокими метрологическими и эксплуатационными возможностями.

Одним из основных достоинств плечевых элементов с тесной связью является исключительная устойчивость их плечевых отношений при действии паразитных проводимостей, шунтирующих эти элементы. Это свойство позволяет значительно уменьшить погрешности измерения составляющих полного сопротивления конденсатора при шунтировании плеча моста, что подтверждается анализом погрешностей измерения различных мостовых систем. Результаты такого анализа приведены в табл. 4.2 [18], где приняты следующие обозначения:

R’ — сопротивление плеча моста системы ;

ω — круговая частота напряжения питания моста;

R — измеряемое сопротивление;

L — индуктивность плеча мое га;

r — сопротивление обмотки.

Как видно из результатов анализа, устойчивость трансформаторных мостов против влияния шунтирующих сопротивлений превосходит устойчивость мостов других систем.

Таблица 4.2

Относительная погрешность	При шунтированном сопротивлении RШ одного плеча моста системы

При шунтировании емкостью С_ш одного плеча моста системы

Предельная устойчивость этих мостов наступает при r→ 0. Поэтому плечевые элементы трансформаторных мостов следует выполнять по возможности более толстым проводом.

Кроме того, трансформаторным мостам присуща высокая температурная и временная стабильность плечевых отношений, которые могут быть выполнены в пределах от 1 : 1 до 10⁶: 1 или 1 : 10⁶ в широком частотном диапазоне.

Важным свойством индуктивно связанных плеч трансформаторных мостов является соответствие их отношения (с исключительно малыми погрешностями) отношению чисел витков в их обмотках. Это свойство обмоток позволяет создавать высокоточные трансформаторные мосты. Настройку таких мостовых схем можно производить не только обычными регулируемыми образцовыми мерами с использованием отношения плеч для изменения пределов измерения, но и переключением витков в плечевых обмотках с использованием мер с постоянным значением.

В большинстве трансформаторных мостов тесная индуктивная связь между плечевыми элементами обеспечивается намоткой мультифилярного провода.

Под мультифилярным проводом понимается кабель, свитый из n-го числа отдельных изолированных, проводов.

Следует заметить, что коэффициент связи k таких обмоток зависит от числа параллельно идущих проводов в мультифилярном кабеле (рис. 4.19), но не от порядка их соединения. Провода могут соединяться параллельно, последовательно или смешанно — параллельно-последовательно, но при всех этих соединениях коэффициент связи (в пределах погрешности его определения) остается постоянным.

В то же время, емкость между обмотками, их индуктивность рассеяния и коэффициент связи зависят от числа скруток в кабеле. Рекомендуется ограничиваться числом скруток, при котором емкость и индуктивность рассеяния достигают 90% своего максимального для емкости и минимального для /индуктивности значения. Число скруток зависит от диаметра проводов, их количества и механических свойств материала изоляции. Определять его лучше всего экспериментальным путем.

Для обеспечения более тесной связи секции обмоток плечевых элементов рекомендуется выполнять из нескольких запараллеленных наиболее удаленных друг от друга в кабеле проводов, а мультифилярный кабель укладывать равномерно на сердечник трансформатора гак, чтобы начало и конец обмотки находились в одном месте.

Более подробно вопросы конструирования плечевых элементов трансформаторных мостов рассмотрены в работе [19].

В трансформаторных мостах наиболее полно используются свойства трехэлектродных конденсаторов и непосредственно измеряется их прямая емкость. На рис. 4.20 показана одна из возможных схем трансформаторного моста для измерения ем­кости трехэлектродного конденсатора С_х . Условие равновесия такого моста при k=1 определяется выражением

тСх —nС₀=0, (4.47)

где т и п — число витков в соответствующих обмотках.

Уравновешивание моста можно производить изменением числа витков т или п, либо одновременно и т и п, или же вводом дополнительных напряжений в плечевые обмотки.

Как видно из рис. 4.20, частичные емкости С₁₃ и С₂₃ трех­электродного конденсаторного датчика шунтируют соответственно плечевую обмотку с т витков и измерительную диагональ моста. Шунтирование плечевой обмотки практически не влияет на точность измерения прямой емкости датчика, так как обычно r <<R_ш, а шунтирующая емкость С₁₃ несколько больше прямой С₁₂.

Рисунок 4.19. Зависимость коэффициента связи от числа проводов в мультифилярном кабеле.

Рисунок 4.20. Принципиальная схема трансформаторного моста с трехэлектродным конденсатором.

Шунтирование измерительной диагонали приводит к неко­торому снижению чувствительности моста, но не вызывает погрешности измерения. В то же время снижение чувствительности схемы в автоматически уравновешиваемых мостах может быть компенсировано увеличением коэффициента усиления усилителя.

Следует отметить, что, пожалуй, единственным недостатком трансформаторных мостов можно считать лишь некоторое ус­ложнение технологии производства плечевых элементов.

Трансформаторные мосты позволяют сравнительно просто реализовать схемы измерительных устройств для каждой из трех схем замещения емкостного датчика топливомера, в ко­торых наиболее полно учитываются свойства составляющих конденсаторов С₁ и С₂.

На рис. 4.21, 4.22, 4.23 показаны схемы измерительных уст­ройств для трех схем замещения датчика, из которых видно, что схема измерительного моста, построенная на основе первой схемы замещения датчика, имеет две образцовые меры ξ_гС₀l и ξ_ТС₀^’l, и две регулировки для настройки моста, в то время как другие схемы имеют по три образцовые меры и по две регулировки.

Условие равновесия схемы (рис. 4.20) опи­сывается выражением

(4.48)

или

, (4,48а)

где Δn — число включенных витков регулируемых обмоток;

п — полное число витков уравновешивающих обмоток.

Рисунок 4.21 Принципиальная схема уровнемера по первой схеме замещения датчика.

Рисунок 4.22. Принципиальная схема уровнемера по второй схеме замещения датчика.

При условии, что

, (4,49)

выражение (4.48а) может быть преобразовано

. (4.50)

Таким образом, показания Δn такого измерительного устройства будут пропорциональны высоте уровня топлива.

Аналогично могут быть получены зависимости показаний других измерительных устройств (рис. 4.22, 4.23) от высоты уровня топлива.

Однако показания топливомеров зависят только от высоты или объема любого топлива в том случае, если датчик профилирован, а все образцовые меры помещены в соответствующие диэлектрические среды. Если заменить образцовые меры конденсаторами постоянной емкости, то указанная зависимость показаний будет сохраняться только для одного сорта топлива и постоянной температуры. Изменения сорта и температуры топлива будут вызывать погрешность измерения.

Для исключения этой погрешности в схему топливомера (рис. 4.21) между точками А и Б может быть включена емкость kξ_TC'₀l₁ компенсационного датчика, все время погруженного в топливо (k — экспериментально определяемый коэффициент). Можно доказать, что показания такого топливомера будут зависеть от массы топлива, а не от его объема или высоты.

Рисунок 4.23. Принципиальная схема уровнемера по третьей схеме замещения датчика.

Рисунок 4.24. Принципиальная схема аналогового топливомера.

Недостатком рассмотренных схем измерительных устройств является необходимость двух коммутационных устройств для переключения числа витков Δn и только дискретное уравнове­шивание схемы.

На кафедре авиационных приборов и автоматов КИИГА была разработана схема трансформаторного моста топливомера, уравновешивание которой может осуществляться дискретно или аналогово (рис. 4.23) путем изменения напряжения на первичной обмотке уравновешивающего трансформатора Тр2. Положение щетки потенциометра R₁ (рис. 4.24) пропорционально высоте уровня топлива при условии, что .

Рассмотренные выше измерительные схемы (рис. 4.21— 4.24) относятся к полууравновешенным мостовым схемам, име­ющим один общий недостаток, заключающийся в том, что уравновешивание их осуществляется только по одной реактивной составляющей полного сопротивления емкостного датчика. Выходное напряжение такого моста не равно нулю даже в момент равновесия. Остаточное напряжение обусловлено неуравновешенной активной составляющей полного сопротивление емкостного датчика.

Ввиду того, что потери в емкостном датчике зависят от качества, сорта и температуры топлива, остаточное напряжение на выходе моста может меняться в широких пределах. Возможная температурная и временная нестабильность фазовой характеристики усилителя, а также изменение частичной емкости С₂₃ датчика будут менять фазовый сдвиг остаточного напряжения и приводить к погрешности измерения емкости датчика.

Модуляционные полууравновешениые и уравновешенные мосты лишены указанного недостатка [20]. Принцип действия модуляционного уравновешенного моста (рис. 4.25) заключается в следующем. Выходное напряжение измерительного моста модулируется по амплитуде изменением напряжения на конденсаторе С_М и резисторе R_М с помощью модуляторов М_с и M_R. Модуляцию выходного напряжения можно производить и переключением числа витков в обмотке т. Частота модуляции зависит от частоты напряжения питания модуляторов. Напряжение, приложенное к модулятору М_с, сдвинуто по фазе фазовращателем ФВ₁ относительно напряжения питания модулятора M_R на угол π/2.

Модулированное по амплитуде выходное напряжение мое та с частотой Ω усиливается усилителем высокой частоты (УВЧ) и детектируется амплитудным детектором АД. Детектированное напряжение низкой частоты со усиливается усилителем низкой частоты (УНЧ) и поступает на фазовые детекторы — двухфазные индукционные двигатели (ДИД).Опорные напряжения фазовых детекторов — напряжения возбуждения двигателей — также сдвинуты по фазе фазовращателем ФВ₂ одно относительно другого на угол π /2.

В зависимости от фазы выходного напряжения усилителя УНЧ вступает в работу один или другой (или оба одновременно) двигатели ДИД и с помощью соответствующих регулирующих органов (П₁ и П₂) уравновешивают мост по обеим составляющим полного сопротивления датчика.

Изменения емкости, шунтирующей выходную диагональ моста, а также входного сопротивления усилителя УВЧ, приводят к изменению фазы выходного напряжения высокой частоты Q. Это изменение фазы напряжения с частотой Ω практически не вызывает погрешности измерения составляющих полного сопротивления датчика, так как фазовые детекторы (ДИД) реагируют только на фазу модулирующих напряжений с частотой ω.

В модуляционных полууравновешенных мостах модуляция выходного напряжения моста и уравновешивание его осуществляется по одной составляющей полного сопротивления, емкостного датчика.

Рисунок 4.25. Принципиальная схема аналогового модуляционного топливомера:

УВЧ— усилитель высокой частоты; АД — амплитудный детектор; УНЧ — усилитель низкой частоты; Д — двухфазный индукционный двигатель (ДИД); M_R — модулятор активной составляющей; М_с — модулятор реактивной составляющей; Г_ω — генератор напряжений частотой ω; ФВ₁ и ФВ₂ — фазовращатели.

Применение в авиационном топливомере модуляционного трансформаторного уравновешенного моста позволяет создать топливомер «абсолютно» устойчивый против паразитных утечек в датчиках и кабелях.