Математическая модель измерительного сигнала и его основные характеристики

Для анализа структурную схему канала системы контроля уровня топлива можно представить в виде, приведенном на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – Структурная схема системы контроля уровня топлива.

Д – электроемкостной датчик ДТ63-1; Г – генератор; ДМ – демодулятор; ФНЧ – фильтр нижних частот; У – усилитель; АЦП – аналогово-цифровой преобразователь.

Уравнение преобразования измерительного канала (как для разомкнутой блок-схемы) имеет вид:

(2.1)

или

, (2.2)

где Р – значение давления (измеряемый параметр);

КΣ – общий коэффициент преобразования измерительного канала;

NвыхР – выходной код АЦП, пропорциональный измеряемому давлению;

КИПД - коэффициент преобразования датчика давления;

КСПУ - коэффициент передачи согласующего преобразовательного устройства;

ККм - коэффициент передачи коммутатора Км;

КФПЧ - коэффициент передачи ФНЧ;

КАЦП - коэффициент передачи АЦП.

По уравнению преобразования, проведем структурный расчет канала измерения уровня топлива.

Цель расчета – определение значений коэффициентов передачи и уровней входных и выходных сигналов каждого блока, входящего в состав измерительного канала.

Исходными данными для расчета являются следующие параметры:

– диапазон изменения измеряемой емкости;

– тип и характеристика преобразования электроемкостного датчика уровня;

– значение номинального входного напряжения АЦП.

На основании анализа характеристик электроемкостного датчика уровня, выбираем малогабаритный электроемкостной датчик уровня с токовым выходом фирмы «Техприбор» серии ДТ63-1, характеристики которого приведены в таблице 3.1.

Для вывода зависимости между уровнем топлива в баке и емкостью датчика введем следующие обозначения (рисунок 3.3): e1, e2, e3 — диэлектрические постоянные жидкости, материала изолятора и смеси паров жидкости и воздуха соответственно; R1, R2, R3 — радиусы внутреннего электрода, изолятора и внешнего электрода; х — уровень жидкости; h —полная высота датчика. Вследствие наличия изоляционного слоя имеется возможность измерять уровень полупроводящих (вода, кислота и др.) жидкостей. В качестве изолятора можно использовать стекло, резину или другой материал в зависимости от природы жидкости. При измерении уровня непроводящих жидкостей (керосин, бензин) изоляционный слой не применяют.

Если пренебречь концевым эффектом, то можно принять, что емкость нижней части цилиндрического конденсатора будет рассчитываться по формуле 3.1:

(3.1)

Подобно этому емкость верхней части конденсатора найдем из соотношения 3.2:

(3.2)

Суммируя емкости Сх и Ch, получим полную емкость конденсатора, которая будет равна (3.3):

(3.3)

Из этого выражения следует, что емкость конденсатора является линейной функцией уровня жидкости х. Таким образом, измерение уровня жидкости можно свести к измерению емкости конденсатора С.