close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Магнитострикционные преобразователи уровня и плотности жидких сред на ультразвуковых волнах кручения для систем управления

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ДЕМИН Евгений Станиславович
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УРОВНЯ
И ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД НА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
ВОЛНАХ КРУЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства
вычислительной техники и систем управления
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ПЕНЗА 2018
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Пензенский государственный технологический университет» на кафедре «Физика».
Научный руководитель –
кандидат технических наук, доцент
Карпухин Эдуард Владимирович
Официальные оппоненты:
Батищев Виталий Иванович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Самарский государственный
технический университет», профессор
кафедры «Информационные технологии»,
г. Самара;
Бардин Виталий Анатольевич,
кандидат технических наук, ведущий
инженер-конструктор ФГУП ФНПЦ
«ПО "Старт" им. М. В. Проценко»,
г. Заречный Пензенской области
Ведущая организация –
ОАО «Научно-исследовательский
институт физических измерений»
(НИИФИ), г. Пенза
Защита состоится «___» __________ 2018 г. в ___ часов на заседании
диссертационного совета Д 212.186.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования «Пензенский государственный университет» и на сайте
http://dissov.pnzgu.ru/ecspertiza/tehnicheskie_nauki/demin.
Автореферат разослан «___» ____________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Гурин Евгений Иванович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современное развитие техники характеризуется
применением систем управления различными объектами, в которых преобразователи физических величин определяют их технические, эксплуатационные
и метрологические характеристики. В связи с этим к преобразователям
предъявляются высокие требования, учитывающие область применения и условия эксплуатации.
В химической, фармацевтической, пищевой промышленности, теплоэнергетике при изготовлении продукта или его компонент в виде жидкой
рабочей среды необходимо непрерывно измерять объем и плотность.
Для управления такими процессами применяются различные методы (визуальный, электроконтактный, емкостный, электромагнитный, поплавковый,
ультразвуковой, радиоизотопный и др.) и соответствующие технические
средства измерений, имеющие известные ограничения, что заставляет вести
поиск новых и прогрессивных технических решений.
Улучшить характеристики данных систем управления можно путем
применения магнитострикционного метода измерений, позволяющего с помощью единого измерительного средства проводить измерения текущих значений уровня и плотности жидкой среды продукта в широком диапазоне
значений при относительно высокой точности (погрешность 0,1–0,5 %)
и быстродействии.
К перспективным средствам измерений относятся магнитострикционные преобразователи уровня и плотности (МПУиП) жидких сред на ультразвуковых волнах (УЗВ) кручения, имеющие ряд преимуществ по сравнению
с другими известными средствами измерений, созданию которых посвящено
данное диссертационное исследование.
Несмотря на определенные успехи в создании магнитострикционных
преобразователей физических величин на ультразвуковых волнах, полученные коммерческими фирмами США, Германии, Франции, Японии и России:
MTS Sys-tems Соrpоrаtion Sensors Division (США), MTS Sensor Technologie
GmbH & Co KG (Германия), MTS Sensors Technology Corporation Ushikubo
Bldg (Япония), Balluff Inc. (США, Германия), ЗАО «НТФ НОВИНТЕХ»
(г. Королев, Московская область), НПП «СЕНСОР» (г. Заречный, Пензенская
область), ОАО «Теплоприбор» (г. Рязань), а также имеющиеся на сегодня теоретические разработки отечественных ученых: Э. А. Артемьева, А. С. Волкова,
Г. В. Глебовича, Р. Ю. Мукаева, А. И. Надеева, Б. С. Петровского, О. Н. Петрищева, В. С. Шикалова, А. П. Шпиня, В. Х. Ясовеева и др., необходимость
в их совершенствовании очевидна и актуальна.
Известные сегодня магнитострикционные преобразователи уровня лишены возможности регулировать амплитуду акустического сигнала и поддерживать заданное значение сигнал/шум на всем диапазоне преобразования,
устранять влияния наклонов резервуаров с рабочей средой, что непосредственно отражается на их метрологических и эксплуатационных характеристиках.
3
Целью диссертационной работы является исследование и разработка
магнитострикционных преобразователей уровня и плотности жидких сред
на ультразвуковых волнах кручения с улучшенными характеристиками для
систем управления.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
1. Определить факторы, ограничивающие применение МПУиП на ультразвуковых волнах в качестве элемента системы управления технологического объекта, и найти решения по их компенсации.
2. Предложить методику проектирования и технические решения, обеспечивающие повышение метрологических и эксплуатационных характеристик МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем управления.
3. Провести теоретический анализ функционирования МПУиП на ультразвуковых волнах кручения с использованием математических моделей, адекватно отображающих физические процессы преобразования сигналов.
4. Разработать специализированный комплекс программ для имитационного моделирования и расчета параметров.
5. Создать макетный образец МПУиП на ультразвуковых волнах кручения и выполнить экспериментальную проверку научных выводов и положений диссертационного исследования.
Объект исследования – магнитострикционные преобразователи уровня и плотности жидких сред на ультразвуковых волнах кручения для систем
управления.
Предмет исследования – физические процессы преобразования информативных сигналов в электроакустических трактах магнитострикционных
преобразователей уровня и плотности жидких сред на ультразвуковых волнах
кручения, обеспечивающие достижение высоких метрологических и эксплуатационных характеристик.
Методы исследования основаны на фундаментальных положениях математического анализа и статистики, теории твердого тела и магнитного поля,
теории алгоритмов. Расчеты параметров магнитострикционных преобразователей уровня и плотности жидких сред на ультразвуковых волнах кручения
выполнены с использованием прикладных пакетов математических систем
Maple v.15, MATLAB v.7.8, ELCUT v.5.10 и системы электронного моделирования Multisim v.11.0.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Поставлена и решена задача создания оригинальных МПУиП на ультразвуковых волнах кручения как элементов системы управления, отличающихся от известных аналогов улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
2. Предложены новые конструктивные схемы МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем управления (патент РФ № 155410), реализующие логометрический принцип измерений и авторегулирование амплитуды акустических сигналов.
4
3. Для учета влияний основных факторов разработаны математические
модели МПУиП на ультразвуковых волнах кручения, отличающиеся от известных высокой адекватностью физическим процессам преобразования информативных сигналов в электроакустических трактах.
4. Предложены вычислительные алгоритмы по компенсации температурной погрешности электроакустического тракта МПУиП на ультразвуковых волнах кручения и погрешностей от наклонов зеркала рабочей среды
объекта управления от горизонтали.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Разработана методика проектирования и расчета параметров предложенных конструктивных схем МПУиП на ультразвуковых волнах кручения,
позволяющая учитывать особенности процессов преобразования информативных сигналов.
2. Для проведения имитационного моделирования и расчета параметров
МПУиП на ультразвуковых волнах кручения создан специализированный
комплекс программ с использованием оригинальных вычислительных алгоритмов, отличающийся возможностью функционировать в облачной инфраструктуре.
3. По результатам теоретических исследований создана конструкция
макетного образца МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем
управления.
4. Полученные результаты вычислительного и физического экспериментов МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем управления
дают возможность ограничить номенклатуру используемых материалов
и произвести расчет предельных значений параметров.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в НПП «АГРОПРИБОР» (г. Пенза) при выполнении инициативной
НИР № 11-2015 «Исследование многофункционального магнитострикционного
уровнемера для гидротехнических систем методом математического моделирования», что позволило автоматизировать измерения уровня и плотности жидких
рабочих сред.
Методика расчета параметров магнитострикционных преобразователей
уровня и плотности жидких сред по их математическим моделям, вычислительные алгоритмы комплекса программ использованы в учебном процессе
кафедры «Физика» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный технологический университет» при реализации профессиональной образовательной программы подготовки бакалавров по специальности 09.03.01 «Информатика
и вычислительная техника».
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются использованием методов математического моделирования и физического
эксперимента, теоретической электротехники и акустики, согласованностью
расчетных и экспериментальных результатов, обоснованием выводов по результатам проведенных исследований и их обсуждением на научных конференциях разного ранга, а также опытом их практического применения.
5
На защиту выносится:
1. Методика проектирования и технические решения, обеспечивающие
повышение метрологических и эксплуатационных характеристик МПУиП
на ультразвуковых волнах кручения для систем управления за счет ослабления влияний температуры, вибрации и акустических помех, кренов объекта
управления.
2. Результаты теоретических исследований предложенных новых конструктивных схем МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем
управления.
3. Специализированный комплекс программ имитационного моделирования и расчета параметров с использованием оригинальных вычислительных
алгоритмов, отличающийся возможностью функционировать в облачной инфраструктуре.
4. Созданная конструкция макетного образца МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем управления и полученные результаты экспериментальных исследований.
Соответствие паспорту научной специальности. Область исследования соответствует паспорту специальности 05.13.05 «Элементы и устройства
вычислительной техники и систем управления» и содержит научные и технические исследования в области первичных и вторичных преобразователей
информации: п. 1 «Разработка научных основ создания и исследования общих
свойств и принципов функционирования элементов, схем и устройств вычислительной техники и систем управления», п. 2 «Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных
условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных
характеристик».
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные результаты исследований докладывались на международных научно-технических конференциях «SOHOMA-15» (London, Cambridge, 2015) и «ICIEA”15»
(New Zealand, 2015), на XIII, XV, XX и XXII международных научно-практических конференциях «Современные тенденции развития науки и технологий» (Белгород, АПНИ, 2016–2017).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ,
в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, зарегистрировано
2 программы для ЭВМ, получен 1 патент РФ на объект исследования.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно получены основные
научные результаты и сформулированы положения диссертационной работы.
В научных работах, опубликованных в соавторстве, научному руководителю
принадлежат формулировки концепций решаемых задач и постановка цели
исследования. В работах [1, 2, 10, 14] автором проанализированы новые
схемные решения построения МПУиП на ультразвуковых волнах кручения
для систем управления с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, алгоритмы вычислений текущих значений уровня
6
и плотности, повышающие точность измерений. В работах [2–6, 9, 11] описана методика проведения расчетов параметров данных преобразователей при
их проектировании, представлены результаты вычислительного эксперимента.
В работах [7, 8], опубликованных в соавторстве, описана методология применения облачных вычислений, которая была использована при разработке специализированного комплекса программ МПУиП [12, 13, 15, 16].
Получены теоретические и экспериментальные данные, позволяющие
создавать МПУиП с авторегулированием амплитуды ультразвуковых волн
кручения с улучшенными эксплуатационными характеристиками, предназначенные для работы в составе систем автоматического управления технологическими процессами.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит
из введения, 4 разделов, выводов по работе, библиографического списка
из 137 наименований и 2 приложений. Основной текст изложен на 135 страницах и содержит 70 рисунков, 6 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена актуальность рассматриваемой проблемы, указана цель, определены задачи, сформулированы научная новизна и практическая значимость диссертационного исследования, а также перечислены основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе проведен анализ известных методов и средств измерений уровня, плотности жидких сред в закрытых резервуарах, применяемых
в современных системах управления, определены предъявляемые к ним требования и поставлены задачи диссертационного исследования.
В системах управления технологическими процессами преобразователи
уровня, плотности применяются в качестве элемента обратной связи (рисунок 1)
и работают в режиме реального времени осуществляемых техпроцессов, должны иметь высокие метрологические и эксплуатационные характеристики.
Рисунок 1 – Система управления уровнем рабочей жидкости
в закрытом резервуаре
7
Например, их допустимая погрешность измерений уровня не должна
превышать 0,5 %, разрешающая способность – быть не менее 1,0–2,0 мм
на диапазоне преобразования до 2,0–4,0 м, а измерения уровня и плотности
жидкой рабочей среды – проводиться за цикл преобразования и пр. Такие характеристики и свойства в совокупности не позволяет обеспечить ни один
из известных методов измерений.
В разделе показаны преимущества магнитострикционного метода измерений уровня и плотности жидких неагрессивных сред в закрытых резервуарах для систем управления технологическими процессами, позволяя обеспечить требуемые показатели.
Проведен анализ уровня известных технических решений по источникам научно-технической и патентной информации, что позволило выявить их
технические возможности и ограничения в применении, а также предложить
новые технические решения МПУиП на ультразвуковых волнах кручения
для систем управления (рисунок 2). Для их исследования и реализации
в работе сделан акцент на сочетание методов теоретического и имитационного моделирования, физического эксперимента, что потребовало создания для
них специализированного комплекса программ.
а)
б)
Рисунок 2 – Принципы построения бездемпферных МПУиП на УЗВ кручения
с I-образными (а) и П-образными (б) звукопроводами: Lo – неопределяемый уровень
8
Второй раздел посвящен разработке методики проектирования и расчета предложенных конструктивных схем, позволяющей обеспечить повышение метрологических и эксплуатационных характеристик МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем управления.
Изучены физические процессы преобразования сигналов в трактах известных магнитострикционных преобразователей на ультразвуковых волнах
и проанализированы известные математические модели. Это позволило разработать методику проектирования и расчета параметров предложенных схем
МПУиП на УЗВ кручения, состоящую из следующих основных пунктов:
1. Ознакомление с условиями и особенностями работы МПУиП на УЗВ
кручения в составе системы управления технологического объекта.
2. Выбор структуры акустических трактов предложенных схем МПУиП
на УЗВ кручения, материалов конструктивных элементов, алгоритма функционирования, уточнение требований технологического объекта управления.
3. Расчет параметров предложенных схем МПУиП на УЗВ кручения
и характеристик с использованием соответствующих методик и средств.
4. Выбор оптимального технического решения МПУиП на УЗВ кручения для реализации по анализу полученных результатов.
Для анализа их функционирования с использованием систем компьютерной математики (СКМ) получены выражения для адекватного описания
процессов преобразования информативных сигналов в электроакустических
трактах, учитывающие основные факторы влияния.
Принцип работы МПУиП на УЗВ кручения основан на использовании
закона Архимеда и эффектов продольной магнитострикции – Видемана
и Виллари, когда в средах I- или П-образного звукопровода из металлического
магнитострикционного материала в местах расположения опорного магнита,
магнитов поплавков уровня и плотности, плавающих на поверхности и погруженных (притопленных) в рабочую жидкую среду, возбуждают ультразвуковые волны кручения с априори известной скоростью кр , а времена их
прохода по звукопроводу до элементов считывания (электроакустических
преобразователей – ЭАП) регистрируются, вычисляются и кодируются.
Местоположения поплавков уровня и плотности вдоль оси звукопровода первичного преобразователя МПУиП на УЗВ кручения, установленного
в резервуаре с рабочей жидкой средой, позволяют определить текущие значения уровня h у и плотности hп жидкости, используя времяимпульсное преобразование Tу и Tп с последующим цифровым кодированием в электронном
узле блока кодирования и вычислений (БКВ) вторичного преобразователя:
N y  Ent (T y  f о ) и N п  Ent (Tп  f о ) ,
(1)
где Ent (.) – целая часть выражения; f о – частота дискретизации.
Повышение точности измерений за счет уменьшения влияния температурной составляющей погрешности измерений первичного преобразователя,
вычисления текущих значений уровня и плотности рабочей жидкой среды
объекта управления предложено вести по следующему алгоритму с использованием выражений
9
Ty  (2 L  L1) / *кр  Tоп (1  h y / L) и Tп  Tоп (1  ( h y  hп ) / L) ,
(2)
где L – опорный участок звукопровода; Tоп – время, за которое УЗВ проходит расстояние L в его среде; L1  L  hy , 2 L  ( L1  L 2)  ( L3  L 4) – удвоенное опорное расстояние; *кр  L / Tоп – текущее значение скорости УЗВ кручения при температуре t  , вычисленное БКВ вторичного преобразователя.
Проведены исследования и расчет напряженностей магнитных полей
сигналообразующих элементов (магнитов – магнитострикционных преобразователей Видемана (МПВ), обмоток подмагничивания) магнитных систем
МПУиП на УЗВ кручения, при которых в средах I- и П-образных звукопроводов в моменты подачи токовых сигналов записи возможно устойчивое
возбуждение акустических сигналов требуемой формы и амплитуды, используя обобщенное выражение
2
(3)
H 2 (t1 )   H зп (t1 )  H оп (t1 )  H 02 ,
где H зп (t1 ) – напряженность поля, создаваемого проводящим звукопроводом;
H оп (t1 ) – напряженность поля обмотки подмагничивания; H 0 – напряженность поля сигнального МПВ.
Проведено исследование влияния параметров распределенных обмоток
подмагничивания МПУиП на УЗВ кручения на форму токовых сигналов
записи при последовательном и параллельном включении с проводящими
звукопроводами из разных материалов.
Выполнены теоретические исследования взаимовлияния МПВ магнитных систем МПУиП на УЗВ кручения (рисунок 3) и расчеты минимально возможных рабочих расстояний между ними при выбранных магнитных энергиях и габаритных размерах (рисунок 4).
Рисунок 3 – Схема исследования магнитной системы МПУиП
на УЗВ кручения с I-образным звукопроводом:
P – растягивающее усилие; Lмз.1 , Lмз.2 – длины «мертвых зон»; Lу.п – минимально
допустимое осевое расстояние между магнитами поплавков уровня и плотности;
hэап , hм.у , hм.п , hм.о – толщина магнитов магнитной системы
10
Минимальное расстояние Lу.п  (910) мм между магнитами 2 и 3
Рисунок 4 – Картины напряженностей Н полей магнитных систем МПУиП
при разных положениях магнитов 2, 3 поплавков уровня и плотности относительно
обмотки 1 подмагничивания и опорного магнита 4
Проведены исследования и расчет информативных акустических сигналов, возбужденных в средах звукопроводов МПУиП на УЗВ кручения у x.1  t1 
посредством импульсных магнитных полей (3) в моменты записи t1 (эф. Видемана) и достигших зон считывания (эф. Виллари) в соответствующие
моменты времени t2  t6 , где учтены краевой и поверхностный эффекты,
влияние температуры и продольных напряжений, позволяя проводить расчет
их амплитудных значений в соответствии с обобщенным выражением




 x.1  ti    x.1 крt1  L j exp 1L j ,
(4)
где погонное затухание падающих ультразвуковых волн кручения определяется полным затуханием 1 и пройденным волной расстоянием L j через среду I- или П-образного звукопровода.
Выполнены исследования и расчеты электрических информационных
времяимпульсных электродвижущих сил (ЭДС) сигналов, формируемые на
выводах первичных преобразователей объекта исследования в результате
считывания акустических сигналов (4)
ex.1  t2  t6   W1d 1 / dt  W1Bоб  t2  t6  l1  пр ,
(5)
и усиленных в K y раз усилителем (УС) вторичного преобразователя
U x.1  t2  t6   K y ex.1  t2  t6  ,
(6)
где W1 , l1 – эффективные значения числа витков рядовых обмоток индуктивных ЭАП и их ширины; пр  1,6кр – фазовая скорость продольных ультра-
звуковых волн в средах звукопроводов; Bоб  t2  t6   01H1  t2  t6  – маг1  1     1  kн J s2 /  311 
–
магнитная проницаемость материала звукопроводов; kн , [(м/В  с)2 Н]
–
нитная индукция в зоне считывания;
11
нормирующий коэффициент; 0 – магнитная постоянная; 1 – механические
напряжения в зонах считывания и H1  t2  t6    H п  t1   H 0  – напряженно-
сти их магнитных полей; H 0 – напряженность поля подмагничивания с последующим преобразованием во временные (2) и кодированные (1) сигналы
текущих значений уровня и плотности рабочей жидкой среды в резервуаре
объекта управления.
Полученные уравнения (1)–(6) дают возможность учесть основные факторы влияния (температурные, электромагнитные, механические), физические,
магнитные и магнитострикционные параметры применяемых материалов,
конструктивные размеры сигналообразующих элементов, позволяя проводить
расчет характеристик объекта исследования с погрешностью до 10–15 %
по отдельным видам вычислений. Это существенно отличает их от известных
для данного вида преобразователей.
В разделе проведено теоретическое исследование резонансных свойств
электроакустических трактов МПУиП на УЗВ кручения.
Третий раздел посвящен вопросам проведения вычислительного эксперимента с использованием специализированного комплекса программ
МПУиП с целью улучшения их технико-экономических характеристик.
Необходимость в разработке специализированного комплекса программ
МПУиП исходит из требований, предъявляемых к прикладному программному
обеспечению для проведения имитационного моделирования (вычислительного
эксперимента) и задач проектирования. К ним относится наличие банка данных
для хранения геометрических размеров и физических параметров материалов
конструкции МПУиП, полученных промежуточных и конечных результатов
вычислений искомых параметров; наличие возможностей графического и табличного вывода результатов вычислений; обеспечение обмена данными со сторонним программным обеспечением с целью дальнейшей обработки полученных результатов; расширение функциональных возможностей и др.
Известные сегодня СКМ (ELCUT, Littlemag, MATLAB, MathCAD
и др.) не в полной мере удовлетворяют вышеперечисленным требованиям.
С учетом изложенных требований при разработке комплекса программ МПУиП была выбрана следующая его структура, показанная на рисунке 5.
Распределенная структура комплекса программ МПУиП представляет собой сервис-ориентированную архитектуру, состоящую из 5 взаимодействующих
подсистем, где каждая из них представлена отдельным веб-сервисом. Это делает
данную систему функционально гибкой в плане наращивания сервисных функций и управляемости, позволяя ей работать в облачной инфраструктуре.
В комплексе программ МПУиП использованы разработанные математические модели (1)–(6) МПУиП на УЗВ кручения, вычислительные алгоритмы и специализированное программное обеспечение.
На рисунке 6 представлены отдельные скриншоты комплекса программ
МПУиП. Для выполнения вычислительного эксперимента МПУиП на УЗВ
кручения пользователю необходимо придерживаться соответствующей методики при работе со специализированным комплексом программ.
12
Рисунок 5 – UML-диаграмма компонентов комплекса программ МПУиП
Рисунок 6 – Главная веб-страница, веб-страницы «Тип МПП»
и «Результаты» комплекса программ МПУиП
13
В четвертом разделе представлены результаты вычислительного и физического экспериментов в нормальных условиях, оценены пондеромоторные
силы смежных элементов магнитных систем МПУиП на УЗВ кручения и рассмотрены методы повышения точности вычислений уровня жидких сред в закрытых резервуарах.
Для проверки правильности суждения о распределении магнитной энергии магнитных полей идеализированных МПВ (кольцевых магнитов) заданного типоразмера в области возбуждения ультразвуковых волн кручения
МПУиП (см. рисунки 2, 3) проведены детальные исследования с использованием профессиональной СКМ ELCUT.
Получены соответствующие картины полей, числовые значения пондеромоторных сил Fм в аксиальном и радиальном направлениях в зависимости
от взаимного удаления МПВ друг от друга, что позволило получить соответствующие выражения для расчета магнитной индукции по осям x и y :
а) для индукции аксиальной (по оси x , см. рисунок 3):
2
Br
h / 2  x hм / 2  x  Rм  rм
(7)

Bo.x  k1
dx ,
 Rм  rм    м

2
A
A
4
1
2


0
R  r 
м
м
б) для индукции радиальной (по оси y , см. рисунок 3):
Bo.y
где A1 
2
Br
1
1
 k2
 Rм  rм      dy ,
A4 
4
0  A3
 Rм  rм 2   hм / 2  x 2 ;
A2 
(8)
 Rм  rм 2   hм / 2  x 2 ;
k1, k2 ,  м 1  –


нормирующие коэффициенты; Br – остаточная намагниченность; Rм , rм –
внешний и внутренний радиусы магнитов, и пондеромоторные силы Fм МПВ
в аксиальном и радиальном направлениях:
A3 
 Rм  rм 2   hм / 2  y 2 ;
A4 
 Rм  rм 2   hм / 2  y 2 ;
Fм.x  ( Bo.x / o)  Gм.x , и Fм.y  ( Bo.y / o)  Gм.y ,
(9)
рассматривая их полюса как источники магнитных зарядов Gм.x  Bo.x
и Gм.y  Bo.y при известных значениях магнитной постоянной o и магнитной
проницаемости материала МПВ.
Полученные результаты расчетов пондеромоторных сил смежных МПВ
магнитных систем МПУиП на УЗВ кручения позволяют определить примерные габаритные размеры A  B конструкции электроакустических трактов
и уточнить условия плавучести их поплавков уровня и плотности рабочей
жидкой среды объекта управления:
 Fвыт   тVп g  Pп.ур,
(10)

 Fвыт   тVп g  Pп.пл,
14
причем Pп  ( Pп.ур , Pп.пл )  ( P1  P2 )  ( P3  P4  P5 ) , где Fвыт – выталкивающая
сила;  т – плотность жидкой среды; Vп – объем поплавка; P1 , P2 – веса тел
поплавков и их магнитов; P3 – вес экранов магнитов, если применено магнитное экранирование; P4  f ( Fм ) – изменение веса поплавков из-за влияния
пондеромоторных сил Fм в магнитных системах; P5  f ( Pатм ) – изменение
плавучести поплавков при изменении атмосферного давления Pатм в полости
закрытого резервуара объекта управления.
По результатам проведенных теоретических исследований создан макетный образец преобразователя с I-образным звукопроводом (рисунок 7)
и проведено его экспериментальное исследование в нормальных условиях.
Рисунок 7 – Конструкция макетного образца МПУиП на УЗВ кручения
Повышение точности вычислений текущих значений уровня (объема)
рабочей жидкой среды в закрытых резервуарах при использовании МПУиП
на УЗВ кручения с I- и П-образными звукопроводами за счет уменьшения составляющей погрешности влияния возможных наклонов зеркала поверхности
жидкости относительно горизонтали достигается применением соответствующего алгоритма расчета параметра и размещением первичного преобразователя на объекте управления (рисунок 8).
б)
а)
в)
г)
Рисунок 8 – Варианты установки МПУиП на объекте управления
15
Так, при произвольном размещении МПУиП на объекте управления
применяются следующие вычислительные операции по расчету текущих значений уровня жидкой среды для:
а) однокоординатных МПУиП (см. рисунок 8,а–в):
h y.1 2  ( K X / 2)( h y.1  h y.2 ) ,
(11)
б) двухкоординатного МПУиП (см. рисунок 8,г):
h y.13  0, 25  K X ( h y.1  2h y.2 )  KY h y.3  ,
(12)
где K X  [1  X 0 /( A / 2)] – коэффициент несоосности по пространственной координате Х (поперечный наклон); KY  1  Y0 /( B / 2) – коэффициент несоосности по пространственной координате Y (продольный наклон);
h y.1  h y.3 – текущее положение поплавков уровня по осям 0-0 П-образных
звукопроводов, расположенных на расстояниях A и B ; X 0 , Y0 – расстояния
до точки отсчета уровня жидкости по зеркалу ее поверхности.
Причем при размещении первичного преобразователя по оси симметрии резервуара объекта управления коэффициенты несоосности принимают
значения K X  KY  1 (см. рисунок 8,а,б).
Проведена экспериментальная оценка показателей технических, метрологических и эксплуатационных характеристик макетного образца МПУиП.
Установлено, что по ряду показателей – виброустойчивость, дискретность
показаний, функциональные возможности – созданный образец МПУиП превосходит известные аналогичные преобразователи. Например, его разрешающая способность составила 0,5 мм/м на диапазоне преобразования 450 мм при
амплитуде аналогового информационного сигнала не менее 6,0 В, обеспечивая точность измерений уровня жидкой среды до 0,1 % и основные требования к метрологическим и эксплуатационным характеристикам со стороны
систем управления технологическими процессами.
В отличие от известных аналогов, созданный образец МПУиП имеет
режим авторегулирования амплитуды акустических сигналов, поддерживая
заданное отношение сигнал/помеха на уровне 4–6 единиц вдоль всего диапазона преобразования в условиях воздействия факторов влияния. Позволяет
одновременно проводить измерения текущих значений уровня и плотности
жидких сред объекта управления.
По результатам исследований определены предельные характеристики
и функциональные возможности МПУиП на УЗВ кручения для установленной
номенклатуры используемых материалов. Установлена степень влияния различных факторов на форму выходных информативных сигналов, что позволяет
проводить работу по дальнейшему совершенствованию ультразвуковых магнитострикционных преобразователей уровня и плотности жидких сред.
В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы и краткое описание запатентованных схемных решений МПУиП
на ультразвуковых волнах кручения для их реализации.
16
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются
в следующем:
1. На основе анализа функционирования МПУиП на ультразвуковых
волнах кручения предложена методика проектирования и технические решения, обеспечивающие повышение метрологических и эксплуатационных характеристик, позволяя использовать их в системах управления технологическими процессами.
2. Предложены оригинальные конструктивные схемы МПУиП на ультразвуковых волнах кручения и вычислительные алгоритмы, позволяющие
компенсировать составляющие погрешности от температуры и кренов объекта управления, обеспечивая повышение точности измерений уровня и плотности жидкой рабочей среды объекта управления.
3. Для повышения устойчивости МПУиП на ультразвуковых волнах
кручения к акустическим помехам предложено использовать авторегулирование амплитуды информативного акустического сигнала, поддерживая заданное отношение сигнал/помеха вдоль всего диапазона преобразования.
4. Для теоретических исследований предложенных схем МПУиП
на ультразвуковых волнах кручения и создания оптимальных конструкций
создан специализированный комплекс программ имитационного моделирования и расчета параметров, отличающийся от известных возможностью работать в облачной инфраструктуре с пользователями.
5. Выполнены исследования резонансных свойств МПУиП на ультразвуковых волнах кручения, результаты которых позволяют определить необходимую массу и жесткость акустических трактов, при которых возможно
уменьшение влияний источников вибраций.
6. Для оптимизации конструкций МПУиП на ультразвуковых волнах
кручения проведены исследования и расчет параметров их магнитных систем,
оценено влияние пондеромоторных сил в смежных магнитных элементах.
Полученные результаты дают возможность уточнить плавучесть поплавков
уровня и плотности жидких сред объекта управления при выбранных параметрах элементов магнитных систем и их формы.
7. По результатам выполненных исследований создана конструкция макетного образца МПУиП на ультразвуковых волнах и проведено его испытание в лабораторных условиях. Исследования выявили, что по отдельным показателям метрологических и эксплуатационных характеристик созданный
образец превосходит известные аналоги. Например, образец имеет точность
измерений 0,1 % на диапазоне преобразования 450 мм при разрешающей способности 0,5 мм/м и времени преобразования до 350 мкс; амплитуда информационных аналоговых сигналов преобразователя достигает 6,0 В; обеспечивается режим авторегулирования амплитуды информативных акустических
сигналов с заданным значением сигнал/шум 4 вдоль всего диапазона преобразования в условиях воздействия факторов влияния; протяженность «мертвых зон» акустического тракта преобразователя не превышает 20–30 мм.
17
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК
1. Демин, Е. С. Методы вычислений уровня и плотности топлива наземных транспортных средств при асимметричных измерениях / Е. С. Демин // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2016. – № 2 (109). – С. 107–115.
2. Демин, Е. С. Методики моделирования магнитострикционных преобразователей
уровня и плотности топлива наземных транспортных средств / Е. С. Демин // Вестник технологического университета. – 2016. – Т. 19, № 20. – С. 126–130.
3. Демин, Е. С. Моделирование магнитных систем магнитострикционных преобразователей уровня и плотности топлива в среде ELCUT / Е. С. Демин // Вестник Дагестанского государственного технического университета. – 2016. – № 1 (40). – С. 62–70.
4. Демин, Е. С. Исследование резонансных свойств магнитострикционных преобразователей уровня методом математического моделирования / Е. С. Демин // XXI век: итоги
прошлого и проблемы настоящего плюс. – 2016. – № 3. – С. 143–147.
5. Демин, Е. С. Математическое моделирование магнитных систем магнитострикционных преобразователей уровня и плотности топлива наземных транспортных средств /
Е. С. Демин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. – 2016. – № 6 (34). –
С. 122–128.
6. Демин, Е. С. Магнитострикционные преобразователи уровня и плотности топлива для систем мониторинга наземных транспортных средств / Е. С. Демин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2017. – № 4 (44). –
С. 23–35.
Публикации в других изданиях
7. Demin, E. Automation Services Orchestration with Function Blocks: Web-service implementation and Performance Evalution / E. Demin, S. Patil, V. Vyatkin // 5th Workshop on
Service orientation in Holonic and Multi-Agent Manufacturing (SOHOMA”15). – London :
Cambridge, UK, 2015.
8. Demin, E. IEC 61499 Distribbuted Control Enhance with Cloudbased Web-Services /
E. Demin, S. Patil, V. Dubinin, V. Vyatkin // IEEE Conference on Jndustri-al Electronics and
Applications (ICIEA”15). – New Zealand, 2015.
9. Демин, Е. С. Анализ информационных сигналов акустических трактов МПУиП
на основе вычислительного эксперимента / Е. С. Демин // Современные тенденции развития науки и технологий : материалы XIII Междунар. НПК, 30 апреля 2016. – Т. 4-4. – Белгород : АПНИ, 2016. – С. 22–27.
10. Демин, Е. С. Методы измерений уровня и плотности топлива в телеметрических
системах мониторинга наземных автотранспортных средств / Е. С. Демин // Современные
тенденции развития науки и технологий : материалы XV Междунар. НПК, 30 июня 2016. –
Т. 6-1. – Белгород : АПНИ, 2016. – С. 17–20.
11. Демин, Е. С. Применение модифицированного численного метода для расчета
магнитных полей сигналообразующих элементов магнитострикционных приборов уровня
и плотности топлива транспортных средств / Е. С. Демин, Э. В. Карпухин // Современные
тенденции развития науки и технологий : материалы XXII Междунар. НПК, 31 января
2017. – Т. 1-1. – Белгород : АПНИ, 2017. – С. 64–70.
12. Демин, Е. С. Вычислительный комплекс для моделирования магнитострикционных приборов уровня и плотности / Е. С. Демин // Современные тенденции развития науки
и технологий : материалы XX Междунар. НПК, 30 ноября 2016. – Т. 11-2. – Белгород : АПНИ,
2016. – С. 25–31.
13. Демин, Е. С. Вычислительный эксперимент магнитострикционных приборов
уровня и плотности с использованием специализированного комплекса программ /
Е. С. Демин // Современные тенденции развития науки и технологий : материалы XX Междунар. НПК, 30 ноября 2016. – Т. 11-2. – Белгород : АПНИ, 2016. – С. 31–34.
18
Полученные патенты на полезную модель
14. Пат. 155410 Российская Федерация, МПК G01F23/28, G01F23/30. Адаптивный
магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства (его варианты) / Е. С. Демин ; патентообладатель Е. С. Демин ; заявл. 22.06.2015 ;
опубл. 10.10.2015, Бюл. № 28.
Зарегистрированные программы для ЭВМ
15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2014660406. Программа моделирования параметров МПУ / Мокроусов Д. А., Демин Е. С.,
Карпухин Э. В. ; правообладатели Мокроусов Д. А., Демин Е. С., Карпухин Э. В. –
№ 2014616211 ; заявл. 19.06.2014 ; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 07.10.2014.
16. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2017614780. Программа для моделирования МПУиП / Демин Е. С., Карпухин Э. В. ;
правообладатель Пензенский государственный технологический университет. –
№ 2017610592 ; заявл. 25.01.2017 ; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 27.04.2017.
Научное издание
ДЕМИН Евгений Станиславович
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УРОВНЯ
И ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД НА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
ВОЛНАХ КРУЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства
вычислительной техники и систем управления
Редактор А. П. Федосова
Технический редактор Н. В. Иванова
Компьютерная верстка Н. В. Ивановой
Распоряжение № 7/145-2018 от 05.07.2018.
Подписано в печать 05.07.2018. Формат 60×841/16.
Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 009590. Тираж 100.
_______________________________________________________
Издательство ПГУ.
440026, Пенза, Красная, 40.
Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru
19
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа