Разработка многоэлементного пьезорезонансного датчика уровня сыпучих материалов с использованием связанных колебаний вибраторов

Актуальность работы. Одной из достаточно актуальных и в то же врет трудно-решаемых задач при автоматизации технологических процессов, в частности в зерно-перерабатывающей промышленности является измерение уровня сыпучих материалов в емкостях больших размеров. Разработанные к настоящему времени разнообразные методы и средства измерения уровня сыпучих материалов, изменяющегося в широких пределах, малопригодны для работы в условиях запыленности, при наличии сильных механических и тепловых воздействий на чувствительный элемент датчика.

В настоящее время для использования в тяжелых условиях эксплуатации наиболее широкое распространение получили вибрационные датчики уровня камертонного типа. Но они также боятся сильных механических воздействий на чувствительный элемент датчика, имеют ограниченный диапазон рабочих температур (в основном до 250°С), и применяются только для контроля достижения предельных значений уровней. К недостаткам в их работе относится и то, что подвижные части камертона, совершая низкочастотные изгибные колебания, могут образовывать пустоты в сыпучих материалах, что приводит к отказу работоспособности устройства.

Такого недостатка лишены составные пьезорезонансные датчики уровня сыпучих материалов, разработанные в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова. Устройства данного типа характеризуются высокой чувствительностью, конструктивно просты, имеют сравнительно низкую стоимость, применимы для эксплуатации в тяжелых условиях (диапазоном рабочих температур может достигать 1000°С). Принцип их работы основан на реализации функциональной зависимости амплитуды продольных колебаний плоского металлического вибратора от величины статического давления на его поверхность, создаваемого измеряемой средой. Чувствительный элемент датчика совершает продольные колебания, что практически исключает возможность образования пустот в рабочей области вибратора. Но устройства такого типа малопригодны для измерения уровня сыпучих материалов, изменяющегося в широких пределах (десятки метров). Это связано с тем, что их выходная характеристика не линейная и с увеличением измеряемого уровня чувствительность датчика сильно убывает.

С целью расширения диапазона измеряемых значений уровней сыпучих материалов, линеаризации рабочей характеристики и обеспечения режима высокой чувствительности во всем диапазоне измеряемых значений уровня предлагается разработать многоэлементный пьезорезонансный датчик (МЭ ПРД) уровня сыпучих материалов. Отличительной особенностью измерительных устройств такого типа является то, что конструкция первичного измерительного преобразователя датчика представляет собой ансамбль акустически связанных, взаимодействующих между собой пьезорезонаторов и металлических вибраторов. Использование большого числа вибраторов, распределенных по высоте измеряемой емкости, позволяет существенно расширить диапазон измеряемых уровней, линеаризовать выходную характеристику датчика, повысить надежность его работы, так как выход из строя одного или даже нескольких чувствительных элементов не вызывает отказа в работе устройства в целом.

Цель работы. Разработка высокочувствительного датчика с линейной выходной характеристикой и расширенным диапазоном измеряемых значений уровней сыпучих материалов, применимого для тяжелых условий эксплуатации.

Задачи исследований:

1. Выполнить аналитический обзор методов и средств измерения уровня сыпучих материалов.

2. Обосновать необходимость использования режимов взаимосвязанных колебаний удаленных вибраторов для построения высокочувствительного датчика с расширенным диапазоном измерения уровня сыпучих материалов.

3. Разработать упрощенную математическую модель МЭ ПРД уровня сыпучих материалов.

4. Выполнить анализ особенностей реализации режимов связанных колебаний в многоосцилляторных ансамблях, состоящих из взаимодействующих пьезорезонаторов и удаленных вибраторов.

5. Осуществить имитационное моделирование и исследование режимов работы различных вариантов построения многоэлементных датчиков уровня сыпучих материалов, основанных на использовании связанных колебаний вибраторов и пьезорезонаторов.

7. Выработать рекомендации по расчету и конструированию первичных измерительных преобразователей МЭ ПРД уровня сыпучих материалов.

8. Разработать опытный образец многоэлементного пьезорезонансного датчика уровня сыпучих материалов и провести его испытания в производственных условиях.

Объект исследования. Процессы формирования сигналов измерительной информации в многоэлементных пьезорезонансных датчиках, состоящих из акустически связанных пьезорезонаторов и вибраторов.

Предмет исследований. Закономерности, описывающие механизм чувствительности разработанного первичного измерительного преобразователя, реализующего режимы сильной и слабой связанности в колебательной системе МЭ ПРД.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы теории линейных и нелинейных цепей, теории измерений, методы имитационного моделирования динамических процессов в сложных колебательных системах, методы математической статистики и обработки экспериментальных данных.

Научную новизну работы составляют:

1. Вибрационный метод измерения уровня с аналогово-дискретным выходом, основанный на использовании системы пространственно разнесенных, акустически связанных между собой пьезорезонаторов и вибраторов, позволяющий существенно расширить диапазон измеряемых уровней сыпучих материалов.

2. Аналитические зависимости, описывающие в упрощенном виде режимы связанных колебаний в системах с конечным числом степеней свободы, полученные с использованием статистического подхода к оценке обобщенных параметров многоэлементных измерительных преобразователей, что позволило разработать методы расчета и проектирования МЭ ПРД уровня сыпучих материалов.

3. Способ линеаризации выходной характеристика МЭ ПРД уровня сыпучих материалов, основанный на реализации режима сильной связанности между парциальными колебательными системами первичного измерительного преобразователя, что позволило разработать новое поколение вибрационных датчиков дискретного типа с аналоговым выходным сигналом.

4. МЭ ПРД уровня сыпучих материалов с аналоговым выходом, расширенным диапазоном измерения, применимый для тяжелых условий эксплуатации.

Практическая значимость диссертационной работы.

1. Предлагаемый подход к совершенствованию методов и средств измерения уровня, основанный на использовании связанных колебаний в многоэлементных пье-зорезонансных первичных измерительных преобразователях, позволяет обеспечить комплексное решение задачи создания датчиков, применимых для тяжелых условий эксплуатации, с линейной характеристикой и расширенным диапазоном измерения уровня сыпучих материалов.

2. Полученные аналитические зависимости, основанные на использовании статистического подхода к оценке обобщенных параметров колебательной системы датчика с конечным числом степеней свободы, позволяет формализовать процесс расчета и проектирования МЭ ПРД уровня сыпучих материалов.

3. Применение имитационного моделирования связанных колебаний в мно-гоосцилляторных ансамблях позволяет существенно упростить анализ режимов работы МЭ ПРД уровня сыпучих материалов.

Реализация результатов исследований. Научные результаты диссертационной работы нашли практическое применение на предприятиях зерноперерабатывающей и строительной промышленности: ЗАО «СоюзМука» — для измерения уровня зерна в силосах, ОАО «ЗПК Барнаульская мельница» — для измерения уровня муки в танках. Разработанный стенд для проведения экспериментальных исследований режимов связанных колебаний в сложных много осцилляторных ансамблях применяется в учебном процессе.

Положения, выносимы на защиту.

1. Аналитические зависимости, полученные с использованием обобщенных статистических характеристик колебательной системы МЭ ПРД, описывающие асинхронный, синхронный и бифуркационный режимы его работы.

2. Метод расширения диапазона измеряемых уровней сыпучих материалов, основанный на использовании большого числа акустически связанных вибраторов.

3. Метод линеаризации и обеспечения плавности выходной характеристики датчика уровня сыпучих материалов дискретного типа, основанный на использовании режима сильной связанности между парциальными колебательными системами многоэлементного первичного измерительного преобразователя.

4. Метод повышения чувствительности пьезорезонансного датчика уровня, основанный на использовании режима слабой связанности между парциальными колебательными системами многоэлементного первичного измерительного преобразователя.

5. Критерии и условия, позволяющие реализовать аналоговый, дискретный и аналогово-дискретный режимы работы многоэлементного датчика уровня сыпучих материалов, расширить его рабочий диапазон.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на международных научно-практических конференциях «Виртуальные и интеллектуальные системы», ВИС (Барнаул, 2007 — 2010), на конкурсе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», У.М.Н.И.К. (г. Барнаул, 2008), на международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2008), на международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (г. Пенза, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, из них: 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК- 17 статей в региональных журналах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 153 наименований. Общий объем работы составляет 157 страниц машинописного текста, содержит 9 таблиц, 102 рисунка.

Выводы.

1. На основе классификации и анализа принципов построения, режимов работы МЭ ПРД предложен подход к решению задачи по созданию датчика уровня сыпучих материалов с расширенным диапазоном измерения, применимого для эксплуатации в тяжелых производственных условиях.

2. Управляемыми в функции контролируемой физической величины параметрами колебательной системы МЭ ПРД уровня сыпучих материалов является величина активного сопротивления вибраторов, что в итоге определяет величину механической добротности колебательной системы датчика.

3. Чувствительность и диапазон измерения МЭ ПРД уровня сыпучих материалов зависит от уровня взаимодействия отдельных осцилляторов в колебательной системе датчика.

4. Выходными параметрами МЭ ПРД уровня могут являться:

— амплитуда синхронизированных колебаний;

— отношение амплитуд выходных напряжений пьезотрансформаторов;

— глубина амплитудной модуляции выходных напряжений пьезотрансформаторов.

Заключение

.

1. В результате проведенных исследований разработана теоретическая база для построения МЭ ПРД уровня сыпучих материалов с расширенным диапазоном измерения. Обоснована целесообразность использования режимов связанных колебаний в пьезорезонансных датчиковых структурах с целью повышения эффективности измерительных устройств такого типа. Показано, что реализация нелинейных процессов взаимодействия парциальных колебательных систем в многоэлементных первичных преобразователях позволяет существенно расширить функциональные возможности приборов и методов контроля на их основе, условия их эксплуатации.

2. Дано теоретическое обоснование возможных вариантов построения первичных преобразователей, основанных на реализации режимов взаимодействий в пьезоэлектрических структурах. Рассмотрены особенности реализации режимов связанных колебаний в составных многорезонаторных конструкциях пьезорезонансных датчиков с металлическими элементами связи.

3. Теоретически и экспериментально исследованы механизмы чувствительности разработанных устройств. Выработаны конкретные рекомендации, позволяющие оптимизировать конструкцию и режим работы разработанных устройств, повысить их метрологические и эксплуатационные характеристики.

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования режима сильносвязанных колебаний резонаторов для создания специальных конструкций датчиков, позволяющие реализовать функции не только первичного измерительного преобразования, но и обработки измерительной информации, что может послужить основой для создания специальных акустических контрольно-измерительных систем.

5. Таким образом, выполненная работа заключается в разработке новых положений в теории построения многоэлементных составных пьезорезонаторов, совокупность которых позволила решить важную научно-техническую задачу создания приборов и метода контроля уровня сыпучих материалов с расширенным диапазоном измерения, способных надежно функционировать в жестких условиях эксплуатации.