Введение к работе
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 магнитострикцион-ные 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.
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:
-
Определить факторы, ограничивающие применение МПУиП на ультразвуковых волнах в качестве элемента системы управления технологического объекта, и найти решения по их компенсации.
-
Предложить методику проектирования и технические решения, обеспечивающие повышение метрологических и эксплуатационных характеристик МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем управления.
-
Провести теоретический анализ функционирования МПУиП на ультразвуковых волнах кручения с использованием математических моделей, адекватно отображающих физические процессы преобразования сигналов.
-
Разработать специализированный комплекс программ для имитационного моделирования и расчета параметров.
-
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:
-
Поставлена и решена задача создания оригинальных МПУиП на ультразвуковых волнах кручения как элементов системы управления, отличающихся от известных аналогов улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
-
Предложены новые конструктивные схемы МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем управления (патент РФ № 155410), реализующие логометрический принцип измерений и авторегулирование амплитуды акустических сигналов.
-
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.
-
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:
-
Разработана методика проектирования и расчета параметров предложенных конструктивных схем МПУиП на ультразвуковых волнах кручения, позволяющая учитывать особенности процессов преобразования информативных сигналов.
-
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.
-
По результатам теоретических исследований создана конструкция макетного образца МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем управления.
-
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.
На защиту выносится:
-
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.
-
Результаты теоретических исследований предложенных новых конструктивных схем МПУиП на ультразвуковых волнах кручения для систем управления.
-
Специализированный комплекс программ имитационного моделирования и расчета параметров с использованием оригинальных вычислительных алгоритмов, отличающийся возможностью функционировать в облачной инфраструктуре.
-
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
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.