VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Во многих отраслях промышленности точность измерения в процессе производства играет важную роль. От точности измерений в большой степени сильно зависит качество продукции. Поэтому выбор измерительных приборов является важнейшим шагом, определяющими успех процесса производства. Обратимся к уровнемерам. Их задача является широко распространенной и очень важной для управления различными технологическими процессами во многих отраслях промышленности. Анализ известных сегодня уровнемеров, применяемых в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, показал, что перспективными, точными и относительно новыми приборами измерения уровня являются ультразвуковые магнитострикционные уровнемеры.

В данной статье приведены результаты разработки ультразвукового магнитострикционного уровнемера с заданными характеристиками: длина чувствительного элемента от 1 до 25 м; рабочее избыточное давление не более 0.15 МПа; температура контролируемой среды от -45 до 85 градусов; плотность контролируемой среды от 430 до 1500 кг/м3; предел изменения атмосферного давления от 84 до 106.7 кПа; масса не более 12кг; габарит не более 250х160х(200+L_чэ) мм; и погрешность измерения не более 1мм.

Уровнемер содержит в себе вычисленную систему 8 и датчик уровня. Датчик уровня содержит: диэлектрическую трубку 1, которая герметизирована в нижней части устойчива к взаимодействию жидкости, уровень которой, измеряется; волновод 2 в виде стальной проволоки со значительным магнитоупругим эффектом; равномерно намотанную виток к витку на волноводе 2 измерительную обмотку 3, длина которой определяется диапазон измерения уровня; пьезоизлучатель, который выполнен в виде двух пластин из пьезокерамики 12, приклеенный с одной стороны к стойке и с одной к волноводу 2; поплавок, плавающий в рабочем состоянии в жидкости и охватывающий диэлектрическую трубку 1; систему постоянных магнитов 6, которая размещается в корпусе поплавка 5; грузов 20, закрепляемый к нижнему концу волновода 2 в рабочем состоянии для его натяжения; измерительная обмотка 3 с блоком вторичной электронной аппаратуры (вычислителем). Измерительная обмотка 3 своим нижним концом подпаивается к волноводу 2 и наматывается изолированным проводом с небольшим натягом, который обеспечивает плотное закрепление обмотки 3 на волноводе 2, не допуская смещения витков обмотки 3 при изгибах волновода 2. Волновод 2 при этом выполняет функцию электрического проводника. Грузка 20 обеспечивает вертикальное рабочее расположение волновода 2 в резервуаре и предотвращает его колебания внутри резервуара при заливке или сливе жидкости, уровень которой контролируется. Поплавок имеет относительно диэлектрической трубки 1 гарантированный зазор, который обеспечивает скольжение поплавка вдоль волновода 2 без затирания. Поплавок может выполнятся глухим, т.е. не иметь никаких отверстий, кроме центрального. (рисунок 1,2).

Рисунок 1- Датчик магнитострикционного ультразвукового уровнемер

Рисунок 2- Диэлектрическая трубка с волноводом и обмоткой

Ультразвуковые магнитострикционные уровнемеры работают по принципу измерения интервала времени между появлением колебаний на выходе пьезоизлучателя и приходом отраженного выходного сигнала датчика(поплавок). Эти интервалы времени несут информацию об уровне жидкости в контролируемом резервуаре. Полученное время позволяет определить расстояние до местоположения поплавка, определяемого положением уровня жидкости.

Поплавок с постоянным магнитом перемещается с измерением уровня жидкости по трубе скольжения, в которой находится натянутая проволока (тонкий волновод). Волновод выполнен из магнитострикционного материала. При возбуждении пьезоизлучателя от находящегося генератора создает в волноводе ультразвуковые колебания, которые распространяются по волноводу сверху вниз. Такие колебания обычно имеют вид пачки импульсов или одиночных импульсов, которые формируются с помощью ключевых структур в блоке электронной аппаратуры генератора. По эффекту Виллари на измерительной обмотке появляется импульс ЭДС. Момент появления импульса ЭДС в измерительной обмотке однозначно определяет положение поплавка, а значит и контролируемого уровня жидкости в резервуаре. Положение поплавка можно рассчитать по формуле:

L= V_звука ∆t , (1)

где: V_звука - скорость распространения ультразвуковой волны данной частоты при данной температуре по волноводу;

∆t - интервал времени между моментом излучения ультразвуковых колебаний в Волновод и моментом появления на измерительной обмотке импульса ЭДС.

Волновод является ферромагнитным измерительным элемент, используемым для передачи упругой ультразвуковой волны. Он представляет собой длинный цилиндрический стержень с оптимальным диаметром и обладает высоким магнитострикционным свойством.

При подаче ультразвуковой волны в волноводе возникают поперечные и продольные колебания. Поперечные колебания вызывают неоднородное распределение напряжений по поперечным сечениям стержня. А это, в свою очередь, приводит к искажениям плоских поперечных сечений и к изменению величины скорости распространения волны. Если отсутствуют поперечные колебания или при достаточно большом значении отношения длины волны на диаметр волновода, то скорость распространения волны в волноводе равна (2). При учете возникновения поперечных деформаций действительная скорость будет отличаться от скорости .

По формуле Похгаммера:. (3)

В этом случае чтобы уменьшить влияние поперечных колебаний и получить малое отклонение от результатов отношение должен меньше 0,15(с помощью выражений, куда входят корни уравнения Бесселя).

В данном проекте использована низкоуглеродистая стальная проволока ГОСТ 3282-74. У него плотность ρ ≈ 7,86 г / см³, модуль Юнга E = 210 ГПа и коэффициент Пуассона, ν = 0,28 … 0,30.

Рассмотрим отношение:

Скорость распространения волны:

Длина волны ультразвука равна:

Ультразвуковая волна создается ультразвуковым пьезоизлучателем. Поэтому выбор частоты ультразвуковой волны зависит от диапазона рабочей частоты пьезоизлучателя. В этом задаче используется ультразвуковой пьезоизлучатель с рабочими частотами от 20 кГц до 1000 кГц (рисунок 2).

Рисунок 3- Конструкция ультразвукового пьезоэлектрического излучателя

9 – отражающая металлическая накладка; 11 – корпус; 12 – пьезоэлектрические элементы; 13 – опора; 19 – излучающая накладка - концентратор;

И частота ультразвуковой волны =200кгц

И так:

По госту 3282-74 выбираем низкоуглеродистую стальную проволоку диаметром 6 мм.

Действительная скорость распространения в волноводе:

Поплавок сделан из материалов с общей плотностью и является полным цилиндрическим. Поплавок состоит из постоянных кольцевых магнитов 6 и корпуса из сферопластика марки 5С плотностью 6.10^-4 г/мм³. Уровень жидкости заполняет половину поплавка. Постоянные магниты выполняться из высокостабильных материалов, обеспечивающих работу магнитной системы в широком интервале рабочих температур контролирующих жидкостей, поэтому применяем сплав ЮНДК24. Сплав ЮНДК24 состоит из следующих элементов: Аl(от 7 до10%), Ni(от 12 до 15 %), Cu(от 3 до 4%), Co(от 18 до 40%). Чем больше Со, тем выше индукция насыщения и магнитная энергия сплава. Плотность сплава равна 7,15 г/мм³ (рисунок 4).

• высота кольцевого магнита:

h1=10 мм

• внешний диаметр кольцевого магнита:D1=50 мм и D11=60 мм

• внутренний диаметр кольцевого магнита:d1=30 мм

• высота поплавка: h=60 мм, отверстия диаметром: ∅₁=12 мм

Рисунок 4- Параметры поплавка

Объем постоянного кольцевого магнита: ₍₄₎

Объем постоянных кольцевого магнита 2:

Объем пустой части: ₍₅₎

Объем поплавка: ₍₆₎

Объем остальной части поплавка: ₍₇₎

Масса поплавка: ₍₈₎

где: ,- плотность постоянного магнита

- плотность остальной части поплавка

Общая плотность поплавка:

₍₉₎

_{Значения плотности:}

Так как диаметр поплавка:

₍₁₀₎

Примем:

Измерительная катушка равномерно намотана виток к витку на волноводе, длина которой определяется диапазоном измерения уровня жидкости или длиной волновода.

Применяем длину измерительной катушки равна 24,9 метров. И для готовки катушки применяется медный провод с диаметром d мм.

И так число витков: , (11)

где: - длина измерительной катушки, мм;

- диаметр медного провода, мм.

Входной токовый сигнал, соответствующий: логическому нулю - 0 мА; логической единице - от 5 до 20 мА. Максимальный выходной ток датчика равен 20мА.

Площадь поперечного сечения провода: ₍₁₂₎

где: Sп - площадь поперечного сечения медного провода, мм2; I- ток, А; J-плотность тока, Амм2. Принимаем .

Диаметр медного провода:

Принимаем диаметр медного провода с покрытием d=0,10±0,01 мм

Число витков:

Вычисленная система содержит микроконтроллер Атмега 32 и монитор Lcd 16x02.

Рисунок 5- Схема вычисления уровня жидких сред

Схема работает следующим образом. В начальном моменте состояние входной ножки PD6/ICP1 микроконтроллера Атмега32 находится на высоком уровне. Как только от генератора поступает импульс сигнала на пьезоизлучатель для создания ультразвуковых колебаний, так на этой ножке появляется сигнал на низком уровне. Это состояние сохраняется до тех пор, пока на этой ножке еще не существует обратный импульс сигнала от измерительной обмотки. Между моментами отпуска импульса от генератора и принятия обратного импульса от измерительной обмотки имеет место промежуток времени протекания ультразвуковой волны. По программе микроконтроллер измеряет это время и преобразует его с помощью формулы в значение уровня жидких сред.

В ходе работы были выявлены принцип работы и конструкция ультразвукового магнитострикционного уровнемера. Была разработана и описана конструкция уровнемера, а также его основных узлов, чувствительных элементов, участвующих в преобразовании уровня жидкости в электрический сигнал. Выбраны материалы, проведены расчеты основных параметров конструкции уровнемера.

1. Литература:
2. 1. И.И. Теумин Ультразвуковые колебательные системы. Машиностроительная литература, Москва 1959, 330 с.

2. Л.Д.Розенберга Источники мощного ультразвука. УДК 534-8, Москва 1967, 340 с.

3. Фрумкин Г.Д Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры. Учеб. пособие для радиотехнич. спец. техникумов.-4-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985.-287 с.

4. Руководство по эксплуатации УНКР.407533.068 РЭ компании" Закрытое акционерное общество “Альбатрос". :[Электронный ресурс] - режим доступа. http://www.depo-magazine.ru.

5. Инструкция по установке и программированию прибора NIVOCAPC-200, C-200Ex, C-300. OOO"РусАвтоматизация". :[Электронный ресурс] - режим доступа. http://rusautomation.ru.

6. Измерение уровня жидких продуктов: теория и практика. :[Электронный ресурс] - режим доступа. http:www.3v-engineering.ru.

7. В. Ю. Кузьминов – Директор ООО «Первая Приборная Фабрика», А. Г. Фролов .Главный инженер ООО НПО «Неотехнология» Магнитострикционный уровнемер:[Электронный ресурс] - режим доступа. http:www.s-ng.ru.

8. Волны в механических системах : теория и практика. :[Электронный ресурс] - режим доступа .http://uc.jinr.ru/mirea/classmex/gl_mex_10.pdf.

Код для цитирования: Скопировать