Введение к работе
Актуальность темы. Повышение эффективности технологических процессов в различных отраслях промышленности невозможно без совершенствования существующих и создания новых средств и методов измерения физических величин, характеризующих качество веществ, в том числе плотности жидкостей и газов, являющейся одним из наиболее важных параметров состояния таких сред. Измерение плотности жидкостей и газов осуществляется . для целей управления химико-технологическими процессами и выполнения операций учета количества сырья, топлива, реагентов и готовой продукции. Автоматическое измерение плотности таких веществ в настоящее время приобретает чрезвычайно важное значение в связи с проводимыми мероприятиями по экономии топливно-энергетических ресурсов.
В последние годы в нашей стране и за рубежом повышенное внимание уделяется виброчастотным плотномерам, позволяющим непосредственно на выходе получать первичный электрический сигнал в форме, удобной для преобразования в код. Однако, сдерживающим фактором, не позволяющим в полной мере реализовать на практике бесспорные достоинства виброчастотного метода измерений, является зависимость частоты собственных колебаний используемых механических резонаторов от неинформативных параметров контролируемой среды: давления, температуры, вязкости, скорости потока и др., что вызывает дополнительные погрешности измерений. Традиционный путь уменьшения этих погрешностей, состоящий в повышении конструктивно - технологических требований к параметрам измерительных цепей плотномеров, в настоящее время практически исчерпал себя. В связи с этим важное практическое значение и актуальность приобретает поиск новых технических решений, позволяющих добиться существенного повышения точности измерения плотности газов и жидкостей за счет использования принципов многоканальности, структурной избыточности и алгоритмической обработки результатов измерений.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка частотных датчиков с цилиндрическим резонатором для измерения плотности сплошных сред (жидкостей и газов) на основе явления расщепления спектра частот и форм собственных колебаний резонатора, вызванного специально созданной окружной неравномерностью толщины слоя прилегающей среды.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
-
Исследованы физические особенности осесимметричных изгибных колебаний цилиндрического резонатора, обусловленные окружной неравномерностью толщины слоя прилегающей среды;
-
Разработаны принципы построения двухканальных частотных датчиков с цилиндрическим резонатором, использующих явление расщепления собственных частот резонатора для повышения точности измерения плотности контролируемой среды за счет исключения влияния неинформативных параметров среды;
-
Разработана структурно - математическая модель двухка-нального частотного датчика плотности с цилиндрическим резонатором, учитывающая окружную неравномерность прилегающего слоя контролируемой среды;
-
Разработана инженерная методика расчета и выбора параметров базовых элементов и характеристик исследуемых частотных датчиков плотности;
5. Проведены экспериментальные исследования расщеплен
ных осесимметричных изгибных колебаний цилиндрического резо
натора в различных средах.
Методы исследования При решении поставленных задач использовался аппарат теории колебаний распределённых систем, теории гидродинамики сплошных сред, теории измерений, теории управления, а также методы математического моделирования.
Научная новизна. К новым научным результатам, полученным лично авторомги включенным в диссертацию относятся:
-
Теоретическое обоснование возможности использования явления расщепления спектра частот и форм собственных колебаний цилиндрического резонатора для создания на нем двух измерительных каналов и разделения соответствующих сигналов, отношение частот которых зависит от плотности контролируемой среды и практически не зависит от других параметров этой среды.
-
Методика расчета потенциала течения, частот и затухания расщепленных колебаний цилиндрического резонатора в полости, имеющей окружную неравномерность прилегающего слоя среды.
-
Структурно - математическая модель цилиндрического резонатора как первичного измерительного преобразователя плотности жидкостей и газов, учитывающая окружную неравномерность прилегающего слоя среды.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами численного моделирования и экспериментальными исследованиями.
Практическая ценность. На основе проведенных исследований разработаны инженерные методики расчета и выбора параметров двухканальньгх плотномеров повышенной точности.
Апробация результатов. Полученные результаты использовались в учебном процессе по дисциплине «Теория, расчет и проектирование измерительных приборов и систем», а также в курсовом и дипломном проектировании на кафедре ПР-1 МГАГГИ «Точные приборы и измерительные системы». Положения и результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях научно-методического семинара кафедры ПР-1 МГАПИ.
Полнота изложения материалов диссертации в работах, опубликованных автором. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 29 наименований и содержит 147 страниц, в том числе 60 рисунков и 6 таблиц.