CC BY
63
УДК 534.2:551.5
А.А. НИКОЛАЕВ, Л.А. СЛАВУТСКИЙ
ДИСТАНЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПРОТИВОНАКИПНЫХ УСТРОЙСТВ
Ключевые слова: ультразвук, магнитострикционные преобразователи, электромеханические характеристики, карбонатные отложения, теплообменное оборудование, АСУТП.
Показана возможность дистанционного контроля магнитострикционных преобразователей (МП) противонакипных устройств. Контроль и автоматическая подстройка частоты МП осуществляются при помощи ультразвуковых сигналов, частотно-модулированных за счет колебаний стенок теплообменного оборудования. Рассматривается возможность интеграции противонакипных устройств в локальную автоматизированную систему управления.
A.A. NIKOLAEV, L.A. SLAVUTSKII REMOTE CONTROL OF ULTRASONIC MAGNETOSTRICTIVE TRANSDUCERS FOR SCALE DISTORTION DEVICES Key words: ultrasound, magnetostrictive transducers, electromechanical characteristics, scale distortion.
Possibility of remote control of ultrasonic magnetostrictive transducers for scale distortion devices is shown. Such control we realized using ultrasonic signals which are frequency modulated by equipment vibrations.
Магнитострикционные преобразователи (МП) широко используются для возбуждения мощных ультразвуковых (УЗ) полей. Одно из применений МП -их использование в составе противонакипного устройства USP, выпускаемого ОАО «ВНИИР» [1, 2]. Наиболее распространенной областью применения противонакипных устройств типа USP является их использование для предотвращения образования накипи на поверхности теплообменного оборудования. Карбонатные отложения приводят к перерасходу топлива, снижению КПД оборудования, сокращению межремонтных сроков, что неблагоприятным образом отражается не только на оборудовании, но и на потребителях тепловой энергии. В настоящей работе предлагается система дистанционного контроля и автоматической подстройки частоты (АПЧ) МП, позволяющая значительно повысить эффективность возбуждения ультразвуковых полей в теплообменном оборудовании, которая может быть интегрирована в АСУТП более высокого уровня.
Работа противонакипного устройства может быть оптимизирована за счет оперативной подстройки частоты возбуждения МП в условиях меняющейся нагрузки. МП имеет набор собственных частот, значения которых существенно зависят не только от его электромеханических характеристик, но и от свойств нагрузки в месте крепления МП к теплообменному оборудованию [2].
В существующем варианте USP генератор реализован по схеме автономного инвертора на силовых быстродействующих тиристорах. Возбуждение МП производится пакетами из 17 импульсов тока частотой 15...20 кГц. Временной интервал между пакетами импульсов - 60 мс. Здесь приведены экспериментальные зависимости амплитуды УЗ сигналов внутри теплообменного оборудования в зависимости от рабочей частоты генератора USP. Характер-
ная форма импульсов тока в отдельном пакете показана на рис.1, а. Частотные характеристики возбуждения МП показаны на рис. 1, б.
и, В
1,5
0,5
МП с демпфером
МП без демпфера
14
15
16
17
18
б
19 20 £ кГц
Рис. 1. Экспериментальные осциллограммы импульсов тока в обмотках МП (а) и частотные характеристики МП при возбуждении последовательностью импульсов (б)
Амплитуда импульсов достигает 120 А и существенно меняется внутри пакета. Как видно из рис. 1, зависимость эффективности возбуждения преобразователя от частоты повторения импульсов имеет локальные нечетко выраженные максимумы. При возбуждении МП на собственных частотах в связи с увеличением активного сопротивления преобразователя амплитуда отдельных импульсов уменьшается. Однако осуществление АПЧ преобразователя по форме импульсов тока оказывается затруднительным, поскольку пачка импульсов имеет достаточно широкий спектр.
Одним из критериев оценки эффективности возбуждения является амплитуда колебаний поверхности теплоэнергетического оборудования, к которому приложено ультразвуковое воздействие. Оптимальному возбуждению при этом будет соответствовать максимальная амплитуда вибраций. Существует несколько способов измерения частоты и амплитуды вибраций. Самым распространенным является использование контактных пьезоэлектрических датчиков ускорения - акселерометров. Однако крепление таких акселерометров на поверхности затруднено в силу высоких температур, сложности при выборе места расположения и высокого уровня помех. Кроме того, для регистрации колебаний стенок теплообменного оборудования акселерометр, как регистрирующий прибор сейсмического типа, должен обладать значительными инерционными свойствами. Данных недостатков лишен предлагаемый ультразвуковой способ контроля вибраций.
Схема контроля и управления МП И8Р показана на рис. 2. На стенку теплоэнергетического оборудования 2 с теплоносителем 1 внутри приварен концентратор 3 преобразователя с демпфером 5 на конце. В средней части МП намотана катушка индуктивности 4 и закреплены УЗ преобразователи 7 (приемник) и 8 (излучатель).
Оптимальное место крепления УЗ преобразователей может быть выбрано вблизи узла стоячих волн распределенных механических колебаний МП. Для используемых преобразователей такое место соответствует основанию концентратора вблизи плоскости крепления к сердечнику из магнитострикционного материала. Возбуждение МП происходит импульсами тока с генератора 9. Час-
2
1
0
тота работы генератора задается из блока управления l0. Там же производится и АПЧ генератора средствами цифрового сигнального процессора (DSP). Про-тивонакипное устройство интегрируется в АСУТП теплоэнергетических установок по радиоканалу 11 стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee) [3].
<---->
Блок управления ,0
7 і
ҐШ DSP ZigBee
KJJJJ ^ 1
5
4 ~ї~у~¥~ї
—н—
-м-
1
9
2
Рис. 2. Схема контроля и управления МП USP
УЗ сигнал между излучателями 7 и 8 оказывается промодулирован при отражении от вибрирующей поверхности в месте крепления МП. Оценим параметры такой модуляции. Пусть отражающая поверхность колеблется по гармоническому закону x(t) = A cos Qt, где Q - частота колебаний МП. Оценка частоты отраженного сигнала может быть сделана по формуле допплеровского сдвига:
1 - AQcosQtcos0, /c
ra(t) = ю0--- -----------^ , , (1)
1 + AQ cos Qt cos 0, / c
где ю0 - частота падающей волны; AQ cos Qt - мгновенная скорость объекта; с - скорость звука в среде; 0, и 02 - углы между направлением скорости объекта и направлением падающей и рассеянной от объекта волны.
Контроль вибраций, создаваемых МП, по такой схеме необходимо осуществлять УЗ сигналами с частотой ю 0 >> Q. Предлагаемая нами рабочая частота УЗ преобразователей ю0 = 2п- (400кГц).
На рис. 3 показана спектральная плотность УЗ сигнала на приемном преобразователе для амплитуды колебаний поверхности 5 мкм (сплошная), 15 мкм (пунктирная), что является характерными значениями для используемых МП.
Как видно из рис. 3, спектральная плотность имеет форму, соответствующую частотно-модулированному частотой Q « 2п • (20кГц) сигналу. Симметричные относительно несущей частоты ю0 = 2л- (400кГц) максиму-
мы возникают на частотах, кратных О . Их высота определяется глубиной модуляции А О (см. формулу 1) и описывается модифицированной функцией Бесселя [4]. Каждый из этих максимумов в спектре состоит из двух симметричных пиков, которые непосредственно связаны с допплеровским сдвигом частоты УЗ сигнала, отраженного от колеблющейся поверхности. Из сравнения двух зависимостей рис. 3 видно, что изменение амплитуды колебаний поверхности приводит к изменению амплитуды локальных максимумов и частотного положения «допплеровских» пиков.
Рис. 3. Спектральная плотность сигнала приемника в зависимости от амплитуды колебаний поверхности: 5 мкм (сплошная), 15 мкм (пунктирная)
Из-за сложной структуры УЗ сигнала и возникающих помех (электрические и акустические наводки на резонансных частотах МП) для получения необходимой информации сигнал с УЗ приемника подвергался прямому преобразованию частоты (через смешение с несущей частотой ю 0) с последующей низкочастотной фильтрацией.
Спектральные характеристики сигнала в низкочастотной области показаны на рис. 4. Частотное положение «допплеровских» пиков линейно меняется с изменением амплитуды колебаний поверхности.
Таким образом, амплитуда колебаний МП может быть получена по частотным характеристикам УЗ сигнала по изложенному выше алгоритму и реализована в блоке управления противонакипного устройства для АПЧ.
Прямое преобразование частоты вследствие достаточно высокой частоты зондирования необходимо выполнить в аналоговом виде. Для экспериментальных значений амплитуды колебаний поверхности порядка 10 мкм «допплеровский» частотный сдвиг составляет порядка 3 кГц. Для его получения в цифровом виде после прохождения через ФНЧ с частотой среза 20 кГц сигнал подвер-
гается оцифровке с частотой 100 кГц, что вполне достаточно для практической реализации АПЧ. Соответствующая цифровая обработка сигнала легко реализуется во временном промежутке между пакетами возбуждающих МП импульсов.
Рис. 4. Спектральные характеристики сигнала в низкочастотной области в зависимости
от амплитуды колебаний: 5 мкм (сплошная), 10 мкм (пунктирная) и 15 мкм (штриховая)
В последнее время всё чаще ставиться вопрос интеграции противонакип-ных устройств в АСУТП теплоэнергетических установок. Специфика таких АСУ состоит в наличии большого количества разнесенных в пространстве датчиков, регулирующих органов и запорной арматуры. Дальность их расположения по любому из трех измерений обычно не превышает десятков метров, что делает возможным, в том числе, использование беспроводных сетей [3] для построения такой системы.
Литература
1. Бочкарев Н.В. Устройства для предотвращения образования карбонатных отложений на поверхности теплообменного оборудования / Н.В. Бочкарев, А.Ф. Работаев, В.С. Генин и др. // Электротехника. 2001. № 2. С. 24.
2. Генин В.С. Оптимизация работы ультразвуковых магнитострикционных преобразователей противонакипных устройств / В.С. Генин, Л.А. Славутский, А.А. Николаев // Электротехника. 2006. № 2. С. 48-52.
3. Славутский Л.А. Изменчивость радиосвязи между модулями распределенной системы управления энергетическими объектами / Л.А. Славутский, А.В. Баштанар, А.А. Николаев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. № 11. С. 20-22.
4. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний / С.П. Стрелков. М.: Наука, 1964. 437 с.
НИКОЛАЕВ АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ родился в 1982 г. Окончил Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры управления и информатики Чувашского университета. Область научных интересов - волновая техника. Автор более 10 научных публикаций.
СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ. См. с. 221._____________________________________
