CC BY
31
УДК 681.2.083 Е. С. Демин
МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УРОВНЯ
И ПЛОТНОСТИ ТОПЛИВА НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Ключевые слова: методики моделирования, магнитострикционные преобразователи уровня и плотности топлива, наземные
транспортные средства.
Кратко рассмотрены эффекты продольной магнитострикции, лежащие в основе магнитострикционного метода измерений уровня и плотности жидких сред посредством магнитострикционных преобразователей уровня и плотности. Предложены две методики их моделирования, предназначенных для использования в составе телеметрических систем мониторинга наземных транспортных средств, а также, обобщенная структурная схема математической модели по нескольким вариантам исполнения.
Keywords: modeling techniques, magnetostrictive level transmitters andfuel density, ground vehicles.
Briefly discussed the effects of the longitudinal magnetostriction underlying method magnetostrictive level and density measurement of liquid media by means of magnetostrictive transducers level and density. Proposed two methods of simulation, designed for use in telemetry monitoring of land vehicles, as well as a generalized block diagram of a mathematical model in several versions.
Введение
Необходимость в разработке методик моделирования проектируемых схем магнитострикционных преобразователей уровня и плотности (МПУиП) на ультразвуковых волнах (УЗВ) кручения для телеметрических систем мониторинга наземных транспортных средств (ТСМ ТС) вполне очевидна и основывается на уникальности и новизне этого подкласса измерительных приборов [1]. Они позволят более детально разработать концептуальную математическую модель и провести всестороннее изучение объекта исследования эффективно и с минимальными затратами времени. Чтобы это стало возможным необходимо изучить происходящие в трактах (электрических, механических, акустических) МПУиП на УЗВ кручения физических процессов преобразования сигналов при магнитострикционных (однокоординатном, двухкоординатном) измерениях уровня Иу и плотности И п топлива в баке грузопассажирского автотранспорта.
Постановка задачи
Требуется разработать методики моделирования магнитострикционных преобразователей уровня и плотности топлива для наземных автотранспортных средств по заданным схемам и с учетом особенностей работы в составе ТСМ ТС.
Результаты и обсуждение
В основе метода магнитострикционного измерения механических величин (в том числе, уровня и плотности жидких сред) лежат известные явления магнитострикции, открытые в разные годы разными учеными.
Так, физическое явление магнитострикции, как изменение формы и размеров ферромагнитного тела в магнитном поле, было открыто в 1842 г. английским ученым Дж. Джоулем. Этот эффект продольного изменения размера I ферромагнетика, именованный в честь первооткрывателя, ощутимо проявляется в ферритах и металлах группы NiCoFe и их сплавах, и особенно сильно - в группе редкоземель-
ных материалов Sm, ТЬ, Dy и их сплавах [2-4], широко применяется для возбуждения УЗВ (плоских, поперечных, продольных) в ультразвуковых приборах различного назначения (осцилляторы, генераторы мощного ультразвука, линии задержки, механические фильтры, преобразователи перемещений) [2, 3, 5, 6-8].
Значение продольного изменения ферромагнитного тела длиной I на величину Д1 в магнитном поле определяет коэффициент магнитострикции насыщения X3 = Д1 /1. Он может принимать следующие значения X^ = (21 -300) -10-6 для металлов
NiCoFe и их сплавов, и X^ = (80 -1753) -10-6 для Ке -металлов и их сплавов. Например, известный Ке -сплав TbFe2 при комнатной температуре имеет магнитострикцию насыщения, равную
X, = 1753 -10-6 [3].
В настоящее время за рубежом создан трехком-понентный ферросплав ТЬ0 27D>'o 7зFe2, известный
под торговой маркой Терфенол-Д, который имеет коэффициент магнитострикции насыщения
X s = 1380-10"
в температурном диапазоне
де = (-10 ° С... +120 ° С) [4].
Если в ферромагнетик поместить в магнитное поле и при этом будут изменяться его поперечные размеры, то говорят о поперечной магнитострик-ции. Этот вид магнитострикции проявляется в ферромагнитных материалах очень слабо, поэтому не используется при проектировании электромеханических ультразвуковых приборов [2, 4].
Явление продольного изменения ферромагнитного тела цилиндрической формы по винтовой линии носит название крутильной магнитострикции, открытой в 1858 г. немецким физиком Г. Видеманом [2].
Суть эффекта, известный в научно-технической литературе, как эффект Видемана, заключается в возникновении деформации кручения цилиндрического (трубка, стержень, проволока) ферромагнит-
6
ного тела с током, помещенное в продольное магнитное поле.
Эффект Видемана получил широкое применение в ультразвуковых измерительных приборах механических величин и линий задержек повышенной точности, позволяя возбуждать УЗВ кручения, не обладающих, как известно, дисперсией скорости УЗВ и более низкой скоростью ¥кр и ¥пр /1,6 хода относительно скорости V продольных УЗВ [2].
Перечисленные эффекты Джоуля и Видемана относятся, к так называемым прямым или магнито-механическим магнитострикционным преобразованиям информационных сигналов магнитострикци-онных преобразователях (МСП), позволяющим в среде звукопроводов из магнитострикционного материала возбуждать, соответственно, продольные и крутильные УЗВ заданной амплитуды, формы и частоты. Для этого в МСП применяются [1, 2, 7]:
- сигнальные магнитострикционные преобразователи (СМП) и
- магнитострикционные преобразователи Виде-мана (МПВ).
В МСП получил еще один значимый для ультразвуковой техники эффект, известный как эффект Виллари, открытый Э. Виллари в 1865 г., и трактуемый в литературе, как магнитоупругий эффект или обратный магнитострикционный эффект. Он проявляется в изменении намагниченности ферромагнитного тела при его деформации [2].
Например, с помощью сигнального индуктивного магнитострикционного преобразователя (СМП) можно осуществлять считывание продольных или крутильных УЗВ, представляющих механическую деформацию в среде звукопровода ультразвукового прибора. Кроме того, в качестве входных и выходных сигнальных преобразователей СМП, могут быть использованы пьезоэлектрические преобразователи [6].
Наибольшее распространение в известных схемах МСП, а также в подклассе МПУиП ТСМ ТС [1], получили входные сигнальные магнитострикцион-ные преобразователи Видемана и выходные сигнальные индуктивные магнитострикционные преобразователи вследствие простоты технической реализации и ремонтопригодности, надежности в течение всего срока эксплуатации прибора, возможности достижения требуемых показателей (технических, экономических) [6-8].
Методы одно- и двухкоординатного измерения уровня Иу и плотности И п топлива в баке грузопассажирского ТС сводится к ряду физических процессов, протекающих в схемах МПУиП на УЗВ кручения:
- возбуждение в средах I -образного или П -образных звукопроводов УЗВ кручения посредством системы МПВ (подвижных - поплавки уровня и поплавки плотности, неподвижных - опорные магниты);
- подмагничивание рабочего участка I и П -образных звукопроводов с помощью распределенной обмотки подмагничивания, учитывая текущие значения сигнал/шум МПУиП;
- отражения падающих УЗВ кручения от свободных концов I и П - образных звукопроводов и их считывание сигнальными индуктивными ЭАП;
- погонное затухание УЗВ кручения в средах I и П - образных звукопроводах МПУиП;
- подмагничивание зоны магнитоупругого преобразования при считывании УЗВ кручения сигнальными ЭАП;
- приложение продольного растягивающего усилия к I и П - образным звукопроводам;
- проявления краевых, поверхностных, взаимоиндуктивных эффектов в сигнальных МПВ и СМП МПУиП;
- взаимовлияние магнитов системы МПВ и СМП МПУиП;
- фиксация моментов измерения текущих значений уровня Иу и плотности И п топлива в баке ТС с
формированием уровня время-импульсных сигналов МПУиП;
- дискретизация время-импульсных сигналов текущих значений Иу и И п с последующим вычислением реальных значений уровня в условиях влияния среды МПУиП.
Таким образом, обозначив все основные процессы преобразования информационных сигналов в акустических и электрических трактах проектируемых схем МПУиП, составим методики их моделирования, принимая во внимание алгоритм работы (рис. 1) этого подкласса ультразвуковых измерительных приборов.
Как это понимает автор, и исходя из сложности происходящих физических процессов в предложенных конструктивных схемах МПУиП ТСМ ТС [1], процесс их математического исследования должен придерживаться двух методик моделирования.
Первая методика описывает основные этапы моделирования физических процессов МПУиП и последовательность их выполнения с учетом особенностей конструктивного исполнения, факторов влияния и предъявляемых технических требований.
Вторая методика направлена на уточнение этапов моделирования магнитной системы МПУиП с I и П -образными звукопроводами, и очередность их выполнения.
Рассмотрим поочередно эти методики, включающие следующие этапы.
Методика 1
1. Ознакомление с условиями работы датчиковой аппаратуры ТС и предъявляемых к ним требований. Определение основных факторов влияния.
2. Выбор структуры и параметров акустического тракта МПУиП на УЗВ кручения, материалов, алгоритма функционирования и пр. исходят из места расположения на техническом объекте (вид топливного бака ТС) и требований.
3. Моделирование электрических сигналов записи и подмагничивания ¡х /0 с учетом особенностей конструктивной схемы МПУиП и факторов влияния.
4. Проведение моделирования слабых магнитных полей сигнальных МПВ Нх (^) уровня и плотности,
распределенных обмоток подмагничивания Яоп(^1), Ноп.2Й), Ноп.3Ш,Яоп.4(^1), опорных магнитов и магнитов подмагничивания Но для акустических трактов МПУиП с I и П -образными звуко-проводами в условиях влияющих факторов.
5. Моделирование и определение параметров возбужденных в средах I и П -образных звукопро-водах МПУиП на УЗВ кручения с х
с у.2 (/1),с у.3 (/1 ),сп (/1X с о.1(^1),со.2(^1) и их прохождение в зону считывания сх(12 - /б) в моменты времени (2 - /б, учитывая действия факторов влияния (гистерезис, напряжения, затухание, температура).
6. Моделирование выходных информационных сигналов уровня и плотности среды на выводах сигнальных электрических цепей МПУиП в виде Э.Д.С.
(выводы ЭАП) ех (/2 - /б) и напряжений (на выводах усилителей считывания) Пх (/2 - %).
7. Создание вычислительных и корректирующих моделей и алгоритмов кодирования информационных время-импульсных сигналов Тх (/2 - /б) уровня и плотности топлива ТС Nx (/2 -16), и вычислений их истинных значений по предложенным методам Nx (/7 - /8), в том числе, с использованием статической обработки сигнала.
8. Повышение точности моделирования за счет использования эффективных численных методов и проблемно-ориентированных программ.
9. Анализ полученных результатов и коррекция предъявляемых требований к МПУиП ТСМ ТС при необходимости.
Рис. 1 - Обобщенный алгоритм работы МПУиП ТСМ ТС по вариантам исполнения
Алгоритм проведения математических исследований проектируемых МПУиП на УЗВ кручения для ТСМ ТС по данной методике приведен на рисунке 2.
Методика 2
1. Выбор конфигурации магнитной системы МПУиП на УЗВ кручения согласно расчетным схемам, материалов, формы и параметров постоянных магнитов. Установление требований к магнитной системе МПУиП ТСМ ТС.
2. Расчет магнитной энергии постоянных магнитов поплавков уровня и плотности по исходным параметрам в заданной точке рабочего пространства в средах I и П -образных звукопроводов для устойчивого возбуждения УЗВ кручения.
3. Моделирование взаимовлияния элементов магнитной системы МПУиП с I и П -образными
звукопроводами по математическим моделям с использованием вычислительных методов.
4. Моделирование искажения картины магнитного поля сигнальных МПВ при внешних воздействиях магнитных полей и экранировании. Оценка эффективности экранирования.
5. Определение рабочих интервалов в акустических трактах МПУиП между элементами магнитной системы для I и П -образных звукопроводов, принимая во внимание факторы влияния (температура, поперечная вибрация, временной фактор).
6. Анализ полученных результатов на их адекватность физическими процессами преобразования информационных сигналов уровня и плотности.
Алгоритм рассмотренной методики приведен на рисунке 3.
Рис. 2 - Алгоритм выполнения методики моделирования МПУиП
Рис. 3 - Алгоритм методики моделирования магнитной системы МПУиП на УЗВ кручения
129
Рис. 4 - Структурная схема математической модели МПУиП на УЗВ кручения для ТСМ наземного грузопассажирского автотранспорта
На основании представленных методик моделирования конструктивных схем МПУиП на УЗВ кручения для ТСМ ТС была разработана структурная схема обобщенной математической модели, которая приведена на рисунке 4.
Выводы
Применение предложенных методик моделирования параметров проектируемых магнитострикцион-ных преобразователей уровня и плотности топлива на УЗВ кручения ТСМ ТС по заданным схемам позволят целенаправленно проводить всесторонние исследования с минимальными затратами временных и материальных ресурсов, учитывая особенности их работы на технических подвижных объектах в условиях влияния внешних факторов. Это несомненно позволит производителю данных измерительных ультразвуковых приборов уровня и плотности жидких сред улучшить их технические, метрологические и эксплуатационные характеристики при минимальной себестоимости изготовления.
Литература
1 Патент RU №155410, МПК: G01F23/28, Ш№23/30. Адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства (его варианты)/ Е.С. Демин// Опубл. 10.10.2015. Бюл. №28.
2 Ультразвук. Маленькая энциклопедия/ Под ред. И. П. Голяминой. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.
3 Белов, К. П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. - М.: Наука, 1987. - 160 с.
4 Уорден, К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. - М.: Техносфера, 2006. - 224 с.
5 Балдев, Радж. Применение ультразвука/ Радж Балдев,
B. Раджендран, П. Паланичами. - М.: Техносфера, 2006. - 576 с.
6 Демин, С.Б. Магнитострикционные системы для автоматизации технологического оборудования: Монография. - Пенза, Изд-во ПГУ, 2002. - 182 с.
7 Патент RU №2310174, МПК: 00№23/28, G01К23/30. Ультразвуковой уровнемер/ О.Н. Пчелинцева, С.Б. Демин, И.А. Дёмина// Опубл. 10.11.2007. Бюл. №31.
8 Патент RU №2319935, МПК: G01F23/28, G01К23/30. Магнитострикционный уровнемер/ О.Н. Пчелинцева,
C.Б. Демин, И.А. Дёмина// Опубл. 20.03.2008. Бюл. №8.
© Е. С. Демин - аспирант кафедры «Физика» Пензенского государственного технологического университета, [email protected].
© E. S. Demin - PhD student of «Physics» of the Penza State Technological University, [email protected].
