Технические науки/12 Автоматизированные системы управления на производстве.

д.т.н., проф. Петренко О.М

Дніпропетровський національний університет

к.т.н., с.н.с. Тараненко Ю.К.

Дніпропетровський університет економіки та права

ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ДИФЕРЕНЦІЙНИХ ВІБРОЧАСТОТНИХ ДАТЧИКІВ СКЛАДУ І ВЛАСТИВОСТЕЙ РІДКИХ ТА ГАЗОПОДІБНИХ РЕЧОВИН

Актуальність проблеми. Одним із параметрів який визначає властивості рідких та газоподібних речовин є їх масова щільність. Масова щільність визначає концентрацію твердої фракції у системах рідина-тверде, положення границі розподілу рідких та газоподібних речовин, масові витрати рідких речовин та інші.

Основою управління технологічними процесами промислових виробництв є первинний збір інформації про технологічні параметри, якій здійснюється за допомогою інформаційно-вимірювальних систем (ІВС). Структура каналів ІВС залежить від фізичного принципу покладеного у основу первинного вимірювального перетворення.

Більшість існуючих первинних вимірювальних перетворювачів мають аналоговий вихідний сигнал у виді сили струму або напруги, що значно ускладнює схеми комутаторів цих сигналів, причиняє не зворотні втрати інформації при її передачі каналами зв’язку та перетворенні у код для обробки у електронно-обчислювальних машинах. Більш ефективні частотні канали ІВС тому що по перше частотно-модульованій сигнал має високу стійкість до електромагнітних перешкод, по друге комутація частотних сигналів має просту реалізацію і не вносить додаткових погрішностей у виміри, а по трете перетворення частотного сигналу у код здійснюється з високою точністю. Ї

На рис. 1 приведено порівняння амплітудних і частотних датчиків.

Рис. 1 Порівняння датчиків з амплітудною і частотною модуляцією вихідних сигналів

До найбільш точних частотних датчиків з механічним резонатором відносяться диференційні віброчастотні датчики щільності рідини, масової концентрації твердої фракції пульпи та суспензій, положення границі розподілу рідин або рідини і газу [1], які мають наступні переваги:

§ Лінеарізовану функцію перетворення вимірювального параметра у частотно-модульований вихідний сигнал;

§ Компенсацію впливу не інформативних параметрів безпосередньо у датчику без застосування додаткових вимірювачів температури, швидкості течії та тиску рідини;

§ Мінімальну похибку автоколивальної системи за рахунок застосування параметричних контурів регулювання амплітуди;

§ Широкий динамічний діапазон виміру за рахунок керування відношенням частот резонаторів;

§ Відсутність впливу змін щільності твердої та рідкої фаз при вимірах масової концентрації твердої фази пульпи та суспензій;

§ Можливість виміру границі розподілу рідин під тиском;

§ Можливість вимірів в умовах струсів і вібрації обладнання за рахунок використання принципу камертона при виборі конструкції резонаторів.

Використання звукової картки персонального комп’ютера (ПК) у якості аналого-цифрового перетворювача сигналів частотних датчиків з механічними резонаторами [2], відкриває не обмежені можливості по створенню (ІВС) у зв’язку з розвинутим програмним забезпеченням ПК. Наприклад програмний пакет LabVIEW має наступні переваги:

§ Простота засвоєння та інтуїтивно зрозумілий інтерфейс;

§ Висока швидкість створення застосувань;

§ Широкі можливості по отриманню, зберіганню, обробці та візуалізації вимірювальної інформації;

§ Можливість роботи з драйверами різноманітних пристроїв, розроблених у виді динамічних бібліотек DLL, а також використання елементів ActiveX;

§ Підтримка стандартного інтерфейсу ПК, а також можливість спрощеного вводу-виводу даних через порти.

Структурні схеми ІВС. На рис. 2 наведена структурна ІВС з використанням диференційного датчика.

У диференційному датчику умови компенсації не інформативних параметрів здійснюється обранням конструктивних параметрів резонаторів, які забезпечують виконання наступного співвідношення [3]:

. (1)

де: ,— коефіцієнти впливу не інформативного параметра на частоту коливань резонаторів; — величина щільності вимірювальної рідини або газу, при якої здійснюється повна компенсація впливу не інформативного параметру.

Коефіцієнти , можна визначити теоретично або експериментально, або визначити теоретично і уточнити експериментально.

У наслідок виконання умов (1) лінеарізована функція перетворення диференційного датчика утримує сталу складову частоти згідно співвідношення

(2)

де: ;

,— частоти коливань порожніх резонаторів, які уточнюються експериментально;

, — сталі резонаторів, які уточнюються експериментально; — поточне і мінімальне значення вимірювальної щільності.

У ІВС збільшення точності виміру досягається як у самому диференційному датчику щільності (ДДЩ) шляхом зменшення адитивних систематичних і вірогідних погрішностей ,так і у проміжному вимірювальному перетворювачі (ПВП) шляхом віднімання сталої частини різницевої частоти резонаторів.

Канал виміру щільності ІВС працює наступним чином резонатори (Р1,Р2), через які протікає рідина або газ, або які заглиблені у рідину або газ , за допомогою приймачів коливань (П), підсилювачів (ПС) з параметричними контурами регулювання амплітуди коливань (ПКРА) приводяться у режим автоколивань з частотами f₁, f₂, які залежать від вимірювального параметра (Р), наприклад щільності і не інформативних параметрів (t), наприклад температури, тиску, швидкості течії через резонатори. На резонатори також діють випадкові не інформативні параметри, це напруга живлення, струси і вібрації обладнання та інші.

Ці параметри спричиняють адитивні випадкові погрішності, які завдяки спільним системам порушення коливань і спільним підставам резонаторі жорстко корельовано, що дозволяє їх подавити і різницевому частотне-модульованому сигналі f_д = f₁ - f₂.

Рис. 2. Структурна схема ІВС з диференційним датчиком: Р1,Р2 – резонатори диференційного датчика; П- приймач коливань резонатора, ПС –підсилювач; З –збудник коливань резонатора; ПКРА –параметричний контур регулювання амплітуди коливань резонатора; ЗЧ1,ЗЧ2 –змішувачі частот коливань, НЧФ1,НЧФ2 –низькочастотні фільтри; КГ –кварцовий генератор; ДЧ –дільник частоти; КМ- комутатор частотно-модульованих сигналів;КЗ –канали зв’язку; ЗК- звукова картка або ПЗД – плата збирання даних; ПК- персональний комп’ютер; t, p - температура та щільність; f₁, f_{2, ,}f_д – частотно-модульовані сигнали резонаторів та диференційного датчика; ДДЩ –диференційний датчик щільності; ПВП – проміжний вимірювальний перетворювач.

У проміжному вимірювальному перетворювачі за допомогою першого змішувача (ЗЧ1) і першого низькочастотного фільтра (ФНЧ1) формується частота згідно співвідношення (1).

Для усунення постійної складової С, частота кварцового генератора (КГ) за допомогою дільника частоти (ДЧ) ділиться на коефіцієнт , який визначається за співвідношенням:

(3)

Значення параметрів ,,,, які входять у співвідношення (2),(3) визначаються експериментально, шляхом заповнення резонаторів рідинами з двома відомими значеннями щільності , при температурі 20°С, та вимірюванням чотирьох значень частот, цих резонаторів. Величини ,,, розраховуються із наступної системи рівнянь:

, (4)

За допомогою другого змішувача частот (ЗЧ2) і другого низькочастотного фільтра (ФНЧ2) отримуємо різницю між частотами та , а на виході проміжного вимірювального перетворювача маємо сигнал частота якого змінюється за співвідношенням:

(5)

Через комутатор частотно-модульованих сигналів (Км) останні потрапляють у канал зв’язку (КЗ) та після перетворення у цифровий код звуковою карткою (ЗК) на персональний комп’ютер (ПК), у якому вимірювальна інформація обробляється, накопичується та за допомогою програмного забезпечення LabVIEW здійснюється її візуалізація.

Забезпечення виконання умов (1) за рахунок підбору конструктивних параметрів резонаторів диференційного датчика, обмежує галузі застосування останнього, оскільки після виготовлення резонаторів датчик стає придатним тільки для визначених умов експлуатації та діапазону виміру щільності.

Автором розроблено спосіб управління величиною відношення частот резонаторів за рахунок зміни зусиль , що діють уздовж осі трубчастого резонатора, по периметру закріплення пластинного резонатора, в повздовжньому та окружному напрямку серединної поверхні циліндричного резонатора [4,5].

Розроблений спосіб дозволяє, на одній парі резонаторів забезпечити високу точність вимірів щільності рідин та газів диференційним датчиком, на різних діапазонах зміни щільності, та у різних умовах експлуатації за рахунок управління відношенням частот резонаторів. Загальні принципи управління частотами коливань резонаторів диференційного датчика полягають у наступному:

§ Вузол зміни частоти коливань резонатора управляє його жорсткістю та знаходиться у центрі мас коливальної системи резонатора;

§ Підвищується частота резонатора з більшою чутливістю до вимірювальної щільності рідини, а зменшується частота резонатора з меншою чутливістю до щільності;

§ Бажано управляти частотою тільки одного резонатора;

§ Зусилля, що генеруються вузлом зміни частоти коливань повинні бути стабільними у часі і інваріантними до параметрів навколишнього середовища;

§ Вузол зміни жорсткості повинен управлятися частотне модульованим сигналом.

На рис. 3 наведена структурна ІВС з використанням диференційного датчика та керуванням частотами резонаторів.

Рис. 3. Структурна схема ІВС з диференційним датчиком та керуванням початковими частотами резонаторів: Р1,Р2 – резонатори диференційного датчика;ВКЖ1,ВКЖ2 – вузли керування частотами резонаторів шляхом зміни їх жорсткості; П- приймач коливань резонатора, ПС –підсилювач; З –збудник коливань резонатора; ПКРА –параметричний контур регулювання амплітуди коливань резонатора; ЗЧ1,ЗЧ2 –змішувачі частот коливань, НЧФ1,НЧФ2 –низькочастотні фільтри; КГ –кварцовий генератор; ДЧ –дільник частоти; КМ- комутатор частотно-модульованих сигналів;КЗ –канали зв’язку; ЗК1- перший канал звукової картки прямого перетворення частота-код або АЦП плати збирання даних ПЗД1; ЗК2- другий канал звукової картки зворотного перетворення код – аналог або ЦАП ; ПК- персональний комп’ютер; p - температура та щільність; f₁, f_{2, ,}f_д – частотно-модульовані сигнали резонаторів та диференційного датчика; ДДЩ –диференційний датчик щільності; ПВП – проміжний вимірювальний перетворювач.

Робота ІВС аналогічна розглянутій на рис. 2. за винятком забезпечення виконання умов (1) при зміні діапазону виміру або точки повної компенсації впливу не інформативного параметра, через вузли зміни жорсткості (ВЗЖ1),(ВЗЖ2) резонаторів за частотно-модульованими сигналами які потрапляють від персонального комп’ютера через звукову картку (ЗК2) перед вимірюванням та зберігаються у пам’яті ВЗЖ1, ВЗЖ2 на протязі усього циклу вимірювань.

Структурний аналіз погрішності каналу ІВС з диференційними віброчастотними датчиками.

Застосуємо структурній метод [6] визначення точності вимірювального каналу ІВС та визначимо внесок кожного ланки у формування загальної погрішності каналу.

Представимо вимірювальний канал у виді семи ланок рис. 4.

Рис. 4. Структурна схема вимірювального каналу ІВС. 1-диференційний датчик; 2- кварцовий генератор з дільником частоти; 3- змішувач із фільтром; 4- комутатор частотних сигналів; 5-канали зв’язку; 6- звукова картка у режимі перетворення частота-код; 7-персональний комп’ютер; — дійсне значення вимірювальної щільності і значення щільності яке видає комп’ютер.

Перша ланка — диференційний датчик, який крім двох резонаторів з системами порушення автоколивань утримує змішувач частот з фільтром. Ланка введена у схема для врахування погрішностей котрі виникають при зміні температури, тиску, швидкості течії рідини через датчик, струсах вібраціях, напруги живлення. Вихідним параметром ланки є частота .

Друга ланка — кварцовий генератор введений для врахування нестабільності його частоти. Вихідним параметром є частота .

Третя ланка — змішувач частот із фільтром, у якій від частоти датчика віднімається поділена на частота кварцового генератора Ланка введена для врахування погрішності.. Вихідним параметром є частота .

Четверта ланка — комутатор частотних сигналів. Вихідним параметром є частота .

П’ята ланка— канал в’язку. Вихідним параметром є частота .

Шоста ланка — звукова картка, яка здійснює перетворення частота-код. Замінює перетворювач аналог-цифра або цифра-аналог. Вводиться для врахування погрішності, яку вносить у виміри. Вихідним параметром є 16 розрядний код .

Сьома ланка – персональний комп’ютер, якій здійснює візуалізацію частоти за допомогою віртуального частотоміра, візуалізацію щільності або масової концентрації рідини, або положення границі розподілу рідин або рідини та газу у залежності від вимірювального каналу. Усі модальні вікна програми генеруються за допомогою типових компонентів LabVIEW по аналогії із методикою викладеною у [7].

Оцінку погрішності проведемо для диференційного датчика щільності (перша ланка) дизельних палив на основі двох трубчастих камертонних резонаторів розрахованих на компенсацію погрішності від зміни температури, тиску та швидкості течії рідини за методикою [8]. Датчик щільності має наступні параметри [8c.192]: , ,, діаметр проточного каналу резонаторів ,чутливість диференційного датчика ,, параметри вимірювальної рідини (дизельного палива): .

Середнє значення температурного коефіцієнту частоти датчика , а коефіцієнту впливу тиску та швидкості течії рідини відповідно .

Погрішність від зміни температури на від до дорівнює:

Погрішність від зміни надлишкового тиску рідини на 2,5 МПа від 0 до 2,5 МПа та швидкості течії рідини на 3 м/с від 0 м/с до 3 м/с, які спричиняють зміни повздовжніх зусиль що діють на резонатори , де , - маса одиниці довжини рідини у резонаторі та площа проточного каналу резонатора, дорівнює:

Датчик не розраховувався на лінеаризацію функції перетворення, тому розрахунок щільності за градуйованою характеристикою здійснюється у сьомій ланці.

Враховуючи використання у датчику параметричних контурів регулювання амплітуди коливань автоколивальна система не вносить додаткової погрішності у виміри аналогічно не вносить додаткової погрішності і зміни живлення підсилювачів при зміні напруги у мережі . Не корельовані випадкові погрішності , додаються за правилом:

Приведемо погрішність диференційного датчика до входу, та визначимо приведену погрішність

Диференційний датчик щільності суспензії вапняку на основі двох трубчастих прямолінійних резонаторів один з яких працює на другий моді а інший на першій моді малих згинаючих коливань, розрахований із умов компенсації температурної погрішності та погрішності лінійності (суспензія рухається без надлишкового тиску) має наступні параметри: , ,, діаметр проточного каналу резонаторів ,чутливість диференційного датчика ,, параметри вимірювальної рідини (суспензія вапняку): .

Середнє значення температурного коефіцієнту частоти датчика , а коефіцієнту впливу швидкості течії рідини відповідно .

Погрішність від зміни температури на від до дорівнює:

Погрішність від зміни швидкості течії рідини на 3 м/с від 0 м/с до 3 м/с, , які спричиняють зміни повздовжніх зусиль що діють на резонатори , де - маса одиниці довжини рідини у резонаторі, дорівнює:

Погрішність від апроксимації нелінійної функції перетворення лінійною дорівнює:

Не корельовані випадкові погрішності ,, додаються за правилом:

Приведемо погрішність диференційного датчика до входу, та визначимо приведену погрішність

Для другої ланки із частоти квартового генератора для датчика щільності дизельного палива треба віднімати 920 Гц, обираємо цілий коефіцієнт дільника частоти - 11, нестабільність частоти 10^-5, погрішність дорівнює:

Для другої ланки із частоти квартового генератора для датчика щільності суспензії вапняку треба віднімати 1091 Гц, обираємо цілий коефіцієнт дільника частоти - 10, нестабільність частоти 10^-5, погрішність дорівнює:

Третя, четверта та п’ята ланки не вносять погрішностей у виміри, тому що через комутатор та канали зв’язку частотно-молульваний сигнал передається без змін.

Шоста ланка є звуковою карткою, наприклад Crystal Sound Fusion, яка вносить погрішність у діапазоні до 10 КГц не більш 0,1%.. Так зміна частоти датчика щільності дизельного палива 70 Гц, а зміна частоти датчика щільності суспензії вапняку 189 Гц, відповідно погрішність звукової картки дорівнює:

У сьомій ланці для датчиків щільності дизельного палива або суспензії вапняку комп’ютер вирішує наступні рівняння відносно вимірювальної щільності:

(6)

(7)

Рівняння (6) може бути вирішене з будь яким заданим ступенем точності, тому сьома ланка не вносить додаткової погрішності у виміри як для датчика щільності дизельного палива так і для датчика щільності суспензії вапняку.

Абсолютна погрішність [Гц] вимірювального каналу щільності дизельного палива складає:

(8)

Приведена до входу з урахуванням діапазону виміру відносна погрішність [%] вимірювального каналу щільності дизельного палива складає:

Абсолютна погрішність [Гц] вимірювального каналу щільності суспензії вапняку складає:

(9)

Приведена до входу з урахуванням діапазону виміру відносна погрішність [%] вимірювального каналу щільності суспензії вапняку складає:

Аналізуючи співвідношення (8) можна зробити висновок, що основну долю погрішності складає датчик та звукова картка, враховуючи що датчик оптимально спроектований, а звукова картка вносить погрішність у двічі більшу за датчик при необхідності підвищити точність виміру її можна замінити на плату збирання даних (ПСД), наприклад PCL-711B фірми Advantech , не значно дорощу за звукову картку але з погрішністю 0,01% на порядок меншою, тоді погрішності каналу виміру щільності дизельного палива складатимуть:

Таким чином отримуємо точність хроматографічного аналізу на потоці дизельного палива у звичайних умовах експлуатації з різкими змінами температури на та тиску на 2,5 МПа.

Аналізуючи співвідношення (9) для каналу виміру щільності суспензії вапняку, можна зробити висновок, що основну долю погрішності складає погрішність лінійності. Зменшити цю складову можна скоротивши діапазон виміру з 2000 кг/м³ до 1500 кг/м³ , тоді

Така точність при вимірі щільності суспензії вапняку достатня, але при необхідності функцію лінеаризації можна перекласти на сьому ланку та погрішність взагалі виключити, але без комп’ютера при використанні тільки цифрового частотоміра лінеаризація у датчику може бути доцільною, крім того при великій кількості каналів це може розвантажити комп’ютер.

Висновки:

1. Побудова ІВС на основі диференційних віброчастотних датчиків складу і властивостей рідких та газоподібних речовин з компенсацією впливу температури і тиску безпосередньо у датчику без використання додаткових вимірювальних перетворювачів температури і тиску та з використанням у ланцюгу автогенераторів параметричних контурів регулювання амплітуди коливань механічних резонаторів дозволяє забезпечити високу точність вимірювальних каналів та спростити апаратну і програмну реалізацію ІВС;

2. Використання принципу керування величиною відношення частот механічних резонаторів диференційних віброчастотних датчиків контролю та виміру властивостей рідких та газоподібних дозволяє створювати гнучкі ІВС з адаптацією до умов вимірів.

Літературні джерела:

1. Диференційний віброчастотний метод вимірювання щільності газів, рідин та дисперсних систем /Ю.К.Тараненко//Вопр. химии и хим. технологии . — 2006. — № 3 с.201-203

2. Красивская М .И ., Простомолотов А .С ., Скачко Н .Ю . Мобильные персональные компьютеры в виртуальных частотно-цифровых средствах измерений // Сборник . трудов. РНТОРЭС им . А .С . Попова . Научная . сессия посвящённая дню Радио . – 2005. – Вып. . IX-1. – С . 259-260.

3. Методика проектування оптимальних диференційних датчиків щільності рідини та концентрації дисперсних систем /Ю.К.Тараненко//Вопр. химии и хим. технологии . — 2006. — № 4 с.211-214

4. Диференційний метод виміру щільності рідин, газів та дисперсних систем/Ю.К.Тараненко// Вісник Національного технічного університету "КПІ". Серія: Приладобудування. — 2006. — № 32 с. 47-55

5. Тараненко Ю.К. и др. Вибрационно-частотный плотномер компенсационного типа.— Вопросы химии и химической технологии, 1983, вып. 73 с.99-103

6. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств. М., Машиностроение, 1976,— 311 с.

7. Разработка интеллектуализированных измерительных систем в среде LabVIEW: МУ к ПЗ / Моск. гос. ин-т электроники и математики ; Сост .: Ю .В . Скачко , М .И . Красивская и др . М ., 2005.

8. Компенсація температурної похибки та похибки від зміни швидкості та тиску рідини у диференційних поточних віброчастотних датчиків густини нафтопродуктів /Ю.К.Тараненко //Вопр. химии и хим. технологии. — 2006. — № 6 с.187-192

Автори: Петренко О.М

Тараненко Ю,К.