Дисертація є рукописом
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КІСІЛЬ Тетяна Юріївна
УДК 681. 2. 08
ультразвуковий метод, п’єзоелектричні перетворювачі та пристрої контроля в’язкості рідини підвищеної точності для систем керування
05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки і систем керування
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса – 2003
Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті
Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник доктор технічних наук, професор Шарапов Валерій Михайлович, Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедрою компютеризованих та інформаційних технологій в приладобудуванні.
Офіційні опоненти доктор фізико-математичних наук, професор
Курмашев Шаміль Джамашевич, Одеський національний університет ім. І. І. Мечникова, директор експертного центру “Сенсорна електроніка”.
кандидат технічних наук, доцент кафедри інформаційних систем Глазєва Оксана Володимирівна, Одеський національний політехнічний університет;
Провідна установа: Вінницький державний технічний університет, Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматики і інформаційно-вимірювальної техніки, м. Вінниця.
Захист відбудеться “11” грудня 2003 р. о 1330 год. в ауд. 400А на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий “8” листопада 2003 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, Ямпольський Ю.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Робота присвячена актуальним питанням вдосконалення відомих та створення нових п'єзоелектричних перетворювачів (ПП), зокрема, п'єзоелектричних перетворювачів в'язкості рідини.
Розвиток автоматичних систем керування та обчислювальної техніки підвищив вимоги, що ставляться до п'єзоелектричних перетворювачів. Знадобилися нові перетворювачі, і зросли вимоги до вже відомих.
Від характеристик перетворювачів значною мірою залежать точність і надійність роботи систем керування і регулювання, приладів контролю технологічних процесів, навколишнього середовища, безпека роботи ядерних, теплових, хімічних установок, тому роботи зі створення нових і вдосконалення відомих перетворювачів є дуже актуальними.
Протягом останніх десятиліть досягнутий певний прогрес у даній області і, як наслідок, була створена значна кількість різних типів п'єзоелектричних перетворювачів, у тому числі, в'язкості рідини.
Параметрами перетворювача, що у багатьох випадках мають найбільш суттєве значення, є його чутливість, робочий діапазон контролю і похибка контролю фізичної величини.
Тому роботи з розширення діапазону контролю і підвищення точності перетворювачів, вдосконалення методів контролю в'язкості є дуже актуальними.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота проводилася відповідно до прикладних держбюджетних науково-дослідних робіт “Створення континуальних механіко-математичних моделей і основ аналізу функціональних параметрів і синтезу п'єзоелектричних перетворювачів поліморфного типу, у тому числі з аморфними й алмазоподібними плівками” (держ. реєс.№0100U004418) і “Розробка методів синтезу пєзокерамічних перетворювачів статичних і динамічних тисків, лінійних і вібраційних прискорень із заданими характеристиками” (держ. реєс. №103U003690).
Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є вдосконалення відомих і створення нових п'єзоелектричних перетворювачів в'язкості рідини.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
1.
Проаналізувати переваги та недоліки відомих методіві пристроїв для контролю в'язкості.
2.
Спростити алгоритм реалізації ультразвукового (УЗ) методу контролю в'язкості рідини.
3.
Розширити діапазон контролю в'язкості рідини.
4.
Підвищити точність п'єзоелектричних перетворювачів в'язкості рідини.
Об'єкт дослідження - п'єзоелектричні перетворювачі фізичних величин.
Предмет дослідження – ультразвуковий метод, п'єзоелектричні перетворювачі, пристрої контролю в'язкості рідини.
Методи дослідження. Для розвязання поставленої задачі використовувалися методи лінійної теорії електропружності, теорія коливань, хвильова теорія, фізика твердого тіла, гідродинаміка, теорія п'єзоелектричних перетворювачів, комп'ютерна програма Electronics Workbench 5.12, математична статистика, експериментальні методи досліджень.
Наукова новизна отриманих результатів:
Наукова новизна полягає в наступному:
1.
Одержав подальший розвиток ультразвуковий метод контролю в'язкості, зокрема, розроблений новий метод контролю в'язкості рідини за допомогою п'єзоелектричних трансформаторів, який полягає у контролі числа вільних коливань перетворювача, що перевищують фіксований рівень. Побудована і досліджена математична модель п'єзоелектричного перетворювача при його взаємодії з рідиною, на підставі чого вперше встановлено, що число затухаючих коливань п'єзоелектричного перетворювача залежить не тільки від величини внутрішнього тертя в матеріалі перетворювача, але і від величини в'язкості рідини та глибини занурення в рідину.
2.
Вперше встановлено, що використання в п'єзоелектричних перетворювачах стрижневих і фокусуючих ультразвукових концентраторів коливальної швидкості дозволяє розширити діапазон контроля в'язкості. Встановлено, що в зонах концентратора, де існують максимальні амплітуди коливань, у рідинах з малою в'язкістю виникають кавітаційні пухирці, що спотворюють результати контроля в'язкості.
3.
Вперше отримана формула для визначення затухань коливань в залежності від в'язкості рідини.
4.
Вперше встановлено, що для підвищення точності контроля в'язкості необхідно розділити коливний перетворювач на дві, з'єднані твердою тягою, частини – зонд, що рухається в рідині, і власне вібратор, що приводить у рух зонд. Установлено, що лінійна швидкість руху зонда (отже, частота й амплітуда коливань) повинна вибиратися такою, щоб число Рейнольдса було б значно менше критичного значення (Re2300).
Практична цінність отриманих результатів полягає в такому:
1.
Результати досліджень, розроблені методи і пристрої розширили науково-технічну базу для проектування п'єзоелектричних перетворювачів в'язкості рідини.
2.
Розроблений метод контроля в'язкості за допомогою п'єзоелектричних перетворювачів дозволяє спростити процедуру контролю.
3.
Використання в якості вібратора концентраторів різних типів дозволило розширити діапазон контролю в'язкості.
4.
Використання заглибних зондів дозволило виключити ультразвукові втрати в середовище і підвищити точність контролю в'язкості рідини.
5.
Досліджені перетворювачі можуть бути використані в промисловості, зокрема на НПК “Фотоприлад” і в ОАО “Укрпєзо” (м. Черкаси), а також використовуються в навчальному процесі в курсі дисципліни “Перетворюючі пристрої приладів” у Черкаському державному технологічному університеті.
6.
Розроблений метод вимірювання в'язкості може бути адаптований для вимірювання фактичної площі контакту – важливої дисипативної характеристики механічного контакту.
Особистий внесок здобувача. Автором проведений інформаційно-патентний пошук та обрані методи теоретичних та експериментальних досліджень. За результатами роботи опубліковано 33 праці, з них 3 [4, 18, 19] індивідуальні.
В роботах [1 - 4] автор запропонував новий метод контролю в'язкості за допомогою п'єзоелектричних трансформаторів шляхом контролю числа коливань, що перевищують фіксований рівень, провів експериментальні дослідження.
В роботах [5 - 17] автор запропонував ідею, теоретично ії обґрунтував, провів експериментальні дослідження.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 8 науково-технічних міжнародних і республіканських конференціях:
·
Міжнародна конференція "Датчик -99" (Москва-Гурзуф, 1999);
·
9-th National Scientific Symposium with international participation "Metrology and Metrology Assurаnce' 99" (Sozopol, Bulgaria, 1999);
·
1-й Міжнародний радіоелектронний форум "Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку "МРФ-2002"" (Харків, 2002);
·
Міжнародна науково-технічна конференція "Приладобудування 2002" (Вінниця-Алупка, 2002);
·
IV Міжнародна науково-технічна конференція "СИЭТ-2003" (Одеса, 2003);
·
V Міжнародна науково-технічна конференція "АВИА-2003" (Київ, 2003);
·
Міжнародна науково-практична конференція „Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2003);
·
VII Міжнародний симпозіум "Fluid Control, Measurement and Vizualization"(Sorrento, Italy,2003).
·
ІІ-га науково-технічна конференція “Приладобудування 2003: стан і перспективи” (Київ, 2003).
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 33 основних наукових працях, з них 3 індивідуально, у тому числі в 5 статтях у журналах і збірниках, затверджених ВАК України:
-
3 статті в журналі "Вісник Черкаського державного технологічного університету";
-
1 стаття в журналі “Вісник технічного університету Поділля” (Хмельницький, 2003);
-
1 стаття в журналі “Оптимізація виробничих процесів” (СГТУ, Севастополь),
а також 2 статті в журналі "Вісник Вінницького державного сільськогосподарського інституту" (Вінниця), у 8 статях і доповідях на міжнародних конференціях в Україні, Росії, Болгарії, Італії; у 2 патентах України на винаходи, а також у 16 рішеннях про видачу патентів.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновків. Дисертація містить 136 сторінок, 47 рисунків, 2 таблиці, посилання на 104 джерела і 3 додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність напрямку дослідження, сформульовані мета і задачі дослідження, відображені наукова новизна і практична цінність роботи, наведені дані про апробацію, публікації і використання результатів дослідження.
У першому розділі подано огляд відомих методів і перетворювачів в'язкості рідини. Оцінено їх переваги і недоліки. Найбільший інтерес для автоматизації і комп'ютеризації процесу контролю становлять ультразвуковий метод і перетворювачі для його реалізації – кварцові і магнітострикційні. Визначено їх недоліки - малу коливальну потужність кварцових, великі габарити, вагу й енергоспоживання магнітострикційних перетворювачів.
Сформульовано мету і задачі дослідження.
У другому розділі побудована і досліджена математична модель п'єзоелектричного перетворювача, запропонований новий ультразвуковий метод контролю в'язкості за допомогою п'єзоелектричних трансформаторів.
Розглянуто випадок, коли в рідині робить коливання плоска п'єзоелектрична пластинка. Параметри коливань такої пластинки залежать від властивостей середовища, зокрема від в'язкості рідини. Пластинка збуджує в середовищі поперечні коливання, поляризовані в площині пластинки (рис. 1).
Рис. 1. До теорії ультразвукового методу:
1 – пєзоелектрична пластинка; 2 – посудина;
3 – досліджувана рідина
Поверхневе гальмування пластинки середовищем визначається імпедансом середовища:
, (1)
де - імпеданс середовища; - х-компонента напруги, діюча на площадку, перпендикулярну осі ; - зсув пластинки уздовж осі Х..
Розглянуто випадок, коли сила тертя пропорційна швидкості, (тобто в’язке тертя). Це припущення являє собою ідеалізацію законів тертя, але справедливе для багатьох рідин.
Рівняння руху при даному припущенні про закони тертя має вигляд
, (2)
де - коефіцієнт тертя, тобто сила тертя для швидкості, що дорівнює одиниці; , - щільність речовини пластинки; - товщина пластинки; .
Позначаючи , отримаємо рівняння (2) в вигляді
. (3)
Рішення цього рівняння має вигляд
, (4)
де і - корені квадратного рівняння.
. (5)
На базі методу електромеханічних аналогій п’єзоелектричну пластинку можна уявити у вигляді послідовного електричного коливального контуру. Такий контур, як відомо, підпорядковується рівнянню:
, (6)
де - заряд на обкладках конденсатора.
При коливальному русі складова розвязання, що описує перехідний процес, має вигляд
, (7)
де - показник затухання; - частота власних коливань; - кількість електрики на еквівалентному конденсаторі.
Звідси очевидно, що перехідний процес являє собою затухаючі коливання з власною (резонансною) частотою п’єзоелемента і показником затухання , де - еквівалентна індуктивність; - активний опір, що характеризує втрати в п’єзоелементі (внутрішнє тертя) , втрати на випромінювання і в’язке тертя (в’язкість рідини) .
Якщо забезпечити сталість і , про величину в’язкості можна судити по затуханню коливань.
Автором було запропоновано використовувати п’єзоелемент 2 із двома системами електродів 6, 7 (п’єзотрансформатор): на одну систему електродів подаються електричні імпульси, а до другої підключається лічильник (рис. 2).
Рис. 2. Пристрій контролю вязкості рідини:
1 – генератор електричних коливань; 2 – п’єзотрансформатор; 3 – лічильник; 4 – посудина; 5 – рідина; 6 – вхідна система електродів; 7 – вихідна система електродів
Число вільних коливань N0 від початкової амплітуди А до амплітуди а можна визначити з виразу
, (8)
де - резонансна частота; - фіксований рівень.
Після простіших перетворювань отримаємо:
N0=. (9)
Число коливань за секунду
, (10)
де - частота проходження імпульсів;
Звідси випливає, що по числу затухаючих коливань N, які перевищують фіксований рівень , можна зробити висновок про в’язкість рідини. Характер та тип коливань, що збуджуються, залежить від геометрії п’єзоелемента, його кріплення, направлення поляризації та ін.
На рис. 3 зображені осцилограми затухаючого процесу в п’єзотрансформаторі з п’єзокераміки ЦТС-19 діаметром 15 и довжиною 40 мм в повітрі (а) та при зануренні у воду (б), що ілюструють запропонований метод.
Рис. 3. Осцилограми затухаючого процесу в пєзотрансформаторі
Як показали експерименти, затухання коливань залежить від глибини занурення (рис. 4), тому для забезпечення необхідної точності контролю необхідно фіксувати глибину занурення.
Рис.4. Залежність числа коливань від глибини занурення вібратора
Комп’ютерне моделювання перетворювача виконано за допомогою програми Electronics Workbench 5.12 (EWB 5.12) для схеми, зображеної на рис. 5.
Рис. 5. Модель п’єзоелектричного перетворювача:
1 – генератор імпульсів; 2 – частотомір; 3 – осцилограф
Моделювання проводилось при довжині збуджуючого імпульса 0,1 мс, період проходження – 15 мс, встановлено вплив в’язкості рідини на затухаючий процес.
Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) (а) та фазочастотна характеристика (ФЧХ) (б), зображені на рис. 6, а затухаючий коливальний процес залежно від опору резистора (тобто в’язкості) - на рис. 7.
Рис. 6. Амплітудно-частотна (а) і фазочастотна характеристики (б) в моделі п’єзоелектричного перетворювача
Рис. 7. Затухаючі коливання в перетворювачі:
а) R=75 Ом; б) R=100 Ом; в) R=200 Ом; г) R=300 Ом; д) R=500 Ом; е) R=1000 Ом
У третьому розділі досліджена можливість використання ультразвукових концентраторів у п’єзоелектричних перетворювачах в’язкості рідини для підвищення потужності коливального процесу і, отже, розширення діапазону контролю в’язкості. Концентратор можна розглядати як стрижневу резонансну систему зі змінними сталими. У реальних умовах зміна хвильового опору уздовж довжини стрижневої системи може бути забезпечена зміною площини поперечного перетину.
Хвильове рівняння стрижневої системи:
, (11)
де - площа перетину; - швидкість поширення пружної хвилі в обмеженому середовищі (системі); - амплітуда коливальної швидкості.
Розвязок хвильового рівняння має вигляд:
, (12)
де - фазова швидкість поширення хвилі уздовж експоненціальної стрижневої системи; - коефіцієнт зміни хвильового опору; .
Значення зосереджених еквівалентних сталих стрижневої системи з вільним кінцем довжиною поблизу резонансу можуть бути визначені по формулах Мезона.
Еквівалентна маса
, (13)
де - площа перетину широкого кінця; - площа перетину вузького кінця; - довжина хвилі; - модуль Юнга.
Еквівалентна гнучкість:
. (14)
Використання виразів для зосереджених еквівалентних сталих значно спрощують розрахунки концентраторів, що несуть на своєму кінці робочий інструмент - зонд.
Варіант реалізації перетворювачів із східчастим концентратором показаний на рис. 8.
Рис. 8. Пристрій контрлю в’язкості рідини:
1 – генератор електричних коливань; 2 – дисковий п’єзотрансформатор; 3 – східчастий концентратор; 4 – вхідна система електродів; 5 – вихідна система електродів; 6 – лічильник; 7 – посудина; 8 - рідина
Дослідження цього пристрою показали, що він дозволяє контролювати в’язкість рідин із великою в’язкістю (масел, гліцерину та інш.).
Показання цього пристрою залежать від глибини занурення концентратора в рідину. Для рідин з малою в'язкістю (вода, спирт, ацетон, толуол та ін.) чутливість перетворювача мала. Крім того, у торця концентратора утворюються кавітаційні пухирці, що спотворюють результати вимірювань. Крім стрижневих концентраторів (східчастих, експонентних, гауссових та ін.) у пристроях запропоновано використовувати фокусуючі, зокрема, циліндричні (рис. 9).
Рис. 9. Пристрій контролю вязкості рідини:
1 – генератор електричних коливань; 2 – циліндричний пєзоелемент; 3 – вхідна система електродів; 4 – вихідна система електродів; 5 – лічильник колебаний; 6 - жидкость
Нехтуючи дифракційними ефектами і малоамплітудним поглинанням, урахування якого дає звичайно лише несуттєві виправлення, будемо вважати, що від внутрішньої поверхні циліндричного концентратора до поверхні циліндра радіусом r усередині концентратора поширюється циліндрична збіжна хвиля, яка приблизно описується виразом:
siny, (15)
де - швидкість хвилі; - амплітуда коливальної швидкості хвилі; - радіус циліндричної поверхні; - частота хвилі; , - швидкість звуку на низьких частотах; - час.
Вираз для граничної швидкості у фокусі системи, до якої асимптотично наближається величина швидкості у фокусі при збільшенні напруги на пєзоелементі
vф гр=, (16)
де - коефіцієнт підсилення по швидкості; , - дійсна частина, що визначає суму хвилі; - уявна частина, що визначає коефіцієнт поглинання.
Таким чином, усередині п'єзоелектричного циліндра концентрується енергія, що надає руху рідині. Як показали експерименти, це дозволило розширити діапазон вимірювання в'язкості.
Ще два варіанти перетворювачів з концентраторами зображені на рис. 10.
У першому випадку (рис. 10 (а)) використовується концентратор з змінним за експонентним законом перетином. На рис. 10 (б) зображений перетворювач зі східчастим концентратором з порожнім ступенем меншого перетину.
Рис. 10. Пристрій контролю вязкості рідини:
1 – генератор електричних коливань; 2 – вібратор у вигляді дискового пєзоелемента; 3 – вхідна система електродів; 4 – вихідна система електродів; 5 – порожній концентратор; 6 – рідина; 7 - лічильник
В четвертому розділі розглянута можливість підвищення точності контролю в'язкості шляхом:
- поділу коливального перетворювача на дві, з'єднані твердою тягою, частини – зонд, що рухається в рідині, і власне вібратор, що приводить у рух зонд;
- виключення безпосереднього контакту випромінювача (вібратора) з рідиною;
- застосування вібраторів, що забезпечують зворотно-поступальний рух зонда;
- застосування перетворювачів і концентраторів крутильних коливань із зондами у вигляді тіл обертання
Вивчено процеси, що відбуваються при обтіканні рідиною тіл різної форми (пластинки, куля, циліндр, тощо) при різній їх орієнтації щодо потоку рідини. Досліджувалися напрямки потоків, розподіл тисків біля зонда, характер руху рідини (ламінарний чи турбулентний), утворення кавітаційних пухирців. Наприклад, на рис. 11 показані розподіли потоків рідини при обтіканні циліндра. Встановлено, що для підвищення точності контролю необхідно забезпечити ламінарний режим обтікання рідини, тобто щоб число Рейнольдса було значно менше критичного (Re2300) і були відсутні кавітаційні пухирці. Ці вимоги можна задовольнити двома способами.
Рис. 11. Розподіл рідини при обтіканні циліндра
У першому випадку як зонд, що рухається в рідині, використовується тонка пластинка з загостреними торцями (рис. 12).
Рис. 12. Зонд у вигляді пластинки
У другому випадку використовуються тіла обертання (куля, циліндр, еліпсоїд), що приводяться в рух п'єзоелектричним перетворювачем з концентратором крутильних коливань.
Два варіанти пристроїв з зондом показані на рис. 13, 14.
В якості вібратора можуть застосовуватися ультразвукові концентратори, що роблять подовжні чи крутильні коливання (рис. 13).
Рис. 13. Пристрій контролю вязкості:
1 – пєзоелемент; 2 – концентратор крутильних коливань; 3 – зонд; 4 – жорстка тяга; 5 – посудина; 6 – рідина; 7 – генератор електричних коливань; 8 - лічильник
У запропонованих пристроях можуть використовуватися асиметричні біморфні пєзоелементи, що роблять згинальні коливання. (рис. 14).
Рис. 14. Пристрій контролю вязкості:
1 – генератор електричних коливань; 2 – асиметричний біморфний пєзоелемент; 3 – зонд; 4 – жорстка тяга; 5 - посудина; 6 – рідина; 7 – лічильник; 8 – вхідна система електродів; 9 – вихідна система електродів
ВИСНОВКИ
1. Проведені дослідження, спрямовані на вдосконалення п'єзоелектричних перетворювачів, використовуваних у системах автоматичного керування, обчислювальній техніці, приладобудуванні, вимірювальній техніці, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі ціль може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні і достовірні методи досліджень. Розроблені методи і пристрої використовуються в промисловості і навчальному процесі.
2. Результати досліджень, розроблені методи і пристрої розширили науково-технічну базу для проектування п'єзоелектричних перетворювачів в'язкості рідини.
3. Розроблений і досліджений новий ультразвуковий метод контролю в'язкості шляхом порушення в п'єзоелектричному трансформаторі затухаючих коливань і контролю числа коливань, що перевищують фіксований рівень. П'єзоелектричні перетворювачі можуть використовуватися для контроля в'язкості тільки до того моменту, коли коливальний процес у них переходить в аперіодичний (тобто при ). Встановлено, що затухання коливань у п'єзоелектричному перетворювачі залежать не тільки від в'язкості рідини, але і від величини ультразвукових втрат у рідину, тобто від глибини занурення в рідину вібратора.
4. Вперше в п'єзоелектричних перетворювачах в'язкості використані ультразвукові концентратори, що дозволяє розширити діапазон контролю в бік великих вязкостей. Для розширення діапазону контролю в'язкості необхідно збільшувати енергію коливального процесу. При роботі концентратора в повітрі в концентраторі виникає стояча хвиля. При переміщенні концентратора в рідину з'являється біжуча хвиля, яка обумовлює ультразвукові втрати. Також встановлено, що показання перетворювача залежать від глибини занурення концентратора в рідину та від рівня рідини в порожнинах порожніх концентраторів. В зонах концентратора, де існують максимальні амплітуди коливань, у рідинах з малою в'язкістю виникають кавітаційні пухирці, що спотворюють результати контролю в'язкості.
5. Вперше для зменшення похибки контролю, обумовленої ультразвуковими втратами на випромінювання, перетворювач було розділено на власне вібратор і з'єднаний з вібратором жорсткою тягою зонд, що рухається в рідині. Найбільш ефективним є зонд у вигляді полірованої пластинки з загостреними крайками, гальмування якого в рідині залежить тільки від її в'язкості. Лінійна швидкість руху зонда (отже, частота й амплітуда коливань) мають вибиратися такими, щоб число Рейнольдса було значно менше критичного значення (Re2300). В якості вібратора в запропонованих перетворювачах можуть використовуватися асиметричні біморфні пєзоелементи, які роблять згинальні коливання. Також в якості вібратора можуть застосовуватися також ультразвукові концентратори, що роблять подовжні чи крутильні коливання.
6. Запропонований метод контролю в'язкості по числу затухаючих коливань, що перевищують фіксований рівень, може бути адаптований для контролю фактичної площі контакту – важливої дисипативної характеристики механічного контакту.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Шарапов В.М., Кисиль Т.Ю. Ультразвуковой метод измерения вязкости жидкости // Вісник Черкаського державного технологічного університету – 2002. - №3. - С.17-21.
2. Шарапов В.М., Кисиль Т.Ю. Об одном способе измерения фактической площади контакта // Вісник Черкаського державного технологічного університету –2002. - №2. - С.84-87.
3. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Кисиль Т.Ю Исследование симметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей// Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2001. - №2. - С. 33-38.
4. Кисиль Т.Ю. Измерение вязкости жидкости с помощью асимметричных биморфных пьезоэлементов. // Оптимизация производственных процессов. – СевГТУ, Севастополь. - 2002 - №6 – С. 20-25.
5. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезодатчики контрольно-измерительных систем // Вісник Технологічного університету Поділля. – 2003. - №3. – С. 149-152.
6. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Чудаева И.Б., Кисиль Т.Ю., Сарвар И. Пьезоэлектрические преобразователи давления на акустически связанных резонаторах // Вестник Винницкого государственного сельскохозяйственного института. – Винница, 1999.-С.118-121.
7. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Кисиль Т.Ю., Коваль В.В., Столяр В.Ф. Прибор для комплексной ректальной и вагинальной электротерапии // Вестник Винницкого государственного сельскохозяйственного института. – Винница, 1999.-С.126-129.
8. Патент № 33849. Украина. Ректальний електрод / Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Кисиль Т.Ю., Коваль В.В., Столяр В.Ф., 1999.
9. Патент № 33850. Украина. Ректальний електрод / Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Кисиль Т.Ю., Коваль В.В., Столяр В.Ф., 1999.
10. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Кисиль Т.Ю. Об одном методе измерения фактической площади контакта// Сборник научных трудов Международной научной конференции “Приборостроение 2002”, С.227-228.
11. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. К вопросу линеаризации амплитудно-частотных характеристик пьезокерамических преобразователей // Труды ІV Международной НПК “СИЭТ-2003”. – Одесса, 2003. - С.54-56.
12. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю Доменно-угловой диссипативный пьезокерамический преобразователь // Праці ІІ-ї НТК “Приладобудування 2002: підсумки і перспективи”. – Київ, 2003. - С.31-34.
13. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю Пьезокерамические преобразователи для авиационных информационно-измерительных систем // Труды V Международной научно-технической конференции “АВИА - 2003”. – Киев, 2003. - С.28-30.
14. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Сарвар И., Кисиль Т.Ю.,Чудаева И.Б., Мусиенко М.П. Трехкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр // Труды Межд. конф. “Датчик- 99” Москва – Гурзуф, 1999. - С. 175-176.
15. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Сарвар И., Мусиенко М.П., Чудаева И.Б., Кисиль Т.Ю. Пьезоэлектрический датчик механических величин с усилителем заряда //
9-th National Scientific Symposium with international participation "Metrology And Metrolodgy Assurance ’99" (Sozopol, Bulgaria, 1999).-С. 98-100.
16. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Сарвар И.. Мусиенко М.П., Чудаева И.Б., Кисиль Т.Ю. Прибор для комплексной электротерапии // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.-1999.- С. 52-53.
17. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Ротте С.В., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезоэлектрические преобразователи физических величин // Сборник научных трудов по материалам 1-го Международного радиоэлектронного форума “Прикладная радиоэлекторника. Состояние и перспективы развития” МРФ-2002 – Харьков, 2002. – С. 482-485.
18. Патент України по заявці №2002108336 від 22.10.2002 Спосіб вимірювання вязкості рідини. / Кісіль Т.Ю.
19. Патент України по заявці №2002108658 від 23.12.2002 Пристрій для вимірювання вязкості рідини. / Кісіль Т.Ю.
а також 14 рішень про видачу патентів.
Кісіль Т.Ю. Ультразвуковий метод, п'єзоелектричні перетворювачі та пристрої контроля в'язкості рідини підвищеної точності для систем контроля. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05. – елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.
Дисертаційна робота присвячена актуальним питанням вдосконалення відомих та створення нових п'єзоелектричних перетворювачів в'язкості рідини.
Побудована і досліджена математична модель п'єзоелектричного перетворювача. Запропонований новий ультразвуковий метод контролю в'язкості шляхом збудження в п'єзоелектричному пєзотрансформаторі затухаючих коливань і контролі числа коливань, що перевищують фіксований рівень. Встановлена залежність затухання коливань від глибини занурення, тому для забезпечення точності контролю необхідно фіксувати глибину занурення вібратора.
Досліджена можливість використання ультразвукових концентраторів у п'єзоелектричних перетворювачах в'язкості рідини для підвищення потужності коливального процесу і, отже, розширення діапазону контролю в'язкості.
Розглянута можливість підвищення точності конролю в'язкості шляхом поділу коливального перетворювача на дві, з'єднані жорсткою тягою, частини – зонд, що рухається в рідині, і власне вібратор, що приводить у рух зонд; виключення безпосереднього контакту випромінювача (вібратора) з рідиною; застосування вібраторів, що забезпечують зворотно-поступальний рух зонда.
Ключові слова: п'єзоелектричний перетворювач, в'язкість, ультразвуковий метод, концентратор.
Кисиль Т.Ю. Ультразвуковой метод, пьезоэлектрические преобразователи и устройства контроля вязкости жидкости повышенной точности для систем управления. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05. – элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2003.
Диссертационная работа посвящена актуальным вопросам совершенствования известных и создания новых пьезоэлектрических преобразователей вязкости жидкости.
От характеристик преобразователей в значительной мере зависят точность и надежность работы систем управления и регулирования, приборов контроля технологических процессов, окружающей среды, тепловых и химических установок, поэтому работы по созданию новых и совершенствованию известных преобразователей являются весьма актуальными.
В диссертации обоснована актуальность направления исследований, проведен обзор известных методов и преобразователей вязкости жидкости. Наибольший интерес для автоматизации и компьютеризации процесса контроля представляет ультразвуковой метод и преобразователи для его реализации – пьезоэлектрические и магнитострикционные. Определены их недостатки – малая колебательная мощность, большие габариты, вес и энергопотребление.
Построена и исследована математическая модель пьезоэлектрического преобразователя. Предложен новый ультразвуковой метод контроля вязкости путем возбуждения в пьезоэлектрическом пьезотрансформаторе затухающих колебаний и контроле числа колебаний, превышающих фиксированный уровень. Рассмотрен случай, когда в жидкости совершает колебания плоская пьезоэлектрическая пластина. Параметры колебаний такой пластинки зависят от свойств среды, в частности от вязкости. Пластинка возбуждает в среде поперечные колебания, поляризованные в плоскости пластинки.
Если обеспечить постоянство (потери в пьезоэлементе) и (потери на излучение), о величине вязкости можно судить по затуханию колебаний. Экспериментально установлено, что затухающий процесс в пьезотрансформаторе при погружении в воду существенно отличается от измерений в воздухе. Установлена зависимость затухания колебаний от глубины погружения, поэтому для обеспечения точности контроля необходимо фиксировать глубину погружения вибратора.
Исследована возможность использования ультразвуковых концентраторов в пьезоэлектрических преобразователях вязкости жидкости для повышения мощности колебательного процесса и, следовательно, расширения диапазона контроля вязкости.
Концентратор можно рассматривать как стержневую резонансную систему с изменяющимися постоянными. Предложено несколько вариантов реализации преобразователей со ступенчатым концентратором, цилиндрическим и др. Экспериментально установлено, что преобразователи вязкости с использованием концентраторов позволяют измерять вязкость жидкостей с большой вязкостью (масла, глицерина). Для жидкостей с малой вязкостью (вода, спирт, ацетон и др.) чувствительность преобразователя мала.
Рассмотрена возможность повышения точности контроля вязкости путем разделения колеблющегося преобразователя на две, соединенные жесткой тягой, части – зонд, движущийся в жидкости, и собственно вибратор, приводящий в движение зонд; исключения непосредственного контакта излучателя (вибратора) с жидкостью; применения вибраторов, обеспечивающих возвратно-поступательное движение зонда; применения преобразователей и концентраторов крутильных колебаний с зондами в виде тел вращения.
Изучены процессы, которые происходят при обтекании жидкостью тел различной формы (пластинки, шар, цилиндр и др.) при различной их ориентации по отношению к потоку жидкости. Исследовались направления потоков, распределение давлений возле зонда, характер движения жидкости (ламинарный или турбулентный), образования кавитационных пузырьков.
Установлено, что для повышения точности контроля необходимо обеспечить ламинарный режим обтекания жидкости (Re2300) и отсутствие кавитационных пузырьков. Эти требования можно удовлетворить двумя способами:
1) в качестве зонда, движущегося в жидкости, использовать тонкую полированную пластинку с заостренными торцами;
2) использовать тела вращения (шар, цилиндр, эллипсоид), которые приводятся в движение пьезоэлектрическим преобразователем с концентратором крутильных колебаний.
В качестве вибраторов могут применяться ультразвуковые концентраторы, совершающие продольные или крутильные колебания. Также в предлагаемых преобразователях могут использоваться асимметричные биморфные пьезоэлементы, совершающие изгибные колебания.
Ключевые слова: пьезоэлектрический преобразователь, вязкость, ультразвуковой метод, концентратор.
Кisil T.Y. Ultrasonic method, piezoelectric converters and devices of the control of viscosity of a liquid of the raised accuracy for control systems. - Manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.13.05. - elements both devices of computer facilities and control systems. The Odessa National Polytechnical University, Odessa, 2003.
To urgent questions of advancing of known piezoelectric transducers and creation of new piezoelectric transducers of viscosity of a liquid dissertation the activity is dedicated.
The mathematical model of a piezoelectric transducer is constructed and is studied. The new ultrasonic method of measurement of viscosity is encompass byes following: the damped oscillations in piezoelectric piezotransformer are excited, number of oscillations, which one exceed a fixed level, measure. The relation of an oscillation damping to a diving depth is established. The diving depth of the vibrator for maintenance of accuracy of measurements is necessary for fixing.
It is possible to use ultrasonic concentrators in piezoelectric transducers of viscosity of a liquid for increase of power of vibratory process, dilatings of measurement range of viscosity.
The converter can be sectioned into two parts: the vibrator, is adjoined to which one the probe on rigid link. The probe for increase of accuracy of measurements of viscosity moves in a liquid. The contact of the vibrator to a liquid is eliminated, vibrators, which one provide reciprocal motion of the probe are applied.
Keywords: a piezoelectric transducer, viscosity, ultrasonic method, concentrator.
