冲击振动式物料位计原理与实验研究

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1、冲击振动式物料位计原理与实验研究物料位测最，特别是固体物料的料位测量，由于被测对象的特殊物性，如粉尘，黏附，板结等作用，最佳的测量方法是非接触式测量。和比较超声波式和雷达式等非接触方法，虽然不直接与被测物料接触，但都需耍与物料上方介质接触，需耍物料上方介质具有对超声波或微波透明，完全非接触式测量方法具有完全不与被测物料，包括物料上方介质接触，具有更广泛的适应性和更高的可靠性。目前仅有两种完全非接触式测量方法：放射式和称重式。由于放射式料位计需要高能Y射线穿透被测容器，其运行中的安全防护■放射源的存

2、储等问题制约了这种方式的应用。称重式料位测量仪器対介质密度有直接的依赖，需要有已知且稳定的介质密度，这在液休测量屮也许是容易满足的条件，在固体介质的测量屮往往很难满足。由于需要测量整体容器的重疑，要求容器只有有限个钢结构支撐架，这也限制了仪器的安装条件。通过理论分析与实验研究，研制了一种以冲击与振动的方法进行测虽的新型料位计。作为一种新型的完全非接触式物料测量方法，不使用高能射线，没有放射污染，不依赖被测介质密度，对容器结构没冇要求，全部仪器安装于容器外部，与被测界面上下两种介质都不需接触，是一种

3、干净，方便，廉价，适用广泛的新型料位测量的方法。测量原理测量的基本原理是通过容器外部的激振器产生适当的能虽波，经过传播后，携带容器内界面情况的信息，被传感器所接收，通过分析波的特征，得到界血信息。能最波可以选择电磁波或机械波。电磁波只有频率足够高才有足够能量穿透容器（特别是金属容器），也就是冃前已经使用的放射料位计中的丫但是较鬲频率的机械波穿透能力差，如超声式料位计就必须安装于容器内部，虽然称为非接触式测量，只是与被测界而两介质屮的一种不接触，仪器需要在另一种介质中发射与接收超声波，这就要求这种介

4、质具冇超声透明的特性。也许这种方式应当称为半接触式测虽:。为了能够进行完全非接触测量，选择使用低频机械波，可以从容器外壁产生与接收，不但容易产生，容易检测，而口容器及被测介质对波的衰减小，在大量程时这一点尤为重要。但是低频机械波容易受到噪音干扰，由于波长佼长，对测量精度的提高也带来很多困难。这些都对信号处理提岀很高要求。在低频机械波的传播过程小，可以把容器壁看作具有一•定单位面积质量，具有各向同性的剪切弹性模量，各向均匀的薄板介质。从总参数的角度观察介质，可以看作无限多个相同参数的质量——弹簧——

5、阻尼二阶系统的级联结构。从激振器到传感器町以看作是在无限长链条中截取的有限个二阶有阻尼系统。对于容器内有被测介质的容器壁，由于被测介质对容器壁的侧压力，使得容器壁的等效质量增大。乂山于被测介质对波能量的传导，容器壁的等效阻尼增大。然而，侧压力对容器壁的等效明切弹性模量影响却不大。这样，原则上通过模态分析，可以找到振动模态与介质界面间的相关关系，从而达到测量的目的。但是这样的测量是依赖于貝体的容器以及貝体的被测介质的物体，不具有实用价值。使用激励器和传感器矩阵，建立多输入、多输岀的测量系统与相应的系

6、统传递模型，基于波的传播与加速阻抗模型，通过非模态化的测量和信号处理方法，在无需容器与被测物料参数的情况下，进行了物料位的测量。系统设计系统结构冲击振动式料位计试验装置的系统结构如图3—1。试验容器为一个直径lm,高为1・8m的圆柱形3mm厚45#钢板卷制焊接钢桶。激振器安装在容器外壁，试验中使用了8个激振器模拟现场测量屮被测容器很大（量程很大，此吋单一激振器激励功率不能满足耍求）吋的状况，口顶而下乖直均匀排列，间距为20cm。传感器为加速度传感器，通过永磁铁基座吸附在容器外壁上，一共4个，同样自

7、顶而卜-垂直均匀排列。采用这种多个激振器和传感器分布排列方式，各激振器与传感器纽成兀余多传感器结构，经过多传感器信息融合，不但扩展了量程，更具冇驶件上的容错能力，提高了系统可靠性。并且兀余的信息也人人提高了测最的精度、数据的可靠性和仪器的抗干扰能力。激振器挂接在系统的控制总线上，对各激振器分配有其独立的地址编号，受控制总线控制在同一时间有且仅有一个激振器被选通。任意波形发生卡安装在另一台伺服计算机上，通过以太网络与主控计算机通讯，接收主控计算机发出的波形数据和控制信号。激励波形经任意波形发生卡产生

8、后由功率放大器放大，由当前被选通激振器转换为机械波激励容器壁。机械波通过桶壁的传播，被传感器接收，转换为电信号，经连接其后的四路程控放大器。放大后的信号通过隔离放大器隔离后送入主控计算机进行数据采集,量化为数字信号进行数字信号处理。伺服计算机不但控制任意波形发生器产生需要的波形，而且还担任着翻译主控计算机的指令到控制总线控制着激振器的选通和程控放大器的增益的任务。激振器设计激振器为可选通的一体电磁结构，主要包括铁心，线圈，永磁铁，控制电路4部分纽成。激励力大约为50g/A,在功率放