Уровнемер для сыпучих материалов

Цель диссертационной работы
Целью настоящей разработки является проектирование системы, выбор схемы прибора, написания для него программного обеспечения, а также обеспечения лёгкости в эксплуатации этого прибора.
Объектом исследования является система прибора, измеряющая уровень сыпучих материалов при помощи излучения и приёма отражённого ультразвукового сигнала.
Объект исследования
Предмет исследования
Видеотерминальные устройство для отображения информации; электронный блок-ЭБ; термодатчик –ДТ; акустический датчик- АД; прижимное устройство-ПУ; кабельная коробка-КК;

Задачи исследования
Определение актуальности выбранного направления исследования и анализ существующих систем уровнемера
Аналитический обзор
Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования
Анализ результатов и сравнение

Идея диссертационной работы
Управление технологическими процессами во многих отраслях промышленности связан с измерениями уровня жидкости или сыпучих материалов в тех или иных резервуарах, цистерн и т.д. Современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющие оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья (расходомеры). Это постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в системах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение.

РАЗРАБОТКА ДАТЧИКА УРОВНЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ЕМКОСТНОГО ТИПА
Уровнемеры - это специальные устройства, которые используются для определения уровня
жидкостей, порошков и других материалов или сырья в определенных резервуарах, в которых они
хранятся, или в рабочей среде. Уровнемеры - абсолютно необходимые приборы в современной
промышленности (практически во всех областях) и технике (как, например, у дизельного генератора
электрического тока необходимо следить за уровнем дизеля в топливном баке, по уровню
охлаждающей жидкости, уровнем смазочных веществ и т.д.).

Классификация уровнемеров
«Сыпучий материал - это коллектив частиц, обладающих одной природой». Физико-механические свойства сыпучих материалов и смесей. Для измерения уровня сыпучих веществ используют датчики механического принципа (ротационные, вибрационные, лотов), емкостного, ультразвуковой эхолокации, микроволновой радиолокации, тензометрами.

Основные методы измерения уровня:
лотовые;
ультразвуковые;
акустические;
емкостные.
В основу работы данного типа датчика положено свойство конденсатора изменять свою емкость при изменении состава и распределения материала диэлектрика, разделяющий пластины конденсатора

Основные методы измерения уровня:
Дифференциальный метод представляет собой метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор (обязательно прибор сравнения) влияет разница измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, причем эта разница не доводится до нуля, а измеряется измерительным прибором прямого действия.
Здесь мера имеет постоянное значение Х0, разница измеряемой величины Х и меры Х0, то есть e = Х - Х0, не равна нулю и измеряется измерительным прибором. Результат измерения находятся как Y = X0 + e.

Современное состояние проблемы разработки уровнемеров для сыпучих материалов
В современных промышленных технологических процессах (ТП) необходим контроль количественных характеристик (массы, объема) и расхода веществ в различных местах хранения - бункерах, баках, резервуарах, колодцах. Данные о количестве вещества в подавляющем большинстве случаев получают косвенно, в результате обработки измеренных значений расстояния от базовой поверхности до поверхности границы раздела газовой среды, в частности, воздуха и вещества. Традиционно эта операция измерения расстояния называется измерением уровня, а приборы, реализующие эту операцию, уровнемерами или измерителями уровня сыпучих материалов.

Датчики параметров сыпучих материалов подходят для работы с любыми сыпучими веществами в рамках различных производств, таких как:
• Пищевое производство и агропромышленный комплекс: зерно, мука, сахар, крупы, комбикорма и т.д.;
• Строительство: цемент, бетон, сухие строительные смеси, песок, щебень и т.д.;
• Химическая промышленность и фармакология, производство полимеров, пластмасс и изделий из них;
• Добывающая и перерабатывающая промышленность;
• Деревообработка и т.д.

Для разработки измерителя уровня сыпучих материалов, использующего ультразвуковой сигнал необходимо разработать алгоритм корреляционного приема ультразвукового сигнала.
Основная проблема, требующая решения - это обеспечение надежной работы прибора с высокой точностью измерений за счет распознавания частотно-модулированного сигнала отражателя, сильно рассеиваемого в воздушной среде, с низкой амплитудой и, соответственно, сильно зашумленного.
Методы корреляционного приема сигнала широко применяются в радарной технике, в системах обработки сигналов сонаров и эхолотов. Эти методы позволяют достигнуть высокого разрешения во временной области (получить точную оценку транспортной задержки сигнала) при работе с сильно зашумленным сигналом
Разработка алгоритма корреляционного приема частотно-модулированного ультразвукового сигнала для применения в измерителях уровня сыпучих материалов

Метод LFM широко применяется в радарной технике, благодаря своим хорошим автокорреляционным свойствам и чувствительности LF – модулированных сигналов к эффекту Доплера. Как следует из названия, LFM сигнал характеризуется линейным изменением мгновенной частоты со временем [8]. В методе линейной частотной модуляции, комплексный сигнал s(t) задается во временной области уравнением
s(t)=exp(j∙Φ(t))
где Φ (t) - мгновенная фаза, определяемая уравнением

Предлагаемый нами способ корреляционного приема LFM сигнала состоит из двух последовательных стадий: проведения рекурсивной кросс - корреляционной обработки двух битовых потоков и применения цифрового сглаживающего фильтра низких частот к продукту предыдущей стадии. Принятый сигнал преобразуется сигма-дельта модулятором в битовый поток, который мы будем обозначать дискретной функцией x_l (t). Сигнал передатчика преобразуется в опорный битовый поток компаратором. Соответствующий опорному битовому потоку дискретный сигнал из N отсчетов, мы будем обозначать как h_l (i). Тогда кросс-корреляционная функция c_l (t) дискретных сигналов x_l (t) и h_l (i) определяется уравнением :
c_l (t)= ∑_(i=0)^(N-1)▒〖h_l (N-i) 〗∙x_l (t-i)

Изображение частотно – временной характеристики LF – сигнала

Задав разность между значениями корреляционной функции в «соседних» отсчетах можно получить вычислительно – эффективный рекурсивный алгоритм вычисления кросс-корреляционной функции приемного и переданного сигнала, который является основой предлагаемого нами метода. Поскольку битовый поток x_l (t), соответствующий принятому сигналу содержит высокочастотную шумовую составляющую (как побочное следствие применения сигма-дельта модуляции), для улучшения соотношения сигнал-шум в демодулированном сигнале необходимо применение фильтра низких частот дискретному сигналу c_l (t). Простейший вариант такого фильтра – «скользящее среднее» дает вполне удовлетворительные результаты при разумном выборе длины фильтра M:

Заключение
1) Был проведен обзор и анализ современных разработок в области создания и тестирования систем, измеряющих уровень сыпучих материалов при помощи излучения и приёма отражённого ультразвукового сигнала.
2) Разработан алгоритм демодуляции LFM сигнала в среде Matlab.
3) Проведена симуляция работы разработанного алгоритма демодуляции LFM сигнала в среде Matlab, подтверждена корректность работы алгоритма. Сделан вывод том, что в связи с тем, что предлагаемый нами метод не требует значительных вычислительных мощностей, его практическое применение для приема ультразвуковых сигналов позволит значительно упростить схемотехнику ультразвуковых приборов для применения в измерителях уровня сыпучих материалов.

Проведение натурных экспериментов
Планируется в 2021 году.

Публикации
1. Тоқтарханов Ә.Ә., Красавин А.Л., Алонцева Д.Л. АЛГОРИТМ КОРРЕЛЯЦИОННОГО ПРИЕМА ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО СИГНАЛА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ИЗМЕРИТЕЛЯХ УРОВНЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Материалы VI Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов и молодых ученых «Творчество молодых инновационному развитию Казахстана», 9-10 апреля 2020 г., ВКГТУ, Усть-Каменогорск, Казахстан, № 70, Секция 4.