Магнитострикционные преобразователи уровня и плотности топлива для систем мониторинга наземных транспортных средств

УДК 004.942

DOI 10.21685/2072-3059-2017-4-3

Е. С. Демин

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УРОВНЯ И ПЛОТНОСТИ ТОПЛИВА ДЛЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Аннотация.

Актуальность и цели. Объектом исследования являются магнитострикци-онные преобразователи уровня и плотности (МПУиП) топлива на ультразвуковых волнах кручения для телеметрических систем мониторинга наземных транспортных средств (ТСМ ТС). Предмет исследования - физические процессы преобразования информационных сигналов в трактах МПУиП топлива. Целью работы является развитие теоретических основ проектирования магни-тострикционных преобразователей механических величин.

Материалы и методы. Предлагаются математические модели и комплекс программ для моделирования нового подкласса магнитострикционных преобразователей механических величин.

Результаты. Предложены новые структурные схемы МПУиП топлива на ультразвуковых волнах кручения для ТСМ ТС, представлена структура комплекса программ и результаты моделирования физических процессов преобразования информационных сигналов в их трактах, что позволяет оценить их технические возможности.

Выводы. Применение рассмотренного проблемно ориентированного комплекса программ позволит создавать магнитострикционные преобразователи уровня и плотности топлива на ультразвуковых волнах кручения для ТСМ ТС с требуемыми характеристиками при минимальных материальных и временных затратах.

Ключевые слова: магнитострикционные преобразователи уровня и плотности, математическое моделирование, численные методы, комплекс программ.

E. S. Demin

MAGNETOSTRICTIVE FUEL LEVEL AND DENSITY CONVERTERS FOR GROUND VEHICLES MONITORING SYSTEMS

Abstract.

Background. The object of the study is magnetostrictive converter of fuel level and density (MCFLD) using ultrasonic torsional waves for telemetric systmes of ground vehicles monitoring (TS GVM). The subject of the research is the physical processes of information signals conversion in MCFLD tracts. The aim of this work is to develop theoretical design foundations for magnetostrictive converters of mechanical quantities.

Materials and methods. The work proposes mathematical model and a complex of programs for modeling of a new subclass of magnetostrictive converters of mechanical quantities.

Results. The article suggests new structural schemes of MCFLD using ultrasonic torsional waves for TS GVM and introduces the structure of the program complex and the results of modeling information signals conversion in their tracts, which makes it possible to assess their technical capabilities.

Conclusions. The application of the considered complex of programs allows to create MCFLD using ultrasonic torsional waves for TS GVM with the required characteristics at minimal material and time expenditures.

Key words: magnetostrictive fuel level and density converters, mathematical modeling, numerical methods, complex of programs.

Введение

Развитие в последние годы информационных технологий привело к появлению спутниковых (телеметрических) ГЛОНАСС/GPS-систем мониторинга параметров транспортных средств (ТС) различного назначения. Наиболее часто такие системы мониторинга стали применяться на грузопассажирском автотранспорте как в России, так и за рубежом. Это связано с ростом технического парка автотранспортных средств и относительно низкой стоимостью грузоперевозок по сравнению с другими видами транспорта.

Применение телеметрических систем мониторинга наземных транспортных средств (ТСМ ТС) позволяет организовать эффективную работу автотранспортных предприятий и непрофильных фирм, управлять расходами на топливо, повысить их конкурентоспособность на рынке услуг. В известных сегодня ТСМ ТС для мониторинга расхода топлива транспортным средством применяются емкостные преобразователи уровня LLS фирмы Omnicomm, имеющие известные недостатки. Например, оценить качество заправляемого топлива транспортным средством (по его плотности) не представляется возможным, а наличие кренов транспортного средства снижает достоверность текущих значений уровня топлива в баке и требует определенного местоположения преобразователя уровня, что не всегда выполнимо [1].

Улучшить технические характеристики ТСМ ТС наземного грузопассажирского автотранспорта в части оперативного контроля и управления расходом топлива возможно путем применения магнитострикционных преобразователей уровня и плотности (МПУиП) топлива на ультразвуковых волнах кручения [2, 3], которые имеют более высокую точность и разрешающую способность, чем применяемые емкостные преобразователи уровня LLS, позволяют проводить мониторинг текущих значений уровня и плотности топлива ТС.

Необходимость в создании и совершенствовании МПУиП топлива для ТСМ ТС вполне очевидна и актуальна. Эффективным средством для этого являются методы математического моделирования, применение современных систем компьютерной математики (СКМ) и специализированных проблемно ориентированных комплексов программ.

1. Принципы построения МПУиП и методы вычислений уровня и плотности топлива транспортных средств

Для разрешения указанных проблем предлагается использовать МПУиП топлива на ультразвуковые волны (УЗВ) кручения, представленные следующими основными схемами [3], как показано на рис. 1.

Принцип их работы основан на использовании закона Архимеда и эффектов продольной магнитострикции - Видемана и Виллари, когда в средах I- или П-образного звукопровода из магнитострикционного материала, в местах расположения опорного магнита, магнитов поплавков уровня и плотно-

сти, которые плавают на поверхности и погружены в топливо, возбуждаются УЗВ кручения с априори известной скоростью "икр. Время их прохода до

элементов считывания (электроакустических преобразователей - ЭАП) регистрируется, вычисляется и кодируется.

а)

Рис. 1. Структурные схемы бездемпферных МПУиП на УЗВ кручения: а - для ТСМ ТС с 1-образными звукопроводами; б - для ТСМ ТС с П-образными звукопроводами; Ь0 - неизмеряемый уровень

б)

Рис. 1. Окончание

Так, например, местоположения поплавков уровня и плотности на оси звукопровода, размещенных в топливном баке ТС, позволяют численно оценивать текущие значения уровня Ну и плотности Нп топлива, используя время-импульсное преобразование Ту и Тп с последующим цифровым кодированием в электронном узле (вторичном преобразователе) МПУиП топлива:

Ну = ЕМ

где ЕМ(.) - целая часть выражения; /о - частота дискретизации.

Вычисление текущих значений уровня Ну и плотности Нп топлива ТС, представленные время-импульсными сигналами Ту и Тп, осуществляется согласно выражениям:

Ту =

что позволяет не учитывать влияние температуры среды звукопровода МПУиП, здесь Ь - опорное расстояние по длине звукопровода; Топ - время

прохода УЗВ кручения расстояния Ь; Ь1 = Ь - Ну ; 2Ь = (Ь1 + Ь2) + (ЬЗ + Ь4) -

*

удвоенное опорное расстояние по длине звукопровода; икр = Ь / Топ - текущее значение скорости УЗВ кручения при температуре Д^°, вычисленное в электронном узле первичного преобразователя.

Для устранения влияний продольных и поперечных кренов транспортного средства предложено вычислять текущие значения уровня топлива в баке по следующим выражениям, учитывая при этом местоположение МПУиП (рис. 2):

а) для однокоординатных МПУиП (рис. 2,а,б,в):

Ну.1-2 = (Кх / 2)(Ну.1 + Ну.2),

б) для двухкоординатного МПУиП (рис. 2,г):

Лу.1_з = 0,25 [Kx (hy.! + 2hy2) + Kyhy3 ] :

здесь Кх = [1 + Хо / (А / 2)] - коэффициент несоосности по пространственной координате Х (для поперечного крена ТС); Ку = [1 + Уо / (В / 2)] - коэффициент несоосности по пространственной координате У (продольный крен); Ну 1 - Ну з - текущее положение поплавков уровня по осям 0-0 П-образных

звукопроводов, расположенных на расстояниях А и В ; Хо,Уо - расстояния до точки отсчета уровня топлива по зеркалу его поверхности. Это позволяет устанавливать МПУиП в произвольном месте топливного бака ТС без потери достоверности о текущих значениях уровня топлива.

2. Моделирование физических процессов МПУиП топлива

Улучшение качественных показателей МПУиП топлива на УЗВ кручения невозможно без применения методов математического моделирования - анали-

тического и численного, наличия адекватных математических моделей и знаний об исследуемых физических процессах преобразования информационных сигналов.

В нашем случае для возбуждения в средах I- или П-образного звуко-проводов МПУиП топлива на УЗВ кручения заданной формы и амплитуды (эффект Видемана) необходимо иметь три источника магнитного поля: проводящие звукопроводы с током гх (¿г-) записи; обмотки подмагничивания с током 1а (^) подмагничивания; опорные магниты и магниты поплавков уровня и плотности, исходя из принципа работы этого вида преобразователей [2, 3]. Их результирующее магнитное поле описывается уравнением вида [4]:

Н2Щ ) = [Н зП в ) + Н оП

где Нзп ) - напряженность поля проводящего звукопровода; Ноп ^^) -напряженность поля обмотки подмагничивания; Но - напряженность поля постоянного магнита, при которых возможно устойчивое возбуждение УЗВ кручения в средах звукопроводов требуемой амплитуды и несущие информацию о текущих значениях уровня и плотности топлива в баке ТС.

в) г)

Рис. 2. Варианты установки МПУиП топлива на топливном баке ТС: 1 - резервуар (топливный банк); 2 - топливо; 3, 6, 8 - прямолинейный и П-образные звукопроводы; 4, 7, 9 - основной и дополнительный поплавки уровня;

5 - поплавок плотности; МПУиП-2 - двухкоординатный МПУиП

Точность аналитического описания физических процессов МПУиП топлива на УЗВ кручения для ТСМ ТС в силу известных ограничений может быть повышена за счет применения численных методов и методик моделирования.

Так, при расчете магнитных полей (3) магнитной системы исследуемых МПУиП топлива возникает задача интегрирования дифференциального уравнения в частных производных с переменными коэффициентами, дополненного граничными условиями. Для ее решения необходим переход от дифференциального уравнения к разностному, где, по мнению автора, наиболее рациональным является использование метода сеток. Для этого расчетная область разбивается на совокупность квадратов с длиной стороны И (рис. 3), в каждом из которых магнитные проницаемости ц^,..., Ц4 и плотности р^,...,р4 тока могут иметь различные значения.

И

I2 Р 2

сГ

_I

I

1^3 Рз

Р1 1l

- V

0 I

---J-

Р4 М4

h/2 h/2

Рис. 3. Разбиение расчетной области по методу сеток

В простейшем случае разностное уравнение для векторного магнитного потенциала может быть получено на основе известного соотношения:

< Hdl = < (B / |) dl l l

= j .

здесь Н, В - напряженность и индукция поля; I - длина контура полного тока 1; ц - магнитная проницаемость.

Вычисляя интеграл в (4) вдоль контура аЪсё, разбиваем его на четыре интеграла по сторонам аЪ, Ъс, сё, ёа и обозначаем через А - А4 векторные магнитные потенциалы в узлах. В результате имеем систему уравнений:

( И И ^

ab

B-dl-I

jB

J II

j b

j i

bc

J B

J i

cd

Bdl I

j b

J I

da

Bdl-I

• ^^ = *i(A) " 4), h

A) " A2

= h( A) - A2),

A)- A3

A) - A4

= k3( A)- A3X

= MA) - A4).

Просуммировав интегралы (5), получаем разностное уравнение вида

-4) + к2

где 1 - ток сквозь площадку, ограниченную контуром аЪеёа, который может быть выражен через плотности р^,..., Р4 токов в каждом квадрате. С учетом выражения (6) получим искомое разностное уравнение, удобное для вычисления на ЭВМ:

4 4 J 4

z kiai - a z ki= 4 h2 z pi =рсрh2 i=1 i=1 i=1

здесь рср - средняя по четырем квадратам плотность токов.

Следующим этапом численных вычислений является решение полученных конечно-разностных уравнений (7) за минимальное время без потери точности вычислений. Для этого следует применить следующую методику, в основе которой лежит использование метода Ричардсона и полинома Чебы-

шева для отыскания оптимальных значений т" решения разностных уравнений (7) в области некоторого набора значений параметров тп е

bmax; bmin

в соответствии с выражением

тП = 2[Ътах + Ъшт + (Ътах - Ъшт)С08((2л -1) / 2"1)] 1,1 < п < n1,

и последующей ¿^-факторизацией полученных систем линейных алгебраических уравнений выходных параметров МПУиП топлива на УЗВ кручения.

В результате имеем относительно небольшое число п итераций для расчетной области с достижением заданной точности вычислений искомого параметра (3). Данные вычисления могут быть использованы для исследования взаимовлияния сигналообразующих элементов магнитных систем МПУиП топлива и определения минимально возможных расстояний между ними в рабочем пространстве акустических трактов (рис. 4).

Н А/и

230000 -

Минимальное расстояние Ьуп = (9 -10) мм между магнитами 2 и 3

Рис. 4. Картины напряженностей Н полей (1) магнитных систем МПУиП топлива при разных положениях магнитов 2, 3 поплавков уровня и плотности относительно обмотки 1 подмагничивания и опорного магнита 4

5

2

4

1

Учет пондеромоторных сил постоянных магнитов магнитных систем МПУиП топлива в аксиальном и радиальном направлениях позволяет определить габаритные размеры А и В преобразователей с сохранением их работоспособности. Их значения можно оценить по следующим выражениям, полученным по экспериментальным данным: а) для индукции аксиальной:

2л ,

Box =

kl BL_

Гм >i{ A1 + A2 ) '

б) для индукции радиальной:

2 П

Bo.y-r.)j[ArAild''-

О

здесь

A1 = ^f^V^X), A2 = ^м - Гм )2 + h/2 + x )2

A3 ^ л/с^м^Гм^^+Т^м^^-У)), A4 ^ ^

ki, k

ЪЛ2

-1

м

- нормирующие коэффициенты; Br - остаточная намагниченность; Ru, гм - внешний и внутренний радиусы магнитов.

Силы сцепления Fu магнитов (пондеромоторные силы) в аксиальном и радиальном направлениях могут быть вычислены по следующим формулам:

Fltf.x = Ho.x • ^м.Х и FU.y = Ho.y • GItf.y ,

их полюса рассматриваются в виде источника магнитных зарядов GH Х = Box (8) и GH y = B0y (9) при известных значениях напряженностей Ho Х, Ho y магнитных полей.

Это позволяет уточнить условия плавучести поплавков уровня и плотности топлива рассматриваемых преобразователей (рис. 1):

{^выт = рт^п S —-^п.ур,

^выт = рт^пS ^-^п.ил,

причем Рп = (Рп.ур,Рп.пл) = (Pi + P2) + (P3 -P4 -P5), где Pi, P2 - веса тел поплавков и их магнитов; P3 - веса экранов магнитов, если применено магнитное экранирование; Р4 = f (Fu) - изменение веса поплавков из-за влияния пондеромоторных сил Fu (сил сцепления) в магнитных системах, Р5 = f (Ратм) - изменение плавучести поплавков при изменении атмосферного давления Ратм в полости топливного бака ТС.

Математическая модель УЗВ кручения, достигших зоны магнитоупру-гого преобразования (эффект Виллари) в соответствующие моменты времени,

с учетом краевого и поверхностного эффектов, влияния температуры и продольных напряжений, формы и материала звукопроводов может быть описана следующим обобщенным выражением:

СТХ.1 ) = °х.1

где погонное затухание падающих УЗВ кручения определяется, собственно, полным затуханием Р1 и расстоянием Ь., пройденным волной по средам

I- или П-образных звукопроводов МПУиП топлива. Прохождение этой волны (11) вдоль зоны магнитоупругого преобразования индуцирует на выводах сигнальных электроакустических преобразователей МПУиП топлива электрические сигналы текущих значений уровня и плотности топлива:

ех.1 ) = -ЩЛФ1 / Ж = -~ЩБоб

где Щ[, /1 - эффективные значения числа витков рядовых обмоток индуктивных ЭАП и их ширины; ипр = 1,6 икр - фазовая скорость УЗВ;

Боб ) = ) - магнитная индукция, ^ = (1 + %) = 1 + £н/ (ЗА^) -

2

магнитная проницаемость материала звукопровода; £н [(м/ В^ с) Н] - нормирующий коэффициент; ^о - магнитная постоянная; ^ - механические напряжения в зоне преобразования; Н1 (^) = |Нп (¿1) + Но ] - напряженности

магнитных полей среды звукопровода и магнита подмагничивания. Они могут быть усилены линейным усилителем считывания электронного узла вторичного преобразователя (рис. 5).

и.в

3- .<t,=0.5 A

/4 4 2- <0 =0 2 A

2 ~ a 1 _ Л -l„=O_0A 42НХТЮ W=1S0 P=0.0 кг/мы2 Ky—100

г (КГ6 -l.xlO"6 / 0 -1 - 1 ' / 1 ^ I / l.xlO"6 2, x 10"в f с i 3, xl

Рис. 5. Модель информационных сигналов и х(/) МПУиП топлива на УЗВ кручения при разных значениях тока (/) подмагничивания

3. Комплекс программ для проведения вычислительного эксперимента МПУиП топлива

Для проведения вычислительного эксперимента в процессе проектиро-

вания МПУиП топлива под требования ТСМ ТС создан проблемно ориенти-

рованный комплекс программ [5, 6], который, в отличие от известных про-

грамм (например, ELCUT, Littlemag, Maple, MATLAB, MathCAD и др.), имеет банк данных для хранения геометрических размеров и физических параметров материалов конструкции МПУиП; полученных промежуточных и конечных результатов вычислений искомых характеристик в процессе моделирования; наличие возможностей графического и табличного вывода результатов вычислений; обеспечение обмена данными со сторонним программным обеспечением; возможность дальнейшей обработки полученных результатов; расширения функциональных возможностей и масштабирования по мере накопления знаний и данных о физических процессах МПУиП и др.

С учетом сказанного при разработке комплекса программ МПУиП была выбрана структура, показанная на рис. 6.

Рис. 6. UML диаграмма компонентов комплекса программ МПУиП

Распределенная структура комплекса программ МПУиП представляет собой сервис-ориентированную архитектуру, состоящую из пяти взаимодействующих подсистем, где каждая из них, в свою очередь, представлена отдельным веб-сервисом. Это делает данную систему функционально гибкой в плане наращивания сервисных функций и управляемости, позволяя ей работать в облачной инфраструктуре и существенно отличает ее от известных специализированных комплексов программ.

В основе работы комплекса программ МПУиП использованы разработанные математические модели МПУиП топлива на УЗВ кручения (3)-(12) по расчетным схемам, реализованные в виде вычислительных алгоритмов.

Для выполнения вычислительного эксперимента по исследованию основных характеристик МПУиП топлива на УЗВ кручения для ТСМ ТС пользователю необходимо заполнить соответствующие веб-страницы с параметрами, задать их значения и выбрать расчетную схему МПУиП топлива [5].

Заключение

Применение рассмотренного проблемно ориентированного комплекса программ позволяет создавать магнитострикционные преобразователи уровня и плотности топлива на УЗВ кручения для ТСМ ТС с требуемыми характеристиками при минимальных материальных и временных затратах и осуществлять исследования о степени влияния различных факторов на форму выходных информационных сигналов уровня и плотности топлива, что дает возможность проводить работу по дальнейшему их совершенствованию.

Библиографический список

1. Демин, Е. С. Методы измерений уровня и плотности топлива в телеметрических системах мониторинга наземных автотранспортных средств / Е. С. Демин // Современные тенденции развития науки и технологий : материалы XV Междунар. науч.-практ. конф., 30 июня 2016. - Белгород : АПНИ, 2016. - Т. 6-1. - С. 17-20.

2. Белов, К. П. Магнитострикционные явления и их технические приложения / К. П. Белов. - М. : Наука, 1987. - 160 с.

3. Пат. №155410 Российская Федерация, МПК: G01F23/28, G01F23/30. Адаптивный магнитострикционный преобразователь уровня и плотности топлива транспортного средства (его варианты) / Е. С. Демин ; Патентообладатель: Е. С. Демин. -Заявл. 22.06.2015 ; опубл. 10.10.2015, Бюл. № 28.

4. Демин, Е. С. Математическое моделирование магнитных систем магнито-стрикционных преобразователей уровня и плотности топлива наземных транспортных средств / Е. С. Демин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2016. - № 6 (34). - С. 122-128.

5. Демин, Е. С. Вычислительный эксперимент магнитострикционных приборов уровня и плотности с использованием специализированного комплекса программ / Е. С. Демин // Современные тенденции развития науки и технологий : материалы XX Междунар. науч.-практ. конф., 30 ноября 2016 г.. - Белгород : АПНИ, 2016. -Т. 11-2. - С. 31-34.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017614780. Программа для моделирования МПУиП. Правообладатель: Пензенский государственный технологический университет / Демин Е. С., Карпухин Э. В. Заявка № 2017610592 от 25.01.2017. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.04.2017.

References

1. Demin E. S. Sovremennye tendentsii razvitiya nauki i tekhnologiy: materialy XV Mezhdu-nar. nauch.-prakt. konf., 30 iyunya 2016 [Modern trends of scientific and technological development: proceedings of XV International scientific and practical conference, 30th June 2016]. Belgorod: APNI, 2016, vol. 6-1, pp. 17-20.

2. Belov K. P. Magnitostriktsionnye yavleniya i ikh tekhnicheskie prilozheniya [Magnetostrictive phenomena and their functional applications]. Moscow: Nauka, 1987, 160 p.

3. Pat. № 155410 Russian Federation, MPK: G01F23/28, G01F23/30. Adaptivnyy magni-tostriktsionnyy preobrazovatel' urovnya i plotnosti topliva transportnogo sredstva (ego varianty) [Adaptive magnetostrictive fuel level and density converters for transport vehicles (variants)]. E. S. Demin; Patentoobladatel': E. S. Demin. Appl. 22.06.2015; publ. 10.10.2015, Bull. № 28.

4. Demin E. S. XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastoyashchego plyus [XXI century: results of the past and problems of the future plus]. 2016, no. 6 (34), pp. 122-128.

5. Demin E. S. Sovremennye tendentsii razvitiya nauki i tekhnologiy: materialy XX Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., 30 noyabrya 2016 g. [Modern trends of scientific and

technological development: proceedings of XX International scientific and practical conference, 30th November 2016]. Belgorod: APNI, 2016, vol. 11-2, pp. 31-34.

6. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM № 2017614780. Programma dlya modelirovaniya MPUiP. Pravoobladatel': Penzenskiy gosudarstven-nyy tekhnologicheskiy universitet [State certificate of software registration № 2017614780. A program for MCFLD modeling. Rightholder: Penza State Technological University]. Demin E. S., Karpukhin E. V. Zayavka № 2017610592 ot 25.01.2017. Zaregistrirovano v Reestre programm dlya EVM 27.04.2017 [Application № 2017610592 from 25.01.2017. Registered in the Software registry on 27.04.2017].

Демин Евгений Станиславович аспирант, Пензенский государственный технологический университет

E-mail: cxelious@gmail.com

Demin Evgeniy Stanislavovich Postgraduate student, Penza State Technological University

УДК 004.942 Демин, Е. С.

Магнитострикционные преобразователи уровня и плотности топлива для систем мониторинга наземных транспортных средств /

Е. С. Демин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2017. - № 4 (44). - С. 24-36. Б01 10.21685/2072-30592017-4-3