振动式料位计固有频率分析及测试方法

　　0　引言

　　振动式料位计提供了一种廉价、可靠的料位控制方法[1]。普通振动式料位计都采用不锈钢材料,对于一般环境都有着良好的耐腐蚀性。在上海氯碱股份有限公司七车间,需要对含氯介质的料位进行监控。进入罐体的粉料十分潮湿,物料腐蚀性很强,由于不锈钢在含氯介质中的耐腐蚀性较差,使得料位计的使用寿命过短,影响到车间的正常运行,寿命最短的料位计半个月后即告报废。根据车间情况,试过各种导纳开关、音叉式料位计、振动式料位计,效果都不理想。对其表面作了涂环氧树脂处理,使用效果有所改观,但时间也不长,并且涂层稍厚即会引起误报。将主体材料更换为耐氯腐蚀的钛材既可解决此问题。但是,材料的改变会引起系统固有频率的变化。料位计设计的重点之一是如何找到系统的固有频率,从而发出与其频率一致的PWM波激励系统振动。所以有必要对料位计进行分析,重新设计电子部分,使更换材料后的料位计可以正常工作。

　　1　工作原理

　　振动式料位计的物理结构示意图如图1所示。在支座底部焊有内外2个振动管,支座上方为夹紧的2组压电陶瓷片。其中一组为驱动部分,利用逆压电效应将交变电压转为交变力,驱动棒体振动;另一组为检测部分,利用压电晶体的压电效应,将棒体的振动转化为电压信号,传给继电器。[2]

　　控制部分工作原理如图2所示。由MCU发出一定频率的PWM波,经线性电压放大和功率放大驱动压电陶瓷振动,若此频率与振动棒体自身固有频率一致,则结构处于共振状态。由于空气对于振动的阻尼微弱,能量损耗很少,只需较小的驱动功率即可维持较强振动。当物料接触到棒体,振动受到的阻尼显著增大,振幅急剧衰减。振动的变化由反馈部分检测到,发出电压信号,经滤波放大送至MCU进行A/D转换。MCU通过检测反馈电压的变化来判断物料是否已经接触到棒体,进而驱动继电器给出开关信号,供给顺序控制、报警等料位调节系统。

　　2　结构分析

　　一般振动分析多是避免系统处于共振区内,为了实现料位开关的功能,需设计物理结构,使得系统一直工作于共振区。考虑到系统长时间振动会产生疲劳损坏,应将系统能量控制在一个较小的范围内,不能使系统工作于高阶频率;低阶弯曲振动不足以使不锈钢棒体产生明显振动,所以采用了2部分,类似于音叉振动:振动探头由内外两管组成,两管1阶弯曲振动频率接近,压电陶瓷产生振动通过压电陶瓷支架与底座传递到内外两管,当驱动频率与系统频率接近时,内外管发生共振,探头开始明显振动。

　　当外部覆盖物料时,可视为系统阻尼增加,由幅频特性曲线可知,系统振幅随着阻尼增加显著降低。根据压电效应,振幅减小带动电压降低,反馈回路检测到电压的变化,驱动继电器给出开关量,从而实现了料位传感器的功能。