3 Расчет датчика обратной связи

Soliphant-датчик предельного уровня используется для мелко гранулированных и порошкообразных сыпучих веществ. Его конструкция и материал позволяют применять его в пищевой промышленности. Например: зерно, мука, порошковое молоко, какао, сахар, пища для животных, моющие порошки, красители, мел, гипс, цемент, гранулированная пластмасса.

Черты и преимущества: не требуется калибровка; быстрый и экономный запуск; невосприимчив к наростам – не требует обслуживания; без механически подвижных частей – отсутствие износа, длительная эксплуатация; различные электронные вставки – оптимальная адаптация к производственному процессу; индикация состояния светодиодом – простота контроля.

Проведем сопоставление габаритных размеров датчика уровня и его рабочего пространства – бункера.

Габаритные размеры той части, которая находится внутри бункера составляют 201x43x20 мм. Крепление осуществляется на боковой поверхности бункера, поэтому при диаметре последнего мм нет никаких причин неправильной работы, другими словами они геометрически совместимые.

Конструктивно датчик выполнен в форме камертона (вилки), одна из половин которого служит источником колебаний, генерируемых пьезокристаллом, а вторая - приемником.

Эквивалентная схема пьезорезонатора, показана на рисунке 5.

С₁ – динамическая емкость пьезорезонатора; L₁ – динамическая индуктивность пьезорезонатора; R₁ – динамическое сопротивление пьезорезонатора; С₀ – статическая емкость пьезорезонатора.

Рисунок 5 – Эквивалентная схема ненагруженного пьезорезонатора

L₁ соответствует собственной массе пластинки, C₁ представляет собой механическую эластичность кварца, R₁ энергетические потери в результате внутреннего трения и сопротивления механических держателей кварцевой пластинки, C₀ межэлектродная емкость. Необходимо отметить, что элементы C₁, R₁, L₁ оказывают существенные влияния на АЧХ резонатора вблизи резонансной частоты, тогда как вклад C₀ постоянен. Кварцевая пластинка нагружена дополнительной массой и находится в контакте со средой, лишенной вязкости (вилка из нержавеющей стали), следовательно, лишь ничтожная часть кинетической энергии будет рассеиваться, а переход ее в потенциальную будет практически несущественным. Ввиду вышесказанного не возникнет никаких дополнительных комплексных сопротивлений в схеме и ее вид не изменится.

Импеданс резонатора можно определить по формуле:

, (17)

где - обобщенная расстройка кварцевого генератора;

– частота последовательного резонанса, Гц;

– рабочая частота резонатора, Гц;

- добротность резонатора;

- отношение сопротивления потерь к реактивному сопротивлению статической емкости.

Известно, что

. (18)

Динамическое сопротивление R₁ кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты, номера гармоники, конструкции держателя резонатора и других конструктивных факторов. Динамическая емкость C₁ изменяется в диапазоне от 5 до 25 пФ по основной гармонике и от 2 до 5 пФ для более высоких гармоник. Динамическая индуктивность L₁ варьируется в диапазоне от сотен и тысяч генри для низких частот до нескольких мГн для высоких частот. Исходя, из вышесказанного подберем параметры и произведем расчет:

,

,

,

,

,

.

Следовательно, отношение сопротивления потерь к реактивному сопротивлению статической емкости:

(Ом·Ф),

,

.

Следовательно, для импеданса можем записать:

Ом.

Эквивалентные последовательные реактивная и активная:

Ом, (19)

Ом. (20)

Помимо вышеприведенных характеристик пьезорезонатора, он обладает шероховатостью – дополнительной массой, распределенной по пластинке, которая физически являет собой кинетическую энергию, запасаемую в синхронно движущейся вместе со слоем кварцевой пластинки среде. Однако, пьезорезонатор жестко закреплен в металлической вилке, поэтому величина шероховатости будет ничтожно мала по сравнению с рассчитанными величинами (L₁,R₁).

В результате проведенного расчета мы получили высокую стабильность частоты, вариации которой зависят только от модулирующего воздействия. Стабильность частоты колебаний определяется как параметрами резонатора, так и особенностями других компонентов схемы генератора. Наряду с высокими полученными показателями стабильности частоты колебаний в основу рационального выбора схемы было положено и общие требования обеспечения высокой надежности: устойчивое существования колебаний заданной частоты, мягкий режим возбуждения колебаний, устранение возможности генерации паразитных колебаний, в том числе колебаний с частотами неиспользуемых резонансов кварцевой пластины.