Настройка резонансных режимов работы ультразвукового излучателя при одностороннем доступе к объекту

Abstract

Актуальность. Для подготовки высоковязкой нефти к транспорту в практике используется ряд методов: термический, химический и метод физических воздействий. Ультразвуковое воздействие на углеводородное сырье является одним из физических методов. Необходима разработка эффективной методики настройки ультразвукового излучателя для максимальной передачи энергии в многослойную технологическую среду. Цель: изучение резонансных режимов работы ультразвукового излучателя в многослойной системе при одностороннем доступе к объекту c упрощением конструкции ультразвукового излучателя резонансного типа. Объекты: колебательная система ультразвукового излучателя резонансного типа, многослойная система, физическая модель системы «ультразвуковой излучатель - многослойная система». Методы: математическое моделирование линейной колебательной системы с целью определения влияния свойств колебательной системы и технологических факторов на форму колебаний вибросмещения и на амплитудно-частотные характеристики системы; экспериментальные исследования на основе физической модели системы «ультразвуковой излучатель - многослойная система». Результаты. Выявлена физическая особенность работы колебательной системы, состоящая в том, что на резонансе форма колебаний сигналов силы многослойного пьезоактюатора и сигналов виброускорения имеют чисто гармонический характер. Этот эффект распространяется на работу ультразвукового излучателя резонансного типа в режиме короткого замыкания на многослойную систему. Проведены экспериментальные исследования работы ультразвукового излучателя резонансного типа в режиме короткого замыкания и при нагрузке в виде одного и двух слоев полиметилметакрилата. Получено, что амплитудно-частотная характеристика силы многослойного пьезоактюатора и виброускорения подобны друг другу. На основе анализа теоретических и экспериментальных данных разработана методика настройки резонансных режимов работы ультразвукового излучателя при одностороннем доступе к объекту, которая позволяет упростить и удешевить конструкцию излучателя. Методика настройки колебательных систем применима для лабораторных и промышленных установок. Выводы. Анализ результатов проведенных исследований показал, что на практике в качестве критериев при определении и настройке резонанса колебательной системы можно использовать гармоническую форму сигналов ускорения и силы, а также амплитуду силы многослойного пьезоактюатора. Колебательную систему ультразвукового излучателя резонансного типа можно настраивать на резонанс по форме и амплитуде сигнала датчика силы многослойного пьезоактюатора, причем датчик силы расположен последовательно с многослойным пьезоактюатором и не требует дополнительных конструкционных элементов для его крепления. Конструкция ультразвукового излучателя значительно упрощается из-за отсутствия датчика виброускорения. Методика настройки в резонанс колебательной системы с использованием только датчика силы распространяется и при работе ультроазвукового излучателя резонансного типа на многослойную механическую систему. Разработанную конструкцию и методику настройки колебательной системы ультразвукового излучателя резонансного типа удобно использовать при воздействии на технологические жидкости через стенки резервуаров и емкостей хранения

Relevance. To prepare high-viscosity oil for transport, a number of methods are used in practice: thermal, chemical and the method of physical influences. Ultrasonic exposure of hydrocarbon raw materials is one of the physical methods. It is necessary to develop an effective method for tuning an ultrasonic emitter for maximum energy transfer into a multilayer technological medium. Aim: to study resonant operating modes of an ultrasonic emitter in a multilayer system with unilateral access to the object with simplified design of a resonance type ultrasonic emitter. Objects: oscillating system of an ultrasonic resonant type emitter, multilayer system, physical model of a system «ultrasonic emitter - multilayer system». Methods: mathematical modeling of linear oscillating system to determine the properties of oscillating system influence and technological factors on the form of vibration oscillations and on the amplitude-frequency characteristics of the system; experimental research on the basis of the physical model «ultrasonic emitter - multilayer system». Results. The authors have revealed a physical feature of the oscillatory system operation, which consists in the fact that at resonance the form of oscillations of the force signals of a multilayer piezoactor and vibration acceleration signals are purely harmonic in nature. This effect extends to operation of a resonant-type ultrasonic emitter in a short-circuit mode on a multilayer system. It was found that force and vibration acceleration amplitude-frequency characteristics of a multilayer piezoactor are similar to each other. Based on the analysis of theoretical and experimental data, the authors developed the method for adjusting the resonant operating modes of an ultrasonic emitter with unilateral access to an object. This allows simplification and reduction in the emitter design cost. The method for setting up oscillatory systems is applicable for laboratory and industrial installations. Conclusion. The research results show that in practice, harmonic shape of acceleration and force signals, as well as force amplitude of a multilayer piezoactor can be used as criteria for determining and adjusting the resonance of an oscillatory system. The oscillatory system of a resonant-type ultrasonic emitter can be tuned to resonance according to the shape and amplitude of the signal from the force sensor of the multilayer piezoactor. The force sensor is located in series with the multilayer piezoactor and does not require additional structural elements for its fastening. The ultrasonic emitter design is greatly simplified due to the absence of a vibration acceleration sensor. The method of adjusting the resonance of an oscillatory system using only a force sensor is also applied when operating a resonant-type ultrasonic emitter to a multilayer mechanical system. The developed design and technique for tuning the oscillatory system of a resonant-type ultrasonic emitter can be conveniently used when influencing process fluids through the walls of tanks and storage tanks