Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Систематизация и анализ существующих методов и систем контроля непрерывного расхода сыпучих материалов 11
1.1. Общее уравнение производительности дозаторов непрерывного действия и его анализ 11
1.2. Существующие методы дозирования, системы контроля и конструкции дозаторов непрерывного действия 16
1.3. Обзор существующих конструкций питателей 27
1.4. Технология получения синтетических моющих средств 30
1.5. Компоненты входящие в состав CMC 37
Выводы по главе 40
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование выбранного метода непрерывного дозирования сыпучих материалов 41
2.1. Выбор системы дозирования, охваченной обратной связью и ее отличительные особенности 41
2.2. Конструкция системы контроля непрерывного расхода сыпучих материалов 46
2.3. Динамические характеристики системы непрерывного дозирования 52
Выводы по главе 59
ГЛАВА 3. Анализ погрешностей отдельных узлов разработанного дозатора непрерывного действия 61
3.1. Нормирование метрологических характеристик весовых дозаторов 61
3.2. Суммарная погрешность весового дозатора непрерывного действия сыпучих материалов 70
Выводы по главе 74
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования и промышленные испытания разработанного дозатора непрерывного действия 75
4.1. Программа испытаний 75
4.2. Обработка экспериментальных данных полученных в ходе испытаний дозатора 80
Выводы по главе 90
Общие выводы и результаты 92
Список литературы
- Существующие методы дозирования, системы контроля и конструкции дозаторов непрерывного действия
- Технология получения синтетических моющих средств
- Динамические характеристики системы непрерывного дозирования
- Обработка экспериментальных данных полученных в ходе испытаний дозатора
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в ряде отраслей народного їства, таких как химическая, медицинская, строительная и т.д. требуется не-ывное дозирование относительно небольших добавок сыпучих материалов. ільзуемьіе для этой цели автоматические дозаторы непрерывного действия не тной мере отвечают требованиям по точности при дозировании небольших честв сыпучих материалов.
Большинство дозаторов непрерывного действия включают ряд традицион-андартных блоков (бункер сыпучего материала с регулируемой заслонкой, >чный транспортёр, первичный измерительный преобразователь (ПИП), готель массы сыпучего материала на транспортере, приёмная камера сыпучего жала и, в некоторых случаях, система обратной связи).
Снижение точности при непрерывном дозировании всегда определено тем, ! процессе измерения учитывается не вся информация о массе дозируемого эиала на транспортере, т.к. ленточный транспортер обычно имеет одну жест-опору связанную с корпусом дозатора. Если при больших расходах непре-ого дозирования удается получить удовлетворительные погрешности изме-I, то при малых массах дозирования это невозможно, поэтому для дозирова-іальїх расходов применяют импортные средства измерения.
Эта проблема имеет место в технологическом процессе производства синте-:ких моющих средств, при дозировании различных добавок к моющей осно-обавками являются: энзимы - биологически активные вещества, разрушаю-штна, содержащие белок, полимеры - растворяющие грязь в воде, карбонаты еделяюшие кислотно-щелочной баланс, отбеливатели - придающие белизну ость цветной одежде, сульфат натрия - улучшающий сыпучесть синтетиче-моющих средств.
В связи с этим актуальной научно-технической задачей является создание [этической системы весового дозирования повышенной точности для малых дов сыпучих материалов. Это дает возможность повысить эффективность логического процесса, например, при дозировании добавок в производстве тических моющих средств.
4 Цель работы. Разработка автоматического весового дозатора сыпучих м;
териалов непрерывного действия с легко перестраивыми пределами дозированн
и исследование его характеристик.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-исследование существующих методов и средств непрерывного дозиров;
ния сыпучих материалов;
-создание способа непрерывного дозирования сыпучих материалов повь
шенной точности при малых производительностях;
-выбор структуры и параметров системы непрерывного дозирования на о<
нове точностных критериев;
-разработка системы непрерывного дозирования сыпучих материалов и эк<
периментальное исследование её характеристик;
-проведение производственных испытаний системы дозирования непрерьп
ного действия.
Методы исследования.
При решении поставленных в реферируемой работе задач применялись мі
тоды математического моделирования и метрологии. Моделирование ос;
ществлялось с помощью средств вычислительной техники.
Научная новизна работы.
-
Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность примі нения системы контроля непрерывного дозирования в производстве СИ1 тетических моющих средств.
-
Предложен новый способ автоматического непрерывного дозироваго сыпучих материалов повышенной точности, основанный на измерени всей массы дозируемого материала на весоизмерительной платфорк (патент на изобретение №2128825).
-
Построены модели статической и динамической характеристик систем непрерывного дозирования сыпучих материалов малых расходов, учить вающие влияние основных параметров системы.
-
Осуществлен выбор основных конструктивных параметров автоматиці ского весового дозатора непрерывного дозирования сыпучих материале (разделение транспортера питателя и транспортера весоизмерительнс платформы, освобождение от жёстких связей весоизмерительной пла формы и др.).
-
Создан автоматический весовой дозатор непрерывного дозирования сыпучих материалов малых расходов во взрывобезопасном исполнении (используется энергия сжатого воздуха) с легко изменяемыми пределами весового дозирования.
-
Теоретически и экспериментально определены метрологические характеристики системы непрерывного дозирования сыпучих материалов.
Практическая ценность работы и её реализация. На основе проведенных ледований, разработана система контроля непрерывного дозирования сыпучих ериалов малых расходов повышенной точности, для производства CMC, кото-имеет легко регулируемые пределы дозирования. Опытный образец системы ітроля непрерывного расхода сыпучих материалов, прошел производственные іьітания на базе АК "Новомосковскбытхим" г. Новомосковск Тульской обл.
Публикации. По результатам выполненных теоретических и эксперимен-ьных исследований опубликовано 5 работ, новизна защищена патентом РФ 128825 БИ №10 1999 г.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, ска литературы.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на ром международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов « пика и технология экологически чистых производств» (Москва 1998 г) и на сдународной научно-технической конференции - школе-семинаре «Передовые юлогии в промышленности и строительстве на пороге XXI века» (Белгород 8 г).
Положения работы выносимые на защиту:
новый способ автоматического непрерывного дозирования сыпучих мэте-пов повышенной точности, основанный на измерении всей массы дозируемого гриала на весоизмерительной платформе;
модели статической и динамической характеристик системы непрерывно-озирования сыпучих материалов малых расходов;
конструкция автоматического весового дозатора непрерывного дозирова-сыпучих материалов малых расходов которая отличается от существующих:
- весоизмерительным механизмом, выполненным в виде транспортёра подвешенного независимо от корпуса дозатора;
введением дополнительного транспортера питателя, который одн временно является регулирующим органом;
охватом обратной связью всей системы дозирования сыпучего м териала.
Существующие методы дозирования, системы контроля и конструкции дозаторов непрерывного действия
В соответствии со структурой технологического процесса дозаторы делят на две основные группы: дискретного и непрерывного действия.
По принципу работы дозирующие устройства разделяют на: устройства объемного типа; весового типа; с коррекцией по заданному параметру. На практике изредка встречаются также комбинированные дозирующие устройства (объемно-весовые), в которых масса отдозированной объемной порции доводится до заданных пределов на весовом устройстве [5 2]. Дозирование материала по весу более точное, чем дозирование по объему.
В дозирующих устройствах, работающих по весовому методу, процесс взвешивания состоит из трех этапов: воздействие взвешиваемого материала на механизм весов; преобразование этого воздействия в численное значение; указание или регистрация этого значения, соответствующего массе отдозированного материала.
Преимущественное распространение получили ленточные весовые дозаторы. Принцип действия этих дозаторов основан на изменении массового расхода сыпучих материалов ленточным весоизмерительным транспортером.
Для восприятия находящегося на ленте материала применяют либо подвижные весовые ролики, устанавливаемые под лентой (один или несколько, объединенные общей подвижной рамой), либо устанавливают на весы весь весоизмерительный транспортер или один из его концов (другой конец качающегося транспортера опирается на подвижную опору - ленточную или призменную подвеску) [52].
Для дальнейшего использования в системе автоматики вес материала, воспринятый весами, преобразуется в пневматический (электрический и др.) сигнал с помощью первичного измерительного преобразователя - датчика веса.
Применяют весоизмерительные транспортеры, как с постоянной, так и с переменной скоростью ленты, в последнем случае для получения значения массового расхода проходящего материала показания весов умножают на скорость ленты.
Чтобы обеспечить максимальную стабильность режима работы дозирующих устройств и повысить качество конечных продуктов производства, ряд технологических процессов переводят на непрерывные схемы. В этих схемах, как правило, используют весовые дозаторы непрерывного действия для создания непрерывного потока дозируемых материалов с заданной производительностью [52].
Скорость ленты дозатора V в зависимости от заданной производительности Q подбирают по формуле Q = V G, где G - вес материала на 1 м ленты дозатора. Регулирование скорости ленты значительно расширяет использование этих дозаторов для различных материалов [52].
Высокая точность непрерывно действующих автоматических дозаторов явилась предпосылкой для автоматизации ряда непрерывных технологических процессов.
Дозаторы различают по конструктивным признакам: по типу питателя и весоизмерительного устройства.
Одним из основных факторов, влияющих на точность дозирования, является равномерность поступления материала, что обеспечивается питающим устройством. За питателем устанавливают механизмы и устройства взвешивания [52, 8].
В весовых автоматических дозаторах находят применение весовоспринимающие устройства (датчики веса) различных типов: коромысловые, пружинные, пневматические и ряд других. Наиболее общими требованиями, предъявляемыми к дозаторам непрерывного действия являются: 1. Подача дозируемого материала, соответствующая заданной, достаточно высокая точность дозирования и независимость величины подачи от уровня материала в бункере. 2. Наличие приборов, показывающих величину регулирующего параметра и суммарное количество материала, прошедшего через дозатор. 3. Удобство обслуживания, взрыво - пожаробезопасность и высокая надежность в работе. 4. Соответствие конструктивного оформления основных и вспомогательных узлов физико-механическим свойствам дозируемых материалов.
Во многих процессах химической технологии дозирование различных компонентов - весьма ответственный процесс, от которого существенно зависит стабильность сырьевой смеси, качество конечного продукта и рациональный расход материалов. В этих случаях одновременное выполнение приведенных выше требований необходимо. В ряде процессов без применения совершенной аппаратуры невозможно осуществить комплексную автоматизацию и соблюдение оптимального технологического режима [52].
С внедрением в химическую промышленность непрерывных процессов широкое применение получило непрерывное автоматическое дозирование по весовому методу. Применение весовых дозаторов непрерывного действия устраняет несоответствие порционного дозирования компонентов непрерывному характеру технологического процесса и обеспечивает непрерывное дозирование с заданным весовым расходом.
Технология получения синтетических моющих средств
Она состоит (рис.2.1.) из бункера (1), патрубка (2), корпуса (3), питателя (4) с приводом (5), весоизмерительной платформы (7) с приводом (8) (синхронным двигателем), прикреплённой к корпусу (3) через рычажно-весовой механизм (9, 10, 11, 12) на 4-х подвесках (13).
Рычажно-весовой механизм (рис. 2.2.) представляет собой совокупность рычагов, выполненных в виде двух рамок (9,10), скреплённых двумя подвесками (11) в середине их. Одна пара противоположных сторон рамок крепится гибкими опорами (12) к корпусу дозатора, а к другой паре с противоположных сторон рамок крепятся по две подвески (13), к которым прикреплена весоизмерительная платформа (7). К рамке (10) прикреплена заслонка (14а), которая во время работы перемещается относительно сопла (146). Габариты рамок определены чувствительностью ПИП. Совокупность подвесок (11, 13) позволяет предварительно уравновесить весоизмерительную платформу (7), т.е. подвески (11) играют роль опор, вокруг которых перемещаются рамки (9,10). ПИП (14) соединен с вторичным прибором (15), регулирующим блоком (16) и исполнительным механизмом (17) на который опирается питатель. Питатель (4) является регулирующим органом, на нём для ограничения массы сыпучего продукта установлена заслонка (18).
Конструктивная схема содержит бункер (1), патрубок (2), корпус (3), питатель (4) с приводом (5) с одной жесткой опорой (6), весоизмерительную платформу (7) с приводом (8), прикрепленную к корпусу (3) через рычажно-весовой механизм (9, 10, 11, 12) на 4-х подвесках (13).
Дозатор непрерывного действия работает следующим образом. Из бункера сыпучий продукт через патрубок и питатель поступает на весоизмерительную платформу, с которой затем поступает в технологический процесс.
Взвешивание продукта производят чувствительным элементом 14 типа «сопло-заслонка», на который воздействует весоизмерительная платформа (через подвески и рычажно-весовой механизм) с вторичным прибором, регулирующим блоком и управляющим исполнительным механизмом. Сигнал с ПИП, после преобразования в стандартный пневмосигнал, поступает на вторичный прибор, а затем на регулирующее устройство, для выработки управляющего воздействия, которое подается на управляющий мембранный механизм. Управляющий мембранный механизм связан с подвижной опорой питателя и поворачивает его вокруг опоры (угловое перемещение), относительно патрубка (при отклонении дозируемого сыпучего материала от заданного) и тем самым автоматически поддерживается заданное значение массы на весоизмерительной платформе.
Система регулирования осуществлена с использованием энергии сжатого воздуха (пневматическая), при этом в качестве средств автоматизации используется вторичный прибор ПВ-10-1Э с регулирующим блоком ПР-3-21 с ПИ законом регулирования.
Сама весоизмерительная платформа предварительно уравновешивается, что позволяет при работе дозатора измерять на ней только массу сыпучего материала.
Выполнение питателя в виде транспортера с одной подвижной и одной неподвижной опорами, установленного с возможностью поворота относительно неподвижной опоры с помощью мембранного исполнительного механизм позволяет автоматически поддерживать заданное количество массы сыпучего материала на весоизмерительной платформе. Питатель одновременно с повышением точности измерения и расширением функциональных возможностей выполняет регулирующую функцию.
Выполнение рычажно-весового механизма в виде двух рамок, скрепленных двумя подвесками в их середине, при условии, что одна пара противоположных сторон рамок крепится гибкими опорами к корпусу дозатора, а к другой стороне рамок крепится подвески, к которым прикреплена весоизмерительная платформа, позволяет повысить точность дозирования сыпучего материала, о чем речь будет идти в дальнейшем.
Производительность дозатора обеспечивается скоростью ленты весоизмерительной платформы и массой продукта на ней. В зависимости от скорости транспортера весоизмерительной платформы и ее габаритов непрерывное дозирование сыпучего материала может устанавливаться в достаточно широких пределах.
Предлагаемая реализация методики отличается от существующих систем непрерывного дозирования двумя важными особенностями: -измерение всей массы и текущего значения сыпучей массы на уравновешенной весоизмерительной платформе осуществляется с помощью ПИП типа «сопло-заслонка» [8]; -регулирование подачи сыпучего материала осуществляется системой обратной связи, при этом используется специальный дополнительный транспортер-питатель с одной подвижной и одной неподвижной опорами.
Динамические характеристики системы непрерывного дозирования
Погрешность измерения суммарной массы материала, %, определяют для любой из отобранных проб по формуле: = ш _ioo иСМ (-, 1UW 3.7. где GCM - разность показаний отсчетного устройства суммарной массы за время отбора пробы, кг; G - действительное значение массы пробы, кг. Погрешность измерения суммарной массы не должна превышать значений предела допускаемой погрешности дозатора, умноженных на удвоенное отношение ИНН и НмПП.
Результаты поверки дозаторов, выпускаемых из производства и прошедших поверку с положительными показателями, заносят в паспорт и заверяют подписью государственного или ведомственного поверителя. Положительные результаты поверки дозаторов, прошедших ремонт или находящихся в эксплуатации, заносят либо в руководство по эксплуатации дозатора, либо в эксплуатационный журнал.
Одна из наиболее важных характеристик дозирующих устройств -точность дозирования. Это подача дозируемого материала в соответствии с заданной весовой производительностью. При автоматическом непрерывном весовом дозировании необходимо поддерживать данный весовой расход в пределах допустимых отклонений (допустимая погрешность). В зависимости от специфики технологического процесса к дозирующим устройствам предъявляют требования, обусловливающие ту или иную допустимую погрешность дозирования.
На точность дозирования имеет влияние большое число факторов. Непрерывное измерение веса материала, поступающего в дозатор, осуществляется с помощью датчика веса, который преобразует давление (вес материала) в пропорциональный электрический (или пневматический) сигнал. Сигнал поступает в специальную схему сравнения с сигналом от задающего устройства и перемещает стрелку показывающего и перо регистрирующего приборов. Таким образом, измерение весового расхода является косвенным. Следует также учитывать наличие дополнительной погрешности, обусловленной помехой, возникающей в результате объекта (собственное колебание весоизмерительной системы и характер взаимодействия взвешиваемого объекта и весоизмерительной системы). К этому следует добавить, что физико-механические свойства сыпучего материала часто видоизменяются в процессе дозирования. Особенность автоматических весоизмерительных устройств заключается в том, что их неотъемлемой частью являются приборы контроля и управления, которые в свою очередь также обладают какой-то погрешностью, видоизменяющейся вследствие нестабильности напряжения в питающей сети, температуры окружающей среды и др. В результате суммарная погрешность дозирования складывается из общей погрешности косвенного измерения: погрешности установки задания (погрешность задатчика плюс смещение контрольной точки регулятора) и погрешности собственно дозатора. Исследование погрешностей приборов контроля и измерения в производственных условиях обычно не проводится, так как для этого необходима аппаратура высокого класса точности. Таким образом, на погрешность дозирования влияет много причин, которые учесть аналитически довольно сложно.
Обработка экспериментальных данных полученных в ходе испытаний дозатора
Определение метрологических характеристик. Метрологические характеристики дозатора определяют методом отбора не менее пяти контрольных проб при различных значениях весовой производительности. Поскольку весовой дозатор непрерывного действия любого типа представляет собой автоматическое устройство, обеспечивающее заданную весовую производительность с одновременным автоматическим учетом суммарной массы продукта, при поверке необходимо раздельно оценить погрешность системы поддерживания заданной весовой производительности и погрешность системы учета суммарной массы продукта.
Погрешность системы обеспечения заданной весовой производительности определяют, как уже было сказано, методом отбора массы контрольных проб, взятых на установленный интервал времени работы дозатора, с последующим сравнением их с теоретическим значением массы контрольной пробы. Погрешность измерения суммарной массы определяют методом сравнения фактической массы с показаниями счетчика суммарной массы.
Поверку проводят при установленных значениях весовой производительности, равных НПП и НмПП.
Если дозатор предназначен для дозирования веществ различной плотности, поверку необходимо проводить при дозировании материалов наибольшей и наименьшей плотности.
В нашей стране установлено время отбора контрольных проб (6,0 + 0,25) мин. Действительное время отбора пробы определяют с помощью секундомера.
Действительное значение массы контрольных проб определяют на весах для статического взвешивания, обладающих погрешностью, не превышающей 1/3 допускаемой погрешности поверяемого дозатора.
Одна из наиболее важных характеристик дозирующих устройств -точность дозирования. Это подача дозируемого материала в соответствии с заданной весовой производительностью. При автоматическом непрерывном весовом дозировании необходимо поддерживать данный весовой расход в пределах допустимых отклонений (допустимая погрешность). В зависимости от специфики технологического процесса к дозирующим устройствам предъявляют требования, обусловливающие ту или иную допустимую погрешность дозирования.
На точность дозирования имеет влияние большое число факторов. Непрерывное измерение веса материала, поступающего в дозатор, осуществляется с помощью датчика веса, который преобразует давление (вес материала) в пропорциональный электрический (или пневматический) сигнал. Сигнал поступает в специальную схему сравнения с сигналом от задающего устройства и перемещает стрелку показывающего и перо регистрирующего приборов. Таким образом, измерение весового расхода является косвенным. Следует также учитывать наличие дополнительной погрешности, обусловленной помехой, возникающей в результате объекта (собственное колебание весоизмерительной системы и характер взаимодействия взвешиваемого объекта и весоизмерительной системы). К этому следует добавить, что физико-механические свойства сыпучего материала часто видоизменяются в процессе дозирования. Особенность автоматических весоизмерительных устройств заключается в том, что их неотъемлемой частью являются приборы контроля и управления, которые в свою очередь также обладают какой-то погрешностью, видоизменяющейся вследствие нестабильности напряжения в питающей сети, температуры окружающей среды и др. В результате суммарная погрешность дозирования складывается из общей погрешности косвенного измерения: погрешности установки задания (погрешность задатчика плюс смещение контрольной точки регулятора) и погрешности собственно дозатора. Исследование погрешностей приборов контроля и измерения в производственных условиях обычно не проводится, так как для этого необходима аппаратура высокого класса точности. Таким образом, на погрешность дозирования влияет много причин, которые учесть аналитически довольно сложно.
