Введение к работе
Актуальность темы. Рыночные отношения и усиление конкуренции вынуждают производителей повышать эффективность производства и качество выпускаемой продукции. Одним из основных показателей качества продукции во многих отраслях промышленности (химической, пищевой, нефтеперерабатывающей, лакокрасочной и др.) является плотность. Весьма велика роль измерения плотности и в организации системы количественного учета веществ при их приемке, хранении и отпуске.
Физика знает много различных эффектов, представляющих собой по существу явления преобразования одного вида энергии в другой, однако, не каждый эффект может быть положен в основу метода измерения той или другой физической величины. Разработка и исследование новых методов измерения плотности целесообразна, если существует необходимость в их организации или известные методы не в полной мере удовлетворяют предъявляемым требованиям.
Все методы измерения плотности являются косвенными, в которых об измеряемом параметре судят по результатам, полученным путем прямых измерений величин массы и объема. Измерение массы — величины, определяемой через гравитационные или инерционные силы, не вызывает затруднений. Основная проблема при измерении плотности гетерогенных систем (сыпучих или волокнистых материалов) состоит в измерении объема твердой фазы.
Многие производства химической, нефтехимической, лакокрасочной, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности являются потенциально опасными, что накладывает ограничения на применение методов и средств контроля веществ. Использование энергии сжатого воздуха при контроле плотности позволяет не только создавать принципиально новые методы измерения, но и является одним из наиболее эффективных путей повышения надежности измерений в потенциально опасных условиях промышленных производств.
Большой вклад в создание и развитие пневматических методов контроля плотности веществ внесли такие ученые, как И.П. Глыбин, Л.А. Залмагоон, С.С. Кивилис, В.И. Лаптев, М.В. Кулаков и др.
Целесообразность создания и внедрения пневмодинамических методов и устройств контроля веществ обусловлена наличием только присущих им положительных качеств, таких как простота конструкции и эксплуатационного обслуживания, низкая стоимость и быстрая окупаемость затрат, высокая надежность работы, пожаро- и взрывобезопасность. Свойственное пневматическим устройствам невысокое быстродействие не является ограничением для их широкого использования, так как процессы, приводящие к изменению плотности веществ, относятся к числу медленно протекающих.
Пневмодинамические методы измерения, плотности жидкостей и сыпучих материалов существенно дополняют электрические, имеющие для современной науки и практики главное значение. Иногда они уступают последним по достижимой точности, однако, будучи протарированы по ним, могут затем длительное время работать в условиях, при которых невозможна работа никаких других измерительных средств.
В некоторых случаях целесообразно создание комбинированных средств измерения, в которых имеются аэродинамические элементы и элементы других типов: электрические, ультразвуковые, оптические, акустические и т.д.
Поставленная в работе проблема разработки пневмодинамических методов и устройств неразрушающего контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов, позволяющих повысить точность, надежность и оперативность контроля в условиях потенциально опасных производств, является важной и актуальной.
Решение такой проблемы невозможно без поиска и всестороннего анализа новых путей в измерении плотности, базирующихся на специфических физических эффектах.
Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации государственных программ:
программа Минвуза РФ «Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве» на 1998 — 2000 гг.;
госбюджетная НИР 4Г/96 «Развитие и совершенствование математического, программного, информационного и технического обеспечения АСНИПр процессов тепло и массопереноса» 1996 — 2000 гг.;
. г межвузовская отраслевая научно-техническая программа «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (тема № 8Г/96);
программа Министерства образования РФ «Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в хозяйственный оборот», раздел «Инновационные научно-технические проекты» на 2000 г.;
научно-техническая программа Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Производственные технологии» на 2003 — 2004 гг.
Цель работы состоит в разработке комплекса пневмодинамических методов и устройств контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов, позволяющих ускорить решение проблемы измерения, повышения точности, надежности и оперативности технического контроля в условиях потенциально опасных производств.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
анализ современного состояния техники измерения плотности и выбор направлення дальнейшего развития методов и средств ее контроля;
теоретическое и экспериментальное исследование физических эффектов, возникающих при потенциальном воздействии сжатым воздухом на контролируемое вещество, и создание па их основе новых методов и средств неразрушающего контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов;
разработка теоретических основ струйно-акустических методов контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов;
построение математических моделей процессов струйного взаимодействия пневматического сигнала с контролируемым веществом; разработка контактных и бесконтактных методов и средств неразрушающего контроля плотности, теоретическое и экспериментальное обоснование возможности и целесообразности их использования;
— проведение метрологической оценки методов измерения и реализую
щих их устройств; повышение их точности путем разработки мероприятий по
уменьшению влияния неконтролируемых параметров па результат измерения;
- проведение промышленных испытаний и внедрение результатов работы.
Методы исследований. Поставленные в работе задачи решались моделированием и анализом моделей как процессов газовой динамики, так п первичных измерительных преобразователей. Аналитические методы исследований базируются на использовании теории пневматических цепей, цепей с распределенными параметрами, дифференциального и интегрального исчисления,' статистической теории обработки результатов измерений, теории систем автоматического регулирования, теории измерений и метрологии и др.
Научная новизна. На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований физических эффектов, возникающих при взаимодействии пневматического сигнала с контролируемым веществом, доказана возможность создания на их основе пневмодинамических методов контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов.
В результате анализа, обобщения и развития теоретических основ пневмодинамических эффектов, реализуемых методами контроля плотности, предложена их классификация, основным классифицирующим признаком в которой является физическая природа сигнала, воздействующего на вещество (потенциальные, струйные, струйно-акустические).
Впервые теоретически и экспериментально исследованы акустические эффекты в отрезках длинной струйно-акустической линии с различными нагрузками и согласующими устройствами, которые предложено использовать при создании бесконтактных струйно-акустических методов неразрушающего контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов.
Теоретически и экспериментально изучены процессы струйно-акустической генерации. Результаты исследований использованы при разработке основного элемента струйно-акустических устройств - аэродинамического генератора колебаний звуковой частоты.
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований пневмодинамических систем с интегрированием давления получено обобщенное математическое описание происходящих процессов и разработан комплекс методов контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов.
Получено обобщенное математическое описание процессов струйного
взаимодействия газа с контролируемым веществом. На основе результатов экс
периментальных и теоретических исследований пневмодинамических процессов
в системе «струя газа - контролируемое вещество» разработан комплекс методов
контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов.
Практическая значимость.' Разработаны пневмодинамические времяим-пульсные и числои.мпульсные устройства неразрушающего контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов с непрерывным и пульсирующим режимами заполнения сжатым газом измерительной емкости. Осуществлен выбор основных конструктивных элементов.
Разработаны бесконтактные струйно-акустические" устройства неразрушающего контроля плотности движущихся и неподвижных жидких веществ и
' 3
сыпучих материалов. Осуществлен и обоснован выбор конструктивных размеров основных элементов.
Разработаны струйные устройства контроля плотности жидких веществ и сыпучих материалов. Осуществлен выбор основных конструктивных элементов.
Оригинальные устройства контроля плотности веществ защищены патентами Российской Федерации.
Производственные испытания экспериментальных образцов устройств показали их работоспособность в условиях потенциально опасных производств.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли промышленные испытания и внедрены на предприятиях 301 ЛРЗ (г. Тамбов, 1997, 1999 гг.), АО «Кристалл» (г. Кирсанов, 1998 г.), в.ч. 13805 (г. Пушкин-3, 1998 г.), НПП «Модуль» (г. Тамбов, 1998 г.), ЗАО СМНУ «Тамбовагропромпусконаладка» (г. Тамбов, 1999, 2004 гг.), ОАО «Тамбовское опытно-конструкторское технологическое бюро» (г. Тамбов, 2003, 2004 гг.), ОАО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов, 2003, 2004 гг.), филиал ОАО «ТАЛВИС» спиртзавод «Волковский» (г. Моршанск, 2005 г.), кроме, того, они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.
Апробация работы.' Основные результаты работы докладывались на 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности методов и средств обработки информации» (Тамбов, 1997 г.); Третьей Международной теплофизической школе «Новое в теплофизических свойствах» (Тамбов, 1998 г.); на 12, 14, 15-й Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Великий Новгород, 1999 г.; Смоленск, 2001 г.; Тамбов, 2002 г); на 6-й Всероссийской конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, 1999 г.); на Четвертой Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века» (Тамбов, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2002 г.); II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2004 г.); 5-й Международной научно-технической конференции «Измерение. Контроль. Информатизация» (Барнаул, 2004 г.); на Пятой Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством» (Тамбов, 2004 г.); I — VII научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 1994 - 2002 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 73 научные работы, включая б книг, 1 монографию, получено 11 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 257 страницах машинописного текста, содержит 77 рисунков и 41 таблицу. Список литературы включает 183 наименования. Приложения содержат 15 страниц, включая 1 рисунок.
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники РФ Мищенко Сергею Владимировичу и доктору технических наук, профессору, заслуженному изобретателю РФ Мордасову Михаилу Михайловичу за всестороннюю помощь, консультации и поддержку при выполнении работы.
