Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время во многих отраслях промышленности при переработке различных сыпучих материалов применяется их пневмотранспортирование по трубопроводам. К таким отраслям относятся производство и переработка строительных материалов, сельскохозяйственной, пищевой и фармацевтической продукции. Например, в строительной отрасли посредством пневмотранспортных систем перемещаются цемент, гипс, известь. К преимуществам пневмотранспорта следует отнести высокую производительность, большие радиусы действия, полное отсутствие потерь перемещаемого материала в пневмомагистралях, высокие экологические характеристики установок, возможность построения разветвленных систем, адаптированных к полной автоматизации управления. К недостаткам пневмотранспорта относятся сравнительно высокий удельный расход электроэнергии на единицу массы транспортируемого материала и износ пневмомагистралей вследствие абразивного эффекта.
При пневмотраспортировании в технологических процессах производства необходим оперативный контроль и учёт массового расхода сыпучих материалов. Для измерения массового расхода разработаны такие способы и технические средства, как тензометрические, крыльчатые, центробежные, лотковые и вибролотковые расходомеры, а также измерители расхода на основе определения электрических и геометрических параметров потока. В связи с абразивностью сыпучих материалов преимущественное применение в пневмотраспортных установках получили бесконтактные расходомеры. Установка таких измерительных приборов не нарушает целостность пневмопровода и структуру потока.
В известных бесконтактных методах массовый расход материалов определяется по двум измеряемым параметрам потока – его плотности и линейной скорости. Среди датчиков расхода значительными функциональными возможностями обладают волновые датчики. В основе их построения лежит эффект взаимодействия ультразвуковых или электромагнитных волн широкого диапазона с перемещаемым по пневмопроводу материалом. Плотность потока определяется по изменению амплитуды или мощности генерируемой волны. Скорость двухфазного потока определяется по эффекту Доплера через частотный сдвиг электромагнитной или акустической волны, переданной в поток вещества и частично отраженной от движущегося материала, или корреляционным методом. С возрастанием плотности потока снижается проникающая способность волн, что приводит к увеличению погрешности измерения и ограничивает применение метода измерения.
Применение корреляционных методов для измерения скорости потока материала связано со статистическим анализом сигналов от двух идентичных датчиков, размещенных на определенном расстоянии друг от друга вдоль направления потока и несущих информацию о неоднородностях материала. Для измерения скорости указанным методом применимы датчики, измеряющие параметры акустической или электромагнитной волны, оптический сигнал, проводимость, диэлектрическую проницаемость, электрический заряд, температуру. Недостатком датчиков, работающих на корреляционном методе, является зависимость сигналов от случайных флуктуционных процессов в пневмопроводе, нарушение подобия сигналов с увеличением расстояния между датчиками. Статистическая обработка сигналов значительно усложняет техническую реализацию и повышает стоимость измерителя.
Таким образом, известные измерители массового расхода материала при пневмотранспортировании, базирующиеся на двух измеряемых параметрах плотности и скорости потока, сложны в технической реализации и не всегда обеспечивают необходимую точность измерения и быстродействие. Многие технологические процессы предполагают коммерческую точность учета с погрешностью, не превышающей 1%. Поэтому разработка и исследование новых методов и технических средств, обеспечивающих необходимое быстродействие и точность учета, является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является разработка и теоретическое обоснование нового метода измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании на основе явления поляризации и электрооптического эффекта Поккельса, разработка первичного измерительного преобразователя и автоматизированной системы измерения массового расхода диэлектрических сыпучих материалов при пневмотранспортировании.
Задачи диссертационной работы:
1. Теоретическое обоснование метода измерения массового расхода сыпучего диэлектрического материала, основанного на одном интегральном параметре – интенсивности световой волны, прошедшей через ячейку Поккельса, модулируемой токами поляризации вещества, транспортируемого через измерительный конденсатор.
2. Разработка и исследование первичного преобразователя на основе этого метода.
3. Разработка структуры и техническая реализация автоматизированной системы измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов на основе нового датчика и программируемого логического контроллера (ПЛК).
4. Разработка программного обеспечения измерительной системы.
5. Разработка и исследование математической модели системы автоматизированного управления технологическим процессом пневмотранспортирования цемента, обеспечивающей режим энергосбережения.
6. Экспериментальные исследования измерительной системы в лабораторных и производственных условиях.
Методы исследования, используемые в работе:
1. Сравнительный анализ существующих методов измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании.
2. Основные положения теории поляризации диэлектриков в электрическом поле.
3. Методы модуляции световой волны на основе эффекта Поккельса.
4. Методы математического моделирования и численный эксперимент.
5. Методы статистической обработки информационных сигналов и установления сходимости теоретических и экспериментальных данных.
Научная новизна заключается в развитии принципа измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании по одному интегральному параметру – интенсивности световой волны и создании на базе данного способа:
- структуры первичного измерительного преобразователя массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании;
- автоматизированной системы измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании;
- математической модели системы управления технологическим процессом пневмотранспортирования;
- программного обеспечения статистической обработки информационных сигналов по одному интегральному параметру.
Новизна и полезность разработанных научно-технических решений подтверждена Патентом РФ на изобретение № 2435141 от 27ноября 2011 года.
На защиту выносятся следующие результаты научных исследований и разработок:
- теоретические положения по обоснованию нового метода измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании на основе явления поляризации и электрооптического эффекта Поккельса;
- методика измерения массового расхода двухфазных потоков сыпучих диэлектрических материалов по одному интегральному параметру – интенсивности световой волны, модулируемой потоком материала;
- первичный измерительный преобразователь массового расхода, базирующийся на новом методе измерения;
- принципы построения системы автоматизированного контроля массового расхода сыпучих диэлектрических материалов, транспортируемых по трубопроводам;
- математическая модель системы управления технологическим процессом пневмотранспортирования, оптимизирующая расход электроэнергии до технически обоснованного уровня;
- результаты экспериментальных лабораторных и производственных исследований.
Личный вклад. Результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно. Личным вкладом соискателя в совместно опубликованных работах является участие в разработке научных основ нового метода массового расхода сыпучих диэлектрических материалов, принципов построения системы автоматизированного контроля массового расхода сыпучих материалов, математической модели системы управления процессом пневмотранспортирования. Автором проведены лабораторные и производственные испытания измерителя расхода и анализ полученных результатов.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в:
1. Создании высокоточного, надёжного и простого в технической реализации первичного измерительного преобразователя массового расхода сыпучих диэлектрических материалов, транспортируемых по трубопроводу.
2. Создании эффективных измерительных систем на основе разработанного первичного преобразователя.
3. Возможности применения разработанных новых методов и технических средств в технологических процессах с использованием пневмотранспортных систем.
Работа выполнялась в рамках Госбюджетной аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Федерального агентства по образованию РФ 2008 – 2009 гг. и внутривузовского гранта ННГАСУ на научные исследования и инновационную деятельность 2009 года.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена корректностью постановки задачи, аналитическими зависимостями измеряемых параметров массового расхода и скорости диэлектрических материалов с характеристиками информативных сигналов, результатами экспериментальных исследований и производственными испытаниями разработанной автоматизированной системы контроля и учёта расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотраспортировании.
Реализация результатов работы. На основе предложенных теоретических положений разработана и реализована автоматизированная система контроля и учёта расхода строительных сыпучих материалов при пневмотраспортировании, прошедшая натурные испытания на реальном объекте Нижегородском бетонном заводе «ООО Бетон.РУ».
По результатам производственных испытаний определены работоспособность и эффективность автоматизированной системы контроля и учёта расхода сыпучих строительных материалов при пневмотранспортировании. Суммарная погрешность измерения на установке не превышала 1%. Внедрение этой системы измерения на действующих установках загрузки автоцементовозов и складе цемента Нижегородского бетонного завода «ООО Бетон.РУ» позволило осуществить оперативный контроль и учёт расхода цемента, в результате которого снизились непроизводственные потери дорогостоящего материала и повысилось качество выпускаемой бетонной смеси.
Материалы диссертационного исследования используются в Нижегородском архитектурно-строительном университете для дипломного проектирования и в учебном процессе дисциплины «Автоматизация измерений, контроля и испытаний».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции «Строительство-2010», Ростов-на-Дону, 2010г.; Шестой международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надёжность машин, приборов и оборудования», Вологда, 2010 г.; Тринадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», Москва, 2010 г. Разработка измерителя расхода была представлена Министерством промышленности и инновации Нижегородской области на 40-ом Международном салоне «Изобретения Женевы» (Швейцария) и отмечена Дипломом и серебряной медалью.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных статей в изданиях перечня ВАК, 4 публикации в виде тезисов научных конференций и 1 патент РФ на изобретение. Печатные работы указаны в конце автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 138 страницах текста, содержит 35 рисунков и 8 таблиц.
