Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ТІГАРЄВ Анатолій Михайлович
УДК 681.518.52:544.023.523.002.56
КОНТРОЛЬ ТА УПРАВЛІННЯ ДИСПЕРСНИМ СКЛАДОМ ПОРОШКІВ
У ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ ЇХ ВИРОБНИЦТВА
05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Одеській національній академії харчових технологій
Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент
Монтік Петро Миколайович, Одеська
національна академія харчових технологій,
завідувач кафедри електротехніки
Офіційні опоненти: доктор технічних наук,
Гогунський Віктор Дмитрович,
Одеський національний політехнічний
університет, завідувач кафедри охорони праці
і безпеки життєдеяльности
кандидат технічних наук,
Беспалов Ігор Миколайович,
Одеський інженерно-технологічний інститут
“Біотехніка”, заступник директора по науковій
праці
Провідна установа Національний університет
"Львівська политехника ", м. Львів
Захист відбудеться 24.06.2004 р. о 13-30 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному
політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса 44, пр. Шевченка, 1.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного
політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий 21.05.2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Ямпольський Ю.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Дисперсні матеріали широко застосовуються в порошковій металургії, хімічній, електронній, будівельній, харчовій, фармацевтичній, мікробіологічній галузях промисловості. Вони являють собою двохфазні дисперсні системи, що складаються з рідкого або газового дисперсійного середовища і дисперсної фази з твердих або рідких частинок (порошки, суспензії, аерозолі). Основні властивості дисперсних систем (ДС) визначаються дисперсним складом, що звичайно оцінюють усередненими показниками (середній арифметичний, медіанний діаметри частинок, повна, питома поверхні дисперсної фази). Ці показники визначають технологічні параметри ДС (насипну масу, щільність упаковування, текучість, тощо) і, тим самим, якість порошків і виробів із них (електрорадіоматеріали, люмінофори, композити, абразиви, пігменти, тощо). Найбільш інформативною характеристикою ДС є функція розподілу частинок за розмірними параметрами, наприклад, еквівалентним діаметром, що дозволяє визначати вміст будь-якої фракції дисперсної фази в порошку.
Технологічні процеси (ТП) виробництва і переробки ДС характеризуються неповнотою апріорної інформації, у першу чергу, про дисперсний склад, значним запізнюванням у каналах управління, інтенсивними неконтрольованими збуреннями, що призводить до погіршення якості одержуваних порошків. У більшості випадків існуючі засоби управління засновані на результатах ситового, мікроскопічного, седиментаційного та інших методів, що не дозволяють експресно одержувати достовірну інформацію про дисперсний склад і, відповідно, забезпечувати оперативність управління ТП і необхідну якість виробництва дисперсних матеріалів.
Тому розробка систем контролю і оперативного управління дисперсним складом при виробництві ДС є актуальною науково-технічною проблемою.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі автоматизації виробничих процесів Одеської національної академії харчових технологій у рамках її основного наукового напрямку № 3 "Створення і розробка нового високоефективного обладнання, теорії, методів його розрахунку і проектування; автоматизація виробничих процесів харчових і зернопереробних виробництв".
Мета і задачі дослідження. Мета дослідження –засобами автоматизованого оперативного контролю і управління забезпечити підвищення ступеня відповідності дисперсного складу порошкових матеріалів заданому, домогтися зниження питомих витрат енергії і втрат сировини. Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі задачі:
Об'єкт дослідження. Автоматизовані системи експресного контролю і управління дисперсним складом порошкових матеріалів в ТП їх виробництва.
Предмет дослідження. Експрес-аналізатори дисперсного складу порошків, засновані на вимірі розмірів окремих частинок, і системи управління дисперсним складом на їх основі.
Методи дослідження. Системний аналіз структур експрес-аналізаторів дисперсного складу; методи статистичного імітаційного моделювання алгоритмів їх функціонування; методи теорії імовірностей, теорії інформації, математичної статистики для оцінки обсягу аналізованої інформації при проведенні аналізу дисперсного складу; імітаційне моделювання систем управління дисперсним складом у середовищі МАТLАВ.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в розвитку і поглибленні основ побудови систем контролю і управління дисперсним складом ДС. При цьому отримані такі наукові результати.
Одержали подальший розвиток:
- метод підготування проби для експрес-аналізатора, що забезпечує руйнацію агрегатів із частинок впливом перемінних і імпульсних електричних полів високої напруженості;
- методи визначення обсягу вибірки аналізованих частинок і кількості інтервалів їх розбивки при аналізі дисперсного складу ДС диференціальними методами, що забезпечують підвищення достовірності функції розподілу частинок ДС по розмірах;
- математичні моделі перетворювачів розмірних параметрів частинок в електричний сигнал: кондуктометричного, що враховує вплив розподілу електричного поля в його об'ємі на параметри електричних сигналів і фотоелектричного, що враховує оптичні властивості, форму і орієнтацію частинок;
- математична модель системи управління дисперсним складом ДС, що включає модель інформаційно-вимірювального каналу і модель системи управління дисперсним складом алюмінієвих порошків, одержуваних розпиленням.
Вперше розроблені, обгрунтовані:
- методика імітаційного моделювання функціонування інформаційно-вимірювального каналу, яка використовується для розробки аналізаторів дисперсного складу і систем управління дисперсним складом при виробництві різноманітних порошкових матеріалів;
- вимоги до стандартних зразків ДС, які використовують при градуюванні аналізаторів, в залежності від їх технічних характеристик;
- регульовані змінні, яки забезпечують можливість управління дисперсним складом розпилених алюмінієвих порошків, що подають статистичні параметри, що характеризують однозначно функцію їх розподілу по розмірах.
- модель розпилювальної установки як об'єкта управління, на основі якої реалізована система стабілізації дисперсного складу алюмінієвих порошків, одержуваних розпиленням розплаву;
- структура системи автоматичного регулювання параметрів дисперсного складу алюмінієвих порошків, яка включає блок розрахунку початкових наближень керуючих впливів, що забезпечує підвищення динамічної точності в перехідних процесах, при великих запізнюваннях в каналах регулювання.
Практичне значення отриманих результатів.
Запропоновані і розроблені: пристрій підготування проби, використовуваний в аналізаторах дисперсного складу (а.с. № 1636730); первинний кондуктометричний перетворювач, що забезпечує підвищення точності аналізатора дисперсного складу і його перешкодозахищеності (патент України №12085).
Розроблені експрес-аналізатори дисперсного складу порошків із кондуктометричним первинним перетворювачем впроваджені –в Українському науково-дослідному інституті вогнетривів, м. Харків і в НДІ "Реактивелектрон", м. Донецьк.
Оцінена ефективність системи пилоуловлювання в повітрєводах металургійного заводу (Молдавія, м. Рибниця) за результатами визначення дисперсного складу пилових відкладень кондуктометричним аналізатором (ОНПУ, г.д. №1376-100р).
Розроблено і досліджено систему регулювання дисперсного складу алюмінієвого порошку, одержуваного розпиленням розплаву, із системою контролю на основі розробленого експрес-аналізатора дисперсного складу з фотоелектричним первинним перетворювачем (г.д. № 21/78, 33/82 ІркАЗ).
Розроблений кондуктометричний експрес-аналізатор дисперсного складу, а також алгоритм опрацювання статистичної інформації визначення параметрів ДС використовуються в навчальному процесі в Одеському національному університеті.
Особистий внесок здобувача. У [1] проведена класифікація існуючих методів аналізу дисперсного складу ДС і їх апаратурної реалізації. З використанням системного підходу в [1] розроблені структури експрес-аналізаторів дисперсного складу. У [3] запропонована методика розпізнавання законів розподілу ДС. У [2,6] обгрунтоване і запропоновано пристрій для підготування проби до аналізу. У [8] запропонований пристрій, що забезпечує підвищення точності при аналізі дисперсного складу кондуктометричним методом. У [4] запропонована методика градуювання аналізатора і обгрунтовано вимоги до вибору стандартних зразків ДС. З використанням робіт [2,6,8] виконана класифікація методів підготування проби. На підставі робіт [9,10,12] обгрунтовано вибір критеріїв управління дисперсним складом при виробництві ДС. У [4] запропонований підхід до побудови систем регулювання дисперсного складу порошків.
Апробація результатів дисертації. Висновки і положення, що явилися результатом роботи, пройшли перевірку в процесі виконання науково-дослідних робіт із розробки аналізаторів і систем управління дисперсним складом порошкових матеріалів. Основні положення дисертаційної роботи були викладені і одержали схвалення на Всесоюзних науково-технічних конференціях: "Механіка сипких середовищ" (Одеса 1975, 1980), "Випар, горіння і газова динаміка дисперсних систем" (Одеса 1976), "Актуальні питання фізики аеродисперсних систем" (Одеса 1986), "Застосування апаратів порошкової технології і процесів термосинтезу в народному господарстві" (Томськ 1987), "Шляхи розвитку науки і техніки в м'ясній і молочній промисловості" (Углич 1988); на другий Української конференції по автоматичному управлінню "Автоматика–" (Львів 1995), 5-й Міжнародній конференції "Застосування комп'ютерних технологій в народному господарстві" (Харків 2002) та 61, 62, 63-ій наукових конференціях ОНАХТ (Одеса 2001,2002, 2003).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 35 друкованих праць. З них п'ять статей в наукових журналах, п'ять статей у збірниках наукових праць, два авторські посвідчення і патент України, два депоновані рукописи, 20 тез конференцій. Основні з них приведені в списку опублікованих праць.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків. Обсяг дисертації –сторінок. Дисертація містить 81 рисунок, 18 таблиць і список використаних джерел з 230 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі приведено загальну характеристику роботи, що підкреслює ії актуальність, наукову новизну і практичне значення; визначені об'єкт і предмет дослідження, сформульовано його мету і завдання.
У першому розділі показано, що оскільки ДС являє собою статистичну сукупність частинок різноманітного розміру, що характеризується дисперсним складом, то одержання інформації про ДС містить у собі як вимір розмірних параметрів частинок, так і опрацювання статистичної інформації для визначення параметрів і виду функції розподілу. Виконано огляд методів аналізу дисперсного складу і запропонована їх класифікація, заснована на засобах одержання інформації про ДС, відповідно до якої методи діляться на два основних класи: інтегральні і диференціальні. Апаратурна реалізація методів аналізу в промисловості обмежується ситовим, седиментаційним, мікроскопічним або методами визначення питомої поверхні, що потребують значного часу для проведення аналізу і одержання результатів. Показано, що диференціальні методи є більш "інформативними" і експресними, і тому найбільше придатний для використання в системах контролю і управління дисперсним складом в процесі виробництва і переробки ДС. З цих методів найбільше поширення одержали мікроскопічний, фотоелектричний і кондуктометричний, причому останні два є найбільш перспективними для побудови експрес-аналізаторів дисперсного складу ДС.
Показано, що методика виконання аналізу дисперсного складу цими методами містить такі основні етапи (рис.1).
Рис. 1. Основні етапи аналізу дисперсного складу ДС диференціальними методами
При відбору проби основною вимогою є її ставність, обумовлена об'ємом, місцем і періодичністю відбору. При підготуванні проби до аналізу необхідно виконати руйнацію агрегатів із частинок для зменшення похибок при визначенні дисперсного складу. З виконаної класифікації методів руйнації агрегатів випливає, що найбільше ефективним є використання електричних полів високої напруженості, застосовних для широкого класу ДС у великому діапазоні розмірів частинок.
Поодиночна подача частинок у зону аналізу первинного перетворювача є основною вимогою до пристроїв подачі частинок (ППЧ), що досягається формуванням сфокусованого потіку частинок в рідині або газі.
Первинні перетворювачі (ПП) фотоелектричного і кондуктометричного методів забезпечують перетворення розмірних параметрів, що характеризують кожну окрему частинку, в електричний імпульс, у якого амплітуда, форма, площа, тривалість окремо або в сукупності утримують інформацію про розмір частинки. Таким чином, на виході ПП формується потік цих імпульсів. Опрацювання імпульсного потоку (сортування імпульсів по їх електричних параметрах і накопичення інформації про кількість зареєстрованих частинок) виконують багатоканальними аналізаторами і одержують гістограму розподілу густини імовірності.
Одержання достовірної інформації про дисперсний склад ДС істотно залежить від ставності проби, кількості інтервалів розбивки діапазону аналізованих розмірів і їхньої ширини, що не завжди досягається існуючими методами опрацювання. Зокрема, вибір апроксимуючої функції розподілу зумовлює значні трудності, які пов'язані з невизначенністю вибору із різноманіття існуючих законів розподілу частинок за розмірами.
Відомі математичні моделі кондуктометричного і фотоелектричного ПП недостатньо повно враховують конструктивні і режимні параметри і їх вплив на амплітудні і часові характеристики одержуваних імпульсів. Також в літературі недостатньо повно розглянуті питання градуювання аналізаторів, оцінки впливу різноманітних похибок на результати аналізу.
ТП виробництва ДС є складними, багатопараметричними, нестаціонарними об'єктами управління зі значним запізнюванням, характерною особливістю яких є наявність перехресних зв'язків по каналам управління і збурень. Управління дисперсним складом ДС у таких об'єктах реалізується, звичайно, стабілізацією технологічних режимів, яка не забезпечує необхідну якість ДС, що задовольняє вимогам більшості споживачів. Необхідність підвищення якості ДС і недостатня експресність одержання інформації потребує розробки і удосконалювання засобів контролю і управління дисперсним складом ДС в процесі виробництва.
В другому розділі виконаний математичний опис аналізатора, виходячи з того, що основним призначенням аналізатора є одержання функції розподілу частинок ДС по розмірних параметрах. Тому, що реальні аналізатори мають визначений діапазон аналізованих розмірів частинок, цільову функцію аналізатора ФА уявимо в такому виді:
, (1)
де -, функції розподілу і fс(хi), fа(хi) –густини імовірності отримані, відповідно, стандартними методами і з використанням аналізатора.
Рух матеріальних і інформаційних потоків при аналізі дисперсного складу в аналізаторі визначило його структуру в вигляді трьох самостійних функціональних частин (рис. 2). В першій частині здійснюється формування матеріального потоку частинок, в другий відбувається перетворення розмірних параметрів частинок в відповідні аналогові електричні сигнали і формування потоку імпульсів із наступним їх перетворенням в цифрову форму. В третій частині забезпечується перетворення і обробка інформаційного цифрового потоку. В дисертації обгрунтовано, що структурну схему аналізатора аналогічно можна уявити в вигляді трьох блоків, кожний із який складається з окремих функціональних вузлів.
Показано, що ММ інформаційно-вимірювального каналу системи управління дисперсним складом ДС являє собою систему рівнянь, які описують процеси, що протікають в його вузлах і блоках (рис. 2) .
Встановлено, що відбір проби в залежності від агрегатного стану ДС (нерухомий або потік, що рухається) і виду ТП регламентується нормативними документами, в яких враховується періодичність і місце відбору проби, конструкція пробовідбірника, що забезпечують мінімальні перекручування потоку і ставність проби. Тоді, математичну модель пристрою відбору проби (ПВП) можна представити функціоналом
КПВП = f ( m, МВ, С, tвід ),
де m –маса проби; С –концентрація частинок у дисперсному середовищі; MВ –місце відбору і конструкція пробовідбірного пристрою; tвід –періодичність відбору проби.
Рис. 2. Схема розподілу матеріальних і інформаційних потоків при аналізі дисперсного складу ДС
У математичній моделі пристрою підготування проби (ППП) враховані адгезіони Fад, аутогезіони Fаут і когезіони Fког сили, які викликають агрегування або коагуляцію, що дозволяє оцінити необхідні зовнішні силові впливи Fр для їхнього подолання і одержання проби у виді сукупності окремих частинок
Fр> Fсв= Fад+ Fаут+ Fког.
Таким чином, математична модель ППП має вигляд функціонала
FППП = f (υ, Fсв, m, Z, ρч, ρср, G, Fп, Fр),
де υ– швидкість руху дисперсної фази; m –маса проби; Z –концентрація частинок у пробі; ρч –густина матеріалу частинок; ρср –густина дисперсійного середовища; G –геометричні розміри ППП; Fп –функціонал, який описує сили, що забезпечують рух дисперсної фази.
Математична модель пристрою подачі частинок (ППЧ) в загальному випадку подає функціонал, що описує залежність силового впливу (тиску Р) на дисперсійне середовище для забезпечення заданої швидкості руху υ частинок різноманітних розмірів R в зоні аналізу з врахуванням параметрів потоку
FППЧ= f (Р, R, υ, ρч, ρср ).
Математична модель первинних перетворювачів (ПП) аналізу дисперсного складу ДС, що використовують диференціальні методи, описує операцію перетворення параметрів частинок в електричний сигнал і являє собою в загальному випадку,
l( t ) =d [tU(f,k), A(f,k), SU(f,k)], (2)
де l(t)–вектор апріорно невідомих параметрів, що характеризує розмір частинки в довільний момент часу в зоні аналізу; tU(f,k) –тривалість імпульсу від частинки; A(f,k) –амплітуда імпульсу від частинки; SU(f,k) –площа імпульсу від частинки; k –коефіцієнт орієнтації частинок у зоні аналізу; f –чинник форми частинок.
В роботі розроблена уточнена ММ кондуктометричного ПП, який являє собою електрохімічну комірку, тобто ємкість, заповнену суспензією електроліту з частинками ДС, мікрокапіляром радіусом r, по обидва боки якого встановлені електроди НG і КJ, підключені до джерела постійної напруги (рис.3).
Рис.3. Кондуктометричний ПП, криві граничної чутливості і форми імпульсів від частинок
Проходження частинки через капіляр викликає зміну струму між електродами і виникнення імпульсу з амплітудою, пропорційною об'єму частинки. При цьому рівень і форма імпульсу залежить від концентрації електроліту і його температури, положення, форми, розміру частинок, потоку вектора напруженості під час їхнього руху через вимірювальний об'єм комірки, який визначається областями, розташованими на вході, всередині і на виході капіляра. При постійній температурі, визначеній концентрації електроліту і заданих геометричних параметрах комірки, амплітуда і форма імпульсу буде визначатися положенням частинки щодо вхідного торця (від НG до торця капіляру) і осі (r) капіляра під час ії руху в відповідних областях вимірювального об'єму.
З урахуванням цих умов для амплітуди сигналу Uδ отримано залежність від сферичної частинки діаметром δ з координатами її центру (z, r) у момент часу t, якщо на торцях капіляра електричне поле неоднорідне, а всередині нього –однорідне:
(3),
де U –рівень сигналу при відсутності частинок у капілярі; c, с – сталі, що враховує розмір електродів і його відстань від капіляра, діаметр капіляра та фізичні властивості частинки, r(t) –функція, що описує траєкторію руху частинок.
Отримані рівняння сім'ї кривих для вимірювального об'єму ПП, що визначає його граничну чутливість для різних діаметрів частинок. Поріг чутливості ПП для частинок різного діаметра визначається їхнім положенням в областях вимірювального об'єму у вході в капіляр і характеризується рядом кривих радіусом R(півсфер). Показано, що за розміром цього об'єму можна визначити максимальну концентрацію частинок в процесі підготування суспензії до аналізу, при якій вилучається одночасне попадання двох і більш частинок в вимірювальний об'єм, що являє собою внутрішній об'єм капіляра та півсфері з його обох сторін.
Отримано вирази для визначення тимчасових параметрів імпульсного сигналу з урахуванням значень порігових сигналів Un від частинок за умов, що рух потоку суспензії в капілярі ламінарний (Rе<500), у вхідній області здійснюється по експоненціальних траєкторіях, а в вихідний –являє собою "утоплену струмінь", а саме:
- тривалості переднього фронту , де А , В – постійні інтегрування, (х) –функція параметрів траєкторії руху частинок;
- тривалості вершини імпульсу , де l0 –довжина капіляра, Q –витрата суспензії через капіляр;
- тривалості заднього фронту τ отримана з рівняння
,
де Q-1 - функція, обернена до функції координати Θ (z).
З виразу (3) отримані форми імпульсів за умови випадкового влучення частинок (1, 2, 3) в різних областях вимірювального об'єму ( рис. 3).
f41
f43
I
II
III
В фотоелектричному ПП сканування частинок вузькою щілиною амплітуда імпульсів від них залежить від їх розміру, орієнтації і коефіцієнта поглинання матеріалу частинок. З врахуванням закону Бугера-Ламберта-Бера отримано вираз для амплітуди імпульсу на виході фотоелектричного ПП для частинок із найбільше характерною формою, в виді еліпсоїда обертання
f41
f43