Пневматические времяимпульсные методы и устройства контроля плотности сыпучих материалов

Выпуск продукции высокого и стабильного качества определяется не только использованием современных технологий и технологического оборудования, но и существенно зависит от используемых методов для получения оперативной информации о ее составе и свойствах.

До 80% веществ используемых и производимых в различных отраслях промышленности являются сыпучими, то есть представляющими собой совокупность большого количества твердых частиц, пространство между которыми заполнено газом. Такие вещества широко применяются в современном промышленном производстве и сельском хозяйстве Продукция в сыпучем виде выпускается химическими предприятиямиудобрения, ядохимикаты, моющие средства, пигменты, наполнители, катализаторы и др., предприятиями пищевой, фармацевтической промышленности. Производство строительных материалов, металлургия, добыча и переработка полезных ископаемых, теплоэнергетика в значительной степени связаны с веществами в сыпучем состоянии.

Свойства и поведение СМ необходимо учитывать при осуществлении ряда механических процессов — измельчение, сепарирование, распыление, брикетирование, гранулирование, транспортировка, разгрузка, хранение. Недоучет свойств сыпучих материалов приводит к нарушению технологического режима, ухудшению качества продукции, нарушению режимов работы технологического оборудования.

Плотность является одним из основных свойств веществ. Измерение плотности играет существенную роль при проведении исследовательских работ в различных отраслях науки и техники, а также для контроля за технологическими процессами и качеством продукции. Кроме того, знание величины плотности СМ необходимо при расчетах и проектиро6 вании складов, бункеров, транспортирующих механизмов и других аппаратов, а также при определении сыпучести продуктов. Знание ее необходимо при проведении исследований теплофизических свойств СМ различного назначения.

Научные основы измерения плотности различных веществ были заложены в трудах Д. И. Менделеева, А. Н. Доброхотова, Н.С. Михельсо-на, И. К. Турубинера, М. Д. Иппица, С. С. Кивилиса, И. П. Глыбина и др Измерение плотности СМ является более сложной задачей, чем измерение плотности жидких и газообразных веществ. Большой вклад в решение проблемы измерения плотности СМ внесли ученые С.И. Вольфко-вич, Н. Е. Пестов, С. Н. Торопин, Е. И. Андрианов, П. А. Коузов и др.

Значительна роль измерений плотности в организации количественного учета материалов при их приемке, хранении и отпуске, когда масса материала не может быть измерена непосредственным взвешиванием. Количество сыпучего материала сначала определяют в объемных единицах, а затем умножая на плотность, найденную для тех же условий, что и объем, полученный результат переводят в единицы массы.

Единственно надежным методом оценки плотности СМ и ее изменения в тех или иных условиях остается экспериментальный. Создание методов экспериментального определения плотности сыпучих материалов, пористых тел и тел неправильной формы, а также устройств для их реализации, позволит значительно расширить область применения этого вида контроля, а также осуществить косвенный контроль ряда других параметров различных веществ, материалов и изделий.

Для определения плотности сыпучих материалов большое распространение получил метод поэтапного измерения объема и массы. Операция измерения массы материала не вызывает трудностей, тогда как вопросы измерения объема сыпучего материала исследованы недостаточно и не получили должного освещения в научно-технической литера7 туре. Кроме этого, требует решения вопрос проведения измерения плотности в едином процессе.

В предлагаемой диссертационной работе проведено исследование неотраженных в существующих доступных источниках научно-технической информации вопросов, связанных с разработкой новых пневмодинамических времяимпульсных методов контроля и созданием пневматических устройств для измерения плотности сыпучих материалов.

Рассмотрены пневмодинамические методы измерения массы, объема и плотности сыпучих материалов, дано обоснование выбора пнев-модинамического метода как наиболее удобного для автоматизации последовательности активных действий. Исследованы физические процессы, происходящие в измерительном преобразователе, и их особенности. Изучено влияние конструктивных и режимных параметров на результат измерений. Проведен метрологический анализ пневмодинамических времяимпульсных методов объема, массы и плотности сыпучих материалов. Созданы и исследованы конструкции автоматических устройств, реализующих предложенные методы контроля плотности, с непрерывной и пульсирующей подачей газа в первичный измерительный преобразователь.

Цель работы. Разработка и исследование пневмодинамических времяимпульсных методов контроля насыпной плотности и плотности частиц сыпучих материалов, реализуемых единым измерительным процессом.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: изучить физические основы измерения плотности СМ путем проведения теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в измерительном элементе пневмометрического типа- 8 осуществить теоретическое и экспериментальное исследование пневмодинамических времяимпульсных методов контроля объема, массы СМразработать, теоретически и экспериментально изучить пневмо-динамические методы контроля насыпной плотности и плотности частиц СМ. Провести метрологический анализ методов контроля плотностиразработать устройства для автоматического контроля плотности частиц СМосуществить анализ их работы и экспериментальную проверку.

Методы и методики исследований. Основные задачи работы решались моделированием и анализом моделей как процессов газовой динамики, так и измерительных преобразователей. При проведении экспериментальных исследований использовались методы статистического анализа.

Научная новизна. Предложено организовать единый измерительный процесс при контроле плотности сыпучих материалов, реализуемый апериодическим звеном с управляемым пневматическим сопротивлением и емкостью, заполняемой контролируемым веществом.

Теоретически и экспериментально доказано, что время изменения давления в емкостях составного измерительного элемента определяется плотностью частиц контролируемого материала.

На основе проведенных исследований процессов в первичном измерительном преобразователе предложены пневматические времяим-пульсные методы контроля насыпной плотности и плотности частиц сыпучих материалов, заключающиеся в том, что: формируется расход газа, подаваемого на вход измерительной и сравнительной емкостей, пропорциональный массе контролируемого материала в используемой пробефиксируется время, в течение которого давление в емкостях достигнет заданного значения- 9 по скорости изменения давления в измерительной емкости судят о насыпной плотностипо разности времен заполнения измерительной и сравнительной емкостей судят о плотности частиц СМ.

Теоретически и экспериментально доказано, что для повышения точности и получения информации о контролируемом параметре в чис-лоимпульсной форме необходимо применять пульсирующий режим при заполнении газом измерительной и сравнительной емкостей.

Практическая ценность. Разработаны пневматические времяим-пульсные методы и устройства для контроля насыпной и кажущейся плотности частиц СМ с непрерывным и пульсирующим режимами заполнения сжатым газом измерительной и сравнительной емкостей Осуществлен выбор параметров их основных конструктивных элементов. Производственные испытания экспериментальных образцов устройств, реализующих разработанные методы контроля плотности СМ, показали их работоспособность. Величина максимально допустимой погрешности не более 5,0%.

Оригинальные методы и устройства для измерения плотности признаны изобретениями и защищены патентами Российской Федерации.

Реализация результатов Разработанные пневматические методы и реализующие их устройства прошли производственные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях: 301 АРЗ, ЗАО СМНУ «Тамбовагропромпусконаладка», кроме того они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 4, 5 научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 1999, 2000 г.), на Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Великий Новгород, 1999 г) — на 6 Всероссийской конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, 1999 г.) — на научно.

10 технических семинарах кафедры «Автоматизированные системы и при боры» ТГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ получено 3 положительных решения о выдаче патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четы рех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и прило жения. Основная часть диссертации изложена на 139 страницах маши нописного текста, содержит 35 рисунков и 13 таблиц. Список литерату ры включает 76 наименований.

Основные результаты и выводы по работе.

1. На основе анализа и классификации методов измерения насыпной плотности СМ и объемной, кажущейся и истинной плотности частиц СМ установлено, что метод газового замещения является универсальным. Обоснована целесообразность исследований и разработок пневматических времяимпульсных методов и реализующих их первичных измерительных преобразователей плотности сыпучих материалов.

2. Исследованы пневматические времяимпульсные методы измерения объема и массы СМ. Проведен анализ влияния режимов заполнения газом измерительной емкости на точность измерения. Установлено, что меньшей погрешностью обладает метод с подачей постоянного расхода газа в процессе измерения.

3. Впервые разработаны пневматические времяимпульсные методы измерения плотности сыпучих материалов, обладающие повышенной точностью и быстродействием, в которых в единый процесс совмещены измерительные и вычислительные операции. Проведено теоретическое и экспериментальное обоснование работоспособности методов, получены их статические характеристики.

4. Доказано, что при реализации разработанных методов измерения плотности сыпучих материалов рациональным является использование пневмомеханических преобразователей с коэффициентом передачи равным единице. Синтезированы конструкции первичных измерительных преобразователей с непрерывной и пульсирующей подачей газатеоретически и экспериментально обоснована их работоспособность.

5. Определены погрешности разработанных методов и устройств контроля плотности, объема и массы сыпучего материалапредложены пути снижения общей погрешности измерения.

6. Разработаны и исследованы конструкции устройств для автоматического контроля насыпной плотности и плотности частиц сыпучего материала с постоянной и пульсирующей подачей газа на вход первич.

132 ного измерительного преобразователя. Выявлены основные технические характеристики.

7. Оригинальные методы и устройства для контроля плотности сыпучего материала признаны изобретениями и защищены патентами Российской Федерации.

8. Разработанные пневматические методы и реализующие их устройства прошли производственные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях 301 АРЗ, ЗАО СМНУ «Тамбовагропромпуско-наладка» — результаты работы используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.