автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Измерение расхода диэлектрических сыпучих материалов на основе явления поляризации и эффекта Поккельса

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления нмени В.А.Трапезникова Российской академии наук

На правах рукописи

ГУЛЯЕВ ВАЛЕРИЙ ГЕНРИХОВИЧ

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ И ЭФФЕКТА ПОККЕЛЬСА

Специальность 05.13.05 — элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

2&К ЮН 2012

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

005046107

005046107

Работа выполнена на кафедре автоматизации технологических процессов' и производств в Федеральном Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: Плотников Николай Михайлович, кандидат

технических наук, доцент, зав. кафедрой АТПиП ФГБОУ ВПО ННГАСУ Официальные оппоненты: Касимов Асим Мустафаевич, доктор технических

наук, заведующий лабораторией Гидродинамических процессов автоматизации ИЛУ РАН Протасов Владислав Иванович, кандидат физико-математических наук, доцент ФГБОУ ВПО МГГУ

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского».

Защита состоится « 02 »_июля_2012 г. в 11.00 часов

на заседании диссертационного совета Д 002.226.03 при Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН по адресу 117977, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 65.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Института проблем управления им. В Л. Трапезникова РАН.

Автореферат разослан « 31 »_мая_2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д002.226.03, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Кулинич A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 пневмотранспортых 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

з

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 пневмоггранспортирования;

- 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика работы: обоснованы актуальность, объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертации.

В первой главе определена роль пневмотранспортирования в технологических процессах переработки сыпучих диэлектрических материалов в разных отраслях промышленности, его достоинства и недостатки. В строительной отрасли через пневмотранспортные системы проходят наибольшие объёмы сыпучих диэлектрических материалов: гипса, извести и особенно цемента. В главе рассматриваются и классифицируются основные методы, технические средства контроля и учета расхода сыпучих материалов с точки зрения соответствия их технологическим требованиям предприятий строительной индустрии. Приводится классификация по ряду существенных признаков, определяющих основные свойства устройств контроля по отношению к контролируемым материалам. В современной технике измерения расхода используются контактные и бесконтактные методы и средства измерения. Принципы действия контактных расходомеров (турбинных, крыльчатых, шариковых, дисковых, кольцевых, лопастных, винтовых) основаны на взаимодействии чувствительного элемента и измеряемого потока. Они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности как основное общепромышленное средство измерения расхода жидкостей, газов, паров и различных агрессивных сред. Однако при пневмотранспортировании цемента контактные устройства измерения расхода неприемлемы, вследствие специфических физико-химических свойств материала: склонности к налипанию и абразивности. К бесконтактным расходомерам относятся приборы, преобразующие некоторые свойства потока дискретных частиц сыпучего материала в информацию, позволяющую судить о расходе материала. По физической природе к бесконтактным методам относятся: индукционный, тепловой, оптический, акустический, ультразвуковой, ядерно-резонансный, электростатический, электроемкостный, ионизационный, радиоизотопный, меточный и сверхвысокочастотный (СВЧ) методы. Перечисленные методы характеризуют физические принципы действия первичных измерительных преобразователей (датчиков) соответствующих расходомеров. По способу обработки сигналов датчиков различают доплеровские, флуктуационные и корреляционные расходомеры. Для измерения расхода цемента при пневмотранспортировании, в силу специфических физико-химических свойств

материала, целесообразно применять элекгроемкосгный, ультразвуковой, радиоизотопный и СВЧ-методы.

На основании проведенного анализа методов и технических средств измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании установлено:

1. Для объективного контроля и учета массового расхода сыпучих материалов в пневмотрнапортных системах целесообразно применение бесконтактных методов и средств измерения.

2. Известные измерители массового расхода сыпучих материалов базируются на двух измеряемых параметрах - плотности и скорости потока, что приводит к возрастанию погрешности измерения и усложнению технической реализации расходомера.

3. Применение корреляционного метода требует сложную статистическую обработку подобия информационных сигналов, что значительно усложняет структуру расходомера.

4. Известные измерители расхода сыпучих материалов сложны в технической реализации и не всегда обеспечивают необходимую точность измерения и быстродействие.

5. Разработка и исследование новых методов и технических средств, обеспечивающих необходимое быстродействие и точность учета, является актуальной задачей.

Во второй главе изложены теоретические предпосылки разработки бесконтактного метода измерения массового расхода диэлектрического сыпучего материала при пневмотранспортировании по одному интегральному параметру -интенсивности световой волны, выходящей из ячейки Поккельса. Теоретически обоснован метод измерения скорости диэлектрического материала по регистрируемому интегральному параметру.

Метод измерения массового расхода сыпучего материала при пневмотранспортировании основан на явлении поляризации диэлектрика электрическим полем конденсатора измерительной вставки в трубопровод и амгоплудной модуляции токами поляризации световой волны, проходящей через

ячейку Поккельса. Проходя между обкладками измерительного конденсатора, сыпучий диэлектрик, например цемент, изменяет его ёмкость в зависимости от концентрации вещества (массы вещества) в объеме измерительной вставки. В результате математических преобразований получена формула, которая определяет зависимость ёмкости конденсатора (СО измерительной вставки от числа частиц вещества (Ы)> находящихся в измерительном объёме вставки.

где Е„= 8,85-Ю'12 Ф/м - электрическая постоянная;£ - диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; Б - площадь пластин конденсатора; Э - расстояние между пластинами конденсатора; <1 - эффективный диаметр частицы материала; N - количество частиц материала в измерительном объеме вставки.

Из приведенной зависимости (1) следует, что с увеличением количества частиц материала N в измерительном объеме увеличивается и ёмкость конденсатора Сі-

С

Путем преобразований получена зависимость ёмкости конденсатора 1 от элементарной массы вещества Дш с плотностью р, находящегося в данный момент времени между его обкладками:

Изменение электрической емкости конденсатора отражается на его заряде. Величина изменения заряда пропорциональна изменению электрической емкости конденсатора и поданного на его электроды напряжения. Изменение заряда

(1)

(2)

конденсатора образует ток поляризации:

Для регистрации тока поляризации измерительного преобразователя целесообразно применить амплитудный модулятор, питаемый от источника постоянного тока.

В результате сравнительного анализа различных типов электронных модуляторов выбран наиболее перспективный амплитудный модулятор света на основе поперечного эффекта Поккельса. Его отличает наибольшее в настоящее время быстродействие (время переключения порядка 10-'° с), простота технической реализации и повышенная чувствительность к изменению плотности и скорости потока материала, благодаря оптическому преобразованию и усилению измерительного сигнала, поступающего от конденсатора Сі.

Ячейка Поккельса представляет собой кристалл ниобата лития с напыленными электродами (конденсатор С2), помещённый между двумя скрещенными поляризаторами П1 и П2. На рисунке 1 показана схема ячейки Поккельса для поперечного эффекта.

Рис. 1. Схема ячейки Поккельса для поперечного эффекта.

Таким образом, данную ячейку электрически можно представить, как конденсатор С2, последовательно соединенный с конденсатором С| измерительной вставки. Если на систему последовательно соединенных конденсаторов Сі и Сг подать статическое напряжоние и0, то напряжение иг на конденсаторе С2, модулирует световой поток, шюходящий через электрооптическую ячейку Поккельса соответственно изменению количества вещества проходящего в данный момент времени через измерительную вставку.

¿Е

. ~ . _ я . .

Так как ^ ~ ^ , а ^ ~ ^ , где Е - напряжённость

электрического поля в кристалле ниобата лития, то интенсивность световой волны, проходящая через ячейку Поккельса, модулируется изменением напряжения 112, то

dj_ dU2

есть ^ ~ ^ , где I - интенсивность световой волны, регистрируемая светодиодом.

Получена зависимость ^ от Дщ _ элементарной массы материала в измерительной вставке.

т, a-Uо

U г =-2— (31

2 b + k-àm ()

где а~£о£ t b-eae-S+ Сгей^ pS , U0 - статическое напряжение

источника питания,

Выходная интенсивность светового потока, амплитудно модулируемая приложенным напряжением U2, подчиняется закону Малюса и определяется зависимостью:

. Л ml -к, -1-а • Uг, | / = L • sin I —-f (4)

где /0 - начальное значение интенсивности света при незаполненном веществом

измерительном объёме конденсатора Сх по - показатель преломления света для

>

кристаллов ниобата лития (по = 2,3134), к - длина световой волны источника в вакууме, h - размер кристаллического элемента вдоль силовых линий электрического поля, 1 - линейная длина кристалла, r6i - электрооптический коэффициент (Гбз = Ю,5*10"10 см/В).

Соответственно элементарная масса вещества в данный момент определяется выражением:

Г-а-Цр ■ Ь

sin /—---

Vo *

ГТ и (5)

к arcsin.

В формуле (5), определяющей массу вещества, переменной величиной является только интенсивность световой волны, прошедшей через блок регистрации. Таким

образом, масса вещества при данном способе регистрации является функцией интенсивности света, остальные величины определяются параметрами установки:

» = /(/).

Интенсивность световой волны на выходе ячейки Поккельса является

интегральным параметром плотности и скорости потока вещества в

пневмотранспортной системе. Важным является тот факт, что площадь фигуры,

ограниченной графиком интенсивности света от времени, является постоянной при

различной скорости движения данной массы вещества. Зависимость интенсивности

светового потока от времени I = /(г) приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость интенсивности света / от времени Л О — время заполнения

измерительного объёма конденсатора С^; ^ - время транспортирования сыпучего материала по трубопроводу; /„ - начальное значение интенсивности света при незаполненном веществом измерительном

объёме конденсатора С,; /к„ - среднее значение интенсивности света при установившемся режиме

транспортирования.

Масса транспортируемого вещества определяется по площади под графиком интенсивности света от времени: "» = ЛГ||/(/)|<Л, где К= "Х22" - массовый

коэффициент. Массовый расход: <2 = т!и,. Для определения коэффициента К необходимо пропустить через измерительную вставку сыпучий материал в строго определенном количестве Шст. И ВЫЧИСЛИТЬ площадь Бст..

Метод измерения скорости диэлектрика заключается в том, что максимальное значение интенсивности световой волны определяет ток поляризации, который пропорционален скорости движения частиц материала. Следовательно, скорость транспортирования материала можно определить по усреднённому амплитудному значению интенсивности световой волны.

Третья глава посвящена разработке структуры измерителя массового расхода диэлектрического сыпучего вещества при пневмотранспортировании и измерительной системы на его основе.

В измерителе расхода сыпучего материала (рис. 3) первичный преобразователь С/ представляет собой измерительную вставку, которая состоит из отрезка трубопровода 2 с окнами для обкладок конденсатора, на наружную поверхность нанесено изолирующее керамопластиковое покрытие и установлены два полуцилиндрических электрода 1 конденсатора С/. Для устранения влияния электромагнитных полей конденсатор помещен в металлический экран, являющийся одновременно корпусом преобразователя.

Рис. 3. Структурная схема системы автоматизированного измерения расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании: 1 - обкладки измерительного конденсатора С1; 2 - вставка в пневмомагистраяь; 3 - лазерный диод; 4 -кристалл ниобата лития (1л№ЮЗ); 5 - обкладки конденсатора С2; 6 - оптический поляризатор; 7 - регистрирующий фотодиод; 8 - усилитель.

Изменение ёмкости измерительного конденсатора функционально зависит от концентрации частиц материала в измерительном объеме, что позволяет модулировать световой поток, генерируемый лазерным диодом 3, пропускаемый через систему двух скрещенный поляризаторов 6 и поляризационную ячейку, представляющую кристалл ниобата лития ЫМ03 4, расположенный между обкладками 5 конденсатора С2. Проходящий через оптическую систему световой

поток регистрируется фотодиодом 7, с выхода которого электрический аналоговый сигнал после усилителя 8 поступает на контроллер.

Контроллер по линии Ethernet связан с системой визуализации (рисунок 4), которая осуществляет отображение и документирование информации.

Рис. 4. Общий вид системы визуализации измерителя расхода двухфазного потока сыпучих материалов при

пневмотранспорта ровалии.

Система визуализации, предназначена для работы в составе макета измерителя расхода и выполняет следующие функции:

• прием значения информативного сигнала потока;

• подсч&г количества сыпучего строительного материала методом интегрирования информативного сигнала;

• визуализацию сигнала в виде графика, табличное представление данных; сохранение данных в текстовом файле для последующего анализа.

Система визуализации состоит:

• программный логический контроллер compactFieldPoint фирмы National Instruments;

• АРМ (ноутбук) с программным обеспечением макета на платформе Lab View.

Аналоговый информативный сигнал датчика потока принимается контроллером compactFieldPoint, контроллер по Ethernet связан с АРМом на котором производится отображение информации.

Структура программы.

Программа, осуществляющая интерфейс с пользователем написана на языке LabView, фирмы National Instruments (рисунок 5). Взаимодействие программы с контроллером NI compactFieldPoint, осуществляется посредством ОРС протокола.

Интерфейс программы позволяет: установить значения коэффициента интегрирования при вычислении массы; учитывать и компенсировать значение

Компьютер

Контроллер cFP-2020

Ethernet

Система визуализации на базе lab View

Аналоговый сигнал датчика потока, мВ

постоянной составляющей в сигнале с датчика двухфазного потока; изменять значение периода опроса датчика, т.е. величину 6Х.

ОРС клиент |.аЬ\Ле»

обмен с периодом сИ

Значение сигнале ватчига

Постоянная составляющая

Коэффициент пропорциональности

Массив измерений

: График

Текстовый файл

■4 Текущая величина

/

-о

Рис. 5. Структура программы.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментальных исследований и их анализу. Лабораторные исследования по измерению массы сыпучего материала и скорости движения диэлектрика проводились на установке, выполненной согласно структурной схеме рисунка 3. Проводились измерения и анализ сигналов, регистрируемых системой визуализации, полученных в результате свободного падения образцов диэлектриков с разных высот относительно измерительной вставки. Результаты эксперимента приведены в таблице 1 и 2 и графически показаны на рисунках 6 и 7.

Таблица 1.

Результаты экспериментов по свободному падению диэлектриков постоянной массы с разных высот в вертикально установленном трубопроводе.

Диэлектрик Масса Диэлектри- Высота Средняя Амплитуда Длительность

(кг) ческая Ь скорость сигнала и„ сигнала

теоретическая мкВ т (мс)

Проницаемость, є (м) (м/с)

Песок 1.0 4,79 145 114,8

БГОг 0,10 3,7 1,5 5,72 157 96,1

2,0 6,52 166 166

Цемент 1,0 4,79 80,5 114,8

0,10 2,0 1,5 5,72 90,7 96,1

2,0 6,52 100,3 84,3

Оргстекло 1,0 4,79 138 114,8

0,10 3,2 1,5 5,72 149 96,1

2,0 6,52 154 84,3

Из таблицы 1 следует, что амплитуда сигнала 1/я растет пропорционально скорости движения диэлектрика. С возрастанием скорости данного количества диэлектрического материала уменьшается время прохождения им измерительной вставки и, соответственно, уменьшается длительность сигнала т.

Таким образом, эталонные зависимости функции ит=/(у) для различных диэлектриков позволяют определять скорость движения данного диэлектрика в измерительной вставке.

Из таблицы 2 следует, что амплитуда сигнала зависит от массы перемещаемого диэлектрического материала, так как поверхностная плотность зарядов поляризации пропорциональна количеству вещества, находящемуся в электрическом поле измерительной вставки, а, следовательно, и массе диэлектрика в измерительном объеме вставки.

Таблица 2.

Результаты экспериментов по свободному падению диэлектриков различной массы с фиксированной высоты в вертикально установленном трубопроводе.

Диэлектрик Масса е Ь(м) ит т(мс)

(кг) (мкВ)

Песок 0,1 145

ЗЮ2 0,15 3,7 1,5 167 9,8

0,20 183

Цемент 0,1 80,5

0,15 2,0 1,5 96,2 9,0

0,20 117

Оргстекло 0,1 138

0,15 3,2 1,5 153 9,7

0,20 172

Вторая серия опытов (смотри таблицу 1) имела целью измерение средней скорости движения сыпучего материала при его просыпании через вертикально установленный трубопровод с измерительной вставкой. Измерения проводились для речного песка (8Ю2) и портландцемента.

Рис. б. График зависимости уровня выходного сигнала измерительной системы от высоты свободного падения вещества.

Так как средняя скорость поступательного движения сыпучего материала пропорциональна уровню выходного сигнала датчика (V ~ /), то по предварительно калиброванному графику можно определить скорость свободно падающего сыпучего вещества с разных высот относительно приемной емкости.

10 8

У(м/с) ®

2 0

Рис. 7. График зависимое™ скорости падения в воздушной среде портландцемента от высоты И/м).

В таблице 3 приведены результаты измерения массы сыпучего материала при просыпании через вертикально установленный трубопровод. Погрешность результатов измерений определялась относительно измеренной массы на весах типа РН-10Ц13У с ценой деления - 5 г.

Таблица 3.

Результаты измерения массы сыпучего материала методом просыпания в лабораторных условиях.

Портландцемент Речной песок

Масса эталонная, кг Измеренная масса, кг Относительная погрешность 6,% Измеренная масса, кг Относительная погрешность 5,%

4,96 0,8 4,95 1,0

5,0 4,95 1,0 4,94 1,2

4,98 0,4 4,98 0,4

5,95 0,8 5,96 0,7

6,0 5,93 1,1 5,94 1,0

5,97 0,5 5,98 0,3

9,94 0,6 9,95 0,5

10,0 9,92 0,8 9,93 0,7

9,91 0,9 9,98 0,2

Производственные испытания проводились на технологической линии пневмозагрузки цементовозов предприятия ООО «Бетон.РУ» (г. Н.Новгород).

Таблица 4.

Результаты измерения массового расхода портландцемента при пневмозагрузке цементовозов.

Показания расходомера, кг Показания весов, тензометрический способ, кг (точность 0,1%) Относительная погрешность 5, %

19610 19570 0,2

18523 18460 0,3

20035 20010 0,1

18954 18940 0,07

19057 19030 0,1

В пневмопровод диаметром 160 мм была установлена на фланцевых соединениях измерительная вставка длиной 400 мм соответствующего трубопроводу диаметра. Результаты измерений регистрировались системой визуализации, установленной в пункте управления на расстоянии 40 метров от датчика.

Из таблиц 3 и 4 следует, что относительная погрешность измерения разработанного расходомера не превышает 1%, то есть расходомер удовлетворяет по точности измерения технологическим требованиям.

Пятая глава посвящена разработке и исследованию математической модели процесса пневмотранспортирозания, содержит обоснование области применения разработанной измерительной системы и оценку её технико-экономической эффективности. Для обеспечения работы пневмоустановки в энергосберегающем режиме разработана математическая модель пневмотранспортирования, которая реализована путем решения уравнения Навье-Стокса методом усреднения функциональных поправок в первом приближении с учётом граничных и начальных условий. В результате решения исходной краевой задачи получены оптимальные значения давления в пневмосистеме и поле скоростей вещества в пневмопотоке. Регулирование по расходу материала в системе на основе информации о плотности материала в пневмомагистрали и скорости несущей среды позволяет обеспечить достаточную точность регулирования в установившемся режиме на базе стандартных промышленных регуляторов. На рисунке 8 представлена функциональная схема пневмосистемы с коррекцией по плотности и скорости потока.

Определение массы цемента в технологической ёмкости склада можно осуществить по результатам измерения значения массы материала, загружаемого в емкость и выгружаемого из емкости. Для этого на пневмомагистралях входа и выхода технологической емкости необходимо установить разработанные расходомеры. В настоящее время учет отгружаемого пневмотранспортированием цемента из емкости склада в цементовоз осуществляется посредством взвешивания цементовоза до и после его загрузки. Установка в пневмотранспортную систему разработанного расходомера позволит повысить качество контроля и учета дорогостоящего материала, также возможно применение расходомера в технологическом процессе

текущем режиме

Рис. 8. Функциональная схема пневмосистемы с коррекцией по плотности и скорости потока, где: К - компрессор; П - питатель (бункер) пневмомагистрали; РУ - разгрузочное устройство; ИВ - измерительная вставка; Д - датчик плотности и скорости двухфазного материаловоздушного потока; ПЛК - программируемый логический контроллер; СВ -система визуализации; УП - усилитель-преобразователь; ИМ - исполнительный механизм; РО - регулирующий орган. Последние два элемента в реальной конструкции представляют элекгроуправляемый клапан на подающей пневмомагистрали.

дозирования компонентов при приготовлении бетонных и растворных смесей, что позволит сократить потери и повысить качество выпускаемой продукции. Разработанная автоматизированная система контроля и учета расхода сыпучих материалов при пневмотранспортировании является универсальной и может быть применена в других отраслях промышленности при переработке диэлектрических сыпучих материалов. Экономическая эффективность применения разработанного расходомера достигается за счет сокращения непроизводительных потерь сыпучих материалов в результате организации оперативного и достоверного контроля и учета материалов при пневмотранспортировании, исключения из технологической линии автомобильных весов и затрат на их обслуживание, сокращения операторов производящих весовые измерения. Согласно плана внедрения расходомера на предприятиях строительного комплекса Нижегородской области, ожидаемый экономический эффект составит 20 600 ООО рублей в год.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснован метод измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании основанный на одном регистрируемом интегральном параметре - интенсивности световой волны выходящей из ячейки Поккельса, модулируемой токами поляризации вещества в электрическом поле измерительного конденсатора.

2. Теоретически обоснован метод измерения скорости транспортируемого диэлектрического материала для заданной массы известного вещества по регистрируемому интегральному параметру - интенсивности световой волны, выходящей из ячейки Поккельса.

3. Разработаны принципы построения первичного измерительного преобразователя, основанного па методе измерения массового расхода по одному регистрируемому параметру. Выполнены техническая реализация нового датчика и его экспериментальные исследования.

4. На основе нового метода разработана структура автоматизированной системы измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании и выполнена её техническая реализация на программируемом логическом контроллере (ПЖ).

5. Разработано программное обеспечение измерительной системы.

6. Разработана и исследована математическая модель системы автоматизированного управления технологическим процессом пневмотранспоргирования цемента, обеспечивающая режим энергосбережения.

7. Проведены экспериментальные исследования автоматизированной системы измерения массового расхода в лабораторных и производственных условиях, которые подтвердили эффективность метода и совершенство технической реализации системы измерения.

8. Впервые теоретически обоснован и практически применен в технике измерения массового расхода двухфазных сред поперечный эффект Поккельса.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гуляев, В. Г. Система автоматизированного измерения расхода порошкообразных строительных материалов при пневмотранспортировании / Г. Н. Ахобадзе, Н. М. Плотников, В Г. Гуляев, В. П. Костров // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2010. - № 7. - С. 38-40.

2. Гуляев, В. Г. Разработка измерителя расхода двухфазного потока сыпучих строительных материалов при пневмотранспортировании / Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев, А. М. Киргизов // Приволжский научный журнал / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2010. - № 3. - С. 105-111.

3. Гуляев, В. Г. Измеритель расхода сыпучих диэлектрических материалов, транспортируемых воздухом в закрытых трубопроводах / Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев // Приборы. - 2011. -№ 1(127). - С. 35-39.

4. Гуляев, В. Г. Расходомер сыпучих строительных материалов, транспортируемых по трубопроводам / А. Ф. Тихонов, Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев II Механизация строительства. - 2011. - № 2. - С. 16-18.

5. Гуляев, В. Г. Автоматизация измерения расхода сыпучих материалов при пневмотранспортировании // Вестник Московского государственного строительного университета. - 2012. - № 4. - С. 145-148.

6. Патент 2435141 Российская Федерация. Измеритель расхода двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу : МПК С01Р / Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев ; Нижегор. гос. архитекгур.строит. ун-т. -Заявл. 12.05.2010; опубл. 27.11.2011

7. Гуляев, В. Г. Разработка расходомера порошкообразных строительных материалов для пневмотранспортных систем / Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев, А. М. Киргизов // Строительство - 2010 : материалы междунар. науч.-практ. конф. - Ростов н/Д. : РГСУ, 2010. - С. 120-122.

8. Гуляев, В. Г. Автоматизация измерений массы и дозирования сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании / Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев, А. М. Киргизов //Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и

оборудования : материалы VI междунар. науч.-техн. конф. - Вологда : ВГТУ, 2010. -С. 51-54.

9. Гуляев, В. Г. Измеритель концентрации и расхода сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу / Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики : материалы XIII междунар. науч.-пракг. конф. - М. : МГУПИ, 2010. — С. 113-116.

10. Гуляев, В. Г. Экологически безопасная энергосберегающая технология пневмотранспортирования порошкообразных строительных материалов / Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев, Е. Л. Панкратов // Великие реки-2011 : тр. конгр. междунар. науч.-пром. форума. - Н. Новгород : ННГАСУ, 2011. - Т. 2. - С. 240-245.

Личный вклад диссертанта в публикациях, выполненных в соавторстве: в [1] обосновал структурную схему системы измерения расхода, в [2] предложил новый метод измерения расхода, в [3] автор научно обосновывает применение эффекта Поккельса, в [4] автор приводит структуру программного обеспечения системы визуализации, в [6] разработан первичный преобразователь информации на базе ячейки Поккельса, обоснована методика расчета массового расхода сыпучих материалов, в [8] и [10] разработал и применил математическую модель процесса пневмотранспортирования в системе оптимального управления технологической установкой в режиме энергосбережения, в [7] и [9] обосновал новизну метода измерения, его преимущество и ожидаемый экономический эффект.

Подписано в печать /¿?./т Формат 60x90 1/16

Печать трафаретная. Бумага офсетная. Усл.печл. 1, ' Тираж 100 экз. Заказ № ¿¡05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65. Полиграфцентр ННГАСУ, 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ЗАДАЧИ В ОБЛАСТИ ОРГАНИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ И УЧЕТА РАСХОДА ЦЕМЕНТА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПРОИЗВОДСТВА.

1.1. Общее состояние в области организации контроля и учета расхода цемента в технологических процессах производства.

1.2. Основные технологические схемы и оборудование для складской переработки и циклического дозирования цемента.

1.3. Классификация и анализ методов и средств учета расхода цемента.

1.3.1. Методы и устройства для контроля количества цемента в емкости склада.

1.3.2. Методы и устройства для учета расхода цемента в пневмотранспортных магистралях.

1.4. Требования к системам автоматического учета цемента.

1.5. Задачи и общая методика исследования процессов контроля и учета расхода цемента.

Выводы.

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПОСЫЛОК БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЦЕМЕНТА В ПНЕВМОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ.

2.1. Основные свойства цементно-воздушного потока.

2.2. Взаимодействие электрического поля с цементно-воздушным потоком.

2.3. Исследование влияния сыпучего диэлектрического материала на изменение параметров емкостного преобразователя.

2.4. Теоретические основы амплитудной модуляции света.

2.5. Теоретические основы определения массы вещества в измерительной вставке по амплитудной модуляции света в ячейке Поккельса.

2.6. Теоретические основы измерения скорости диэлектрика движущегося в электрическом поле.

2.7. Измерение скорости сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании.

Выводы.

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ, СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И УЧЕТА РАСХОДА СЫПУЧИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

3.1. Экспериментальное исследование измерения массового расхода сыпучих материалов посредством обработки сигнала датчика на эффекте Поккельса.

3.1.1. Разработка рациональной конструкции и реализация автоматизированной системы измерения расхода сыпучего материала.

3.2. Система визуализации измерителя расхода сыпучих материалов при пневмотранспортировании.

3.2.1. Структура программы.

3.2.2. Методология проведения измерений.

Выводы.

ГЛАВА IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.

4.1. Лабораторные исследования зависимости амплитуды сигнала расходомера от скорости движения диэлектрика.

4.2. Лабораторные исследования зависимости амплитуды сигнала расходомера от массы диэлектрика.

4.3. Измерение средней скорости движения сыпучего диэлектрического материала при просыпании его через вертикально установленный трубопровод.

4.3.1. Динамика и законы движения сыпучих материалов.

4.4. Лабораторные исследования по измерению массы сыпучего материала.

4.5. Результаты производственных испытаний по измерению массового расхода портландцемента при пневмозагрузке цементовозов.

Выводы.

ГЛАВА V. ОБОСНОВАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ И ОЦЕНКА ТЕХНИКО

ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

5.1 Оптимизация энергопотребления пневмотранспортной системы.

5.1.1. Математическая модель процесса пневмотранспортирования.

5.1.2. Функциональная схема пневмотранспортной системы с коррекцией по плотности и скорости потока.

5.2. Применение системы измерения массового расхода в технологических процессах переработки цемента.

Выводы.

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 труды указаны в конце работы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 138 страницах текста, содержит 35 рисунков и 8 таблиц.

Выводы:

1. Управление пневмотранспортной системой в энергосберегающем режиме возможно осуществить путём реализации автоматизированной системы оптимального управления с коррекцией по плотности скорости потока на базе разработанного расходомера сыпучих материалов.

2. Разработанная математическая модель пневмотранспортирования, полученная путём решения уравнения Навье-Стокса с наложением граничных начальных условий, позволяет определять оптимальные значения давления в пневмосистеме и поле скоростей материала в пневмопотоке для системы автоматического регулирования пневмотранспортной установкой.

3. Функциональная схема пневмосистемы с коррекцией по плотности и скорости потока позволяет обеспечить достаточную точность регулирования в установившемся режиме на базе стандартных промышленных регуляторов.

4. Ожидаемый экономический эффект от внедрения на предприятиях строительной индустрии Нижегородской области автоматизированной системы измерения расхода цемента при пневмотранспортировании составляет 20 600 ООО в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Теоретически обоснован метод измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании основанный на одном регистрируемом интегральном параметре -интенсивности световой волны выходящей из ячейки Поккельса, модулируемой токами поляризации вещества в электрическом поле измерительного конденсатора.

2.Теоретически обоснован метод измерения скорости транспортируемого диэлектрического материала для заданной массы известного вещества по регистрируемому интегральному параметру -интенсивности световой волны выходящей из ячейки Поккельса.

3. Разработаны принципы построения первичного измерительного преобразователя, основанного на методе измерения массового расхода по одному регистрируемому параметру. Выполнены техническая реализация нового датчика и его экспериментальные исследования.

4. На основе нового метода разработана структура автоматизированной системы измерения массового расхода сыпучих диэлектрических материалов при пневмотранспортировании и выполнена её техническая реализация на программируемом логическом контроллере (ПЖ).

5. Разработано программное обеспечение измерительной системы.

6. Разработана и исследована математическая модель системы автоматизированного управления технологическим процессом пневмотранспортирования цемента, обеспечивающая режим энергосбережения.

7. Проведены экспериментальные исследования автоматизированной системы измерения массового расхода в лабораторных и производственных условиях, которые подтвердили эффективность метода и совершенство технической реализации системы измерения.

8. Впервые теоретически обоснован и практически применен в технике измерения массового расхода двухфазных сред поперечный эффект Поккельса.

1. А. с. 1257409 СССР. Устройство для измерения массового расхода вещества / Г. Н. Ахобадзе, А. С. Совлуков. Опубл. 1986, Бюл. № 34.

2. А. с. 1520351 СССР. Способ определения массы сыпучего материала в емкости и устройство для его осуществления / В. П. Костров, Н. М. Плотников, Г. Н. Ахобадзе и др.. Опубл. 1989, Бюл. № 41.

3. А. с. 1624263 СССР. Способ измерения расхода диэлектрического вещества и устройство для его осуществления / А. С. Совлуков. Опубл. 1991, Бюл. № 4.

4. А. с. 896418 СССР. Устройство для измерения массового расхода жидких и сыпучих сред / В. А. Викторов, Г. Н. Ахобадзе. Опубл. 1982, Бюл. № 1.

5. А. с. 980004 СССР. Устройство для измерения скорости потока среды / В. А. Викторов, Г. Н. Ахобадзе. Опубл. 1982, Бюл. № 45.

6. Ахобадзе, Г. Н. О возможности измерения некоторых физических параметров на основе инфракрасного излучения / Г. Н. Ахобадзе // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2003.-№9.-С. 27-30.

7. Ахобадзе, Г. Н. Перспективы развития микроволновых принципов измерения расхода веществ / Г. Н. Ахобадзе // Автоматизация и современные технологии. 1999. - № 11. - С. 2-7.

8. Ахобадзе, Г. Н. Микроволновые принципы измерения физических параметров потоков на базе кольцевых резонаторов / Г. Н. Ахобадзе //Автоматизация и современные технологии. 2000. - № 12. - С. 28-33.

9. Ахобадзе, Г. Н. Разработка микропроцессорного корреляционно-экстремального расходомера цемента припневмотранспортировании / Г. Н. Ахобадзе, Н. М. Плотников // Автоматизация и современные технологии. 1993. - № 1. - С. 2-5.

10. Брандт, J1. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах / JI. А. Брандт. М. : Физматгиз, 1963. - 404 с.

11. Бриндли, К. Измерительные преобразователи : справ, пособие : пер. сангл. / К. Бриндли. М. : Энергоатомиздат, 1991. - 144 с.

12. Бриндли, К. Электронные контрольно-измерительные приборы : пер. сангл. / К. Бриндли. М. : Энергоатомиздат, 1989. - 128 с.

13. Бушуев, С. Д. Автоматика и автоматизация производственныхпроцессов / С. Д. Бушуев, В. С. Михайлов. М. : Высш. шк., 1990. - 256 с.

14. Вахрамеев, И. И. Процесс взвешивания твердых частиц при пневмотранспорте / И. И. Вахрамеев // Горный журнал. 1970. - № 2. - С. 107-144.

15. Вдовенко, О. П. Пневматический транспорт на предприятиях химической промышленности / О. П. Вдовенко. М. : Машиностроение, 1986.- 136 с.

16. Велыпов, Г. Пневматический транспорт при высокой концентрации перемещаемого материала / Г. Велыпов. М. : Колос, 1964. - 160 с.

17. Викторов, В. А. Измерение количества и плотности различных сред / В. А. Викторов, Б. В. Лункин. М. : Энергия, 1973. - 112 с.

18. Викторов, В. А. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов / В. А. Викторов, Б. В. Лункин, А. С. Совлуков. М. : Энергоиздат, 1989. - 208 с.

19. Викторов, В. А. Резонансный метод измерения / В. А. Викторов. -М. : Энергия, 1969. 192 с.

20. Викторов, В. А.Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин / В. А. Викторов, Б. В. Лункин, А. С. Совлуков. -М. : Наука, 1978.-280 с.

21. Воробьев, В. А. Автоматизация пневмотранспортирования цемента в строительстве на базе микропроцессорных информационно-измерительных систем : учеб. пособие II В. А. Воробьев, Т, А. Суэтина; Моск. гос. автомоб.-дорож. ин-т. М. : МАДИ, 1993. - 87 с.

22. Воробьев, А. А. Пневмотранспортные установки : справочник / А. А. Воробьев. Л. : Машиностроение, 1969. - 198 с.

23. Весоизмерительное оборудование : справочник / Н. А. Лоткови др.. 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Агропромиздат, 1989. - 240 с.

24. Гаврилюк, Д. Н. Влияние расхода воздуха на производительность пневмокамерного насоса / Д. Н. Гаврилюк, С. Ф. Шишкин // Научные труды XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2007. - Ч. 3. - С. 24-26.

25. Гвоздев, В. И. Фазовый метод контроля диэлектрической проницаемости различных сред / В. И. Гвоздев, В. А. Иовдальский, А. А. Линев // Измерительная техника. 1996. - № 4. - С. 53-54.

26. ГОСТ 7473-2010. Смеси бетонные. Технические условия Электронный ресурс.- Введ в. д. 2012-01-01. Взамен ГОСТ 7473-94. -Режим доступа : КонсультантПлюс. Технические нормы и правила. ИБ Строительство.

27. Датчик для измерения диэлектрической проницаемости среды в замкнутых системах / В. И. Гвоздыев, Г. А. Кузаев, А. А. Линев и др. // Измерительная техника. 1996. -№ 1. - С. 44-45.

28. Дзядзио, А. М. Пневматический транспорт на зерноперерабатывающих предприятиях / А. М. Дзядзио. М. : Заготиздат, 1961.-327 с.

29. Догин, М. Е. Влияние размера твердых частиц на коэффициент сопротивления при движении газовзвеси / М. Е. Догин, В. П. Лебедев // Инженерно-физический журнал. 1959. - Т. II, № 12. - С. 26-30.

30. Евтюков, С. А. Пневмотранспортное оборудование в строительной индустрии и строительстве / С. А. Евтюков, М. М. Шапунов. СПб. : ДНК, 2005. - 360 с.

31. Зенков, Р. Л. Бункерные устройства / Р. Л. Зенков, Г. П. Гриневич, В. С. Исаев. М. : Машиностроение, 1977. - 224 с.

32. Казанцев, В.В. Об оптимальных режимах горизонтального пневмотранспорта в плотной фазе / В. В. Казанцев, М. Б. Ривкин // Инженерно-физический журнал. 1978. - Т. XXXIV, № 3. - С. 417-422.

33. Калинушкин, М. П. Пневматический транспорт в строительстве / М. П. Калинушкин, 3. Э. Орловский, И. С.Сегаль. М. : Госстройиздат, 1961. - 162 с.

34. Карпов, А. И. К вопросу о скоростях частиц при пневмотранспорте / А. И. Карпов // Научные труды ТЭМИИЖТ. 1960. -Т. 29.-С. 204-213.

35. Клаассен, К. Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике / К. Б. Клаассен. М. : Постмаркет, 2000.-352 с.

36. Кличко, Л. С. О предельной концентрации твердой фазы в двухфазном воздушном потоке / Л. С. Кличко, Б. М. Хрусталев // Известия вузов. Сер. "Строительство и архитектура". 1984. - № 10. - С. 87-90.

37. Клячко, Л. С. Пневматический транспорт сыпучих материалов / Л. С. Клячко, Э. X. Одельский, Б. М. Хрусталев ; под ред. Б. М. Смольского. Минск : Наука и техника, 1983. - 216 с.

38. Кремлевский, П. П. Расходомеры и счетчики количества : справочник. 5-е изд., перераб. и доп. - СПб. : Политехника. - 2004. - 412 с.

39. Лункин, Б. В.Радиочастотный датчик с чувствительным элементом на базе конструкции объекта контроля / Б. В. Лункин, В. И. Мишенин // Приборы и системы управления. 1998. - № 8. - С. 25-27.

40. Малевич, И. П. Транспортировка и складирование порошкообразных строительных материалов / И. П. Малевич, В. С. Серяков, А. В. Мишин М. : Стройиздат, 1984. - 184 с.

41. Малис, А. Я. Пневматический транспорт для сыпучих материалов / А. Я. Малис, М. Г. Касторных. М. : Агропромиздат, 1985. -344 с.

42. Малис, А. Я. Пневматический транспорт сыпучих материалов при высоких концентрациях / А. Я. Малис. М. : Машиностроение, 1969. -184 с.

43. Мамошин, А. Е. Классификация, псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов / А. Е. Мамошин. Екатеринбург : АМБ, 2004.- 121 с.

44. Мустель, Е. Р. Методы модуляции и сканирования света / Е. Р. Мустель, В. Н. Парыгин. М. : Наука, 1970. - 295 с.

45. Оптическая и СВЧ дефектоскопия. М. : Машиностроение, 1981.-53 с.

46. Орнатский, П. П. Автоматическое измерение и приборы / П. П. Орнатский. Киев : Вища шк., 1986. - 504 с.

47. Островский, Л. А. Основы общей теории электроизмерительных устройств / Л. А. Островский. Л. : Энергия, 1971. - 544 с.

48. Островский, Г. М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности / Г. М. Островский. Л. : Химия, 1984.- 104 с.

49. Панаморенко, В. М. Задачи автоматизированного управления пневмотранспорта сыпучих материалов / В. М. Панаморенко, Т. А.

50. Суэтина // Юбилейная научно-техническая конференция аспирантов и студентов МИКХиС. М., 2004. - С. 104-106.

51. Пат. 1753281 Российская Федерация. Устройство для измерения массового расхода вещества / Г. Н. Ахобадзе, Н. М. Плотников, А. С. Совлуков // Открытия. Изобретения. 1992. - № 29.

52. Пневмотранспортное оборудование : справочник / М. П. Калинушкин М. А. Коппель, В. С. Серяков, М. М. Шалунов ; под общ. ред. М. П. Калинушкина. Л. : Машиностроение, 1986. - 286 с.

53. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий : справочник / под ред. В. В. Клюева. М. : Машиностроение, 1976. - 391 с.

54. Радиоволновые датчики. Теория и принципы построения : сб. тр. М. : Ин-т проблем упр., 1983. - 65 с.

55. Разинов, Ю. И. Пути повышения энергетической эффективности вертикального пневмотранспорта заторможенным плотным слоем / Ю. И. Разинов, Б. Ф. Степочкин // Инженерно-физический журнал. 1977. Т. XXXIII, № 4. - С. 617-621.

56. Разумов, И. М. Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов / И. М. Разумов. М. : Химия, 1972. - 240 с.

57. Сакс, С. Е. Определение критической скорости взвесенесущего потока / С. Е. Сакс // Инженерно-физический журнал. 1970. - Т. XVIII, №5.-С. 832-837.

58. Сканави, Г. И. Физика диэлектриков. Область слабых полей / Г. И. Сканави. М. ; Л. : ГИТТЛ, 1949. - 500 с.

59. Смолдырев, А. Е. Трубопроводный транспорт. Основы расчёта / А. Е. Смолдырев. М. : Недра, 1980. - 294 с.

60. Совлуков, А. С. Микроволновые частотные измерения массового расхода среды / А. С. Совлуков, Г. Н. Ахобадзе // Сообщения Академии наук Грузинской ССР. 1980. -№1. - С. 177-180.

61. Сокращение затрат энергии на пневмотранспорт порошков / С. Ф. Шишкин, А. В. Катаев, Д. Н. Гаврилюк, А. В. Трошин // Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : сб. науч. тр. Екатеринбург, 2004. - С. 107-110.

62. Coy, С. Гидродинамика многофазных систем : пер. с англ. / С. Coy ; под ред. М. Е. Дейча. М. : Мир, 1971. - 536 с.

63. Справочные материалы по физико-механическим свойствам пылевидных и порошковых грузов : справ, изд. /Ленингр. ин-т вод. трансп . -Л. : ЛИВТ, 1969.-87 с.

64. Степочкин, Б. Ф. Определение скорости витания частиц произвольной формы / Б. Ф. Степочкин // Теплоэнергетика. 1960. - № 5. - С. 466-469.

65. Суэтина, Т. А. Моделирование процессов технологии строительных материалов и изделий с использованием ЭВМ / Т. А. Суэтина ; Моск. ин-ткоммун. хоз-ваистр-ва. М. : МИКХиС, 1992. - 33 с.

66. Траксел, Д. Синтез систем автоматического регулирования / Д. Траксел.- М. : Машиностроение, 1989. 759 с.

67. Фельдбаум, А. А. Методы теории автоматического управления / А. А. Фельдбаум, А. Г. Бутковский. М. : Наука, 1981. - 744 с.

68. Хиппель, А. Р. Диэлекрики и волны : пер. с англ. / А. Р. Хиппель. М. : Изд-во иностр. лит., 1960. - 438 с.

69. Цирлин, А. М. Оптимальное управление технологическими процессами / А. М. Цирлин. М. : Энергоатомиздат, 1986. - 396 с.

70. Чальцев, М. Н. Теоретические исследования потерь давления при пневмотранспорте по горизонтальным трубам / М. Н. Чальцев ; Донец, нац. техн. ун-т // Горная энергомеханика и автоматика. Донецк, 2003. - Т. 2.-С. 204-210.

71. Шишкин, С. Ф. Движение двухфазного потока в трубе постоянного сечения / С.Ф. Шишкин, А.С. Шишкин // Вестник УГТУ-УПИ. 2000. - № 1. - С. 225-230.

72. A Mathematical model for deposition from turbulent flows / / J. A. Broadkey, R. I. Vachon, D. Dyer, H. A. Zallen // American Society of Mechanical Engineers. 1968. - Vol. 90, № 2. - P. 164-170.

73. Beal, S. K. Deposition of poly disperse aerosols in turbulent flow / S. K. Beal // Journal of Atmosphere Environment. 1970. - Vol. 4, № 4. - P. 439-441.

74. Dielectric Property Measurements of Materials using the Cavity technique / A. Baysar, J. L. Kuester // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1992. - Vol. 40, № 11. - C. 2108-2110.

75. Mikrowollensensor zur schlipffreien und leriihrungslosen Geschwindigkeitsmessung / Kohler Jurgen Kirsttitterklans //Automobiltechn. -1996.- 1998.-№ 11.-C. 630-643.

76. Wakstein, C. A simple picture of turbulent two-phase pipe flow / C. Wakstein // Journal of Aerosol Science. 1970. - Vol. 1, № 1. -P. 69-74.1. СПИСОК ПЕЧАТНЫХ ТРУДОВ

77. Гуляев, В. Г. Измеритель расхода сыпучих диэлектрических материалов, транспортируемых воздухом в закрытых трубопроводах / Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев // Приборы. 2011. - № 1(127). - С. 35-39.

78. Гуляев, В. Г. Расходомер сыпучих строительных материалов, транспортируемых по трубопроводам / А. Ф. Тихонов, Н. М. Плотников, В. Г. Гуляев // Механизация строительства. 2011. - № 2. - С. 16-18.

79. Гуляев, В. Г. Автоматизация измерения расхода сыпучих материалов при пневмотранспортировании // Вестник Московского государственного строительного университета. 2012. - № 4. - С. 145-148.