автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование технологических бесконтактных датчиков массы для систем управления перерабатывающими линиями

На правах рукописи

од

1 Д1:П 1СЭЗ

РЫЖКОВ Владимир Витальевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БЕСКОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ МАССЫ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИМИ ЛИНИЯМИ

Специальность 05.11.13 - "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов -1998

Работа выполнена в Воронежской государственной технолошческой академии.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации БНТЮКОВ Виталий Ксснофоитович.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель Российской Федерации МОРДАСОВ Михаил Михайлович; кандидат технических наук, доцент ГАЛИЗДРА Владимир Иванович.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - НИИ автоматизированных средств

производства и контроля (г. Воронеж)

Защита состоится_ 1998 г. в //"часов

на заседании диссертационного совета К 064.20.03

Тамбовского государственного технического университета по адресу:

392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106. Большой зал.

Отзыв na автореферат (а двух экземплярах, заверенных iep6o»oñ печатью) про' сим направлять но адресу: 392000, г. Тамбов, ул Советская, 106, ТГТУ, диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке улпиерснте/а.

г.

Учении секретарь

диссертационного совета

'U'i— Чуриков А.А.

Для оценки точности приближенных вычислений значений функции распределения давления, имеющих прикладное значение, был проведен численный анализ относительных погрешностей частичных сумм ряда, результаты которого показали, что использование 9 первых членов ряда гарантирует вычисление давления с погрешностью менее 0.1%.

Для ряда значений масс изделий от 0.04 до 0.45 кг, имеющих габариты опорной поверхности 0.082x0.050 (м), экспериментально была подтверждена адекватность модели распределения давления воздуха в прослойке при уровне значимости 0.10.

При построении математической модели узла бесконтактного разгона изделия рассматривалось действие осесимметрнчной воздушной струи на нормально расположенную плоскую поверхность.

Обосносана возможность использования струнного воздействия как измерительного при определении инерционных свойств движущегося по пневмо-конпейеру изделия, В этом случае повышаются требования к адекватности описания гидродинамических процессов в зоне столкновения, что потребовало уточнения выражения для силы динамического давления с учетом формулы Г. Рейхардта, описывающей изменение скорости газа поперек струи:

/а = 0.25/^0277

( ! "> 96.4 г}

1 -ехр

К2 л

(4)

Результаты полнофакторного эксперимента подтвердили адекватность модели. При этом было получено значение коэффициента расхода 0.856 для значений параметров в центре плана (1\ = 4кПа, <10 = 8*10"4, м).

Эксперименты показали, что при длине струи равной десяти диаметрам сопла изменение шероховатости поверхности вдвое в диапазоне наиболее распространенных шероховатостей поверхности приводит лишь к 2% изменению силы воздействия струи. При дальнейшем увеличении длины струн шероховатость поверхности практически не влияет на величину садового воздействия.

В третьей главе приведены новые способы бесконтактного определения массы штучных изделий, позволяющие производить измерения в условиях действия промышленных помех. Это свойство достигнуто использованием в качестве промежуточных информационных параметров интегральных величин, связанных с давлением под изделием, а также характеристик движения изделия, выведенного из состояния покоя бесконтактным силовым воздействием заданной величины.

Интегрирующий датчик, измеряя мгновенные значения давления в воздушной прослойке под равномерно движущимся изделием, позволяет определить массу по интегралу значений мгновенных давлений за время прохождения изделия над датчиком:

0 = ~]ри(т)с/г. (5)

*« О

Коэффициент пропорциональности К определяется с учетом полученного ранее выражения для распределения давления под изделием.

к= 2/(1 -ехр(0.5лп//))2 4

/гехр(лг(а - у о)/1)~ ехр(ягу0/1)

Анализ источников возможных погрешностей позволил выделить следующие группы: погрешности, вызванные принятыми в математической модели допущениями; погрешности измерения давления, времени и погрешности интегрирования, обусловленные несовершенством используемой аппаратуры; погрешности, связанные с использованием приближенных решений и заменой бесконечных рядов конечными; погрешности вспомогательных измеряемых и задаваемых параметров.

Получены расчетные соотношения для теоретической оценки погрешности интегрирующего датчика массы:.

АС

С "у

л2 2

/ и 1

^Н'-Чч))

аг,

(8)

(А/?, )2 = (Ри(1 - ехр(/„ 1Ц))А1и )2 +

'\MzSLb

' дР

дх

(9)

Г2 = ехр(Гн /Г|)/(1-ехр(/я /Г,)). (10)

Расчеты теоретической погрешности для диапазонов изменения скорости движения изделия по пневмоконвейеру и несущей поверхности датчика массы от 0.07 до 2 м/с при удельной массе изделия от 0.06 до 0.2 кг/м2 с учетом точностных характеристик типовых датчиков, показали, что относительная погрешность контроля веса составляет от 1.7 до 1.9%.

Для определения массы изделий имеющих значительную шероховатость поверхности рекомендуется применять датчики» измеряющие массу изделий по изменению их скоростей поступательного движения по пневмоконвейеру.

При этом используется, показанный во второй главе, эффект независимости от шероховатости поверхности величины бесконтактного струйного воздействия на торцевую поверхность изделия.

Контроль массы осуществляется путем измерения импульса сил давления на торцевую поверхность изделия. Уравнение преобразования: 'с

т =-9----. (11)

Ух

Получено выражение теоретической оценки погрешности измерения: Дт т

где: ^6 =

>5

V к\ )

+

Б

\2

10

( АЬ Г♦ / 2 + ГЖ'сЗДО

и Ух. ЬсГх) , )

\27tfL

'с

Я» = \Р,{т)4 г, о

'с

1-2ехр(-т/72)

(14)

(15)

¿2(Г2 + 1)(1-ехр(-г/Г2» Оценочный расчет относительной погрешности контроля массы для датчика, работающего с давлением в питающей камере 6 кПа и длительностью импульса до 0.8 показал, что для изделий с массами от 0.05 до 0.4 кг и площадью боковой поверхности от 0.008 до 0.01 м2 среднеквадратичная погрешность составляет от 2.5 до 6%.

Для обеспечения работы датчиков в составе измерительной системы разработан измерительный преобразователь. Предложенные бесконтактные устройства контроля массы не имеют движущихся и трущихся механических частей, что позволяет обеспечить высокий уровень эксплуатационной надежности.

В четвертой главе изложены, разработанные на основании результатов исследования, методики инженерного расчета интегрирующего и импульсного датчиков. Определены требования к частотному диапазону датчика давления. Результаты экспериментальных исследований разработанных датчиков массы подтверждают адекватность теоретических оценок погрешностей.

В пятой главе представлены варианты использования бесконтактных датчиков для повышения точности дозирования и сортировки изделий.

Для оперативного регулирования процесса дозирования предлагается применять систему управления по отклонению, которая изменяет объем мерной камеры дозатора пропорционально ошибке формирования предыдущей дозы.

2

и

Запаздывание сигнала контроля на один такт обусловлено принципом действия объемного дозатора.

Погрешность регулирования определялась с учетом статистических свойств изменения плотности материала и функционирования механизмов транспортирования, насыпки и формования. Дисперсия ошибки была найдена путем интегрирования спектральной плотности, при этом автокорреляционная функция масс доз для каждого типа дозатора и материала определялась предварительно прн отсутствии коррекции. Получено для значения дисперсии:

_ 2*[0] Щ1] 2кК[2] 1 к<т2и ^

т 2к + \ (2* + 1)(1 + Л:)2 (2*+1)(1+*)3 2-к'

Оценена погрешность сортировки изделий по массе. При известной максимальной погрешности датчика получена величина допуска по массе гарантирующая заданную точность сортировки, оцениваемую вероятностью ошибки &

й = сгтр[п(сги !{2лот{\- />0))) (Щ

В приложении представлены тексты написанных компьютерных программ, результаты экспериментов с оценкой адекватности, методика проектирования измерительного преобразователя, приведен пример расчета датчика.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а, I - ширина, длина изделия; С„, 0„ - коэффициенты ряда; с!0 - диаметр сопла; /а - сила динамического давления;/-частота основной гармоники вибрации; § - ускорение свободного падения; Ь - высота воздушной прослойки; И« -длина струи; К[П - автокорреляционная функция помехи; к - коэффициент усиления; 8, К, К( - коэффициенты пропорциональности; Ь - длина участка измерения; т - масса изделия; р, ц - плотность и вязкость воздуха; Ри, Рц- избыточные давления под изделием и в пневмокамере; Ро - вероятность ошибки сортировки; г| - коэффициент расхода сопла; г. - радиус зоны столкновении; Т„ Тг -постоянные времени; V» -скорость поступательного движения изделия; X, У -координаты; у„ - координата места измерения давления; о«1 - дисперсия погрешностей взвешивания; сг„,2— дисперсия погрешностей дозирования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основания рассмотрения известных способов ( есконтактного контроля массы изделий и анализа математической модели (¡есконтактного датчика массы предложено два пути повышения помехоустойчивости измерения: с учетом интеграла давления по площади опорной поверхности изделия и с учетом кинематических характеристик изделия,

2. Получена экспериментально подтвержденная зависимость распределения избыточного давления воздуха в прослойке под изделием, имеющим форму параллелепипеда.

3. Получено выражение, описывающее силовое действие воздушной струи на боковую поверхность изделия. Впервые экспериментально доказана независимость величины воздействия струн ог расстояния до сопла в диапазоне, определяемом отношением геометрических размеров поверхности и струи.

4. Предложены новые способы и устройства бесконтактного контроля массы по интегралу давления под изделием и по кинематическим характеристикам движения изделия.

5. Для предложенных устройств выполнен анализ источников погрешностей контроля массы, получены расчетные соотношения для теоретической оценки погрешности измерения, проведен анализ погрешностей измерений.

6. Величины погрешностей, полученных в результате экспериментального исследования точности разработанных бесконтактных устройств контроля массы, в 1.2-1.6 раза меньше теоретических, что подтверждает правильность аналитических соотношений для расчета погрешностей.

7. Предложена система управления высокопроизводительным дозатором с бесконтактным датчиком массы. Получены теоретические оценки погрешностей дозирования.

8. Экспериментальный образец бесконтактного датчика массы включен в состав линии ЭЛМ по обработке мыла на АО "Финист" г. Воронеж'. Расчетный

экономический эффект от снижения брака по массе, уменьшения перерасхода сырья и сокращения доли ручного труда составил в ценах 1997 г. 45 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Патент RU N 2087S75. Способ определения массы брикетированной продукции и устройство для его осуществления. Авторы: Битюков В.К., Чертов Е.Д., Рыжков D.B. МКл.6 G 01 G 11/00. Заявл. 26.05.94; Опубл. 20.08.97, Бгол. N23.

2. Патент RU N 2091722. Способ определения массы изделия при пнев-мотранспортнровашш. Авторы: Битюков В.К., Чертой Е.Д, Рыжков В.В. МКл6 G 01 G 11/00. Заявл. 12.04.94.; Опубл. 27.09.97, Бил. N 27.

3. Патент RU N 2093797. Способ бесконтактного определеши веса изделий из материалов малой удельной плотности и устройство для его осуществления. Авторы: Битюков B.IC., Чертов Е.Д, Рыжков В.В. МКл.6 G 01 G 11/00. Заявл. 19.09.94.; Опубл. 20.10.97., Бюл. N 29.

4. Патент RU N 2093798. Способ определения массы штучных изделий при пневмотранспортированиц и устройство для его осуществления. Авторы: Битюков В .К, Чертой Е.Д, Рыжков В.В. МКл.6 G 01 G 11/00. Заявл. 20.11.95.; Опубл. 20.10.97, Бюл. N29.

5. Патент 1Ш N 2099672 Устройство бесконтактного контроля массы расфасованной продукции. Авторы: Битюков В.К, Чертов Е.Д, Рыжков В.В. МКл.6

G 01 G 11/00, 19/28, 9/00. Залил. 7.02.96; Опубл. 20.12.97, Бюл. N 35.

6. Патент RU N 2112223. Способ определения веса брикетированной продукции и устройство для его реализации. Авторы: Битюков B.IC, Рыжков В.В, Чертов Е.Д. МКл.6 G 01 G 11/14, 19/28, 9/00. Заявл. 18.09.96; Опубл. 27.05.98, Бюл. N15.

7. Битюков. В.К, Рыжков В.В. Исследование влияния шероховатости поверхности на точность бесконтактного измерительного воздействия. // Теоретические основы проектирования технологических систем и оборудования ав-

томатизированных производств: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 2./ Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 1996. - С. 20-24.

8. Битюков В.К., Чертов Е.Д., Рыжков В.В. Динамическое воздействие на плоскую поверхность нормально набегающей турбулентной затопленной осе-симметричной струи.// Теоретические основы проектирования технологических систем и оборудования автоматизированных производств: Межвуз. сб. науч. тр./ Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 1995. - С. 10-16.

9. Елфимов СЛ., Рыжков В.В., Чертов Е.Д. Построение математических моделей бесконтактных весоизмерительных устройств. / Современные проблемы информатизации. Тез. докл. II Республиканской электронной научной конференции. - Воронеж: Изд-во Воронежского педуниверситета, 1997. -С. 138,139. 10. Рыжков В.В. Анализ схем создания воздушной подушки. //Материалы научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов./ ВГТА, Воронеж, 1998. - С. 32-34.

11. Рыжков В.В. Применение бесконтактного взвешивания в молочной промышленности./ Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования. Сб. научн.тр. Вып. 6. - Воронеж: ВГТА, 1996. - С. 53,54.

12. Рыжков В.В. Пути повышения эффективности массоизмерительных устройств автоматических линий./ Материалы XXIV иауч. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. // ВГТА - Воронеж, 1995. - С. 35-37.

13. Рыжков В.В. Система "Объемный дозатор - бесконтактное массоизме-рительное устройство.// Молодежь и проблемы информационного и экологического мониторинга: Матер. Российск. молодежного научн. симпозиума./ Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 1996. - Кн.1. - С. 19-23.

14. Рыжков BJB. Струйный весоизмеритель для пищевой промышленности./ Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования. Сб. научн. тр. Вып. 5. - Воронеж: ВГТА, 1995. - С. 59-61.

15. Рыжков В.В., Чертов Е.Д. Аналитическое описание бесконтактных весо-измерителей для пищевой промышленности./ Теоретические и практические

аспекты основных положений расчета процессов и аппаратов пищевых производств. Тез. докладов. - М: МГУПБ, 1996. - С. 130.

16. Рыжков В.В., Чертов Е.Д. Конвейерный измеритель массы. // Физико-химические основы пищевых и химических производств. / Всероссийская научно-практическая конференция. Тез. докл. - Воронеж: ВГТА, 1996. - С. 132.

17. Рыжков В.В., Чертов Е.Д. О распределении давлений в зоне динамического воздействия струи на поверхность. / "Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств": Тезисы докладов. - М.: МГАПБ, 1996. - С 160.

18. Рыжков В.В., Чертов Е.Д. Управление стохастической системой дозирования. / Матер. XXXV науч. конф. / ВГТА, -Воронеж, 1997. 4.1. - С. 141.

19. Чертов Е.Д., Рыжков В.В. Моделирование динамического воздействия газовой струи на плоскую Поверхность. // Информационные технологии и системы / Всероссийская конференция. (Воронеж окт. 1995 г.): Тез. докл. - Воронеж: ВГУ, 1995. - С. 52.

20. Чертов Е.Д., Рыжков В.В. Оптимальный выбор диапазона измеряемых параметров при бесконтактном определении массы. / IV Всероссийская науч. конференция. "Динамика процессов и аппаратов химической технологии". -Том I / ЯГТУ. Ярославль, 1994. - С. 195.

21. Чертов Е.Д., Рыжков В.В, Сравнительный анализ методов бесконтактного определения массы.// Материалы XXXIV отчетной науч. конф. за 1994 г./ Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 1994. - С. 12.

22. Чертов Е.Д., Рыжков В.В. Точность определения массы изделия при пневмотранспортировани»./ Материалы XXXIII отчетной [тучной конференции за 1993 год. - Воронеж: ВТИ, 1994. - С. 28.



ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

РЫЖКОВ ВЛАДИМИР ВИТАЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БЕСКОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ МАССЫ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИМИ

ЛИНИЯМИ

Специальность 05.11.13 - "Приборы и методы контроля природной

среды, веществ/ материалов и изделий"

Д и-с сертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, БИТЮКОВ В.К.-

Воронеж - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

• ВВЕДЕНИЕ-'................• •••■...................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ' ДАТЧИКОВ МАССЫ . :............................................... 13

1.1. Требования к датчикам массы систем управления автоматическими линиями ....................■................... 13

1.2. Теоретический анализ погрешностей бесконтактных датчиков массы изделий ....................................... 16

■'1. 3. Обзор способов создания бесконтактности........... 27

• 1.. 4. Теоретические предпосылки создания бесконтактных •' датчиков массы .........................ч'-^зг.:.. .'•-.....................31

-.V • . "Ч •

1.4.1. Распределение давлений и скоростей в воздушной прослойке ......:..................................................31

1.4.2. Расходные характеристики сопловых элементов ..... 38 . 1,4.3. Теоретическое описание струйных элементов

бесконтактных устройств ..................................... 39

■ 1.5. Цель и задачи исследования ......................... 40

.. '2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ

.'ДАТЧИКОВ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ МАССЫ...................... 42

' 2/1. Качественный анализ свойств воздушной прослойки ... 42 2.2. Исследование распределения давления воздуха

'■ в воздушной прослойке под прямоугольным изделием............ 53

2.2.1. Аналитическое определение распределения давления .. 53 2.-2.2. Экспериментальное определение распределения

избыточного давления в воздушной прослойке .................. 67

. ' 2.3. Исследование струйных воздействий на изделие ....... 69

2.3.1. Аналитическое определение величины струйного воздействия на изделие ...................................... 69

• 2.3.2. Экспериментальное определение коэффициентов расхода 74 2.3.3. Экспериментальное определение величины динамического

.. "струйного воздействия ......................................... 76

• -3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ ■ ■ БЕСКОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ МАССЫ...... .............. ............ 78

3.1. Оценка погрешностей интегрирующего датчика........... 7'8

3.1.1.Принцип действия интегрирующего датчика массы ...... 78

3.1.2.Уточнение передаточной функции интегрирующего датчика82

3.1.3.Анализ источников погрешностей интегрирующего датчика83

• 3.1.4.Расчетные соотношения для теоретической оценки погрешности интегрирующего датчика массы ..................... 84

/ 3.1.5. Анализ расчетных соотношений для теоретической ' оценки' погрешности .............................................. 89

3.2. Оценка погрешностей импульсного датчика массы .......90

3.2.1. Принцип действия импульсного датчика массы ........ 90

3.2.2. Анализ источников погрешностей импульсного датчика. 94

3.2.3. Расчетные соотношения для теоретической оценки погрешности импульсного датчика массы......................... 95

• 3.2.4. Анализ расчетных соотношений для теоретической оценки 'погрешности импульсного датчика массы ............... 97

4.. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ■ ч

' ДАТЧИКОВ КОНТРОЛЯ МАССЫ ИЗДЕЛИЙ . . ,......................................................98.

4.1. Разработка измерительного преобразователя ....................98

4.2. Разработка интегрирующего датчика массы ........................100

4.2.1. Разработка узла создания воздушной прослойки ..........100

4.?.2. Требования к частотному диапазону датчика давления 1Ó4

4.2.3. Определение коэффициентов преобразования ......... 106

4.3. Разработка импульсного датчика массы......•......... 107

4.3.1. Разработка узла разгона изделия.•................... 107

4.4. Результаты экспериментальных исследований датчиков... 109 '4.4.1. Исследование характеристик интегрирующего датчика..109

4.4.2. Исследование характеристик импульсного датчика.....114

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ УСТРОЙСТВ ................. 117

5.1. Анализ источников погрешностей при дозировании ......117

' 5.2. Система дозирования с бесконтактным интегрирующим .

датчиком массы ............................................... 121

5.2.1. Структура и принцип действия системы управления

дозатором по отклонению .........................................121

'5.2.2. Устойчивость системы управления дозатором

по отклонению'.................................................122

5. 2. 3. Оценка погрешности системы дозирования.............124

5.3. Оценка .погрешностей сортировки изделий по массе

с использованием импульсного датчика ......................... 126

' б.'4. Использование бесконтактных датчиков массы

при производстве мыла.....,.................................. 131

: '. ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................136

' ЛИТЕРАТУРА................. ......................... 138

•' ПРИЛОЖЕНИЯ......... . ,. :................................■ 164

ВВЕДЕНИЕ

: Совершенствование приборов технологического контроля позволяет при незначительных капитальных вложениях снизить потери сырья и повысить качество продукции, что особенно важно в современной экономической ситуации, характеризующейся уменьшением объемов поступающего сырья, ростом его стоимости и опережающим ростом- стоимости энергоресурсов, а также отсутствием у пищевых предприятий материальных средств на полное техническое перевоо--ружение.

Актуальность темы. Эффективность произволе-, тва.напрямую зависит от качества измерительных приборов, обеспечивающих ход технологического процесса на перерабатывающих предприятиях. Вместе с тем, применяемые в настоящее время измерительные устройства автоматического определения массы изделий и связанных с ней информативных технологических параметров, таких как плотность и влажность, не позволяют получать оперативную информацию об изменении массы продукции, что приводит к потере' продукции и повышению энергозатрат. Так например, перерасход сливочного масла при фасовке составляет от 3 до 5%, а до 7% туа-. летного мыла в ходе механической обработки возвращается на повторную переработку. Это обстоятельство стимулирует поиск новых надежных методов измерений массы, а также технических решений, позволяющих создавать точные и высокопроизводительные датчики промышленного назначения для систем управления автоматических линий.■

Разработка технологических датчиков массы предполагает выделение оптимальной измерительной схемы, проектирование рациональной конструкции и цифровую обработку информационных сигналов. .Методологические предпосылки для успешного решения этих вопросов содержатся в фундаментальных трудах известных ученых:• Балакшина О.Б., Битюкова В.К., Гуревича М.Г., Клусова И. А., Ко-лодежного В.Н., Степанова Г.Ю., Ханженкова В.И. и других.

Изучение проблемы создания технологических датчиков массы для систем управления поточными линиями показало целесообразность использования принципов бесконтактного взвешивания и бесконтактного транспортирования. Отсутствие механического контакта повышает, в ряде случаев, оперативность контроля, так как дает возможность измерять массу еще до затвердевания поверхности без опасности ухудшения внешнего вида изделия. Большинство известных-пневматических измерительных' устройств с несущей воздушной прослойкой позволяет определять массу передвигающихся в потоке изделий, причем, в отличии от механических, не содержит движущихся и трущихся частей, что способствует достижению большей надежности работы оборудования.

Вместе с тем, предложенные ранее конструкции бесконтактных датчиков массы не обеспечивают защиты измерительного сигнала от производственных помех, поэтому такие факторы, как технологические вибрации и изменение давления в питающей пневматической се--ти,■ обусловленные работой смежного технологического оборудования, оказывают существенное влияние на точность измерения.

Цель работы: Повышение эффективности массоизмери-тельных систем технологического назначения путем использования

методов контроля, улучшающих помехоустойчивость и скорость измерений.

Методы исследований. Основные задачи работы решались моделированием и анализом моделей с помощью математического аппарата теории газовой смазки и теории струй. При проведении экспериментальных исследований использовались методы планирования эксперимента и' статистического анализа. .Научная новизна. Предложены и теоретически' обоснованы новые способы бесконтактного контроля массы, позволяющие повысить помехоустойчивость измерений.

Получены новые расчетные соотношения для теоретической оценки погрешностей бесконтактного определения массы, с учетом которых проведен анализ погрешностей разработанных устройств.

Исследовано распределение давления воздуха в прослойке под изделием с прямоугольной опорной поверхностью, что позволило получить функцию преобразования контролирующего устройства.

Получено выражение для величины силового действия воздушной' струи на боковую поверхность изделия. Выявлен диапазон расстояний от сопла до изделия, для которых величина воздействия практически не меняется при перемещении изделия для избыточных давлений в питающей камере до 40 кПа. Это позволяет использовать струйное воздействие для измерения массы.

На защиту выносятся:

- новые способы помехозащищенного бесконтактного контроля массы-штучных изделий в потоке, позволяющие повысить эффективность измерений в цеховых условиях;

принципиальные схемы помехозащищенных бесконтактных датчиков массы;

• - методики инженерного расчета основных узлов бесконтактных' датчиков, выражения оценки погрешностей бесконтактных датчиков;

- алгоритм допускового управления объемным дозатором с технологическим датчиком массы.

- схема автоматического управления по отклонению высокопроизводительным объемным дозат.ором с технологическим датчиком мас-т сы.

'Практическая значимость. Результаты диссертационного исследования явились основой методики проектирования технологических бесконтактных датчиков массы для обеспе-' чения контроля с заданной точностью при воздействии вибраций от смежного механического оборудования.

Предложена система управления объемным дозатором, имеющая минимальные по длительности переходные процессы. Аналитически получены оценки точности регулирования массы дозы. Проведенные расчеты для дозаторов линии типа ЭЛМ механической обработки мыла показали уменьшение погрешности дозирования в 1.7 раз.

' Производственные испытания экспериментальных образцов помехоустойчивых датчиков совместно ' с разработанным измерительным' преобразователем показали их высокое быстродействие при величине погрешности контроля массы 1.5-2%.

Реализация результатов рабоы.

Созданы и внедрены экспериментальные образцы датчиков для оперативной коррекции настройки объемных дозаторов линии типа •ЭЛМ на АО "Финист" (г. Воронеж, 1997 г.). Расчетный экономический эффект составил в ценах 1997 г. 45 млн. руб.

Опробованная при проектировании схемы управления измерительным преобразователем методика построения цифрового автомата,.'

включающая программу минимизации логических функций, используется' на'кафедре АСУ ВГТА в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Ярославль, 1994 г.), на Всероссийской конференции "Информационные технологии и системы" (Воронеж 1995 г.), на .Всероссийской научно-практической конференции "Физико-химические основы пищевых и химических производств" (Воронеж 1996 г.), на конференции "Теоретические и практические аспекты применения ■ методов инженерной .физико-химической механики с целью совершенствования и' интенсификации технологических, процессов пищевых производств" (Москва, 1996 г.), на конференции "Теоретические и практические аспекты основных положений расчета процессов и аппаратов пищевых .производств" (Москва, 1996 г.), на II Республиканской электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1997г.), на Российском молодежном научном симпозиуме "Молодежь и проблемы информационного и экологического мониторинга" (Воронеж, 1996 г.), а также на .отчетных научных конференциях Воронежской государственной' технологической академии (Воронеж, 1994-1997 г. г. ) и на научной конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ВГТА (Воронеж, 1995 и 1998 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе по заявкам на изобретения получено 6 патентов РФ.

Структура и о- бъемра.боты. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Материал диссертации изложен на 116 страницах, содержит 36 рисунков и список литературы из 222 ■наименований.

В первой.главе рассмотрены особенности использования датчиков массы в составе систем управления автоматическими линиями перерабатывающих производств, показаны области применения бесконтактных устройств контроля, которые функционируют с использованием воздушной прослойки.- Проведен анализ литературных и патентных источников по современному состоянию вопросов проектирования и расчета бесконтактных устройств контроля массы изделий передвигающихся по пневматическим конвейерам. Проанализированы .■источники появления погрешностей измерения для бесконтактных' массоизмерительных устройств работающих в цеховых условиях.

В итоге поставлена цель исследования и определены задачи, решение которых необходимо для достижения цели.

Во второй главе предложены пути повышения помехоустойчивости бесконтактных измерений -массы. Представлены математические модели основных элементов бесконтактных устройств контроля массы, Приведены описания лабораторных установок для исследования основных элементов бесконтактного устройства: воздушной прослойки и воздушной струи. Представлены результаты экспериментальных' исследований подтверждающих адекватность предложенных математических моделей.

В третьей главе предложены новые способы бесконтактного ■контроля массы штучных изделий, движущихся по пневмоконвейеру, описаны принципы действия интегрирующего и импульсного датчиков',-

позволяющих контролировать массу в условиях действия вибраций и ■нестабильности давления питающего воздуха. Получены выражения для передаточных функций датчиков. Проанализированы с целью выделения наиболее существенных источники возможных погрешностей каждого датчика. Получены и проанализированы расчетные соотношения для теоретических оценок погрешностей. Получены теоретические оценки погрешностей для используемых диапазонов измеряемых параметров, с; учетом погрешностей типовых измерительных приборов.

В четвертой главе описывается разработанный для интегрирующего, и импульсного датчиков измерительный преобразователь, используемый при измерении и преобразовании.вспомогательных параметров. Предложены алгоритмы инженерного.расчета основных узлов бесконтактного датчика: узла разгона и узла создания воздушной прослойки. Описаны экспериментальные исследования погрешностей изготовленных образцов интегрирующего и импульсного датчиков. .-Проведена оценка численных значений теоретических и экспериментальных погрешностей. Выявлены и оценены систематические состав-.ляющие погрешностей контроля массы..

.В пятой главе предложены варианты использования бесконтактных датчиков массы в составе оборудования дозирующего и сортирующего назначения. Предложен -алгоритм управления объемным дозированием с учетом результатов бесконтактного контроля массы формируемой дозы. Выявлены источники возникновения погрешностей дозирования. Получено аналитическое выражение для погрешности дози-.рования при наличии стохастической составляющей в изменении плотности материала. Оценена точность сортировки при заданной точности контролирующего устройства. В заключении приведено' описание системы регулирования одного из важнейших технологических

параметров при производстве кускового мыла. При косвенном опре-' делении этого параметра учитывается результат бесконтактного измерения массы незастывшего куска мыла.

: В приложении представлены тексты написанных вспомогательных компьютерных программ, использовавшихся при поведении исследований, результаты экспериментов с проверкой адекватности, описана разработка измерительного преобразователя и приведен пример инженерного расчета конструкции бесконтактного устройства контроля массы Штучного изделия. Представлен акт внедрения бесконтактного датчика массы в технологический процесс производства кускового' мыла...

' . . Разработка, теоретические и экспериментальные исследования-бесконтактных помехоустойчивых датчиков массы проводились в Воронежской го