CC BY
182
УДК 669.12
И. Е. Чернецкая, Д. С. Потапов
Курский государственный технический университет УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ АГЛОМЕРАТА МЕТОДОМ СВЧ
Рассмотрены способ определения влажности потоков дисперсных слабопро-водящих материалов, основные элементы структурной схемы их устройства и схема процесса определения влажности. Приведены функциональные графические зависимости, отображающие наиболее благоприятные условия измерения влажности дисперсных слабопроводящих материалов. Обоснована возможность применения устройства в системе автоматизированного контроля и управления сушкой агломерата.
Одним из важнейших качеств продукции в горно-металлургической промышленности является влажность. В зимний период массовая доля влаги в агломерате не должна превышать 3,0 %, в летний период — 8,5 %. Массовая доля влаги в готовом агломерате определяется его минералогическим составом. При одинаковых режимах сушки влажность изменяется от 0,8 до 5,0 %, причем наименьшее значение относится к сушке кристаллических руд, наибольшее — к переотложенным. Эффективное усреднение различных типов руд в карьере в минералогическом отношении технически выполнить невозможно, так же как и быстро оценить минералогический состав руды в потоке на фабрике. Регулировать массовое содержание влаги в агломерате возможно, лишь оперативно управляя режимами сушки, зная исходное содержание влаги.
СВЧ-влагомер, основанный на принципе поглощения радиоволн СВЧ-диапазона, предназначен для измерения влаги в диэлектрических и слабопроводящих материалах [1].
Схема устройства, реализующего способ измерения влажности дисперсных слабопроводящих материалов, приведена на рис. 1.
-НО >
О
ги
10
л_п_с _п_п_
Т=±
МОП БМП
ДП
Рис. 1
В схему включены последовательно соединенные блок питания БП 1 и термостабилизации Тст 2 для подачи стабилизированного питания на СВЧ-генератор Г. СВЧ 3; передающую антенну 4; приемную антенну 5; усилитель рабочего канала УРК 6; генератор импульсов ГИ 10; усилитель опорного сигнала УОС 11; логарифмический усилитель ЛУ 7; преобразователь 8 „напряжение — ток" Пр; устройство визуального контроля за изменением влажности материала 9; микропроцессор оптимального положения МОП 12; датчик положения ДП 13; микропроцессор оптимального положения МОП 12; блок механического перемещения БМП 14; механизм перемещения МП 15.
Схема устройства для определения влажности быстродвижущихся потоков дисперсных слабопроводящих материалов на конвейерных лентах (как вариант устройства) представлена
Для формирования толщины слоя отработана конструкция пробоформирующего устройства, обеспечивающая постоянство величины слоя и насыпной плотности агломерата в рабочей зоне измерения. Устройство содержит передающую антенну 4, установленную непосредственно под потоком слабопроводящего дисперсного материала, движущегося по конвейерной ленте 16, выполненной на основе резины. Приемная антенна 5 установлена в формирователе 17, который предназначен для регулирования потока дисперсного слабопроводя-щего материала заданной толщины. Формирователь 17 закреплен на раме 18 и содержит разравнивающий плуг 19 и две боковые предохранительные стенки 20, установленные вертикально и параллельно друг другу. Формирователь 17 посредством механизма перемещения 15 перемещается вверх или вниз вдоль рамы 18 параллельно ее вертикальной оси с последующей регистрацией положения формирователя 17 датчиком положения 13. Угол наклона а плоскости разравнивающего плуга 19 и боковые предохранительные стенки 20 обеспечивают выравнивание верхней поверхности и формирование потока дисперсного слабопроводящего движущегося материала 21 определенной толщины Н без его уплотнения. Передающая и приемная антенны 4 и 5 герметично закрыты от влаги и пыли обтекателями (не показаны), выполнены из „прозрачного" материала для волн СВЧ-диапазона, установлены соосно, причем продольные оси антенн устанавливаются перпендикулярно верхней поверхности движущегося материала 21, сформированной разравнивающим плугом 19.
Особенность устройства заключается в формирователе, обеспечивающем постоянные высоту слоя агломерата и насыпную плотность благодаря разравнивающему „плугу", выполненному таким образом, что движущийся слой агломерата раздвигается в стороны без уплотнения массы, в свою очередь предохраняя приемную антенну от механических повреждений.
К недостатку конструкции пробоформирующего устройства следует отнести износ плуга. Если между излучающей (на генераторном блоке) и приемной (на приемном блоке) антеннами разместить влажный материал толщиной с1 вдоль направления распространения СВЧ-излучения, то мощность излучения, попадающую в приемную антенну, можно представить в виде
Рпрош = ^палА ехрЫ (р + аЖ)],
где Рпрош, Рпад — прошедшая и падающая мощность СВЧ-сигнала; А — параметр, определяемый геометрией измерительной системы, коэффициентами отражения СВЧ-сигнала в области между антеннами; ё — толщина влажного материала; Ж — массовая доля влаги исследуемого материала; а - некоторый коэффициент пропорциональности; в — коэффициент затухания в сухом материале, зависящий от физических свойств вещества (плотность, проводимость, диэлектрические потери).
Логарифм отношения мощностей падающего и прошедшего СВЧ-сигнала пропорционален произведению влажности на толщину измеряемого слоя. Как уже отмечалось [2], массовая доля влаги зависит от плотности материала и его толщины. Если допустить, что насыпная плотность агломерата, движущегося на конвейере, при прочих равных условиях, изменяется незначительно, то в интегральном режиме измерения (при Т2) массовая доля влаги определяется в основном толщиной транспортируемого агломерата.
Следовательно, при измерении массовой доли влаги потока агломерата необходимо поддерживать постоянной толщину материала на конвейере.
Кроме выше перечисленных факторов, величина затухания прошедшей мощности определяется вещественным и гранулометрическим составом, температурой агломерата, конструктивными особенностями влагомера (в частности, расстоянием между антеннами).
Результаты измерения могут искажаться за счет дополнительного рассеяния волн СВЧ-сигнала на неоднородных кусках агломерата размером 5 мм и более, а также за счет неоднородности потока агломерата по влажности. При больших значениях измеряемой влажности, либо при большой толщине материала наблюдается регистрация малых мощностей прошедшей СВЧ-волны. Это также вносит погрешность в определение влажности.
Измерение массовой доли влаги потока агломерата производится следующим образом. Испытания проводятся на конвейерах ЛК 14а и ЛК 16, транспортирующих агломерат крупностью 10+0 мм из цеха сушки на догрузбункер или склад [3]. При движении конвейера без нагрузки на блоке индикации устанавливается нулевое значение сигнала. Испытания проводятся при полной загрузке конвейера и формировании слоя агломерата определенной толщины в интегральном режиме измерений Т2 = 1 мин. Одновременно с измерением величины относительного поглощения СВЧ-волн оценивается влажность агломерата весовыми способами по ГОСТ 12764-73 (СЭВ 959-78). Для отбора представительной пробы движущейся по конвейеру массы формируется накопительная проба из суммы частных проб, отобранных через 5 с в течение 1 мин. Определяется вещественный гранулометрический состав, температура и толщина слоя агломерата. Измерение массовой доли влаги производится во всем диапазоне, определяемом возможностями технологии производства агломерата как в летний период времени, так и в сезон сушки. Определяется стандартная ошибка измерений, коэффициенты корреляции и детерминации измеряемых величин. Используя способ наименьших квадратов, с помощью ЭВМ можно найти уравнения связи величин выходного сигнала СВЧ-влагомера и массовой доли влаги. В зависимости от условий измерений можно выбирать необходимое время интегрирования. Прибор имеет два отсчета времени: „мгновенное" Т = 1 с и интегрированное Т2 = 1 мин.
Установлено, что отношение мощности падающих и прошедших электромагнитных волн СВЧ-диапазона через поток дисперсного материала определяется величиной диэлектрических потерь. Диэлектрическая проницаемость слабопроводящего слоя влажного дисперс-
ного материала определяется толщиной сформированного потока материала, его вещественным составом, электропроводностью, крупностью составляющих частиц, количеством свободной влаги и влаги, сорбированной частицами дисперсного материала. Экспериментальные зависимости Jl=fl(W) и J2=f2(W) при влажности Ж=соп81;, устанавливающие функциональную связь энергии поглощения Р электромагнитных волн СВЧ-диапазона от толщины потока Н слабопроводящих материалов (для удобства изменение энергии поглощения Рп, выражено величиной тока J измерительного прибора 9), представлены на рис. 3.
Указанные графические зависимости имеют прямолинейные участки AB и CD, на которых соблюдаются условия постоянства величины градиента изменения энергии поглощения Рп волн СВЧ-диапазона (grad Рп(Н) = const), т.е. изменение толщины потока влажного материала прямо пропорционально изменению величины энергии поглощения Рп. При уменьшении толщины потока материала (A и C) происходит рассеяние волн СВЧ-диапазона на поверхности дисперсных частиц материала и тем интенсивнее, чем больше крупность частиц слабопроводящего материала и меньше толщина потока. При значительной толщине потока материала (B и D) происходит искривление прямолинейной зависимости J=fW), определяемой насыщением блок-схемы устройства; для этих участков соблюдаются условия переменного градиента энергии поглощения Рп (grad Pn(H)=var). Экспериментально установлено, что наиболее благоприятные условия для измерения влажности дисперсных слабопроводящих материалов находятся в середине прямолинейных участков AB и CD графических зависимостей J=f(W) при постоянных величинах градиента вторичного сигнала (grad Л(#)=сом1). Например, для зависимости fi(W) оптимальным значением толщины потока влажного дисперсного слабопроводящего материала является величина Hopt, определяемая путем деления пополам линейного участка AB.
В условиях реального агломерационного производства контроль качества готового продукта, в частности влажности агломерата, осуществляют, как правило, в лабораторных условиях на предварительно отобранных и подготовленных образцах, что требует больших временных затрат и снижает оперативность в принятии управленческих решений.
Устройство измерения влажности агломерата методом СВЧ (СВЧ-влагомер) может быть использовано в системе автоматизированного контроля и управления сушкой агломерата (рис. 4).
Рис. 4
Влажный сыпучий слабопроводящий материал (агломерат) подается при помощи конвейерной ленты № 1, на которой установлен СВЧ-влагомер № 1, снимающий показания о процентном содержании влаги, в бункер, откуда самотеком материал поступает на пластинчатые двухскоростные питатели, выполненные в виде своеобразного жесткого конвейера, и затем в сушильный барабан. Влажность материала не имеет постоянного процентного значения, и управлять температурным режимом в сушильном барабане с наименьшими временными затратами для более точного и качественного просушивания материала становится возможно при использовании данных, полученных от СВЧ-влагомера № 1. Информация о содержании влаги в материале передается в ЭВМ, где определяются и подаются в блок управления температурным режимом в сушильном барабане данные о подаче необходимого и достаточного объема составляющих топлива для достижения необходимой температуры. После прохождения сушильного барабана материал подается на конвейерную ленту № 2, посредством которой он попадает в погрузбункер, откуда производится дальнейшая транспортировка материала. На конвейерной ленте № 2 установлен СВЧ-влагомер № 2, снимающий показания о процентном содержании влаги в просушенном материале для коррекции или подтверждения выбранного температурного режима.
Применение СВЧ-влагомера в системе автоматизированного контроля и управления сушкой позволило сократить время и повысить точность определения влажности до ±0,44 %, обеспечить рациональный расход топлива, затрачиваемого на процесс сушки, и получить готовый продукт, соответствующий заданным показателям качества.
список литературы
1. Исматуллаев П. Р. Сверхвысокочастотная влагометрия // Измерения, контроль, автоматизация. 1989. № 4
(72). С. 22—31.
2. Кричевский Е. С. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов.
М.: Энергия, 1980. 239 с.
3. Кричевский Е. С., Волченко А. Г., Галушкин С. С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов.
М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 10—16.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
вычислительной техники 01.09.07 г.
