CC BY
10
УДК 535.137 + 616-073.213
Ключевые слова: реология; оптика; контроль; измерение; рецептура; дозатор; глицерин; вязкость; барботаж.
Интегрированная система контроля
оптически прозрачных веществ
М.В. Лунин, аспирант, А.В. Бобров, канд. биол. наук Орловский государственный технический университет
При производстве пищевых продуктов определенное количество ингредиентов подается в растворенном виде (сахар, глицерин и др.). В целях обеспечения точности исполнения нормативной или установочной рецептуры того или иного продукта необходим оперативный инструментальный контроль концентрации используемых растворов рецептурных компонентов для настройки дозаторов и получения полуфабриката с определенными реологическими свойствами.
Показателями концентрации растворенных в жидкости веществ могут служить ее реологические параметры, например, вязкость и коэффициент поверхностного натяжения. Современные методы и средства измерения вязкости в большинстве случаев связаны с необходимостью отбора исследуемой пробы растворенного вещества и проведения исследования в условиях лаборатории,
Key words: rheology; optics; control; measurement; a compounding; a metering device; glycerin; viscosity; barbotage.
что накладывает ограничения на возможности их применения при организации оперативного контроля концентрации использующихся растворов в режиме реального времени.
В основу создаваемой интегрированной информационно-измерительной системы контроля концентрации оптически прозрачных растворов заложена гипотеза о том, что динамический контроль концентрации раствора можно обеспечить путем использования пузырька-маркера, сформированного естествен-
Рис. 1. Блок-схема устройства системы контроля концентрации оптически прозрачных растворов в интегрированных системах управления технологическим оборудованием
ным путем на границе раздела жидкой и газообразной фазы на выходе сопла, и многократного измерения времени прохождения пузырьком определенного участка, расположенного на траектории его подъема, с определением вязкости по косвенным зависимостям и метрологической оценки результатов измерения.
Реализация такого устройства в интегрированных системах управления технологическим оборудованием на базе системы SCADA показана на рис. 1.
Исходное сырье по централизованному трубопроводу подается в дозаторы (на рис. 1 не показано), расположенные на смесительных машинах. PLC - контроллер 3 управляет клапанами 7 и 8, осуществляющими забор образцов в измерительную камеру 10 и компрессором 5 для подачи воздуха в камеру. Газ подается через сопло 6, выходит через сопло 9. Цифровой сигнальный процессор 2 осуществляет обработку информации, полученной от измерительного канала 1, и управляет PLC-контроллерами управления исполнительными устройствами 3 и PLC-контроллером подсистемы сбора данных 4. Информация об исследуемом образце позволяет проводить настройку дозаторов и управлять расходом исходного продукта, попавшего в реактор для смешивания.
Через сопло 6 воздух поступает в цилиндрическую кювету 10, заполненную вязкой жидкостью. На выходе сопла 6 образуется пузырек воздуха, который перемещается вдоль оси цилиндра. Скорость прохождения пузырька в вязкой среде целесообразно контролировать с помощью оптических преобразователей, измеряя время смещения импульсов, поступающих от фотоприемников 12. При движении пузырьки газа в зависимости от скорости уменьшают слой жидкости между источником света 11 и фотоприемником 12. Изменение слоя приводит к образованию импульсов, поступающих на компараторы напряжения в измерительном канале 1.
Моделирование показывает, что в цилиндрической кювете целесообразно располагать несколько контрольных участков, в вершинах которых получают измерительные импульсы. При проведении исследования использовали три участка.
Движение пузырька будет сложным [1]. В начальный момент скорость равна нулю, затем скорость начнет увеличиваться, и пузырек продолжит движение с ускорением. Увеличение скорости приведет к
BRANCH HARDWARE
увеличению силы трения, и замедление роста скорости заставит пузырек двигаться равномерно. По этой причине при проведении экспериментального исследования использовали три контрольных участка, расположенных на траектории движения пузырька-маркера.
Скорость движения пузырька определяется с помощью уравнения
(1)
где п0 = /0/^ - скорость пузырька при равномерном движении; у - параметр, зависящий от физических свойств жидкости и свойств измерительной системы.
По результатам математического моделирования получена формула определения вязкости от времени
(2)
где (р1 - р2) - разность давлений в вершинах контрольных участков; радиус кюветы; í - время прохождения пузырьком всего пути /; ^ - время прохождения отрезка /0.
При разработке предлагаемый метод контроля концентрации оптически прозрачного раствора рассматривался на основании результатов исследования раствора глицерина, применяемого в пузырьковых расходомерах и дозаторах, концентрация которого изменялась от 15 до 100 %.
При многократных (10 измерений в серии) измерениях времени прохождения пузырька с воздухом через водные растворы глицерина разной концентрации были получены экспериментальные данные, точечные оценки результатов измерения приведены в таблице и изображены на рис. 2, 3.
Из рис. 2 и 3 видно, что до концентрации 60 % результаты измерения характеризуются высокими значениями величины СКО. Это связано с турбулентным течением пузырька-маркера. На рис. 3 величина СКО в диапазоне от 15 до 60 % больше, чем в диапазоне от 60 до 100 %. Это говорит о том, что турбулентные колебания влияют на сходимость результатов. В диапазоне от 90 до 100 % физические свойства раствора таковы, что вязкость резко возрастает. Анализ такой функции следует проводить фрагментарно, поэтому регрессионному анализу подвергнем область от 60 до 90 %.
Обработку экспериментальных данных при изучении вязкостно-временной зависимости осуществим по алгоритму, изложенному в [2, 3]. Для этого значения времени в диапазоне от 60 до 90 % пересчитаем по формуле (2), полученные значения динамической вязкости раствора глицерина с разной концентрацией подвергнем регрессионному анализу с учетом операции линеаризации (рис. 4).
Уравнение регрессии после решения системы уравнений по методу наименьших квадратов имеет вид:
h(i) = 0,139944,08738'.
(3)
По результатам исследований разработано устройство контроля реологических параметров оптически прозрачных веществ, алгоритм работы которого приведен на рис. 5.
Таким образом, подтверждена гипотеза о возможности создания интегрированной информационно-измерительной системы динамического контроля концентрации оптически прозрачных растворов (например, раствора глицерина) и ее использования в пищевой промышленности.
220 200 180 '160 140 120 100 80 60 40
1
/
/
/
> г
И и — 5! H pj H и M 1
г
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95100
ТГ%
Рис. 2. Влияние концентрации раствора глицерина на изменение скорости прохождения пузырьком-маркером всех участков с учетом СКО
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95100
V, %
Рис. 3. График сходимости результатов измерения при разных концентрациях раствора глицерина, вы/численный из значения величиныI СКО, % относительно СР
I, мс
Рис. 4. График расчетного уравнения регрессии (А) и экспериментальных точек (Б) зависимости вязкости водны/х растворов глицерина с концентрацией 60-90 %
Влияние концентрации раствора глицерина на изменение скорости перемещения пузырька-маркера
Концентрация растворенного в воде глицерина, %
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
85
90
95
100
Временной интервал, мс
СР СКО СКОСР СР СКО СКОСР СР СКО СКОСР СР
Все СКО СКОСР
1
2
3
64,0 1,115 0,365 70,4 2,951 0,933 72,7 2,359 0,746 69,033 4,343 0,793
68,2 0,919 0,291 78,1 2,514 0,795 78,4 2,675 0,846 74,9 5,261 0,961
62,3 1,889 0,597 69,7 2,214 0,7 68,3 2,541 0,803 66,767 3,91 0,714
67,0 0,667 0,211 81,3 1,947 0,616 73,9 1,449 0,458 74,067 6,102 1,114
66,6 0,699 0,221
79.7 0,483 0,153
73.8 0,632
0,2 73,367 5,48 1,001
66,5 0,527 0,167
71 1,333 0,422 79,7 1,252 0,396 72,4 5,673 1,036
66,3 0,483 0,153 70,9 0,316 0,1 72,3 0,675 0,213 69,833 2,653 0,484
64,0 1,054 0,333 71,5 1,08 0,342 74,3 0,949 0,3
60,7 0,675 0,213 67,1 0,876 0,277 74,0 0,667 0,211
56,3 1,337 0,423 55,3 1,16 0,367 63,7 1,567 0,496
58,4 1,075 0,34 56,9 1,287 0,407 58,0 1,155 0,365
69,933 67,267 4,533 5,57 0,828 1,017
58,433 57,767 4,032 1,305 0,736 0,238
60,0 0,816 0,258 59,3 0,483 0,153 60,8 1,033 0,327 60,033 1,066 0,195
63,6 0,843 0,267 62,9 1,101 0,348 63,9 0,568 0,18 63,467 0,937 0,171
69,6 0,966 0,306 69,6 0,843 0,267 70,0 1,247 0,394 69,733 1,015 0,185
77,2 0,919 0,291 77,7 1,059 0,335 78,7 0,675 0,213 77,8 67 1,074 0,196
90.2 1,135 0,359
90,1 1,449 0,458
92.3 0,675 0,213
90,867 1,502 0,274
142,9 1,663 0,526 147,7 1,418 0,448 151,0 3,496 1,106 147,2 4,089 0,746
205,1 3,635 1,149
209.0 2,981 0,943
214.1 2,767 0,875 209,4 4,825 0,881
Примечания. А - № пройденного участка; Б - оценка результата измерения: СР - среднее арифметическое, СКО - среднее квадратическое отклонение, СКОСР - среднее квадратическое отклонение среднего арифметического.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ОТРАСЛИ
ТЕМА НОМЕРА
Рис. 5. Алгоритм работы системы контроля оптически прозрачных веществ в системах управления технологическим оборудованием:
1 - инициализация переменных и констант;
2 - ожидание начала процесса измерения;
3 - открытие клапанов и забор исследуемого образца; 4 - запуск компрессора, начало барботажа; 5 - получение измерительных сигналов в цифровом виде; 6 - вычисление временных интервалов по алгоритму; 7 - определение интервала времени на участке 1; 8 - определение интервала времени на участке 2; 9 - определение интервала времени на участке 3; 10 - количество временных интервалов соответствует заданному количеству пузырьков; 11 - выключение компрессора; 12 - вычисление СР на всех участках;
13 - вычисление СКО на всех участках;
14 - вычисление значения величины СКО, % относительно СР; 15 - СКО > 3 %; 16 - значение вязкость лежит в диапазоне, недопустимом для измерения, вывод данных на информационный дисплей; 17 - вычисление значения кинематической вязкости по формуле; 18 - вывод значения кинематической вязкости на информационный дисплей
Установлен диапазон концентрации раствора глицерина от 60 до 90 %, который говорит о высокой сходимости предлагаемого метода контроля.
Подтвердились требования, предъявляемые к расчетной функции, связанные с необходимостью учета параметров движения пузырька-маркера. При создании устройств, реализующих предложенный метод, особые требования следует предъявлять к быстродействию канала, измеряющего время прохождения пузырька-маркера, расположению контролирующих преобразователей, алгоритму обработки измерительной информации и ее интерпретации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Савельев, И.В. Курс общей физики/ И.В. Савельев. - М., 1970. - Т. 1.
2. Шишкин, И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством: учеб. для вузов; под ред. Н.С. Соломенко / И.Ф. Шишкин. - М.: Изд-во стандартов, 1990.
3. Бендат, Дж. Прикладной анализ случайных данных; пер. с англ. / Дж. Бендат, А. Пирсол. - М.: Мир, 1989.
УДК 621.867
Конвейеры FastBack® бьют все рекорды
Транспортеры компании Heat and Control типа FastBack® позволяют производителям продуктов воспользоваться всеми преимуществами бережной транспортировки любых продуктов, особенно обсыпанных, панированных продуктов. Heat and Control установил тысячи транспортеров FastBack по всему миру, так как многие предприятия, исходя из производственной необходимости, требуют бережного перемещения продукта, избегая вибрации при транспортировке. Компания Heatand Control сделала революционный прорыв в производстве горизонтальных транспортных систем возвратно-поступательного типа и продолжает улучшать качество и эффективность их работы.
FastBack - идеальный вариант для таких продуктов питания как картофельные чипсы, сухие завтраки с добавками, фруктовые смеси, кондитерские изделия с различными обсыпками, картофель фри и замороженные овощи, снеки, мясо в панировке, а также птице- и морепродукты. Транспортер FastBack - самый высокопроизводительный, бережный и мощный в своем классе и может перемещать более 27 215 кг/ч, при этом уровень производимого шума не превышает 70 дБ. На транспортерах FastBack отсутствует прыгающий эффект, так как продукт движется строго в горизонтальной плоскости, четко попадая на раздаточный стол, что является идеаль-
ным вариантом для подачи на любой мультиголовочный весовой дозатор.
Признаками деликатного горизонтального перемещения FastBack служат значительное сокращение повреждений продукта во время транспортировки, отсутствие проблем перемешивания продуктов, когда более мелкие продукты остаются на дне, а крупные продвигаются вперед. FastBack не имеет регламента сервисного обслуживания, не требует постоянной смазки, гарантия на компоненты привода - 5 лет.
Мы предлагаем производителям, которые хотят сократить потери транспортируемого продукта, затратить минимум средств на обслуживание и обслуживающий персо-
нал, избежать простоя на линии и извлечь дополнительные прибыли, воспользоваться транспортирующими системами типа FastBack.
Д. КОЗЛОВ,проект-менеджер ООО «РУСБАНА инжиниринг»
Официальный представитель компании Heat and Control (www. heatandcontrol. com) на территории России и Украины ООО «<РУСБАНА инжиниринг»: Москва, Ступинский пр-д, д. 1, оф. 108, тел. +7 495 786 96 13, www.rusbana.ru
