CC BY
21УДК 66.028-531.3
А.А. Пешехонов1, Р.В. Зайцев2
МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИМПУЛЬСНЫХ ОБЪЕМНЫХ ДОЗАТОРОВ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Санкт-Петербург, Московский пр. 26
Рассматриваются вопросы метрологической оценки объемных дозаторов дискретного действия для сыпучих материалов. Уточняется содержание термина «дозатор». На основании требований Государственных стандартов на объемные дозаторы жидкостей и весовые дозаторы сыпучих материалов предложен перечень метрологических характеристик для импульсных объемных дозаторов сыпучих. Выполнен анализ источников погрешности дозирования и приведены результаты экспериментального определения этой погрешности.
Ключевые слова: сыпучие материалы, объемное дозирование, дискретные дозаторы, метрологические характеристики.
Практическое осуществление эффективного управления промышленными технологическими процессами невозможно без обеспечения адекватной современному уровню технологии управления физической реализации управляющих воздействий. Системами, обеспечивающими преобразование управляющих сигналов в требуемое изменение количества поступающего в объект управления вещества, являются, в частности, автоматические дозаторы сыпучих материалов. В химической промышленности управляемая подача сыпучих компонентов и катализаторов в технологические аппараты характерна для процессов измельчения, растворения, сушки, адсорбции, каталитического крекинга и многих других. При этом обеспечение необходимой точности отмеривания количества вещества, подаваемого в объекты управления, невозможно без строгого соблюдения ограничений, определяемых стандартами на метрологические характеристики систем дозирования.
К определению понятия «дозатор»
В общетехнической и научной литературе дозатор чаще всего определяется как устройство для автоматического отмеривания (дозирования) заданных массы или объёма жидких или сыпучих материалов. [1-3 и др.]. Данное определение нельзя считать достаточно полным, поскольку оно не до конца отвечает сути процессов, происходящих в ходе дозирования, что можно обосновать следующими фактами.
1. Термин «отмеривание» не подразумевает выдачу. Вместе с тем данная функция является неотъемлемой для дозаторов, и во многом определяет их метрологические характеристики.
2. В приведенном выше определении не упомянуты метрологические характеристики дозаторов, хотя именно высокий уровень метрологического обеспечения отличает дозаторы от питателей и других исполнительных устройств, применяемых в промышленных технологиях и лабораторных исследованиях для обеспечения выдачи заданного количества веществ.
3. При этом очевидно, следует учитывать, за счет чего достигаются соответствующие понятию «дозирование» высокие метрологические показатели. В большинстве
систем дозирования, в пределах выдачи дозы, применяется обратная связь по количеству дозируемого вещества, в отличие от питателей, где используется обратная связь по косвенному, связанному с расходом, параметру.
4. В большинстве случаев дозатор, в частности автоматический, содержит блок управления и привод, а для отмеривания и выдачи вещества могут использоваться различные исполнительные устройства. Таким образом, дозатор, в общем случае, правильнее было бы определить как систему или агрегат, но не как устройство.
5. Дозаторы далеко не всегда реализуются как автоматические системы, поскольку в промышленном производстве и, тем более, в лабораторных исследованиях применяются полуавтоматические дозаторы [4].
В связи с изложенным, ниже предлагается придерживаться следующей трактовки понятия «дозатор».
Дозатор - система, предназначенная для отмеривания и выдачи заданного количества вещества непрерывно или в виде порций (доз) с погрешностью, соответствующей установленному классу точности. При этом точность обеспечивается за счет искусственной или естественной отрицательной обратной связи по количеству дозируемого вещества.
Последний признак определяет принципиальное отличие дозаторов от питателей, в которых количество вещества непосредственно по той или иной причине замерить невозможно. В питателях параметром обратной связи служит какая-либо косвенная величина, коррелированная с расходом вещества, например, скорость или число оборотов привода рабочего органа.
Приведенное выше определение позволяет более полно обозначить круг задач, которые необходимо решить для обоснованной разработки систем автоматического дозирования с заданными метрологическими характеристиками. Термины «искусственная» (или «явная»), и «естественная» (или «скрытая»), по отношению к отрицательной обратной связи, призваны отразить, соответственно, наличие или отсутствие датчика количества вещества и технических элементов, связывающих его с задающим сигналом. Для уточнения сравним весовой дозатор с объемным. Весовые дозаторы жидкостей и сыпучих материалов снабжены датчиком веса, выходной
1 Пешехонов Алексей Анатольевич, канд. техн. наук, доцент каф. автоматизации процессов химической промышленности, e-mail: alanpeshekhonov@mail.ru
2 Зайцев Роман Владимирович, канд. техн. наук, ассистент каф. автоматизации процессов химической промышленности, e-mail: bsrussite@yandex.ru
Дата поступления - 14 марта 2014 года
сигнал которого сравнивается с заданным. При достижении нулевого рассогласования загрузка прекращается, и по внешней команде осуществляется выдача дозы. Датчиком обратной связи, например, датчиком уровня, отградуированным в единицах объема, может быть снабжен и объемный дозатор жидкостей. В перечисленных системах дозирования обратная связь реализуется при помощи специально сформированной цепи обратной связи. В импульсных объемных дозаторах жидкости [5] отмеривание количества жидкости по объему производится с помощью мерной емкости. Емкость заполняется жидкостью под действием силы тяжести или внешнего напора, а затем выдается в объект, в который осуществляется дозирование. Аналогичные по сути процессы происходят в объемном частотно-импульсном дозаторе сыпучих материалов с фиксированной скоростью выдачи материала (ДФС) [6]. В последних двух примерах искусственная цепь обратной связи отсутствует. При отмеривании количества вещества происходит естественное сравнение объемов мерной камеры и загружаемой субстанции. Отсутствие элементов цепи обратной связи позволяет говорить о большей надежности таких дозаторов.
Дозатор как измерительный преобразователь
Дозатор какого-либо вещества в общем случае является многофункциональным устройством. Исходя из определения, приведенного выше, обязательными и основными функциями любого дозатора является отмеривание и выдача заданного количества вещества. Однако цели, с которыми эти операции производятся, зависят от конкретной области применения. Основная функция дозатора заключается в преобразовании управляющего сигнала контроллера в заданное количество материала, подаваемого в технологический аппарат с целью управления происходящими в нем процессами. Если подача осуществляется в течение заданного отрезка времени, выходным параметром дозатора является расход. В этих случаях дозатор выполняет функции исполнительного устройства автоматической системы регулирования или управления. Отмеривание с определенной степенью точности заданного количества вещества необходимо также для подготовки проб в системах аналитического контроля. Широко применяются системы автоматического дозирования для расфасовки жидких и сыпучих продуктов. Кроме того, дозатор, независимо от принципа действия, параллельно с выполнением основной функции, может служить в качестве средства измерения текущего значения количества, расхода или интегрального количества вещества.
Во всех перечисленных вариантах применения дозатор должен отвечать требованиям метрологии в отношении единиц и точности преобразования входной величины (задания) в выходную (количество или расход), надежности и воспроизводимости результатов [7] и, таким образом, должен рассматриваться как измерительный преобразователь (ИП) [8]. ИП представляет собой средство преобразования информации, и этому требованию дозаторы (как непрерывного, так и дискретного) действия, отвечают, поскольку информацию об отмеренном количестве вещества можно получить по данным системы управления процессом дозирования. Следует отметить также, что поверку дозаторов предписывается проводить в соответствии с Правилам по метрологии ПР 50.2.009-94 «ГСИ. Порядок испытаний и утверждения типа средств измерений» [9], т. е. стандарт требует рассматривать дозаторы как средства измерения количества вещества. Вместе с тем, второй функцией дозатора является выдача заданного количества вещества, что существенно отличает его от ИП в общепринятом понимании. Рассматривая вопросы обеспечения требований точности, надежности и воспроизводимости в отношении дозаторов, следует, в первую очередь использовать эти понятия применительно к выдаваемому количеству вещества. Последнее усло-
вие делает задачу метрологического обеспечения систем дозирования существенно нетривиальной. Проблема усугубляется еще и тем, что нормативные документы, положения которых можно было бы применить для формирования метрологических характеристик именно объемного дозатора сыпучих материалов, отсутствуют.
В настоящее время на территории РФ действуют ГОСТ 10223-97 на весовые дискретные дозаторы жидких и сыпучих материалов [10] и ГОСТ 4.158-85 на объемные дозаторы жидкостей и газов [11]. В качестве метрологических характеристик объемных дозаторов непрерывного действия для жидкостей и газов в ГОСТ 4.158-85 приводятся:
- пределы допускаемой основной погрешности;
- дополнительные погрешности от влияния внешних факторов;
- пределы измерения;
- порог чувствительности;
- эксплуатационный расход;
- переходный расход;
- номинальная статическая характеристика;
- минимальный, номинальный и максимальный расходы.
Для дискретных весовых дозаторов сыпучих материалов стандарт определяет значения допускаемых предельных отклонений действительных значений массы дозы от средних ее значений при различных номинальных значениях величины дозы. Классы точности весовых дискретных дозаторов жидких и сыпучих материалов по [10] составляют ряд 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; 4,0. По мнению многих разработчиков, эти требования слишком высоки [12]. Например, для дозатора с классом точности 1,0, отклонение по массе для доз в пределах от 0,5 до 1,0 кг в процессе эксплуатации не должно превышать 15 г. Под действительным значением массы дозы имеется в виду значение, определенное с погрешностью, случайная составляющая которой не превышает 0,4 от значения, указанного в ГОСТе, а систематическая - 0,4 от половины этого значения. Т. о., действительное значение определяется при помощи средств измерения, класс точности которых не менее 0,4x0,5 = 0,2 заявляемого класса точности дозатора, и в условиях, когда случайная погрешность составляет (в приведенном выше примере) не более 0,4x7,5 = 3 г. Среднее значение массы дозы до 25 кг в соответствии с цитируемым стандартом -это среднее 32 значений, а номинальное значение массы дозы - это значение, установленное задатчиком дозатора. Пределы допускаемого отклонения указанного среднего значения величины дозы от ее номинального значения не должны превышать половины допускаемого предельного отклонения действительного значения от среднего. В приведенном выше примере это отклонение должно составлять не более 3,5 г.
Процесс весового дозирования состоит из четырех стадий: измерение веса до набора дозы, собственно набор материала до заданного значения веса, фиксация действительного значения веса дозы и ее выдача. Ряд дополнительных погрешностей появляется, в основном, при наборе дозы. К источникам таких погрешностей для весового дозатора относятся различного рода динамические явления: запаздывания в перемещении материала, задержки срабатывания измерительных и исполнительных систем, неравномерность поступления материала и выдачи его питателями, внешние силовые, в основном, вибрационные, воздействия на весоизмерительный блок. Большинство перечисленных явлений имеет случайный характер.
Для объемного дозатора фаза фиксации результата набора дозы отсутствует. Этап отмеривания дозы включает в себя также и определение количества дозируемого вещества. Эти особенности позволяют в случае объемного дозирования исключить определенную часть источников погрешностей.
На основании анализа материалов [10] и [11], сформирован перечень метрологических характеристик,
которые должны быть определены применительно к объемным системам автоматического дозирования (САД) дискретного действия для сыпучих материалов:
- ряд номинальных значений дозы, от минимального до максимального, устанавливаемых задатчиком дозатора;
- допускаемое предельное отклонение действительных значений величины дозы от среднего значения для ряда номинальных значений доз;
- дополнительные погрешности от влияния внешних факторов;
- переходный объем дозы (при необходимости).
Учитывая свойства, особенности и параметры
САД сыпучих материалов на базе импульсных (дискретных) объемных дозаторов сыпучих материалов, ориентируясь на требования упомянутых выше стандартов, в качестве основной метрологической характеристики ДФС далее рассматривается предельное отклонение величины дозы от ее среднего значения.
Конечной целью исследований в рассматриваемой области является достоверная оценка достижимой величины класса точности САД на базе ДФС.
Принцип действия и основные параметры частотно-импульсного дозатора сыпучих материалов
Частотно-импульсный дозатор сыпучих материалов с фиксированной скоростью выдачи материала (ДФС) предназначен для отмеривания и выдачи в технологические аппараты или тару заданных постоянных доз какого-либо вещества, обладающего достаточной сыпучестью. В основе процесса дозирования лежит объемный принцип отмеривания количества вещества, а выдача доз осуществляется за счет напора газового потока.
На рисунке 1 представлены принципиальная схема дозатора (1а) и циклограмма (1б), иллюстрирующая последовательность изменения (цифры у стрелок от 1 до 8) параметров дозатора при выдаче единичной дозы и заполнении мерной камеры.
При подаче внешнего командного сигнала на выдачу единичной дозы, в камеру («мерную емкость») питателя подается газ (линия последовательности событий (лпс) 1).
Последнее выключает вентилятор (лпс 8). Система готова к выдаче очередной дозы. Объем дозы регулируется перемещением загрузочного материалопровода вдоль вертикальной оси. Минимальная и максимальная границы по объему дозы должны быть установлены в технических условиях на дозатор конкретного типоразмера. Для данных параметров камеры дозатора и транспортного ствола минимальная и максимальная величины объема дозы зависят от угла естественного откоса материала и диапазона возможного перемещения выходного среза загрузочного материалопровода.
Вертикальное перемещение транспортного ствола позволяет добиться минимального сопротивления при входе в него двухфазной смеси.
Переходные процессы при выдаче дозы показаны на рисунке 2. Представлены результаты обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании дозатора при объеме дозы 0,9-10-4 м3.
Рисунок 2. Изменение параметров дозатора при выдаче единичной дозы. ивент - напряжение электрического питания вентилятора;
Рс - давление в камере на входе в транспортный ствол; Qм - объемный расход твердого материала; V0 - объем единичной дозы материала; т1 и т2 - запаздывания.
Объем единичной дозы
(1)
В (1) за начало отсчета (нулевой момент времени) принят момент начала выдачи дозы. При достаточно высоких скоростях выдачи материала переходные процессы в ДФС заканчиваются пренебрежимо быстро по сравнению с длительностью выдачи дозы. В таких случаях изменение расхода при выдаче единичной дозы с определенной степенью точности может рассматриваться как прямоугольный импульс и тогда
(2)
Рисунок 1. Схема (а) и циклограмма работы (б) импульсного пневматического дозатора сыпучих материалов с фиксированной скоростью выдачи дозы
Амплитуда импульса мгновенного расхода Qмн может быть выбрана близкой к оптимальной по величине удельных затрат газа на перемещение единицы массы материала [13]. Величина амплитуды мгновенного расхода материала может быть установлена также по заданной (допустимой) амплитуде реакции объекта подачи материала на поступление дозы, или выбрана из условий оптимального быстродействия.
В результате давление в камере увеличивается (лпс 2) до величины срабатывания датчика-реле давления (лпс 3). Повышение давления, в то же время, инициирует выдачу дозы Vo (лпс 4). После выдачи дозы давление в камере падает (лпс 5), что приводит к ее заполнению (лпс 6), а также к срабатыванию реле давления (лпс 7).
Анализ основных источников и оценка погрешности дозирования.
Предварительное условие дальнейшего анализа состоит в том, что рассматриваются возмущения, не выводящие дозатор за пределы регламентного функционирования. Последнее чаще всего может быть нарушено из-за того, что емкость дозатора при заданной частоте выдачи доз не успевает заполниться, или дозатор не успевает выдать дозу.
В качестве источников случайной составляющей погрешности выдачи дозы ДФС, очевидно, следует рассматривать
Вариации параметров материала, от которых зависит угол естественного откоса и сыпучесть (влажность, гранулометрический состав, форма частиц, электростатический потенциал и др.).
Вариации параметров окружающей среды и несущего воздуха: температуры и влажности (проявляются как в п.1).
Механические воздействия на мерную емкость (встряхивания и вибрации), изменяющие насыпную плотность материала.
К основным источникам систематической погрешности следует отнести
Характеристику приборов, определяющих работу дозатора.
Методическую составляющую.
Методическая составляющая систематической погрешности определяется алгоритмом работы устройства, с помощью которого реализуется процесс дозирования. Анализ процессов, происходящих в дозаторе, позволяет оценить влияние ряда возмущающих факторов на выходной расход и предложить способы их устранения или минимизации. Циклограмма, представленная на рисунке 1б, соответствует несколько идеализированному описанию процесса дозирования, поскольку не учитывает все параметры аппаратуры и действующих фаз. Более подробно процессы, происходящие в ДФС при выдаче и наборе доз можно пояснить циклограммой, представленной на рисунке 3.
После выдачи дозы давление в емкости падает (лпс 1) до величины срабатывания реле (лпс 2, время срабатывания реле), отключающего вентилятор (лпс 3). Давление продолжает падать, и, при достижении определенного значения давления в камере, меньшего Рзмп начинается заполнение емкости новой порцией материала (лпс 4). Время срабатывания реле и время торможения вентилятора известны заранее, в отличие от промежуточной величины - момента начала загрузки. Это время может быть определено экспериментально или теоретически, но в последнем случае - с большой вероятностью существенной погрешности. После того, как емкость загружена, может быть подан сигнал на выдачу следующей дозы. Однако, чтобы избежать неопределенности в состоянии дозатора, могущей привести к недогрузке емкости, после заполнения необходимо выдержать принудительную паузу. После подачи командного сигнала (лпс 5), по мере разгона вентилятора (лпс 6) давление в емкости нарастает, и, с некоторого момента, начинается унос материала (лпс 7). Вентилятор достигает номинальной производительности через промежуток времени пуска. Запаздывание и, как следствие, не одновременное срабатывание технических средств, приводят к появлению погрешности дозирования. Погрешности проявляются в виде неконтролируемой подачи частиц материала при нарастании и сбросе давления в камере. При нарастании давления сначала происходит унос мелкой фракции, и одновременное дозаполнение камеры вплоть до полного запирания ЗМП, т. е. объем дозы неконтролируемо изменяется. При сбросе давления материал из ЗМП начинает поступать в камеру, но расход воздуха еще достаточен для уноса, и выдача материала некоторое время еще продолжается. Изложенное позволяет сделать вывод о том, что методическая погрешность возникает вследствие неконтролируемых проскоков материала при заполнении мерной емкости и выдаче дозы. Проскок, в свою очередь, определяется наличием переменного запаздывания в срабатывании элементов системы. Величина такой внутренней погрешности может быть снижена путем соответствующего выбора параметров автоматического дозатора.
Основное внешнее неконтролируемое влияние на точность объемного отмеривания дозы при заполнении камеры оказывают изменения гранулометрического состава и влажности материала (изменяется угол естественного откоса материала). Эти источники погрешности возникают случайным образом, и оценить их величину системно достаточно сложно.
Был проведен эксперимент по оценке пределов основной погрешности величины выданной единичной дозы весовым методом. После обработки результатов в соответствии с требованиями стандарта [14], погрешность составила ± (0,9%). Эксперимент проводился с гранулами сухого органического вещества плотностью 1100 кг/м3, с диаметром гранул dM = (2 ± 0,1)-10-3 м. Средняя величина массы дозы составила 1,28 кг. Разброс результатов можно отнести, в основном, на счет влияния случайной составляющей погрешности. В целом, однако, количество материала отмерено с достаточной для большинства промышленных технологий точностью.
Литература
1. Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка (онлайн версия).URL: www.classes.ru/all-russian/russian-dictionary-Ozhegov-term-7245.htm (дата обращения: 27.02.14)
2. Карпин Е.Б. Расчет и конструирование весоизмерительных механизмов и дозаторов. М.: Машиностроение, 1963. 524 с.
3. Большой энциклопедический политехнический словарь. Дозатор. URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ polytechnic/2801. (дата обращения: 22.02.14).
4. Ян Пинкава. Лабораторная техника непрерывных технологических процессов. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 491 с.
5. Соколов М.В., Гуревич А.Л. Автоматическое дозирование жидких сред. Л.: Химия, 1987. 481 с.
6. Способ объемного дозирования сыпучих материалов и устройство для его осуществления: пат. 2503932 Рос. Федерация. № 2011151939/28; заявл. 19.12.11; опубл. 10.01.14. Бюл. №1. 9 с.
7. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1983. 424 с.
8. РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.
9. Правила по метрологии ПР 50.2.009-94 «ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерений».
10. ГОСТ 10223-97. Дозаторы весовые дискретные жидких и сыпучих материалов. М.: изд-во стандартов,
1998. 4 с.
11. ГОСТ 4.158 - 85. Счетчики, дозаторы и расходомеры скоростные, объемные для жидкостей и газов. М.: изд-во стандартов, 1985. 8 с.
12. Зяблицев В., Починчук Н., Пахоменко А. Новый стандарт на дозаторы: новые проблемы. // Комбикорма. 2000. №7.URL: «Библиотека » http://www.elticon.ru/ (дата обращения: 12.02.14).
13. Пешехонов А.А., Зайцев Р.В. Импульсное автоматическое управление с регулируемой подачей сыпучих материалов в непрерывных технологических процессах // «Известия» СПбГТИ(ТУ). 2001. №12(38). С. 75-79.
14. ГОСТ Р 8.736-2011. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. М.: Стандартинформ, 2013. 24 с.
