CC BY
22
УДК 531.75.08
ПНЕВМОДИНАМИЧЕСКИЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ УДЕЛЬНОГО ОБЪЕМА ВЕЩЕСТВ С ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПОДАЧЕЙ ГАЗА Д.М. Мордасов, М.М. Мордасов
Кафедра “Автоматизированные системы и приборы ”, ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором С.В. Мищенко
Ключевые слова и фразы: пневмодинамический метод; пульсирующая подача газа; сыпучий материал; удельный объем.
Аннотация: Предложен пневмодинамический метод контроля удельного объема, обладающий повышенной точностью, в котором за счет пульсирующей подачи газа в измерительную емкость устранено влияние неконтролируемых величин (температуры газа и проводимости входного дросселя) на результат измерения. Дано описание конструкции и принципа действия устройства, реализующего разработанный метод. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований.
Обозначения
Ог - массовый расход газа, кг/с;
О - расход газа в измерительную емкость, кг/с;
к - коэффициент пропорциональности,
(м-с2)-1;
тм - масса сыпучего материала, кг;
М - масса газа, кг; п - число импульсов;
Рь Р2 - начальное и конечное давления, Па;
Рп1, Рп2 - давления большого и малого подпора, Па;
Измерение удельного объема им наиболее актуально для сыпучих, волокнистых, пористых материалов и изделий сложной конфигурации, когда их объем не может быть определен путем измерения линейных размеров. Для контроля удельного объема наиболее точным является абсолютный метод, согласно которому осуществляют раздельное измерение объема и массы вещества с последующим делением полученных значений.
Анализ методов контроля удельного объема твердой фазы гетерогенных систем позволяет сделать вывод, что наиболее универсальными, а также предпочтительными при контроле материалов, не допускающих смачивания, являются пневматические методы.
В известном пневмодинамическом методе измерения удельного объема [1] в заполненную сыпучим материалом измерительную емкость известного объема У0 подают газ с постоянным массовым расходом Ог пропорциональным массе тм сыпучего материала. Постоянство расхода газа обеспечивается за счет поддержа-
Рпит - давление питания, Па;
р Дж
Я - газовая постоянная,-------;
кг - К
Т - абсолютная температура, К;
Ум - объем частиц сыпучего материала, м3; У0 - объем измерительной емкости, м3;
Р - проводимость дросселя, м-с.
АРс - перепад давления, Па; им - удельный объем, м3/кг.
ния перепада давления АРс на пневматическом сопротивлении с проводимостью Р, пропорциональной массе тм, и равным Ар, = ктм, так как при этом Ог = РАРс = рктм . Об удельном объеме материала судят по времени /12 изменения давления в измерительной емкости на заданную величину АР = Р2 - Р1. Расчетная зависимость, положенная в основу такого метода, имеет вид
, V) ■ (р2 - Р) V, ■ (р2 - Р1)
4 2 =------------------------,
12 ЯГктмв ЛТктмР
или
Vo ■(Р2 -Р) (Р2 -Р) к2 =-^-2------ - —----- ■ им . (1)
12 ЯГктмв ЯТкв
Из уравнения (1) видно, что на точность измерения удельного объема существенное влияние оказывают неконтролируемые величины Т и р.
В статье предложен пневмодинамический метод контроля удельного объема, обладающий повышенной точностью, в котором устранено влияние неконтролируемых величин Т и р на результат измерения путем пульсирующей подачи газа в измерительную емкость. Пульсирующая подача газа в измерительную емкость может быть осуществлена с помощью пульсирующего линейного пневматического сопротивления [2, 3].
На рис. 1 представлена схема устройства для реализации метода измерения удельного объема сыпучих материалов, использующая пульсирующую подачу газа в процессе измерения.
В измерительную емкость 1 помещается контролируемый материал. Емкость 1 подключена к выходу (к камере В4) пульсирующего пневматического сопротивления 4 (элемент УСЭППА типа П-1828). Выход пневмоповторителя со сдвигом 12 (П2П.2) подключен к камере Г4 сопротивления 4, в которую через постоянный пневматический дроссель (П2Д.4) подано давление питания Рпит = (1,400 ± 0,014) х х 105 Па. Камера Е4 соединена с камерой Б4 сопротивления 4 и подключена к генератору импульсов 10, счетчику импульсов 9 и пневматическому переключателю 8. В камеру А4 сопротивления 4 подано давление большего подпора Рп1 = 0,7-Рпит! в камеру Д4 - меньшего подпора Рп2 = 0,3 К измерительной емкости 1 подключен манометр 2. Камера 5 между соплами 6 и 7 пневматического пульсирующего сопротивления 4 соединена с емкостью 3 переменного объема. Давление на выходе повторителя со сдвигом 12 измеряется манометром 11.
Рис. 1 Схема устройства для реализации метода измерения удельного объема сыпучего материала с пульсирующей подачей газа
В начальный момент времени г0 на выходе генератора импульсов 10 давление Р10=0, здесь нулю соответствует значение давления равное атмосферному.
Под действием подпора, поданного в камеру А4, мембранный блок нижней части сопротивления 4 занимает положение, при котором сопло 7 закрывается. Под действием подпора в камере Д4 сопло 6 открыто и емкость 3 оказывается присоединенной через камеру Г4 к выходу повторителя со сдвигом 12. В измерительную емкость 1 не поступает газ с выхода пульсирующего сопротивления 4, при этом происходит заполнение емкости 3 газом, масса которого
У3
М = -^-Р12 . (2)
ЯТ
При поступлении с выхода источника импульсов давления Р10 = 1, здесь единице соответствует давление в пределах 0,08 МПа до 0,14 МПа, сопло 7 открывается, а сопло 6 закрывается. В измерительную емкость 1 из емкости 3 (при Р] <Р12) поступит масса газа
АМ = ЯТ(12 - Р1). (3)
Если каждый из пневмоконтактов замкнется п раз, то с выхода повторителя
со сдвигом 12 в измерительную емкость 1 поступит масса газа
М- = пАМ = ЯП (Р12 - Р1) . (4)
Уравнение (4) с учетом того, что Р12 = Р\ + АРп, где АРп = ктм - смещение вы-
ходного сигнала повторителя со сдвигом 12, примет вид
¥3п
Мс = — ■ ктм . (5)
ЯТ
Продифференцируем равенство (5) по времени, после чего получим
йМс ¥3 йп
---- = О = -^----ктм . (6)
йг ят йг
Измерительная емкость 1 с пневматическим пульсирующим сопротивлением 4 представляют собой апериодическое звено.
Изменение давления в емкости 1 во времени происходит в результате заполнения ее газом с расходом
О = А¥ ■ ёР1, (7)
ятйг
где А¥= ¥1 - ¥м.
Приравнивая расходы из (6) и (7), получим
А¥ йР1 . (8)
— ■— = кшм . (8)
¥3 йп
Если изменять давление Р1 в емкости 1 на заданную величину АР1 = Р1к + Р1н путем импульсной подачи газа, то количество поданных доз Ап будет определяться удельным объемом материала
АР,А¥ АР,¥, АР
Ап =—1-----=-------—-----1 ■им
¥3ктм ¥3ктм ¥3к
или
¥ V АР
им = — -АН- ■Ап . (9)
тм АР1тм
Уравнение (9) является статической характеристикой устройства, реализующего метод измерения удельного объема материалов. Необходимым условием реализации такого метода является наличие информации о массе контролируемого материала.
Информация об удельном объеме на выходе устройства, реализующего предложенный метод, формируется в числоимпульсной форме.
Для реализации предложенного метода измерения необходимо:
- сформировать пробу контролируемого вещества массой тм в количестве, не превышающем объем измерительной емкости;
- заполнить, используя свободную насыпку, контролируемым материалом измерительную емкость 1 ;
- установить на выходе повторителя со сдвигом 12 с помощью настроечного элемента давление АРп = ктм при Р1 = Ратм;
- осуществляют запуск устройства, для чего переключателем 8 отключают генератор импульсов 10 и счетчик импульсов 9 от атмосферы;
- определяют количество импульсов, в результате подачи которых давление Р1 в измерительной емкости 1 изменится на заданную величину АР1= Р1к +Р1н, по которому судят об удельном объеме твердой фазы гетерогенных систем.
Разработанное устройство для измерения удельного объема материалов прошло экспериментальную проверку. В результате аппроксимации опытных данных в диапазоне изменения удельного объема веществ им = [1,30 -г- 6,85] ■ 10-4 м3/кг полиномом первой степени, получено выражение
им = (12,73 - 0,002-Ап)-10-4 , м3/кг.
Модуль наибольшего отклонения полинома от функции - 0,06 ■ 10-4 м3/кг. Относительная погрешность аппроксимации - 0,05 %. Средняя квадратичная погрешность аппроксимации - 0,05 ■ 10-4 м3/кг.
При испытаниях также выявлены основные метрологические характеристики устройства. Чувствительность выражается величиной 5,6 ■ 106 имп/(м3-кг); основная приведенная погрешность 3,0 %; воспроизводимость результатов анализа составляет 1,0 %.
Рассмотренный метод может быть использован для измерения удельного объема пористых, сыпучих и волокнистых материалов. При контроле высокодисперсного сыпучего материала на него практически не оказывается аэродинамическое воздействие, способное вызвать пыление. Экспериментальная проверка показала, что гидравлическое сопротивление слоя контролируемого материала, нижний предел размеров частиц которого 0,01 мм, не оказывает влияние на выходной сигнал.
Представление выходного сигнала в числоимпульсной форме позволяет с достаточной точностью проводить измерения. Рассмотренный метод прост в реализации, надежен и может быть легко автоматизирован.
Список литературы
1. Патент №2162596 РФ. Способ измерения плотности/ Мордасов Д.М., Мордасов М.М., Булгаков Н.А.// Открытия. Изобретения. - 2001, № 3.
2. Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. - М.: Машиностроение, 1973. - 360 с.
3. Ибрагимов И.А., Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Элементы и системы пневмоавтоматики. 2-е изд. перераб. и дополн. - М.: Высшая школа, 1985. - 544 с.
Pneumo-dynamic Non-destructive Control of Specific Volume of Substances with Pulse Gas Feeding
D.M. Mordasov, M.M. Mordasov
Department “Automated Systems and Devices ", TSTU
Key words and phrases: loose materials; pneumatic method; pulse gas feeding; specific volume.
Abstract: Pneumatic method of specific volume control possessing high accuracy is suggested. Due to pulse gas feeding in measuring capacitance the influence of non-controlled quantities (gas temperature and input throttle conductivity) on the result of measurement is eliminated. The description of design and the device working principle, realizing the developed method is considered. The results of theoretical and experimental research are given.
Pneumodynamische nicht zerstorende Kontrolle des spezifischen Umfanges der Stoffe mit der pulsierenden Gasabgabe
Zusammenfassung: Es ist die pneumodynamische uber die erh6hte Genauigkeit verfugte Methode der Kontrolle des spezifischen Umfanges angeboten, wo der Einfluss der unkontrollierbaren Graften (der Temperaturen des Gases und der Leitungsfahigkeit der Eingangsdrossel) auf das Ergebnis der Messung mit Hilfe der pulsierenden Gasabgabe in den Messraum entfernt ist. Es ist die Beschreibung der Konstruktion und des Arbeitsprinzips der Einrichtung gegeben. Es sind die Ergebnisse der theoretischen und experimentellen Untersuchungen angefuhrt.
Controle pneumodynamique non destructif du volume specifique de la substance avec le debi pulse du gaz
Resume: La methode pneumodynamique avec une exactitude elevee est proposee pour le controle du volume specifique. Le debi pulse du gaz dans la cavite de mesure permet d’eliminer l’influence des grandeurs non controlees (temperature du gaz et conductibilite du papillon d’entree) sur le resultat de la mesure. On a donne la description de la construction et du principe de l’action du dispositif qui realise la methode elaboree. On a cite les resultats des etudes theoriques experimentales.
