CC BY
13
УДК [677.021:533.6]:515.761.
СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КИНЕТИКИ И ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПРОПИТКИ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ВЕСОВЫМ И ЭЛЕКТРОННЫМ МЕТОДОМ
С.Е. Соловьев, Е.Е. Корочкина, Е.С. Константинов
Ивановский государственный политехнический университет
В статье рассматриваются электронная и весовая методики исследования и контроля процесса пропитки волокнистых систем, разработана математическая модель процесса пропитки волокнистых систем и ее аппаратно-программная реализация.
Ключевые слова: методики контроля, математическая модель, электронный метод, весовой метод, аппаратно-программный комплекс, пропитка волокнистых систем.
По итогам исследований процесса пропитки волокнистых систем нами предлагаются две методики определения степени пропитки [1]: электронная и весовая.
Для электронного метода нами разработана математическая модель процесса пропитки волокнистых систем [2], на основе дифференциального уравнения движения влаги в капиллярно - пористом теле [3] - формула (1):
* Ьг ~Т ГА{и} (1)
где г - координата по сечению материала; Я - радиус заготовки (м); и - текущее влагосодержание текстильного материала (г/кг сух. мат.); 1 - время процесса (сек);
di R&r R&r
Б и А - коэффициенты переноса массы (м2/с).
Начальные условия:
Граничные условия:
= О
dU
дгг=*
Для решения этого дифференциального уравнения был применен метод конечных разностей по неявной четырехточечной конечно-разностной схеме. Эта схема отличается быстрой сходимостью и абсолютной устойчивостью. Конечно-разностная аппроксимация уравнения (1) выглядит следующим образом:
„if+i_T[Sf . тг?Г + -_ 6.-+
-=-®Я - - ой')+
2h
rf 7h
Запись П$ означает величину влаго-содержания в узле с номером 1 в момент времени к, N - общее число узлов.
% si?! ^ РЗ^тя),
di
= Pfc "
Sff! '
(3)
(4)
(5)
где ¿0 - длинна капилляра; р0 - атмосферное давление; I - длинна заполненного жидкостью участка капилляра; р -плотность жидкости; ¿г - ускорение силы тяжести; 1} - кинетическая вязкость жидкости; а - угол наклона капилляра к горизонту; г,.^ - радиус каппиляра.
Полученное поле влагосодержаний далее анализировалось оптимизационным методом наискорейшего спуска на каждом временном слое. В качестве экстремума целевой функции принято оптимальное значение коэффициента диффузии Б, на
базе которого определялась степень пропитки волокнистого материала.
Данное решение было использовано для создания аппаратно-программного комплекса определения степени пропитки электронным методом, блок схема которого приведена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема лабораторной установки определения степени пропитки (электронный метод)
Данная установка состоит из следующих элементов: датчика измерения сопротивления при изменении влагосо-держания материала; регулирующего органа; микроконтроллера; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и согласующего устройства для подключения к ПК. Для обработки результатов поступающих с установки создан пакет программ в среде Бе1рЬу, в которых полученное поле влагосодержаний анализировалось оптимизационным методом наискорейшего спуска на каждом временном слое. В качестве экстремума целевой функции принято оптимальное значение коэффициента диффузии Б, на базе которого определялась степень пропитки волокнистого материала.
Электронный метод имеет ряд ограничений:
1. Пропитываемый материал должен иметь однородную структуру;
2. Нежелательно слишком быстрое пропитывание, так как при увеличении
скорости пропитки уменьшается точность измерения;
3. Пропитывающая жидкость должна быть токопроводящей;
4. Минимальное электросопротивление наступает в тот момент, когда волокнистый материал пропитывается насквозь и нет оснований считать, что электросопротивление уменьшиться при заполнении жидкостью пор, в которых находился защемленный воздух.
В этой связи, нами была разработана установка, позволяющая определять степень пропитки наиболее распространенным весовым методом. Данный метод наиболее точен, универсален и находит наибольшее практическое применение.
Реализована принципиальная схема, лабораторный образец установки и методика эксперимента для определения параметров процесса пропитки волокнистых систем с использованием весового метода (рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема лабораторной установки определения степени пропитки (весовой метод)
В состав установки входят:
1 - тензоизмерительный мост;
2 - усилитель;
3 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
4 - микроконтроллер;
5 - жидкокристаллический индикатор (дисплей);
6 - клавиатурная матрица;
7 - устройство сопряжения.
В ходе экспериментов проводились измерения увеличения массы образца ткани, погруженного в пропитывающую жидкость с течением времени, было учтено и противодействие выталкивающей силы. Результаты фиксировали тензомет-рическими весами в реальном времени. Данные измерений, через усилитель поступают в АЦП и передаются на лабораторную установку оперативного контроля, где они записываются в файл.
Экспериментальные данные обрабатываются программой, написанной в среде МайаЬ по следующему алгоритму (6, 7, 8):
= — * 100%, (6)
РТ = а-Р„ (7)
рн=*~(8)
где а - масса рамки + ткань не пропитанные в воде (кг);
Р - вес рамки + ткань пропитанные в воде (кг);
X - масса рамки в воздухе (кг);
У - все рамки в воде (кг);
Ъ - масса ткани на воздухе.
Поддерживающая (выталкивающая) сила рамки Ы=Х-У (Н),
¡3- - масса рамки + ткань пропитанные в воде (кг),
РЛ = /?г ЕПН - масса рамки + ткань пропитанные в воде в конечный момент времени (кг).
После расчета определяется степень пропитки, и информация выводится в цифровом виде, в виде графика зависимости оПЕ- = АСУ, на экран ПК для оператора (рис. 3).
Нами были проведены эксперименты по определению степени пропитки для сурового материала без интенсифицирующего воздействия с использованием описанной выше методики. Для проверки адекватности проведенных экспериментов была получена кривая кинетики пропитки классическим методом без интенсификации процесса. Расхождение результатов составило не более 5%.
Рис. 3. Результат работы программы обработки экспериментальных данных полученных
весовым методом
/40 4/0 000 Г? 00 1К 00 / 400 1000 Л000 4? 00 4К 00 ^400 0000 0000 7? 00
1 (сек)
1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 6600
Эксприментальные значения без интенсификации полученные весовым методом
Экспериментальн ые
значение без
интенсификации,
полученное
электронным
методом
Кл асс ич ее ки й с пособ, без интенсификации
Рис. 4. График оценки степени пропитки волокнистых материалов «Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение» №2 (34) 2013
График оценки степени пропитки волокнистых материалов с использованием электронного и весового методов, а также кривая кинетики пропитки, полученная классическим способом, представлены на рис. 4.
Таким образом, предлагаемые комплексы могут быть использованы для создания электронного банка данных кинетических зависимостей степени пропитки от времени для различных волокнистых систем, а также для работы в от-
раслевых лабораториях при предприятиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Герасимов М.Н. Пропитка тканей: теория процесса, технология, оборудование. Иваново: Иван, гос. текстил. акад., 2002 - 175 с.
2. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М-Д: Госэнергоиздат, 1963 г., 536 с.
3. Ершов C.B., Калинин E.H. Синтез ячеечной модели массообмена в процессе обезвоживания волокнистого материала распределенным давлением// Известия вузов. Технология текстильной промышленности, - 2011, №6, с. 118-121.
Рукопись поступила в редакцию 22.03.13.
CONTROL SYSTEMS OF KINETICS AND PARAMETERS OF FIBROUS MATERIALS' IMPREGNATION PROCESS BY MEANS OF WEIGHT AND ELECTRONIC METHODS
S. Solovyev, E. Korochkina, E. Konstantinov
In the article electronic and weight methodologies of research and control of fibrous systems' impregnation process are researched, mathematical model of fibrous systems' impregnation process and its hardware and software implementation are worked out.
Key words: control methods, mathematical model, electronic method, weight method, hardware and software complex, fibrous systems' impregnation process.
