Струйно-акустический метод контроля концентрации газовой фазы и плотности частиц в слое сыпучего материала

До 80% веществ используемых и производимых в различных отраслях промышленности являются сыпучими, то есть представляющими собой совокупность большого количества твердых частиц, пространство между которыми заполнено газом. Одним из основных свойств таких веществ, наиболее полно отражающим состояние, является плотность.

Весьма заметна роль измерения плотности в организации системы количественного учета (по массе) веществ при их приемке, хранении и отпуске.

Научные основы измерения плотности различных веществ были заложены в трудах Д. И. Менделеева, А. Н. Доброхотова, Н. С. Михельсона, И. К. Турубинера, М. Д. Иппица, С. С. Кивилиса, И. П. Глыбина и др. Измерение плотности сыпучих материалов является более сложной задачей, чем измерение плотности жидких и газообразных веществ. Большой вклад в решение проблемы измерения плотности сыпучих материалов внесли ученые С. И. Вольфкович, Н. Е. Пестов, С. Н. Торопин, Е. И. Андрианов, П. А. Коузов и др.

Проблема создания новых методов контроля плотности сыпучих материалов связана с необходимостью получения оперативной информации о ходе технологического процесса, о качестве и количестве сырья, продуктов и полупродуктов.

Для определения плотности сыпучих материалов большое распространение получил метод поэтапного измерения объема и массы. Операция измерения массы материала не вызывает трудностей, тогда как вопросы измерения объема сыпучего материала исследованы недостаточно и не получили должного освещения в научно-технической литературе.

Измерение плотности сыпучих материалов возможно только косвенными методами. При этом принцип измерения пневматическим замещением позволяет проводить измерение не самой интересующей нас величины, а другой — являющейся замещающей, параметры которой несут информацию об измеряемой величине. Пневматические методы контроля плотности, основанные на принципе замещения, наиболее универсальные, надежные и позволяют измерять кажущуюся и истинную плотность частиц сыпучих материалов.

Использование новых аэродинамических эффектов позволяет усовершенствовать ранее применявшиеся пневматические методы измерения плотности сыпучих материалов, а так же создать принципиально новые методы, существенно отличающиеся от известных.

С применением этих методов открываются новые возможности для автоматизации производственных процессов. Аэродинамические методы существенно дополняют электрические методы, имеющие для современной науки и промышленности главное значение. В некоторых случаях целесообразным является создание комбинированных измерительных систем, в которых имеются не только аэродинамические элементы, но и элементы других типов: электрические, акустические, механические и другие.

В предлагаемой диссертационной работе проведено исследование неотраженных в существующих доступных источниках научно-технической информации вопросов, связанных с разработкой новых струйно-акустических методов контроля и созданием реализующих их устройств для измерения плотности сыпучих материалов.

На основе теоретического и экспериментального исследования процессов, происходящих в струйно-акустической системе, разработан бесконтактный струйно-акустический метод контроля плотности сыпучих материалов и концентрации газовой фазы. Выявлены и физически обоснованы процессы аэродинамического звукообразования при истечении газа через однои двухдиафрагмовые звукообразующие элементы. Путем сравнения свойств генераторов диафрагмового типа доказана целесообразность использования однодиафрагмового генератора при реализации струйно-акустического метода. Разработано принципиально новое струйно-акустическое устройство для контроля плотности сыпучих материалов. Проведена экспериментальная проверка разработанного метода и устройства, выявлены и оценены их основные метрологические характеристики. Разработанные устройства прошли производственные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО «Завод подшипников скольжения», ЗАО СМНУ «Тамбовагропромпусконаладка», ОАО «Тамбовское опытно-конструкторское технологическое бюро», кроме того, они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Цель работы. Разработка и исследование струйно-акустического неразру-шающих методов и устройства контроля концентрации газовой фазы и плотности частиц в слое СМ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— осуществить теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, происходящих в струйно-акустической длинной линии с различными типами нагрузок;

— разработать бесконтактные струйно-акустические методы контроля концентрации газовой фазы в слое сыпучего материала и кажущейся плотности его частиц;

— осуществить экспериментальную проверку полученных результатов и провести метрологический анализ методов контроля концентрации газовой фазы и плотности;

— разработать устройство для контроля концентрации газовой фазы и плотности частиц в слое СМосуществить анализ его работы и экспериментальную проверку;

— изучить и осуществить сравнительный анализ различных аэродинамических генераторов акустических колебаний.

Методы и методики исследований. Основные задачи работы решались моделированием и анализом моделей процессов газовой динамики. При проведении экспериментальных исследований использовались методы физического моделирования, статистического и регрессионного анализа.

Научная новизна. На основе проведенных исследований процесса распространения струйно-акустического сигнала предложен метод неразрушающего контроля концентрации газовой фазы и плотности сыпучих материалов, заключающийся в следующем:

— формируется плоская падающая звуковая волна, отражение которой от слоя сыпучего материала высотой равной четверти длины звуковой волны, приводит к возникновению режима стоячих волн;

— фиксируется положение узла стоячей волны в пространстве, которое однозначно определяет величину концентрации газовой фазы, а с учетом массы — плотность сыпучего материала независимо от параметров окружающей среды и скорости движения.

I •.

Предложена физическая модель СМ в виде параллельного соединения твердой фазы как сплошного вещества и газовой фазы как акустической емкости. Для такой системы получена аналитическая зависимость изменения длины струйно-акустической линии эквивалентной нагрузке в виде СМ в результате струйно-акустического замещения.

Выявлены и физически обоснованы процессы аэродинамического звукообразования при истечении газа через одно — и двухдиафрагмовые звукообразующие элементы. Путем сравнения свойств генераторов диафрагмового типа доказана целесообразность использования однодиафрагмового генератора при реализации струйно-акустического метода;

Предложен метод сигнализации момента достижения узла в распределении амплитуд звукового давления в струйно-акустической системе в режиме стоячих волн, основанный на использовании эффектов, возникающих при акустическом воздействии на ядро турбулентной струи.

Практическая ценность. Разработано струйно-акустическое устройство неразрушающего контроля плотности неподвижных и движущихся сыпучих материалов. Осуществлен выбор конструктивных размеров его основных элементов.

Производственные испытания экспериментальных образцов устройств, реализующих разработанный метод контроля плотности СМ, показали их работоспособность. Величина максимально допустимой погрешности йе более 5,0%.

Оригинальное устройство для измерения плотности признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО «Завод подшипников скольжения», ЗАО СМНУ «Тамбовагропром-пусконаладка», ОАО «Тамбовское опытно-конструкторское технологическое бюро», кроме того, они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Четвертой Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале.

XXI века" (Тамбов, 2001 г.) — 11 Международной научно-технической конференции «Измерение. Контроль. Информатизация» (Барнаул, 2001 г.) — III Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений» (Н. Новгород,.

2001 г.) — VII научной конференции ill У (Тамбов, 2002 г.) — 15 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов,.

2002 г) — Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2002 г.) — II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работполучено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 16 таблиц.

Список литературы

включает 78 наименований.

Основные результаты и выводы по работе.

1. Проведенный литературный обзор выявил отсутствие струйных пневматических методов неразрушающего контроля концентрации газовой фазы и плотности частиц в слое СМ, выходной сигнал которых не зависел бы от гранулометрического состава и скорости движения частиц контролируемого материала.

2. Предложено использовать в качестве измерительной струйно-акустическую систему, состоящую из отрезка струйно-акустической длинной линии с нагрузкой в виде СМ. Проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований подтверждающих возможность использования такой системы в качестве измерительной.

3. На основе физического представления СМ в виде параллельного соединения твердой фазы как сплошного вещества и газовой фазы как акустической емкости, получена аналитическая зависимость изменения длины струйно-акустической линии эквивалентного нагрузке в виде СМ в результате струйно-акустического замещения.

4. Полученная аналитическая модель пневмоакустической системы с нагрузкой в виде СМ положена в основу разработанных методов неразрушающего контроля концентрации газовой фазы и плотности частиц в слое СМ. Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния неконтролируемых величин на процесс измерения. Осуществлена оценка погрешности методов.

5. Проведено исследование однои двухдиафрагмовых струйных генераторов акустических колебаний. Сравнительный анализ полученных результатов показал целесообразность использования при реализации разработанных методов контроля СМ однодиафрагмовых генераторов.

6. Предложен метод индикации узла в распределении амплитуд звукового давления вдоль пневмоакустической длинной линии, в основу которого положена зависимость размеров газовой струи после генератора от режима его работы.

7. Разработано оригинальное устройство для реализации методов контроля концентрации газовой фазы и плотности частиц в слое СМ, которое признано изобретением и защищено патентом РФ.