Дозирование
 Скачать 5.11 Mb.
|
|
Рис. 4.26. Базовая структурная схема цифрового прибора: ИЗ – аналоговый сигнал измеренного значения; ИП – измерительный преобразователь; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; УИ – устройство индикации АЦП ИЗ ИП УИ Рис. 4.27. Экспериментальная установка для непрерывного весового дозирования зернистых материалов Анализ существующих методов решения задачи компенсации температурной погрешности измерительных систем на базе фотодиодов привел к созданию оптического датчика малых линейных перемещений [17], на базе которого были созданы датчик веса [18], датчик расхода [19], а также устройство сопряжения данных датчиков с ПЭВМ типа IBM PC и необходимое для него программное обеспечение. На базе датчика расхода была создана экспериментальная установка для исследования непрерывного весового дозирования зернистых материалов (рис. 4.27). Уравнением связи для данного устройства является уравнение плоскости D bU aT P + + = , (4.32) где P – расход зернистого материала; Т – температура окружающей среды; U – напряжение на выходе оптического датчика расхода; a, b, D –константы, определяемые для каждого датчика Для нахождения констант создана программа, в качестве данных для которой используются данные, полученные на экспериментальной установке. В качестве расходуемого материала использовался мелкозернистый песок. На рисунке 4.28 показан график выходного напряжения оптического датчика расхода (октрона) в течение времени при двух режимах расхода и температуре окружающей среды 297 К. 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 0. 00 3. 51 6. 97 10. 49 14. 00 17. 46 20. 98 24. 50 27. 96 31. 47 34. 99 38. 50 42. 02 45. 53 48. 99 52. 51 56. 02 59. 54 Время, с На п р я ж ен и е, мВ Рис. 4.28. График выходного напряжения октрона при температуре окружающей среды 297 К На этом графике период времени от 0 до 16,53 с соответствует расходу 0,7 г/c, период от 16,53 до 32,02 с – расходу 0,16 г/c, в период от 32,02 до 60 с расход отсутствует. Следует отметить, что хорошо видны затухающие колебания грузоприемной пластины датчика расхода в начале и конце отмеченных периодов. Кроме того, у датчика оказались, как это и ожидалось, сильно выраженные шумовые характеристики. 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 0 4.23 8.46 12.6 16.8 21.2 25.5 29.9 34.3 38.8 43.2 47.7 52.1 56.6 Время, с На п р яж ен и е, мВ Рис. 4.29. График выходного напряжения октрона при температуре окружающей среды 294 К и постоянной фильтра 64 Однако применение ПЭВМ позволяет устранить этот недостаток численными методами, в данном случае был применен фильтр скользящего среднего в реальном масштабе времени [20]. Результаты экспериментов показаны на рис. 4.29 и 4.30 (на рис. 4.30 участок I соответствует наибольшему расходу). Лабораторные исследования данного устройства привели к его дальнейшему развитию с целью улучшения его технических и технологических характеристик. Решение подобной задачи приводится в [21], однако применяемые методы решения и свойства первичного измерительного преобразователя, которые лежат в основе каждого метода, различны. Используя способ параллельной компенсации в измерительной системе [6], получаем измерительное устройство, структурная схема которого показана на рис. 4.31, где 1, 2 – сумматоры; Д 0 , Д 1 – фотодиоды дифференциальной оптопары; Х 0 – воздействие излучателя дифференциальной оптопары; Х – воздействие измеряемой величины; Т – температура окружающей среды; F (X 0 , T), F (X 1 , T) – значения выходных сигналов; У – выходной сигнал дифференциального датчика; УИ – устройство индикации. Сигнал (см. рис. 4.31) источника опорной величины X 0 и измеряемой величины X попадают на сумматор 1, с выхода которого сигнал X 1 поступает на первичный измерительный преобразователь (ПИП) Д 1 . Сигнал X 0 поступает на опорный ПИП Д 0 . Полученные выходные сигналы F (X 0 , T) и F (X 1 , T) попадают в сумматор 2, с выхода которого сигнал У поступает на устройство индикации (УИ). Применение численных способов температурной компенсации связано с градуировкой датчика по температурному каналу, с измерением температуры датчика и, следовательно, приводит к дополнительной погрешности измерения. Рис. 4.30. График выходного напряжения октрона при температуре окружающей среды 293,5 К и постоянной фильтра 128 Рис. 4.31. Структурная схема дифференциального датчика с идентичными температурными характеристиками первичных измерительных преобразователей В случае автоматической температурной компенсации дифференциального датчика имеем: const 0 = X ; X X X − = 0 1 ; ( ) C T k X k T X F T X + + = 0 0 0 0 , , (4.33) где const 0 = X k ; const 0 = T k ; const = C Следовательно, ( ) 0 0 0 , C T k T X F T + = , (4.34) где const 0 = C ( ) 1 1 1 1 1 , C T k X k T X F T X + + = , (4.35) где const 1 = X k ; const 1 = T k ; const 1 = C ( ) ( ) T X F T X F y , , 1 0 − = . (4.36) Необходимым условием физической реализации автоматической температурной компенсации дифференциального датчика является идентичность характеристик опорного и измерительного датчика, т.е. в этом случае T T k k 1 0 = . (4.37) Таким образом, при подстановке (4.34) и (4.35) в (4.36) с учетом (4.37) получаем: C X k y X ′ + − = 1 , (4.38) т.е. разность сигналов опорного и измерительного датчика прямо пропорциональна измеряемой величине X и не зависит от температуры окружающей среды. Такое техническое решение весьма сложно технологически, а в некоторых случаях невозможно, так как датчики с идентичными свойствами не удается изготовить. Для решения поставленной задачи предлагается измерительное устройство, структурная схема которого показана на рис. 4.32, где 1 – сумматор; Д 0 , Д 1 – фотодиоды дифференциальной оптопары; Х 0 – воздействие излучателя дифференциальной оптопары; Х – воздействие измеряемой величины; Т – температура окружающей среды; F (X 0 , T), F (X 1 , T) – значения выходных сигналов; АК – аналоговый коммутатор; АЦП – аналого- цифровой преобразователь; ВУ – вычислительное устройство; УИ – устройство индикации. Таким образом, в общем случае T T k k 1 0 ≠ и в результате преобразований получаем: ( ) C X k T X kF y X + + = 1 0 , , (4.39) где const = k ; const 1 = X k ; const = C При подстановке (4.36) в (4.39) получаем X k C T X F k T X F X 1 1 0 ) , ( ) 1 ( ) , ( − − − = . (4.40) Устройство работает следующим образом. Выходные сигналы F (X 0 , T) и F (X 1 , T) поступают в аналоговый коммутатор АК, затем каждый из них преобразуется в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобразователе АЦП, после чего оба попадают в вычислительное устройство ВУ, где производится вычисление измеряемой величины X по формуле (4.40), где k 1X – коэффициент пропорциональности; k и С – постоянные величины для данной оптопары. Результат выводится на устройство индикации УИ. Рис. 4.32. Структурная схема дифференциального датчика с неидентичными температурными характеристиками первичных измерительных преобразователей Для определения значений величин k и С создана компьютерная программа, для которой в качестве данных используются экспериментальные данные, полученные в статическом режиме при изменяющейся температуре окружающей среды, причем значения температуры при этом не измеряются, k 1X определяется при градуировке измерительной системы. Система реализована в виде экспериментальной установки для измерения расхода зернистых материалов, где дифференциальный оптический датчик применен в качестве первичного измерительного преобразователя [22]. Графики расхода зернистых материалов представлены на рис. 4.33 и 4.34. График на рис. 4.34 отличается от графика на рис. 4.33 тем, что в дозируемый поток в промежуток времени ∆τ был внесен дополнительный расход ∆ P = 0,16 г/с и применен в реальном масштабе времени фильтр скользящего среднего с постоянной 256. Как видно из графика, даже небольшое, около 10 % от текущего расхода, что по ГОСТ 30124–99 соответствует наименьшему пределу производительности дозатора, изменение расхода сыпучего материала четко фиксируется датчиком. Следует особо отметить, что использование фильтра скользящего среднего в реальном масштабе времени позволяет применить данный метод с достаточной точностью для различных сыпучих материалов. Это подтверждается тем, что при метрологической поверке устройства, проводившейся по ГОСТ 8.469–2002, наихудшие результаты предельной приведенной погрешности не превысили 0,6 %. Рис. 4.33. График расхода без применения фильтра скользящего среднего Т Рис. 4.34. График расхода при постоянной фильтра скользящего среднего 256 Кроме этого, применяя данный метод, удалось не только повысить точность измерения за счет уменьшения погрешности (так как не измеряется температура окружающей среды и, следовательно, не вносится дополнительная погрешность на ее измерение), но и повысить информативное восприятие графиков расхода (сравнить, например, с графиком на рис. 4.30, где участок I соответствует наибольшему расходу). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Использование имитационного моделирования при расчетах ленточных весовых дозаторов / А.И. Инякин, А.Ю. Давидчук, Д.В. Филимонов, С.В. Першина // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. – Вып. 15. – С. 27 – 30. 2. Volumetric Feeders Catalog [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ktron.com/Products/feeders/catalog/volumetric_feeders.cfm, свободный. 3. VOLUMETRIC FEEDERS – TUF-FLEX™ SERIES FEEDERS [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.accuratefeeders.com /volumetricfeeders.html, свободный. 4. Volumetric Feeders [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.acrison.com/pages/volumetric_feeders_overview.html, свободный 5. Volumetric Feeders [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// www.brabender- technologie.com/mainpage/english/products/feeders, свободный. 6. Клаассен, К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике / К.Б. Клаассен. – М. : Постмаркет, 2000. – 352 с. 7. Агейкин, Д.И. Датчики контроля и регулирования: Справочные материалы / Д.И. Агейкин, Е.Н. Костина, Н.Н. Кузнецова. – М. : Машиностроение, 1965. – 928 с. 8. Индуктивные датчики [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://asuworld.ru/about/company/, свободный. 9. А. с. 153392 СССР, МКИ 6 G 01 L 1/10, G 01 B 17/04. Способ измерения усилий / Ю.М. Брук, Ю.М. Цодиков, Р.М. Васин (СССР). – № 728941/26 ; заявл.28.04.61 ; опубл. 01.01.63, Бюл. № 5. – 4 с. 10. Вутсас, А.М. Вибрационный датчик угла поворота / А.М. Вутсас // Ракетная техника и космонавтика. – 1963. – № 4. – С. 176–177. 11. А. с. 150040 СССР, МКИ 6 G 01 B 7/02, H 03 M 1/86. Частотный датчик малых линейных перемещений / Д.И. Агейкин, Н.Н. Кузнецова (СССР). – № 749836/26-10 ; заявл. 1.11.61 ; опубл. 01.01.62, Бюл. № 17. – 3 с. 12. Ермаков, О.Н. Прикладная оптоэлектроника / О.Н. Ермаков. – М. : Техносфера, 2004. – 416 с. 13. Весоизмерительное оборудование : справочник / Н.А. Лотков, А.И. Полухин, А.В. Тантлевский, В.Д. Черных – М. : Агропромиздат, 1989. – 240 с. 14. Бриндли, К. Измерительные преобразователи : справочное пособие / К. Бриндли ; пер. с англ. – М. : Энергоатомиздат, 1991 – 144 с. 15. Silicon PIN Photodiode "Vishau Telefunken№: Document Number 81521 Rev.2 20-May-99. http://vishay.de. 16. Бриндли, К. Электронные контрольно-измерительные приборы / К. Бриндли ; пер. с англ. – М. : Энергоатомиздат, 1989. – 128 с. 17. Егоров, С.А. Разработка схемы весового дозирования зернистых материалов на основе оптического датчика малых линейных перемещений / С.А. Егоров, В.А. Лузгачев, В.Е. Подольский // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. Технологические процессы и оборудование. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2001. – Вып. 8. – С. 89 – 92. 18. Пат. 2257551 Российская Федерация, С2, МКИ 7 G 01 G 3/08. 23/36. 23/48. Датчик веса / В.Ф. Першин, В.Е. Подольский, В.Г. Однолько, С.А. Егоров ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. – № 2003107349 ; заявл. 17.03.03 ; опубл. 30.08.05, Бюл. № 21. 19. Пат. 2262080 Российская Федерация, С2, МКИ 7 G 01 F 1/30. Датчик расхода / В.Ф. Першин, В.Е. Подольский, В.Г. Однолько, С.А. Егоров; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. – № 2003110046 ; заявл. 08.04.03 ; опубл. 10.10.05, Бюл. № 27. 20. Дудников, Е.Г. Автоматическое управление в химической промышленности / Е.Г. Дудников [и др.]. – М. : Химия, 1987 – 368 с. 21. Богонин, Б.В. Применение микроЭВМ для минимизации температурной погрешности измерительных систем / Б.В. Богонин, М.Б. Богонин // Датчики и системы. Ежемесячный научно-технический и производственный журнал. – 2002. – № 12. 22. Пат. 2330243 Российская Федерация, МПК G 01 D 3/028. Способ температурной компенсации дифференциальных датчиков с линейными характеристиками / В.Ф. Першин, С.А. Егоров, В.Е. Подольский ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. – № 2006121843/28 ; заяв. 19.06.06 ; опубл. 27.08.08, Бюл. № 21. Г л а в а 5 ТЕХНОЛОГИЯ ДВУХСТАДИЙНОГО ДОЗИРОВАНИЯ 5.1. ПРИНЦИП ДВУХСТАДИЙНОГО ДОЗИРОВАНИЯ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ Во второй главе по результатам анализа способов непрерывного дозирования сыпучих материалов было установлено, что основными причинами возникновения погрешностей при непрерывном дозировании являются динамические воздействия на весоизмерительный датчик, несовершенство методик расчета реальной весовой производительности дозатора по показаниям весоизмерительного датчика и невозможность устранения возникающих погрешностей в реальном времени. Для устранения всех указанных причин нами предложен способ двухстадийного дозирования сыпучих материалов [1, 2]. Сущность данного способа заключается в следующем. На первой стадии весовым методом формируются отдельные порции материала, а на второй осуществляется преобразование отдельных порций в непрерывный поток. Следует особо отметить, что взвешивание отдельных порций осуществляется в статическом положении до начала преобразования этих порций в непрерывный поток. Таким образом, с одной стороны, исключаются погрешности в измерении веса, вызванные динамическим воздействием на чувствительный элемент, а с другой, не возникает погрешностей в определении весовой производительности, которые необходимо впоследствии исправлять. Производительность дозатора рассчитывается по следующей формуле: T P Q ∆ ∆ = , (5.1) где ∆ P – вес отдельной порции; ∆T – интервал времени, через который подают отдельные порции в устройство для их преобразования в непрерывный поток. Устройство для реализации данного способа состоит из двух основных элементов: порционного весового дозатора; преобразователя отдельных порций в непрерывный поток [3]. На рисунке 5.1 показана функциональная схема дозатора, реализующего технологию двухстадийного дозирования. Рассмотрим более подробно основные элементы схемы. Рис. 5.1. Схема дозатора для реализации технологии двухстадийного дозирования: 1 – порционный дозатор; 2 – преобразователь порций в непрерывный поток 5.1.1. ПОРЦИОННЫЙ ДОЗАТОР Порционные дозаторы серийно выпускаются многими компаниями как у нас, так и за рубежом. Например, весовой автоматический дозатор ДВА-1 [4] предназначен для автоматического формирования дозы заданной массы сыпучих материалов. Щадящая нетравмирующая подача с помощью вибролотка позволяет использовать дозатор ДВА-1 для широчайшего спектра продуктов. Дозатор имеет три модификации: ДВА-1, ДВА-1/2 и ДВА-1/3, которые отличаются количеством каналов дозирования, работающих параллельно – 1, 2 или 3 соответственно. Пределы дозирования от 50 до 1000 г с дискретностью задания массы дозы 1 г. Дозаторы обеспечивают производительность, в зависимости от модификации, от 10 до 33 доз в минуту. Класс точности 1 по ГОСТ 10223– 97. 1 ∆T ∆P 2 |