В Марийском государственном техническом университете разработана лабораторная установка для измерения параметров потоков многофазных сред, которая является макетом трубопроводной части установки гранулирования суспензий методом распылительной сушки Кировоградского завода твердых сплавов. Лабораторная установка представлена на рис. 1.
Рис.1. Лабораторная установка измерения параметров газовых потоков (1 - заглушка, 2 - гильза для установки термометра, 3 - штуцер для установки манометра, 4 - двигатель, 5 - вентилятор)
Лабораторная установка оснащена контрольно-измерительными приборами, позволяет воспроизводить различные режимы работы установки гранулирования суспензий и проводить многофакторные экспериментальные исследования процессов гранулирования и измерения параметров газового потока.
Важной проблемой технологического процесса гранулирования суспензий является отсутствие оптимальных алгоритмов управления, позволяющих точно соблюдать условия процесса гранулирования суспензий. Погрешность измерений, вызванная влиянием параметров газовой несущей среды на показания первичных измерительных приборов, не позволяет выдержать необходимые условия процесса гранулирования в динамическом режиме работы системы. Отсутствие достоверной измерительной информации при управлении технологическим процессом и инерционность измерительных приборов влияют на качество выпускаемой продукции. Построение инвариантной системы измерения позволит обеспечить точность и быстродействие измерений, как на протяжении всего хода технологического процесса, так и в режиме работы «start-stop». Для построения информационно-измерительной системы лабораторной установки разработан способ для измерения параметров газового потока, позволяющий повысить динамическую точность и быстродействие процесса измерения параметров за счет адаптивного алгоритма обработки измерительной информации. Способ для измерения параметров газового потока и алгоритм обработки измерительной информации разработан на основе методов современной теории управления и нелинейной математической модели системы измерения параметров газового потока [2]. Математическая модель измерительной системы отражает функциональные зависимости взаимодействия потока и первичных преобразователей, что позволяет учесть взаимное влияние параметров друг на друга при измерении, конструктивные особенности первичных преобразователей и принципы их действия [3].
Структурная схема информационно-измерительной системы лабораторной установки представлена на рис. 2.
Рис.2. Структурная схема информационно-измерительной системы лабораторной установки для измерения параметров потоков многофазных сред
Для проведения экспериментальных исследований на лабораторной установке определены оптимальные условия проведения измерений, факторы, влияющие на измерения параметров среды, а именно температуру, влажность и давление газа на входе и выходе системы. Интервалы варьирования факторов, влияющих на измерение параметров, представлены в таблице 1.
Таблица 1
|
Факторы |
-1 |
0 |
+1 |
Интервал варьирования |
Размерность |
|
x1 (температура) |
50 |
75 |
100 |
25 |
°С |
|
x2 (влажность) |
27 |
29,5 |
32 |
2,5 |
кг/м3 |
|
x3 (давление) |
1,7 |
1,85 |
2 |
0,15 |
кПа |
|
x4 (расход) |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,2 |
кг/с |
Для повышения качества проводимых измерений многофакторные экспериментальные исследования проведены в соответствии с методикой полнофакторного эксперимента (ПФЭ). Количество опытов, последовательность их проведения с учетом наименьшего числа переходов уровней факторов в процессе выполнения экспериментальных исследований, определены матрицей планирования ПФЭ. Количество опытов определяется выражением N=2k, где k-количество факторов.
В процессе проведения экспериментальных исследований для исключения влияния систематических ошибок, вызванных внешними условиями при постановке опытов, запланированных матрицей, эксперименты рандомизированы во времени и проведены в случайной последовательности, которую можно определить таблицей случайных чисел [1]. Кроме того, для повышения надежности оценки при проведении эксперимента дополнительно проведено 4 опыта в центре плана эксперимента.
Условия проведения эксперимента и результаты измерений представлены в виде таблицы - матрицы планирования, где строки соответствуют различным опытам, а столбцы - значениям факторов (таблица 2).
Таблица 2
|
№ опыта |
x1 |
x2 |
x3 |
x4 |
x1x2 |
x1x3 |
x1x4 |
x2x3 |
x2x4 |
x3x4 |
y1(кПа) |
y2(кПа) |
y3 (°С) |
y4(кг/м3) |
||||
|
1 |
-1 |
50 |
-1 |
27 |
-1 |
1,7 |
-1 |
0,1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1,702 |
1,702 |
50,22 |
28,400 |
|
2 |
1 |
100 |
-1 |
27 |
-1 |
1,7 |
-1 |
0,1 |
-1 |
-1 |
-1 |
1 |
1 |
1 |
1,715 |
1,609 |
97,31 |
26,870 |
|
3 |
-1 |
50 |
1 |
32 |
-1 |
1,7 |
-1 |
0,1 |
-1 |
1 |
1 |
-1 |
-1 |
1 |
1,704 |
1,696 |
56,45 |
31,800 |
|
4 |
1 |
100 |
1 |
32 |
-1 |
1,7 |
-1 |
0,1 |
1 |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
1 |
1,710 |
1,693 |
102,52 |
31,900 |
|
5 |
-1 |
50 |
-1 |
27 |
1 |
2 |
-1 |
0,1 |
1 |
-1 |
1 |
-1 |
1 |
-1 |
2,059 |
1,973 |
53,16 |
26,530 |
|
6 |
1 |
100 |
-1 |
27 |
1 |
2 |
-1 |
0,1 |
-1 |
1 |
-1 |
-1 |
1 |
-1 |
2,053 |
1,998 |
95,61 |
28,370 |
|
7 |
-1 |
50 |
1 |
32 |
1 |
2 |
-1 |
0,1 |
-1 |
-1 |
1 |
1 |
-1 |
-1 |
2,024 |
1,993 |
53,73 |
33,510 |
|
8 |
1 |
100 |
1 |
32 |
1 |
2 |
-1 |
0,1 |
1 |
1 |
-1 |
1 |
-1 |
-1 |
2,034 |
1,974 |
109,71 |
31,780 |
|
9 |
-1 |
50 |
-1 |
27 |
-1 |
1,7 |
1 |
0,5 |
1 |
1 |
-1 |
1 |
-1 |
-1 |
1,670 |
1,685 |
48,67 |
28,980 |
|
10 |
1 |
100 |
-1 |
27 |
-1 |
1,7 |
1 |
0,5 |
-1 |
-1 |
1 |
1 |
-1 |
-1 |
1,690 |
1,695 |
103,38 |
35,210 |
|
11 |
-1 |
50 |
1 |
32 |
-1 |
1,7 |
1 |
0,5 |
-1 |
1 |
-1 |
-1 |
1 |
-1 |
1,710 |
1,708 |
46,45 |
34,570 |
|
12 |
1 |
100 |
1 |
32 |
-1 |
1,7 |
1 |
0,5 |
1 |
-1 |
1 |
-1 |
1 |
-1 |
1,687 |
1,689 |
102,23 |
32,830 |
|
13 |
-1 |
50 |
-1 |
27 |
1 |
2 |
1 |
0,5 |
1 |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
1 |
2,017 |
1,987 |
47,93 |
27,670 |
|
14 |
1 |
100 |
-1 |
27 |
1 |
2 |
1 |
0,5 |
-1 |
1 |
1 |
-1 |
-1 |
1 |
2,004 |
1,982 |
97,42 |
27,870 |
|
15 |
-1 |
50 |
1 |
32 |
1 |
2 |
1 |
0,5 |
-1 |
-1 |
-1 |
1 |
1 |
1 |
2,026 |
1,867 |
49,84 |
33,130 |
|
16 |
1 |
100 |
1 |
32 |
1 |
2 |
1 |
0,5 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
2,023 |
1,998 |
101,57 |
32,410 |
|
17 |
0 |
75 |
0 |
29,5 |
0 |
1,85 |
0 |
0,3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1,836 |
1,865 |
74,48 |
30,080 |
|
18 |
0 |
75 |
0 |
29,5 |
0 |
1,85 |
0 |
0,3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1,843 |
1,835 |
73,13 |
31,210 |
|
19 |
0 |
75 |
0 |
29,5 |
0 |
1,85 |
0 |
0,3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1,835 |
1,832 |
75,68 |
28,530 |
|
20 |
0 |
75 |
0 |
29,5 |
0 |
1,85 |
0 |
0,3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1,828 |
1,865 |
74,85 |
28,980 |
По результатам проведенных опытов выполнена статистическая обработка данных, которая включает в себя вычисления средних значений параметров, построчной дисперсии и проверку воспроизводимости эксперимента с помощью G-критерия. Данная обработка значений необходима для расчета коэффициентов biполиномов статистической математической модели.
С физической точки зрения, значение коэффициента b0 характеризует среднее значение показателя y (измеряемого параметра) по всем опытам, а bi - эффект воздействия фактора хi на параметр yi.
Коэффициенты, полученные по результатам расчетов представлены в таблице 3.
Таблица 3
|
Коэффициент |
y1 |
y2 |
y3 |
y4 |
|
b0 |
1,864 |
1,828 |
72,874 |
30,739 |
|
b1 |
0,00025 |
0,002 |
-21,997 |
0,166 |
|
b2 |
0,0005 |
-0,001 |
4,198 |
2,002 |
|
b3 |
0,166 |
0,143 |
3,043 |
-0,581 |
|
b4 |
-0,011 |
-0,002 |
2,077 |
0,844 |
|
b12 |
-0,001 |
0,010 |
1,409 |
-0,677 |
|
b13 |
-0,002 |
0,015 |
3,184 |
-0,217 |
|
b14 |
-0,003 |
0,013 |
2,146 |
0,331 |
|
b23 |
-0,004 |
-0,013 |
3,917 |
0,547 |
|
b24 |
0,008 |
-0,010 |
2,828 |
-0,351 |
|
b34 |
-0,002 |
-0,011 |
3,258 |
-0,733 |
Проверка значимости каждого из коэффициентов выполнена в соответствии с t-критерием Стьюдента. Такая проверка необходима для исключения незначимых коэффициентов из полиномов статистической модели. Коэффициент может быть незначимым из-за того, что фактор не влияет на параметр, слишком мал интервал варьирования переменной, велика ошибка эксперимента при наличии неуправляемых или неконтролируемых переменных. [4].
По результатам ПФЭ с учетом значимости коэффициентов получена статистическая математическая модель, которая позволяет получить значения измеряемых параметров с заданной точностью при известных значениях факторов (условий), сопровождающих процесс измерения.
P1=1,864+0,166Pг-0,011Q+0,008WгQ;
Р2=1,828+0,143Pг+0,015ТгРг;
Т=72,874-21,997Тг+4,198Wг+3,043Рг+2,077Q+1,409ТгWг+3,184ТгW+2,146ТгQ+3,917WгРг+2,828WгQ+3,258РгQ;
W=30,739+2,002Wг+0,844 Тг+0,331 Pг+0,547Q.
Проверка адекватности полученной модели в статистической обработке данных выполнена с использованием критерия Фишера [1]. Выявлено, что полученная модель с вероятностью 0,99 считается адекватной экспериментальным данным.
Таким образом, лабораторная установка позволяет проводить экспериментальные исследования режимов сушки процесса гранулирования и измерения параметров газового потока. Результаты измерений параметров газового потока подтвердили экспериментальные данные действующей установки гранулирования. Статистическая математическая модель позволяет воспроизводить значения измеряемых параметров с заданной точностью, что позволяет использовать лабораторную установку для апробации новых средств управления и построения оптимальных алгоритмов управления технологическим процессами.
Список литературы
- Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: НАУКА, 1976.
- Белова Н.В. Программно-аппаратная система измерения параметров газового потока // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2009. - №2. - С. 18-20.
- Белова Н.В. Способ измерения и обработки параметров газового потока в процессе гранулирования суспензий// Системы управления и информационные технологии. - 4(38). - 2009. - С. 73-77.
- Захаров Ю.В. Математическое моделирование в технологии электронных средств. - Й-Ола: МарГТУ, 2003.
Рецензенты:
- Полянин И.А., д.т.н., профессор кафедры прикладной механики машиноведения и технологии ГОУ ВПО «Марийский государственный университет», г. Йошкар-Ола.
- Алибеков С.Я., д.т.н., профессор, зав. кафедрой машиностроения и материаловедения ГОУ ВПО «Марийский государственный технический университет», г. Йошкар-Ола.
Работа получена 12.08.2011.
Библиографическая ссылка
Белова Н.В., Стешина Л.А. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКОВ МНОГОФАЗНЫХ СРЕД // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 3. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=4681 (дата обращения: 20.04.2024).