Градуировочные характеристики радиоизотопных толщиномеров автоматизированной системы очистки внутренних стен циклона от отложений мелкодисперсной древесной пыли

В деревообрабатывающей и мебельной промышленности для измерения толщины отложений мелкодисперсной пыли применяется много различных способов – от механических до сложнейших, основанных на сложных физических явлениях, таких как оптическая дифракция, ядерно-магнитный резонанс. При выборе метода необходимо руководствоваться такими показателями, как диапазон измерений, материалы, фракция исследуемого газопылевого потока, требования точности к измерениям, а также рабочим условиям. В нашем случае рабочие условия достаточно жесткие, как было рассмотрено выше, а требования к точности измерения не столь велики, допускаемая погрешность измерений может колебаться в пределах 15–20%. Это позволяет нам сразу отказаться от таких методов, как механический и оптический. Более подробно рассмотрим некоторые косвенные методы:

• 1.    Гидро-газодинамический метод, рассматривающий пропускную способность циклона в зависимости от толщины отложений на внутренних стенках. Данный метод достаточно прост, отлично подходит для решения поставленной задачи. Недостаток гидро-газодинамического метода – ограниченность измерений и слишком большая погрешность.

• 2.    Метод, основанный на определении накопленной массы отложений по резонансной частоте механических колебаний циклона. Этот метод прост в работе, он дает интегральную оценку толщины слоя. По своему существу он наиболее отдален от исследуемых явлений. Основной недостаток данной методики – достаточно большая неточность значений исследуемых параметров.

Цель исследования. Недостаток обоих методов вынуждает нас провести исследования для поиска оптимального решения поставленной задачи. Для измерения, контроля и калибровки разработанной системы рассмотрим более подробно радиоизотопный метод [2].

Радиоизотопный метод. Приборам, которые работают на принципе радиоизотопных методов, присущи важные специфические особенности:

• 1.    Обеспечение надежного бесконтактного контроля величин в максимальном диапазоне рабочих условий, таких как давление, температурная среда и т. п.

• 2.    Излучение проникает сквозь стены большой величины, из различного материала, без значимой погрешности сигнала. Данная особенность позволяет крепить детекторы на внешней стене циклона.

• 3.    Используя ионизированное излучение, получают данные об изотопном составе и химических составляющих исходного вещества, в данном случае мелкодисперсной древесной пыли.

• 4.    Радиационный сигнал при радиоизотопном методе не канализируется. Дистанционная передача может быть осуществлена только с учетом потерь интенсивности, информационная составляющая сигнала также несет искажения.

• 5.    Радиоизотопные методы требуют выполнения абсолютно всех жестких требований, норм и правил радиационной защиты. Этот пункт предусматривает собой необходимость применения источников с минимальными уровнями радиации.

Проводя анализ особенностей приборов при радиоизотопном методе, необходимо отметить следующее. Если принимать во внимание преимущественное применение радиационных методов именно в рабочих условиях циклонов деревообрабатывающей промышленности, то наиболее подходящие первые две особенности приборов. В особенности эффективности размещения аппаратуры.

Если отталкиваться от энергетического спектра (рис. 1), то именно третья особенность приборов, которые работают на принципе радиоизотопных методов, располагает к наиболее подробным и точным ответам на вопросы интерпретации результатов контроля и корректировки метрологических данных аппаратуры.

При более детальном рассмотрении четвертой и первой составляющей пятой особенности нельзя не заметить, что появляется необходимость более внимательного изучения вопросов первичного преобразования сигнала и перевода информации детекторов излучения в электрический сигнал дискретного типа, обязательно прямо на месте установки датчиков.

Рассмотрев частично пятую особенность приборов, опишем ее вторую составляющую, которая заключается в применении источников минимальной плотности энергии. При этом велико проявление вероятностного характера закона генерации квантов, их распределения в пространстве и во времени. Это вынуждает применять чувствительную, усиливающую и регистрирующую аппаратуру. Проявляется высокое влияние случайных отклонений наблюдаемых физических величин от их средних значений.

При использовании дискретных детекторов ионизирующего излучения информативными параметрами являются количество или частота импульсов; амплитуда импульса в данном случае остается неизменной в пределах одного определенного диапазона. В последующем при передаче и обработке информативного потока импульсы подвергаются усилению и форматированию.

В детекторах сцинтилляционного типа радиационный сигнал преобразуется в оптический, далее посредством фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) – в электрический, для дальнейшего усиления и преобразования.

Рис. 1. Энергетический спектр, который регистрирует детектор радиоизотопного толщиномера

Основной функцией устройства, обрабатывающего сигналы с радиоизотопного прибора, при условии жесткой необходимости применения источников с минимальными уровнями радиации является усредняющее преобразование сигнала. На вход блока обработки информации поступает случайный сигнал, главный информативный параметр которого – средняя частота поступления импульсов [4]

П ср= f ( X ) ,

где X – измеряемый параметр.

В таком случае при обработке информативного потока будет использоваться измеритель средней частоты (ИСЧ). Максимально точным и удобным в данном случае считаются цифровые ИСЧ, работающие методом нормируемого счетчика. Цифровые ИЧС подсчитывают за интервал Т количество входных импульсов N

N n ср Т .                               (2)

Для статистических величин, подчиняющихся распределению Пуассона, среднеквадратическое отклонение равно

N .                                      (3)

Случайная погрешность характеризуется двумя параметрами:

• 1.    Величина самой погрешности.

• 2.    Доверительная вероятность.

Максимальную погрешность, согласно формулам (2) и (3), а также «правилу трех сигм», можно выразить как

A max ³   n ep ^Т .                            (4)

Относительную статистическую погрешность (коэффициент вариации) определяют из зависимости

W = /N N = 1/ V N .                 (5)

С уверенностью можно сказать, что снижение значения погрешности достигается путем увеличения значения средней частоты импульсов, или, другими словами, интенсивности источника излучения (не нарушая норм и требований по радиационной безопасности), а также повышения значений времени измерений [5]. При рассмотрении нашего случая оптимальное значение погрешности измерения около 20%, с учетом скорости налипания отложений мелкодисперсной пыли на внутренних стенках циклона, принимаем интервал в районе 20–30 секунд.

Зависимость средней частоты импульсов от толщины слоя мелкодисперсной пыли на внутренних стенках циклона можно выразить уравнением nep =n0+( ПП “no) H-exP t 1U +A2 2^X 3         (6)

где   п0 – средняя частота импульсов после дискриминатора при отсутствии пристеночных отложений мел кодисперсной пыли, 1/с;

• п п    – средняя частота импульсов после дискриминатора при сплошном слое отложений мелкодисперсной пыли, цельным полотном покрывшим внутренние стенки циклона, 1/с;

• μ 1    – коэффициент ослабления возбуждающего излучения в слое отложений мелкодисперсной пыли, м²/кг;

• μ 2    – коэффициент ослабления характеристического излучения в слое отложений мелкодисперсной пыли, м²/кг;

• р    – плотность слоя мелкодисперсной пыли, кг/м³;

• X    – толщина слоя мелкодисперсной пыли, м.

Преобразуя формулу (6), имеем nep =Пп + А-[1-exp aa-XJ,            (7)

где А – коэффициент средней частоты импульсов после дискриминатора, 1/с.

A-п П -n ₀ .

а = ( Р1+Р2 )Р> где а – показатель экспоненты.

Из уравнения (7) следует, что зависимость средней частоты импульсов от толщины измеряемого слоя пылевых отложений на внутренних стенках циклона – экспоненциальная. Номинальная статическая характеристика преобразователя при этом выражается уравнением (10), которое выражает закон преобразования информации в измерительном устройстве.

Х = ¹ - )-ln а

.i

A + n0 +Пср

Точное число импульсов, которое обозначило и сосчитало устройство обработки информации с учетом (2) и (7), равно

N n Т АТ1 exp aX .

Из данного уравнения следует, что номинальная статическая характеристика преобразования будет равна

Х (1) ln а

11 N  N0

AT

где общее число квантов, проходящих в единицу времени через площадку единичного сечения

^N 0   ⁿ 0 ^Т

Для кусочно-линейной аппроксимации уравнения (13) необходимо расписать выбор координат точек перегиба, число линейных отрезков и углы их наклона. При цифровом представлении результатов опыта погрешность будет обоснована интервалами дискретности и будет задана отношением или в процентном соотношении от верхнего значения диапазона измерения. Аппроксимацию данной логарифмической зависимости лучше всего осуществлять с постоянным значением погрешности. Введем новое обозначение

N N0

AT

Тогда выражение ( 12) будет

aX ln (1    ) .

Принцип замены одних математических объектов другими, в том или ином смысле близкими к исходным, объясняет рисунок 2. Первый отрезок проходит через начало координат

aX K .

Абсолютная погрешность в этом случае

S = K ,-? + 1n(1-?).

Максимальное значение погрешности будет располагаться в той точке, в которой первая производная

d

d (aX

0 , в этом случае наблюдаем выполнение условия

1_£K1

Максимальная погрешность на первом участке аппроксимации, таким образом, равна

Точка перехода первого отрезка во второй получается из выражения

= Mt--1—I- K гй

■

Второй отрезок аппроксимации получаем из выражения

aX aX   K2 (4-C1).

Погрешность на этом участке

(У = aX +K (     ) ln

Максимальное значение погрешности будет находиться в точке, где первая производная d°=0

d(aX)

K2

Максимальное значение погрешности на втором участке max aX   K2(1    1)  ln(K2)  1.

Момент перехода второго отрезка в третий отрезок определяется как

(У = ln

aX ^K 2⁽£2   1⁾

.

Уравнения (22), (26) выражают точки σ 2 и аХ 2 перехода второго отрезка в третий. Точку пересечения i -го и ( i +1)-го аппроксимирующих отрезков можно определить:

i ^ln

¹ -сi

aX 1 ^K 1 ⁽ сi    i 1⁾

.

aX aX 1 ^Ki ⁽< i    i 1 ⁾ .

Обеспечение необходимой зависимости в соединении точек минимума нагрузочной характеристики (линия 1) между собой плавной кривой (линия 2). Во время изменения нагрузки происходит переход системы в другое (новое) равновесное состояние, которое соответствует кривой U = f ( I , Р опт ), при этом экстремальный регулятор кратковременно отключается. Происходит определение новой рабочей точки внешним регулятором, и работа экстремальной системы снова начинает работать.

Управление по внешнему контуру осуществляется методом разбивания всего диапазона управления на ряды поддиапазонов, в каждом из которых необходимо установить индивидуальное номинальное значение U = f(I, Ропт 0), которое будет соответствовать Ропт. Блок поиска БП (рис. 4) обеспечивает ступенчатую настройку U = Uопт, обеспечивает скачкообразную установку U0, далее экстремальный регулятор запускает ровный поиск оптимума в новом нагрузочном диапазоне.

Рис. 3. Тарировка привода исполнительной системы

Рис. 4. Структура управляющей части исполнительного механизма системы

Заключение. Исходя из вышесказанного, приходим к выводу, что параметры искомой аппроксимирующей ломаной определяются с помощью программируемых рекуррентных формул.

Работа электроприводов деревообрабатывающих циклонов требует достаточного диапазона реализуемой мощности, к которой прибавляются требования обеспечения ровного регулирования скорости и оптимальности сопряжения с цифровым экстремальным регулятором системы [3]. После проведенного выше анализа исполнительных механизмов на основе микропроцессорных контроллеров с силовой тиристорной электроникой приведем блок-схему данного типа.

Управление системой ведется с помощью стандартного регулятора, автоматически отыскивающего и поддерживающего такие значения регулирующих воздействий, при которых показатель качества работы регулируемого объекта достигает экстремального значения. Обрабатывание сигналов управления по экстремальной функции нагрузочного момента Р = Р ( М Н ) происходит автоматически системой. Потеря экстремума происходит при переходе из одного устойчивого состояния в другое. Во избежание скачкообразных изменений нагрузки рекомендуется принимать тарировочную зависимость напряжения питания двигателя от тока якоря при оптимуме нагрузки (рис. 3).