Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

УДК 001.891.573: 681.78

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Автоматичні рефрактометри для систем керування переробкою рідких продуктів

Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Долина Віктор Георгійович

Вінниця - 2007

Дисертацією є рукопис контроль автоматичний рефрактометр

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Теленик Сергій Федорович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” завідувач кафедри автоматики та управління в технічних системах

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кузьмук Валерій Валентинович, Інститут інформаційних та моделюючих технологій “ІМТ” (м. Київ) генеральний директор

доктор технічних наук, професор Кожем'яко Володимир Прокопович Вінницький національний технічний університет завідувач кафедри лазерної та оптоелектронної техніки

Захист відбудеться 12 жовтня 2007 р. о 12:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: м. Вінниця вул. Хмельницьке шосе, 95, к. 205, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: м. Вінниця вул. Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий 10 вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради C.М. Захарченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У наш час проблема комплексної автоматизації у різних галузях народного господарства є однією з ключових. Її розв'язання відноситься до одного з приоритетних напрямків науково-технічної політики кожної країни. Розв'язання цієї проблеми нерозривно пов'язане з впровадженням комплексних систем автоматизації, розробкою принципово нових вимірювальних систем і комплексів, що базуються на сучасних досягненнях науки і техніки, використовують нові способи одержання, оброблення і відображення інформації.

У 1990 році в Україні виробництво цукру із цукрових буряків складало 5,3 млн. тонн, з яких 3,4 млн. тонн експортувалося до республік колишнього Радянського Союзу. У 2004 році виробництво цукру із цукрових буряків склало всього 1,79 млн. тонн, що становить 34 відсотки проти рівня виробництва 1990 року і забезпечує тільки потреби внутрішнього ринку.

Перед країною постала загроза втрати буряко-цукрової галузі. Із 191 цукрового заводу в 2004 році не працювало 71 підприємство, з яких 37 уже порізано на металобрухт. Внаслідок ліквідації заводів держава втратила більше 400 тисяч робочих місць. Національна асоціація цукровиробників України (НАЦУ) "Укрцукор", яка об'єднує вітчизняні цукрові заводи, вихід із цієї кризової ситуації вбачає у впровадженні в цукровій галузі енергозберігаючих технологій. Розробляються шляхи залучення коштів, у тому числі бюджетних. Оскільки сьогодні більшість цукрових заводів працюють на газі, постійне зростання його вартості значно підвищує собівартість виробленої продукції. Частка витрат на газ при виробництві цукру в 2005 році склала 11,7%. За розрахунками НАЦУ, при підвищенні цін на газ до $110 / тис. куб. м. частка витрат складе 15,1%, при $140 - 18,2%, $230 - 21%.

Для зменшення споживання цукровими заводами палива, на думку асоціації, у першу чергу необхідно впровадити комплекс короткострокових заходів, націлених на послідовне удосконалення технологічних процесів. На думку НАЦУ, на ці заходи необхідно витратити близько 350 млн. грн., чи близько 3 млн. грн. на кожен цукровий завод у залежності від його потужності. В той же час для проведення довгострокових заходів, що припускають заміну застарілого устаткування, впровадження комплексних сучасних енергозберігаючих технологій тощо, необхідно близько 250 млн. грн. на кожен завод.

Для подолання кризової ситуації кабінет міністрів України прийняв комплексну програму реструктуризації і розвитку буряко-цукрової галузі на період до 2010 року.

Таким чином розробка та впровадження систем управління процесом виробництва цукру з використанням нових комплексів контролю параметрів технологічних процесів є нагальною потребою в масштабах України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота була виконана в НТУУ “КПІ” з 2002 по 2006 роки в рамках таких науково-дослідних робіт:

· Математичні моделі рефрактометрів на основі прозорих циліндричних елементів - держбюджетна робота. Тема №2504 Ф, № держреєстрації НДР 0102U000825, код КВНТД I.1 01.05.04, УДК 001.891.573: 681.78, строки виконання з 01.01.2002 по 31.12.2003.

· Математичні моделі перетворювачів чистоти рідких продуктів на основі кондуктометричних та рефрактометричних методів. Тема № 2706Ф, № держреєстрації НДР 0104U000738, код КВНТД I.1 01.05.04, УДК 001.891.573: 681.78, строки виконання з 01.01.2004 по 31.12.2005.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності процесів переробки рідких продуктів завдяки розробці точних та стабільних засобів контролю вмісту сухих речовин у цих продуктах.

Об'єктом дослідження є процеси переробки рідких продуктів, які потребують постійного контролю вмісту сухих речовин у цих продуктах.

Предметом дослідження є клас автоматичних рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів.

Основні задачі дослідження відповідно до поставленої мети полягають у наступному

1. Дослідити процеси перероблення рідких продуктів, обґрунтувати необхідність створення пристрою для автоматичного вимірювання і контролю вмісту сухих речовин в цих процесах.

2. Провести огляд існуючих способів вимірювання і контролю вмісту сухих речовин та визначити найбільш ефективний і придатний для використання в АСУ ТП.

3. Розробити та теоретично дослідити математичну модель проходження світла крізь прозорі порожнисті циліндри та математичну модель первинного перетворювача автоматичного рефрактометра на основі прозорих порожнистих циліндрів.

4. Дослідити вплив дестабілізуючих факторів на передавальні характеристики рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів.

5. Синтезувати структуру автоматичного рефрактометра з використанням нових розроблених структурних методів зменшення похибок, обумовлених впливом дестабілізуючих факторів на передавальні характеристики первинного перетворювача рефрактометра.

6. Розробити алгоритм функціонування та управляючий автомат рефрактометра на основі прозорих порожнистих циліндрів.

7. Експериментально дослідити автоматичний рефрактометр в умовах виробництва.

8. Синтезувати модальний регулятор для випарної станції на основі рефрактометричних вимірювань у складі АСУ керування процесом перероблення рідких продуктів.

Методи дослідження. У роботі використовуються методи математичної фізики, зокрема оптики (для створення і дослідження моделі первинного перетворювача) та термодинаміки (для дослідження впливу температури на передавальну характеристику первинного перетворювача рефрактометра), дискретної математики (для визначення алфавітів та створення регулярних рівнянь, що описують процес функціонування рефрактометра), теорії графів (для побудови графів управляючого автомату), теорії автоматів (для синтезу управляючого автомату рефрактометра). Також застосовуються методи планування та проведення експериментів (для експериментального дослідження автоматичних рефрактометрів). Для обробки отриманих результатів були використані методи статистичного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Запропоновано нові структурні методи підвищення точності автоматичних рефрактометрів, які дозволили зменшити вплив дестабілізуючих факторів: температури вимірюваної рідини та навколишнього середовища, забруднення чутливого елементу на результати вимірювання вмісту сухих речовин у рідинах.

2. Розроблено і теоретично досліджено математичну модель первинного перетворювача вмісту сухих речовин на основі прозорого порожнистого циліндра (ППЦ), що дозволило обґрунтувати конструктивне виконання автоматичних рефрактометрів

3. Досліджено вплив температури та відхилень геометричних параметрів ППЦ на передавальні характеристики рефрактометрів на основі ППЦ, що дозволило запропонувати нові структурні способи підвищення точності автоматичних рефрактометрів.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення результатів, які одержано в роботі, полягає у тому, що на їх основі розроблено клас автоматичних рефрактометрів, які дозволяють поліпшити ефективність керування енергоємними процесами важливого класу. Розроблений комплекс пристроїв може бути використаний на підприємствах з переробки рідких продуктів як елемент АСУ ТП, а запропоновані моделі та методи в науково-дослідних та проектно-конструкторських організаціях, пов'язаних із автоматизацією технологічних процесів.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. У роботах, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: [1] - математична модель проходження світла крізь кварцові трубки; [3] - математична модель первинного перетворювача рефрактометра на основі прозорих порожнистих циліндрів; [4] - математична модель та конструкція первинного перетворювача показника заломлення рідини; [5,6] - розробка структури пристрою та алгоритму функціонування; [7] - математичні моделі проходження світла крізь прозорі труби; [8] - математична модель проходження світла крізь кварцові труби; [9] - дослідження математичних моделей заявленого способу для умов цукрового виробництва; [10] - розробка структури системи керування цукровим виробництвом на основі використання автоматичних рефрактометрів; [11] - розробка структурної схеми автоматичного рефрактометра та підхід до розробки його функціональної та принципової схем; [12] - дослідження математичних моделей проходження світла крізь кварцові трубки; [13] - рекомендації щодо удосконалення структури автоматичного рефрактометра на основі математичної моделі проходження світла крізь прозорі порожнисті елементи та їх обґрунтування.

Апробація результатів дисертації Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на таких конференціях:

· 10-а Міжнародна конференція з автоматичного управління, ”Автоматика - 2003” (м. Севастополь, 2003р.);

· 11-а Міжнародна конференція з автоматичного управління, ”Автоматика - 2004” (м. Київ, 2004р.);

· 12-а Міжнародна конференція з автоматичного управління, ”Автоматика - 2005” (м. Харків, 2005р.);

· П'ята науково-технічна конференція “ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи” (м. Київ 2006р.);

Публікації Матеріали дисертації оприлюднені у 14 наукових працях, у тому числі 4 статтях у наукових фахових виданнях, тезах 4 доповідей на наукових конференціях і 5 патентах України.

Структура дисертації. Дисертація включає вступ, 4 розділи, висновки й додатки. Повний обсяг дисертації 166 стор., з них: 22 стор. - рисунків, 7 стор. - таблиці, 11 стор. - список літератури, 11 стор. - додатків. Дисертація містить посилання на 122 використаних джерел, 58 рисунків, 10 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі наведено загальну характеристику роботи, розкрито її актуальність, сформульовано завдання дослідження, методи їхнього вирішення. Визначено наукову новизну та практичну цінність роботи, представлено дані про апробацію і впровадження результатів досліджень.

У першому розділі проведено огляд технологічних процесів переробки рідких продуктів і показано, що вимірювання вмісту СР у рідинах є невід'ємною частиною технологічних процесів у багатьох галузях. У зв'язку з тим, що цукрова промисловість України знаходиться у кризовому становищі, було вирішено проводити дослідження на її прикладі. Найбільш впливовим параметром технологічного процесу цукрового виробництва є вміст СР у соках та сиропах. Показано, що цей параметр необхідно контролювати на протязі всього процесу виробництва цукру. Підтримання цього параметра на заданому рівні дозволяє максимально знизити втрати цукру і підвищити ефективність використання енергоносіїв, що є важливою задачею, тому що виробництво цукру є дуже енергоємним технологічним процесом.

У зв'язку з тим, що вміст СР і щільність рідин лінійно залежні величини, проведено аналітичний огляд існуючих методів вимірювання щільності і вмісту сухих речовин у рідинах. Огляд показав, що деякі методи практично дуже важко автоматизувати, певні методи непридатні для використання в умовах цукрового виробництва, або вони мають ряд суттєвих недоліків, які впливають на точність і стабільність роботи пристроїв, в яких ці методи реалізовані. Найбільш придатним було визнано рефрактометричний метод як найбільш ефективний для випадків непрозорих кольорових рідин, рідин що можуть містити у собі нерозчинні частки.

Проведено огляд існуючих методів рефрактометричного визначення вмісту СР у рідинах. Їх можна поділити на такі, де світло перетинає шар вимірюваної рідини і такі, де світло не перетинає шар вимірюваної рідини. Серед другого типу рефрактометричних методів було обрано метод з використанням ефекту повного внутрішнього відбиття, як такий, що є більш ефективним і простим в реалізації. Зроблено висновок про необхідність проведення досліджень щодо можливості створення автоматичного рефрактометра на основі ППЦ.

Розглянуто існуючі структурні способи реалізації автоматичних рефрактометрів для вимірювання вмісту сухих речовин у рідинах і визначено їхні сильні і слабкі сторони, що дозволить в подальшому розробити структуру автоматичного рефрактометра для АСУ ТП.

У другому розділі досліджено проходження світла крізь прозорі порожнисті циліндри. Визначено наявність трьох зон для аналізу проходження променя скрізь ППЦ. В першій зоні промінь, проходячи крізь стінку ППЦ, проникає всередину порожнини ППЦ. В другій зоні промінь проникає в ППЦ та зазнає ефекту повного внутрішнього відбиття від внутрішньої стінки ППЦ. В третій зоні промінь проходить крізь стінку ППЦ не торкаючись внутрішньої стінки. Отримано залежності кута виходу променя з ППЦ від показників заломлення ППЦ і рідини всередині ППЦ , геометричних розмірів ППЦ (внутрішнього радіуса та зовнішнього радіуса ) та відстані від місця входу променя до осі ППЦ :

для зони 1 -

, (1)

для зони 2 -

, (2)

для зони 3 -

. (3)

На основі залежностей (1) - (3) розроблено математичну модель первинного перетворювача рефрактометра на основі ППЦ

(4)

Виконано аналіз матеріалів, придатних для виготовлення ППЦ, який показав, що показник заломлення матеріалу має бути більшим, ніж максимальне значення показника заломлення вимірюваної рідини у всьому діапазоні вимірювання. Зі збільшенням різниці між показником заломлення матеріалу ППЦ і максимальним значенням показника заломлення рідини збільшується лінійність передавальної характеристики первинного перетворювача. У разі дослідження рідин, які містять у собі тверді нерозчинні частки, варто звертати увагу також на твердість матеріалу ППЦ, аби нерозчинні частки у рідині не пошкоджували внутрішню поверхню ППЦ.

Для визначення можливостей створення на базі одержаної моделі автоматичних рефрактометрів проведено дослідження впливу на розроблену модель дестабілізуючих факторів, а саме температури, забруднення, геометричних параметрів ППЦ, які показали, що:

· Вплив геометричних параметрів на передавальну характеристику первинного перетворювача носить систематичний характер і може бути врахований у результатах вимірювання або усунений за допомогою процедури калібрування автоматичного рефрактометра.

· Вплив температури на значення для реального пристрою, створеного на базі цього первинного перетворювача, практично неможливо врахувати у випадку, коли температура рідини всередині ППЦ відмінна від температури самого ППЦ. Тому для створення автоматичного рефрактометра важливо забезпечити рівність температур ППЦ та рідини, що до нього подається за допомогою додаткових елементів в структурі автоматичного рефрактометра.

· Вплив забруднення внутрішньої стінки ППЦ на передавальну характеристику ППЦ носить систематичний характер, але, у зв'язку з тим, що забруднення у певних випадках застосування рефрактометра можуть бути непрозорими, кольоровими, мають властивість поступово накопичуватись, необхідно передбачити можливість врахування впливу забруднень у алгоритмі функціонування пристрою та забезпечити можливість автоматичного очищення внутрішньої стінки ППЦ.

Розроблено методику розрахунку геометричних параметрів первинного перетворювача рефрактометра на основі ППЦ, яка дозволяє визначити необхідні внутрішній та зовнішній діаметри ППЦ, положення випромінювача, розміри отвору у щілинному обмежувачі випромінювання (необхідний для зменшення впливу зон 1 і 3 проходження променя скрізь ППЦ на передавальну характеристику первинного перетворювача), розмір і положення фотоприймача.

Третій розділ присвячено розробці автоматичного рефрактометра на основі ППЦ.

Розроблено структурну схему автоматичного рефрактометра на основі ППЦ. Розроблено нові структурні способи зменшення впливу забруднення внутрішньої стінки ППЦ і температури на передавальну характеристику первинного перетворювача автоматичного рефрактометра за допомогою регулювання яскравості випромінювача.

Структурна схема автоматичного рефрактометра з урахуванням результатів виконаних досліджень має вигляд.

На базі структурної схеми побудовано функціональну схему. Обрано елементну базу та розроблено схеми електричні принципові, друковані плати та складальні креслення електричних блоків автоматичного рефрактометра.

Розроблено алгоритм функціонування автоматичного рефрактометра, на базі якого синтезовано універсальний управляючий автомат рефрактометра. Вхідний, вихідний алфавіти та алфавіт станів автомата наведено відповідно у таблицях 1 - 3. Таблиця переходів автомата наведена у таблиці 4.

Таблиця 1 Вхідний алфавіт управляючого автомата Х

Подія	Опис події
Х1	Поточний час досягнув Т0
Х2	Поточний час досягнув Т1
Х3	Поточний час досягнув Т2
Х4	Поточний час досягнув Т3
Х5	Поточний час досягнув Т4
Х6	Поточний час досягнув Т5
Х7	Поточний час досягнув Т6
Х8	Окремий лічильник кількості вимірювань досягнув Т7, або результат калібрування яскравості випромінювача незадовільний.
Х9	Температура рідини всередині ППЦ зрівнялась з температурою зовні ППЦ (температурою рідини, яка стабілізує температуру)
Х10	Збільшення лічильника на 1
Х11	Вимірювання виконано
Х12	Попередні обчислення
Х13	Остаточні обчислення після вимірювання води
Х14	Остаточні обчислення після вимірювання досліджуваної рідини
Х15	Закінчення остаточних обчислень
Х16	Початок отримування таблиць констант з УАПП
Х17	Повернення на початок циклу вимірювання
Х18	Неможливо провести калібрування одразу після промивання кислотою
Х19	Перехід до вводу даних з клавіатури
Х20	Таблиці констант змінено.
Х21	Необхідне відновлення таблиць констант з енергонезалежної пам'яті.
Х22	Поточний час досягнув Т8
Х23	Поточний час досягнув Т9
Х24	Результати калібрування яскравості випромінювача задовільні

Таблиця 2 Алфавіт вихідних сигналів управляючого автомата Y

Сигнал	Опис сигналу
Y1	Очікування настання часу T0. (Очікування початку подачі води до ППЦ).
Y2	Очікування настання часу T1. (Відбувається подача до ППЦ води.)
Y3	Очікування настання часу T2 (Закінчення подачі до ППЦ води).
Y4	Очікування стабілізації температури, щоб почати вимірювання.
Y5	Очікування настання часу T3. (Вимірювання води.)
Y6	Очікування настання часу T4. (Очікування початку подачі досліджуваної рідини до ППЦ.)
Y7	Очікування настання часу T5. Відбувається подача до ППЦ досліджуваної рідини.
Y8	Очікування настання часу T6 (Закінчення подачі до ППЦ досліджуваної рідини).
Y9	Калібрувальні обчислення.
Y10	Неможливо відкалібрувати випромінювач одразу ж після промивання кислотою.
Y11	Збереження таблиць констант у енергонезалежну пам'ять.
Y12	Отримання таблиць констант по УАПП.
Y13	Калібрувальні обчислення.
Y14	Вимірювання.
Y15	Попередні обчислення результатів вимірювання.
Y16	Остаточні обчислення результатів вимірювання вмісту СР у воді.
Y17	Остаточні обчислення результатів вимірювання вмісту СР у досліджуваній рідині.
Y18	Вивід результатів на РКІ та у наступний рівень системи управління технологічним процесом.
Y19	Обробка клавіатури.
Y20	Промивання ППЦ кислотою, очікування часу Т8.
Y21	Витримування ППЦ з кислотою всередині, очікування часу Т9.
Y22	Промивання ППЦ водою після кислоти, очікування часу Т10.
Y23	Відновлення таблиць констант з енергонезалежної пам'яті.

Таблиця 3 Алфавіт внутрішніх станів автомата, який керує автоматичним рефрактометром

Стан	Опис стану
1	Очікування настання часу T0. (Очікування початку подачі води до ППЦ).
2	Очікування настання часу T1. (Відбувається подача до ППЦ води.)
3	Очікування настання часу T2 (Закінчення подачі до ППЦ води).
4	Очікування стабілізації температури, щоб почати калібрування.
5	Вимірювання параметрів води для калібрування.
6	Калібрувальні обчислення.
7	Очікування настання часу T3. (Вимірювання води.)
8	Вимірювання параметрів води
9	Попередні обчислення параметрів води
10	Остаточні обчислення параметрів води
11	Очікування настання часу T4. (Очікування початку подачі досліджуваної рідини до ППЦ.)
12	Очікування настання часу T5. Відбувається подача до ППЦ досліджуваної рідини.
13	Очікування настання часу T6 (Закінчення подачі до ППЦ досліджуваної рідини).
14	Очікування стабілізації температури, щоб почати вимірювання.
15	Вимірювання параметрів рідини
16	Попередні обчислення параметрів рідини
17	Остаточні обчислення результатів вимірювання вмісту СР у досліджуваній рідині.
18	Вивід результатів на РКІ та у наступний рівень системи управління технологічним процесом, перевірка на час T7
19	Обробка клавіатури.
20	Отримання таблиць констант по УАПП.
21	Промивання ППЦ кислотою, очікування часу Т8.
22	Витримування ППЦ з кислотою всередині, очікування часу Т9.
23	Промивання ППЦ водою після кислоти, очікування часу Т10.
24	Неможливо відкалібрувати випромінювач одразу ж після промивання кислотою. Видача повідомлення
25	Збереження таблиць констант у енергонезалежну пам'ять.
26	Відновлення таблиць констант з енергонезалежної пам'яті.

Таблиця 4 Таблиця переходів автомата, який керує автоматичним рефрактометром

/	Y1	Y2	Y3	Y4	Y14	Y9	Y5	Y14	Y15	Y16	Y6	Y7	Y8	Y4	Y14	Y15	Y17	Y18	Y19	Y12	Y20	Y21	Y22	Y10	Y11	Y23
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26
Х1	2
Х2		3
Х3			4
Х4							8
Х5											12
Х6												13
Х7													14
Х8																		21
Х9				5										15
Х10	1	2	3	4	5		7	8			11	12	13	14	15	16	17	18			21	22	23	24
Х11					6			9							16
Х12						5			8							15
Х13									10
Х14																17
Х15										11							18
Х16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16			16	16	16	16	16	16
Х17																		1					1		1	1
Х18					24
Х19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19			19	19	19	19	19	19
Х20																			25	25
Х21																			26
Х22																					22
Х23																						23
Х24						7

У четвертому розділі синтезовано модальний регулятор для випарної станції на основі рефрактометричних вимірювань. Модель системи управління випарною станцією у пакеті MATLAB 6.5 представлена на рис. 4. Розроблений автоматичний рефрактометр здійснює вимірювання вихідної величини і його коефіцієнт передачі прийнятий рівним 1.

З графіку видно, що у коридорі 1% час перехідного процесу tпп складає 3735 с або приблизно 62 хв. Стала похибка не перевищила 0.01 %. Перерегулювання відсутнє. Це дозволяє стверджувати, що у разі використання рефрактометрів в структурі АСУ ТП переробки рідких продуктів, зокрема цукрової галузі, можливо підвищити кількість і якість продукту виробництва за рахунок зменшення втрат цукру та оптимізувати використання енергоносіїв, що дозволить зменшити витрати палива на їхнє отримання.

Проведено експериментальні дослідження автоматичного рефрактометра в умовах виробництва, які показали, що:

· при вимірюванні вмісту СР у напоях на заводі безалкогольних напоїв і порівнянні результатів вимірювання розробленого рефрактометра з результатами вимірювання лабораторного рефрактометра типу RFM (точність вимірювання вмісту СР у рідинах 0,03%) максимальне відхилення показань розробленого рефрактометра склало 0.12%, випадкова похибка не перевищує 0.02%;

· при вимірюванні вмісту СР у соках і сиропах на цукрових заводах і порівнянні результатів вимірювання розробленого рефрактометра з результатами вимірювання лабораторного рефрактометра типу РПЛ-4 (точність вимірювання вмісту СР у рідинах 0,2%) максимальне відхилення показань розробленого автоматичного рефрактометра склало 0.27%, випадкова похибка склала 0.09%.

Виходячи з цих даних, можна говорити про стабільність і точність розробленого пристрою, що дозволяє використовувати його в структурі АСУ ТП.

Висновки

1. Проведено огляд технологічних процесів переробки рідких продуктів і показано, що вимірювання вмісту СР у рідинах є невід'ємною частиною технологічних процесів у багатьох галузях. У зв'язку з тим, що цукрова промисловість України знаходиться у кризовому становищі, було вирішено проводити дослідження на її прикладі. Найбільш впливовим параметром технологічного процесу цукрового виробництва є вміст СР у соках та сиропах, у зв'язку з тим, що він пов'язаний з випарюванням, а виробництво цукру є дуже енергоємним. Підтримання цього параметра на заданому рівні дозволяє максимально знизити втрати цукру і підвищити ефективність використання енергоносіїв.

2. Проаналізовано існуючі методи вимірювання вмісту СР у рідких продуктах, з яких обрано найбільш придатний - рефрактометричний. Проведено огляд існуючих рефрактометричних методів вимірювання вмісту СР і визначено, що не існує рефрактометрів на основі циліндричних призм. Проведено класифікацію рефрактометричних способів вимірювання вмісту СР у рідких продуктах. Розглянуто існуючі структурні способи реалізації автоматичних рефрактометрів та визначено їхні недоліки і переваги.

3. Розроблено моделі проходження світла крізь прозорий порожнистий циліндр (ППЦ). Проведено дослідження отриманої моделі проходження світла крізь ППЦ, яке показало, що існує безпосередня залежність між показником заломлення рідини, що знаходиться всередині ППЦ, і максимальним кутом виходу променя з ППЦ. З використанням розробленої моделі проходження світла крізь ППЦ створено модель первинного перетворювача рефрактометра на основі ППЦ. Це відкрило шлях до створення автоматичного рефрактометра на основі ППЦ для використання в АСУ ТП.

4. Виконано дослідження впливу геометричних параметрів ППЦ та дестабілізуючих факторів, а саме температури і забруднення внутрішньої стінки ППЦ, на передавальну характеристику первинного перетворювача рефрактометра. Розроблено структуру автоматичного рефрактометра, придатного до використання в АСУ ТП, з використанням структурних методів зменшення впливу температури і забруднення внутрішньої стінки ППЦ на результати вимірювань вмісту СР у рідинах.

5. З урахуванням розробленої структури автоматичного рефрактометра створено узагальнений алгоритм його функціонування. На базі алгоритму синтезовано універсальний управляючий автомат рефрактометра, що дозволяє ефективно використовувати автоматичний рефрактометр в АСУ ТП, функціонування яких пов'язане з визначенням вмісту СР у непрозорих, забруднених нерозчинними частками рідинах.

6. Проведено експериментальні дослідження автоматичного рефрактометра в умовах виробництва, які показали, що:

при вимірюванні вмісту СР у напоях на заводі безалкогольних напоїв і порівнянні результатів вимірювання розробленого рефрактометра з результатами вимірювання лабораторного рефрактометра типу RFM (точність вимірювання вмісту СР у рідинах 0,03%) максимальне відхилення показань розробленого рефрактометра склало 0.12%, випадкова похибка не перебільшила 0.02%;

при вимірюванні вмісту СР у соках і сиропах на цукрових заводах і порівнянні результатів вимірювання розробленого рефрактометра з результатами вимірювання лабораторного рефрактометра типу РПЛ-4 (точність вимірювання вмісту СР у рідинах 0,2%) максимальне відхилення показань розробленого автоматичного рефрактометра склало 0.27%, випадкова похибка склала 0.09%.

Виходячи з цих даних можна говорити про стабільність і точність розробленого пристрою, що дозволяє використовувати його в структурі АСУ ТП.

7. Як зразок використання автоматичного рефрактометра в структурі АСУ ТП переробки рідких продуктів, проведено синтез модального регулятора для випарної станції. За допомогою пакету MATLAB 6.5 було промодельовано отриману систему з регулятором, що показало придатність використання автоматичних рефрактометрів у структурі АСУ ТП переробки рідких продуктів, зокрема цукрової галузі, завдяки чому можливо підвищити кількість і якість продукту виробництва за рахунок зменшення втрат цукру і його кольоровості та оптимізувати використання енергоносіїв, що дозволить зменшити витрати палива на їхнє отримання.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гришко В.Ф., Долина В.Г. Автоматизированная система контроля геометрических параметров кварцевых труб // Вестник Харьковского национального технического университета: Сб. науч. трудов. - Харьков, 2005. - Вип. 55. - С.75-80.

2. Долина В.Г. Передавальні характеристики первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів // Вістник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету: Зб. наук. праць. - Харків, 2005. - Вип. 30. - С.247-249.

3. Теленик С.Ф., Гришко В.Ф., Долина В.Г. Моделі первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів // Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси і системи: Зб. наук. праць. - Херсон, 2005 - №1(15) - С.124 - 139.

4. Гришко В.Ф., Долина В.Г. Вимірювачі вмісту сухих речовин і концентрації рідких продуктів з діелектричними властивостями // Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. Серія “Приладобудування”: Зб. наук. праць. - Київ, 2006.- Вип. 32. - С.18-25.

5. Патент України № 66630, МПК7 G01N21/41, Пристрій для вимірювання показника заломлення // В.Ф. Гришко, В.Г.Долина. (Україна). - Заявлено 13.08.03; Опубл. 17.05.04. Бюл. № 5, 2004.

6. Патент України № 10377, МПК7 G01N21/41, Пристрій для вимірювання показника заломлення // В.Ф. Гришко, В.Г.Долина. (Україна). - Заявлено 19.04.05; Опубл. 15.11.05. Бюл. № 11, 2005.

7. Патент України № 11268, МПК7 G01B21/10, Пристрій для вимірювання геометричних розмірів прозорих труб // В.Ф. Гришко, В.Г. Долина, Г.А. Аракелян, О.Ф. Варваров, О.П. Колосова, Д.Н. Нагорна, Н.В. Ярош. (Україна). - Заявлено 17.06.05; Опубл. 15.12.05. Бюл. № 12, 2005.

8. Патент України № 11269, МПК7 G01B21/10, Пристрій для вимірювання геометричних розмірів кварцових труб // В.Ф. Гришко, В.Г. Долина, Г.А. Аракелян, О.Ф. Варваров, О.П. Колосова, Д.Н. Нагорна, Н.В. Ярош. (Україна). - Заявлено 17.06.05; Опубл. 15.12.05. Бюл. № 12, 2005.

9. Патент України № 12431, МПК(2006) G01N21/41, G01N27/30, Спосіб вимірювання концентрації речовин у середовищах // В.Ф. Гришко, В.Г. Долина, Д.В. Заможний, Ю.П. Кудін, Д.Ю. Сіньков. (Україна). - Заявлено 17.06.05; Опубл. 15.02.06. Бюл. № 2, 2006.

10. Гришко В.Ф., Долина В.Г. Автоматизация технологических процессов сахарного производств // Автоматика - 2003: 10-я Международная конференция по автоматическому управлению. Севастополь, 15-19 сентября 2003г. - Севастополь, 2003. - Т.2. - С.20-21.

11. Гришко В.Ф., Долина В.Г. Автоматический рефрактометр для выпарных установок. // Автоматика - 2004: 11-а Міжнародна конференція по автоматичному управлінню. Київ, 27-30 вересня 2004р. - Київ, 2004. - Т.2.- C.17.

12. Гришко В.Ф., Долина В.Г. Автоматизированная система контроля геометрических параметров кварцевых труб // Автоматика - 2005: 12-а Міжнародна конференція з автоматичного управління. Харків, 30 травня - 3 червня 2005р. - Харків, 2005. - Т.2. - C.59-60.

13. Гришко В.Ф., Долина В.Г. Оптичні вимірювачі вмісту сухих речовин і чистоти рідких продуктів // Приладобудування 2006: стан і перспективи: 5-а науково-технічна конференція. Київ, 25-26 квітня 2006р. -Київ 2006. - С.74-75.

Анотації

Долина В.Г. Автоматичні рефрактометри для систем керування переробкою рідких продуктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця- 2007.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності процесів переробки рідких продуктів шляхом розробки точних та стабільних засобів контролю вмісту сухих речовин у цих продуктах.

Проведено огляд процесів переробки рідких продуктів. Показано, що для побудови ефективних систем управління необхідно проводити вимірювання вмісту сухих речовин у рідинах. Обґрунтовано використання автоматичних рефрактометрів для вимірювання вмісту сухих речовин у рідких продуктах. Розроблено математичну модель первинного перетворювача рефрактометра на основі прозорих порожнистих циліндрів та проведено її дослідження щодо можливості створення рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів. Побудовано структуру автоматичного рефрактометра. Синтезовано управляючий автомат рефрактометра. Проведено експериментальні дослідження автоматичного рефрактометра в умовах виробництва. Синтезовано модальний регулятор для системи керування випарною станцією на основі рефрактометричних вимірювань.

Ключові слова: рефрактометр, вміст сухих речовин, управління, цукрове виробництво, прозорі порожнисті циліндри, вимірювач щільності, математичні моделі рефрактометра.

Dolyna V.G. Automatic refractometers for liquid products processing technological processes. - А manuscript.

Thesis for candidate of technical science degree in speciality 05.13.05 - Elements and devices of the computing mashinery and control systems. - Vnnytsia national technical university, Vinnytsia - 2007

The thesis is devoted to increase of liquid products processing processes efficiency by development of precise and stable means of control of solids content in these products.

The review of liquid products processing processes is conducted. It was showed that for construction of the effective control systems it is necessary to measure of solids content in liquids. Proved the use of automatic refractometers for measuring solids content in liquid products.

The mathematical model of the sensing device of refractometer is developed based on transparent hollow cylinders and conducted its research in relation to possibility of creation of refractometers based on transparent hollow cylinders. The structure of automatic refractometer is developed. The control automaton of refractometer is synthesized. Experimental researche of automatic refractometer was conducted in the manufacturing environment. The modal regulator for evaporating station control system based on refractometric measurings was synthesized.

Keywords: refractometer, solids content, control, sugar production, transparent hollow cylinders, densimeter, refractometer mathematical models.

Долина В.Г. Автоматические рефрактометры для систем управления переработкой жидких продуктов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Винницкий национальный технический университет, Винница - 2007.

Диссертация посвящена повышению эффективности процессов переработки жидких продуктов путем разработки точных и стабильных средств контроля содержания сухих веществ в этих продуктах.

Проведен обзор технологических процессов переработки жидких продуктов и показано, что измерение содержания сухих веществ (СВ) в жидкостях есть неотъемлемой частью технологических процессов во многих областях промышленного производства.

Проанализированы существующие методы измерения содержания СВ в жидких продуктах, из которых выбран наиболее пригодный для автоматизации технологических процессов - рефрактометрический. Проведен обзор существующих рефрактометрических методов измерения содержания СВ и определено, что не существует рефрактометров на основе цилиндрических призм. Проведена классификация рефрактометрических способов измерения содержания СВ в жидких продуктах. Рассмотрены существующие структурные способы реализации автоматических рефрактометров и определены их недостатки и преимущества.

Разработаны модели прохождения света сквозь прозрачный полый цилиндр (ППЦ). Проведены исследования полученной модели прохождения света сквозь ППЦ, которые показали, что существует непосредственная зависимость между показателем преломления жидкости, которая находится внутри ППЦ, и максимальным углом выхода луча из ППЦ. При этом, угол выхода луча будет максимальным для луча, который испытает явление полного внутреннего отражения. С использованием разработанной модели прохождения света сквозь ППЦ создана модель первичного преобразователя рефрактометра на основе ППЦ.

Выполнены исследования влияния геометрических параметров ППЦ и дестабилизирующих факторов: температуры и загрязнения внутренней стенки ППЦ на передаточную характеристику первичного преобразователя рефрактометра.

Показано, что влияние отклонений геометрических параметров на результаты преобразования является систематическим и может быть устранено с помощью процедуры калибрования рефрактометра. Предложено приводить температуру исследуемой жидкости, которая подается в ППЦ, и первичного преобразователя к одному значению. Рассчитано возможное влияние загрязнения внутренней стенки ППЦ на результаты измерений и предложено добавить к алгоритму работы рефрактометра операцию промывания ППЦ, которая также может использоваться для калибрования устройства в процессе эксплуатации.

Разработана структура автоматического рефрактометра, предназначенного для использования в АСУ ТП. Предложены новые структурные методы уменьшения влияния температуры и загрязнения внутренней стенки ППЦ на результаты измерений содержания СВ в жидкостях. Также выбрана элементная база, спроектированы схемы электрические принципиальные, сборочные чертежи и чертежи печатных плат вторичного и первичного преобразователей.

Разработан обобщенный алгоритм функционирования рефрактометра. На базе алгоритма синтезирован универсальный управляющий автомат рефрактометра, повышающий эффективность использования автоматического рефрактометра в АСУ ТП, функционирование которых связано с определением содержания СВ в непрозрачных, загрязненных нерастворимыми частицами жидкостях.

Проведены экспериментальные исследования автоматического рефрактометра в условиях производства, которые дают возможность говорить о стабильности и точности разработанного устройства и пригодности его для использования в структуре АСУ ТП.

Проведен синтез модального регулятора для выпарной станции. Моделирование полученной системы с регулятором подтвердило целесообразность использования автоматических рефрактометров в структуре АСУ ТП переработки жидких продуктов, в частности в сахарном производстве, поскольку при этом повышаются количество и качество продукта за счет уменьшения потерь сахара и его цветности, а также уменьшаются энергетические потери.

Ключевые слова: рефрактометр, содержание сухих веществ, управление, сахарное производство, прозрачные полые цилиндры, измеритель плотности, математические модели рефрактометра.

Размещено на Allbest.ru

...