Метод та засіб контролю витрат кисню пальника за потоком випромінювання полум’я

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

УДК 621.7.08: 531.733

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МЕТОД ТА ЗАСІБ КОНТРОЛЮ ВИТРАТ КИСНЮ ПАЛЬНИКА

ЗА ПОТОКОМ ВИПРОМІНЮВАННЯ ПОЛУМ'Я

Ночвай

Володимир Матвійович

Вінниця

2010



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Роботу виконано у Житомирському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Петрук Василь Григорович,

Вінницький національний технічний університет, директор інституту екології та екологічної кібернетики,

завідувач кафедри екології та екологічної безпеки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кучерук Володимир Юрійович,

Вінницький національний технічний університет, професор кафедри метрології та промислової автоматики

доктор технічних наук, професор

Пістун Євген Павлович,

Національний університет "Львівська політехніка", завідувач кафедри автоматизації теплових і хімічних процесів

Захист відбудеться " 4 " 06 2010 р. о 12⁰⁰ годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК, ауд. 210.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий " 30 " 04 2010 р.

В. о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради В. С. Осадчук



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення надійності та довговічності сучасних машин та обладнання є важливою задачею машинобудування. Одним із шляхів розв'язання цієї задачі є застосування газотермічних покриттів. Фізико-механічні властивості газотермічних покриттів у значній мірі залежать від технологічних режимів їх напилювання, у тому числі від стехіометричного співвідношення кисень-горючий газ у пальній суміші, яке визначає тип полум'я пальника. При напилюванні покриттів, а також при зварюванні сталей, процес ведуть нормальним полум'ям. Якість наплавленого металу та міцність зварного шва залежить від складу полум'я, тому під час зварювання зварник повинен слідкувати за його типом, контролювати його склад на протязі всього процесу зварювання. Встановлення співвідношення кисень-горючий газ у пальній суміші пальника візуально по виду полум'я приводить до значних похибок, а відтак і низький ступінь вірогідності контролю. Методи контролю стехіометричного співвідношення кисень-горючий газ у пальній суміші пальника шляхом визначення хімічного складу продуктів згорання пальної суміші газоаналізаторами і хроматографами дають високу точність та вірогідність контролю, але вимагають багато часу на проведення аналізу, складного обладнання та висококваліфікованого персоналу.

Актуальність роботи викликана наявною проблемою, яка полягає в необхідності підвищення швидкодії засобу контролю та вірогідності контролю витрат кисню з застосуванням нескладної інструментальної бази, яка не вимагає високого рівня кваліфікації оператора. Тому розроблення методу контролю витрат кисню пальника, підвищення швидкодії засобу контролю та вірогідності контролю з одночасним зменшенням складності інструментальної бази є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в Житомирському державному технологічному університеті (ЖДТУ) у відповідності з Державною науково-технічною програмою Міністерства освіти і науки України 5.4 "Енергоефективні та ресурсоощадні технології, обладнання та матеріали для зварних конструкцій і споріднених процесів" в рамках госпдоговірних тем: "Розроблення обладнання та технології відновлення деталей запірної арматури енергетичного обладнання газотермічними методами" розділ 2 (госпдоговір № 446/294 від 01.07.2003 р.); "Розроблення, дослідження властивостей ГТП і технології їх напилювання з метою підвищення довговічності деталей трактора" № держреєстрації 01.86.01.0851.

Мета і завдання дослідження. Підвищення швидкодії та вірогідності контролю витрат кисню пальника за рахунок якісного аналізу сажового вуглецю в продуктах згорання пальної суміші шляхом вимірювання потоку випромінювання полум'я на основі розроблених методу та засобу контролю.

Для досягнення зазначеної мети виконано наступні завдання:

здійснено аналіз методів оптимізації витрат газів пальників;

виявлено характерні властивості полум'я газового пальника;

проаналізовано методи і засоби контролю спалювання газоподібних палив; спектр згорання сажовий вуглець

теоретично обґрунтовано та розроблено метод контролю витрат кисню газових пальників з застосуванням удосконаленого оптико-електронного приладу;

досліджено випромінювання полум'я пальника; теоретично обґрунтовано діапазон вимірювання потоку випромінювання твердих частинок;

виконано дослідження залежності потоку випромінювання частинок сажового вуглецю від витрат кисню;

встановлено зв'язок між напругою на виході оптико-електронного приладу (ОЕП) і потоком випромінювання твердих частинок сажового вуглецю;

удосконалено ОЕП вимірювання потоку випромінювання твердих частинок;

досліджено точність вимірювань, швидкодію удосконаленого ОЕП та вірогідність контролю витрат кисню газових пальників.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є процес контролю формування полум'я газового пальника.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є метод та засіб контролю витрат кисню пальника за потоком випромінювання полум'я.

Методи дослідження. У процесі дослідження використано загальнонаукові методи: аналізу та синтезу; абстрактно-логічний (теоретичне узагальнення, сформульовані висновки, рекомендації по проектуванню приладів вимірювання потоку випромінювання твердих частинок, рекомендації по визначенню меж допускового інтервалу та ін.). В роботі використані спеціальні методи дослідження: метод газополуменевої обробки металів для створення високотемпературного двофазного потоку газ-тверді частинки; метод теплового контролю якості при виконанні дослідження залежності потоку випромінювання полум'я пальника від витрат кисню та при виконанні контролю витрат кисню пальника; теорія вимірювань та контролю при дослідженні швидкодії засобу контролю та вірогідності контролю; теорія похибок вимірювань при виконанні статистичної обробки результатів вимірювань; метод математичного моделювання для встановлення залежності між потоком випромінювання сажового вуглецю і витратами кисню пальника.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше теоретично обґрунтовано, розроблено та експериментально досліджено метод контролю витрат кисню, які відповідають стехіометричному співвідношенню кисень-горючий газ у пальній суміші пальника, за спадом до нуля потоку випромінювання частинок сажового вуглецю, що на відміну від існуючих методів контролю витрат окислювача по вмісту газів в продуктах згорання пальної суміші, дало можливість скоротити час виконання операцій контролю з застосуванням ОЕП і встановлення нормального типу полум'я до 6 сек та підвищити вірогідність контролю (D_пр 0,931).

2. Вперше розроблено метод контролю витрат кисню газового пальника шляхом вимірювання потоку випромінювання компонентів не газової складової, а твердої фази полум'я частинок сажового вуглецю, що дало можливість спростити процес контролю витрат кисню за рахунок якісного аналізу сажового вуглецю і уникнення виконання кількісного аналізу продуктів згорання пальної суміші.

3. Удосконалено математичну модель полум'я пальника, яка, на відміну від аналогів, встановлює залежність між потоком випромінювання сажового вуглецю і витратами кисню, що дало можливість, використовуючи рівняння математичної моделі, визначати по межам допускового інтервалу для значення контрольованого параметра межі допускового інтервалу для значення інформативного параметра.

4. Дістали подальшого розвитку теоретичні дослідження спектру випромінювання складових високотемпературного двофазного потоку газ-тверді частинки, що дало можливість обґрунтувати діапазон вимірювання потоку випромінювання сажового вуглецю між смугами випромінювання газів, а також спростити структурну реалізацію ОЕП за рахунок уникнення застосування інтерференційних фільтрів.

5. Дістало подальшого розвитку встановлення зв'язку напруги на виході ОЕП з потоком випромінювання частинок сажового вуглецю в полум'ї газового пальника, що дало можливість спростити вимірювання потоку випромінювання частинок сажового вуглецю до умовних одиниць.

Практичне значення одержаних результатів. До результатів, одержаних у дисертаційній роботі і які мають практичну цінність, належать:

1) методика вимірювання потоку випромінювання твердих частинок;

2) рекомендації по проектуванню приладів вимірювання потоку випромінювання твердих частинок;

3) рекомендації по визначенню меж допускового інтервалу;

4) удосконалена конструкція ОЕП.

За безпосередньою участю автора окремі результати дисертації впроваджено:

1) у ВАТ "Західенерго" Ладижинській тепловій електростанції (м. Ладижин Вінницької обл.);

2) у Житомирській Колійній машинній станції Державного територіально-галузевого об'єднання "Південно-Західна залізниця" (м. Житомир);

3) у ВАТ "Житомирський завод огороджувальних конструкцій" (м. Житомир);

4) у навчальному процесі ЖДТУ, що підтверджується актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно або при його безпосередній участі. Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих в співавторстві, такий: в роботах [2] виконано аналіз факторів, які впливають на потік випромінювання твердих частинок, та досліджено систематичні похибки вимірювання цього потоку; [4] розроблено методику та обґрунтовано діапазон довжин хвиль вимірювання потоку твердих частинок у газовому потоці; [5] розроблено методику та теоретичне обґрунтування методу контролю та регулювання витрат кисню пальників, запропоновано діапазон довжин хвиль вимірювання потоку випромінювання частинок сажового вуглецю в полум'ї газового пальника; [6] обгрунтовано діапазон довжин хвиль та методику вимірювання потоку випромінювання твердих частинок у газовому потоці; [7] виконано оптимізацію технологічних режимів газопорошкового наплавлення з використанням ацетилену; [8] розроблено методику контролю температури частинок матеріалу напилювання у газовому струмені апарата напилювання по густині потоку випромінювання частинок, а також обґрунтовано вибір приймача потоку випромінювання; [9] досліджено спектр випромінювання складових двофазного струменя газ-тверді частинки пальника, розроблено конструкцію давача та методику вимірювання потоку випромінювання твердих частинок; [12] виконано аналіз технологічних особливостей методу контролю витрат кисню газового пальника.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались, обговорювались і отримали позитивну оцінку на наукових конференціях, семінарах та нарадах, у тому числі, на: III Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційно-комп'ютерні технології 2006" (м. Житомир, 2006 р.); VI Міжнародній науково-практичній конференції "Практична космонавтика і високі технології", присвяченої 100-річчю з дня народження академіка С.П. Корольова (м. Житомир, 2007 р.); 7-му та 8-му Міжнародних науково-технічних семінарах "Современные проблемы подготовки производства, заготовительного производства, обработки, сборки и ремонта в промышленности и на транспорте" (м. Свалява, 2007 р., 2008 р.), Всесоюзній науково-технічній нараді "Технічне обслуговування та ремонт технологічного машинобудівного обладнання в умовах переозброєння та інтенсифікації виробництва" (м. Харків, 1987 р.); Республіканській науково-технічній конференції "Повышение эффективности производства машиностроительных предприятий" (м. Душанбе, 1990 р.), науково-практичних семінарах "Упрочняющие и восстановительные покрытия деталей машин и оборудования" (м. Лієпая, 1986 р.), "Упрочняющие и защитные газотермические покрытия деталей машин и оборудования" (м. Лієпая - 1988 р., 1990 р.); науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, наукових працівників і студентів Житомирського філіалу КПІ (м. Житомир, 1988 р., 1989 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 12 роботах (4 без співавторів), у тому числі: 3 статтях у фахових виданнях; 3 патентах України на винаходи та 6 тезах доповідей на науково-технічних конференціях та семінарах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 95 найменувань та 14 додатків. Обсяг основної частини дисертації складає 149 сторінок, загальний обсяг дисертації - 218 сторінок. Робота містить 61 таблицю та 66 рисунків.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету та завдання дослідження, висвітлено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ містить аналіз методів визначення та контролю витрат кисню, які відповідають стехіометричному співвідношенню кисню та горючого газу у пальній суміші газового пальника. Показано, що всім традиційним методам оптимізації режимів роботи пальників властиві недоліки: експериментальному значна трудомісткість; експериментально-теоретичному відсутність експериментально перевірених критеріальних залежностей; теоретичному не враховується забрудненість кисню. Традиційні методи контролю витрат кисню пальників також мають недоліки: візуальний приводить до значних похибок при регулюванні витрат кисню візуально по виду полум'я; методи контролю витрат кисню шляхом визначення хімічного складу продуктів згорання пальної суміші газоаналізаторами і хроматографами мають високу точність (допустима основна похибка газоаналізаторів складає 1…2,5 % діапазону вимірювання), але вимагають багато часу проведення аналізу (тривалість контролю в межах від 5-8 хвилин до 2,5-3 годин), складного обладнання та висококваліфікованого персоналу для проведення контролю. І навіть автоматичні газоаналізатори дають не більше 20-30 аналізів за годину. По зовнішньому вигляду розрізняють три види полум'я: нормальне (нейтральне); з надлишком кисню (окислювальне); з надлишком горючого газу (збагачене вуглецем). Полум'я, до складу горючого газу якого входять вуглеводні, при неповному згоранні містить частинки вуглецю. Якщо гази, що утворюють полум'я, випромінюють селективно і енергія їх випромінювання зосереджена в більш-менш вузьких спектральних областях, то частинки сажі, випромінюють як тверді тіла та володіють суцільним спектром випромінювання з досить високим коефіцієнтом чорноти. Смуги випромінювання СО₂ з максимумами випромінювання, що відповідають довжинам хвиль: 1,9; 2,7; 4,3; 15 мкм; смуги випромінювання водяної пари з максимумами випромінювання, що відповідають довжинам хвиль 1,38; 1,87; 2,7; 6,3 мкм та смуги випромінювання, що відповідає довжині хвилі 18...75 мкм. При виконанні теплового контролю якості застосовують теплові (неселективні) та фотонні (селективні) приймачі випромінювання, які перетворюють енергію випромінювання в електричний або оптичний сигнал.

Тому дана дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми, яка полягає в необхідності підвищення швидкодії засобу контролю та вірогідності контролю витрат кисню з застосуванням нескладної інструментальної бази, яка не вимагає високого рівня кваліфікації оператора.

У другому розділі приведено: результати досліджень випромінювання струменя газ-тверді частинки; теоретичне обґрунтування методу контролю витрат кисню газового пальника; обґрунтування діапазону вимірювання потоку випромінювання твердих частинок; розроблення математичної моделі (ММ) полум'я пальника. У результаті теоретичних досліджень встановлено, що в межах видимого та інфрачервоного спектрів випромінювання є ділянки ("вікна" прозорості: 0...1,1; 3,6...4,0 мкм), де гази не випромінюють енергію, то задачу обгрунтування діапазонну вимірювання потоку випромінювання твердих частинок, вирішено шляхом вибору ділянки спектру між смугами випромінювання газів, а саме: вибрано ділянку, яка знаходиться в області спектру електромагнітних коливань з довжиною хвилі 0,5…1,1 мкм.

Крім того, інтенсивність потоку випромінювання твердих частинок в "вікні" прозорості 0...1,1 мкм має більшу величину, ніж у "вікні" прозорості 3,6...4,0 мкм. В якості приймача випромінювання застосовано кремнієвий фотодіода ФД-25К, який є селективним і його спектральна область чутливості 0,5…1,1 мкм співпадає по довжині хвилі з "вікном" прозорості, що дає можливість уникнути застосування інтерференційних фільтрів в ОЕП.

Встановлено, що при надлишку горючого газу у пальній суміші в продуктах горіння (СО, Н₂, СО₂, Н₂О) за межами ядра полум'я знаходяться тверді частинки сажового вуглецю, який не згорів внаслідок недостачі необхідної кількості кисню. Чим більша концентрація частинок сажового вуглецю в полум'ї, тим більша інтенсивність його світіння і тим вище коефіцієнт чорноти полум'я. Вироблено новий підхід при виконанні контролю витрат кисню пальника шляхом вимірювання потоку випромінювання компонентів не газової складової, а твердої фази частинок сажового вуглецю. Якісний аналіз вуглецю в продуктах згорання пальної суміші спрощує контроль витрат кисню і дає можливість підвищити швидкодію засобу контролю витрат кисню.

Приведено визначення розробленого методу контролю витрат кисню V_кс, які відповідають стехіометричному співвідношенню кисню та горючого газу у пальній суміші пальника, який полягає в тому, що при незмінних витратах горючого газу витрати кисню збільшують з кроком h і визначають величину витрат кисню V_кс за спадом до нуля величини потоку випромінювання частинок сажового вуглецю за межами ядра полум'я.

При виконанні активного контролю витрат кисню прийнято нижню

V_кН = V_кс h = = V_кс

0,5 л/хв та верхню

V_кВ = V_кс

межі допускового інтервалу для значення контрольованого параметра.

Так як значення витрат кисню V_кс невідоме до початку виконання контролю, а відоме значення вимірюваного параметра, то прийнято нижню та верхню межі допускового інтервалу для значення параметра, що вимірюють напруги на виході ОЕП.

Верхній межі допускового інтервалу для значення контрольованого параметра

V_кВ = V_кс

відповідає нижня межа допускового інтервалу для значення вимірюваного параметра U_Н = 0 В, а нижній межі допускового інтервалу для значення контрольованого параметра

V_кН = V_кс 0,5 л/хв

відповідає верхня межа допускового інтервалу для значення вимірюваного параметра U_В = 0,02 В. Результатом контролю є висновок: об'єкт непридатний (значення напруги U_і на виході ОЕП знаходиться за межами допускового інтервалу U_і U_В, при цьому V_к V_кН отримано полум'я збагачене вуглецем); об'єкт придатний (значення напруги U_і знаходиться в межах допускового інтервалу U_Н U_і U_В, при цьому V_кВ V_к V_кН, витрати кисню припиняють збільшувати, отримано нормальне полум'я). При подальшому збільшенні витрат кисню

U_і = U_Н = 0

В, але V_к V_кВ, об'єкт непридатний, отримано окислювальне полум'я.

Автором виведено рівняння, яке описує зв'язок напруги на виході ОЕП з потоком випромінювання твердих частинок і їх температурою

U_вих = _со(Ф_е / Q) (D_вх / 2f₁)² SR_зз, = _сотТ⁴(D_вх / 2f₁)² SR_зз, (1)

де _с - коефіцієнт прозорості середовища; _о коефіцієнт пропускання оптичної системи; Ф_е енергетична потужність потоку випромінювання твердих частинок, які знаходяться в полі зору ОЕП; Q площа майданчика візування; D_вх - діаметр приймальної системи ОЕП; f₁ ідстань від об'єктива ОЕП до зображення об'єкта; S інтегральна чутливість фотодіода; R_зз опір резистора зворотного зв'язку операційного підсилювача сигналу; _т повний коефіцієнт випромінювання сірого тіла; стала Стефана-Больцмана; Т температура твердих частинок.

Приведено ММ полум'я газового пальника, яке представлено як об'єкт з одним входом та одним виходом. Вхідним фактором об'єкта обрано витрати кисню, які змінювали від 5,5 до 10,0 л/хв при незмінних витратах ацетилену 9,0 л/хв, а вихідним потік випромінювання частинок вуглецю, що знаходяться в полум'ї пальника. Розроблена ММ полум'я пальника встановлює залежність між напругою на виході ОЕП та витратами кисню і описано рівнянням виду

U = 442,7 - 13800V¹ + 158225,1V² 791009,3V³ + 1461157,8V⁴, (2)

де U напруга на виході ОЕП; V витрати кисню. Оцінка адекватності ММ за критерієм Фішера показала, що модель тотожно описує полум'я пальника.

У третьому розділі приведено: результати розроблення (структурна реалізація ОЕП; проектування приймальної системи; обґрунтування вибору приймача випромінювання; розрахунок електричного сигналу на приймачі випромінювання; проектування підсилювача сигналу) та дослідження ОЕП (визначення коефіцієнта пропускання потоку випромінювання оптичної системи; перевірка умови повного використання енергії випромінювання приймачем; дослідження електричних параметрів); розроблені рекомендації по проектуванню ОЕП вимірювання потоку випромінювання твердих частинок; методика вимірювання потоку випромінювання твердих частинок.

З метою спрощення структурної схеми ОЕП і забезпечення простоти та надійності його конструкції застосовано прямий прийом оптичного випромінювання з пасивним методом роботи ОЕП. Вимірювання потоку випромінювання частинок сажового вуглецю, що знаходяться в полум'ї пальника, виконують у вузькому спектральному діапазоні електромагнітних хвиль (0,5…1,1 мкм) між смугами випромінювання газів. Крім того, в якості приймача випромінювання вибрано кремнієвий фотодіод, який є селективним і його спектральна область чутливості 0,5…1,1 мкм співпадає по довжині хвилі з діапазоном вимірювання потоку випромінювання частинок сажового вуглецю. Так як задачу оптимальної оптичної спектральної фільтрації при виділенні сигналів на тлі перешкод виконує приймач потоку випромінювання, то це дало можливість спростити структурну реалізацію ОЕП за рахунок уникнення застосування інтерференційних фільтрів

Фокусування енергії випромінювання в оптичній схемі ОЕП на чутливому елементі приймача випромінювання здійснюється оптичною системою (коефіцієнт пропускання потоку випромінювання _ос = 0,823), яка складається з об'єктива, до складу якого входять: прозора лінза (матеріал К8), діафрагма, оптичний фільтр (марки КС), який призначений для послаблення потоку випромінювання з метою захисту приймача від надмірно великих засвічувань та захисту лінзи від забруднення частинками пилу та сажі, що знаходяться в повітрі робочої зони.

Напругу електричного сигналу фотодіода розраховано графоаналітичним способом (U_с = 0,467 В). Для підсилення сигналу застосовано перетворювач струм-напруга в парі з фотодіодом, який ввімкнено у фотогальванічному режимі. Так як сигнальний струм I_ф фотодіода пропорційний освітленості Е та інтегральної чутливості фотодіода S, то напругу на виході операційного підсилювача визначено за формулою

U_вих = ESR_зз = I_фR_зз,

де R_зз опір резистора зворотного зв'язку.

У четвертому розділі приведено результати досліджень методу контролю витрат кисню пальника. При проведенні досліджень застосовано пост газополуменевого напилювання покриттів. Вимірювання потоку випромінювання частинок сажового вуглецю виконано ОЕП, який встановлено на відстані f₂ = 0,3 м від осі струменя пальника. Вимірювання напруги на виході ОЕП виконано за допомогою електровимірювального комбінованого приладу типу 43101. Проведено значну кількість експериментів при витратах ацетилену 6,6, 8, 9, 10 та 11,4 л/хв. Для вимірювання і регулювання витрат газів застосовано ротаметри мод. ДЕМ 3486011П. Початковий напрям руху робочої точки по характеристиці об'єкта вибрано в сторону збільшення витрат кисню V_к і зміну параметра виконано з кроком 0,5 л/хв. У результаті досліджень встановлено, що при збільшенні витрат кисню та при незмінних витратах ацетилену потік випромінювання частинок сажового вуглецю зменшується і відповідно зменшується напруга на виході ОЕП

При витратах кисню 7,0, 7,5 та 8,0 л/хв напруга на виході ОЕП дорівнює 0 В (див. точки 2, 3 та 4 на робочій характеристиці об'єкта). При витратах кисню 6,5 л/хв (точка 1) в полум'ї є залишки палива, так як є випромінювання вуглецю і при цьому напруга на виході ОЕП дорівнює 0,036 В. Так як 7,0 7,5 8,0 л/хв, то точка 2 відповідає найменшому значенню витрат кисню, при якому напруга на виході ОЕП дорівнює 0 В. Значення витрат кисню V_кc, яке відповідає стехіометричному співвідношенню кисню та ацетилену у пальній суміші, визначено за спадом до нуля потоку випромінювання сажового вуглецю і дорівнює 7,0 л/хв.

При виконанні контролю витрат кисню прийнято нижню U_Н = 0 В та верхню U_В = 0,02 В межі допускового інтервалу для значення параметра, що вимірюють напруги на виході ОЕП

При виконанні умови U_Н U_i U_В: витрати кисню збільшувати припиняють; витрати кисню V_кс дорівнюють 7,0 л/хв і відповідають стехіометричному співвідношенню кисню та ацетилену у пальній суміші пальника; отримано нормальне (нейтральне) полум'я; результат контролю об'єкт придатний (див. табл. 1).

Таблиця 1

Результати контролю витрат кисню пальника

Номер досліду, і	Vкі, л/хв	, В	Перевірка виконання умови UН UВ, В	Результати контролю
1	4,0	6,756	0 6,756 0,02	Об'єкт не придатний
2	4,5	5,956	0 5,956 0,02	Об'єкт не придатний
3	5,0	1,256	0 1,256 0,02	Об'єкт не придатний
4	5,5	0,956	0 0,956 0,02	Об'єкт не придатний
5	6,0	0,796	0 0,796 0,02	Об'єкт не придатний
6	6,5	0,036	0 0,036 0,02	Об'єкт не придатний
7	7,0	0	0 = 0 0,02	Об'єкт придатний

Визначено швидкодію засобу контролю витрат кисню пальника (t = 6 сек) шляхом вимірювання часу виконання операцій контролю витрат кисню. Відлік часу розпочато одночасно з виконанням першого досліду і закінчено при значенні напруги на виході ОЕП, яке знаходиться в допусковому інтервалі U_Н U U_В.

При повному згоранні газів без залишку співвідношення кисню та ацетилену у пальній суміші пальника _с = 1. Значення витрат кисню V_кс, визначене за допомогою методу контролю, більше значення витрат кисню розрахованого за формулою

V_кс = _сV_г,

так як даний розрахунок не враховує забрудненість кисню, і менше значення витрат розрахованого за коефіцієнтом _ср = 1,1…1,3, який застосовують на практиці (див. табл. 2).



Таблиця 2

Витрати ацетилену та кисню у пальній суміші нормального полум'я

Номер експери-менту	Витрати ацетилену Vг, л/хв	Витрати кисню Vкс, л/хв	Значення по результатам експериментів
		по результатам експериментів	розрахункові при ср = 1,1…1,3
1	6,6	7,0	7,26…8,58	1,061
2	8,0	8,5	8,8…10,4	1,063
3	9,0	10,0	9,9…11,7	1,111
4	10,0	10,5	11,0…13,0	1,05
5	11,4	12,0	12,54…14,82	1,053

Примітки:

1. _ср коефіцієнт розрахункового співвідношення кисню та ацетилену у пальній суміші, який застосовують на практиці.

2. _се коефіцієнт співвідношення кисню та ацетилену у пальній суміші за результатами дослідів серії експериментів.

У п'ятому розділі приведені: технологічні особливості методу контролю витрат кисню; показники точності вимірювання при контролі параметрів; оцінка вірогідності результатів вимірювального контролю. Встановлено, що сумарна систематична похибка вимірювання потоку випромінювання сажового вуглецю (_U = 0,044 В) складається з трьох складових: похибки _ф = 0,5 %, яка породжена поглинанням потоку випромінювання середовищем, що знаходиться між двофазним потоком газ-тверді частинки та ОЕП; похибки _т = 0,105 %, яка породжена випромінюванням твердих домішок в газах, що надходять в полум'я з балонними газами та з повітрям робочої зони; похибки _с = 2,5910^-11 %, яка породжена випромінюванням стороннього джерела. Систематична похибка видалена з результатів вимірювань шляхом введення поправки с = -0,044 В.

Аналіз проведених експериментальних досліджень показав, що сумарна похибка результату визначення витрат кисню під час контролю (_V = 3,9 %) складається з двох складових: випадкової похибки результату визначення витрат кисню (_vu = 7,4 %, нормальний закон розподілу), яка залежить від значення абсолютної випадкової похибки вимірювання потоку випромінювання твердих частинок; методичної похибки, яка залежить від величини кроку зміни витрат кисню (_vh = 2,5 %). Сумарну похибку результату визначення витрат кисню розраховано за методикою, приведеною в стандарті ДСТУ ГОСТ 8.207:2008. Не видалену систематичну методичну похибку розглянуто як випадкову величину, приписано закон розподілу рівномірний, границі сумарної похибки результату визначено шляхом побудови композиції розподілу випадкової і систематичної складових. Параметри закону розподілу сумарної похибки наступні: k = 1,952; _р = 2,975; = 0,580 і відповідають параметрам нормального закону розподілу.

Приведено розроблену автором методику розрахунку випадкових похибок результату визначення витрат кисню за значенням випадкової похибки результату вимірювання потоку випромінювання частинок сажового вуглецю, використовуючи рівняння ММ полум'я пальника, яке має вигляд

. (3)

де а₁, а₂, а₃, а₄, а₅ - параметри ММ полум'я пальника.

В рівнянні (3) ММ полум'я пальника надано приросту аргументу функції та приросту функції і отримано

, (4)

де U_j приріст функції; V_j приріст аргументу функції.

Абсолютна випадкова похибка результату визначення витрат кисню є приростом аргументу функції, а випадкова похибка результату вимірювань потоку випромінювання твердих частинок є приростом функції. При виконані опосередкованих вимірювань абсолютну випадкову похибку результату визначення витрат кисню, які відповідають стехіометричному співвідношенню кисню та ацетилену у пальній суміші пальника, визначено по таблиці, яку отримано шляхом табуляції рівняння (4).

Отримані результати експериментальних досліджень представлено відповідно чинним в Україні стандартам МИ 1317-86, ДСТУ ГОСТ 8.207:2008 та ДСТУ ГОСТ 8.009:2008 у виді значення величини Р і показників точності вимірювання при контролі параметрів.

В якості показників встановлено: границі, в яких з заданою ймовірністю Р = 0,95 знаходиться не видалена систематична методична похибка (_vh = 2,81 %) та сумарна похибка ( = 7,5 %); оцінки с.к.в. значення випадкової = 1,08 % і сумарної похибки %; густина розподілу ймовірностей сумарних похибок Р() = 0,152 (л/хв)^-1.

Значення абсолютної вірогідності D_абс = 0,702, яка є кількісною оцінкою вимірювального контролю, розраховано за формулою

,

де D_абс абсолютна вірогідність; Р_пр ймовірність правильного розв'язку при визначенні величини параметра; Р_{помилок} ймовірність помилкового розв'язання рішення.

Визначено густини розподілу ймовірностей параметра (P(V) = 0,186 (л/хв)^-1) та похибок

(Р() = 0,152 (л/хв)^-1).

Оцінку умовної вірогідності прийняття правильного рішення визначено за виразом



і отримано: D_пр 0,931.

Ймовірність помилкового розв'язання рішення внаслідок похибок вимірювань визначено за формулою , де б помилка першого роду; помилка другого роду і отримано: P_{помилок}= 0,149 + 0,149 = 0,298.



ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі представлено розв'язання наукової задачі контролю витрат кисню у пальній суміші пальника, який базується на залежності потоку випромінювання частинок сажового вуглецю полум'я від витрат кисню, що, відповідно до мети і завдань дослідження, відображено у таких результатах:

1. Розроблено метод контролю витрат кисню, які відповідають стехіометричному співвідношенню кисень-горючий газ у пальній суміші пальника, за спадом до нуля потоку випромінювання частинок сажового вуглецю, який забезпечує: отримання нормального полум'я пальника; високий ступінь швидкодії засобу контролю (час встановлення нормального полум'я 6 сек); достатньо високий ступінь вірогідності вимірювального контролю (D_пр 0,931).

2. У результаті досліджень встановлено, що випромінювання полум'я пальника складається з власного випромінювання атомів та молекул газів в дискретних областях спектру, суцільного спектру випромінювання частинок сажового вуглецю, що дало можливість: вимірювати потік випромінювання частинок сажового вуглецю у вузькому спектральному діапазоні електромагнітних хвиль, який розташований між смугами випромінювання газів (0...1,1 мкм); застосувати в якості приймача випромінювання кремнієвий фотодіод ФД-25К, який є селективним і його спектральна область чутливості 0,5…1,1 мкм співпадає по довжині хвилі з "вікном" прозорості; спростити структурну реалізацію ОЕП за рахунок уникнення застосування інтерференційних фільтрів.

3. Встановлено зв'язок між напругою на виході ОЕП та потоком випромінювання частинок сажового вуглецю, що дало можливість вимірювати потік випромінювання частинок сажового вуглецю в умовних одиницях та спростити конструкцію ОЕП за рахунок уникнення градуювання шкали приладу по моделі абсолютно чорного тіла.

4. Досліджено основні закономірності впливу витрат кисню на потік випромінювання сажового вуглецю в полум'ї пальника, що дало можливість виконувати контроль витрат кисню, які відповідають стехіометричному співвідношенню кисню та горючого газу у пальній суміші, за спадом до нуля потоку випромінювання сажового вуглецю.

5. Розроблено метод контролю витрат кисню газового пальника (похибка результату визначення витрат кисню 3,9 %) шляхом вимірювання потоку випромінювання компонентів не газової складової, а твердої фази полум'я частинок сажового вуглецю, що дало можливість спростити контроль витрат кисню за рахунок якісного аналізу сажового вуглецю і уникнення виконання кількісного аналізу продуктів згорання пальної суміші.

6. Розроблено ММ полум'я пальника, яка встановлює залежність між потоком випромінювання частинок сажового вуглецю та витратами кисню, що дало можливість визначати по межам допускового інтервалу для значення контрольованого параметра межі допускового інтервалу для значення інформативного параметра.

7. Так як значення контрольованого параметра витрат кисню невідоме до початку виконання контролю, а відоме значення інформативного параметра напруги на виході ОЕП, то при контролі витрат кисню застосовано нижню та верхню межі допускового інтервалу для значення інформативного параметра.

8. Розроблено методику вимірювання потоку випромінювання твердих частинок, рекомендації по проектуванню приладів вимірювання потоку випромінювання твердих частинок, рекомендації по визначенню меж допускового інтервалу.

9. Основні результати роботи знайшли практичне використання на підприємствах України (ВАТ "Західенерго" Ладижинська теплова електростанція (м. Ладижин), Житомирська Колійна машинна станція Державного територіально-галузевого об'єднання "Південно-Західна залізниця" (м. Житомир), ВАТ "Житомирський завод огороджувальних конструкцій" (м. Житомир), ЖДТУ) при виконанні газополуменевої обробки металів, що дало можливість виконувати контроль витрат кисню пальника без залучення висококваліфікованого персоналу.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ночвай В. М. Дослідження випромінювання двофазного потоку газ-тверді частинки / В. М. Ночвай // Процеси механічної обробки в машинобудуванні. Житомир : ЖДТУ, 2006. № 4. С. 6976.

2. Ночвай В. М. Дослідження систематичних похибок вимірювання потоку випромінювання твердих частинок / В. М. Ночвай, В. Г. Петрук // Вісник ЖДТУ. 2008. № 4. С. 4348.

3. Ночвай В. М. Метод контролю витрат кисню пальників по потоку випромінювання полум'я / В. М. Ночвай // Процеси механічної обробки в машинобудуванні. Житомир : ЖДТУ, 2009. № 6. С. 3040.

4. Пат. 75542 Україна, МПК GО1F 3/00. Спосіб визначення оптимальної дистанції напилювання покриттів / Ночвай В. М., Сєров В. В. ; заявник і патентовласник Житомир. держ. технол. ун-т. № 20041108891 ; заявл. 01.11.04 ; опубл. 17.04.06, Бюл. № 4.

5. Пат. 76332 Україна, МПК F23N 1/02. Спосіб контролю та регулювання полум'я газових пальників / Ночвай В. М., Сєров В. В. ; заявник і патентовласник Житомир. держ. технол. ун-т. № 20041008025 ; заявл. 04.10.04 ; опубл. 17.07.06, Бюл. № 7.

6. Пат. 77518 Україна, МПК G01F 1/76; G05D 11/00. Спосіб вимірювання витрат твердих часток у високотемпературному газовому потоці / Ночвай В. М., Сєров В.В. ; заявник і патентовласник Житомир. держ. технол. ун-т. № 20041109124 ; заявл. 08.11.04 ; опубл. 15.12.06, Бюл. № 12.

7. Данильчук Н. П. Газопорошковая наплавка деталей машин и оборудования промышленного назначения / Н. П. Данильчук, В. М. Ночвай // Техническое обслуживание и ремонт технологического машиностроительного оборудования в условиях перевооружения и интенсификации производства: Всесоюзн. науч.-техн. совещ., 2022 окт. 1987 г.: тезисы докл. М.: ВСНТО "Машпром", 1987. С. 144145.

8. Ночвай В. М. Определение оптимальной дистанции газопламенного напыления / В. М. Ночвай, В. В. Серов, А. И. Тютюнник // Повышение эффективности производства машиностроительных предприятий: Республ. науч.-техн. конф., 2324 мая 1990 г.: тезисы докл. Душанбе: ТаджикНИИНТИ, 1990. С. 110111.

9. Серов В. В. Излучение двухфазного факела и его связь с параметрами напыления / В. В. Серов, В. М. Ночвай // Праці Житомирського філіалу КПІ. Житомир: ЖФ КПІ, 1993. Вип. 1. С 176180.

10. Ночвай В. М. Встановлення зв'язку між напругою на виході пірометра та світимістю твердих частинок двофазного потоку газ-тверді частинки / В. М. Ночвай // Практична космонавтика і високі технології : VI Міжнар. наук.-практ. конф., присвяч. 100-річчю з дня народж. акад. С. П. Корольова, 911 січ. 2007 р. : тези доп. Житомир: ЖДТУ, 2007. С. 9596.

11. Ночвай В. М. Метод експрес-пошуку оптимальних параметрів газополуменевого напилювання покриттів / В. М. Ночвай // Современные проблемы подготовки производства, заготовительного производства, обработки, сборки и ремонта в промышленности и на транспорте : 7-й Междунар. науч.-техн. семинар, 20-22 фев. 2007 г.: тезисы докл. К.: АТМ Украины, 2007. С. 148149.

12. Ночвай В. М. Технологічні особливості методу контролю оптимальних параметрів газополуменевого напилювання покриттів / В. М. Ночвай, В. Г. Петрук // Современные проблемы подготовки производства, заготовительного производства, обработки, сборки и ремонта в промышленности и на транспорте : 8-й Междунар. науч.-техн. семинар, 26-28 фев. 2008 г.: тезисы докл. К.: АТМ Украины, 2008. С. 187189.



АНОТАЦІЯ

Ночвай В.М. Метод та засіб контролю витрат кисню пальника за потоком випромінювання полум'я. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2010.

Дисертацію присвячено підвищенню швидкодії та вірогідності контролю витрат кисню, які відповідають стехіометричному співвідношенню кисень-горючий газ у пальній суміші пальника, на основі розробленого методу та удосконаленого приладу. Виконано аналіз методів та засобів контролю витрат кисню пальника. Досліджено спектри потоку випромінювання продуктів згорання пальної суміші. Обґрунтовано діапазон вимірювання потоку випромінювання твердих частинок. Удосконалено математичну модель полум'я пальника.

Досліджено залежність потоку випромінювання частинок сажового вуглецю від витрат кисню пальника.

Встановлено зв'язок напруги на виході приладу з потоком випромінювання твердих частинок. Удосконалено та досліджено оптико-електронний прилад вимірювання потоку випромінювання частинок сажового вуглецю. Розроблено методику вимірювання потоку випромінювання твердих частинок, рекомендації по проектуванню приладів вимірювання потоку випромінювання твердих частинок та рекомендації по визначенню меж допускового інтервалу. Обґрунтовано, розроблено та експериментально досліджено метод контролю витрат кисню пальника з застосуванням удосконаленого приладу. Визначено швидкодію та вірогідність контролю, оцінено похибки вимірювання потоку випромінювання твердих частинок та похибки результату визначення витрат кисню.

Ключові слова: швидкодія засобу контролю, вірогідність контролю, метод контролю, витрати кисню, стехіометричне співвідношення, потік випромінювання, сажовий вуглець, оптико-електронний прилад.



АННОТАЦИЯ

Ночвай В.М. Метод и средство контроля расхода кислорода горелки за потоком излучения пламени. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 Приборы и методы контроля и определения состава веществ. Винницкий национальный технический университет, Винница, 2010.

Диссертация посвящена повышению быстродействия и достоверности контроля расхода кислорода, который соответствует стехиометрическому соотношению кислород-горючий газ в горючей смеси горелки, за потоком излучения пламени на основе разработанного метода и усовершенствованного прибора.

В работе выполнен анализ существующих методов оптимизации расхода газов горелки, анализ методов и средств контроля расхода кислорода горелки, показаны их недостатки и необходимость усовершенствования. В частности показано, что методы контроля расхода кислорода путем определения химического состава продуктов сгорания газоанализаторами и хроматографами требуют много времени проведения анализа, сложного оборудования и высококвалифицированного персонала для проведения контроля.

Исследовано строение пламени газовой горелки, его свойства и спектры потока излучения продуктов сгорания горючей смеси. Газы, которые формируют пламя, излучают селективно и энергия их излучения сосредоточена в более или менее узких спектральных областях, а частицы сажевого углерода дают сплошной спектр излучения с довольно высоким коэффициентом черноты. Теоретически обоснован диапазон измерения потока излучение твердых частиц между полосами излучения газов и показано, что применение селективного приемника потока излучение упрощает конструкцию оптико-электронного прибора.

Выполнен анализ теплового контроля качества продукции и средств его организации и определены направления его усовершенствования.

Рассмотрена математическая модель пламени горелки, которая устанавливает зависимость между концентрацией частиц сажевого углерода в пламени и коэффициентом излишка воздуха, и предложена усовершенствованная модель, которая устанавливает зависимость между потоком излучения сажевого углерода и расходом кислорода. Предложено, используя уравнения модели, определять по границам допускового интервала для значения контролируемого параметра границы допускового интервала для значения информативного параметра.

Выполнены исследования зависимости потока излучения частиц сажевого углерода от расхода кислорода горелки; выведено уравнение, которое описывает связь напряжения на выходе оптико-электронного прибора с потоком излучения твердых частиц. Показано, что измерение потока излучения твердых частиц сажевого углерода целесообразно выполнять в условных единицах.

Усовершенствован и экспериментально исследован оптико-электронный прибор измерения потока излучения частиц сажевого углерода. Обоснован прямой метод приема оптического излучения с пассивным методом работы оптико-электронного прибора и выбор селективного приемника потока излучения. Приведены результаты проектирования приемной системы, усилителя сигнала, расчет электрического сигнала на приемнике излучения и основные технические характеристики усовершенствованного оптико-электронного прибора. Исследованы электрические параметры оптико-электронного прибора, определен коэффициент пропускания потока излучения оптической системы и выполнена проверка условия полного использования энергии излучения приемником.

Теоретически обоснован, разработан и экспериментально исследован метод контроля расхода кислорода, который соответствует стехиометрическому соотношению кислород-горючий газ в горючей смеси горелки, за спадом к нулю потока излучения частиц сажевого углерода. Показано, что контроль расхода кислорода целесообразно выполнять путем измерения потока излучения компонентов не газовой составляющей, а твердой фазы пламени частиц сажевого углерода. Показано, что выполнение качественного анализа сажевого углерода в продуктах сгорания горючей смеси, повышает быстродействие средства контроля, упрощает процесс контроля и конструкцию оптико-электронного прибора.

Предложена методика измерения потока излучения твердых частиц. Приведены рекомендации по проектированию приборов измерения потока излучения твердых частиц и рекомендации по определению границ допускового интервала.

Проведены экспериментальные исследования разработанного метода контроля расхода кислорода с применением усовершенствованного оптико-электронного прибора. Определены быстродействие средства контроля, достоверность контроля и точность результата определения расхода кислорода, который соответствуют стехиометрическому соотношению кислород-горючий газ в горючей смеси горелки. Расчеты показывают, что в результате разработки метода контроля расхода кислорода с применением усовершенствованного оптико-электронного прибора значительно сокращено время установления нормального типа пламени.

Исследованы метрологические характеристики разработанного метода контроля расхода кислорода. Оценены погрешности измерения потока излучения твердых частиц и погрешности результата определения расхода кислорода.

Ключевые слова: быстродействие средства контроля, достоверность контроля, метод контроля, расход кислорода, стехиометрическое соотношение, поток излучения, сажевый углерод, оптико-электронный прибор.



ABSTRACT

Nochvaj V.M. The Method and Facility of Checking of the Oxygen Consumption of Burner by Means of the Flame Flow Radiation. Amanuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences in speciality 05.11.13 Instruments and methods of checking and determination of composition of materials. Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2010.

The thesis is devoted to increase a speed and validity of checking of the oxygen consumption, which satisfies a stoichiometric ratio of the oxygen - combustible gas in the burner's gas mixture, on the base of the developed method and improved instrument.

The analysis of methods and facilities of checking a consumption of oxygen of burner was carried out. The spectrums of the radiant flux of the gas mixture's combustion products were investigated. The measurement range of the radiant flux of solid particles was justified. The mathematical model of the gas torch flame was improved.

The dependency of the particles' radiant flux of a smut carbon from the oxygen consumption of the gas torch was investigated. The relation between the output voltage and solid particles' radiant flux was found. The optoelectronic instrument for the measurement of the radiant flux of the smut carbon solid particles was enhanced and investigated. The measuring technique of the solid particles' radiant flux, the prompts on design of the instruments for measurement of the solid particles' radiation flux and the prompts on determination of borders of the interval of allowed values were developed. The speed and checking validity were determined, the inaccuracy of measurements of the solid particles' radiant flux and errors of the results of the oxygen consumption determination were identified.

Key words: checking facility speed, validity of checking, method of checking, oxygen consumption, stoichiometric ratio, radiant flux, smut carbon, optoelectronic instrument.

Размещено на Allbest.ru

...