Разработка методов и систем автоматического контроля при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Воробьева, Алла Викторовна

• Воробьева, Алла Викторовна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воробьева, Алла Викторовна

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение_

Обзор методов контроля и управления технологических процессов производства вин, насыщенных диоксидом

углерода_

Контроль уровня жидкостей в технологических

резервуарах_

Контроль расхода жидкостей_

Анализ радиофизических параметров технологических

жидкостей_

Характеристика радиофизических методов измерений _ 24 Электрофизические параметры технологических

жидкостей_

Анализ технологических объектов и выбор методов

контроля уровня_

Анализ технологических объектов и выбор методов

контроля расхода_

Разработка радиофизических методов контроля уровня жидкостей в технологических резервуарах_

2.1. Методы построения уровнемеров жидкостей__39

2.1.1. Корреляционный метод__3

2.1.2. Методы измерений на основе отрезков длинных линий__45

2.2. Методы построения инвариантных уровнемеров__61

2.2.1. Время-частотный метод и конструкции датчиков__64

2.2.2. Время-амплитудный метод и конструкции датчиков__72

2.2.3. Фазо-частотный метод и конструкции датчиков__78

2.2.4. Методы измерений с применением тестовых сигналов__84

Глава 3. Радиофизические методы контроля расхода

жидкостей__96

3.1. Резонансные методы___96

3.1.1. Конструкция П-образных волноводных резонаторов__98

3.1.2. Применение одно - торцевых волноводных резонаторов__105

3.2. Доплеровский метод__109

3.2.1. Частотный метод__111

3.2.2. Фазо - частотный метод__120

3.3. Корреляционный метод__127

3.4.

Косвенный метод определения расхода по изменению

Глава 4.

4.1.

4.2.

4.2.1.

4.3.

4.4.

5.

6. 7.

уровня жидкости в резервуаре

Применение радиоволновых датчиков уровня и расхода

в системах автоматического процесса производства

вин, насыщенных диоксидом углерода_

Первичная обработка информации_

140

140

Применение программируемых микропроцессорных

модульных систем для контроля и регулирования

расхода и уровня

152

Программное обеспечение автоматических систем

контроля

156

Разработка автоматических систем контроля и регулирования уровня и расхода бродильной смеси_

158

Применение радиоволновых датчиков и

программируемых микропроцессорных модулей в

автоматизированных

системах

управления

процесса производства вин, насыщенных диоксидом

углерода_

Заключение

Литература

Приложения

168

174

176

184

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и систем автоматического контроля при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода»

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач, стоящих при автоматизации технологического процесса, является достижение заданного режима, для обеспечения требуемого качества продукта.

Процесс автоматизации при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода в непрерывном потоке заключается в обеспечении постоянства потоков, соблюдении заданных значений давления, температуры, измерения количественных параметров (расход и уровень) при перекачке и закачке в резервуары и постоянный контроль за другими технологическими параметрами, поскольку ставится задача получения готового продукта, характеризующего высокими показателями качества.

Технологическое оборудование для производства вин, насыщенных диоксидом углерода в непрерывном потоке оснащается приборами и средствами автоматизации, позволяющими наиболее полно удовлетворять требованиям технологии и безопасности обслуживания, а также существенно облегчает работу персонала.

Управление процессом осуществляется в едином потоке с автоматическим регулированием и контролем технологических параметров, обеспечивающих максимальную производительность оборудования при высоком качестве получаемого продукта.

Актуальность проблемы. При автоматизации процесса производства вин, насыщенных диоксидом углерода (шампанского, игристых вин), важное

место занимает контроль технологических параметров: уровень вещества в емкости, расход вещества, перемещаемого по трубопроводам.

Применяемые в настоящее время средства контроля запасов технологических жидкостей в резервуарах с поплавковыми, кондуктометрическим и иными известными датчиками уровня, не отвечают требованиям современного производства. Поэтому необходимо разработать новые методы определения уровня и расхода технологических веществ, в процессе производства шампанского, игристых вин и др.

Проведенный анализ показал, что, отсутствуют эффективные технические решения для бесконтактного контроля уровня и расхода. Поэтому могут быть применены методы, основанные на принципе взаимодействия электромагнитных волн высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов частот с контролируемыми объектами.

Целью работы является разработка конструкции датчиков и автоматических систем контроля в процессе производства вин, насыщенных диоксидом углерода.

Основные задачи исследования:

• Анализ радиофизических методов и разработка на их основе средств для контроля уровня жидкостей в технологических емкостях производства вин, насыщенных диоксидом углерода;

• Выбор радиофизических методов и средств контроля расхода жидкостей в технологических трубопроводах;

• Разработка систем автоматического контроля и регулирования технологических параметров при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода;

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы технической электродинамики, теории радиоволнового метода измерения неэлектрических величин, теории инвариантности измерительных устройств и имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан корреляционный метод контроля уровня жидкостей, основанный на возбуждении электромагнитных колебаний в объеме технологического резервуара в фиксированном диапазоне частот.

2. Предложен способ автоматического контроля уровня жидкостей в резервуарах, основанный на возбуждении электромагнитных колебаний в объеме технологической емкости в фиксированном диапазоне частот (корреляционный метод), в отрезках длинной линии (частотный, рефлектометрический методы).

3. Разработаны новые технические решения построения инвариантных двухканальных уровнемеров жидкостей, с отрезками длинных линий (частотный, амплитудный, фазо - частотный методы). Предложены структурные схемы инвариантных уровнемеров.

4. Разработан метод контроля расхода жидкостей в технологических трубопроводах: резонансный метод (с применением волноводных

резонаторов с упругими торцевыми стенками); доплеровские методы ( частотный, фазо - частотный), корреляционный метод. Разработан косвенный метод определения расхода по изменению уровня жидкости в технологической емкости. Для реализации этих методов разработаны соответствующие схемы расходомеров жидкостей.

5. Предложены системы автоматического контроля технологических параметров при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода, на основе современных микропроцессорных технологий и программного обеспечения, реализующих функции аппаратно-программного интерфейса между технологическим процессом и управляющей вычислительной машиной.

Практическая ценность работы: разработаны эффективные методы автоматической системы контроля, которые позволяют измерить уровень и расход при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода. Предложенные методы автоматической системы контроля этих параметров могут найти применение и в других отраслях пищевой промышленности.

Реализация результатов диссертационной работы. Разработанные в диссертации методы и автоматические системы контроля технологических параметров внедрены на Крымском винзаводе.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Приборостроение - 97», на конференциях профессорско - преподавательского состава Московского государственного

института пищевой промышленности. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ по Госбюджетной теме (код ГАСНТИ: 65.01.81) «Разработка научных основ радиофизических методов контроля и управления технологических процессов пищевых производств». По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе получено три положительных решения на выдачу патентов России на изобретение.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)», Воробьева, Алла Викторовна

9. Результаты работы могут быть использованы при разработке современных эффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами при производстве шампанского и игристых вин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ электрофизических характеристик различных типов технологических жидкостей, на основании которого развиты методы контроля, применимые при автоматизации процесса производства вин, насыщенных диоксидом углерода.

2. Исследованы резонансный, импульсный, частотные методы контроля, позволившие разработать конструкции радиофизических уровнемеров, а также уровнемеров построенных на принципах инвариантности к электрофизическим параметрам контролируемых жидкостей.

3. Предложены устройства, основанные на резонансном, доплеровском и корреляционном методах для бесконтактного измерения расхода технологических жидкостей, характеризующихся высокой чувствительностью и точностью.

4. Предложен метод определения расхода жидкостей, основанный на измерении уровня в производственных резервуарах, связанных с технологическими трубопроводами.

5. Разработаны динамические программно-имитационные модели автоматических систем контроля и регулирования уровня и расхода вин, насыщенных диоксидом углерода, позволяющие проводить их отладку в имитационном режиме с учетом требований реального технологического процесса и используемого технологического оборудования.

6. Разработана система автоматического контроля и регулирования уровня участка непрерывной шампанизации вина на базе программируемых микропроцессорных модульных систем.

7. Разработана система автоматического контроля и регулирования расхода участка непрерывной шампанизации вина на базе программируемых микропроцессорных модульных систем.

8. Рассмотрены варианты размещения радиофизических датчиков на реальном технологическом оборудовании, участка непрерывной шампанизации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воробьева, Алла Викторовна, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоматизация технологических процессов пищевых производств/ под ред. Е.Б.Карпина, - 2-е изд.; перераб. И доп. -М.:Агропромиздат,1985, - с.318-332.

2. Авт.свидетельство 489960 СССР, МКИ: G01F 23/28. Способ измерения уровня диэлектрических сред / В.А.Викторов, Б.В.Лункин, С.С.Радугин и др.//Открытие. Изобретение. 1975, № 40.

3. Авт.свидетельство 553472 СССР, МКИ: G01F 23/28. Инвариантный уровнемер/ В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков // Открытие. Изобретение. 1977, № 13.

4. Авт.свидетельство 553472 СССР, МКИ: G01 F 23/28. Инвариантный резонансный уровнемер / В.А.Викторов, Б.В.Лункин, Н.И.Новиков //Открытие. Изобретение. 1977 № 13.

5. Аксенов В.Н., Солганик Г.З., Троегубов А.И. Емкостные уровнемеры для электропроводных и неэлектропроводных сред //Механизация и автоматизация производства. - 1979. - № 5. - с. 13-15.

6. Андронов И.В. Измерение расхода жидкостей и газов. - М.: Энергоиздат. 1981. - 86 с.

7. Аношин И.М., Мержаниан A.A. Физические процессы виноделия. -М.: Пищевая промышленность, 1976.

8. Бальцер С., Абайдуллин Р, Красных В. «Опыт автоматизации производства спирта» 1/96, - с: 58-60

9. Бирюков Б.В., Данилов М.А., Кивилис С.С. Точные измерения расхода жидкостей. - М.: Машиностроение. 1977. - 144 с.

Ю.Бобровников Г.Н. , Катков А.Г. Методы измерения уровня. -М.¡Машиностроения. 1977. - 168 с.

П.Бобровников Г.Н., Новожилов Б.М., Сарафанов В.Г. Бесконтактные расходомеры. - М.: Машиностроение. 1985. - 128 с.

12.Буренин П.В., Куприянов B.JL, Черномырдин С.И. Радиолокационные импульсные уровнемеры // Приборы и системы управления. - 1996. - № 10. - с. 31 - 33.

1 З.Викторов В.А. Резонансный метод измерения уровня. - М.: Энергия. 1969.-192 с.

Н.Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С.Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. -М .:Наука. 1978. -280 с.

15.Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков A.C. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука. 1980. - 280 с.

16.Викторов В. А., Лункин Б.В., Совлуков A.C. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат. 1989. - 208 с.

17.Гагарин М.А., Джабраилов А.Д., Оруджев А.О. Анализ некоторых методов контроля качества тепловой обработки вин//Виноград и вино России. - 1993. - №6. - с. 17-18.

18.Глотов Е.В., Федоров B.JT. Конверсионная продукция: комплекс ультразвуковых приборов контроля и регулирования уровня жидких сред // Приборы и системы управления. - 1996. - №8. - с. 26 - 27.

19.Данилевский A.C., Черниченко JI.A., Лебедев C.B., Маликов В.Т. Определение электропроводности мезги, сусла и вина// Виноделие и виноградорство СССР. - 1974. - №2. - с. 37-40.

20.Дзилиев А., Хасянов А., Потапов А. Радарные уровнемеры промышленного назначения. Проблемы серийного выпуска // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 1998. - № 3 - 4. - с. 35 - 7.

21.Дозировочные и синхродозировочные электронасосные агрегаты. Каталог. - М.: ЦИНТИ химнефтемаш. 1980. - 37 с.

22.Измерительная техника. 1980. - № 2. - с. 37 - 39.

23.Каданер Я.Д., Ананин И.А., Архангельский Ю.С. и др. Изучение диэлектрических свойств продуктов пивобезалкогольной промышленности в диапазоне СВЧ// Электронная обработка материалов. - 1973. - №1. - с. 73-75.

24.Казаков A.B. Автоматизированные системы управления производством. - М.:МИХМ, 1976, - с. 21-38

25.Карпенко Е. Устройство связи с объектом: модули фирмы GRAYHILL. //Современные технологии автоматизации. 1/96, - с. 28-.

26.Карпенко Е. Устройство связи с объектом: модули фирмы Analog Devices.//CoBpeMeHHbie технологии автоматизации. 1/97, - с.6-11

27.Кашин М., Корнеев К. Средства автоматизации совместимые с продукцией фирмы Octagon Systems, 4/98, с.6-12.

28.Керстен И.О. Измерение расхода воздуха и воды на шахтах: Справочник. - М.: Недра. - 1993. - 138 с.

29.Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л.: Машиностроение, 1975.

30.Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - М. - Л.: Машиностроение. 1989. - 702 с.

31.Кугушев A.M., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники (Линейные электромагнитные процессы). -М.: Энергия, 1969.

32.Кузнецов А. SCADA-системы. Современные технологии автоматизации. 1/96. С.32-35

33.Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. - М.: Машиностроение. 1983. - 424 с.

34.Кутепов Ю.В. Радиочастотные измерители уровня // Цент научно-технической информации «Поиск». Серия 4. - № 118. - 1989. - 44 с.

35.Кухаркин A.M. Основы инженерной электрофизики. -М.: Высшая школа, 1969. 4.1.

36.Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Под ред. Н.Д.Девяткова. - М.: Высшая школа. - 1970.

37.Локатков А. Устройство связи с объектом. Модули фирмы ADV ANTECH. Современные технологии автоматизации. 2/97 с.32-4.

38.Мейнке X., Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1960.-т. 1.

39.Моисеенко Д.А., Ломакин В.Ф., Тохмачин Н.С. Поточно-автоматизированные линии производства виноматериалов. - М.: Легкая промышленность. 1983. - 129 с.

40.Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. -М.: Наука, 1973.

41.Патент 3939406 США, НКИ:324-58.5 Microwave fluid flow meter/ T.R.Billeter, L.D.Phillipp, R.R.Schemmel. - 1976.

42.Петров Б.Н., Викторов В.А.,Лункин Б.В., Совлуков A.C. Принципы инвариантности в измерительной технике. -М .:Наука,1976. -244 с.

43.Петров И.К., Солошенко М.М., Царьков В.А. Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности. - М.: Легкая и пищевая промышленность. 1981. -416 с.

44.Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50 - 213 - 80. - М.: Стандарты. 1982. -318с.

45.Приборы для измерения и контроля уровня. Каталог. Предприятие «Контакт - 1», г. Рязань.

46.Проспекты фирмы Laaser.

47.Родионова В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП. -М.:Высшая школа, 1989, - с.87-111.

48.Руководство пользователя "6В Series User's Manual 98-018 5307 AC 1383" Analog Devices. 1998.

49.Семенов H.A. Техническая электродинамика. - M.: Связь, 1973.

50.Справочник по виноделию. - М.: Пищевая промышленность, 1973.

51.Сорокин С. "IBM PC в промышленности". Современные технологии автоматизации, 1/96, с.6-13.

52.Сорокин С. "Micro PC и РС/104: два подхода". Современные технологии автоматизации. 1/96. С. 16-22.

53.Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах (Справочное руководство). — М.: Физматгиз, 1963.

54.Установка для беспроливной градуировки электромагнитных расходомеров «Поток - 4». Проспект выставки. - М.: НИИ Теплоприбор. 1983.

55.Ферментная и спиртовая промышленность. 1982. - № 7. - с. 28 - 29.

56.Френкель Б.А. Измерение расхода жидкостей и газов в малотоннажных производствах и на экспериментальных установках. Обзорная информация // Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность. Серия: Автоматизация и контрольно-измерительные приборы в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. 1989. Вып. 6.

57.Цейтлин В.Г. Техника измерения расхода и количества жидкостей, газов и паров. - М.: Стандарты. 1981. - 192 с.

58.Цикерман Л.Я., Ефремов Е.А. Классификация приборов измерения уровня жидких и сыпучих сред по принципам действия // В кн.: «Приборы и средства автоматизации». - 1963. -№ 5.-с.3-19.

59.Ширман Я. Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. -М.:Связьиздат, 1959.

60.Bailey S.J. Level sensing technology rises to logistic demand // Control Engineering. - 1986. - Vol. 33. - № 7. - P. 73 - 76.

61 .Belsterling Ch.: A. A. look at level measurement methods//Instruments & Control Systems. - 1981. - № 4. - P. 37 - 45.

62.Billeter T.R. Composite temperature - pressure measurement instrument for advanced reactor // EEE Transactions on Nuclear Science. - 1972. Vol.NS- 19. № 1. P. 814-819.

63.Ellerbruch D.A. Microwave methods for cryogenic liquid and slush instrumentation // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. -1970. Vol. IM-19. - № 4. - P.412 - 416.

64.Georgopolons P. Capacitive and conductive level control //PACE. - 1994. -Vol. 47.-№2.-P. 30-32.

65.Peat J. Level instrumentation // Process Engineering. - 1984. - Vol.65. -№ 11.-P. 70-71.

66.Schuler E.L. Measuring level with RF admittance // Sensors. - 1989. -Vol. 6. - 1989. - Vol. 6. - № 8. - P. 43 - 51.

61 .Strohmann G. Atp - Marktanalyse. Füllstandmeßtechnik // Automatisierungstechnische Praxis. - 1992. Bd. 34.- № 6, - S. 299 - 313; № 7, - S. 384 - 394.