Оценка пылеобразующих свойств зерновой массы

Зерновая пыль является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на взрыво-пожароопасность зерновых элеваторов и терминалов.

Для изучения в лабораторных условиях исходных пылеобразующих свойств проб зерновой массы и выявления влияния на эти свойства различных физико-химических методов связывания зерновой пыли разработан специальный испытательный стенд.
Конструкция испытательного стенда предусматривает продолжительное принудительное пересыпание исследуемой пробы зерновой массы с включенной в нее пылью, в результате чего происходит переход зерновой пыли во взвешенное состояние и витание этой пыли в воздухе, заполняющем внутренний объем пересыпающей камеры. Камера оснащена специально разработанными средствами оценивания количества витающей в ней пыли, которые позволяют проводить измерения и регистрацию в условных единицах текущей запыленности контрольного участка воздушной среды. Необходимость разработки указанных специальных средств контроля вызвана тем, что применение стандартных методов оценки концентрации пыли в воздухе пересыпающей камеры представляется невозможным ввиду незначительности массы исследуемой зерновой пробы и объема контрольной камеры относительно небольшого количества зерновой пыли, выделяющейся из этой ограниченной пробы зерна.

Кроме этого, стандартный метод, предусматривающий длительное просасывание исследуемого воздуха через пылевой фильтр с последующим повторным взвешиванием фильтра, позволяет получать только интегральные оценки и не позволяет исследовать динамические характеристики пылевыделения, в то время как характер движения взвешенных пылевых частиц в контрольной зоне пересыпающей камеры лабораторного стенда имеет существенную нестационарность.

Разработанный нами для решения задачи комплект измерительных средств обеспечивает двухпараметровый контроль показателя, характеризующего концентрацию пыли в воздухе контрольного участка пересыпающей камеры. В качестве этих двух параметров приняты следующие:

- количество пыли в воздухе, измеряемое посредством датчика пыли GP2Y1010AUOF. Принцип действия датчика состоит в измерении интенсивности рассеивания инфракрасного светодиодного излучения на частичках пыли, попадающих в контрольный проходной канал датчика - выходной сигнал датчика импульсно-аналоговый;

- лазерный визуализатор пыли, в котором осуществляется визуальное отображение светового шнура, образованного рассеиванием на частичках пыли сфокусированного когерентного монохроматичного луча твердотельного лазера, просвечивающего контрольный участок, через который выдувается витающая в камере пыль.

Оба названных показателя основаны на схожих оптических эффектах рассеивания светового потока, однако, у каждого из них имеются определенные особенности.

Так, в датчике пыли измерение осуществляется в закрытом для наблюдения оптическом канале, встроенном в датчик, а сам датчик разработан изготовителем именно для измерения концентрации пыли в воздухе и имеет настраиваемую калибровку по этой концентрации. Выходной сигнал указанного датчика характеризует концентрацию пыли в воздухе непосредственно в зоне расположения контрольного отверстия проходного канала датчика.

Лазерный визуализатор пыли, в отличие от описанного датчика, имеет открытую для наблюдения оптическую зону, причем в длину эта зона перекрывает значительное пространство контрольного участка пересыпающей камеры и сама оценка такой запыленности осуществляется с высоким пространственно координатным разрешением. Непосредственно визуализация светового шнура и его видео-регистрация осуществляется посредством цифровой видеокамеры с подсистемой регистрации. Такая система лазерной визуализации плотности пыли в воздухе обеспечивает высокую наглядность и может быть, при необходимости, дополнена видеографической обработкой и компьютерной тарировкой.

Таким образом, результаты цифровых измерений, выраженные в условных единицах, можно сопоставлять с визуально наблюдаемыми и синхронно регистрируемыми процессами витания подсвеченной лазером пыли.

Причем, в отличие от датчика пыли, дающего показания для ограниченной зоны оптического канала, лазерно-оптическая система позволяет наблюдать в динамике распределение концентрации пыли по пространственной координате. Т.е. цифровые показания датчика пыли могут быть сопоставлены с визуальной картинкой на экране монитора.

Для более полного представления принципа работы датчика пыли GP2Y1010AUOF ниже приведены некоторые данные из его технической документации [2].

Блок схема указанного датчика с чувствительным элементом в виде скрещенного под углом 60 градусов открытого оптического канала со встречно размещенными ИК излучателем-приемником, представлена на рис.1. На рис. 2, 3 представлены: временная диаграмма управления каналом засветки контрольного промежутка воздушной среды в измерительном канале и диаграмма обработки импульсного сигнала засветки, рассеиваемого на частичках пыли.

 
На рис.  4 представлена  нормированная  передаточная характеристика: амплитуда импульсного выходного сигнала датчика - концентрация пыли в воздушном контрольном промежутке датчика.

 
На  рис. 5,  6  приведены  геометрические размеры  (в  миллиметрах)  и внешний вид датчика.

Сам описанный датчик является только первичным преобразователем концентрации пыли в воздухе. Для обеспечения возможности его использования в измерительной системе изготовлен вторичный прибор, в котором реализовано формирование регламентированных документацией датчика сигналов, подаваемых на вход формирователя импульсов засветки датчика, а также измерение амплитуды импульсов, генерируемых фотодиодом в соответствии с вышеприведенной диаграммой. Также, задачей вторичного прибора является индикация измеренных значений, их цифровая обработка и передача по протоколу ModBus в систему регистрации.

Указанный вторичный прибор реализован на базе программируемого микроконтроллера Atmega8 и двухстрочного жидкокристаллического индикатора Winstarl602.
Датчик описанного измерителя концентрации пыли размещен на участке свободного витания пыли, выделяющейся в воздух в результате пересыпания пробы зерна.

Схема испытательного лабораторного стенда приведена на рис. 7.
 

Обозначения к рис. 7:
1 — цифровая видеокамера;
2 — сектор обзора видеокамеры;
3 — верхняя крышка реакторной камеры;
4 — ограничительная диафрагма;
5 — реакторная камера (вращение вокруг поперечной оси);
6 — несущий корпус (вращение вокруг продольной оси);
7 — направление вращения;
8 — привод вращения;
9 — твердотельный лазерный излучатель;
10 — датчик пыли;
11  — сфокусированный луч лазера;
12 — ограничительная перегородка — экран;
13 — зерновая проба;
14 — неподвижная опора;
] 5 — нижняя крышка реакторной камеры;
16 — опора скольжения;
17 — муфта скольжения.
Рис.7. Схема испытательного лабораторного стенда
 
Пересыпающая камера 5, в которой размещается исследуемая проба зерна, выполнена в виде вертикального отрезка трубы диаметром 100 мм. В верхней и нижней части камеры 5 имеются крышки 3 и 15, через одну из которых в камеру загружается (и выгружается) зерновая проба. Пересыпающая камера 5 имеет крестообразное сочленение с горизонтальным участком трубы того же диаметра, выполняющим функцию несущего корпуса 6, установленного на опорах скольжения 16 и вращающегося вокруг продольной оси посредством электропривода 8. Сам электропривод закреплен на неподвижном основании 14. На этом же неподвижном основании 14 закреплен противоположный торец корпуса 6, соединяющийся с вращающейся частью корпуса через кольцевую муфту скольжения 17. Для предотвращения выхода зерна за пределы вертикального отреза трубы (камеры) 5 при его поперечном вращении - в зоне сопряжения корпуса 6 с камерой 5 установлены ограничительные диафрагмы.

Датчик пыли 10 закреплен на кронштейне и расположен в зоне выхода пыли из камеры 5. Проходной измерительный канал датчика пыли имеет вертикальную ориентацию для свободного прохождения через него витающей пыли.

Твердотельный лазерный излучатель 9 и цифровая видеокамера 1 закреплены на неподвижном торце корпуса. Лазерный луч 11 пронизывает все горизонтальное пространство корпуса, проходя и через пересыпающую камеру и формируя световую точку на ограничительной перегородке - экране. Сектор обзора видеокамеры 2 охватывает всю зону подсветки лазерного луча.

При включенном состоянии электропривода 8 корпус 6 совершает вращение вокруг своей продольной оси. При этом пересыпающая камера 5 осуществляет вращение вокруг своей поперечной оси. Зерновая проба 13, находящаяся в камере 5 совершает при этом периодические возвратно-поступательные движения, перманентно пересыпаясь от одного торца поперечно вращающейся камеры до противоположного ее торца. В процессе такого пересыпания из зерновой пробы во внутреннее пространство (5, 6) выделяется находящаяся в зерновой пробе пыль. Эта витающая в воздухе рабочего пространства (5,6) пыль проходит через ограничительную диафрагму 4 и попадает в контрольный проходной канал датчика пыли, который и измеряет концентрацию пыли в воздухе. Параллельно, видеокамерой 1 осуществляется регистрация изображения участка пространства (5, 6), через которое проходит лазерный луч 11.

Пылинки, витающие в воздухе, подсвечиваются лазерным лучом, что позволяет наблюдать плотность расположения частичек пыли в подсвеченном лазером световом шнуре и характер движения этих частичек. Самофокусирующийся, за счет своей когерентности и монохрамотичности, лазерный луч дает четкую визуализацию распределения плотности пыли по всей длине пространственной координаты сектора обзора видеокамеры.

Методика проведения экспериментов на описанном лабораторном стенде состоит в следующем. В пересыпающую камеру загружают пробу зерна. Осуществляют запуск привода и ведут регистрацию показаний датчика пыли и видеорегистрацию лазерного визуализатора пыли. Вращение камеры осуществляют до достижения стационарных значений измеряемых показателей.

Далее, в зерновую пробу распылителем вводят пылеподавляющий реагент, сопровождая это вращением камеры и пересыпанием зерна, в результате чего достигается равномерная обработка пылеподавляющим реагентом всей зерновой пробы. После этого проводят измерения запыленности воздуха в контрольном промежутке. Эксперименты проводят в нескольких повторностях для проверки воспроизводимости. В качестве дозатора и распылителя масла использован лабораторный распылитель компрессионного типа.
В качестве системы сбора и регистрации данных на компьютере применена SCADA система "MasterScada" производства фирмы "Insaf. При этом во вторичном электронном блоке датчика пыли реализован протокол обмена данных в формате ModBus с передачей данных по линии последовательного интерфейса RS-485. Передача данных осуществлялась через ОРС сервер "LectusOPC".

Для увеличения информативности получаемых данных показания датчика пыли выведены в виде двух значений: усредняемого на интервале времени в 500мс выходного сигнала датчика и максимального значения сигнала датчика на этом же интервале времени. Такой подход позволяет оценивать как текущее сглаженное значение показателя запыленности среды, так и разброс значений этого сигнала, что косвенно позволяет делать вывод о размере единичных частичек пыли, проходящих через контрольное проходное отверстие датчика. При этом каждый из совмещенных графиков этих показаний может быть включен или отключен при последующем анализе данных. Система видео-регистрации использует USB камеру VideoCam и программу VLC MediaPlayer.

С использованием описанного испытательного стенда нами проведены серии экспериментов с зерновыми пробами и пылеподавляющими реагентами. Подробные результаты, полученные в этих экспериментах, предполагается опубликовать в отдельной статье.
Разработанный стенд может быть использован также и для других целей, связанных с исследованиями выделения пыли из сыпучих материалов. Желающим воспользоваться нашей разработкой — предлагаем сотрудничество.

Для иллюстрации возможностей разработанного испытательного стенда -на рис. 8-11 попарно приведены изображения полученных результатов для пробы зерна с естественной запыленностью и для такой же пробы, обработанной пылеподавляющим реагентом.
Марков Ю.Ф., канд. техн. наук; Палладиев А.А.; Ересько Л.Г.
Кубанский филиал ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки», г. Краснодар
 
Статья опубликована в сборнике:
Научное обеспечение инновационных технологий производства и хранения сельскохозяйственной и пищевой продукции: сборник материалов III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов (4-25 апреля 2016 г., Краснодар). – ФГБНУ ВНИИТТИ, Краснодар, 2016. – С.296-304.


 

---