CC BY
63
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 537.528
Т.А. Ефремова
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЕМ ДВУХФАЗНЫХ ЭМУЛЬСИЙ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Проведен синтез микропроцессорной системы автоматического управления процессом приготовления эмульсий на базе электрогидравлического преобразователя импульсного действия для различных областей промышленности. Построена математическая модель устройства, проведен анализ статических и динамических характеристик и предложена функциональная схема системы. Изготовлен лабораторный стенд, приведены результаты экспериментальных исследований.
T.A. Efremova
DEVELOPMENT SYSTEM OF AUTOMATION CONTROL
FOR PREPARATION BIPHASE EMULSION ON THE BASIS OF ELECTROHIDRAULIC CONVERTER OF EXPLOSIVE ACTION
The article presents synthesis of microprocessor system of automatic control by process of emulsion preparation based on electro hydraulic converter of explosive action for various areas of the industry. The mathematical model of the device is constructed here, the analysis static and dynamic characteristics are lead and the function chart of system is offered.
The experimental researches are presented here as well Researches and a laboratory stand is done.
Современное развитие автоматизации технологических процессов на базе гидрофицированного оборудования приводит к необходимости разработки более дешевых, надежных и многофункциональных элементов, способных быстро и точно реагировать на управляющие сигналы микропроцессорной техники. Производственная деятельность мелкосерийного производства, а в частности аптек, в последние годы переживает заметный спад. В немалой степени это связано с поступлением на отечественный фармацевтический рынок большого количества готовых лекарственных средств. Вместе с тем, нацеленность индивидуальной рецептуры на конкретного больного, ценовая доступность и высокое доверие населения к лекарственным средствам аптечного изготовления свидетельствуют о важности сохранения и усовершенствования аптечного производства. Одним из основных факторов повышения эффективности аптечного
производства, производительности труда и качества готовой продукции, а также снижения ее себестоимости, расходов сырья, материалов и электроэнергии является использование малогабаритного технологического оборудования (МТО). В большинстве производственных аптек используется МТО «старого поколения», зачастую сильно изношенное и требующее модернизации: мешалки напольные и настольные для приготовления растворов, дозаторы жидкостей и мазей, обкаточные устройства, гомогенизаторы суспензий и эмульсий и др. Кроме того, устройства обычно предназначены для выполнения только одной операции.
Принимая во внимание увеличивающуюся глобальную конкуренцию и быстро меняющиеся потребности рынка, эффективный контроль процессов в реальном времени становится насущной потребностью всех производящих компаний. Поэтому разработка малогабаритного устройства, а именно системы управления на его базе, которая позволит осуществлять процесс приготовления лекарственных форм, а также контроль показателей качества производимых средств, является на сегодняшний день основным фактором в повышении качественных показателей аптечного производства, увеличении производительности труда, интенсификации и рентабельности производства.
В аптечном производстве приготовление эмульсий является основополагающим при производстве капель, примочек, мазей, паст, кремов, гелей, гомогенных высокодисперсных эмульсий, липосомальных суспензий. При производстве эмульсий в малых объемах основными проблемами являются: точное дозирование дисперсной фазы и дисперсной среды, невозможность контроля качества полученной продукции, вследствие искажений измерений, получение стабильной эмульсии без применения поверхностноактивных веществ (ПАВ). Все вышеперечисленные недостатки можно исключить при использовании в процессе приготовления эмульсий ЭГД-метода. Электрические методы эмульгирования имеют ряд очевидных преимуществ, из которых главное - высокая монодисперсность получаемых эмульсий. Известно, что многие физико-химические свойства эмульсий зависят от размеров частиц и степени дисперсности. Невозможность контроля этих свойств в процессе эмульгирования серьезно тормозит развитие в этой области. Поэтому электрические методы заслуживают серьезного внимания, особенно для исследовательских целей. Эти методы позволяют также получать эмульсии обоих типов М/В, В/М с меньшей концентрацией эмульгатора, чем посредством других методов.
Решить задачу создания МТО для аптечного производства, при этом получать высокодисперсную устойчивую эмульсию можно при помощи микропроцессорной системы автоматического управления, способной осуществлять точное дозирование компонентов и обеспечивать контроль качественных характеристик приготовленной смеси. Разработано устройство - электрогидравлический преобразователь взрывного действия (ЭГПВД), - позволяющее осуществлять приготовление двухфазных эмульсий электрогидравлическим способом, а именно при помощи высоковольтного разряда в жидкости [1]. В работе [2] описаны результаты векторно-энергетического анализа ЭГПВД, проведенного с целью разработки конструкции кюветы, основная цель заключалась в исключении потерь энергии разрядного контура при диспергировании жидкостей при помощи высоковольтного разряда. Основным выводом, сделанным при исследовании вектора Умова, можно считать, что диаметр рабочей области кюветы ЭГПВД целесообразно выполнить равным межэлектродному расстоянию, при этом практически вся энергия, которая передается электродам, будет направлена на перемешивание жидкостей. Конструкция кюветы ЭГПВД (рис. 1) имеет форму параллелепипеда с радиально закругленными ребрами, полученного из цилиндрической заготовки капролона. Для герметизации используются прокладки, выполненные из листовой маслостойкой резины. С целью многократного использования емкости в корпус и крышку вворачиваются металлические втулки. Емкость закрывается винтами. Сливная и заливная горловина, а также отверстия электродов герметизируются уплотнительными
кольцами, изготовленными из листовой маслостойкой резины. Внешние проводники коммутируются с устройством посредством гаечного соединения.
При импульсном электрическом разряде в жидкости происходит быстрое выделение энергии в канале разряда. В результате давление в канале разряда значительно превышает внешнее, канал быстро расширяется, что приводит к возникновению ударной волны и потоков жидкости. В результате возникают такие физико-химические эффекты, как: ионизация и разложение молекул в плазме канала и возле него, световое излучение канала разряда, ударные волны, интенсивное ультразвуковое излучение, пульсация газового пузыря, кавитационные процессы, способствующие диспергированию
дисперсной фазы в непрерывную дисперсную среду.
5 7 7
Рис. 1. Эскиз кюветы ЭГПВД: 1 - система электродов типа игла; 2 - электрод-плоскость;
3 - рабочий канал; 4 - канал для ДФ; 5 - заливной болт, М10; 6 - сливной болт, М107;
7 - болты для крепления крышки к корпусу
Принцип работы устройства основан на эффекте гидродинамической кавитации. Сначала, при подаче напряжения на электроды в жидкости возникают искровой разряд и гидравлический удар. При этом жидкость получает огромные ускорения во все стороны от линии разряда. Затем часть жидкости, расположенная над разрядом, под действием возникших сил вырывается из общего объема жидкости и в виде крупных брызг устремляется вверх, оставив в жидкости характерное углубление в виде чаши. Слои жидкости, расположенные под разрядом (то есть у дна чаши), продолжают движение вниз и увлекают за собой окружающие слои дисперсной фазы через углубляющуюся чашу. Вылетевшая вверх часть жидкости интенсивно дробится на мелкие капли. Вход в чашу начинает сжиматься под действием поверхностного натяжения жидкости. Весь объем сосуда заполняется многочисленными дробящимися на части и всплывающими вверх пузырьками воздуха разной величины. На поверхность жидкости падает потерявшая скорость, раздробленная на капли жидкость, вылетевшая ранее из сосуда.
Устройство просто в разборке, обработке и использовании, имеет съемные взаимозаменяемые регулируемые узлы. Модель ЭГПВД (рис. 2) как объекта управления: в качестве входных воздействий имеет напряжение и емкость разрядного контура, число импульсов в кювете ЭГПВД, заряд, передаваемый жидкости. В качестве выходных параметров ЭГПВД имеет: диаметр капель, проводимость, время жизни полученной эмульсии, скорость и давление жидкости (вызываемые гидродинамической кавитацией) при высоковольтном воздействии на нее.
и, В ■»- йк, мкм
п, раз V, м/с
Я, Кл ЭГПВД 7, См
С, Ф к, с
В ходе теоретических и экспериментальных исследований ЭГПВД на основе системы уравнений, описывающей гидродинамические явления в жидкости в электростатическом поле, решая уравнение Навье-Стокса, были получены зависимости [3], позволяющие построить теоретические статические характеристики ЭГПВД (рис. 3, 4). Динамика исследовалась при подаче на вход устройства напряжения 12 кВ. Результаты приведены на рис. 5, 6.
Для проведения экспериментальных исследований электрогидравлического преобразователя взрывного действия разработаны: высоковольтный импульсный
источник питания [4], лабораторный стенд (рис. 7) и микропроцессорный блок управления (рис. 8).
Принцип работы стенда состоит в следующем: микропроцессорный блок
управления формирует электрический сигнал, который поступает на шаговые двигатели, далее через редуктор при помощи штока из цилиндров заданное количество жидкости поступает в кювету ЭГПВД. Процесс приготовления двухфазных эмульсий предполагает подачу высоковольтных импульсов в кювету ЭГПВД напряжением 6 кВ при емкости конденсаторной батареи 4 мкФ. Для герметизации рабочей емкости во время приготовления эмульсии, а также для защиты элементов автоматики при достижении заданной концентрации закрываются управляемые электромагнитные клапаны. Отвод готового продукта из рабочей емкости, а также нулевой цикл прокачки системы осуществляется с помощью выходного насоса. Количество разрядов и период зависят от типа приготавливаемой эмульсии, определяется экспериментально и оформляется в виде таблицы калибровочных коэффициентов при программировании микроконтроллера, входящего в состав МБУ.
и, В
и, В
Рис. 3. Статические характеристики ЭГПВД: 1 - расчетная характеристика по давлению; 2 - экспериментальная характеристика по давлению
Рис. 4. Расчетная статическая характеристика ЭГПВД по скорости
V, їм /с
Рис. 5. Динамические характеристики ЭГПВД: 1 - расчетная характеристика по давлению; 2 - экспериментальная характеристика по давлению
Рис. 6. Расчетная динамическая характеристика ЭГПВД по скорости
Рис. 7. Экспериментальный стенд:
1 - шаговые двигатели; 2 - гидроцилиндры; 3 - клапаны; 4 - кювета ЭГПВД; 5 - насос
Рис. 8. Микропроцессорный блок управления
При исследования параметров эмульсий, приготовленных в ЭГПВД, определялись такие характеристики эмульсий, как диаметр капель; стабильность эмульсии; межфазное поверхностное натяжение (МПН); число капель дисперсной фазы в эмульсии.
В таблице приведены результаты экспериментальных исследований ЭГПВД при приготовлении эмульсий.
Для обеспечения точного дозирования компонентов эмульсии, требуемой концентрации дисперсной фазы и оптимального размера частиц готовой продукции при производстве эмульсий, предложен вариант САУ приготовления двухфазных эмульсий на базе ЭГПВД (рис. 9). Принцип работы системы состоит в следующем. Оператор задает в микроконтроллер требуемые параметры качества эмульсии, а именно размер частиц, процентное соотношение компонентов эмульсии и требуемое количество дисперсной фазы. Электрический сигнал с микроконтроллера поступает на шаговый двигатель, который через редуктор при помощи штока в цилиндр выкачивает заданное количество жидкости, при этом клапаны закрыты. Затем, когда в цилиндр поступит нужное
количество жидкости, открываются клапаны и смешиваемые компоненты поступают в емкость ЭГПВД.
Экспериментальное исследование эмульсий
Тип эмульсии Соотношен ие, % МПН, мН/м Время приготовления эмульсии /, с Диаметр капель эмульсии dk, мкм
Вода - керосин 50 ч 50 35,5 126 3,43
Вода - керосин 70 ч 30 6,94 120 1,59
Вода - масло растительное 50 ч 50 12,4 110 2,31
Вода - масло трансформаторное 50 ч 50 49 140 1,51
Вода - масло трансформаторное 70 ч 30 27,3 130 1,41
Вода - дизельное топливо 50 ч 50 21,7 128 3,21
Процесс приготовления двухфазных эмульсий предполагает подачу высоковольтных импульсов в кювету ЭГПВД напряжением 6 кВ. Микроконтроллер контролирует напряжение установки следующим образом. Переменное напряжение 220 В поступает на трансформатор питания, который вырабатывает напряжение питания для микроконтроллера и ШИМ контроллера. Напряжение проходит через диодный мост, становится постоянным и приобретает значение 310 В, поступает на инвертор, после инвертора напряжение приобретает переменное значение 310 В и поступает на высоковольтный импульсный трансформатор, после которого напряжение увеличивается до 3 кВ и после умножителя становится равным 6 кВ. Затем напряжение 6 кВ поступает на конденсаторную батарею, там происходит зарядка конденсатора до нужной величины напряжения, после этого происходит подача напряжения на систему электродов, расположенных в емкости ЭГПВД. В качестве рабочей среды используется техническая вода, а дисперсной фазой может быть любая жидкость в зависимости от требований. Для подачи жидкости в рабочую емкость преобразователя используются шаговые двигатели, перемещающие поршень в емкости со смешиваемой жидкостью. Регулирование при этом осуществляется исходя из линейной зависимости между перемещением штока поршня и количеством подаваемой жидкости. Для герметизации рабочей емкости во время приготовления эмульсии, а также для защиты элементов автоматики при достижении заданной концентрации закрываются управляемые электромагнитные клапаны. Отвод готового продукта из рабочей емкости, а также нулевой цикл прокачки системы осуществляется с помощью выходного насоса. Количество разрядов и период зависят от типа приготавливаемой эмульсии, определяется экспериментально и оформляется в виде таблицы калибровочных коэффициентов при программировании микроконтроллера, входящего в состав МБУ. Для измерения диаметра частиц используется анализатор частиц RS-2100 с ячейкой Коултера. Принцип работы устройства состоит в следующем: в ячейке измеряется импульс электрического напряжения, возникающий при прохождении частицы эмульсии через отверстие в непроводящей перегородке (стенке ампулы). Импульс напряжения обусловлен увеличением сопротивления между электродами в момент, когда частица, увлекаемая потоком токопроводящей жидкости, проходит сквозь отверстие. Величина (амплитуда) импульса пропорциональна объёму частицы.
Анализ динамики САУ показал работоспособность системы. Внедрение предложенной САУ в производственный процесс приготовления эмульсий позволит улучшить производительность труда, снизить цену готовой продукции за счет автоматизации процесса и повысить качество приготавливаемой смеси ввиду точного дозирования компонент и контроля диаметра частиц эмульсии.
Рис. 9. САУ приготовления двухфазных эмульсий на базе ЭГПВД:
МК - микроконтроллер; ШД - шаговый двигатель; Р - редуктор; Ц - цилиндр; КЛ - клапан;
Е - емкость ЭГПВД; Ф - фильтр; ДМ - диодный мост; И - инвертор; ИТ - импульсный
трансформатор;
У - умножитель; КБ - конденсаторная батарея; СЭ - система электродов;
ТП - трансформатор питания; ШИМ - ШИМ контроллер; СТ - стабилизатор
ЛИТЕРАТУРА
1. Ефремова Т. А. Экспериментальные исследования влияния емкости конденсаторной батареи на характеристики эмульсий, приготовленных в ЭГПВД /ТА. Ефремова // Проблемы прочности, надежности и эффективности: сб. науч. тр., посв. 50-летию БИТТУ (филиала) СГТУ. Саратов: СГТУ, 2007. С. 215-219.
2. Ефремова Т.А. Расчет вектора Умова в кювете ЭГПВД / Т.А. Ефремова,
B.В. Власов / БИТТУ. Балаково, 2004. 7 с. Деп. в ВИНИТИ 17.17.04, № 1786-В2004.
3. Ефремова Т. А. Теоретические исследования статической характеристики ЭГПВД / Т. А. Ефремова // Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей: сб. докл. VIII Междунар. науч. конф. / СПбГУ; Ин-т механики МГУ. СПб., 2006.
C. 276-280.
4. Ефремова Т. А. Разработка высоковольтного импульсного источника питания для электрогидравлического преобразователя взрывного действия / Т. А. Ефремова, В.В. Власов, А.В. Власов / БИТТУ. Балаково, 2005. 11 с. Деп. в ВИНИТИ 18.11.2005, № 1508-В2005.
Ефремова Татьяна Александровна -
ассистент кафедры «Управление и информатика в технических системах»
Балаковского института техники, технологии и управления (филиала)
Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 04.09.07, принята к опубликованию 13.11.07
