POMIAR ZJAWISK DYNAMICZNYCH WYSTPUJCYCH PODCZAS OPRÓNIANIA SILOSÓW PRZY ZASTOSOWANIU TOMOGRAFII ECT

Transkrypt

1 Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ł Ó D Z K I E J Nr 1078 ELEKTRYKA, z KRZYSZTOF GRUDZIE, ZBIGNIEW CHANIECKI DOMINIK SANKOWSKI Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Politechniki Łódzkiej MACIEJ NIEDOSTATKIEWICZ Wydział Inynierii Ldowej i rodowiska Politechniki Gdaskiej POMIAR ZJAWISK DYNAMICZNYCH WYSTPUJCYCH PODCZAS OPRÓNIANIA SILOSÓW PRZY ZASTOSOWANIU TOMOGRAFII ECT Recenzent: dr in. Mariusz Rzsa Maszynopis dostarczono: W artykule przedstawiono zastosowania elektrycznej tomografii pojemnociowej do monitorowania zjawisk dynamicznych zachodzcych podczas procesu rozładowywania silosu. Badania dowiadczalne przeprowadzono w cylindrycznym silosie o smukłej geometrii. W trakcie opróniania silosu obserwowano silne efekty dynamiczne. Analiza danych pomiarowych jak równie obrazów tomograficznych pozwoliła na pomiar parametrów przepływu grawitacyjnego okrelajcych poziom efektów dynamicznych. Przeprowadzono równie dowiadczenia dla kontrolowanego wypływ materiału sypkiego z silosu z załoon prdkoci poruszania si materiału w zbiorniku w celu weryfikacji uzyskanych wyników przepływu swobodnego. Eksperymenty przeprowadzono dla zrónicowanego zagszczenia pocztkowego materiału sypkiego oraz zmiennej szorstkoci cian i rednicy otworu wylotowego. Przedstawiono metody przetwarzania i analizy przetwarzania

2 120 K. Grudzie, Z. Chaniecki, D. Sankowski, M. Niedostatkiewicz danych pomiarowych oraz zrekonstruowanych obrazów tomograficznych, których wynikiem jest informacja diagnostyczna o stanie procesu przepływu grawitacyjnego. 1. WPROWADZENIE Cigły rozwój technologii produkcji wymaga uzyskiwania coraz dokładniejszej wiedzy na temat prowadzonych procesów. Standardowe metody opierajce si na pomiarze charakterystycznych parametrów procesów przemysłowych okazuj si niewystarczajce. Dla prawidłowej kontroli procesu konieczne jest posiadanie wiedzy na temat zjawisk zachodzcych wewntrz instalacji przemysłowych. Zainstalowanie standardowych przyrzdów pomiarowo kontrolnych w instalacjach, czsto wysokocinieniowych (np. w rurocigu wydobywajcym rop naftow z dna oceanu), wymaga wykonania otworów, czyli inwazji w proces. Taki sposób montau sondy powoduje osłabienie konstrukcji zbiornika oraz zakłócenie zachodzcego procesu. Pojawiła si zatem potrzeba zastosowania nieinwazyjnych metod, które umoliwiaj poznanie oraz monitorowanie zjawisk zachodzcych w obszarach zamknitych, takich jak zbiorniki (ang. vessels), komory mieszalnicze (ang. stirred reactors) i rurocigi (ang. pipelines). Przykładem dynamicznych procesów przemysłowych, których metody kontroli charakteryzuj si wysokimi wymaganiami dotyczcymi stosowanych czujników pomiarowych w systemach monitorowania i diagnozowania to przepływy wielofazowe. Systemy pomiarowe oparte na analizie i przetwarzaniu informacji wizyjnej, w porównaniu do klasycznych narzdzi pomiarowych posiadaj dwie główne zalety. Zdecydowanie lepiej uwidaczniaj zjawiska fizyko-chemiczne (w czasie i przestrzeni), zachodzce podczas procesu przemysłowego, co pozwala na opracowanie lepszych metod kontroli i diagnozowania procesów przemysłowych. Druga zaleta to nieinwazyjno pomiaru. W celach badawczych procesów przepływu, stosujcych techniki wizualizacji struktur procesu, czsto uywane s systemy oparte o kamery CCD. Dostarczaj one szeroko pojtej informacji o procesie przemysłowym. Główn wad zastosowania kamer CCD jest jednak konieczno uycia przezroczystego zbiornika, w którym odbywa si badany proces przemysłowy. Dodatkowo istnieje potrzeba swobodnego dostpu do procesu przemysłowego. Systemy przemysłowe w odrónieniu od stanowisk laboratoryjnych czsto nie spełniaj takich wymaga. Czsto równie techniki oparte na obrazach z kamer CCD wymagaj uycia czstek znacznikowych, w celu umoliwienia obserwacji przepływu na podstawie sekwencji obrazów. Skutkuje to pewnego rodzaju inwazj w przebieg procesu przemysłowego. Inn charakterystyczn cech pomiaru przepływu przy pomocy CCD daje lepszy efekt dla przepływu cieczy ni przepływu materiałów sypkich o gstym upakowaniu

3 Pomiar zjawisk dynamicznych wystpujcych podczas opróniania silosów 121 (moe by obarczony choby błdem zwizanym z owietleniem materiału) i ogranicza si jedynie do warstw zewntrznych. Wady te spowodowały wytworzenie coraz to doskonalszych narzdzi do pomiaru przepływów wielofazowych. Szukajc technik, pozwalajcych wizualizowa przepływ wielofazowy w sposób, który umoliwia zajrzenie do rodka nieprzezroczystego naczynia, uyto technik obrazowania pacjenta w medycynie - tomografii medycznej. W połowie lat 80-tych nauki medyczne zaczły równie stosowa tomografie impedancyjn jako bezpieczn i tani metod do obrazowania pracy organów wewntrznych człowieka. Okazało si, e idea medycznych technik tomograficznych zaczerpnita z medycyny eliminuje wikszo problemów, z którymi nie mogła sobie poradzi technika optyczna oparta na kamerze CCD [1-3]. Przede wszystkim moliwe stało si monitorowanie i ledzenie systemów nieprzezroczystych oraz otrzymanie ilociowej i jakociowej informacji z niedostpnych dla techniki optycznej miejsc. Za tomografi procesow mona zdefiniowa jako nieinwazyjn technik wizualizacji procesów przemysłowych zachodzcych wewntrz zamknitego, czsto nieprzezroczystego obiektu bez naruszenia jego struktury. Uzyskana dziki zastosowaniu tomografii procesowej informacja wizyjna, której otrzymanie innymi metodami jest niemoliwe bez naruszenia struktury badanego medium, obrazuje zjawiska fizyczne zachodzce wewntrz urzdze i aparatów przemysłowych, półprzemysłowych oraz laboratoryjnych [1-3]. Elektryczna Tomografia Pojemnociowa (Electrical Capacitance Tomography - ECT), stanowica narzdzie pomiarowe w przeprowadzonych pomiarach, stosowana jest do pomiaru przepływów materiałów sypkich w instalacji transportu pneumatycznego materiału sypkiego [4-7], grawitacyjnego przepływu w silosach [8-13] czy złoa fluidalne [14-16]. W przeprowadzonych dowiadczeniach analizie poddano wpływ parametrów zmiennych (zagszczenia pocztkowego oraz szorstkoci cian) na amplitud zmian koncentracji, jak równie na zmian szerokoci lokalizacji odkształce w strefie przyciennej, które były wizualizowane przy pomocy metod rekonstrukcji obrazu. Dalej, w artykule omówiono mechanizmy powstawania efektów dynamicznych, na podstawie rezultatów uzyskanych w wyniku zastosowania metody ECT do analizy wielkoci amplitud pulsacji materiału sypkiego [17-21]. Wstpne wyniki pokazały, e najwiksze impulsy poziome wystpuj w połowie wysokoci silosu, w miejscu przejcia przepływu masowego w kominowy. Wykazano równie, e wielkoci pulsacji materiału sypkiego wpadajcego do tworzcego si kanału przepływu s zblione do amplitud pulsacji materiału w strefie przyciennej, gdzie wystpuje dynamiczna interakcja pomidzy przepływajcym materiałem sypkim, a cian silosu.

4 122 K. Grudzie, Z. Chaniecki, D. Sankowski, M. Niedostatkiewicz 2. ELEKTRYCZNA TOMOGRAFIA POJEMNOCIOWA ECT (ELECTRICAL CAPACITANCE TOMOGRAPHY) Dane uzyskane bezporednio z tomografu (w przypadku tomografów pojemnociowych wektor wartoci proporcjonalnych do pojemnoci midzy elektrodowych czujnika C), chocia w niektórych zastosowaniach uyteczne [2], w pierwszym etapie przetwarzania danych podlegaj zazwyczaj procesowi rekonstrukcji w wyniku, której otrzymujemy obraz reprezentujcy rozkład pewnej cechy w badanym przekroju. Elektryczna tomografia pojemnociowa (Electrical Capacitance Tomography - ECT) jest technik wizualizacji rozkładu przestrzennego przenikalnoci dielektrycznej ε(x, y) mieszaniny dwóch lub wicej materiałów wewntrz zamknitego naczynia na podstawie zebranych pomiarów pojemnoci C. Rozkład przenikalnoci elektrycznej ε powizany jest bezporednio z koncentracj transportowanego materiału ρ. Naley jednak zaznaczy, e zagadnienie bezporedniej zalenoci pomidzy koncentracj rozumian jako zagszczenie materiału, a rozkładem przenikalnoci dielektrycznej w analizowanym przekroju czujnika pomiarowego nadal pozostaje nie w pełni wyjanione i jest aktualnie przedmiotem intensywnych prac, midzy innymi zwizanych z okreleniem zalenoci pomidzy statycznym zgszczeniem pocztkowym materiały sypkiego a mierzonymi wartociami pojemnoci midzyelektrodowych. Prace te umoliwi maj wyznaczenie stałej dielektrycznej dla mieszaniny, jak jest materiał sypki, z uwzgldnieniem wypełnienia przestrzeni pomidzy ziarnami powietrzem atmosferycznym [22]. Inna prace polegaj na równoczesnym zastosowaniu tomografii promieni X oraz ECT do bada przepływu grawitacyjnego materiałów sypkich w silosach prostoktnych w celu okrelenia m.in. relacji midzy wartociami pomiarowymi, wartociami pikseli obrazów tomograficznych a rzeczywist wartoci koncentracji materiału w obszarze pomiarowym [23]. Tym samym ocena wielkoci zmian koncentracji materiału sypkiego podczas dynamicznych pulsacji w czasie opróniania silosu na podstawie pomiarów tomograficznych ma charakter analizy jakociowej. W przypadku technik tomograficznych znaczc rol przy interpretacji wyników odgrywa procedura kalibracji czujnika oraz normalizacja danych pomiarowych. Przed przystpieniem do procesu rekonstrukcji obrazu tomograficznego, wartoci pomiarowej s normalizowane, wynikiem czego zostaj przeskalowane do przedziału [0, 1]. Warto 0 oznacza wartoci pomiarowe dla czujnika pustego, natomiast warto 1 oznaczaj pełny czujnik stan pocztkowy pomiaru badanego procesu przemysłowego. Dalsza analiza i interpretacja danych opiera si na porównywaniu do stanu pocztkowego. Szczegóły opisu normalizacji danych pomiarowych znale mona w [2].

5 Pomiar zjawisk dynamicznych wystpujcych podczas opróniania silosów STANOWISKO BADAWCZE Efekty dynamiczne s nieodłcznym zjawiskiem towarzyszcym procesowi opróniania silosu. Według [19-20] przyczyn powstawania silnych efektów dynamicznych w silosach jest rezonans midzy czstotliwociami samowzbudnych drga materiału sypkiego, a czstotliwociami drga własnych konstrukcji silosowej, a efektom rezonansowym towarzysz efekty akustyczne i drgania konstrukcji wsporczych. Miejsce wystpowania maksymalnych amplitud pulsacji materiału sypkiego zwizane jest bezporednio z przejciem przepływu masowego w przepływ rdzeniowy i zaley od stosunku rednicy otworu wylotowego do redniej rednicy ziarna d 50. Zwikszenie tej wartoci, powoduje zmniejszenie wysokoci (mierzonej od dna silosu), przy której zanikaj dynamiczne pulsacje. Badania przedstawione w [21] wykazały, e efekty dynamiczne powstaj w wyniku rezonansu pomidzy drgajcym, przepływajcym materiałem sypkim, a konstrukcja silosu, potwierdzajc tym samym koncepcje stworzon przez Tejchmana [20]. Jako ródło drga materiału sypkiego wskazał jednak wystpowanie poziomego impulsu dynamicznego powstajcego w wyniku zmiany kierunku cinania w strefie przyciennej w poziomie wierzchu leja wewntrznego silosu. Ze wzgldu na podobiestwo kształtu silosu i wystpowanie siły poziomej w opisie mechanizmu powstawania efektów dynamicznych zastosowano teori dzwonów (pobocznica silosupowłoka dzwonu, impuls poziomy-serce dzwonu). Badania modelowe, których wyniki s przedstawione w artykule, zostały przeprowadzone dla cylindrycznego silosu (Rys. 1). Wysoko silosu wynosiła h=2.0 m, jego rednica zewntrzna d=0.20 m, grubo cian silosu wynosiła m. Silos posadowiony był na niepodatnej ramie stalowej, oprónianie odbywało si grawitacyjnie oraz w sposób kontrolowany. W przypadku opróniania grawitacyjnego dowiadczenia przeprowadzono dla otworów wylotowych o rednicy d 0 =0.04, 0.07 oraz 0.12 m. Otwory były rozmieszczone w osi symetrii dna silosu. W przypadku opróniania kontrolowanego dowiadczenia przeprowadzono dla przypadku obniania si płaskodennego dna silosu ze stał prdkoci. Eksperymenty przeprowadzono dla prdkoci opróniania v=0.0001, 0.005, 0.001, oraz 0.08 m/s. Do eksperymentów uyto piasku rednioziarnistego, o redniej rednicy ziarna d 50 =0.8 mm. Materiał w stanie lunym (γ=15.04 kn/m3, e o =0.76) uzyskano poprzez napełnianie przez rur o rednicy 0.05 m ustawion bezporednio nad materiałem sypkim i podnoszon sukcesywnie w miar napełniania silosu.

6 124 K. Grudzie, Z. Chaniecki, D. Sankowski, M. Niedostatkiewicz Rys. 1. Stanowisko badawcze (silos cylindryczny) do bada z zastosowaniem metody ECT Materiał w stanie zagszczonym uzyskano stosujc napełnianie metod deszczu rozproszonego (przez sito umieszczone na stałe na górze silosu) (γ=17.05 kn/m3, e o =0.56). Dowiadczenia przeprowadzono dla cian gładkich oraz bardzo szorstkich. Podwyszenie szorstkoci ciany uzyskano poprzez wyklejenie wewntrznej czci silosu papierem ciernym 60 (r w d 50 ). W badaniach zastosowano dwa czujniki 12-elektrodowe (Rys. 2). Długo elektrod pomiarowych wynosiła 0.20 m i była równa rednicy silosu. Elektrody pomiarowe wykonane zostały technik płytek drukowanych na płytkach laminatowych. Rys. 2. Schemat czujnika do pomiarów z zastosowaniem metody ECT (Electrical Capacitance Tomography) Pomiary wykonane zostały dla czujników usytuowanych na wysokociach 0.30, 0.85, 1.00 oraz 1.50 m powyej dna silosu. W czasie dowiadcze moliwy

7 Pomiar zjawisk dynamicznych wystpujcych podczas opróniania silosów 125 był jednoczesny pomiar dla 2 połoe czujników dwóch wysokoci nad otworem wylotowym. Uzyskane wartoci przekraczajce znormalizowan warto 1.0 oznaczały wzrost koncentracji materiału (zjawisko kontraktancji), wartoci poniej 1.0 oznaczały zmniejszenie koncentracji (zjawisko dylatancji). Do rekonstrukcji obrazów tomograficznych w przekrojach poprzecznych silosu zastosowano szybk i prost metod LBP (ang. Linear Back Projection). 4. WYNIKI DOWIADCZE W pierwszym etapie bada szczególny nacisk połoono na przeanalizowanie wyników pomiarów bezporednich (danych surowych) uzyskanych dla rónych poziomów wysokoci silosu. Analizie poddano zmiany koncentracji materiału sypkiego pomierzone pomidzy wszystkimi przyległymi parami elektrod pomiarowych. Analiza dotyczyła obszaru przyciennego, zjawisk dotyczcych interakcji materiału sypkiego i cian silosu. Na podstawie wyników pomiarów stwierdzono, e najwiksze amplitudy zmian koncentracji w strefie przyciennej wystpowały na wysokoci h=0.85 m oraz h=1.0 m powyej dna silosu (Rys. 3). Wielko amplitud pulsacji była w praktyce stała od pocztku rozpoczcia opróniania silosu. Na wysokoci h=0.3 m ze wzgldu na wytworzenie si kanału przepływu i pojawienie si stref martwych w strefie przyciennej, nie zaobserwowano dynamicznych pulsacji koncentracji materiału sypkiego. Zaobserwowane na wysokoci h=1.50 m pulsacje materiału sypkiego spowodowane były drganiami swobodnymi materiału sypkiego w poziomie wierzchu silosu. Wysoko ta charakteryzowała si te najwikszym wzrostem koncentracji materiału zjawisko kontraktancji. a) b)

8 126 K. Grudzie, Z. Chaniecki, D. Sankowski, M. Niedostatkiewicz a) b) Rys. 3. Wizualizacja 1D zmian koncentracji lunego piasku rednioziarnistego d 50 =0.8 mm w silosie cylindrycznym, ze cianami gładkimi, dla profili przyciennych na wysokociach powyej h dna silosu: a) h=0.3 m, b) h=0.85 m, c) h=1.0 m d) h=1.5 m a) b) Rys. 4. Połoenie: a) punktów pomiarowych (pikseli) w przekroju poprzecznym silosu: A-(1, 16), B- (3, 16), C-(5, 16), D-(7, 16), E-(16, 16), b) przekrojów pomiarowych w przekroju poprzecznym silosu: 1-przekrój poziomy, 2-przekrój pionowy, 3, 4-przekroje ukone W celu wizualizacji zmian koncentracji materiału sypkiego w obszarze całego przekroju poprzecznego silosu na poszczególnych poziomach wysokoci, a nie jedynie w strefie przyciennej zastosowano analiz danych zrekonstruowanych analiz obrazów tomograficznych. Dla obrazu zrekonstruowanego przy pomocy metody LBP przedstawionego w postaci macierzy 32x32 pikseli wybrano punkty charakterystyczne (Rys. 4A): w strefie przyciennej - punkty A oraz B, w odległoci 0.25 rednicy silosu od ciany zewntrznej - punkty C oraz D, w osi symetrii - punkt E.

9 Pomiar zjawisk dynamicznych wystpujcych podczas opróniania silosów 127 Do analizy przepływu grawitacyjnego wybrano przedział czasu pomidzy 5 a 8 sek. pomiaru odpowiadajcy wstpnej fazie opróniania silosu - w czasie przepływu zaawansowanego wielkoci amplitud pulsacji koncentracji materiału sypkiego miały te same wartoci. Podobnie jak miało to miejsce na podstawie pomiarów opartych na danych surowych najwiksze amplitudy pulsacji koncentracji wystpowały na wysokociach h=0.85 oraz h=1.00 m (Rys. 5). a) b) c) d) Rys. 5. Wizualizacja 1D zmian koncentracji lunego piasku rednioziarnistego d 50 =0.8 mm w silosie cylindrycznym, ze cianami gładkimi, na wysokociach powyej dna silosu: a) h=0.3 m, b) h=0.85 m, c) h=1.0 m, d) h=1.5 m, dla rónych połoe punktów pomiarowych (pixeli): A, B, C, D, E Zastosowanie w analizie danych zrekonstruowanych umoliwiło jednak stwierdzenie, e na tych poziomach zdecydowanie najwiksze pulsacje wystpuj osi symetrii silosu (punkt E) w miejscu styku, pomidzy wytwarzajcym si kanałem przepływu, a tworzcymi si przyciennymi strefami martwymi (punkt D). Uzyskane wyniki sugerowały, e w miejscu przejcia przepływu masowego w przepływ kominowy (na wysokoci h= m) nastpuje dynamiczny impuls, prawdopodobnie spowodowany zmian kierunku ruchu w materiale

10 128 K. Grudzie, Z. Chaniecki, D. Sankowski, M. Niedostatkiewicz sypkim. Wielkoci amplitud w strefie przyciennej (punkt A oraz punkt B) spowodowane były dynamiczn interakcj pomidzy przepływajcym, drgajcym materiałem sypkim, a cian silosu. W celu oceny zmian koncentracji materiału sypkiego podczas opróniania silosu nie tylko w poszczególnych punktach, lecz równie wzdłu przekrojów poprzecznych (pokazanych na Rys. 4b) wykonano profile przedstawiajce trendy pulsacji materiału sypkiego. Profile wykonano na wszystkich poziomach pomiarowych, poprzez zastosowanie aproksymacji wielomianem 5-tego stopnia wartoci pulsacji w poszczególnych punktach pomiarowych w przedziale czasu od 5 do 8 s pomiaru (Rys. 6). Na podstawie analizy wyników stwierdzono, e najwiksze amplitudy zmian koncentracji odpowiadajce dynamicznym pulsacjom wystpuj w poziomie h=0.85 m w rodku symetrii silosu. Sytuacja ta miała miejsce niezalenie od kierunku analizowanego profilu, co potwierdza, e przepływ silosowy jest symetryczny, bd zbliony do symetrycznego (Rys. 6A). W strefie przyciennej równie wystpowały dynamiczne pulsacje, natomiast na granicy strefy cinania amplitudy pulsacji miały tendencje do zanikania. Zalenoci pomidzy wielkoci amplitud a połoeniem punktów pomiarowych w przekroju poprzecznym były niezalene od zagszczenia pocztkowego materiału sypkiego-podobne zachowanie miało miejsce równie w przypadku piasku zagszczonego. Wzrost szorstkoci ciany nie wpłynł na zmian zalenoci w zakresie lokalizacji wystpowania pulsacji o najwikszej amplitudzie. Uzyskane wyniki potwierdziły wystpowanie dynamicznych pulsacji równie w czasie wypływu materiału sypkiego z silosu ze cianami bardzo szorstkimi, jednak wielko tych amplitud była zdecydowanie mniejsza ni w czasie dowiadcze ze cianami gładkimi (Rys. 6B). a) A) B)

11 Pomiar zjawisk dynamicznych wystpujcych podczas opróniania silosów 129 b) c) d) Rys. 6. Wizualizacja 1D znormalizowanych zmian koncentracji lunego piasku rednioziarnistego d 50 =0.8 mm w silosie cylindrycznym, ze cianami: A) gładkimi, B) bardzo szorstkimi na wysokociach powyej dna silosu: h=0.3 m (I), h=0.85 m (II), h=1.0 m (III), h=1.5 m (IV), dla rónych przekrojów poprzecznych: a) 1-1, b) 2-2, c) 3-3, d) 4-4), bp oznacza numer piksela w danym przekroju Otrzymane wyniki pomiarowe oscylacji materiału pojawiajcych w trakcie opróniania silosów, zarówno zrekonstruowane obrazy tomograficzne jak równie danych pomiarowych, cechuj nie wielkie zmiany sygnału. W celu weryfikacji zmian sygnałów pomiarowych, przeprowadzono dodatkowe serie pomiarów dotyczc grawitacyjnego przepływu kontrolowanego, w którym całe dno silosu przesuwało si z zadan prdkoci. Otrzymane pomiary zostały

12 130 K. Grudzie, Z. Chaniecki, D. Sankowski, M. Niedostatkiewicz zinterpretowane przez autorów jako najmniejsze zmiany sygnału, które moliwe s do rozpoznania jako efekt oscylacji materiału. Poniej ustalonego poziomu zmiana sygnału była interpretowana jako szum pomiarowy. Na Rys. 8. zostały pokazane przykładowe pomiary dla przepływu kontrolowanego z prdkoci obniania dna silosu 0.1mm/s. Zmianyw wartosci pomiarowych dla tego przypadku wynosily [0.4,1.5]x10-3, a dla obrazów zrekonstruowanych [ ] x10-3. Dodatkowo przeprowadzono procedure korekcji danych pomiarwoych w celu sprawdzenia wplywu metod przetwarzania danych pomiarowych na wilekosc zmian amplitudy sygnalow pomiarowych [24]. a) b) Rys. 8. Zmiany wartoci pomiarowych (danych surowych) dla elektrod przyległych dla przepływu kontrolowanego piasku gstego z prdkoci opadania dna silosu 0.1 mm/s: a) czujnik na wysokoci h=1.0m, b) czujnik na wysokoci h=1.5m, S - oznacza szeregow korekcj danych pomiarowych, M - oznacza korekcj Maxwella danych pomiarowych a) b) Rys. 9. Zmiany wartoci pikseli dla wysokoci czujnika h=1.5m dla przepływu kontrolowanego piasku gstego z prdkoci opadania dna silosu 0.1 mm/s: a) połoenie piksela przy cianie silosu (1,16), b) połoenie piksela w centrum silosu (16,16), S - oznacza szeregowa korekcje danych pomiarowych, M - oznacza korekcj Maxwella danych pomiarowych

13 Pomiar zjawisk dynamicznych wystpujcych podczas opróniania silosów WNIOSKI Zastosowanie bezinwazyjne techniki pomiarowej, jak jest Elektryczna Tomografia Pojemnociowa ECT, pozwoliło na jednoznaczne stwierdzenie wystpowania miejsca przejcia przepływu masowego w kominowy na wysokoci h=0.85 m, odpowiadajcej 0.43 wysokoci silosu. Przeprowadzona z zastosowaniem techniki pomiarowej ECT analiza rozkładu wielkoci amplitud dynamicznych pulsacji pokazała, e najwiksze oscylacje wystpuj w miejscu przejcia przepływu masowego w przepływ kominowy. Tomograficzna rekonstrukcja rozkładu koncentracji materiału sypkiego w przekroju poprzecznym silosu umoliwiła stwierdzenie, e najwiksze pulsacje wystpuj w obszarze kanału przepływu. W strefie przyciennej wielko amplitud dynamicznych pulsacji jest mniejsza. Mechanizm powstawania silnych efektów dynamicznych (efektów dwikowych) podczas opróniania silosu powodowany jest dynamiczn interakcja pomidzy przepływajcym materiałem sypkim a konstrukcj silosu, która powstaje w wyniku zmiany kierunku cinania w materiale sypkim w chwili przejcia przepływu masowego kominowy. Prowadzone s aktualnie badania nad zastosowaniem, dokładniejszej, aczkolwiek wolniejszej techniki pomiarowej, tomografii promieni X. Wstpne badania dowodz moliwoci wizualizowania zachowania si czstek materiału sypkiego w silosie w obszarze przyciennym. Kolejne prace autorów artykułu bd dotyczy porównania pomiarów przy zastosowaniu tomografii ECT oraz promieni X. PODZIKOWANIA Autorzy dzikuj za wsparcie bada poprzez projekt naukowo-badawczy pt. Uzyskanie doskonałoci w badaniach naukowych i przemysłowych zastosowaniach bezinwazyjnych systemów diagnostycznych nr 167/6, PR UE/2007/7. Projekt finansowany jest przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyszego RP i wspomaga realizacj projektu DENIDIA. Autorzy artykułu Krzysztof Grudzie i Zbigniew Chaniecki s stypendystami projektu Innowacyjna dydaktyka bez ogranicze - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarzdzanie uczelni, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacnianie zdolnoci do zatrudniania, take osób niepełnosprawnych współfinansowanego przez Uni Europejsk w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

14 132 K. Grudzie, Z. Chaniecki, D. Sankowski, M. Niedostatkiewicz LITERATURA [1] Plaskowski A., Beck M.S, Thorn R., Dyakowski T.: Imaging Industrial Flows: Applications of Electrical Process Tomography, Taylor & Francis, 1995, p [2] Williams RA., Beck MS.: Process Tomography: Principles, Techniques and Applications, Butterworth-Heinemann, 1995, p [3] Scott D.M., McCann H.: Process imaging for automatic control. Taylor and Francis, 2005, p [4] Jaworski A., Dyakowski T.: Application of electrical capacitance tomography for measurement of gas-solids flow characteristics in a pneumatic conveying system. Measurement Science and Technology. 12, 2001, pp [5] Ostrowski K.L., Luke S.P., Bennett M.A., Williams R.A.: Real Time Visualisation and Analysis of Dense Phase Powder Conveying. Powder Technol., 102, 1999, pp [6] Yang W.Q., Liu S.: Role of tomography in gas/solids flow measurement. Flow Meas. and Instrum., 11, 2000, pp [7] Grudzie K., Romanowski A., Aykroyd R.G., Williams R.A.: Advanced Statistical Analysis as a Novel Tool to Pneumatic Conveying Monitoring and Control Strategy Development. Part. Part. Syst. Charact., 23, 2006, pp [8] Chaniecki Z., Dyakowski T., Niedostatkiewicz M., Sankowski D.: Bulk Solids Flow Analysis in Silos by Electrical Capacitance Tomography. Proceedings of 4th World Congress on Industrial Process Tomography, Aizu, Japan, 2005, pp [9] Chaniecki Z., Dyakowski T., Niedostatkiewicz M., Sankowski D.: Application of electrical capacitance tomography for bulk solids flow analysis in silos. Particle & Particle Systems Characterization. 23, 3-4, 2006, pp [10] Grudzie K., Romanowski A., Williams R.A., Sankowski D.: Methods for analysis of hopper flow behaviour using electrical capacitance tomography. Proceedings of 4th World Congress on Industrial Process Tomography, Aizu, Japan. 2005, pp [11] Niedostatkiewicz M., Tejchman J., Chaniecki Z.: Zastosowanie Tomografii do pomiaru zmian objtociowych materiału sypkiego w procesie opróniania silosów. Acta Agrophysica, Lublin. 4(3), 2004, pp [12] Niedostatkiewicz M., Tejchman J., Chaniecki Z., Grudzie K.: Determination of bulk solid concentration changes during granular flow in a silo with ECT sensors. Chemical Engineering Science. 64, 2008, pp [13] Grudzien K., Romanowski A., Chaniecki Z., Niedostatkiewicz M., Sankowski D.:, Description of the silo flow and bulk solid pulsation

15 Pomiar zjawisk dynamicznych wystpujcych podczas opróniania silosów 133 detection using ECT. Flow Measurements and Instrumentation, Vol. 21, 2010, p [14] Kuhn FT., Schouten JC., Mudde RF., van den Bleek CM., Scarletty B.: Analysis of chaos in fluidization using electrical capacitance tomography. Meas. Sci. Technol., 7, 1996, pp [15] Liu S., Yang W. Q., Wang H., Yan G., Pan Z.: Flow pattern identification of fluidized beds using ECT. Journal of Thermal Science, 10, 2000, [16] Wang HG. and Yang WQ.: Measurement of fluidised bed dryer by different frequency and different normalisation methods with electrical capacitance tomography. Powder Technology, 199, 2009, pp [17] Niedostatkiewicz M., Tejchman J.: Measurements of changes of the bulk solid density during granular flow in silos. Powder Handling & Processing. 17, 2, 2005, pp [18] Niedostatkiewicz M., Tejchman J.: Experimental and theoretical studies on resonance dynamic effects during silo flow. Powder Handling & Processing. 15, 1, 2003, pp [19] Wilde K., Rucka M., Tejchman J.: Silo music-mechanism of dynamic flow and structure interaction. Powder Technology. 186, 2008, pp [20] Tejchman, J.: Technical concept to prevent the silo honking. Powder Technology. 106, 1999, pp [21] Wilde K., Tejchman J., Rucka M., Niedostatkiewicz M.: Experimental and theoretical investigations of silo music. Powder Technology, 198, 2009, pp [22] Grudzie K., Niedostatkiewicz M., Chaniecki Z., Romanowski A., Sankowski D.: Wyznaczanie gstoci upakowania materiału w silosie na podstawie danych pomiarowych elektrycznej tomografii pojemnociowej (ECT). Zeszyty Naukowe AGH, Półrocznik Automatyka, Kraków, 13 (3), 2010, pp [23] Grudzien K., Niedostatkiewicz M., Adrien J., Maire E.: Quantitatively description of the bulk solid concentration changes based on X-ray continuous radiation, Materialy konferencyjne 6th World Congress on Industrial Process Tomography, Beijing, China, CD-ROM Proceedings. [24] Grudzien K., Romanowski A., Chaniecki Z., Niedostatkiewicz M., Sankowski D.:, Description of the silo flow and bulk solid pulsation detection using ECT, Flow Measurements and Instrumentation, 21, 2010, p

16 134 K. Grudzie, Z. Chaniecki, D. Sankowski, M. Niedostatkiewicz APPLICATION OF THE ELECTRICAL CAPACITANCE TOMOGRPAHY TO THE MEASUREMENT OF THE DYNAMIC EFFECTS OF THE BULK SOLID FLOW DURING SILO EMPTYING Summary The paper presents the results of experiments performed with the cylindrical silo-during tests strong dynamics effects called silo music occurred. Experiments were performed for gravitational and controlled silo emptying, for different initial densities, different wall roughness and outlet diameter. On the basis of results gained with application of the Electrical Capacitance Tomography measurement technique new conception of the origin of the strong dynamic effects was proposed. Politechnika Łódzka Katedra Informatyki Stosowanej