Дозирование
 Скачать 5.11 Mb.
|
|
Рис. 2.5. Пассивный (а) и активный (б) датчики: Р i – мощность на входе; Р о – мощность на выходе; Р l – мощность, которая теряется в процессе преобразования; Р c – мощность управляющего воздействия; Р ps – мощность вспомогательного источника Активными являются датчики, которым требуется вспомогательный источник питания (см. рис. 2.5, б). Выходная мощность датчика Р о почти полностью берется из этого вспомогательного источника питания, отдающего мощность Р ps . Мощность, которую отдает измеряемый объект, практически равна нулю. Требуется лишь совсем малая мощность Р с , чтобы управлять выходной мощностью датчика (на рис. 2.5, б этот процесс преобразования схематически изображен в виде заслонки). Подавая мощность от вспомогательного источника, можно реализовать датчики с усилением, обладающие очень высокой чувствительностью. Во многих измерительных системах используются датчики, преобразующие неэлектрические сигналы в электрические, поскольку обработка и передача сигналов в электрической области сравнительно просты. Учитывая это, рассмотрим датчики, которые отображают сигналы из различных физических областей на сигналы в электрической области, а также обратные преобразователи, которые переводят электрический сигнал в неэлектрическую величину. Датчики первой категории нужны на входе измерительной системы, поэтому они называются входными, или измерительными датчиками. Обратные преобразователи нужны на выходе измерительной системы для целей индикации и регистрации данных или для управления другими процессами, поэтому их называют выходными датчиками, или исполнительными механизмами. К сожалению, не существует единой терминологии в мире датчиков. Их называют по-разному: сенсор, чувствительный элемент, измерительный преобразователь (transducer, sensor, pick-up, gauge). Классификацию датчиков часто производят по той величине, которая измеряется с их помощью (датчик смещения, акселерометр, тензодатчик и т.д.), или по принципу действия (емкостной датчик смещения, пьезоэлектрический акселерометр, резистивный тензодатчик и т.д.). Устройство, предназначенное для представления результатов измерения человеку-наблюдателю, называют устройством индикации (дисплеем). Устройства индикации не обязательно должны быть аналоговыми (как, например, электронный луч, рисующий на экране осциллографа), они могут также быть цифровыми (например, алфавитно-цифровой дисплей или светящиеся элементы индикации). Устройства индикации рассчитаны на визуальное наблюдение и потому являются электрооптическими преобразователями. Чтобы избежать больших ошибок считывания и интерпретации, аналоговые устройства индикации должны быть особенно хорошо согласованы с потребностями наблюдения. Эта проблема решается, в частности, путем применения гибридных устройств индикации. Например, в осциллографе тем же электронным лучом, который рисует форму сигнала, можно отобразить на экране такую информацию, как чувствительность, масштаб по оси времени и другую. Важно осуществить сопряжение цифрового устройства индикации с наблюдателем, чтобы наблюдение не было утомительным и по этой причине не допускались промахи (нужно минимизировать блики, обеспечить высокую контрастность, использовать приятные цвета, четкие и разборчивые символы и т.д.). Данные регистрируются для того, чтобы они были доступны позднее, например, для представления наблюдателю в более удобное время. К регистрации часто прибегают в тех случаях, когда собирается большое число результатов измерений и нужно облегчить производимый вслед за этим анализ полученных результатов. Другим поводом для регистрации данных служит желание предотвратить необходимость повторения измерений (в частности, когда опыты крайне дороги, например, эксперименты по столкновению частиц). Для того, чтобы облегчить интерпретацию результатов измерений, часто осуществляют графическую запись. Примерами таких записей являются х–t и x–у диаграммы, а также графики в полярных координатах. При таком способе регистрации результатов измерений раскрываются их структура и соотношение между ними, благодаря чему интерпретация упрощается. Например, производительность (Q) весового дозатора непрерывного действия регистрируется в форме графика в координатах Q–t. В таком виде специалисту легко определить характер и величину отклонений производительности от среднего или заданного значения. Данные можно регистрировать в аналоговом или цифровом виде; например, графическая запись осуществляется самописцем, возможна магнитная запись на ленту. 2.2.3. УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА Часто результат измерения не регистрируется и не воспроизводится средством индикации, а непосредственно используется для управления каким-то процессом. Целью управления процессом является такое регулирование, при котором выходной продукт соответствует определенным требованиям. Измеряются один или большее число параметров процесса, и регулирование осуществляется таким образом, чтобы уменьшить различие между измеряемыми величинами и заданными предварительно значениями. Если управление основано на измерении такого параметра процесса, на котором не отражается результирующее изменение характеристик процесса, то считается, что регулирование процесса осуществляется по принципу автоматического управления "вперед" (разомкнутая система управления). Однако в том случае, когда управление базируется на измерениях, результаты которых зависят от предшествующих управляющих воздействий, возникает замкнутый контур (который в отдельных случаях, в принципе, может приводить к неустойчивости). Этот метод управления процессом носит название управления с обратной связью. В настоящее время в весовых дозаторах в качестве управляющей системы обычно используют так называемые контроллеры. Контроллер – это микропроцессор, выполняющий целый ряд функций, например усиление сигнала, поступающего с измерительной системы, преобразование данного сигнала в вес отдельной порции или весовую производительность, индикацию и регистрацию веса или производительности, сравнение с заданными значениями, вычисление и подача управляющего сигнала на питатель. В частности, в дозаторе ДВЛ используется контроллер СД-01 или Simatic С7-633("Siemens", Германия) [10]. Сигналы весовых нагрузок на ленту и скорости ее движения обрабатываются системой измерения, управления и регулирования. Постоянное сравнение фактического значения массового расхода с заданным значением позволяет определить отклонения. По величине отклонений рассчитывается управляющий сигнала для регулирования скорости движения конвейерной ленты, что обеспечивает поддержание требуемого расхода материала. Контроллер обеспечивает: автоматическую настройку диапазона взвешивания; задание производительности; измерение скорости транспортерной ленты с учетом "проскальзывания" по сигналам датчиков вращения ведомого/ведущего валов транспортера; вычисление значения текущей производительности; вычисление и суммирование количества массы материала за заданный интервал времени; индикацию параметров на ЖКИ (4 × 20 символов); выдачу информации на устройство термопечати; обработку входных сигналов и управление электроприводом транспортера; преобразование входных сигналов ДСТ в значения веса материала; контроль блокировок аварийных ситуаций. Управление электроприводом транспортера осуществляется с помощью преобразователя частоты MICROMASTER Vector производства фирмы Siemens [11]. 2.3. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ВЕСОВОГО ДОЗИРОВАНИЯ Как отмечалось выше, различают дискретное и непрерывное весовое дозирование. Дискретное или порционное весовое дозирование обычно осуществляется следующим образом. В емкость 1 (см. рис. 2.6), установленную на весоизмерительной платформе 2, с помощью питателя 3 подается сыпучий материал. Сигнал с датчика веса подается на контроллер 4 и сравнивается с заданной величиной. Когда вес сыпучего материала, находящегося в емкости 1, достигнет требуемого значения, контроллер 4 подает управляющий сигнал на привод питателя 3 и подача материала прекращается. Порция материала выгружается из емкости 1 и операция взвешивания повторяется. Достаточно широко используются ленточные весы, т.е. ленточный транспортер, установленный на весовую платформу. На рисунке 2.7 показана типовая схема ленточных весов. Материал шнековым питателем 1 непрерывным потоком подается на движущуюся ленту 2 транспортера, который установлен на весовую платформу 3. Вес материала Р м , находящегося на ленте, рассчитывают как разность общего веса Р, который фиксируется весовой платформой, и веса транспортера Р т , т.е.: т м Р Р Р − = . (2.3) Рис. 2.6. Схема порционного весового дозатора Рис. 2.7. Схема ленточных весов В предположении, что материал распределен на ленте равномерно, рассчитывают вес материала р м , приходящийся на единицу длины ленты и далее определяют весовую производительность дозатора Q по следующим формулам: L Р р / м м = , (2.4) v м р Q = , (2.5) где L – длина участка транспортерной ленты, загруженного материалом; v – скорость движения ленты. После того, как суммарный вес материала, прошедшего через ленточный транспортер, достигает заданного значения, контроллер 4 подает управляющий сигнал на выключение привода шнекового питателя 1. Данный способ позволяет определить только среднюю производительность Q за интервал времени v L t = ∆ . Попытки определения весовой производительности за меньший интервал времени неизбежно приводят к погрешностям. Следует отметить, что расчет осуществляется в предположении определения веса материала, находящегося на ленте транспортера, без погрешностей. В действительности погрешности в определении веса могут быть весьма существенными, особенно при малых производительностях. Как показал анализ ленточных дозаторов с производительностью менее 10 килограммов в час, выпускаемых ведущими мировыми производителями, вес ленточного транспортера в десятки раз превышает вес материала, находящегося на ленте. Таким образом, точность в определении веса материала в десятки раз ниже точности в определении общего веса, который фиксируется весовой платформой. Например, при максимальной производительности 31 гс –1 вес транспортера с приводом около 3 кг. Абсолютная точность весовой платформы с максимальной производительностью 3000 г составляет 1 г (модель BL3 фирмы "SARTORIUS" [12]). Относительная погрешность составляет 0,033 %. Максимальный вес материала на ленте (при минимальной скорости движения ленты) составляет 60 г, следовательно, при дискретности в определении веса 1 г относительная погрешность определения веса материала составляет 1,1 %. Таким образом, данный способ весового непрерывного дозирования зернистого материала позволяет определять и регулировать производительность только за интервалы времени, кратные продолжительности пребывания материала на транспортерной ленте. Не случайно эти дозаторы часто называют ленточными весами и рекомендуют использовать для контроля суммарного веса материала за достаточно продолжительные интервалы времени. 2 3 4 1 1 3 2 4 Известны сотни конструкций дозаторов, в которых реализуются разные способы весового непрерывного дозирования зернистых материалов. Тем не менее, по способу получения информации для расчета весовой производительности весовые дозаторы непрерывного действия условно можно разделить на три большие группы: − взвешивание определенной части непрерывного потока материала, находящегося в дозаторе; − взвешивание материала, оставшегося в бункере (технология Loss-in-weight); − взвешивание определенной части потока на выходе из дозатора. Первый способ, как правило, реализуется в ленточных дозаторах. На рисунке 2.8 показаны типовые схемы ленточных весовых дозаторов. В устройстве, изображенном на рис. 2.8, а, под лентой расположены два опорных ролика 5 и весоизмерительный ролик 4, который воздействует на весоизмерительный датчик 2. С датчика 2 сигнал поступает на контроллер 3, который, сравнивая его с заданной величиной, формирует и выдает управляющий сигнал на питатель 1. В данном устройстве взвешивается та часть сыпучего материала, которая расположена между опорными роликами, и, следовательно, управляющий сигнал на увеличение или уменьшение производительности дозатора дается исходя из веса этого участка. Следует отметить, что тарировка данного устройства производится исходя из предположения, что сыпучий материал на ленте расположен равномерно, добиться чего фактически невозможно. Очевидно, что на весоизмерительный ролик будет оказывать воздействие не только этот вес, но и вес материала, находящегося вне зоны взвешивания, за счет изменения натяжения ленты транспортера, а следовательно, возможен ложный сигнал на изменение производительности питателя. Кроме того, подобным же образом будет действовать и динамическое воздействие от привода транспортера, динамическое воздействие от трения ленты о ролик и т.д. Все это в конечном итоге приводит к тому, что на выходе дозатора поток будет неравномерным. Рис. 2.8. Схемы ленточных дозаторов непрерывного действия В устройстве, изображенном на рис. 2.8, б, разгрузочный край ленточного транспортера расположен на весоизмерительной платформе. В данном случае на весоизмерительный датчик действует не только вес сыпучего материала, расположенного на транспортере, но и вес ленточного транспортера, который в несколько раз больше. Очевидно, что точность взвешивания снижается, следовательно, чувствительность данной системы L 5 4 a) б) L L 1 в) 2 3 1 3 2 1 3 2 невелика. Система чувствительна к весу материала, находящегося на ссыпающем краю транспортера, но слабо реагирует на материал, поступающий на ленту. Наряду с динамическими воздействиями все это приводит к невысокой точности дозирования. В устройстве, изображенном на рис. 2.8, в, загрузочный край транспортера установлен на весоизмерительную платформу. Система хорошо реагирует на вес материала, поступающего на ленту транспортера. В принципе, это позволяет быстро устранить погрешности в производительности, однако, как и в предыдущих случаях, методика обработки информации, поступающей с датчика, ошибочна [13]. В настоящее время все более широкое распространение получает способ "Loss-in-Weight", так из 40 ведущих фирм США этот способ используют 25 фирм. Типовая принципиальная схема для реализации способа "Loss-in-Weight" показана на рис. 2.9. Аналогичная схема используется в дозаторах типа ВД, выпускаемых отечественной промышленностью [14]. Устройство состоит из малого бункера 1, в нижней части которого установлен шнек 2 с приводом вращения 3. Бункер установлен на весоизмерительный датчик 4. Сигнал с весоизмерительного датчика подается на контроллер 5. Этот сигнал усиливается, масштабируется и сравнивается с заданным значением, которое зависит от требуемой производительности дозатора. Над малым бункером 1 установлен большой бункер 6 с шибером 7. Большой бункер соединен с малым бункером 1 эластичным патрубком 8, чтобы избежать дополнительных воздействий на весоизмерительный датчик 4. Система работает следующим образом. Из большого бункера 6 в малый бункер 1 подается порция сыпучего материала, после чего шибер 7 закрывается. Рис. 2.9. Схема дозирующей системы "Loss-In-Weigh" С весоизмерительного датчика 4 подается сигнал на контроллер 5, где фиксируется начальный вес материала в бункере 1. Включается привод 3, и шнеком 2 материал непрерывно выгружается из бункера 1. Через определенное время ∆τ с весоизмерительного датчика 4 подается сигнал на контроллер 5. Контроллер рассчитывает вес материала в бункере 1, который должен быть через отрезок времени ∆t при заданной производительности и сравнивает это значение с показаниями датчика 4. Если вес материала в бункере 1 больше, чем расчетное значение, то контроллер 5 подает управляющий сигнал на привод 3 и увеличивает скорость вращения шнека, если вес материала в бункере 1 меньше расчетного значения, то скорость вращения шнека уменьшается. Когда вес материала в бункере 1 достигает минимального значения (примерно 0,1 от первоначального веса), контроллер 5 подает управляющий сигнал на шибер 7 и осуществляется загрузка очередной порции материала из бункера 6 в бункер 1. После этой операции цикл дозирования повторяется. В период загрузки очередной порции шнек 2 вращается с постоянной угловой скоростью. Основные недостатки данного способа непрерывного весового дозирования заключаются в том, что на весовую платформу воздействует не только вес материала, находящегося в бункере, но вес самого бункера с питателем. Кроме этого, на датчик веса передаются динамические нагрузки от питателя, что существенно снижает точность дозирования. Измерение производительности на выходе из дозатора осуществляется как контактными [15], так и бесконтактными [16] методами. В частности компания Brabender Technologie [15] использует устройство, схема которого показана на рис. 2.10. 7 6 1 4 5 3 2 Рис. 2.10. Схема контактного метода измерения производительности Материал с объемного питателя 1 поступает в желоб 2, который выполнен в виде четвертой части окружности. Жедоб 2 жестко соединен с одним концом рычага 3, второй конец которого контактирует с весоизмерительным датчиком 4. Информация с весоизмерительного датчика 4 подается на контроллер 5, который управляет приводом объемного питателя 1. Поскольку материал движется по дуге окружности желоба 2 с некоторым ускорением, он воздействует на этот желоб не только силой веса, но и центробежной силой, а также силой Кориолиса. Таким образом, даже при малых массовых расходах силовое воздействие на желоб 2 достаточно для того, чтобы весовой датчик 4 фиксировал отклонения в массовом расходе порядка 1 %. При известных параметрах желоба и скорости движения материала усилия воздействия на датчик легко пересчитать в массовую производительность. Как недостаток следует отметить, что при расчете производительности считаются постоянными физико- механические свойства дози- руемого материала. В действительности же эти свойства могут существенно изменяться, что отрицательно влияет на достоверность получаемой инфорации, а следовательно, на точность дозирования. Так например, при изменении влажности дозируемого материала существенно (до 10 % и более) изменяется коэффициент его трения по поверхности желоба, а следовательно, и силовое воздействие на весоизмерительный датчик. В бесконтактных датчиках используются различные электромагнитные и оптические эффекты. В частности, компанией Ramsey выпускается микроволновый датчик Granuflow DTR 131Z. В данном датчике используется эффект Доплера, и массовую производительность определяют в результате сравнения интенсивности излучаемой энергии и энергии, отраженной от движущегося потока сыпучего материала. Этот датчик может быть успешно использован в режиме пневмотранспорта или в ленточных конвейерах. По информации фирмы, чувствительность датчика порядка 2 г/с при скоростях от 1 см/с до 10 м/с. Совершенно очевидно, что датчик с такой чувствительностью может быть использован только при производительностях 100 кг/ч и более. В результате анализа рассмотренных выше способов непрерывного дозирования сыпучих материалов было установлено, что одной из основных причин возникновения погрешностей при дозировании являются динамические воздействия на весоизмерительный датчик. Для устранения динамических воздействий используют многостадийное дозирование. Эволюция развития метода многостадийного дозирования показана на рис. 2.11 – 2.14. Схема устройства для реализации порционного одностадийного весового дозирования показана на рис. 2.11. Устройство состоит из питателя 1 с приводом 2 и весовой платформы 3. При автоматическом режиме работы тара 4 подается на весовую платформу транспортером 5. После того, как тара установлена на весовую платформу, включается привод 2 питателя объемного принципа действия 1. При достижении требуемого веса материала с весовой платформы 3 подается управляющий сигнал на отключение привода 2. Для уменьшения динамических нагрузок на весовую платформу от падающего материала используют двухскоростной режим работы питателя. На первой стадии питатель работает с достаточно большой производительностью. После того, как вес материала достигает 90…95 % от заданного значения, существенно (примерно в 10 раз) уменьшают производительность питателя. Данный технологический прием позволяет повысить точность дозирования, но значительно уменьшает производительность дозатора. 5 4 3 1 2 |