|
Průmyslová vážicí technika
Moderní elektromechanické vážicí systémy pro průmysl se vedle základního úkonu měřit hmotnost nebo tok sypkých materiálů uplatňují v logistických procesech vážením vstupních a výstupních produktů podniku v návaznosti na jeho ekonomiku, účetní výkaznictví, skladové hospodářství aj. Využívají se jako dominantní prvky v řízení různých automatizovaných technologických procesů. Článek přehledně informuje o těchto systémech a jejich komponentách.
1. Definice a rozdělení elektromechanických vážicích systémů
Průmyslové vážicí systémy lze dělit podle dvou hlavních kritérií. Prvním je způsob vážení. Diskontinuální vážicí systémy měří hmotnost přesně definovaného a ohraničeného objektu umístěného na pevné podložce vyjádřenou v gramech, kilogramech, tunách apod. Kontinuální vážicí systémy průběžně měří hmotnost toku přepravovaného sypkého materiálu za jednotku času vyjádřenou v gravimetrických jednotkách přepravního výkonu (g·h–1, kg·h–1, t·h–1) nebo v jednotkách objemových (l·h–1).
Druhým kritériem je účel vážení. Při tomto dělení jsou systémy určeny k vážení buď v obchodním styku, nebo v technologických procesech. Při vážení v obchodním styku se nejistota vah a vážení stanovuje podle příslušných národních norem vycházejících z doporučení OIML (Organisation Internationale de Métrologie Légale). Právo dohledu nad metrologickými parametry a způsobem užívání vah používaných v obchodním styku si vyhrazuje stát. Právní aspekty těchto měřidel jsou definovány zákonem o metrologii. Zmíněná měřidla patří mezi tzv. stanovená měřidla podléhající legálnímu dozoru, který vykonává Český metrologický institut. České normy jsou už harmonizovány s normami EU. Při technologických váženích jsou metrologické a technické parametry vážicích systémů uváděny v podnikových či oborových normách. Metrologické a technické parametry těchto systémů jsou výhradní záležitostí provozovatelů a uživatelů.
2. Snímače zatížení
Snímače zatížení jsou základní a velmi významnou částí všech elektromechanických vážicích systémů (obr. 1). Osvědčuje se princip s kovovými fóliovými tenzometry. Jiné principy (piezorezistentní, indukční, kapacitní) neobstály z metrologických hledisek. Hlavní částí snímače je ocelový deformační člen, jehož deformace ve směru působení měřeného zatížení v určeném místě je mírou tohoto zatížení. Metrologické charakteristiky snímače zatížení jsou definovány řadou chyb vztažených ke jmenovité hodnotě měřicího rozsahu snímače. Nejvýznamnější z nich je tzv. sloučená chyba, zahrnující chybu linearity, hystereze a reprodukovatelnosti. U snímačů používaných v přesných vahách pro obchodní vážení činí tato chyba 0,01 až 0,03 % jmenovitého měřicího rozsahu snímače. Udáván je i teplotní součinitel nulového a jmenovitého signálu, který je u snímače špičkové úrovně v teplotním intervalu 50 K zpravidla menší než 0,01 %/10 K.
Má-li se dosáhnout takovýchto metrologických parametrů, při optimalizaci konstrukce a tepelného zpracování deformačních členů se nevystačí pouze s obvykle publikovanou teorií pružnosti. Je třeba ji doplnit studiemi vlivu efektů vyšších řádů. Jen tak může být docíleno žádaného výsledku. To však vyžaduje vykonání množství velmi přesných experimentů, dlouhodobé zkušenosti a sběr poznatků z výzkumné činnosti v oboru.
3. Diskontinuální vážicí systémy
Váhy pro silniční vozidla patří mezi často používané, a ještě častěji zmiňované, diskontinuální váhy. Vyráběny jsou z prefabrikovaných dílů jako úrovňové nebo nájezdové. Vážní mosty těchto vah mají rozměry 8 × 3 m až 22 × 3 m. Typické rozměry vážního mostu jsou 18 × 3 m. Váživost váhy pro silniční vozidla je volena 30 až 60 t. Přesnost statického vážení podle normy pro obchodní vážení ČSN EN 45501 splňuje požadavky třídy III s dělením stupnice na 3 000 dílků (obr. 2). Váhy pro vážení silničních vozidel za pohybu s typickým rozměrem vážního mostu 3 × 0,5 m a plynulou přejezdovou rychlostí 5 km·h–1 nedosahují přesnosti vah pro statické vážení. Podle nové legislativy je však lze používat i pro obchodní vážení.
Váhy pro kolejová vozidla jsou zpravidla dimenzovány pro hmotnost vagonu 120 t. Vyráběny jsou jen pro obchodní vážení, a to s přesností při statickém vážení podle již zmíněné normy ČSN EN 45501. Kolejová vozidla za pohybu (nikoliv s nákladem kapalin) při rychlosti do 15 km·h–1 se váží s horší přesností podle doporučení OIML IR 106 (třídy přesnosti 0,2 a 0,5).
Zásobníkové váhy váží kapalné a sypké materiály v zásobnících různých tvarů a velikostí. Nejčastěji jsou používány v potravinářském a chemickém průmyslu a ve stavebnictví. Přesnost vážení je určena požadavky aktuálního technologického procesu. Základními funkcemi těchto vah jsou vážení a řízené vyprazdňování nebo plnění zásobníků. Tyto procesy jsou programově řízeny elektronikou.
Plošinové váhy o rozměrech plošin 400 × 400 mm až 4 000 × 4 000 mm s váživostí jednotek kilogramů až jednotek tun jsou nejčastěji využívány s přesností obchodního vážení. Mechanická konstrukce této váhy se přizpůsobuje účelu použití. Požaduje se velká odolnost proti přetížení, vlhkosti, různým chemikáliím atd. Při používání v potravinářském průmyslu jsou tyto váhy často v antikorozním provedení.
Váhy ve válečkových tratích staticky váží transportované kusové zboží a polotovary na mechanicky oddělené části dopravníku, která spočívá na čtyřech snímačích zatížení. Po zvážení je zboží znovu uvedeno do pohybu. Podle potřeby může být vážení uskutečněno jako obchodní nebo jako technologické.
Jeřábové váhy váží předměty zavěšené na háku jeřábu. Snímač zatížení v blízkosti háku je instalován tak, aby bez parazitních vlivů měřil hmotnost zavěšeného předmětu. Většina jeřábových vah bývá doplněna velkoplošnými zobrazovacími jednotkami, na kterých lze sledovat údaje o měřené hmotnosti i z větší vzdálenosti. Data mezi vyhodnocovací jednotkou na jeřábu a pozemní částí systému jsou oboustranně přenášena zpravidla prostřednictvím infračerveného záření.
4. Kontinuální a kontinuální dávkovací váhy
Pásové váhy jsou umístěny pod pásovým válečkovým dopravníkem, ve kterém jsou jedna anebo dvě válečkové stolice odděleny od základního rámu dopravníku a podloženy snímači zatížení. Tak lze snímat vertikální síly vyvozované dopravníkovým pásem úměrně jeho zatížení. Dopravníkový pás může transportovat materiál až do vzdálenosti několika set metrů při měřených přepravních výkonech typicky od 100 do 2 000 t·h–1. Provozní chyby jsou v rozmezí 0,25 % až 2 %. Lepší přesnost je zajišťována kalibrací.
Pásové váhy pro obchodní účely jsou vybaveny zdvojeným měřením rychlosti pásu a snímači zatížení s patřičnou kalibrací. Podle doporučení OIML RI 50 jsou tyto váhy rozděleny do tří tříd přesnosti s maximální chybou 0,25 %, 0,5 % a 1 %.
Průtokoměry sypkých hmot s odraznou nebo skluzovou deskou měří při pohybu materiálu jeho kinetickou energii, která se na měřicí desce přeměňuje na tlakovou sílu (odrazná deska) nebo moment (skluzová deska) měřené snímačem zatížení (obr. 3). Celkové proteklé množství materiálu je určeno integrálem okamžitých hodnot zatížení za stanovený čas. Maximální průtok je až 1 000 m3·h–1. Provozní chyba je v rozmezí 2 až 5 %.
Průtokoměry sypkých hmot na Coriolisově principu dosahují při měření granulátů a jemných homogenních materiálů (prach, mouka) lepších přesností než průtokoměry s odraznou nebo skluzovou deskou. Měří reakční moment způsobený Coriolisovou silou úměrný okamžité hodnotě průtoku sypkého materiálu v rozsahu 0,5 až 200 t·h–1 (300 m3·h–1) s chybou až 2 %, kterou lze vhodnou kalibrací zmenšit na méně než 0,5 %.
Dávkovací pásové váhy (obr. 4) jsou vybaveny regulátorem porovnávajícím okamžité přepravované množství materiálu s množstvím požadovaným. Vzniklou regulační odchylkou je regulován tok materiálu tak, aby odchylka byla minimální a kontrolovaný tok materiálu gravimetricky konstantní a odpovídající předem nastavené hodnotě. Tyto váhy jsou vyráběny pro celkové přepravované množství 50 kg·h–1 až 2 000 t·h–1. Délka vah se pohybuje v rozmezí 0,5 až 8 m. Chyba dávkování je 0,5 až 1 % v mezích regulačního rozsahu 1 : 20.
Rozdílové (tzv. diferenciální) dávkovací váhy měří úbytky hmotnosti v zásobníku materiálu (obr. 5). Regulátor zajišťuje, aby úbytek byl konstantní v čase a odpovídal žádané hodnotě hmotnostního průtoku materiálu. Může být použita i regulace na konstantní úbytek objemu materiálu. Elektronika řídí vyprazdňování a plnění zásobníku podle naprogramovaného algoritmu. Těmito vahami lze dávkovat množství 0,05 kg·h–1 až 90 t·h–1. Chyba dávkování vztažená k žádané hodnotě průtoku se pohybuje v rozmezí 0,25 až 0,5 % při regulačním rozsahu 1 : 80.
5. Řídicí a vyhodnocovací jednotky elektromechanických vážicích systémů
Elektronické jednotky plní v procesech vážení základní funkce a bezprostředně s nimi i funkce zvyšující „inteligenci“ vážení. Jsou běžně vybavovány počítači typu PC, obvykle označovanými jako procesory vážních dat. Jejich programové vybavení, zpravidla využívající grafické prostředí Windows, je komfortní a přehledné (obr. 6). V případech, kdy váhy podléhají legálnímu dozoru, je příslušná část programového vybavení chráněna před nepovoleným přístupem. Procesor vážních dat dovoluje obsluze váhy komunikovat prostřednictví klávesnice a monitoru. Na monitoru jsou trvale zobrazeny údaje o měření hmotnosti, poruchová hlášení atd. Programové vybavení umožňuje mimo jiné vstup do celopodnikových a dalších rozsáhlých informačních systémů.
6. Budoucnost elektromechanické vážicí techniky
V posledních letech jsou zřejmé trendy, které se prosadí v blízké budoucnosti:
rychlé pokroky ve výpočetní technice a mikroelektronice přispějí k další automatizaci vážicích procesů, k jejich větší spolehlivosti, přesnosti, zjednodušení obsluhy a ke zvýšení inteligence vážicích procesů,
rychlejší bude rozvoj vážení v nejrůznějších technologických procesech, kde vážicí technika představuje dominantní automatizační prvek,
budou vyvinuty a zavedeny do praxe nové vážicí technologie (z poslední doby jsou to např. dávkování uhelného prachu a dávkování alternativních paliv),
rozšíří se mechatronické prvky s implementací tenzometrů (deformačních členů) přímo do stávajících částí konstrukcí,
podstatně se rozšíří standardizace konstrukčních prvků,
význam moderní průmyslové vážicí techniky pro ekonomiku státu výrazně roste a její pozitivní vliv se prosazuje téměř ve všech průmyslových oborech.
Jiří Černohorský
|