12

Лабораторна робота № 4B - C

Тема: Принципи вимірювання витрати та маси сипких

матеріалів і визначення класу точності засобу вимірювань

1. Мета роботи :

1.1. Вивчити принципи вимірювання витрати та маси сипких матеріалів на транспортерах, конвеєрах та принцип дії, конструкцію магнітопружного ваговимірювального пристрою.

1.2. Засвоїти основні поняття по похибкам вимірювань, познайомитись з методикою метрологічної атестації (повірки) засобу вимірювань (ЗВ) та засвоїти основні залежності по визначенню основної похибки ЗВ.

1.3. Провести метрологічні дослідження магнітопружного ваговимірювального пристрою та визначити його клас точності по результатам статистичного опрацювання проведених досліджень.

2. Завдання на виконання роботи

2.1. Познайомитись з лабораторним стендом.

2.2. Вивчити теорію вимірювання витрати сипких матеріалів за допомогою терезів, класифікацію ваговимірювальних пристроїв та загальну будову дозаторів.

2.3. Вивчити будову та структурну електричну схему магнітопружного ваговимірювального пристрою.

2.4. Вивчити основні поняття про похибку засобу вимірювань (ЗВ), її основні складові та формули обчислення основної похибки ЗВ та її складових.

2.5. Познайомитись з методикою метрологічної атестації ЗВ.

2.6. Зняти реальну статичну характеристику перетворення магнітопружного ваговимірювального пристрою в 5-ти циклах вимірювання.

2.7. Провести, по наданій методиці, статистичне опрацювання результатів вимірювань та визначити основну похибку пристрою. Оцінити клас точності пристрою.

2.8. Побудувати графіки:

а) реальної (усередненої) статичної характеристики перетворення пристрою;

б) залежності відносних та приведених похибок по отриманому діапазону вимірювання (точки наносити через кожних 2 кг).

3. Загальні теоретичні відомості

3.1. Загальні відомості про вимірювання витрати та кількості речовини Принципи вимірювання маси.

У технологічних процесах харчової промисловості вимірювання витрати та кількості речовини необхідні як для контролю і керування, так і для обліку споживання сировини, напівфабрикатів та готової продукції.

Під витратою розуміють кількість речовини, що проходить через поперечний переріз транспортеру, конвеєру чи трубопроводу за одиницю часу. В залежності від одиниць вимірювання кількості речовини (наприклад, маси – в кілограмах чи тонах, а об’єму в кубічних метрах чи літрах), розрізняють масову та об’ємну витрати. Масова витрата вимірюється в кілограмах за секунду, тонах за годину тощо, а об’ємна – у кубічних метрах за секунду або за годину тощо.

Для вимірювання миттєвої кількості речовини, що протікає за одиницю часу використовуються прилади – витратоміри.

Під кількістю речовини розуміється загальний (сумарний) об’єм чи маса речовини, що пройшла через даний переріз за деякий проміжок часу, і вимірюється в метрах кубічних, кілограмах, літрах, тонах тощо.

Для вимірювання сумарної маси або об’єму, що проходить через поперечний переріз трубопроводу чи транспортеру за деякий (довільний) проміжок часу, використовуються лічильники кількості.

Принципи та методи вимірювання витрати і маси сипких матеріалів.

Принцип роботи засобів вимірювання (ЗВ) витрати та маси сипких матеріалів ґрунтується на використанні гравітаційних сил, які діють на вимірювані тіла або матеріали. Засоби вимірювань, що призначені для вимірювання маси називаються вагами або ваговимірювальними пристроями.

Машина або система пристроїв у сукупності з системою керування і регулювання, що діє з використанням принципу зважування і призначена для вагового дозування, називається дозатором. Вони бувають циклічної та безперервної дії.

В схемах стрічкового вагового дозатора постійного навантаження, що приведена на рис.1, сипка речовина 2 надходить на конвеєр 3 і безперервно зважується за допомогою вимірювального перетворювача 4 маси. При цьому вимірюється також швидкість руху транспортера датчиком 6 та час. Далі сигнали вимірювальної інформації подаються на інтегратор 5 витрати .

Рис. 1.

В усталеному режимі масова витрата речовини, або продуктивність Q дозатора дорівнює:

Q = C * q * V , [кг/с ],

де С – коефіцієнт, який залежить від типу ваговимірювального пристрою;

q - навантаження на вагоприймальний конвеєр(транспортер), кг/м;

V - швидкість руху конвеєра (транспортера), м/с.

Автоматична система регулювання витрати, для якої регульованим параметром є навантаження на конвеєр або сила ваги сипкого матеріалу на транспортері, діє на відповідний шибер 1 , забезпечуючи тим самим задану витрату або продуктивність.

Іншим варіантом виконання системи дозування є система з визначення ваги сипкого матеріалу, що знаходиться на стрічковому траспортері або конвеєрі (без підтримування ваги речовини постійною), та її накопичення (інтегрування) по мірі проходження матеріалу деякої відстані по цих вагах (рис.2).

Система теж вміщує ваговимірювальну платформу 1 із конвеєрною стрічкою 9, на якій розміщується сипка речовина 10. Платформа врізається в технологічну лінію дозування матеріалу. Система дозування вміщує також: датчик 2 (сенсор) ваги; блок 2 аналого–цифрового перетворювача 3 (АЦП) ; інтегратор 4 та задавач 5 з цифровим індикатором дозованої маси. Для вимірювання переміщення матеріалу по конвеєрним вагам система вміщує сенсор 6 та електронний блок 7 для вимірювання довжини (одометр), який задає довжину шляху зміщення (інтервал), за яким виконується вимірювання маси.

Рис.2

Вага матеріалу Q на окремій дільниці ваговимірювальної платформи між двома вимірюваннями визначається за формулою:

Q = ,

де Р - вага усього матеріалу на ваговимірювальній платформі;

m – кількість вимірювань, що виконуються при переміщенні матеріалу на довжину, що дорівнює довжині ваговимірювальної платформи.

Загальна кількість матеріалу Q, що надходить через ваговимірювальну платформу, визначається формулою:

Q = = ,

де n – загальна кількість проведених вимірювань.

Із останнього рівняння видно, що загальна маса матеріалу залежить як від ваги Р так і від величини m. Збільшуючи коефіцієнт m, зменшують вплив нерівномірності розташування сипкого матеріалу на платформі і тим самим підвищують точність вимірювань.

Як правило, в системах дозування сипких матеріалів на конвеєрних вагах або траспортерах реалізують диференціальний метод вимірювання. Суть методу полягає в тому, що на вимірювальний засіб подається і вимірюється тільки різниця між вимірюваною масою i масою, яка відтворена мірою. Метод використовується в таких випадках тому, що:

по-перше, вимірювана маса Х, може бути надана залежністю:

Х = Хо Х,

де Хо - номінальне значення вимірюваної маси, Х – можливе відхилення вимірюваної маси від номінального значення, які , як правило, знаходяться в межах 10% від Хо;

по-друге, просто та точно реалізується операція віднімання вимірюваної маси X та номінального значення Хо.

Операцію віднімання виконують на важелях ваговимірювальної платформи, а значення Хо задається відповідною вагою гир.

Оцінимо ефективність використання диференціального методу.

Наприклад, ми маємо ваговимірювальний пристрій класу точності 1% (а це означає, що приведена допустима похибка цього пристрою = 1%) і ним необхідно вимірювати масу сипучого матеріалу на траспортері в межах (20 1)кг.

Якщо використаємо цей пристрій та реалізуємо метод безпосередньої оцінки, тобто, будемо вимірювати постійно всю вагу матеріалу на транспортері, то отримаємо абсолютну похибку вимірювань цього методу:

= (D * ) = (20 + 1) * = 0,21 кг = 210 г.

Якщо ж ми використаємо диференціальний метод, то повинні використати міру Хо = 20 кг, якою компенсуємо частину маси на транспортері, що діє на ваговимірювальний пристрій, і вимірюємо тільки різницю (можливе відхилення) у межах 1 кг цим же пристроєм. Але в цьому випадку абсолютна похибка пристрою в діапазоні 2 кг дорівнює:

= (2 * ) = 0,02 кг = ± 20 г.

У той же час, точність вимірювання всієї маси матеріалу на транспортері при диференціальному методі (результат вимірювання відхилення кожного разу ми додаємо до номінальної ваги 20 кг та отримуємо загальний результат) буде визначатись приведеною похибкою:

= ( / D) * 100% = (0,020 / 21)* 100 0,1%.

Як бачимо, тільки правильний вибір методу вимірювання дозволяє, без особливих витрат, підняти точність вимірювання маси сипучих матеріалів на транспортері майже на порядок.

За принципом дії вимірювальні перетворювачі маси (ваги), що використовуються в системах дозування, поділяють на:

важільні, в яких сила тяжіння матеріалу зрівноважується системою важелів;

пружинні, в яких зрівноважування досягається силовімірювачем у вигляді пружини;

електромеханічні, принцип дії яких грунтується на перетворенні сили тяжіння тіла або матеріалу в пропорційний електричний сигнал.

Найбільш поширеними вагами електромеханічної групи є:

електротензометричні ваги, в яких в якості чутливих елементів є дротяні, фольгові або напівпровідникові тензорезистори;

магнітопружні ваги, в яких в якості чутливих елементів використовуються магнітопржні первинні перетворювачі.

3.2. Принцип дії магнітопружного ваговимірювального пристрою.

В якості первинного вимірювального перетворювача в пристрої використовується магнітопружний перетворювач, який використовує ефект зміни магнітного опору феромагнітного осердя під впливом вимірюваної ваги. Принцип його дії ґрунтується на явищі зміни магнітної проникності μ феромагнітного осердя в залежності від виникаючого в ньому механічного напруження під дією механічної розтягуючої або стискаючої сили P_x.

К онструктивно магнітопружний перетворювач виконують в вигляді осердя тієї чи іншої форми із суцільного феромагнітного матеріалу, або у вигляді набору із тонких ізольованих пластин (шихтовані датчики). Загальний вигляд перетворювача показаний на рис.3. Деформуєме осердя виготовляють із двома подовжніми отворами, в які розміщують котушку індуктивності L_x. Індуктивність L_x котушки з феромагнітним осердям визначається за формулою:

W²

Рис. 3. L_x = 

Zμ , де W – кількість витків котушки;

Zμ – магнітний опір магнітопроводу.



В свою чергу Zμ =R_м² + X_м ² ,

L

де R_м =  – так названий активний магнітний опір магнітопроводу;

μμ₀S

L, S – довжина та площа поперечного перерізу робочої (де знаходиться котушка) частини осердя; μ, μ₀ – магнітна проникність повітря та матеріалу осердя;

X_м – реактивний опір котушки.

Таким чином, зміна магнітної проникності μ =f(P_x) під дією механічної сили P_x приводить до зміни магнітного опору осердя R_м і відповідним чином до зміни повного опору Z(x) котушки індуктивності.

Графік залежності відносної магнітної проникності Δμ/μ від засилля Р_х має вигляд, приведений на рис 4.

Живлення перетворювачів здійснюють, як правило, напругою змінного струму частотою в межах 1÷2 кГц.

Використовуються дві схеми ввімкнення магнітопружних перетворювачів: трансформаторна та дросельна.

При трансформаторній схемі ввімкнення, на феромагнітному осерді розміщуються дві обмотки, одна із яких є обмоткою живлення, а друга – вимірювальною. Такі магнітопружні перет- Рис.4

ворювачі зусилля називаються пресдукторами і виконуються, як правило, шихтованими.

При дросельній схемі ввімкнення індуктивність L_x магнітопружного перетворювача та опір R_н навантаження з’єднуються із джерелом живлення послідовно, а величину R_н вибирають із урахуванням такого струму в утвореному ланцюгу, який не допускає насиченості осердя. Падіння напруги на опорі R_н і є корисним сигналом.

Точність вимірювання за допомогою магнітопружних перетворювачів (МПП) обмежується похибками: пружного магнітного гістерезису, зміною температури матеріалу перетворювача та похибкою нелінійності.

Найбільш суттєвою є похибка від магнітопружного гістерезису, яку практично повністю усувають зусиллям початкового навантаження на МПП.