Контроль объемного расхода продукта по конвейерной ленте

Одной из важнейших задач на производстве является учет перемещения объема продукта между различными технологическими участками. И если контроль объема прошедшего жидкого продукта можно осуществлять при помощи расходомеров с высокой точностью, то при транспортировке твердого неоднородного продукта измерение его расхода сопряжено с определенными трудностями. К такому продукту можно отнести: картофель, сахар-песок, ягоды, зерно, металлические заготовки, мусор и т.д.

При этом существует несколько способов транспортировки:

  • ленточный транспортер;
  • скребковый транспортер;
  • шнековый транспортер;
  • пневмотранспортировка (для рассыпчатого продукта).

Учет расхода объёма материала ультразвуковым методом на транспортерной ленте

В рамках данной статьи мы рассмотрим способ измерения объемного расхода продукта при перемещении его ленточным транспортером (см. рисунок 1), на базе ультразвуковых датчиков измерения расстояния mic+ фирмы Microsonic (Германия). Они обладают следующими преимуществами:

  • бесконтактное измерение расстояния до поверхности любой формы (принцип измерения подробно описан в статье «Особенности измерения расстояния / уровня ультразвуковыми датчиками»);
  • надежная работа в условиях высокой запыленности (мука, крахмал, какао), высокой влажности или брызгах воды;
  • измерение с высокой точностью 1 %;
  • унифицированный аналоговый выходной сигнал 4...20 мА или 0...10 В, который позволяет легко подключить датчики в систему управления;
  • малое время отклика. Например, для модели mic+25/IU/TC с аналоговым выходным сигналом, время отклика составляет всего 32 мс на заводских настройках.
  • Измерение расхода продукта на ленточном транспортере
    Рисунок 1 — Измерение объемного расхода продукта при перемещении его ленточным транспортером

    Измерение объемного расхода может быть организован следующим образом: ультразвуковой датчик устанавливается сверху и определяет высоту движущегося потока h. Зная ширину конвейерной ленты L, мы можем приблизительно определить площадь сечения потока S (см. рисунок 2):

    S = L h ( 1 ) S = L cdot h ~( 1 )
    Определение площади потока продукта на ленте
    Рисунок 2 — Определение площади потока продукта на ленте

    Далее, если управление происходит посредством преобразователя частоты, то с него можно считать выходную частоту f и перевести ее в линейную скорость перемещения продукта V, зависящую от диаметра ролика d и передаточного числа i редуктора (если он используется), без учета побочных факторов (скольжения электродвигателя, проскальзывание или растяжение ленты и так далее):

    V = f π d i ( 2 ) V = {f %pi d} over i~( 2 )

    Исходя из этого, легко рассчитать искомый объемный расход продукта Q, перемножив формулы (1) и (2):

    Q = V S = L π d i h f = K h f ( 3 ) Q = V cdot S = {L%pi d} over i cdot h cdot f = K cdot h cdot f~( 3 )

    В данном случае, коэффициент К введен для упрощения — это константа, зависящая от характеристик транспортера.

    Пример организации системы автоматики, позволяющей реализовать данный алгоритм расчета объёма материала, представлен на рисунке 3.

    системы автоматики ультразвукового измерения
    Рисунок 3 — Пример организации системы автоматики

    Панель оператора Elhart ECP-07 по интерфейсу RS-485 производит опрос преобразователя частоты Elhart EMD mini, получая данные о текущей выходной частоте вала двигателя, а также 2-х канального измерителя-регулятора Elhart ECD2-M, к одному из аналоговых входов которого подключен ультразвуковой датчик mic+ (ECD2-M выступает в качестве бюджетного 2-х канального ModBUS модуля ввода аналоговых сигналов, с дополнительной индикацией на дисплее и дискретными выходами для сигнализации о переполнении ленты). Математика расчета и отображение результатов происходит непосредственно на панели оператора.

    Использование одного ультразвукового измерителя неверно, если продукт на ленте распределен неравномерно, или ширина ленты слишком большая. На рисунке 4а показан пример подобной ситуации — рассчитанный объемный расход будет очень сильно отличаться от реального. В свою очередь, на рисунке 4б показано измерение уже двумя датчиками: после вычисления системой среднего арифметического, расчет объемного расхода станет намного более достоверным.

    измерение объёма ультразвуком
    Рисунок 4 — Расчет объёмного расхода продукта ультразвуковым методом

    Таким образом, чем больше датчиков участвует в измерении, тем лучше. Однако выбор оптимального количества датчиков, требуемых для реализации подобной системы, будет зависеть от требования к точности вычисления расхода, от неравномерности распределения продута на ленте и от ширины самой ленты. Зачастую, это определяется экспериментально.

    При использовании нескольких бесконтактных УЗ датчиков рядом друг с другом необходимо обеспечить расстояние монтажа между ними не менее, чем указанно в таблице 1.

    Таблица 1 – Расстояние между УЗ датчиками
    Модель УЗ датчикаРасстояние между УЗ датчиками
    mic+ 25≥ 0,35 м
    mic+ 35≥ 0,4 м
    mic+ 130≥ 1,1 м
    mic+ 340≥ 2,0 м
    mic+ 600≥ 4,0 м

    Если же соблюсти эти требования невозможно (датчики необходимо располагать ближе друг к другу), то показания одного датчика могут влиять на показания другого (см. рисунок 5).

    измерение ультразвукомыми датчиками
    Рисунок 5 — Взаимодействие нескольких ультразвуковых датчиков

    Для понимания процесса влияния, рассмотрим измерение системой поэтапно.

    • 1-й этап: датчик №2 отправил ультразвуковой импульс, который конусообразно распространился в воздушной среде (более точно зона распространения ультразвуковой волны для разных моделей датчиков приведена в руководстве по эксплуатации;
    • 2-й этап: ультразвуковая волна, отправленная датчиком №2, отразилась от поверхности продукта, и испытала эффект рассеяния из-за неоднородности: часть импульса отразилось обратно к датчику №2 (что позволило ему произвести вычисление расстояния), а остальная часть отразилась в разные стороны, в том числе по направлению к датчику №1 (№3);
    • 3-й этап: датчик №1 (№3) отправил ультразвуковой импульс и перешел в режим «ожидания» принятия собственной отраженной волны;
    • 4-й этап: отраженная волна от датчика №2 достигает датчика №1 (№3) раньше отправленной им самим. Это приводит к тому, что датчик №1 (№3) вычисляет ошибочное расстояние.

    Причина проявления такого эффекта кроется в том, что датчики имеют разное время цикла - период времени ожидания между отправкой и принятием отраженного импульса, а также потому что излучают в разные моменты времени. Чем более плотно установлены датчики (для примера, см. рисунок 6а, 6б), тем сильнее этот эффект может проявляться.

    установка ультразвуковых датчиков
    Рисунок 6 — Плотность установки ультразвуковых датчиков

    Для решения данной проблемы производителем добавлена специальная функция «синхронизации». Активируется она путем соединения 5-х ножек датчика друг с другом (см. рисунок 7).

    Синхронизация ультразвуковых датчиков
    Рисунок 7 — Синхронизация ультразвуковых датчиков

    После этого, время циклов датчиков становится одинаковым, и излучают они одновременно. Данная процедура позволяет синхронизировать работу до 10-ти датчиков.

    Рассмотрим вновь измерение системы поэтапно (см. рисунок 5).

    • Этап №1: все датчики одновременно отправили ультразвуковые импульсы;
    • Этап №2: часть отраженного импульса датчика №2 движется к датчику №1 (№3);
    • Этап №3: датчик №1 (№3) получает первым собственный отраженный импульс (поскольку он распространяется по прямой), вычисляет расстояние по нему, и лишь затем получает отраженный ошибочный импульс датчика №2, не учитывая его в измерении.

    При этом увеличение количества датчиков предполагает и увеличение числа измерительных аналоговых входов вторичного устройства, а также обеспечение вычисления на нем среднего значения по этим показаниям. А для этого уже надо применять ПЛК с несколькими аналоговыми входами (или совместно с модулем ввода аналоговых сигналов), а также реализовывать программу на нем: соответственно рассмотренная нами ранее система на базе измерителя-регулятора ECD2-M уже не может быть реализована.

    Однако можно применить способ, подробно описанный в статье «Система измерения диаметра полимерной пленки при экструзии рукавным методом»: все аналоговые сигналы 4...20 мА датчиков подключаются параллельно к резистору определенного номинала и мощности. При этом падение напряжение на нем, вызванное протеканием суммы токов, будет пропорционально среднему значению измеренного датчиками расстояния. Например, на рисунке 8 приведена схема подключения, если используется 3 ультразвуковых датчика расстояния. Обозначенные клеммы AIN1 и GND - это клеммы аналогового входа регулятора ECD2-M.

    Подключение ультразвуковых датчиков
    Рисунок 8 — Схема подключения ультразвуковых датчиков

    Правильная настройка диапазона преобразования аналогового сигнала в ПИД-регуляторе позволит получить измеренную в миллиметрах среднюю высоту продукта, доступную к считыванию по интерфейсу RS-485, которая будет фигурировать в дальнейших расчетах.

    Вывод: в рамках данной статьи рассмотрен пример простой системы по вычислению объемного расхода продукта, движущегося по конвейерной ленте. Использование ультразвуковых датчиков в этом применении для измерения высоты продукта позволяет производить точное измерение в сложнейших условиях эксплуатации, с очень малым временем отклика и возможностью применения нескольких датчиков в режиме «синхронизации».

    Инженер ООО «КИП-Сервис»
    Рывкин Е.Е.


 Наверх