Питатель с потерей веса контролирует дозирование материала по весу в процесс с точной скоростью. Целевая скорость подачи обычно известна как заданное значение потери веса. Единицы измерения таких заданных значений могут варьироваться от граммов в секунду в некоторых фармацевтических приложениях до тонн в час в тяжелых промышленных процессах.

Применение

Способность дозаторов с потерей веса обеспечивать непрерывную подачу материала с заданной скоростью привела к их использованию в различных непрерывных производственных процессах, включая подачу сырья в экструдеры. Однако более типичным применением будет линия по производству продуктов питания, использующая непрерывный процесс, которая может использовать несколько дозаторов с потерей веса, каждый из которых дозирует различные ингредиенты материала с разной скоростью подачи (часто на общую движущуюся ленту).

Здесь пропорция отдельных скоростей подачи определяет рецепт конечного продукта, а сумма отдельных скоростей подачи определяет выход производственной линии. Такие системы могут также включать конвейерные весы, доставляющие сыпучие материалы в процесс (также с заданной скоростью). Затем вся система обычно управляется центральной системой управления PLC/SCADA. Эти непрерывные процессы потери веса часто более эффективны, чем обычные весовые дозаторы для порционного процесса (см. раздел 3.1), где подача материала должна периодически приостанавливаться, пока пополняется весовой сосуд и готовится следующая партия.

Объемная подача

Принцип объемной подачи достигается путем простого использования объемных свойств питателя для подачи продукта с постоянной скоростью. Например, если известная заданная скорость двигателя применяется к шнековому питателю, то теоретически постоянный объем материала будет проходить через питатель за единицу времени. Объемная подача не включает в себя обратную связь и, следовательно, является «разомкнутым контуром», что ограничивает его потенциальную точность. Основные источники ошибок следующие:- Изменения плотности материала, которые изменят вес подаваемого материала (для постоянной объемной подачи)

Ошибки расхода питателя, возникающие из-за расхождений между заданной (желаемой) скоростью питателя и фактической скоростью, и, следовательно, объемной скоростью подачи (и нет обратной связи, чтобы обнаружить или исправить это) Несоответствия потока материала в механизме питателя (возможно, материал механически прилипает к компонентам питателя) Поэтому ясно, что чистые объемные питатели имеют значительные ограничения точности. Тем не менее, они действительно обеспечивают эффективное экономичное решение для некритических применений.

Гравиметрическая (потеря веса) подача

Гравиметрическая (потеря веса) подача реализована с использованием системы взвешивания, настроенной на взвешивание всей системы бункера/податчика вместе с ее содержимым (продуктом, который будет подаваться). Рассмотрим типичную конфигурацию системы управления потерей веса, показанную на рисунке. В этом примере электронный контроллер непрерывного взвешивания считывает сигналы тензодатчика, одновременно управляя двигателем питателя и, следовательно, скоростью питателя.

Тахометр также используется для измерения фактической скорости двигателя, которая подается обратно на вход контроллера взвешивания/двигателя. Вся эта информация используется системой управления для установки оптимальной скорости двигателя (обычно с использованием двухтермических алгоритмов управления) для подачи продукта по весу с желаемой скоростью (заданное значение). Некоторые более сложные контроллеры также сравнивают общее количество материала, фактически поданного за определенный период времени, с целевым значением и, после расчета, выполняют пошаговые корректирующие изменения скорости питателя для оптимизации долгосрочной точности питателя.

При гравиметрической подаче с низкой скоростью подачи скорость изменения чистого веса за единицу времени обычно очень мала, и поэтому сигналы веса с высоким разрешением всегда были желательны для различения очень малых изменений веса (для оптимизации точности дозатора). В настоящее время обычные тензодатчики имеют сопутствующие устройства АЦП, которые часто предлагают 24-битное разрешение в качестве стандарта (что соответствует разрешению лучше, чем 1 часть на 16 миллионов!). Хотя абсолютная точность взвешивания технологии тензодатчиков обычно составляет всего 1 часть на 3000, для случая программной обработки потери веса обнаружение относительно небольших приращений изменения веса часто считается полезным (в приложениях, свободных от значительного шума и вибрации).

Кроме того, если доступно дополнительное разрешение АЦП, его также можно использовать для предварительной обработки и фильтрации сигнала веса, тем самым стабилизируя биты сигнала самого низкого порядка, которые впоследствии передаются в основные программные алгоритмы для обработки потери веса. Также ведется поиск дальнейших улучшений точности подачи, путем сосредоточения внимания на специальных программных алгоритмах, которые включают: — Алгоритмы интерполяции, где оцениваются данные о потере веса между проверенными измерениями. Эти типы расчетов могут быть важны, когда некоторые измерения были утеряны или отброшены (возможно, из-за шума или вибрации), и когда требуются оценки потока материала, который произошел в течение этого периода (например, для обновления сумматоров потока материала).

Также используются алгоритмы экстраполяции, которые эффективно используются для того, чтобы заглянуть в будущее и предсказать тенденции потери веса, что позволяет контроллеру принимать упреждающие меры по мере необходимости для оптимизации желаемых долгосрочных расходов. К сожалению, высокоточный режим гравиметрической подачи время от времени должен прерываться, когда возникает необходимость в пополнении бункера. Когда контроллер обнаруживает заданный порог низкого уровня, он автоматически инициирует цикл пополнения и затем управляет пополнением бункера по весу. Во время этого цикла пополнения невозможно осуществлять гравиметрическую подачу, и, следовательно, контроллер должен вернуться к объемной подаче (поскольку система взвешивания разгрузки стала «слепой», пока контроллер взвешивает свежий материал в бункер). Он поддерживает точность подачи во время этого цикла пополнения, что обычно считается одним из самых сложных аспектов конструкции контроллера потери веса. На рисунке изображены циклы системы потери веса.

Сумматоры

Контроллеры потери веса обычно оснащены программными сумматорами, которые определяют общую пропускную способность материала путем измерения и интеграции.

Подача альтернативных материалов

Промышленные процессы часто требуют, чтобы альтернативные материалы могли подаваться через одну систему потери веса. Поскольку такие материалы, вероятно, будут иметь разные плотности и характеристики, некоторые контроллеры потери веса могут хранить данные о характеристиках нескольких материалов, которые впоследствии могут быть вызваны для оптимизации точности подачи при дозировании этих материалов.

Конструкция

Материал для подачи хранится в бункере, установленном над питателем, который необходимо время от времени пополнять материалом, не прерывая процесс дозирования. Вся механическая система (включая бункер) должна быть взвешена, чтобы обеспечить работу принципа потери веса. Механические устройства подачи, которые часто используются в основе систем потери веса, включают шнековые питатели, вращающиеся ячеистые питатели, ленточные питатели и вибрационные питатели.

При работе с более сложными материалами узел бункера может быть оснащен мешалками и вращающимися мостоломами. Конструкция профиля бункера и материал конструкции оптимизированы для обеспечения постоянного источника материала для механизма подачи ниже. Конструкция типичного шнекового питателя и вращающегося ячеистого питателя показана на рисунках. В каждом случае питатель приводится в действие двигателем (который является частью узла). Расход материала пропорционален скорости двигателя.

Механизм подачи может быть вибрационным питателем, в котором материал подается из бункера на вибрирующий лоток. Затем материал подается с конца лотка со скоростью подачи, которая является функцией амплитуды колебаний лотка. Обычно лоток вибрирует электромеханически или пневматически.

Также используются ленточные питатели, состоящие из приводимой двигателем ленты в сочетании с механизмами, помогающими переносить ровный и контролируемый слой продукта из бункера на ленту. Здесь скорость подачи является функцией глубины слоя материала и скорости ленты.

Типичная производительность

При объединении современных систем управления и контроля с хорошо спроектированными механическими питателями, дозирующими свободно сыпучий материал, можно получить хорошую краткосрочную точность скорости подачи с еще лучшими долгосрочными результатами скорости потока. В качестве ориентира можно достичь долгосрочной точности ±0,2 % или лучше.

Факторы, влияющие на производительность

Изменения насыпной плотности Когда бункер потери веса заполнен, будет наблюдаться тенденция к тому, что материал в нижней части сосуда (сжатый головкой материала) будет иметь более высокую плотность, чем несжатый материал на верхних уровнях (величина этого расхождения будет зависеть от характеристик материала и абсолютной плотности). Как следствие, при объемной подаче во время цикла повторного заполнения будут наблюдаться расхождения между массами продукта, дозируемого за единицу времени, в зависимости от уровня материала в бункере.

Изменения профиля бункера

Изменения внутреннего профиля бункера будут влиять на объемную скорость подачи также в зависимости от уровня материала в бункере.

Проблемы обработки материалов Если система потери веса обрабатывает оптимальный свободно сыпучий гранулированный материал, то в хорошо спроектированной системе можно достичь впечатляющей точности подачи. Однако многие встречающиеся материалы окажутся далеко не идеальными (например, многие типы порошков). Эти материалы могут слипаться в комки в питателе, вызывая неравномерный поток материала, или прилипать к стенкам бункера (вызывая образование крысиных нор), или, что еще хуже, вызывать застревание в бункере.

Для облегчения подачи сложных материалов используются различные методы, такие как внедрение агитаторов бункера (которые периодически запускаются под управлением программного обеспечения измерительной аппаратуры). Еще одной профилактической мерой является изготовление всех деталей питателя и бункера из нержавеющей стали. Для обнаружения проблем с потоком материала большинство контроллеров потери веса оснащены сигнализацией отклонения потока, которая срабатывает, если измеренная скорость подачи материала выходит за пределы заданных пределов.

Проблемы с питателем

Вращающиеся ячеистые питатели и в меньшей степени шнековые питатели могут демонстрировать мгновенные скорости потока, которые являются непостоянными (поток материала имеет тенденцию слегка пульсировать, особенно в случае плохо сыпучих материалов). Однако это очень кратковременные изменения, которые обычно не имеют никаких последствий в большинстве процессов. Вибрационные питатели, однако, демонстрируют очень постоянную мгновенную скорость потока, но только с оптимальными свободно сыпучими гранулированными материалами.

В целом, вибрационные питатели не могут использоваться с материалами, которые имеют тенденцию к слипанию или связыванию, или материалами, которые могут подвергаться сегрегации при вибрации. Механический механизм подачи будет иметь степень нелинейности скорости подачи (то есть изменения фактической скорости подачи во всем диапазоне питателя по сравнению с целевой прямой линией). В системе потери веса этот эффект будет проявляться как начальная ошибка скорости подачи, когда контроллер выбирает разные заданные значения скорости подачи (которые, конечно, будут автоматически корректироваться с течением времени во время гравиметрической подачи).

Однако базовые вибрационные питатели в этом отношении особенно нелинейны, и поэтому можно ожидать большого начального отклонения от заданного значения. Однако многие современные сложные вибрационные питатели включают в себя внутренние интеллектуальные алгоритмы управления и линеаризации, чтобы несколько смягчить эту проблему.

Удары и вибрации

Во многих средах системы потери веса могут подвергаться случайным физическим возмущениям, которые могут потенциально нарушить чувствительный процесс гравиметрической подачи. Типичные источники таких возмущений включают общую вибрацию установки вместе со случайными физическими воздействиями. Такие возмущения могут быть механически минимизированы путем использования механических амортизаторов и использования гибких технологических соединений с системой потери веса (это особенно полезно для блокировки передачи вибраций). Кроме того, современные электронные контроллеры потери веса включают в себя интеллектуальную цифровую фильтрацию, которая значительно ослабляет возмущения в сигналах веса, и большинство контроллеров также могут быть настроены на обнаружение значительных возмущений в сигналах веса и автоматически возвращаться к объемной подаче в такие периоды.

Отказ клапана наполнения

На практике еще один распространенный источник неточностей в системах потери веса возникает, когда клапан наполнения не закрывается полностью, и, таким образом, струйка материала все еще подается в бункер во время обычного гравиметрического цикла подачи, нарушая процесс измерения подачи. Обратная связь от системы взвешивания используется для выполнения автоматических компенсаций (управление «замкнутым контуром») во время гравиметрического цикла, чтобы уменьшить влияние этих изменений на общую производительность системы. В простых системах контроллера потери веса часто можно услышать внезапное изменение скорости подачи в конце цикла наполнения (известное как удар!).

Это происходит, когда контроллер (перешедший в гравиметрический режим подачи) корректирует расхождения между объемной скоростью подачи, применяемой во время цикла наполнения, и требуемой скоростью подачи, рассчитанной в гравиметрическом режиме. Однако современные сложные контроллеры потери веса применяют программные алгоритмы для регулярной регулировки объемной скорости подачи во время цикла пополнения (в зависимости от уровня материала, взвешенного в бункере), с целью компенсации источников ошибок, описанных выше. Дальнейшее улучшение общей точности системы может быть получено путем целесообразной меры поддержания цикла пополнения как можно более коротким (или, точнее, поддержания соотношения отметка/пространство гравиметрической подачи к времени цикла пополнения как можно большим — обычно не менее 4:1). Однако такие меры, как правило, требуют предоставления все больших и больших размеров бункеров, и поскольку часто существуют ограничения в физическом пространстве, окончательный выбор размера бункера обычно становится компромиссом.

Калибровка/Поверка

Система потери веса изначально калибруется статически (известно как калибровка статического веса); для достижения этого основной дисплей контроллера (обычно используемый для отображения расхода) часто переключается на отображение статического веса (как в случае с обычным индикатором взвешивания), а затем выполняется статическая калибровка взвешивания обычным способом с использованием прослеживаемых стандартных или эталонных весов. Впоследствии может быть проверена точность расхода. Обычно это может включать запуск питателя с одновременным отводом материала в альтернативное место назначения в течение установленного периода времени (с использованием секундомера). Затем эта пробная партия материала взвешивается на обычных весах. Затем вес образца можно сравнить с теоретическим количеством, которое должно было быть дозировано (определенным по заданной точке скорости подачи и зафиксированному интервалу времени).

Общий вес пробной партии также можно сравнить с количеством материала, которое предположительно было подано, согласно информации в сумматорах контроллера. При нормальной работе предполагаемая скорость потока материала может быть считана с дисплея скорости подачи на контроллере потери веса. Контроллер выводит эту скорость потока из сигнала веса (статически откалиброванного) и своих внутренних часов, на основе которых он может рассчитать вес, дозируемый за единицу времени (скорость потока). Основная калибровка системы потери веса — это калибровка скорости потока, которая выводится из статического веса системы и ее внутренних часов. Поэтому общая неопределенность калибровки системы будет функцией неопределенностей статического взвешивания и калибровки часов.