Současná průmyslová vážicí technika

Průmyslová vážicí technika nabývá nové kvality s rozvojem číslicové techniky a především ve spojení s počítačovou a další automatizační technikou, např. inteligentními senzory. Vedle primární funkce – vážení – se průmyslová vážicí technika stále častěji uplatňuje v počítačových systémech ekonomického řízení podniků a v nejrůznějších technologických procesech závislých na vážení.

Rozdělení vážicí techniky

Průmyslovou vážicí techniku lze dělit podle dvou hlavních kritérií. Prvním je způsob realizace vážení. Diskontinuální váhy měří hmotnost přesně definovaného a ohraničeného objektu na pevné podložce vyjádřenou v g, kg a t. Kontinuální váhy průběžně měří hmotnost toku přepravovaného materiálu za jednotku času vyjádřenou v jednotkách přepravního výkonu g.h^-1, kg.h^-1, t.h^-1, případně l.h^-1

Druhým kritériem je účel vážení. Váhy lze rozdělit na technologické a pro obchodní styk. U technologických vah je největší povolená chyba vážení definována relativní chybou vztaženou k rozsahu vážení nebo k jeho okamžité hodnotě. Podle nároků technologického procesu se nejčastěji pohybuje v rozmezí 0,1 až 5 %. Kalibrace těchto vah, kontrola jejich stálosti a další metrologické a technické parametry jsou výhradně záležitostí jejich provozovatelů a uživatelů. Metrologické a technické parametry technologických vah jsou uváděny v podnikových nebo v oborových normách. Minulosti patří tvrzení, že technologické váhy v mnoha ohledech zaostávají za vahami používanými v obchodním styku. Nejpřesnější současné váhy jsou technologické a využívány jsou ve farmaceutickém průmyslu.

U vah používaných v obchodním styku je přesnost vážení definována v příslušných národních či evropských normách vycházejících z doporučení OIML (Organisation Internationale Metrologie de Légale). Právo dohledu nad jejich metrologickými parametry si vyhrazuje stát. Právní aspekty těchto měřidel jsou definovány Zákonem o metrologii. České normy pro obchodní vážení jsou harmonizovány s normami platnými ve státech Evropské unie.

Přesné senzory zatížení

Senzory zatížení tvoří u převážné většiny vážních systémů jejich nejnáročnější část z hlediska metrologie a dlouhodobé spolehlivosti. V elektromechanických váhách transformují působení břemene na elektrický signál. Všichni výrobci těchto senzorů využívají měřicí princip s kovovými tenzometry. Pouze pro měření hmotnosti v rozsahu do několika desítek gramů je používán princip kapacitní.

Hlavní částí senzoru je deformační člen, jehož poměrná deformace ve směru působení měřeného zatížení je jeho mírou. Je měřena tenzometry zapojenými do Wheatstoneova mostu, které jsou spojeny s deformačním členem velmi tenkou vrstvou tmelu. Na měřicí signál senzoru působí řada parazitních vlivů, kterým lze čelit tvarem deformačního členu, volbou jeho materiálu, použitím vhodných tenzometrů a tmelu a zapojením korekčních členů do elektrického obvodu tenzometrů v senzoru. Značný význam pro přesnost měření má zavedení měřeného zatížení centrovaného ve směru měřicích os senzorů. Děje se tak umístěním senzorů do přípravků, které vyloučí zatížení působící mimo jejich měřicí osy.

Zatímco metrologické parametry elektroniky se rychle ověří kalibračními obvody umístěnými v přístroji, ověřují se metrologické parametry senzorů zatížení po jejich demontáži v laboratoři s kalibračním zařízením, což je nákladné a vyřazuje váhu na čas z provozu.

Metrologické charakteristiky senzorů zatížení jsou definovány řadou chyb vztažených k jejich jmenovitým hodnotám. Nejvýznamnější je chyba sloučená, zahrnující chybu linearity, hystereze a reprodukovatelnosti. U senzorů pro obchodní vážení činí tato chyba 0,01 až 0,02 %. Udáván je teplotní součinitel nulového a jmenovitého měřicího signálu, který je pro senzory zatížení špičkové úrovně zpravidla pro rozsah teplot do 50 °C menší než 0,01 % na 10 K.

Snímače zatížení jsou cejchovány v jednotkách hmotnosti (g, kg, t). Zohledňují gravitační konstantu v místě cejchování a v místě jejich využívání. Zemské zrychlení se na povrchu zeměkoule mění až o 0,55 %. Na území České republiky ve stejné nadmořské výšce je změna gravitační konstanty zanedbatelná. Pro bližší představu o metrologických parametrech přesných senzorů zatížení jsou v tabulce uvedeny změny chyb senzorů zatížení Schenck, typ RTN, za 7 let provozu.

Diskontinuální váhy

Mezi diskontinuální váhy patří váhy pro silniční vozidla, pro kolejová vozidla, váhy jeřábové, váhy plošinové, zásobníkové a ve válečkových tratích.

Váhy pro silniční vozidla jsou vyráběny pro obchodní vážení jako úrovňové nebo nájezdové. Nejpoužívanější jsou váhy umístěné v úrovni vozovky. Rozměry vážních mostů těchto vah se pohybují v rozmezí 8 x 3 m až 22 x 3 m. Za standardní jsou nyní považovány rozměry 18 x 3 m. Váživost váhy se pohybuje v rozmezí 30 až 60 t. Části těchto vah – vážní mosty i základové vany – jsou prefabrikáty odlévané z betonu. Vážení silničních vozidel za pohybu vyhovují speciální normě a za určitých podmínek velmi urychlují proces vážení. Jsou však méně přesná než vážení statická.

Váhy pro kolejová vozidla jsou nejčastěji dimenzovány pro obchodní vážení hmotnosti vagonů do hmotnosti 120 t. Vagon se nachází na váze v klidu. Při vážení za pohybu s menší přesností přejíždí vagon váhu konstantní rychlostí 2 až 15 km.h^-1. Jako u silničních vah sestává mechanika kolejových vah z jednoho nebo více vážních mostů uložených prostřednictvím senzorů zatížení v základové vaně. Existují bezzákladové váhy, u kterých je měřicí obvod s tenzometry vytvořen ze stojiny kolejnice nebo speciálně vybaveným pražcem. Základní inteligenci vážení a případné další funkce zabezpečuje elektronická jednotka s počítačem.

Jeřábové váhy přemísťují zavěšené předměty. Senzory zatížení měřící hmotnost transportovaného předmětu jsou instalovány tak, aby bez rušivých vlivů měřily hmotnost zavěšeného předmětu. Obousměrný transfer dat mezi pozemní částí vážního systému a elektronickou vyhodnocovací jednotkou se děje nejčastěji infrapřenosem.

Plošinové váhy jsou vyráběny ve dvou variantách jako nadúrovňové a v rovině podlahy. Běžné rozměry plošin se pohybují v rozmezí 500 x 500 mm až 4 000 x 4 000 mm s váživostí několika kg až několika tun. Elektronická jednotka plošinových vah umožňuje tisk vážních dokladů, plnění obalů na předem stanovenou hmotnost, bilanci navážených hodnot atd.

Váhy zásobníkové váží kapalné a sypké materiály přímo v zásobnících různých tvarů a velikostí. Základním stavebním prvkem je mechanika zajišťující optimální přenos zatížení na senzory měřící hmotnost zásobníku. Jmenovité zatížení mechanické vážní soustavy nejčastěji se třemi až čtyřmi senzory zahrnuje hmotnost prázdného zásobníku a maximální hmotnost jeho obsahu. Elektronická jednotka sdružuje funkci vážení a řízení vážního procesu.

Váhy ve válečkových tratích váží kusové zboží a polotovary transportované po válečkových tratích. Jsou vestavěny do mechanicky oddělené části tratě zpravidla se čtyřmi senzory. Proces vážení je řízen inteligentní elektronickou jednotkou sdružující funkci vážení a pohyb „břemene“ po trati. Tisk samolepicích etiket s daty probíhá automaticky.

Kontinuální váhy

Kontinuální vážicí technika zahrnuje průmyslové váhy pro průběžné měření hmotnosti toku přepravovaných materiálů za jednotku času vyjádřené v gravimetrických, případně ve volumetrických jednotkách přepravního výkonu g.h^-1, kg.h^-1, t.h^-1, event. l.h^-1. Sypké materiály jsou dávkovány na principu měřené hmotnosti nebo měřeného objemu s cílem dosáhnout rovnoměrného toku materiálu.

Elektronické vyhodnocovací a řídicí jednotky kontinuální vážicí techniky vyhodnocují měřicí signály ze senzorů zatížení a součin okamžité hodnoty zatížení a rychlosti pásu či rychlosti průtoku materiálu včetně výpočtu integrálu tohoto součinu. Všechny výpočtové operace jsou prováděny v digitální formě.

Elektronické jednotky dávkovacích vah sdružují dvě základní funkce – kontinuální vážení a regulaci. Ve vážicí části je vyhodnocován signál ze senzoru zatížení a senzorů rychlosti toku materiálu a vypočítávána hodnota dávkovaného množství. Tato hodnota je v regulátoru porovnávána s požadovanou hodnotou nastavenou uživatelem a rozdílový signál po patřičné úpravě řídí pohon vynášecího zařízení (pás, šnek).

Pásové váhy umístěné pod dopravníkovým pásem transportujícím materiál až do vzdálenosti několika set metrů měří přepravní výkony v rozsahu 100 kg.h^-1 až 2 000 kg.h^-1. Provozní chyby jsou nejčastěji v rozmezí 0,25 až 2 %. Vyšší přesnost je zajišťována kalibrací. Závisí na provedení váhy, druhu přepravovaného materiálu a dalších okolnostech.

Pásové váhy pro obchodní účely jsou vybaveny zdvojeným měřením rychlosti pásu a senzory zatížení ověřenými patřičnou kalibrací. Podle doporučení OIML RI 50 jsou tyto váhy rozděleny do tříd přesnosti s max. chybami 0,25 %, 0,5 % a 1 %.

Průtokoměry sypkých hmot se skluzovou nebo odrazovou deskou měří při pohybu materiálu jeho kinetickou energii, která se na měřicí desce přeměňuje na tlakovou sílu (odrazová deska) nebo moment (skluzová deska), měřené senzorem zatížení. Celkové protečené množství je dáno integrálem okamžitých hodnot zatížení za stanovený čas. Největší protékané množství je až 1 000 m^3-1. Provozní chyba měření se pohybuje v rozmezí 2 až 5 %.

Průtokoměry sypkých hmot na Coriolisově principu dosahují při měření průtoků granulátů a jemných homogenních materiálů (prach, mouka) vyšších přesností než průtokoměry se skluzovou nebo odrazovou deskou. Měří reakční moment způsobený Coriolisovou silou úměrný okamžité hodnotě průtoku sypkého materiálu v rozsahu 0,5 až 200 t.h^-1 (40 m^3-1) s chybou až 2 %, kterou lze vhodně zavedenou kalibrací snížit na chybu menší než 0,5 %.

Dávkovací pásové váhy jsou vybaveny regulátorem porovnávajícím okamžité přepravované množství materiálu s množstvím požadovaným. Vzniklou regulační odchylkou je regulován tok materiálu tak, aby odchylka byla minimální a tok materiálu gravimetricky kontrolovaný, konstantní a odpovídající předem nastavené hodnotě. Tyto váhy jsou vyráběny pro největší přepravované množství 50 kg.h^-1 až 2 000 t.h^-1. Délka vah se pohybuje v rozmezí 1,5 až 8 m. Chyba dávkování je v rozmezí 0,5 až 1 % z předvolené hodnoty v mezích regulačního rozsahu 1:20.

Diferenciální dávkovací váhy měří úbytky hmotnosti v zásobníku materiálu přiměřené velikosti. Regulátor zajišťuje, aby úbytek byl konstantní v čase a odpovídal žádané hodnotě průtoku materiálu. Může být použita i regulace na konstantní úbytek objemu materiálu. Řídicí elektronika této váhy umožňuje vyprazdňování a plnění zásobníku podle naprogramovaného algoritmu. Diferenciální dávkovací váhy lze použít pro dávkovaná 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.

Další rozvoj průmyslové vážicí techniky

Rychlý pokrok ve výpočetní technice, informatice, mikroelektronice, konstrukčních materiálech a v dalších oborech zvyšuje doslova z roku na rok kritéria rozhodující o konkurenceschopnosti současně vyráběných průmyslových výrobků. Jejich zdokonalování moderní průmyslovou vážicí technikou se pozitivně projevuje ve významných průmyslových oborech vyznačujících se hrubým domácím produktem značné hodnoty. To je velmi důležitý technický a ekonomický důvod k udržení prosperity současného průmyslu i k zajištění jeho budoucnosti. Zvyšování technické úrovně průmyslové vážicí techniky se projevuje vyšší efektivitou různých technologických procesů způsobenou např. úsporou pracovních sil nebo i úplným vyloučením lidského faktoru. Objevná technologická zdokonalování kontinuální vážicí techniky umožňují její využití v oblastech, kde to nebylo dříve možné, například v oblasti automatického kontinuálního dávkování uhelného prachu do pecí a kotlů nebo automatického mísení více komponent s vysokou přesností.

Průmyslová vážicí technika je obor, jehož zajištění produkcí v České republice je z technického hlediska možné a velice žádoucí.

Jiří Černohorský

cernohorsky.jiri@gmail.com

Chybějící tabulku naleznete v tištěné verzi časopisu.