Автоматизация измерения массы, объема и кубатуры грузов

Рычажные весы имеют ряд недостатков.

Невозможны дистанционная пе­редача информации о массе груза и обслуживание нескольких весовых уст­ройств одним оператором. Точность взвешивания зависит от индивидуальных способностей и правильности действий приемосдатчика груза. Пропускная способность невысокая — длительность взвешивания вагона с сыпучими гру­зами составляет 2—2,5 мин. Между тем объем работы по взвешиванию грузов велик; только на вагонных весах выполняется более 60 млн. операций взвеши­вания, на которые затрачивается 25,5 млн. вагоно-ч и 2,5 млн. локомотиво-ч. Суммарные народнохозяйственные затраты, связанные со взвешиванием грузов на железнодорожном транспорте, составляют около 45 млн. руб. в год.

Автоматические весы гарантируют дистанционную передачу данных практически на любое расстояние. Оператор не вмешивается в процесс взвешивания и регистрации массы. Пропускная способность их выше, чем рычажных, простои меньше, меньше и габариты весов. При дистанционной передаче пока­зания весов можно использовать для заполнения комплекса перевозочных документов. Автоматические (электронные) весы агрегируют с ЭВМ и успешно используют в схемах комплексной механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ в качестве датчиков процесса и для учета выполненной машинами работы по перемещению грузов.

В производственных процессах электронные весы могут использоваться для проверки массы грузов на конвейерных линиях во время упаковки продукции и обеспечить подачу сигналов в случае отклонения ее от допускаемого значения. Электронные весы, установленные на вилочных автопогрузчиках и подъемных кранах, выполняют взвешивание транзитных грузов, исключая необходимость их подачи для этого на посты взвешивания. Они могут выклю­чать из работы подъемно-транспортное оборудование в случае, если масса взвешиваемого груза превышает грузоподъемность транспортной машины, на которой такие весы установлены. Сведения о массе и количество поступивших грузов могут быть отпечатаны на ярлыке со штриховым кодом, с которого информация может быть считана с помощью сканирующего устройства.

Современные автоматические электронные весы состоят из трех основных частей: датчиков нагрузки, дисплея и микропроцессора.

Микропроцессор весов преобразует данные от взвешивающего датчика в единицы измерения массы и выполняет с этими данными необходимые расчет­ные операции. Например, запоминающее устройство с произвольной выборкой хранит данные о массе единицы груза, а затем с его помощью устанавливается общая масса грузового пакета. Микропроцессор может определять количество единиц груза в упаковке, сопоставляя фактическое значение массы с данными, хранящимися в запоминающем устройстве. Микропроцессор может взаимодействовать с ярлыками, бирками, печатающими устройствами, терминалами сбора данных, ЭВМ и в ряде случаев с устройствами для считывания штрихо­вых кодов с помощью многоразрядного входного-выходного устройства.

Большинство электронных автономных взвешивающих устройств запро­граммированы на выполнение четырех стандартных операций: взвешивание, подсчет количества деталей, дозирование и проверка массы. На каждую из этих операций электронные весы после поворота установочной рукоятки оператором настраиваются автоматически.

Дисплеи выдают данные в цифровой либо аналоговой форме. Полупровод­ники, например светоизлучающие диоды либо дисплеи на жидких кристаллах, обеспечивают четкость показаний.

В настоящее время за рубежом выпускают взвешивающие платформы со встроенными микропроцессорами, использующими дисплей от подключенной персональной ЭВМ для демонстрации полученных результатов взвешивания. Благодаря этому стоимость таких платформ меньше, чем обычных электронных.

Теперь рассмотрим более подробно элементную базу и принцип действия автоматических весов.

В зависимости от методов отработки и преобразования сигналов, которые генерируются датчиками и чувствительными элементами при воздействии на них массы груза, различают два класса измерительных систем: аналоговые и цифровые. Аналоговые системы оперируют непрерывно поступающими сигналами: напряжением или силой тока, уровнем и характером изменения которых моделируется измеряемая величина. В цифровых системах снимаемый с датчи­ков сигнал квантуется и арифметическое устройство выдает информацию в виде ряда последовательных дискретных значений измеряемого параметра. Для построения вычислительного блока таких измерительных систем в настоящее время применяют микропроцессоры. Цифровые системы отличаются высокой надежностью и помехоустойчивостью, благодаря возможности квантования сигнала в широком диапазоне его значений обладают высокой точностью измерения.

Аналоговые системы обычно строят на мостовых схемах с автоматическим регулированием напряжений в диагонали моста. Для синтеза измерительных систем массы и объема перемещаемых грузов используют различную элементную базу: тензометрические, индуктивные, изотопные, емкостные, пьезоэлектрические, электромеханические и другие датчики.

Измерение массы груза основано на том, что при приложении нагрузки на упругий элемент изменяется активное сопротивление тензодатчика, индуктивное или емкостное сопротивление чувствительных элементов. Применение радиоактивных датчиков основано на явлении изменения энергии, излучения в зависимости от плотности контролируемой среды, через которую проникают гамма-лучи.

В пьезоэлектрических датчиках для измерения массы используется явление пьезоэлектрического эффекта, при котором при приложении механической нагрузки на поверхности кристаллов (например, кварца), обладающих особыми свойствами, возникают электрические сигналы и механические смещения. Достоинством пьезокристаллов является то, что в широком диапазоне давления они имеют линейную характеристику. Однако в весоизмерительных устройствах для определения массы транспортируемых грузов пьезокристаллы применяют редко. Вследствие трудности наладки и регулировки схем относительно небольшое распространение в системах измерения массы и объема перемещае­мых грузов получили емкостные датчики, хотя они отличаются высокой чув­ствительностью и малыми габаритами.

В рамках прозводственных экспериментов известны случаи использова­ния для измерения массы вибрационных элементов.

Индуктивные датчики не имеют скользящих контактов и поэтому надежны и просты, характеризуются относительно большой отдаваемой электрической мощностью. Главный их недостаток — сильная зависимость от частоты источника напряжения. Индуктивные датчики используют в системах подсчета количества единиц перемещаемого груза, измерения уровня грузов в емкостях, а также при конструировании устройств измерения массы.

Радиоактивные изотопные датчики эффективно применяют в приборах замера уровня грузов в бункерах, силосах и резервуарах, производительности конвейеров при транспортировании сыпучих грузов. Они имеют небольшие габариты, низкую стоимость, высокую надежность работы в тяжелых эксплуатационных условиях; отличаются безынерционностью. Недостатком этих датчиков является влияние на правильность показаний космических излучений, профиля поверхности материала, примесей радиоактивных элементов в сыпучих материалах, точность выбора интенсивности и дозы излучения и необходимость биологической защиты обслуживающего персонала.

Наибольшее распространение в системах измерения массы получили тензомегпрические (проволочные) датчики. В обычном исполнении датчик представляет собой тонкую (15—50 мк) проволоку, сложенную в виде решетки в обклеенную с двух сторон папиросной бумагой. Такой элемент прикрепляется, например, бакелитовым клеем к воспринимающему нагрузку элементу для измерения его деформации или массы груза. Измерение деформации (или массы) основано на зависимости сопротивления проволоки от напряжения, возникаю­щего при ее растяжении или сжатии.

Тензометрические датчики имеют небольшую массу и малые габариты, низкую стоимость, обладают безынерционностью, простотой и доступностью измерения нагрузок в стесненных условиях.

Упругий элемент тензорезисторного силоизмерительного датчика типа 32ТВС-1 (рис. 17, а), установленный на подставке 2, изготовлен из специальной стали. На цилиндрических поверхностях упругого элемента поверх изолирую­щей прослойки с некоторым натяжением установлены четыре тензорезисторных преобразователя из константановой проволоки диаметром 0,02 мм. При приложении нагрузки упругий элемент испытывает деформацию изгиба (нижняя цилиндрическая поверхность растягивается, а верхняя — сжимается), которая через изолирующую прослойку передается тензорезисторам; для защиты от попадания влаги чувствительный элемент датчика заключен в гер­метический корпус 3. Стержень 4, запрессованный во внутреннюю полость чувствительного элемента, служит для намотки сопротивления термокомпенсации чувствительности, а также для предохранения грузоприемного устройства от аварии в случае выхода из строя чувствительного элемента.

При использовании в измерительных схемах аналоговых устройств с не­прерывным балансированием сигнала весы имеют постоянную погрешность, обусловленную наличием трущихся частей в приводе потенциометра. Учитывая этот недостаток, разработаны аналогоцифровые измерительные системы с дискретной компенсацией напряжения, которое возбуждается измерительным устройством при взвешивании вагона. При дискретной компенсации сигнала вместо серводвигателя в диагональ моста включается релеино-компенсационная схема, представляющая собой цифровой вычислительный блок, микропроцессор. С помощью этого блока определяется размер рассогласования измерительного моста и фиксируется масса груза. К преимуществам таких весов относится: отсутствие трущихся контактов в целях измерительного моста и уменьшение погрешности взвешивания (до ±0,5 % и менее), высокая скорость регистрации массы (менее 1 с), возможность работы с различными типами датчиков (индуктивными, емкостными).

Автоматические вагонные весы с короткой платформой для поосного взвешивания и допустимой при определении массы сыпучих грузов погрешности ±1 % созданы специалистами Днепропетровского горного института (рис. 17,6). Они позволяют взвешивать вагоны, опознавать номер состава и регистрировать время взвешивания. Все данные автоматически фиксируются с помощью цифропередающей машинки. Описанная система может быть использована в качестве элемента автоматизированной системы управления производством, а также как локальная система учета и контроля работы железнодорожного предприятия. Для этого на расстоянии 50-70 м от контрольного пункта устанавливают осветитель и фотоприемник (ФП), а на локомотиве — кодовую табличку с номером состава. На весоизмерительном пункте монтируют блок опознавания (БО) номера состава.

Весы состоят из грузоприемной платформы, силоизмерительных датчиков СД1—СД4, построенных на тензометрических элементах, путевых датчиков П1—П4, электронного блока весов ЭБ, блоков измерения времени БВ и инди­кации БИ, системы регистрации результатов взвешивания.

В качестве путевых датчиков могут быть использованы механические педали, фотоэлектрические или индуктивные элементы. После наезда тележки на платформу и при отсутствии на ней другой тележки блок разрешения взвешивания по сигналам путевых датчиков выдает сигнал «начало взвешивания». Затем на счетчике массы появляются сигналы силоизмерительных датчиков, соответствующие массе тележки. Показания счетчика массы состава фиксирует блок цифровой индикации. По окончании взвешивания каждой четной тележки питающее устройство регистрирует массу вагона (масса печатается нарастающим итогом). После этого система приводится в исходное положение.

Серьезным недостатком существующих конструкций автоматических вагонных весов является необходимость размещать систему датчиков в специальном котловане. В настоящее время прошли испытания автоматические вагонные весы, построенные на тензометрических элементах, лишенные этого недостатка.

Напряжения и деформации, по которым можно судить о массе взвешиваемого вагона, измеряются непосредственно на рельсовом звене пути, соединенного со смежными участками рельсо-шпальной решетки (рис. 17, в). Показания каждого из четырех датчиков, собранных по мостовой схеме, пропорциональны размеру воспринимаемого рельсом изгибающего момента, который создается массой вагона. Измерительное устройство воспринимает осевую нагрузку только в том случае, если она находится между внутренними датчиками / и 2.

В систему измерения включены защищенные от помех элементы, исключающие отрицательное влияние на точность измерений таких факторов, как масса рельсо-шпальной решетки, колебания вагона, сжатие или удлинение рельсов и т. д. Предусматриваются также датчики для компенсации влияния температурных напряжений. Сигналы датчиков каждого рельса, пропорциональные давлению одного колеса, поступают в суммирующий блок 3, далее в фильтр, усилитель сигнала и выпрямитель. Микропроцессор преобразует постоянный ток в серию квантованных сигналов. В результате обработки этих данных формируется информация о массе вагона. Точность взвешивания ±0,2 %.

Крановые весы в системах управления перегрузочными процессами и машинами выполняют функции ограничителей грузоподъемности и учета выполненной кранами работы. Крановые автоматические весы можно также использовать в схемах оптимизаторов в качестве датчиков массы перемещаемого груза, в зависимости, от которой выбирают скоростные параметры работы машины. На рис. 18 изображена кинематическая схема электромеханических крановых весов.

К одному из блоков, по которым перемещается канат 7, идущий от лебед­ки 6 к грейферу 2, прикреплен электротензометрический датчик 3, который под воздействием приложенной к нему силы выдает электрический сигнал, пропорциональный приложенной нагрузке. Этот сигнал усиливается усилите­лем 4 и передается на индикаторное устройство 5, установленное в кабине крановщика.

Помимо классических весоизмерительных систем, построенных на базе тензометрических датчиков, в настоящее время применяют новые принципы измерения массы. Например, используют линейную зависимость активной мощности, потребляемой двигателем механизма подъема, от массы перемещае­мого груза. Измерительное устройство можно располагать как на грузоподъем­ном механизме, так и у его силового шкафа, что дает возможность использовать одно и то же измерительное устройство для нескольких объектов.

Устройство измерения и учета массы работает следующим образом. При подъеме груза входной блок измеряет мгновенные мощности электродвигателя механизма подъема в течение 2—4 с и одновременно измеряет напряжения питания U_t. Аналого-цифровые преобразователи преобразуют аналоговые значения Р_Г и V_t в цифровой код.

МикроЭВМ по программе, записанной в блок памяти, обрабатывает посту­пающие данные для всех значений перемещаемой массы груза. При этом для каждого подъема делается несколько замеров и определяются усредненные значения потребляемой мощности Р, и напряжения U;. Затем согласно рассчи­танным значениям Р_ср и f/_cp строят корреляционную зависимость мощности P_f от напряжения £//. В заключение для каждой массы груза строится градуировочная зависимость Pf(m). Согласно этой зависимости микроЭВМ рассчитывает массу груза.

Прогрессивным направлением в конструировании систем контроля массы и производительности конвейеров являются бесконтактные методы измерения. На рис. 19 представлена схема определения производительности конвейе­ра и регулирования выдачи сыпучих грузов из бункера с помощью радиоактив­ных датчиков. Схема работает следующим образом. Груз из бункера 14 поступает на ленту конвейера 5. Гамма-лучи от источников излучений 13 про­никают через слой груза и попадают на гамма-индикаторы 6, размещенные на противоположной стороне ленты. Причем интенсивность гамма-лучей, которые поступают на гамма-индикаторы, пропорциональна толщине слоя материала на ленте. В преобразователе 7 гамма-лучи возбуждают ЭДС, уровень которой соответствует мгновенной производительности конвейера. Эта производитель­ность определяется счетной схемой 8. В блоке 9 фактическая производитель­ность Q₍₍₎ сравнивается с заданной Q₀, которую выдает датчик программы 10. Если Q₄<Q_U, то вырабатывается сигнал для увеличения скорости выдачи груза из бункера затвором, который приводит в действие электродвигатель 4. Если такое действие не дает нужного эффекта, включается привод 3 вибратора или клапана для ввода сжатого воздуха 2, который способствует ускорению поступления материала из бункера. Интегрирующее устройство 11 нарастающим итогом определяет количество транспортируемого груза, которое фиксируется на экране индикатора 12.

Важным элементом технологического процесса на нижних лесных складах являются автоматический замер и учет транспортируемой древесины. Замеряют кубатуру древесины на нижнем лесном складе дважды: после доставки лесоматериалов с лесосек (в процессе транспортировки и размещения в штабелях) и непосредственно в железнодорожных вагонах после окончания погрузки. С этой целью в настоящее время применяют электромеханические, индуктивные, оптические измерительные устройства.

На нижнем складе Ковровского леспромхоза по проекту Владимирского политехнического института установлено автоматическое устройство для замера кубатуры древесины на железнодорожной платформе. Принцип действия этого устройства состоит в следующем. После остановки платформы (рис. 20) с грузом под эстакадой 2 включается электродвигатель 3 и через редуктор 4 передается вращательное движение на барабан 5. При этом одна первая ветвь каната 6, один конец которой закреплен на барабане, а другой на тележке 7, удлиняется, а вторая ветвь, закрепленная на барабане, пропущенная через блок 8 и вновь закрепленная на тележке, укорачивается. В результате тележка перемещается по эстакаде влево до тех пор, пока не займет среднее положение относительно штабеля на железнодорожной платформе. Так как бревна в штабеле уложены комлями в одну сторону, а вершинами в другую, тележку необходимо остановить посередине штабеля.

После остановки тележки включают закрепленный на подвеске 9 мотор-редуктор 10 (рис. 20, б), который через зубчатую пару вращает против часовой стрелки установленную на подшипниках 12 ось 13 подъемной планки 14. Так как ось 13 во втулках планки установлена с натяжением, то при пово­роте по часовой стрелке она медленно опускается. При этом щупы 15, оси 16 которых закреплены в кронштейнах 17. поворачиваются в сторону опускания, так как концы их свободно лежат на полке подъемной планки.

Поворот щупов осуществляется до тех пор, пока они не достигнут своими концами бревна штабеля. Так как высота штабеля различна, то каждый щуп, а соответственно, подвижные контакты резистора, соединенного с ним, занимают определенное положение, соответствующее высоте штабеля под щупом. Изме­нением сопротивления резисторов, а следовательно, напряжения в цепи измерительной системы U моделируется процесс измерения. По изменению напряжения U можно судить об объеме погруженного на платформе штабеля лесоматериалов.

Изменяющееся напряжение в цепи прибора преобразуется в среднее значение объема штабеля V лесоматериалов микропроцессором, который выдает итог расчета на индикатор 18. Схема измерительного устройства изображена на рис. 20, в.

Применение автоматического устройства для измерения объема погруженных на железнодорожные платформы лесоматериалов позволяет сократить время обмера с 24 до 2 мин.

Вопросы: