Design und Konstruktion des Wiegesystems für Behälter

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1. Einleitung Bei der Herstellung von Behältern mit Sensoren müssen einige wichtige Grundregeln beachtet werden. Zum Beispiel müssen Behälter in der Regel Witterungseinflüssen oder produktionsspezifischen Einflüssen standhalten. Bei dem Bau neuer offener Lagerhäuser (Lager, Kohlespeicher), die mit Gebäuden verbunden sind, müssen die Bauvorschriften eingehalten werden. Aus Sicht des Baugesetzes kann auch die nachträgliche Umgestaltung von Waageausrüstungen als bedeutende Änderung angesehen werden. In diesem Fall ist es empfehlenswert, sich an einen Bauingenieur zu wenden, denn die Bauvorschriften definieren grundsätzlich im Hinblick auf die Sicherheit den „technischen Zustand“. Zum Beispiel werden die Windlasten in der deutschen Norm DIN 1055, Teil 4 „Baulasten“, angenommen. Die Entwerfer und Hersteller von Behältern müssen außerdem die besonderen, oft internen Vorschriften des Unternehmens kennen. Wenn gefährliche Stoffe in den Behältern gelagert werden und mit Gabelstaplern transportiert werden sollen, müssen die Behälter auf dem Dach ebenfalls vor Auftrieb geschützt werden. 2. Gewichtsverteilung: Die optimale Anordnung der Sensoren zur Bestimmung des Gewichts des Behälters wird erreicht, wenn der Behälter auf drei Tragpunkten abgestützt ist und an jedem Tragpunkt ein Sensor angebracht ist. Diese Situation wird als statische Bestimmung bezeichnet. Dazu sollte die gesamte Last möglichst gleichmäßig auf die drei Sensoren verteilt werden. Bei senkrecht stehenden oder aufgehängten zylindrischen Behältern sind die besten Bedingungen gegeben, wenn die drei Sensoren in gleichem Abstand zur vertikalen Achse des Behälters liegen und zueinander im Winkel von 120° angeordnet sind. Für die Anordnung der Tragpunkte bei horizontalen und liegenden Behältern siehe Abbildung 1. Wenn in einem Gerät nicht alle Träger mit Sensoren ausgestattet sind, ist eine ungleichmäßige Verteilung der Lasten eher geeignet. Tragstrukturen mit Sensoren sollten eine höhere Last tragen können als Tragstrukturen ohne Sensoren. Dadurch kann die Genauigkeit der Waage verbessert werden. Bei der Konstruktion der Geräte sowie bei der Auswahl der Sensoren sollte darauf geachtet werden, dass auf die Sensoren möglichst gleich große Belastungen wirken. Abbildung 1: Verteilung der Tragpunkte A, B und C bei horizontalen Behältern. Wenn der Behälter an vier oder mehr Stellen gestützt wird, besteht ein Überschuss an statischen Freiheitsgraden. Bei dieser Anwendung müssen an allen Tragpunkten Sensoren berücksichtigt werden. Eine gleichmäßige Verteilung der Last auf einen einzelnen Sensor kann nur durch Installation erreicht werden. Zu diesem Zweck wird zunächst die Belastung des Sensors einzeln gemessen. Falls erhebliche Unterschiede festgestellt werden, muss die Höhe des entsprechenden Sensors angepasst werden – beispielsweise durch das Einfügen von Metallplatten. Im Prinzip sollten Sensoren mit zu geringer Belastung gegenüber einander angebracht werden. 3. Der Schwerpunkt eines mit Material gefüllten Behälters sollte möglichst unterhalb der Stützpunkte des Behälters liegen. Diese Anforderung ist in der Praxis oft schwer zu erfüllen. Es ist vorteilhaft für die Stabilität der Konstruktion, wenn sich das Schwerpunkt unter dem Tragpunkt befindet. Die Position des Schwerpunkts ändert sich mit der Füllhöhe, und die Lage des Schwerpunkts hat einen entscheidenden Einfluss auf die Anzahl der benötigten Sensoren. Bei einer symmetrischen Befüllung ist es möglich, mit einem Sensor ein Waagegerät herzustellen, da sich die Schwerpunktlage auf einer vertikalen Linie bewegt. Falls sich aufgrund von Veränderungen im Ladungsmaterial der Schwerpunkt seitlich entlang der Mittellinie verschiebt, müssen an allen Stützpunkten Sensoren angebracht werden. Abbildung 2 zeigt die Notwendigkeit, an allen Stützpunkten Sensoren zu verwenden, wenn sich das Schwerpunktverhältnis (seitlich) ändert. Abbildung 2: Behälter mit schräg angeordneten Ablaufplatten – die Schwerpunktlage variiert je nach Menge des geladenen Materials. 4. Anschlüsse für das Be- und Entladen von Behältern sind oft auch für das Anbringen anderer Anschlüsse notwendig, wie zum Beispiel zum Befüllen und Entleeren des Behältersinhalts sowie für elektronische, hydraulische oder pneumatische Zubehörteile des Behälters. Die Lade-/Entladeanschlüsse des Behälters können zusätzliche Kräfte erzeugen, die zu Fehlern in der Messgenauigkeit der Waage führen. Daher muss die Schnittstelle in der vertikalen Richtung flexibel sein. Abbildung 3 bis 7 zeigen einige mögliche Formen von Schnittstellen, die in der Konzeptions- und Projektphase berücksichtigt werden sollten. Bei der Verbindung von starren Rohren mit eingeschränkter Flexibilität ist es sinnvoll, dass der Behälter mit einem möglichst langen horizontalen Rohr verbunden wird. Horizontale Rohre sind in vertikaler Richtung flexibel und werden länger, je weicher sie sind. Der dadurch auf den Sensor ausgeübte Druck ist entsprechend gering und hat keine Bedeutung für die Messgenauigkeit. (Bild 3): Einige leicht biegbare Verbindungsrohre können anstelle langer horizontaler Rohre (Bild 4) mit flexiblen, elastischen Schläuchen miteinander verbunden werden, wodurch zusätzliche Kräfte vermieden werden. Hier muss die Akzeptanz von elastischen Materialien für die in den Behältern gelagerten Stoffe sowie für Reinigungsmittel überprüft werden (z. B. in der Lebensmittel- und Pharmatechnik). Weitere Möglichkeiten, die zusätzlichen Kräfte zu verringern, bestehen durch den Einsatz von gebogenen Rohren (Abbildung 5). Im Fall eines vertikalen Rohranschlusses, wenn es notwendig ist, die Richtung der Schwerkraft zu berücksichtigen, oder wenn Schläuche nicht verwendet werden können, wird eine zuverlässige Verbindung der Rohre durch die Verwendung von Dämpfern erreicht (Abbildung 6). Beim Einbau solcher Dämpfer muss jedoch eine sehr geringe Deformation gewährleistet werden. Wenn ein zweiter Membranrohr verwendet wird, ermöglicht die Verbindung mit dem ersten über ein Rohr eine größere Dehnung. Hinweis: An einigen Stellen, die eine besondere Reinigung erfordern (z. B. in der Lebensmittelindustrie), sind Dämpfer nicht zulässig. Die in Abbildung 7 dargestellte offene Verbindung für kurze Rohre mit offener Ladung zeigt sich als am besten geeignet, um zusätzliche Kräfte zu verringern. Die offenen Verbindungen verhindern den Kontakt zwischen dem Rohr und dem Behälter. In geschlossenen Systemen (z. B. Druckbehältern) kann diese Form jedoch nicht verwendet werden. Hinweis: Man muss stets darauf achten, dass auch das Material der Verbindungsrohre in die Gewichtsmessung einfließt. Die Ein- und Auslassrohre, die direkt mit den Behältern verbunden sind, sollten während des Messvorgangs eine konstante Masse aufweisen. Das bedeutet: Die Rohre müssen entweder leer sein oder immer voll. Abbildung 3: Verbindung durch lange horizontale Rohre
Abbildung 4: Elastische röhrenförmige Verbindungen
Abbildung 5: Bogenförmige Rohre
Abbildung 6: Kompensationsverbindungen mit Wellrohren
Abbildung 7: Offene Kurzrohre zur Ladungsbeförderung
5. Druckbelastungen: In geschlossenen Anlagen hat der Systemdruck Einfluss auf die Messergebnisse – insbesondere in der Chemieindustrie, wo für Reaktionsprozesse hoher Druck erforderlich ist. Im Gegensatz dazu erzeugen Staubsauger eine negative Druckkraft von 100 bis 300 Millibar auf staubartige Stoffe. Wenn die Rohre im Behälter senkrecht miteinander verbunden sind, wie in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt, dann entstehen zusätzliche Kräfte, die direkt auf die Messung einwirken. Sein Einfluss entspricht dem Produkt aus Druck und Querschnitt der Rohrleitung; wenn der Druck während der Messung konstant ist, kann dieser Anteil bei der Messung berücksichtigt oder berechnet werden. Horizontale Verbindungsrohre sind vorteilhaft und werden daher vor vertikalen Rohren bevorzugt installiert; in diesem Fall werden die entsprechenden zusätzlichen Kräfte durch die Installationszubehörteile aufgenommen. 6.1 Einige typische Installationssysteme für Sensoren In diesem Abschnitt werden mit Diagrammen einige typische Strukturen von Behältern dargestellt. Die detaillierten Strukturmerkmale der jeweiligen Fälle werden in den entsprechenden Kapiteln erläutert. 6.1 Bei vertikalen Füllbehältern ist es möglich, für homogene Stoffe wie Flüssigkeiten oder Schüttgüter eine Konfiguration mit zwei festen Bases sowie einem Sensor zu verwenden. Die Voraussetzung ist, dass die Bauweise der Kammer symmetrisch ist und dass die Schwerachse des Füllstoffs während des gesamten Befüllungsprozesses annähernd auf einer vertikalen Linie liegt. In anderen Fällen, insbesondere bei höherer Präzision, müssen drei oder mehr Sensoren vorhanden sein. 6.1.1 Die einfache, starre Befestigung des Sensors an der Tragstruktur wird im Allgemeinen nicht empfohlen. Eine solche Befestigungsart verhindert nicht, dass der Sensor aufgrund von Veränderungen in der Belastungssituation, Vibrationen oder Temperaturänderungen deformiert wird – was wiederum zu Messfehlern führt. 6.1.2 Behälter in Form eines vertikalen Tanks mit zwei Stützen und einem Sensor – In diesem Messsystem wird ein Schwingungssensor sowie zwei feste Stützen verwendet. Diese dienen gleichzeitig dazu, den vertikalen Tank zu stabilisieren. Diese kostengünstige Konstruktion verhindert bestimmte Messfehler des Sensors. Abbildung 8: Aufrecht stehender Tank mit einer starren Befestigungsstruktur für einen Sensor.
Abbildung 9: Aufrecht stehender Tank mit zwei Feststellstützen und einem Sensor.
6.1.3 Aufrecht stehende Tanks, die auf drei oder vier Sensoren gestützt werden.
Für eine genaue Bestimmung des Befüllzustands werden in den meisten Fällen drei Sensoren als Messelemente verwendet. In Strukturen mit rechtem Winkel gibt es jedoch auch Konfigurationen mit vier Sensoren. Obwohl diese Anordnung aufgrund der vielen Freiheitsgrade sowie der hohen Kosten im Grunde nicht optimal ist, fällt sie den Entwerfern dennoch leicht ein. Obwohl doppelte Schwingkolben mit elastischen Unterstützungen keine Führungsschienen benötigen, müssen die meisten davon in Kombination mit festen Begrenzern verwendet werden. Für besonders hohe Standbehälter ist es erforderlich, im oberen Bereich zusätzliche Führungsschienen zu installieren. In der Zeichnung sind die runden Stäbe mit einer geringeren Vorspannkraft gespannt. Die feste Stoppstange berührt in dieser Position bereits bei einer sehr kleinen, unvermeidlichen Verschiebung den vertikalen Tank, wodurch durch die Reibung zusätzliche Kräfte entstehen. Hier wird in der Regel nicht die Verwendung von Rollen oder Seilführungen empfohlen. Abbildung 10: Hohe Standsäule. Abbildung 11: Standsäule auf einer Basis. 6.1.4 Verwendung einer Standsäule mit drei verschiedenen Wiegemodulen. Die Leitstangen dieser drei Wiegemodule berühren die Außenseite der Konstruktion – dadurch bleibt die Säule ohne weitere Maßnahmen in horizontaler Ausrichtung stabil. Ebenso verfügt es über einen Schutz gegen Aufheben, der ein Umkippen des aufrechten Tanks verhindert. Dadurch sind bei der Außenmontage keine vielen Konstruktionsdetails erforderlich. Diese Abbildung zeigt Waagemodule für kleine, mittlere und große Lasten. Durch den Einsatz von Standard-Wägemodulen kann die Konstruktion vereinfacht werden, was erhebliche Kosteneinsparungen bringt. Dennoch müssen Aspekte wie die Parallelität der Tragflächen sowie die Höhenausrichtung berücksichtigt werden. 6.1.5 In der Praxis bei der Verwendung von Gewichtsmodulen mit Rändern an senkrecht stehenden Behältern stellt man fest, dass die Außenhülle des kreisförmigen Behälters in der Regel bis zum Boden reicht, um die Stabilität der gesamten Konstruktion zu gewährleisten. In solchen Fällen ist eine spezielle Montagemethode erforderlich, um die Sensoren richtig anzubringen. Abbildung 12 zeigt das Prinzip dieser Struktur, die mit Sensoren gemessen wird; auf diese Weise wird das Gewicht auf den Sensor übertragen. Natürlich beinhaltet das Wiegemodul auch einen Hebe-Schutz (in Abbildung 12 ist er aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt). Selbst eine geringe Erhöhung der Struktur reicht aus, um das gesamte Gewicht auf den Sensor zu übertragen. Daher ist in dieser Konstruktion ein kreisförmiger Dichtring erforderlich, um zu dichten; er ist jedoch so weich, dass er keine zusätzliche Kraft erzeugen kann. Abbildung 12: Konfiguration des Wiegemoduls für aufrechte Behälter mit Rand. 6.1.6 Der rechteckige Behälter an der Befüllstation ist mit vier Sensoren ausgestattet. An der Befüllstation entstehen Vibrationen durch die Transportmechanismen sowie die Befüll- und Entladevorrichtungen. Wenn der Wiebehälter Teil der beweglichen Anlagen ist, führt die Beschleunigung dazu, dass der rechteckige Behälter instabil wird. Hinzu kommen noch die enormen Seitenkräfte, die entstehen, wenn große Mengen an Schüttgut in den Behälter gefallen und dabei auf die schrägen Seitenwände treffen. In diesem Fall ist es besonders wichtig, im Voraus eine stabile Befestigung der Führungsschrauben zu berücksichtigen. Manchmal wird der Waagebehälter, wenn kein Wiegen erforderlich ist, festgehalten, und ist nur beim Wiegen frei. Eine rechtwinklig symmetrische Struktur ist äußerst stabilisierend, weshalb sie auch bei der Installation von Sensoren häufig verwendet wird. Gleichzeitig verfügen Sensoren in der Regel über eine elastische Aufhängung, wie z. B. Schwingungssensoren. 6.2 Aufhängbare Wiegetanks – Aufhängbare Wiegetanks werden oft mit einem einfachen, flexiblen Mechanismus in Form eines zylindrischen Elements verwendet, um Probleme bezüglich der Selbstausrichtung sowie der Höhenanpassung zu beseitigen oder zu verringern. Neben der oft erforderlichen Fallschutzvorrichtung sind Leitstangen zur Verhinderung von Schwanken und Drehungen notwendig. 6.2.1 Bei Aufhängungstanks mit zwei oder drei Sensoren erfordert die im Allgemeinen einfache Konstruktion mehr Leitstäbe in tangentialer Anordnung; bei geringen Belastungen können diese Funktion durch seitlich angebrachte Rohre übernommen werden. Abbildung 14: Behälter, der an zwei oder drei Sensoren aufgehängt ist. 6.2.2 Struktur mit zentraler Aufhängung an einem einzelnen Sensor. In dieser Struktur müssen Schutzmaßnahmen gegen Schwanken und Drehen vorhanden sein. Abbildung 15: Wiegebehälter 6.3, der an einem Sensor befestigt ist. Bei horizontalen Speicherbehältern besteht in den meisten Fällen eine lineare Beziehung zwischen der Bewegung des Schwerpunkts der Flüssigkeit und der Ladehöhe. Daher reicht es aus, unter einem Sattel einen Sensor zu installieren und unter den anderen beiden Sätteln feste Bases, um die Messung in relativ einfachen Beladungssituationen zu ermöglichen. Ein idealisierter horizontaler Speichertank verteilt das Gewicht gleichmäßig auf einen Doppelpendelsensor sowie zwei feste Stützen; unter normalen Bedingungen sind weitere Befestigungen nicht notwendig. Für sehr lange horizontale Flüssigkeitstanks sollte eine zusätzliche Schutzmaßnahme eingebaut werden, um zu verhindern, dass die Sensoren durch seitliche Kräfte umgeworfen werden. Dazu können beispielsweise mechanische Barrieren verwendet werden, um die beiden Endpunkte des Tankträgers zu begrenzen. Hinweis: In der Praxis wird die Symmetrie der Verteilung oft durch eine leichte Neigung auf der Seite des Flüssigkeitsausgangs gestört. Für präzise Wiegevorgänge ist eine Anordnung von drei Sensoren mit doppelten Schwingarmen am besten geeignet; dabei ist es sinnvoll, die horizontale Ausrichtung mithilfe von Fixierplatten zu gewährleisten. Abbildung 16: Horizontale Lagerbehälter mit C16-Sensor (Skizze)