Проектирование и конструкция системы взвешивания резервуаров

Thread Content

1. Введение При изготовлении резервуаров с датчиками необходимо соблюдать некоторые важные основные правила. Например, резервуары обычно подвергаются воздействию климатических условий или факторов, связанных с производством. При строительстве новых открытых бункеров (хранилищ, угольных складов), которые являются частью здания, необходимо соблюдать строительные нормы. С точки зрения строительного законодательства, последующая модификация весового оборудования также может рассматриваться как значительное изменение. В такой ситуации рекомендуется обратиться за консультацией к архитектурному инженеру, поскольку строительные нормы в вопросах безопасности принципиально определяют «техническое состояние». Например, нагрузка от ветра предполагается в части 4 стандарта Германии DIN 1055 «Нагрузки на здания». Проектировщики и производители резервуаров также должны знать особые, зачастую внутренние для компании, правила: если в резервуаре хранятся опасные вещества и предполагается его использование с помощью погрузчика, то резервуары, расположенные на крыше, также должны иметь защиту от подъема. 2. Распределение веса: оптимальные условия для датчиков, определяющих вес резервуара, достигаются тогда, когда резервуар поддерживается на трех опорных точках, причем на каждой из этих точек установлен датчик. Это состояние называется статическим определением. Для этого весь нагрузка должна распределяться максимально равномерно между тремя датчиками. Для вертикальных или подвесных цилиндрических резервуаров наилучшие условия для равномерного распределения нагрузки достигаются тогда, когда три датчика находятся на одинаковом расстоянии от вертикальной оси резервуара и образуют между собой угол 120° в плоскости. Что касается расположения точек поддержки для горизонтальных и вертикальных резервуаров, см. рисунок 1. Если в том или ином устройстве датчики не установлены на всех опорах, более целесообразно, чтобы нагрузка на опоры распределялась неравномерно. Опоры с датчиками должны выдерживать большую нагрузку, чем опоры без датчиков. Благодаря этому улучшается точность измерительных устройств. При проектировании устройств и выборе датчиков необходимо стремиться к тому, чтобы на датчики приходилась максимально одинаковая нагрузка. Рисунок 1. Расположение точек опор для горизонтального резервуара: A, B и C. Если резервуар поддерживается четырьмя или более точками опор, то существует избыток статических степеней свободы. Для такого применения необходимо учитывать наличие датчиков во всех точках поддержки. Равномерное распределение нагрузки на отдельный датчик можно достичь только путем его установки. Для достижения этой цели сначала измеряется нагрузка на датчик отдельно. Если обнаруживается значительная разница, высоту соответствующего датчика необходимо скорректировать (например, путем установки металлической пластины). В принципе, датчики с слишком низкой нагрузкой должны быть установлены друг напротив друга. 3. Центр тяжести резервуара с полной загрузкой должен находиться как можно ниже точек опоры резервуара. На практике это требование часто бывает трудно выполнить. Когда центр тяжести находится ниже точки опоры, это способствует стабильности механизма. Положение центра тяжести меняется в зависимости от уровня наполнения, и оно оказывает решающее влияние на количество необходимых датчиков. При симметричной компоновке датчиков, поскольку центр тяжести движется по вертикальной линии, возможно создание весов с использованием одного датчика. Если из-за изменения наполнителя центр тяжести смещается вбок от оси, то к каждой точке опоры должен быть подключен датчик. На рисунке 2 объясняется необходимость использования датчиков во всех точках опоры при изменении центра тяжести (в боковом направлении). Рисунок 2: Резервуар с наклонной вытекающей пластиной, центр тяжести которого изменяется в зависимости от объема наполнения. 4. Для резервуаров, используемых в процессах загрузки и разгрузки, часто требуются дополнительные интерфейсы: для загрузки и выгрузки содержимого резервуара, а также для подключения электронных, гидравлических или пневматических устройств, служащих вспомогательными элементами резервуара. Интерфейс загрузки/выгрузки резервуара может создавать дополнительные нагрузки, что приводит к погрешностям в точности измерений весов. Поэтому интерфейс должен быть достаточно гибким в вертикальном направлении. На рисунках 3–7 показаны несколько разумных вариантов интерфейса, которые следует учитывать на этапе концепционирования и в ходе реализации проекта. При соединении жестких труб с ограниченной гибкостью целесообразно, чтобы резервуар был соединен с максимально длинной горизонтальной трубой. Горизонтальная труба гибка в вертикальном направлении, и чем она длиннее, тем более гибкой становится. При этом возникающее на датчике напряжение соответственно невелико, что не влияет на точность измерений. (Рис. 3). Несколько сегментов гибких соединительных труб могут заменить длинные горизонтальные трубы (рис. 4); их можно соединить с помощью гибких эластичных шлангов, тем самым избегая возникновения дополнительных нагрузок. Здесь необходимо проверить приемлемость эластичных материалов для содержимого контейнера и моющих средств (например, в технологиях пищевой промышленности и фармацевтики). Другим способом снижения дополнительных нагрузок является использование дуговых труб (рис. 5). При вертикальном расположении труб, когда необходимо учитывать направление силы тяжести или когда невозможно использовать обычные гибкие трубы, надежное соединение труб достигается с помощью амортизаторов в виде волновых труб (рис. 6). Однако при монтаже таких амортизаторов необходимо сохранять минимальный уровень деформации. Если использовать второй мембранный трубчатый элемент, при его соединении с первым через трубу можно допустить большую величину деформации. Совет: в некоторых местах, где требуется особая чистота (например, в пищевой промышленности), использование мембран запрещено. На рисунке 7 показано, что соединение с открытыми разъемами является наилучшим способом для снижения дополнительных нагрузок. Открытые разъемы предотвращают контакт между трубой и резервуаром. Однако такая конструкция не может использоваться в замкнутых системах (например, в резервуарах под давлением). Совет: необходимо постоянно следить за тем, чтобы материал в трубопроводах также учитывался при измерении массы. Трубопроводы для подачи и отвода материала, соединенные непосредственно с резервуарами, должны иметь постоянную массу в процессе измерения. Другими словами, трубопроводы либо пусты, либо всегда полны. Рисунок 3: Соединение с использованием длинных горизонтальных труб.
Рисунок 4: Эластичное трубчатое соединение.
Рисунок 5: Дуговидные трубы.
Рисунок 6: Компенсирующее соединение с использованием волнообразных труб.
Рисунок 7: Открытые краткосрочные трубы для перевозки груза.
5. Нагрузка из-за давления в закрытых устройствах влияет на результаты измерения давления в системе. Особенно это актуально в химической промышленности, где для проведения реакций требуется высокое давление. В то же время устройства для сбора пыли создают отрицательное давление в размере 100–300 миллибаров на частицы пыли. Когда трубопроводы соединены вертикально внутри контейнера, как показано на рисунках 5 и 6, возникают дополнительные силы, влияющие на процесс измерения. Его влияние соответствует произведению давления и площади поперечного сечения трубы; при стабильном давлении во время измерений этот фактор можно учесть или рассчитать. Горизонтальные соединительные трубы предпочтительнее, поэтому их устанавливают вместо вертикальных; в таком случае соответствующие дополнительные нагрузки поглощаются с помощью крепежных элементов. 6.1 Несколько типичных способов монтажа датчиков. В этом разделе с помощью иллюстраций показаны несколько типичных конструкций резервуаров. Детали конструкции, связанные с конкретными проблемами, будут рассмотрены в соответствующих разделах. 6.1 Для вертикальных резервуаров с наполнителем, предназначенных для хранения однородных веществ в жидком или сыпучем состоянии, целесообразно использовать конфигурацию, в которой имеются две фиксированные основания и датчик. Условием является симметрия конструкции ёмкости, а также то, чтобы линия центра тяжести наполнителя в течение всего процесса заполнения приблизительно находилась на одной вертикальной линии. В других случаях, особенно при более высокой точности, необходимо использовать три или более датчиков. 6.1.1 Жесткое крепление датчика. Такая конструкция, при которой датчик просто жестко закрепляется на несущей конструкции, как правило, не рекомендуется. В такой конструкции датчик не может избежать ошибок измерений, вызванных деформациями, возникающими в результате изменений нагрузки, вибраций или колебаний температуры. 6.1.2 Вертикальные резервуары, оснащенные двумя опорами и датчиком. В этой системе измерений используется датчик в виде маятника и две фиксированные опоры, которые одновременно служат для крепления вертикального резервуара. Благодаря такой простой конструкции датчик избегает определенных ошибок измерения. Рисунок 8: Вертикальный резервуар с жесткой конструкцией для размещения датчика. Рисунок 9: Вертикальный резервуар с двумя опорами и одним датчиком. 6.1.3 Вертикальные резервуары, опирающиеся на три или четыре датчика. Для точного определения уровня наполнения обычно используются три датчика в качестве измерительных элементов. Однако в случае прямоугольной симметричной конструкции может использоваться и четырехдатчиковая схема. Хотя такая схема из-за большого количества степеней свободы и высокой стоимости не является оптимальной с точки зрения принципов проектирования, она все же легко приходит в голову инженерам. Хотя у систем с двумя эластичными опорами не требуются направляющие стержни, в большинстве случаев они должны сочетаться с фиксированными ограничителями. Для особо высоких вертикальных резервуаров в их верхней части требуется установка дополнительных направляющих; на рисунке стержни изображены с меньшей степенью затяжки. В таком положении фиксированный стопор при самом незначительном неизбежном смещении может коснуться вертикального резервуара, в результате чего из-за трения возникает дополнительная сила. Здесь обычно не рекомендуется использовать роликовые упоры или тросовые направляющие. Рисунок 10: Вертикальный резервуар более высокого размера. Рисунок 11: Вертикальный резервуар, расположенный на основании. 6.1.4 Использование вертикального резервуара с тремя различными модулями взвешивания. Ведущие стержни этих модулей соприкасаются с внешними краями конструкции, что позволяет резервуару оставаться горизонтально стабильным без необходимости применения дополнительных мер. Он также обладает защитой от подъема, предотвращающей опрокидывание вертикальных резервуаров. Благодаря этому при строительстве на открытом воздухе не требуется множества деталей конструкции; на этой схеме показаны модули взвешивания для небольших, средних и больших нагрузок. Использование стандартных модулей взвешивания позволяет упростить конструкцию и значительно сократить её стоимость, однако необходимо учитывать такие детали, как параллельность опорных поверхностей, высотная согласованность и т. д. 6.1.5 В практике применения весовых модулей с ободчатыми резервуарами обычно можно наблюдать, что корпус круглого вертикального резервуара доходит примерно до его дна, чтобы обеспечить стабильность всей конструкции. В таких случаях требуется специальный способ монтажа для правильной установки датчиков. На рисунке 12 показан принцип измерения этой конструкции с помощью датчика; именно с его помощью вес передается на датчик. Конечно, модуль взвешивания также оснащен защитой от подъема (для наглядности на рисунке 12 она не показана). Даже небольшое поднятие конструкции достаточно, чтобы весь вес попал на датчик. Поэтому в этой конструкции требуется круглая уплотнительная прокладка для герметизации; она настолько мягкая, что не способна создавать дополнительное давление. Рисунок 12: Конфигурация модуля взвешивания вертикального резервуара с краевыми ободами. 6.1.6 Прямоугольный бункер на станции загрузки, оснащенный четырьмя датчиками. На станции загрузки возникают вибрации от транспортирующих механизмов, устройств загрузки и разгрузки. Кроме того, если бункер является частью подвижного оборудования, то из-за ускорения он может стать нестабильным. Это еще не учитывает огромные боковые силы, возникающие при падении крупногабаритных грузов на наклонные стенки бункера. В такой ситуации особенно важно заранее продумать надежное крепление направляющих с использованием предварительно приложенной силы затяжки. Иногда, когда взвешивание не требуется, контейнер весов фиксируется, а становится свободным только во время взвешивания. Структура с прямым угловым симметричным расположением в значительной степени способствует стабильности, поэтому она также используется при монтаже большинства датчиков. Кроме того, датчики обычно имеют упругую опору, как, например, в колебательных датчиках. 6.2 Подвесные весовые баки. В подвесных весовых баках проблемы самовозвращения в исходное положение и регулировки высоты часто устраняются или снижаются с помощью простых гибких механизмов в виде цилиндрических элементов. Помимо обычно требуемой защиты от падения, необходимы направляющие для предотвращения качания и вращения. 6.2.1 У подвесных весовых резервуаров, оснащенных двумя или тремя датчиками, в целом простая конструкция требует наличия большего количества направляющих элементов, расположенных по тангенциальной линии; при небольших нагрузках эти функции могут выполняться боковыми трубами, расположенными снизу. Рисунок 14: Резервуар, подвешенный на двух или трех датчиках. 6.2.2 Структура с подвесом в центре над одним датчиком. В такой конструкции необходимы меры защиты от качания и вращения. Рисунок 15: Цистерна для взвешивания, прикрепленная к датчику. 6.3 Горизонтальные резервуары. В большинстве случаев положение центра тяжести жидкости изменяется линейно в зависимости от уровня наполнения. Таким образом, установка датчика под одним седлом, а фиксированной основы — под двумя другими седлами позволяет осуществлять измерения в относительно простых условиях загрузки. Идеальный горизонтальный резервуар распределяет свой вес поровну между датчиком с двумя качающимися столбами и двумя фиксированными опорами; в нормальных условиях другие фиксации не требуются. Для длинных горизонтальных резервуаров с жидкостью необходимо предусмотреть дополнительную защиту, чтобы предотвратить повреждение датчиков под действием боковых нагрузок; например, можно использовать механические устройства для ограничения движения концов резервуара. Совет: в практике симметрия распределения часто нарушается из-за небольшого наклона конструкции с той стороны, где находится выход жидкости. Для задач точных измерений наилучшим решением является использование трех датчиков типа двойных качающихся столбиков; при этом для горизонтальной фиксации лучше всего использовать фиксирующие плиты. Рисунок 16: Горизонтальный резервуар с датчиком C16 (скичка)