Pomiar masowego przepływu materiałów sypkich na przenośnikach

Pomiary przepływu masowego odgrywają kluczową rolę w wielu gałęziach przemysłu. Od kopalni, przez papiernie, aż po elektrownie operatorzy transportują materiał na przenośnikach taśmowych, ślimakowych oraz zgrzebłowych. Przenośniki są również wykorzystywane podczas załadunku i rozładunku ciężarówek, wagonów czy statków. Pomiar przepływu masowego jest niezbędny do kontroli tych procesów i płynnego transferu materiału.

Ilość materiału, który jest podawany do procesu znajdującego się dalej w ciągu technologicznym jest regulowana w dedykowanych aplikacjach sterujących. Przykładowo, wyniki pomiaru przepływu masowego są przekazywane do systemu automatyki, które może zmieniać prędkość przenośnika tak, aby dostosować ilość materiału dostarczaną do kolejnego etapu, np. surowca, który trafia do kruszarki w kopalni lub ilość zrębków drzewnych przekazywanych do reaktora w papierni. Ta sama technologia może służyć jako wartość zadana do sterowania innymi procesami, np. dozowaniem materiału pomocniczego w instalacjach mieszania.

W aplikacjach transferowych pomiar przepływu masowego służy do monitorowania ilości materiału przemieszczanego z jednego punktu do drugiego, np. z zakładu produkcyjnego do ciężarówki lub z zasobnika węglowego do pieca.

O ile w przemyśle panuje zgodność, że precyzyjny pomiar przepływu masowego ma kluczowe znaczenie, to opinie w kwestii najlepszej metody pomiarowej są podzielone. Część operatorów preferuje pomiar radiometryczny, inni z kolei pozostają zwolennikami tensometrycznych wag taśmowych. W artykule porównano obie technologie pod kątem sposobu działania oraz korzyści i ograniczeń w praktycznych zastosowaniach.

 

Taśmowe przenośniki materiałów są powszechnie stosowane m.in. w górnictwie. Pomiar ilości transportowanego materiału jest kluczowym parametrem sterowania.

Pomiar radiometryczny – zasada działania

Czujnik radiometryczny składa się ze źródła izotopowego umieszczonego w hermetycznej obudowie oraz detektora scyntylacyjnego. Źródło i detektor montuje się po przeciwnych stronach przenośnika. W zależności od aplikacji źródło może być zamontowane nad przenośnikiem, a detektor poniżej lub odwrotnie. W każdym z tych wariantów skupiona, ukierunkowana wiązka promieniowania gamma przechodzi ze źródła przez transportowany materiał oraz elementy przenośnika, docierając do detektora. 

 

W systemach radiometrycznych skupiona wiązka promieniowania przechodzi przez materiał procesowy i przenośnik docierając do detektora

Podczas przechodzenia promieniowania przez materię jego natężenie ulega osłabieniu. Wraz ze zmianą całkowitej masy przypadającej na jednostkę powierzchni taśmy zmienia się również ilość promieniowania docierającego do detektora — odwrotnie proporcjonalnie do obciążenia. Im większa masa materiału znajduje się na taśmie, tym niższe jest natężenie promieniowania rejestrowane przez detektor. Analogicznie, przy mniejszym obciążeniu sygnał promieniowania jest wyższy. Zarejestrowana przez detektor ilość promieniowania jest więc bezpośrednio związana z aktualną masą materiału na przenośniku i przetwarzana na odpowiedni sygnał wyjściowy.

Zastosowania praktyczne – pomiar radiometryczny
Radiometryczny pomiar masy działa najlepiej przy równomiernych, średnich i dużych obciążeniach, natomiast może tracić dokładność przy bardzo lekkich materiałach. Można go stosować na przenośnikach o szerokości od około 0,5 do 3 m. Szersze taśmy są zwykle lepiej dopasowane do systemów opartych na tensometrach.

Elektronika miernika izotopowego zazwyczaj wyposażona jest w wejście dyskretne lub analogowe do podłączenia sygnału z tachometru, co jest niezbędne przy przenośnikach o zmiennej prędkości. Dzięki temu sygnałowi możliwe jest precyzyjne obliczenie łącznej masy materiału, który przeszedł przez wagę. Wejście dyskretne odbiera najczęściej sygnał częstotliwościowy z tachometru, natomiast wejście analogowe – sygnał 4...20 mA.

Radiometryczny pomiar przepływu masowego cechuje się wysoką niezawodnością, nawet w bardzo trudnych warunkach procesowych. Bezkontaktowa metoda pomiaru sprawia, że jest niewrażliwy na drgania, typowe dla transportu materiałów, a promieniowanie nie jest zakłócane przez temperatury do 60°C. Elektronika urządzenia kompensuje zmienne parametry, takie jak prędkość taśmy czy ślimaka i wykorzystuje je do przeliczenia sygnału na masę całkowitą lub masę w jednostce czasu.

Choć ta metoda pomiaru wymaga większej inwestycji na początku, to docelowo zapewnia stabilne działanie i ma minimalne wymagania eksploatacyjne. Dokładność wynosi ±1% niezależnie od właściwości medium i warunków procesu takich, jak pył, korozja czy rozsypywanie się materiału.

Instalacja jest stosunkowo prosta, ponieważ miernik izotopowy jest dostarczany w zestawie z ramą montażową, którą mocuje się bezpośrednio do przenośnika. System można łatwo przenosić i montować również na przenośnikach pochyłych bez uszczerbku na dokładności pomiarów.

Uruchomienie wymaga wykonania prób z pustą i załadowaną taśmą w celu kalibracji. Samą kalibrację można przeprowadzić za pomocą komunikatora HART lub adaptera VEGACONNECT, korzystając z DTM (Device Type Manager) oraz darmowego narzędzia PACTware dostępnego na komputer. DTM, jako standardowe oprogramowanie stosowane w automatyce przemysłowej, zapewnia intuicyjną obsługę i przejrzysty interfejs graficzny.

Większość czujników izotopowych oferuje różne sygnały wyjściowe, m.in. 4...20 mA z HART lub bez, a także protokoły komunikacyjne takie jak Profibus PA czy Foundation Fieldbus.

W praktyce wystarczy prawidłowo ustawić czujnik radiometryczny, a system może pracować latami bez ingerencji operatora. Bezkontaktowy pomiar przepływu masowego, pozbawiony elementów mechanicznych, gwarantuje wysoką stabilność działania i nie wymaga konserwacji. To właśnie ta cecha stanowi kluczową przewagę nad tensometrycznymi wagami taśmowymi.

Wagi taśmowe z czujnikami tensometrycznymi – zasada działania
System wagowy oparty na tensometrach zastępuje krótki odcinek mechanizmu nośnego istniejącej taśmy, wykorzystując jeden lub kilka zestawów rolek. Rolka nośna jest osadzona na czujnikach tensometrycznych, dzięki czemu możliwy jest pomiar ciężaru materiału przemieszczającego się po taśmie.

 

Pomiar radiometryczny można stosować na przenośnikach taśmowych praktycznie bez ograniczeń w zakresie szerokości taśmy

Wartość zmierzonej masy jest przeliczana na strumień masy z uwzględnieniem prędkości taśmy, po wcześniejszym odjęciu masy własnej taśmy. Systemy tego typu wyposażone są w elektronikę wagową, która odpowiada za wykonywanie wszystkich niezbędnych przeliczeń.

Wagę taśmową instaluje się na stabilnym, prostym odcinku taśmy, bez pionowych ani bocznych łuków, możliwie blisko poziomu. Wszystkie elementy ważone powinny być precyzyjnie wypoziomowane i ustawione w osi z sąsiednimi podporami, aby wyeliminować siły rozciągające taśmę mogące zakłócić pomiar.

Zastosowania praktyczne – wagi taśmowe
Choć początkowy koszt jest niższy niż w przypadku systemu radiometrycznego, nakłady związane z instalacją oraz długoterminową eksploatacją są znacznie wyższe. Zaletą jest możliwość obsługi bardzo szerokiego zakresu mas i taśm o dowolnej szerokości. Wymagany jest jednak długi, prosty i możliwie poziomy odcinek przenośnika taśmowego. Po zamontowaniu przeniesienie systemu jest utrudnione, ponieważ zastępuje on fragment konstrukcji podpierającej taśmę

Zmienność napięcia taśmy oraz wpływ drgań na układ wagowy oznaczają konieczność częstych kalibracji, zwykle z użyciem mas wzorcowych, co wiąże się z przestojami. Kalibrację trzeba wykonywać częściej w aplikacjach z lekkim obciążeniem taśmy, gdzie masa materiału jest niska.

Choć początkowa dokładność jest porównywalna z systemami radiometrycznymi (około ±1%), szybko pojawia się dryft pomiaru. W porównaniu z urządzeniami radiometrycznymi systemy tensometryczne są mniej odporne na warunki środowiskowe, takie jak temperatura i drgania.

Wyjścia wag taśmowych to zazwyczaj sygnał analogowy 4...20 mA proporcjonalny do natężenia przepływu, często z obsługą protokołów HART, Profibus PA i Foundation Fieldbus.

Porównanie obu metod w praktyce
W kopalni wapienia znaczna część materiału była transportowana na bardzo długich przenośnikach taśmowych. Optymalizacja procesu wymagała precyzyjnego i powtarzalnego pomiaru ilości materiału transportowanego między kolejnymi etapami. Do tej pory stosowano system wagowy oparty na tensometrach.

Kopalnia zidentyfikowała wysokie koszty utrzymania systemu tensometrycznego i zaczęła analizować alternatywy. Pomiar radiometryczny wzbudził zainteresowanie właśnie dzięki niskim kosztom eksploatacyjnym. Analiza wykazała, że inwestycja zwróci się w czasie krótszym niż rok.

Kolejnym krokiem było rozwianie obaw operatorów, które były związane z użyciem źródła promieniotwórczego. Wyjaśniono, że systemy radiometryczne wykorzystują niskoaktywne źródła, a ich obudowy skutecznie ekranują promieniowanie do poziomu porównywalnego z naturalnym tłem. Przedstawiono również modelowe obliczenia rozkładu promieniowania dla wymaganej aktywności źródła oraz odniesiono je do poziomów naturalnego tła i dawki otrzymywanej podczas standardowego zdjęcia rentgenowskiego klatki piersiowej.

Po analizie kosztów oraz wymagań związanych ze stosowaniem źródeł promieniotwórczych kopalnia zdecydowała się na radiometryczną metodę pomiaru masowego przepływu oferowaną przez firmę VEGA. 

Inwestycja w radiometryczny system pomiaru na przenośniku taśmowym zwróciła się już po 8 miesiącach

 

Instalacja i kalibracja systemu zajęły zaledwie cztery godziny dzięki wykorzystaniu DTM i oprogramowania producenta. Kalibrację przeprowadzono z użyciem mas wzorcowych — metody jednocześnie bardzo dokładnej i wyjątkowo intuicyjnej.

System radiometryczny działa nieprzerwanie od kilku lat, a wyniki przekroczyły oczekiwania. Koszt inwestycji zwrócił się w ciągu zaledwie ośmiu miesięcy. Wymagania eksploatacyjne zostały znacząco zredukowane, co przełożyło się na realne oszczędności.

Wnioski
Dwie główne technologie pomiaru masowego przepływu materiałów sypkich to systemy radiometryczne oraz tensometryczne wagi taśmowe. Wagi taśmowe charakteryzują się niższym kosztem początkowym i dobrze sprawdzają się przy bardzo szerokich taśmach — powyżej 3 metrów — a także w aplikacjach z bardzo lekkimi materiałami lub zmiennym obciążeniem.

Systemy radiometryczne wymagają wyższej inwestycji początkowej, jednak w wielu zastosowaniach szybko się zwracają dzięki minimalnym wymaganiom konserwacyjnym. To właśnie niski koszt eksploatacji sprawia, że wielu użytkowników decyduje się na tę technologię.

Wybór odpowiedniej metody zależy od szczegółów konkretnej aplikacji — każda z technologii ma swoje plusy w określonych zastosowaniach. Więcej informacji na temat radiometrycznych systemów pomiaru przepływu masowego VEGA można znaleźć na stronie www.vega.com