Существует четыре основные области применения весоизмерительных устройств на производстве:
· взвешивание при товарообороте как основа установления цены;
· взвешивание в целях определения, контроля и регулирования внутризаводских материальных потоков;
· взвешивание в целях изготовления и поверки образцовых гирь;
· взвешивание в целях анализа и синтеза веществ и их смесей.
При каждом взвешивании выполняют хотя бы одну из четырех основных операций весоизмерительной техники:
· определение неизвестной массы тела – операция «взвешивание»;
· отмеривание определенного количества массы – операция «отвешивание»;
· определение класса, к которому относится подлежащее взвешиванию тело, – операции «тарировочное взвешивание», «сортировка»;
· взвешивание непрерывно протекающего материального потока.
Диапазоны измерения массы на производстве химической продукции от мг до 3000 кг
Принципы измерения массы
Взвешивание основано на использовании закона всемирного тяготения, согласно которому гравитационное поле Земли притягивает массу с силой, пропорциональной этой массе. При этом сила притяжения может сравниваться с известной по величине силой, создаваемой различными способами:
а) в качестве уравновешивающей силы используется груз известной массы (метод является классическим);
б) уравновешивающее усилие возникает при растяжении слабой пружины (пружинные весы);
в) уравновешивающее усилие возникает при деформации достаточно жестких пружинных элементов; такие деформации измеряются преимущественно при помощи тензорезисторных датчиков (электромеханические весы);
г) уравновешивающее усилие создается пневматическим устройством; при этом мерой подлежащего взвешиванию груза является давление воздуха;
д) уравновешивающее усилие создается гидравлическим устройством; при этом мерой подлежащего взвешиванию груза является давление жидкости;
е) уравновешивающее усилие создается электродинамически при помощи соленоидной обмотки, находящейся в постоянном магнитном поле; при этом ток, протекающий по обмотке, является мерой подлежащего взвешиванию груза;
ж) усилие возникает при погружении тела в жидкость; глубина погружения и, следовательно, изменяющаяся вместе с ней подъемная сила служат мерой подлежащего взвешиванию груза.
Только в случаях «а» и «ж» непосредственно сравниваются веса двух тел. Градуировка весоизмерительных устройств (разметка шкалы весов), основанных на использовании этого принципа, не зависит от ускорения силы тяжести, т. е. от места проведения градуировки.
При использовании всех остальных методов взвешивания следует учитывать различия значений ускорения силы тяжести в различных географических точках. В общем случае наибольшая точность взвешивания достигается наиболее просто при помощи названного в пункте «а» классического метода. Поэтому весы, в которых осуществляется непосредственное сравнение масс, наиболее распространены.
Методы взвешивания
Общие положения. Выбор соответствующего метода взвешивания позволяет исключить влияние погрешности весов на результат взвешивания, особенно при применении рычажных весов. Для достижения малых погрешностей должны быть также учтены погрешности гирь и влияние аэродинамической подъемной силы. При точных взвешиваниях пренебрежение аэродинамической подъемной силой может свести на нет тщательность операции взвешивания. Только при равных плотностях материала взвешиваемого груза и материала гирь в процессе взвешивания непосредственно определяется масса взвешиваемого груза.
В зависимости от целей взвешивания и допустимых погрешностей применяют различные методы: пропорциональный метод, метод замещения, метод двойного взвешивания. Последний метод применяется только в равноплечих рычажных весах.
Пропорциональный метод. Пропорциональный метод взвешивания применяется при всех технических взвешиваниях. Перед каждым взвешиванием ненагруженные весы должны быть установлены на нуль. Масса взвешиваемого груза равна показанию весов, скорректированному на величину их погрешности. При технических взвешиваниях отсчитываемые по шкале показания весов считают правильными и корректировку результатов взвешивания, учитывающую погрешность весов, обычно не производят, так как в большинстве случаев эта погрешность неизвестна.
Метод замещения. Данный метод предусматривает замену взвешиваемого груза гирей. Взвешивание происходит в две стадии. Взвешиваемый груз устанавливают на грузоприемное устройство весов и при помощи соответствующих гирь, помещаемых на гиревую чашу, весы приводят в равновесие. В самоустанавливающихся весах регистрируют показания. Не меняя гири, находящиеся в гиревой чаше, заменяют взвешиваемый груз гирями известной величины и восстанавливают равновесие весов или записанные их показания.
Метод двойного взвешивания. Метод двойного взвешивания применяется только в равноплечих рычажных весах и обеспечивает наивысшую точность взвешивания. Взвешивание производят в два приема, меняя местами гири и взвешиваемый объект. Метод двойного взвешивания, называемый также методом Гаусса, применяют, прежде всего, при сопоставлении гирь высшей точности.
Типы весов
По принципу измерения весы подразделяют на:
Рычажные весы с уравновешиванием масс. Неизвестная масса взвешиваемого груза определяется уравниванием крутящих моментов, развиваемых, с одной стороны, силой тяжести неизвестной массы (груза), а с другой – силой тяжести известной массы (гирь), приложенными к соответствующим плечам рычага. Существует четыре способа уравновешивания, а, следовательно, четыре вида весоизмерительных устройств, не считая их комбинаций:
• взвешивание при помощи гирь, не связанных с весами. Равновесное положение весов постоянно;
• устройство с переключаемыми гирями. Встроенные в весы гири, механически устанавливаемые или снимаемые, воздействуют на постоянное плечо рычага. Равновесное положение весов постоянно;
• весоизмерительное устройство с передвижными гирями. Жестко связанные с весами гири перемещаются вдоль плеча рычага. Равновесное положение весов постоянно;
• маятниковые весы (квадрантное устройство). При взвешивании изменяются угол отклонения жестко связанной с весами гири маятникового груза и расстояние от ее центра тяжести до центра опоры. Показания устанавливаются автоматически. Каждому значению массы взвешиваемого тела соответствует определенное положение равновесия. Число равновесных положений бесконечно.
Пружинные весы. Неизвестная масса взвешиваемого груза определяется по деформации пружины. Часто с помощью рычажного механизма осуществляется преобразование развиваемого грузом усилия в соответствии с характеристикой используемой пружины. Применяют пружинные весы:
• с механическим указателем;
• электрическим измерением деформации;
• электрическим измерением собственной частоты натянутых струн, нагружаемых массой взвешиваемого груза.
Гидравлические весы. Усилие, развиваемое взвешиваемым грузом, определяется измерением давления, развиваемого этим грузом на поверхности жидкости.
Электромагнитные весы. Усилие, развиваемое взвешиваемым грузом, определяется по электромагнитной уравновешивающей силе.
По степени автоматизации весы подразделят на автоматические, полуавтоматические и единичного взвешивания.
Простейшими весами единичного взвешивания являются весы, имеющие только один рычаг; более сложные весы могут обладать рычажным механизмом, состоящим из нескольких рычагов. В зависимости от типа грузоприемного устройства различают:
• весы с грузоприемным устройством, свободно висящим на призменной опоре. Такие весы раньше назывались коромысловыми; по такому типу в настоящее время конструируют лишь прецизионные и лабораторные весы;
• весы, в которых грузоприемное устройство либо укреплено на нескольких призменных опорах, либо, хотя и опирается на одну призменную опору, но перемещается тягой. Такие весы называются платформенными весами или весами с верхней грузовой чашей и представляют собой комбинированные весы.
По степени точности взвешивания весы подразделяются на прецизионные, лабораторные и технические.
Лабораторные весы. Эти весы, ранее называвшиеся соответственно своему основному применению аналитическими, выпускают преимущественно на небольшие пределы взвешивания – от 0,5 мг до 50 кг. В лабораторных весах, так же как в прецизионных, предусмотрено электрическое выходное устройство, выдающее результат измерения в виде аналогового или цифрового сигнала.
С помощью лабораторных весов с наибольшим пределом взвешивания 20 г и ниже, называемых микровесами, можно устанавливать разность весов 1 мг и менее. Для взвешивания малых масс (100 мг и меньше) с незначительной погрешностью необходимы специальные конструкции весов.
Электромагнитные микровесы в комплекте с седиментационной приставкой применимы для анализа размеров частиц.
Электронные весы
Принцип измерения: вес тела деформирует упругий элемент весоизмерительного датчика электронных весов, что приводит к изменению электрического сопротивления наклеенного на него фольгового тензорезистора, обладающего свойством изменять электрическое сопротивление под влиянием деформации. Вторичный прибор, включающий в себя усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, обрабатывает сигнал датчика и выдает результат на цифровой индикатор.
Весы подразделяются на разные типы в зависимости от вида грузоприемного устройства (например, платформенные, бункерные, монорельсовые, крюковые), способа взвешивания (статические и для взвешивания в движении), объектов взвешивания (автомобильные, вагонные, крановые, вагонеточные, конвейерные и др.).
При взвешивании дискретных грузов – коробок, мешков, ящиков, вагонов, автомобилей и других подобных предметов – чаще всего используются платформенные весы. Самые маленькие платформенные весы – магазинные – имеют маленькую платформу (около 200 х 300 мм) и наибольший предел взвешивания (НПВ), равный 3; 6 или 15 кг. Самые большие платформенные весы – автомобильные и вагонные – с НПВ от 10 до 200 т имеют платформу размером до 3 х 20 м.
Основными преимуществами электронных весов перед механическими являются не только более высокая точность, простота изготовления и монтажа, но и возможность передачи результатов взвешивания в локальную вычислительную сеть для последующей обработки и анализа. Еще одно важнейшее преимущество электронных тензометрических весов перед механическими – это возможность взвешивания транспортных средств в движении.
Автомобиль, автопоезд или железнодорожный состав медленно, со скоростью около 10 км/ч, проезжают через платформу весов, фиксирующую вес каждой оси. Компьютер с помощью специальных программ распознает тип транспортного средства, вычисляет скорость движения, рассчитывает суммарную массу.
По мере развития отечественного производства, особенно в перерабатывающей промышленности, и автоматизации технологических процессов нашим специалистам все чаще приходится решать задачи, связанные с взвешиванием не дискретных предметов (упаковок, кусков, блоков и т.д.), а жидких и сыпучих продуктов, представляющих собой с точки зрения механики сплошные среды. Это процессы взвешивания молока, подсолнечного масла, патоки и нефтепродуктов на соответствующих производствах. Среди сыпучих грузов наиболее часто взвешивают муку, зерно, сахар, комбикорма, семена подсолнечника, а также цемент и другие строительные материалы.
Основным классом весов для таких задач являются бункерные весы. Грузоприемное устройство в них – бункер цилиндрической, пирамидальной или призматической формы, установленный или подвешенный на весоизмерительных датчиках.
Еще один важный класс дозаторов – фасовочные. Они используются для дозирования и последующей фасовки в твердую или мягкую тару различных пищевых или химических продуктов. Размер дозы изменяется в очень широких пределах – от нескольких граммов (чай, кофе и др.) до 1 т.
Такое многообразие весового оборудования обусловлено потребностями различных отраслей промышленности: пищевой, перерабатывающей, металлургической, химической, строительных материалов и других, в которых необходимы точный учет сырья, конечной продукции и дозирование компонентов в технологических процессах.