СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА МАССЫ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING WEIGHT CONSUMPTION OF BULK MATERIAL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано в конвейерных весах и дозаторах непрерывного действия, применяемых в различных отраслях народного хозяйства - комбикормовом производстве, порошковой металлургии, химической промышленности и т.д.
Целью изобретения являются обеспечение высокой точности взвешивания сыпучих материалов независимо от неравномерности распределения материала на ленте транспортера в процессе движения и упрощение структурной схемы технического решения.
Известен способ определения производительности весового транспортера на его входном локальном сечении, включающий дифференцирование сигнала усилия, измеряемого с помощью преобразователя силы, полностью воспринимающего нагрузку движущегося сыпучего материала, и суммирование скорости изменения сигнала усилия с выходным сигналом этого же сумматора, задежанным с помощью элемента задержки на время, равное времени пребывания материала на ленте транспортера [Дозатор непрерывного действия. А.с. 1474474 СССР: МКИ G01G 11/14 / Славин P.M., Харатян Г.А.; Заявитель: Всесоюз. науч.-исслед. ин.-т электрификации, сельского хозяйства. №4309054/24-10; заявлен. 25.09.1987; опубл. 23.04.1989, Бюл. Открытия, Изобретения. №15 (Пч.) 2 с.].
Недостаток этого технического решения заключается в том, что  несмотря на отсутствие методической погрешности измерения мгновенной производительности наличие элемента задержки в обратной связи затрудняет техническую реализацию системы и способствует увеличению ее инструментальной погрешности.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, применяемый в техническом решении [Устройство для измерения расхода массы сыпучих материалов. А.с. 1059442 СССР: МКИ 4 G01G 11/14 / Ерошкин А.С., Трещев Ю.А.; Заявитель: Науч.-исслед. и констр. ин-т испытат. машин, приборов и средств измер. масс. №3487773; заявл. 03.09.1982; опубл. 07.12.1983, Бюл. Открытия. Изобретения. №45 (Пч) 3с.], включающий измерение усилий, действующих на преобразователи силы, установленные на входе и выходе измерительного участка транспортера, суммирование измеряемых усилий и их производных, сравнение сигналов, пропорциональных текущей производительности системы на входе и на выходе измерительного участка, и интегрирование их разницы с целью корректировки величины основной производительности системы, обусловленной создаваемым усилием суммарной массы материала, находящегося на измерительном участке транспортера.
Недостатком этого технического решения является невысокая точность измерения расхода массы сыпучего материала, поскольку в нем определяется некоторое приближенное значение производительности весового транспортера, причем в качестве основного значения для оценки производительности системы берется суммарная масса материала, находящегося на весовом транспортере, а для корректировки значения основной производительности системы применяется сложная система операций, связанная с вычислением величины массы материала, присоединившейся к той массе, которая находится на измерительном участке транспортера. Кроме того, присутствие элемента задержки осложняет структуру системы и приводит к дополнительной инструментальной погрешности.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения расхода массы сыпучего материала путем вычисления значений мгновенной производительности на входном и выходном локальных сечениях весового транспортера и упрощение структурной схемы технического решения.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается точность определения расхода массы сыпучего материала и упрощается структурная схема технического решения.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения расхода массы сыпучего материала, включающем измерение усилий, действующих на преобразователи силы, установленные на входе и выходе измерительного участка транспортера, суммирование измеряемых усилий и их производных, мгновенную производительность на входном локальном сечении весового транспортера определяют путем суммирования текущего осредненного значения производительности весового транспортера, представляющего собой сумму измеряемых усилий, деленную на время пребывания материала на транспортере, и скорости изменения усилия, действующего на установленный на выходе транспортера преобразователь силы, а мгновенную производительность на выходном локальном сечении транспортера определяют путем вычитания от осредненного значения текущей производительности транспортера скорости изменения усилия, действующего на установленный на входе транспортера преобразователь силы.
Технический результат достигается также тем, что в предлагаемое устройство для определения расхода массы сыпучего материала, содержащее преобразователи силы, установленные на входе и выходе ленточного весового транспортера и подключенные к входам дифференциаторов и одного из сумматоров, введен инвертор, через который выход дифференциатора, вход которого подключен к выходу установленного на входе весового транспортера преобразователя силы и к первому входу первого сумматора, соединен с первым входом второго сумматора, а выход дифференциатора, вход которого подключен к выходу установленного на выходе весового транспортера преобразователя силы и ко второму входу первого сумматора, соединен с первым входом третьего сумматора, причем выход первого сумматора подключен ко вторым входам второго и третьего сумматоров.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4.
На фиг.1 представлена модель весового транспортера консольного типа с неподвижной опорой со стороны загрузки материала.
На фиг.2 представлена модель весового транспортера консольного типа с неподвижной опорой со стороны сброса материала.
На фиг.3 представлена модель весового транспортера, двумя концами опирающегося на преобразователи силы.
На фиг.4 представлена структурная схема устройства для определения расхода массы сыпучего материала с весовым транспортером, двумя концами опирающимся на преобразователи силы.
Сущность предлагаемого способа определения расхода массы сыпучего материала заключается в осуществлении последовательности операций (алгоритма) для реализации выражений
1
2
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
представляющих собой мгновенные производительности на входном - Q(0,t) и выходном - Q(0,t-τ) локальных сечениях весового транспортера, где F(t) и F(t) - величины усилий, действующих на преобразователи силы, установленные на входе и на выходе весового транспортера,
и
- скорости изменения этих усилий, τ - время пребывания материала на весовом транспортере.
Для получения вышеуказанных аналитических выражений воспользуемся принципом суперпозиции двух моделей весовых транспортеров консольного типа:
- с неподвижной опорой со стороны загрузки материала (фиг.1);
- с неподвижной опорой со стороны сброса материала (фиг.2).
1
Из условия равновесия весового транспортера консольного типа с неподвижной опорой со стороны загрузки материала (фиг.1) величина усилия F(t), действующего на преобразователь силы в момент времени t, определяется с помощью выражения
где P(x,t) - линейная плотность материала в любом сечении х весового транспортера в любой момент времени t;
L=vτ - длина весового транспортера, v=Const - скорость движения ленты, τ - время пребывания материала на весовом транспортере.
При постоянной скорости движения ленты транспортера для любого промежутка времени Θ имеет место равенство P(x,t)=Р(х+vΘ,t+Θ), которое при Θ=-t примет вид
Это означает, что, двигаясь с постоянной скоростью v и за время t проходя расстояние vt, линейная плотность материала в сечении х останется равной линейной плотности в сечении (х-vt), которая была t время назад.
С учетом выражения (2) формула (1) примет вид
1
Определим производную первого порядка F (t) по t.
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>t</mi><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>−</mo><mi>v</mi><mi>t</mi><mn>,0</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>x</mi><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>−</mo><mi>v</mi><mi>t</mi><mn>,0</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>V</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Учитывая, что
и L=vτ, для
получим:
Воспользуемся формулой интегрирования по частям:
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где u=х, q=Р(х-vt,0). При этом для
получим
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
С учетом того, что согласно выражению (2) имеет место равенство P(vτ-vt,0)=P(0,t-τ), выражение
примет вид
А теперь определим производную первого порядка измеряемого усилия для модели весового транспортера консольного типа с неподвижной опорой со стороны сброса материала (фиг.2).
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Из условия равновесия весового транспортера величина усилия
, действующая на преобразователь силы, определяется по формуле
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
После проведения аналогичных операций с той же последовательностью для производного первого порядка усилия
получим
Суммируя обе части выражений (3) и (4), по принципу суперпозиции, для модели весового транспортера с двумя преобразователями силы (фиг.3), установленными на входе и на выходе транспортера, получим
где P(0,t) - значение линейной плотности материала на входном локальном сечении (х=0) транспортера в текущий момент времени t;
P(0,t-τ) - значение линейной плотности материала на входном локальном сечении (х=0) в момент времени (t-τ) или на выходном локальном сечении (х=vt) в текущий момент времени t.
Интегрируя выражение (5) по времени для суммарного значения усилия, действующего на преобразователи силы, установленные на входе и на выходе весового транспортера, получим выражение
1
2
С другой стороны, суммарное усилие [F(t)+F(t)] представляет собой интегральную массу материала на весовом транспортере в момент времени t и выражается формулой
Из выражений (6) и (7) следует, что
С учетом равенства 8) выражения (3) и (4) скорости изменения усилий для двух моделей весовых транспортеров консольного типа примут вид
Поскольку произведение линейной плотности и скорости движения материала в любом локальном сечении транспортера представляет собой массу материала, проходящего через это сечение в единицу времени, т.е. производительность потока в данном локальном сечении, то выражения (5), (9) и (10) можно записать в виде
где Q(0,t) и Q(0,t-τ) представляют собой значения производительности на входе и на выходе транспортера в текущий момент времени t.
Полученные выражения представляют собой математические модели преобразователей массового расхода с ленточным весовым транспортером консольного типа с неподвижной опорой со стороны загрузки (12) и сброса (13) материала и с весовым транспортером, двумя концами опирающимся на преобразователи силы (11).
Вставляя значение [Q(0,t)-Q(0,t-τ)] из выражения (11) в выражения (12) и (13) для модели весового транспортера с двумя концами, опирающегося на преобразователи силы, получим выражения
Полученные аналитическим путем математические модели преобразователей массового расхода позволяют проектировать весодозирующие системы непрерывного действия на базе ленточных весовых транспортеров абсолютно без методической погрешности определения производительности системы.
Другие модели преобразователей массового расхода, отличающиеся от полученных, позволяют лишь приближенно определить расход массы сыпучего материала, т.е. они заведомо допускают методическую погрешность при определении параметров производительности или линейной плотности потока сыпучего материала.
Задача устройства, осуществляющего предлагаемый способ определения расхода массы сыпучего материала, заключается в технической реализации выражений (14) и (15).
На фиг.4 представлена структурная схема устройства для определения расхода массы сыпучего материала с весовым транспортером, двумя концами опирающимся на преобразователи силы.
Устройство состоит из ленточного весового транспортера 1, силоизмерительных преобразователей 2 и 3, установленных на входе и на выходе измерительного участка транспортера, дифференциаторов 4 и 6, сумматоров 5, 8, 9 и инвертора 7, при этом выходы первого - со стороны поступления материала на весовой транспортер, и второго - со стороны сброса материала с весового транспортера, преобразователей силы подключены к входам первого и второго дифференциаторов соответственно и к входам первого сумматора, выход которого соединен с первыми входами второго и третьего сумматоров, причем выход первого дифференциатора через инвертор подключен ко второму входу второго сумматора, а выход второго дифференциатора подключен ко второму входу третьего сумматора.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
2
1
2
1
2
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
-1
-1
Электрические сигналы F(t) и F(t) от преобразователей силы 2 и 3, пропорциональные механическим усилиям, действующим под тяжестью  массы движущегося по весовому транспортеру 1 сыпучего материала, поступают одновременно на входы дифференциаторов 4 и 6 соответственно и на входы сумматора 5. При этом на выходах дифференциаторов получаются сигналы
и
, представляющие собой скорости изменения сигналов усилий
и
соответственно, а на выходе сумматора 5 получается сумма сигналов усилий [F(t)+F(t)], умноженная на коэффициент τ, где τ - время пребывания материала на весовом транспортере, т.е. - сигнал τ[F(t) и F(t)]. Этот сигнал поступает на первые входы сумматоров 8 и 9, на вторые входы которых поступают инвертированный с помощью инвертора 7 сигнал - F'(t) и сигнал F'(t) с выхода дифференциатора 6. В результате на выходе сумматора 8 получится сигнал
представляющий собой мгновенную производительность на выходном локальном сечении весового транспортера в момент времени t, а на выходе сумматора 9 - сигнал
представляющий собой мгновенную производительность на входном локальном сечении весового транспортера в момент времени t.
Интегрируя любой из этих выражений по времени с помощью интегратора, можно получить суммарную массу прошедшего через весовой транспортер материала.
В результате, предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность определения расхода массы сыпучего материала, за счет исключения методической погрешности определения производительности системы, имеющей место в прототипе и в других аналогичных технических решениях, а также существенно сократить объем применяемых технических средств по сравнению с прототипом, а именно вместо элемента постоянного запаздывания, двух сумматоров и интегратора, в его состав введен всего лишь один инвертор.
В случае применения предлагаемого устройства в составе дозатора непрерывного действия, при организации обратной связи для регулирования производительности питателя сыпучего материала, с целью исключения влияния транспортного запаздывания τ на результат дозирования, необходимо пользоваться сигналом Q(0,t), представляющим собой производительность непосредственно на входе весового транспортера (или на выходе питателя сыпучего материала). Это обстоятельство дает возможность быстро реагировать на отклонения производительности системы от заданного уровня. А при использовании сигнала Q(0,t-τ) для этой цели, информация об изменении производительности на выходе питателя сыпучего материала будет обнаружена лишь через время τ, что окажет отрицательное влияние на точность дозирования. Поэтому при применении предлагаемого устройства в составе дозаторов непрерывного действия рекомендуется пользоваться выражением (15) с выходным сигналом Q(0,t).
А для определения суммарной массы материала, прошедшего через весовой транспортер, не имеет значения, какой из этих двух сигналов Q(0,t) или Q(0,t-τ) используется для интегрирования по времени.