Средства измерения объёма (массы) зерна в силосах элеваторов

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Средства измерения объёма (массы) зерна в силосах элеваторов

Лоозе В.В.,

Гаврилов А.В.,

Белецкий С.Л.



Аннотация

Излагается проблема оперативного измерения массы зерна в силосах элеваторов и основные принципы и средства измерений, которые могут быть применены для решения данного вопроса.

Ключевые слова: зерно, элеватор, силос, объём зерна, измерение, средства измерений.



Введение

В соответствии со стандартом Росрезерва “О порядке и условиях поставки, закладки, хранения и выпуска зерна государственного резерва” (СТО Росрезерв 00034482 005-2012) определение массы хранящегося зерна производится методом перевешивания всего зерна, находящегося в определенных емкостях. Такой метод длителен, энергозатратен, снижает ресурс оборудования элеваторов, увеличивает естественную убыль зерна. Существующие методы измерения уровня насыпи зерна с последующим простым пересчетом в массу обладают большой погрешностью, так как не учитывают точной геометрии силосной емкости, угла естественного откоса, коэффициента слёживаемости и других физических свойств зерна и хранилищ, которые в значительной степени влияют на достоверность определение массы хранящейся партии. В связи с этим, разработка или выбор имеющихся средств измерения объёма (массы) зерна в силосах элеваторов при его хранении без перемещения зерна достаточно актуально.

В промышленном производстве в настоящее время существует разнообразный ряд технических средств, решающих задачу измерения и контроля уровня сыпучих объектов. Тем не менее, подобный контроль только уровня, уже не в полной мере удовлетворяет возросшим требованиям к учёту сыпучих объектов хранения. При использовании современных методов измерений и соответствующего оборудования, а также устройств передачи данных, стало возможным контролировать объём, наличие зерна и его массу дистанционно. К таким методам относится 3D сканирование (акустическое, лазерное), а также использование ёмкостных датчиков уровня и температуры.

Характеристики сыпучих материалов отличаются от характеристик жидкостей, поэтому при измерении методами 3D сканирования необходимо принимать во внимание некоторые особенности. Следует отметить наиболее важные:

1. Неровная поверхность. Большинство технологий измерения уровня и/или объема сыпучих материалов основаны на измерении сверху вниз, причем измерительное устройство принимает сигнал, отраженный от поверхности. Измерительное устройство при этом собирает несколько слабых отраженных сигналов, сосредоточенных в некоторой области, и объединяет их в один сигнал, представляющий собой среднее значение для измеряемой области. Акустические трехмерные сканеры сыпучих материалов нечувствительны к неровности поверхности, поскольку они осуществляют измерения на больших площадях и рассчитывают средние значения уровня и объема.

2. Диэлектрические свойства и объемная плотность. Многие из сыпучих материалов имеют достаточно низкую диэлектрическую проницаемость. Акустические трехмерные сканеры сыпучих материалов нечувствительны к диэлектрическим свойствам, но чувствительны к объемной плотности. Акустический сигнал может быть поглощен измеряемым материалом, если его объемная плотность очень низкая.

3. Загрузка. Для большинства технологий измерения имеет значение место установки устройства относительно места загрузки. Чем ближе измерительное устройство расположено к месту загрузки, тем сильнее влияние на устройство. В некоторых ситуациях материал вдувается в бункер через пневматическую линию. В силу особенностей акустической технологии, при таком заполнении бункера качество измерений может снизиться, однако этот эффект уменьшается с увеличением размеров бункера. Пыль и пар, сопровождающие процесс загрузки, также могут существенно влиять на качество измерений, поэтому рекомендуется располагать сканирующие устройства в соответствии с рекомендациями, описанными в настоящей технической заметке.

4. Пыль. В ходе цикла загрузки сыпучего продукта образуется много пыли. Количество пыли зависит от способа загрузки и от продукта. Акустические устройства достаточно эффективно справляются с наличием пыли в паровоздушном пространстве, сохраняя точность измерений. Устройства на основе других технологий, например, лазерные устройства, менее приспособлены для таких ситуаций, поскольку пыль существенно влияет на качество их сигнала. Толстый слой пыли на антенне может блокировать сигнал. В случае акустических трехмерных сканеров естественные вибрации, вызываемые акустическим сигналом, предотвращают накопление сухой пыли на поверхности. В ситуациях, когда пыль очень липкая, могут потребоваться дополнительные меры, например, использование антенн из материалов, не допускающих налипания.

5. Конденсация. Во многих случаях при работе с сыпучими материалами имеет место конденсация. Конденсация образуется в верхней части бункера, поскольку эта область, как правило, самая холодная. К сожалению, именно там располагаются все измерительные устройства, работающие по принципу «сверху-вниз». Конденсация может также способствовать связыванию пыли и формированию слоя пыли на влажных деталях, что может привести к появлению проблем, если не принять надлежащих мер. Акустические трехмерные сканеры сыпучих материалов оснащены функцией самоочистки, которая снижает потребность в обслуживании.

6. Шум. Многие бункеры, предназначенные для хранения сыпучих материалов, расположены в среде с высоким уровнем шума. Источниками шума могут быть работающие двигатели, ленты конвейеров; шум также издают сыпучие материалы при загрузке/выгрузке. Акустический сканер подвержен влиянию шумов на следующих частотах: 2,7 кГц, 3,4 кГц и 7 кГц. Однако очень редко случается, что помехи возникают на всех трех частотах одновременно. В то же время, сканер может работать, даже если хороший сигнал отсутствует на двух частотах. Кроме того, отрицательное влияние шума можно частично устранить, изменив расположение сканера или, возможно, его конфигурацию.



Измерение объема сыпучих материалов

Измерение объема часто связано с управлением запасами, такие измерительные приборы часто напрямую подключаются к системам планирования ресурсов предприятия. Поэтому к устройствам предъявляются повышенные требования по точности показаний объема. При измерении объема сыпучих материалов часто сталкиваются с проблемами, связанными со свойствами материалов. Поверхность, как правило, является очень неровной, на ней могут быть высокие пики и глубокие провалы. В этом случае рекомендуется использование систем многозонных измерений, в качестве альтернативы можно установить несколько устройств и использовать усредненное значение их показаний в качестве значения измеренного объема. Использование одного устройства для измерения уровня часто ведет к низкой точности показаний и использованию оценочных значений объема, поскольку объем будет определяться по данным, полученным с небольшого участка поверхности, рисунок 1, 2.

Рис. 1. Неточности измерения акустическим трехмерным сканером сыпучих материалов

Рис. 2. Неточности измерения бесконтактным измерителем

Принцип работы 3D сканера

При помощи 3D сканера выполняется детальное исследование поверхности физических объектов, после чего воссоздаются их точные модели в цифровом формате. Современные 3D сканеры могут быть стационарными или мобильными. В качестве подсветки применяется лазер или особая лампа (их использование увеличивает точность измерений).

Рис. 3. Технология сканирования

Принцип работы 3D сканера определяется технологией сканирования. При помощи подсветки и встроенных камер аппарат измеряет расстояние до объекта с разных ракурсов. Затем сопоставляются картинки, передаваемые камерами, рисунок 3. После тщательного анализа всех полученных данных, на экране отображается готовая цифровая трехмерная модель. Если устройство 3D сканера основано на работе лазерного луча, то с его помощью измеряются расстояния в заданных точках. На основе этих сведений выводятся координаты. [1]

Методы 3D сканирования

Различают два метода объемного сканирования - контактный и бесконтактный.

Контактный 3D сканер работает «на ощупь». Прибором обводят предмет, при этом специальным щупом исследуют каждую грань. Раньше на исследуемый объект наносили точки-маркеры, формирующие систему координат. На участках с большим изгибом расстояние между точками делалось минимальным, на ровных плоскостях - максимальным. Сканер снимал координаты точек - из них формировал 3D модель. Современные приборы обходятся без нанесения физической сетки.

Контактное сканирование не зависит от условий освещения. Работе с устройством легко научиться. Но есть ряд недостатков: сканер не различает текстуры, а для обработки большого предмета придется «изрядно попотеть» с прибором в руках.

Бесконтактный метод трехмерного сканирования делится на два подвида: активный и пассивный. Приборы для активного 3D сканирования используют ультразвук, направленный источник света, лазер или рентгеновские лучи для облучения исследуемого объекта - прибор высчитывает время возврата «сигнала», формируя систему координат из точек соприкосновения с предметом и расстоянием до сканера. Оператор под разными углами сканирует объект, а ПО объединяет большое количество отдельных снимков воедино.

Пассивный 3D сканер - это всё та же цифровая видеокамера, которая снимает исследуемый предмет под разными углами, улавливая его силуэт. Работает только на высококонтрастном фоне и при хорошем освещении. Отснятый материал обрабатывается ПО и сводится в 3D модель для печати на принтере или обработке в CAD-системах.

Принцип работы лазерного 3D сканирования

В отличие от замеров объёмов хранения сыпучих материалов посредством тахеометров или лазерных дальномеров, технология 3D сканирования позволяет детально, с шагом до единиц миллиметров, обмерить и отразить форму насыпи или поверхности кучи материала на складе. Такая детальность обмеров лазерным сканером позволяет получить точность обмеров, не достижимую при применении любой другой существующей технологии замера объёма сыпучих материалов. Высокая скорость работы сканера, составляющая десятки и сотни тысяч измерений в секунду, и современное программное обеспечение для обработки полученных результатов лазерного сканирования позволяют в сжатые сроки провести обмеры сыпучих материалов и вычислить объёмы с погрешностью до 1%.

В основе сканирования с помощью лазеров лежит метод триангуляции. Это прибор с активным сканированием. Он использует лазерные лучи, проецируя его на объект, рисунок 4. Лазер обрабатывает поверхность объекта, его точки фиксируются на разных его частях. Камера фиксирует лазерные точки на нем, угол смещения лазерного луча и передает данные на компьютер с соответствующим программным обеспечением, которое формирует объект в цифровом виде.

Рис. 4. Принцип работы датчика лазерной триангуляции. Показано две позиции объекта

Технология сканирования называется «триангуляцией», так как в работе задействован треугольник функциональных элементов устройства: точка лазера на предмете, его излучатель, камера. В большинстве случаев точка формируется лазерной полосой или пятном, проходящим по поверхности предмета. [2]

Производителями лазерных 3D сканеров являются преимущественно иностранные компании.

дистанционный автоматизированный объем зерно элеватор

Приборы определения объёма и массы зерна с использованием лазерного 3D сканирования

Программно-аппаратный комплекс измерения объёма сыпучего материала (ПАК ИО) Производитель: ПРИН-СПб, Россия Модель: ПАК ИО

Устройство используется для быстрого и точного определения объема сыпучих материалов на открытых и закрытых складах, цехах ГОК и фабриках, инвентаризации складов кокса, негашёной извести, руды, шихты, зерна и т.п., рисунок 5, 6.

Рис. 5 Комплект поставки комплекс измерения объёма сыпучего материала (ПАК ИО)

Технические характеристики

1. Дальность измерения расстояния лазерами: до 150 м, точность - 17 мм(1б).

2. Шаг измерения угла сканером: 0.01 град на скорости вращения 1 об/сек и 0.1 град на скорости 10 об/сек.

3. Разрешающая способность: до 10 мм.

5. Точность работы ПАК ИО: менее 2% от измеряемого объёма (практика испытаний и измерений).

6. Питание: от 10 до 16 в ( штатное 12 в от АБ 7Ач или 220 в 50 гц.), потребляемая мощность - 14.2 вт (сканер не вращается), 50 вт (вращение - 10 Гц), 67 вт (до 1 сек при переходе с 1 гц на 10 гц).

7. Время измерений определяется скоростью движения крана.

8. МГХ (измерительный блок): 9.7 кг , 38 см х 30 см х 23 см.

9. Корпус пыле и влагозащищённый по IP65.

10. Диапазон рабочих температур: от "- 30 С до + 60 С" (проверено на практике)

11. Лазер невидимый, безопасный, класса 1.

Рис. 6. Реальное и 3D изображение

Лазерный сканер FARO® Laser Scanner FocusM70

FARO Laser Scanner FocusM70 сканирует объекты на расстоянии до 70 м, обеспечивая при этом точность ±3 мм. Улучшенная встроенная камера, позволяет получать качественные HDR фотоизображения, обеспечивая естественную цветопередачу, даже в условиях со сложным освещением, рисунок 6, 7.

Сканер поставляется вместе с программным обеспечением FARO Scene, включающим всё необходимое для обработки данных лазерного сканирования.

Полученные данные 3d-сканирования могут быть импортированы во все наиболее популярные программные продукты для архитекторов, строителей и проектировщиков. [4]

Рис. 6. Внешний вид лазерного сканера FARO

Стандартный комплект поставки:

Лазерный сканер FARO FocusM70;

Гарантия 1 год;

Транспортный ударопрочный кейс;

Карта памяти SD-32Гб с футряром;

Картридер SD карты;

Зарядное устройство 220V;

Аккумулятор;

Быстросъёмный адаптер для установки на фото-штатив;

Инструкция по эксплуатации;

Программное обеспечение FARO SCENE.

Рис. 7. Комплект поставки лазерного сканера FARO



FARO® Laser Scanner FocusM70 имеет возможности по выбору параметров и режимов сканирования. Самый быстрый круговой скан выполняется за 43 секунды (разрешение 1/32 при качестве 4x). Повышенная плотность применяется, если необходимо получить высокую детальность объекта (сколы, трещины, микроэлементы и т.п.), соответственно это увеличивает и время сканирования. Например, при разрешении 1/1 и качестве 4x в круговом скане будет уже 40960*17067 точек (700 миллионов точек). В таком плотном скане на дальности от сканера в 10 метров, расстояние между точками составит всего 1,5 миллиметра, но на сканирование уйдёт 1 час 55 минут.

Технические характеристики лазерного сканера FARO Focus M70

Дальность измерений, м: 0.6 - 700. 6 - 70 0.6 - 50;

Точность измерения расстояния: ±3 мм. Определяется как систематическая погрешность измерений на дальностях 10 и 25 м;

Скорость измерения: 122000 / 244000 / 488000 точек в секунду;

Разрешение камеры: до 165 мегапикселей в цвете;

Параллакс: отсутствует (за счёт соосного размещения);

Поле зрения (вертикальное / горизонтальное): 300° / 360°;

Угловой шаг (по вертикали / горизонтали): 0,009° (40960 3D-точек на 360°) /0,009° (40960 3D-точек на 360°);

Максимальная скорость сканирования по вертикали: 5820 оборотов в минуту (97 Гц);

Класс лазера: 1;

Длина волны / Диаметр луча на выходе / Расходимость луча: 1550 нм / 2.12 мм (1/e) / 0.3 мрад (1/e);

Управление сканером: с помощью сенсорного дисплея и по WLAN. Возможен доступ с мобильных устройств с HTML5;

Напряжение питания: 19V (внешнее) / 14.4V (от аккумулятора);

Потребляемая мощность: 15W в режиме ожидания, 25W при сканировании, 80W во время зарядки;

Время работы от батареи: до 4,5 часов;

Диапазон рабочей температуры: от 5° до 40°C;

Класс пылевлагозащиты: IP54 (влажность - без конденсата);

Вес: 4.2 кг (вместе с аккумулятором);

Габаритные размеры: 230 x 183 x 103 мм.

Система измерения объёмов ИРС-200 (опытный образец)

Отечественная разработка.

Предназначена для измерения объёмов сыпучих материалов в силосах и закрытых складах, рисунок 8.

Принцип работы ультразвукового 3D сканирования

Ультразвуковой дальномер (сканер) определяет дистанцию до объекта. Сенсор излучает кратковременный ультразвуковой сигнал, который отражается от объекта и принимается сенсором.

Система сканирования на основе платформы с 3-мя двигателями с линейным перемещением

Рис.8 Внешний вид и крепление на кровле склада лазерного сканера ИРС-200

Дистанция рассчитывается по времени до получения эха и скорости звука в воздухе. Сенсор получает сигнал эха, и выдаёт дистанцию, которая кодируется длительностью электрического сигнал на выходе датчика. Следующий импульс может быть излучён, только после исчезновения эха от предыдущего.

Ультразвуковой метод измерения координат точек объекта, позволяет сканировать черно-белые или прозрачные объекты, что невозможно для лазерных 3D сканеров. [5]

В отличие от инфракрасных дальномеров, на показания ультразвукового дальномера не влияют засветки от солнца или цвет объекта. Но могут возникнуть трудности с определением дистанции до пористых, мягких или очень тонких предметов.

Следует отметить, что ультразвуковые сканеры крайне чувствительны к различного рода шумам. Так, они могут реагировать на погодные явления, звуковые волны, создаваемые другим оборудованием, кондиционерами или светодиодными лампами

Приборы определения объёма и массы зерна с использованием ультразвукового 3D сканирования

Измеритель объема сыпучих материалов. 3DLevelScanner II.

APM Automation Solutions Ltd. Штаб-квартира: Тель-Авив, Израиль

APM 3DLevelScanner II измеряет объем, а также минимальный и максимальный уровни хранимых материалов, рисунок 9. [6]

Использует низкочастотный акустический сигнал, который проникает через пыль. Проводит измерения, основанные на скорости прохождения сигнала через твердые сыпучие или порошкообразные материалы.

Технические характеристики. Применяемые материалы

Корпус: крашеный штампованный алюминий

Смотровое окно в крышке корпуса: поликарбонат

Антенна: крашеный штампованный алюминий

Вес: 5.6 кг

Условия окружающей среды

Температура окружающей среды, хранения и транспортировки: -40…85 o C

Относительная влажность: 20…85%

Рис. 9. Внешний вид 3DLevelScanner I, схема работы ультразвукового сканера и процесс заполнения, отображаемый в программе I

Температура технологического процесса

Измеренная на входе: -40…85^oC

Вибростойкость: механическая вибрация 2g и 5…200 Hz

Панель дисплея

ЖК-экран: 4 строки x 20 знаков

Органы управления: 4 клавиши

Защита: IP67

Питание: 4-проводная схема

Для питания должен быть использован сертифицированный источник питания с двойной изоляцией между входной и выходной цепями. 4…20 мA/HART

Напряжение питания: 20…32 В пост. тока

Потребляемая мощность: максимум 4ВА; 3Вт

Защита: IP 67 в соответствии с IEC 60529

Параметры измерений

Частота: 3-10 кГц

Ширина луча с раструбной антенной: 70 градусов

Интервал: >2 с (в зависимости от настройки параметров)

Время настройки: >3 с (в зависимости от настройки параметров)

Принцип работы ёмкостных датчиков для определения наличия рабочей среды

Ёмкостные измерители строятся на основе конденсаторных преобразователей, изменяющих электрическую емкость в зависимости от степени погружения измерительного преобразователя в среду. Высокая чувствительность конденсатора позволяет емкостному датчику уровня работать с сыпучими веществами, имеющими различный уровень диэлектрической проницаемости, а также с веществами-диэлектриками Ёмкостные датчики могут применяться для непрерывного измерения уровня.

Конденсаторные преобразователи могут иметь различное конструктивное исполнение, рисунок 10. Измерительный преобразователь емкостного устройства представляет собой конденсатор, образованный несколькими электродами. Электроды могут быть стержневыми, цилиндрическими и пластинчатыми. В качестве одного из электродов может выступать металлическая стенка резервуара. [7]

Принцип работы емкостного датчика строится на фиксации изменений емкости встроенного конденсатора. Стандартно конденсатор настроен на диэлектрическую проницаемость воздуха. При попадании контролируемого вещества в чувствительную зону датчика емкость конденсатора изменяется, и происходит срабатывание датчика. Уровень фиксируется в точке срабатывания.



Рис. 10. Схема размещения ёмкостного датчика уровня

Ёмкостные уровнемеры получили широкое распространение особенно в качестве сигнализаторов из-за дешевизны, простоты обслуживания, удобства монтажа первичного преобразователя, отсутствия подвижных элементов, возможности использования в широком интервале температур и давлений. Большим достоинством таких приборов является нечувствительность к сильным магнитным полям, возможность использования в широком интервале температур (от криогенных до 500 °С) и давлений.

Система автоматизированного контроля температуры и уровня АСКТ-01

Термоподвеска предназначена для непрерывного измерения температуры и уровня сыпучих сред в элеваторах, а также напольных зернохранилищах.

Термоподвеска состоит из механически и электрически объединённых, локального контроллера и чувствительного элемента Чувствительный элемент одновременно является ёмкостным датчиком уровня, рисунок 11, 12. [8] Внутри оболочки по всей ее длине находятся электроды-обкладки измерительного конденсатора. Емкость датчика изменяется пропорционально уровню заполнения бункера за счет различия диэлектрической проницаемости воздуха и контролируемого сыпучего вещества, в которое погружен чувствительный элемент. Внутри оболочки также установлены датчики-сигнализаторы уровня, благодаря которым не требуется калибровка датчика уровня. Локальный контроллер поочередно опрашивает датчики температуры, сохраняет считанные значения и выдает их по запросу от блока управления и контроля БУК-01 через интерфейсную линию связи RS 485. Функционирование термоподвески в составе АСУ обеспечивается в комплекте со следующими техническими средствами: при работе в составе автоматизированной системы контроля температуры АСКТ-01 ЮЯИГ.421459.001:

- блоком контроля и управления БУК-01;

- блоком питания БП-240 (один на 64 термоподвески) или БП-120 (один на 32 термоподвески);

Термоподвеска ТУР-01 Блок БУК-01

Рис. 11. Внешний вид термоподвески ТУР-01 и блока контроля и управления БУК-01

Рис. 12. Мнемосхема силосов с контролируемыми параметрами

На мнемосхеме дано схематическое расположение силосов в силосных корпусах, рисунок 13. Каждому корпусу выделена отдельная страница. Переключение к нужной странице осуществляется нажатием клавиши на соответствующей закладке в верхней части мнемосхемы. Если какой-либо контролируемый параметр в силосе превышает аварийное значение, изображение данной емкости перекрашивается в красный цвет.

Температура Уровень

Рис. 13. Мнемосхема с визуализацией парка силосов

Данный тип используется для визуализации парка металлических силосов. Мнемосхема содержит панели, на которых в графическом и текстовом виде отображается информация о значениях технологических параметров (температуре или уровне). На вкладках, предназначенных для отображения температуры, термоподвески отображаются в виде градиентных диаграмм. Если обнаружено превышение температуры, по какой-либо термоподвеске, над соответствующим изображением выводится знак “!”. На вкладках, предназначенных для отображения уровня, графическое представление осуществляется при помощи гистограмм, размещенных на упрощенных изображениях силосов. Каждая гистограмма отображает информацию с одного прибора ТУР-01. Измеренное прибором значение уровня отображается в виде текста под соответствующей гистограммой.



Выводы

1. Для контроля наличия зерна в силосах элеваторов необходимо оснащение их не просто термоподвесками, а термоподвесками-уровнемерами, способными показывать наличие зерна в ёмкости хранения.

2. Можно сделать вывод о том, что подбор оптимального 3D сканера для измерения объёма и массы зерна - это сложная много критерийная задача. Изготавливаемые на сегодняшний день 3D сканеры не в полной мере соответствуют специфическим требованиям по измерению объёма и массы зерна в силосах элеваторов при длительном хранении.

Необходимо прежде всего создание программного обеспечения, учитывающего временные факторы, характеризующие изменение объёма зерновой массы в результате слёживаемости, разрушения зерновки при пересыпании и пр.

Исходя из вышеизложенного, и представленного выше оборудования согласно своим техническим характеристика, наибольший интерес представляет лазерный сканер FARO® Laser Scanner FocusM70, соответственно с разработкой специализированной оснастки и доработкой программного обеспечения.

Размещено на allbest.ru