Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Tříosý snímač tlaků v sypkých hmotách

číslo 6/2005

Tříosý snímač tlaků v sypkých hmotách

V Institutu dopravy Fakulty strojní VŠB-TU Ostrava byl v rámci grantové podpory vyvinut tříosý tenzometrický snímač pro prostorové (3D) zkoumání tlakových poměrů (mechanického napětí) především v sypkých hmotách. Základem jeho moderní konstrukce jsou vlastní poznatky a zkušenosti řešitelů a informace čerpané z literatury, a to i nejnovější. Při vývoji snímače a jeho elektronických obvodů byly použity nejmodernější dostupné prostředky, včetně simulačních. Prototyp snímače byl úspěšně ověřen se vzorky různých sypkých hmot v laboratoři.

V článku jsou shrnuty důvody, které vedly k vývoji tříosého snímače tlaků v sypkých materiálech. Dále je popsáno jeho uspořádání, jsou zmíněny výsledky laboratorních zkoušek a naznačeny možnosti použití a dalšího rozvoje přístroje.

Potřeba prostorového měření tlaku

Při dopravě a skladování sypkých látek a manipulaci s nimi, zejména při plnění a vyprazdňování sil, zásobníků a nádrží, dochází k různým nežádoucím jevům – tzv. komínování, vzniku oblouků a kleneb apod. – zapříčiňujícím poruchy v plynulosti toku látky. Tyto jevy ve skladovacích a manipulačních systémech jsou také důsledkem podmínek při skladování, vlivů okolního prostředí, konstrukce skladovacího zařízení apod. Jejich hlavní příčinou jsou ale přirozené různorodé a značně proměnné, většinou těžko předvídatelné vlastnosti sypkých hmot. Jde o vlastnosti mechanicko-fyzikální (smyková pevnost, úhel vnitřního tření, počáteční smykové napětí, tokový faktor apod. [2]), geometrické (rozdělení částic látky podle velikosti, jejich tvar, pórovitost apod.) anebo činitele mezičásticové povahy, u kterých všeobecně platí, že čím menší částice, tím je jejich vliv větší (elektrostatické a kapilární síly, van der Waalsovy síly apod.).

V současné době neexistují prostředky schopné přesně určit místo a dobu možného výskytu uvedených poruch. Odhadnout místa, kde by mohly poruchy vznikat, a navrhnout opatření ke zmenšení rizika vzniku ve skladovacím zařízení lze zpravidla jen na základě předchozích zkušeností. V minulosti, kdy se při centrálním plánování vytvářely dlouhodobé harmonogramy využití skladovacích zařízení, a proto bylo možné nastavit dlouhé doby skladování, nebyly problémy s vyprazdňováním tak kritické. V současné době je ovšem třeba pružně reagovat na poptávku po různých druzích vyráběných a skladovaných hmot, a tudíž skladovací zařízení využívat daleko dynamičtěji. Problémy se sypkostí uložených látek se přitom řeší přídavnými zařízeními instalovanými po obvodu pláště skladovacího zařízení (vibrační polštáře, vzduchová děla apod.), která do systému dodávají energii potřebnou k zajištění sypkého stavu uložené látky.

Současně jsou zkoumány možnosti, jak odstranit nežádoucí vlastnosti sypkých materiálů jejich povrchovou úpravou látkami zlepšujícími tokové vlastnosti, granulací nebo přidáváním speciálních činidel zabraňujících spékání ještě před samotnou dopravou, manipulací a skladováním [6]. Tyto látky a procesy sice zásadně zlepšují tokové vlastnosti skladovaných látek, současně je však kontaminují a často neúměrně zvyšují cenu konečného produktu. Proto se opět přistupuje k hledání indikátorů změn vektorů napětí v sypkých látkách uložených ve skladovacích zařízeních.

Současné komerčně dostupné indikátory – snímače napětí (tlaku) – pracují v rovinném režimu (2D) a měří napětí v plášti zásobníku (sila) ve zvolených místech na jeho obvodu. Výchozím předpokladem jejich použití je vysoký stupeň korelace mezi tlaky (tlakovými pulsy) ve skladované sypké látce a napětím ve stěně zásobníku v místě, kde je měřeno. Tento předpoklad je ovšem, v důsledku dosti nahodilého chování sypkých látek v zásobnících, zřídkakdy dostatečně naplněn. Výsledky měření mechanického napětí ve stěně zásobníku tedy velmi často neodrážejí skutečný vnitřní stav látky v (problematickém místě) zásobníku.

Obr. 1.

Obr. 1. a) Krychlová konstrukce tříosého snímače tlaku v sypkých látkách (délka hrany krychle je 150 mm); b) Funkce snímače tlaku v sypkých hmotách

K tomu, aby bylo možné podrobně zkoumat, najít a následně odstranit příčiny poruch chování sypkých materiálů v zásobnících, je třeba sledovat napětí (tlak) v dané látce v kritických místech zásobníku. K tomu byl ve zmíněném Institutu dopravy ve spolupráci s pracovníky katedry měřicí a řídicí techniky Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB-TU Ostrava navržen, vyroben a vyzkoušen tříosý snímač tlaku především v sypkých látkách [5], [6], [7], [8]. Sestavený snímač, ve spojení s vhodným softwarem pro PC, umožňuje kontinuálně měřit a pro další rozbor zaznamenávat skutečné okamžité normálové složky vektoru tlaku kdekoliv přímo uvnitř sypké látky povahy prášku nebo granulátu, popř. i v tekutině, a jeho změny v čase. Změny vektoru tlaku v kritickém místě zásobníku jsou tím správným indikátorem vzniku poruch v toku skladované látky.

Konstrukce snímače

Po konstrukční stránce vychází nový snímač z předchozích přístrojů zkonstruovaných pro potřeby oborů mechanika půdy, stavebnictví, zpracování prášků apod. při volné inspiraci novými trendy ovlivňujícími obor určování vlastností sypkých látek (prášků, granulátů) v posledních deseti letech. Okrajově byly vzaty v úvahu přístroje vyráběné v Japonsku a ve Velké Británii v posledních pěti letech a také zcela nová idea zatím nerealizovaného tříosého snímače tlaku [9].

Výsledkem vývojových prací je snímač originální prostorové konstrukce s jedinečným umístěním elektroniky přímo v těle snímače, který bezezbytku vyhovuje požadavkům praxe na kompaktnost, mobilitu apod. zařízení tohoto druhu (obr. 1a).

Ke snímání složek vektoru tlaku s1, s2, s3 sypké hmoty kolmých k bočním plochám krychlového tělesa snímače (obr. 1b) má snímač celkem čtyři deformační čela s tenzometry, tj. čtyři měřicí kanály. Průhyb každého z čel je měřen tenzometrickou růžicí se čtyřmi aktivními tenzometry zapojenými do plného můstku. Čela jsou v tělese snímače utěsněna silikonovou těsnicí hmotou. Předpokládá se, že jeden z měřicích kanálů bude využíván ke kontrole.

Obr. 2.

Obr. 2. Blokové schéma elektrické části snímače s vyhodnocovacím řetězcem použitým při ověřování snímače v laboratoři (TM – tenzometrický můstek)

K zesílení milivoltových výstupních napětí z tenzometrických můstků na úroveň voltů, potřebnou pro jeho spolehlivý přenos, byl navržen přesný čtyřkanálový zesilovač na bázi integrovaných měřicích zesilovačů Analog Device AD524C, zvolených pro jejich malou závislost na teplotě, velké zesílení, velmi malé zkreslení atd. Navržený zesilovač má prvky pro nulování vstupního ofsetu jednotlivých kanálů a zesílení pevně nastavené na hodnotu 1 000; to zajišťuje dostatečnou úroveň signálu pro A/D převodník měřicí karty s rozlišením 12 bitů.

Pro napájení tenzometrických můstků a měřicího zesilovače byl navržen zdroj vnitřního symetrického stabilizovaného napětí napájený z vnějšího zdroje napětí 24 V DC.

Deska plošných spojů zesilovače i vnitřního napájecího zdroje jsou stejné velikosti a jsou umístěny ve stínicích krabičkách uložených přímo v těle snímače.

Funkce snímače a její ověření v laboratoři

Při umístění v sypké hmotě v zásobníku je snímač jakoby částicí sypké hmoty vystavenou mechanickému napětí existujícímu v sypké hmotě v daném místě v zásobníku. Složky uvedeného mechanického napětí se projevují jako tlakové síly na stěny tělesa (čela) snímače. Tenzometrický měřicí systém převede tyto síly na elektrický signál k dalšímu zpracování. Při známých kalibračních křivkách jednotlivých měřicích kanálů lze, při použití vhodného záznamového a vyhodnocovacího řetězce, z výstupního signálu zpětně stanovit okamžité hodnoty složek mechanického napětí (tlaku) v sypké látce, jejich časové průběhy atd.

Obr. 3.

Obr. 3. Snímač tlaku v laboratorním modelu zásobníku sypkých látek při zkouškách funkce s granulátem Bralen (zdroj: laboratoř sypkých hmot VŠB-TU Ostrava)

Při laboratorním ověřování vlastností snímače tlaku v sypkých látkách byl ke zpracování měřicích signálů ze snímače použit vyhodnocovací systém tvořený PC s měřicí kartou PCI-6023E od firmy National Instruments a softwarem Comnes DAQ od firmy Consymea, spol. s r. o. (obr. 2). Tento vyhodnocovací systém umožňuje měřit vstupní napětí s přesností asi 0,001 V (tj. asi 1 Pa vyjádřeno jako tlak na deformační čelo snímače).

Schopnost snímače plnit určenou funkci byla ověřována v laboratoři sypkých hmot VŠB-TU Ostrava simulací skutečného provozu při použití modelu zásobníku sypkých hmot s prosklenými stěnami (obr. 3). Při umísťování snímače do těla zásobníku je vždy nutné, v laboratoři i ve skutečném provozu, zajistit přesnou orientaci souřadnicového systému snímače se zvoleným kartézským souřadnicovým systémem zásobníku.

Postupně se měřilo se třemi vybranými materiály s různými mechanicko-fyzikálními a geometrickými vlastnostmi: štěrkem, mramorovou drtí a granulátem značky Bralen. Zkoušky provedené s materiálem Bralen jsou, jako nejreprezentativnější, v dalším textu stručně popsány a diskutovány.

Zkoušky s granulátem Bralen

Látka značky Bralen je vysokomolekulární polyethylen se specifickým řetězením molekul. Vyznačuje se sypnou hustotou rs = 450 kg·m–3 (měrná hmotnost je rp = 919 kg·m–3). Jde o produkt uměle vytvořený z ropných derivátů (výrobce Slovnaft, SR) a dodávaný v granulované formě jako polotovar pro další zpracování. Granule mají shodný tvar podoby válečku téměř jednotných rozměrů (tj. s velmi malým rozptylem od jmenovité střední hodnoty).

Obr. 4.

Obr. 4. Příklad záznamu časového průběhu svislé a vodorovných složek tlaku při postupném plynulém zasypávání tříosého snímače tlaku granulemi materiálu Bralen

Ukázka průběhu tlaků (napětí) naměřených ve směrech hlavních souřadnicových os při zasypávání tříosého snímače v laboratorním zásobníku granulátem Bralen je na obr. 4. Na obr. 5 jsou výsledky získané měřením porovnány s hodnotami získanými na základě uznávané Rankineovy [4] a Janssenovy [3] teorie.

Diskuse výsledků zkoušek

Porovnání teoretických hodnot získaných výpočtem podle Rankinea [4] a Janssena [3] s hodnotami napětí naměřenými ověřovaným snímačem (obr. 5) ukazuje na relativně dobrou shodu experimentálně získaných výsledků s teorií, zejména [4].

Rankineova teorie sice dostatečně nezohledňuje vliv geometrie zásobníku – zejména u zásobníků s výškou H Ł (8 až 10) R, kde R je hydraulický poloměr výpustného otvoru – a vliv mechanicko-fyzikálních vlastností skladovaných hmot (koeficient sypnosti, úhel vnitřního tření) jako Janssenova teorie [3], zato však teorie lépe vystihuje chování uměle vyráběných granulovaných sypkých hmot. Ani jedna z obou teorií nebere v potaz další velmi podstatné parametry, jako jsou např. geometrické vlastnosti sypkých hmot (tj. rozdělení částic podle velikosti a tvaru), vlivy okolního prostředí (vlhkost, teplota), kontaktní elektrostatické jevy apod.

Obr. 5.

Obr. 5. Porovnání naměřených hodnot složek tlaku v zásobníku s granulátem Bralen s teoretickými hodnotami podle Rankinea [4] a Janssena [3] (zdroj: [6])

Dobré výsledky poskytuje Rankineova teorie [4] především u lehce a dobře tekoucích sypkých hmot a granulovaných hmot, kdy sypká hmota má tendenci téct samovolně, v podstatě jako tekutina, a předpokládá se rovnoměrné šíření tlaků (napětí) v sypké hmotě bez uvažování třecích účinků částic. Toto je tedy přibližně oblast, ve které lze očekávat uspokojivé výsledky od navrženého tříosého snímače tlaků v sypkých látkách [5], [6].

Závěr

V příspěvku je popsána konstrukce nově vyvinutého tenzometrického tříosého snímače napětí (tlaků) v sypkých hmotách (prášcích, granulátech), popř. v kapalinách. Popsaný snímač, ve spojení s vhodným vyhodnocovacím zařízením, umožňuje kompletně určit stav prostorové mechanické napjatosti v sypké hmotě v aktuálním místě v zásobníku. Jak ukázaly laboratorní zkoušky funkceschopnosti snímače provedené s granulovaným materiálem Bralen, jsou výsledky získané s použitím navrženého snímače v dobrém souladu s výpočty provedenými podle Rankineovy teorie [4]. Přístroj se tudíž může uplatnit při sledování poruch provázejících pohyby určité třídy sypkých látek, především granulátů, v zásobnících a při odhalování a odstraňování jejich příčin a také např. jako standard při vyšetřování tekutosti sypkých hmot prostřednictvím Jenikeho smykových zkoušek.

V budoucnu by zařízení popsaného typu mohlo nahradit některé již zastaralé přístroje používané při zkoumání napjatosti v sypkých látkách zdlouhavým a namáhavým měřením na základě nyní již překonaných statických teorií [1], [2]. Tak by mohlo pomoci při řešení problémů s tečením sypkých látek často se vyskytujících ve skladovacích a dopravních systémech v průmyslových podnicích. Otevřená zatím zůstává otázka dalšího vývoje realizovaného prototypu, a tím možného širšího komerčního využití přístroje.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl v rámci grantu GAČR 101/03/D039 a interního projektu realizovaného na VŠB-TU Ostrava pod označením MTVC LN00B029. Popsaná měření byla provedena za podpory laboratoře sypkých hmot Institutu dopravy Fakulty strojní VŠB-TU Ostrava, vedené doc. Ing. Jiřím Zegzulkou, CSc.

Literatura:
[1] ARTUR, J. R. F. – MENZIES, B. K.: Inherent anisotropy in a sand. Géotechnigue, 1972, roč. 22, s. 115–128.
[2] FEDA, J.: Základy mechaniky partikulárních hmot. Academia, Praha, 1977, ISBN 507-21-857.
[3] JANSSEN, H. A.: Versuche uber Getreidedruck in Silozellen. Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, 1895, p. 1045-1049.
[4] RANKINE, W. J. M.: A Manual of Civil Engineering. 5th edition, Griffin, TE. R. Gerstein Library, London, 1867.
[5] SLÍVA, A.: The 3Dimensional Indicator for a Silo Stress/Pressure Measurement. In: iCEER 2004, VŠB-TU Ostrava, 2004, CD, s. 763–768, ISSN 1562-3580.
[6] SLÍVA, A.: Sledování napěťového stavu sypké hmoty pomocí 3Dimenzionálního (tříosového) snímače. ES Ostrava, Fakulta strojní VŠB-TU Ostrava, 2004, ISBN 80-248-0629-0.
[7] SLÍVA, A. – ZEGZULKA, J. – POLÁK, J: New Method of a Silo Stress/Pressure Observation using the 3Dimensional Indicator. In: iCEER 2004, VŠB-TU Ostrava, 2004, CD, s. 769–771, ISSN 1562-3580.
[9] SLÍVA, A. – ZEGZULKA, J.: 3Dimensional Indicator for a Silo Stress/Pressure Observation. In: Chisa 2004, Praha, ISBN 80-86059-40-5.
[10] JOHANSSON, K.: Processing: Gas Phase, How to Use Flox Properties. In: Particle Science Summer School in Winter, University of Florida, Gainesville, USA, 2003.

Ing. Aleš Slíva, Ph.D.,
laboratoř sypkých hmot, Institut dopravy,
Fakulta strojní, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
(ales.sliva@vsb.cz)

Ing. Aleš Oujezdský
(ales.oujezdsky@vsb.cz),
Ing. Lukáš Martinák
(lukas.martinak@vsb.cz),
katedra měřicí a řídicí techniky, Fakulta elektrotechniky a informatiky,
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava