Übersicht einer Mehrkopfwaage, Schema mit grundlegenden Parametern, Berechnung und Anwendungsbeispiel

Autor: Smartweigh– Mehrkopf-Gewichtsgerät

Die Mehrkopfwaage (Verlustgewichtsdosierer) ist ein Wiege- und Dosiergerät zur quantitativen Analyse. Sie dient der dynamischen, kontinuierlichen Wiegung von Rohstoffen, die kontinuierlich zugeführt werden müssen. Dabei werden sowohl der momentane als auch der Gesamtmaterialfluss angezeigt. Im Prinzip handelt es sich um ein statisches Wiegesystem, das die Wiegetechnologie einer statischen Behälterwaage nutzt und den Behälter mittels eines Wiegesensors wiegt. Um den momentanen Gesamtmaterialfluss zu ermitteln, muss jedoch am Bedienfeld der Mehrkopfwaage der Nettogewichtsverlust pro Zeiteinheit der Behälterwaage berechnet werden.

Abbildung 1 zeigt die Funktionsweise der Mehrkopfwaage in Draufsicht. Sie enthält eine kurze Beschreibung der Mehrkopfwaage, des Konstruktionsschemas, der Messung und Anwendung der wichtigsten Betriebsparameter sowie eines Anwendungsbeispiels. Abbildung 1: Prinzipansicht der Mehrkopfwaage. Abbildung 1 ist ein schematisches Diagramm der Struktur einer Mehrkopfwaage. Beim Auslauf wird das Auslassventil geschlossen, sobald der maximale Materialstand erreicht ist, und der Wiegebehälter wird von der Mehrkopfwaage getragen. Um eine genaue Wägung zu gewährleisten, sind Ober- und Unterseite des Wiegebehälters über flexible Kanäle bzw. Ein- und Auslässe miteinander verbunden. Dadurch wird verhindert, dass das Nettogewicht von Maschinen, Anlagen und Rohmaterialien im Wiegebehälter landet.

Die rechte Seite von Abbildung 1 zeigt eine Draufsicht auf den gesamten Prozess des kontinuierlichen Zuführers. Der gesamte Prozess des kontinuierlichen Zuführers ist in einen Zyklus unterteilt (drei Zyklen sind in der Abbildung dargestellt). Jeder Zyklus besteht aus zwei Zykluszeiten: Wenn der Wiegebehälter leer ist, wird das Auslassventil geöffnet, um das Material abzuführen, und das Nettogewicht des Rohmaterials im Wiegebehälter steigt kontinuierlich an. Sobald der maximale Materialstand bei t1 erreicht ist, wird das Auslassventil geschlossen. Die Förderschnecke beginnt nun mit der Materialzufuhr, und die Mehrkopfwaage nimmt ihren Betrieb auf. Nach einer gewissen Zeit, wenn das Nettogewicht des Rohmaterials im Wiegebehälter weiter sinkt und den minimalen Materialstand bei t2 erreicht hat, wird das Auslassventil erneut geöffnet. Die Zeitspanne von t1 bis t2 stellt die Zykluszeit des Zwangsförderers dar. Nach einer gewissen Zeit, wenn das Nettogewicht des Rohmaterials im Wiegebehälter weiter ansteigt und zum Zeitpunkt t3 erneut den maximalen Füllstand erreicht, wird das Auslassventil geschlossen. Der Zeitraum von t2 bis t3 stellt die Zykluszeit für die erneute Entladung dar. Während der Zykluszeit des Zwangsförderers wird das Drehzahlverhältnis der Förderschnecke entsprechend dem momentanen Durchfluss überwacht, um einen stabilen Förderbetrieb zu gewährleisten. Während der erneuten Entladung wird das Drehzahlverhältnis der Förderschnecke auf den Wert vor Beginn des Zyklus beibehalten. Der Förderer wird auf die Methode der Konstantvolumenstromüberwachung umgestellt.

Da die Mehrkopfwaage dynamisches und statisches Wiegen sowie unterbrochene und kontinuierliche Zuführung vereint, ist die Konstruktion leicht abzudichten und eignet sich zum Wiegen ultrafeiner Rohstoffe wie Beton, Branntkalkpulver, Kohlenstaub, Lebensmittel, Medikamente usw. Durch die Kontrolle von Gewicht und Dosierung wird eine hohe Wiegegenauigkeit und Linearität erreicht. 2. Notwendigkeit der Auslegung der Hauptbetriebsparameter der Mehrkopfwaage: Bei der Auslegung der Mehrkopfwaage müssen die Hauptbetriebsparameter wie Austragsfrequenz, Rücklaufmenge, Kapazität des Wiegebehälters und Rücklaufrate berücksichtigt werden, da die Waage sonst nicht ordnungsgemäß funktioniert. Ein Kunde erwarb eine Mehrkopfwaage vom Hersteller zur Vor-Ort-Wartung und Funktionsanalyse. Es wurden lediglich drei 100-kg-Wiegesensoren gekauft. Nach der Inbetriebnahme stellte sich heraus, dass der Nullpunkt instabil war, der Gesamtdurchfluss zeitweise nicht angezeigt wurde und weitere typische Fehler auftraten.

Nachdem der Hersteller einen Mitarbeiter vor Ort entsandt hatte, stellte sich heraus, dass es sich bei dem Rohmaterial des Kunden um Borsäure mit einer Dichte von 1510 kg/m³ handelte. Der maximale Gesamtdurchfluss betrug lediglich 36 kg/h, der übliche Durchfluss lag zwischen 21 und 24 kg/h. Aufgrund des geringen Gesamtdurchflusses verfügte der Trichter über drei 100-kg-Wiegesensoren und ein ausreichend großes Analysevolumen. Es empfiehlt sich, folgende bewährte Regel zu befolgen: „Bei großen Aschemengen sollte die Entleerungsfrequenz 15 bis 20 Mal pro Stunde gewählt werden.“ Das Nettogewicht jeder Entleerung betrug somit 36/15 bis 36/20, also 1,9 bis 2,4 kg. Die von jedem Wiegesensor erfasste Rohmaterialmenge lag unter 1 kg, der sinnvolle Messbereich bei etwa 0,5 bis 1 %.

Im Allgemeinen sollte der sinnvolle Messbereich des Wägesensors mindestens 10–30 % betragen, um eine höhere Wägegenauigkeit zu gewährleisten. Ausgehend vom Rohmaterialgewicht von 2,4 kg zuzüglich des Nettogewichts des Trichters und der Zuführeinrichtung (z. B. Förderschnecke) ergibt sich ein Gesamtgewicht von ca. 10 kg. Bei Verwendung von drei Wägezellen kann der Messbereich jeder Zelle zwischen 5 kg und 10 kg gewählt werden. Dadurch vergrößert sich der Messbereich des ursprünglich bestellten 100-kg-Sensors um das 10- bis 20-Fache, was die Zuverlässigkeit der Mehrkopfwaage und die Wägegenauigkeit beeinträchtigt.

Dieser Fall zeigt, dass das Konstruktionsschema der Mehrkopfwaage den Normen entsprechen muss und die Hauptparameter der Maschinenausstattung und des Betriebs der Mehrkopfwaage nach einer Berechnung festgelegt werden müssen. 3. Berechnung der Hauptparameter des Betriebs der Mehrkopfwaage 3.1 Berechnung der Entladefrequenz Abbildung 1 veranschaulicht den Betrieb der Mehrkopfwaage. Jeder Zyklus umfasst den gesamten Entladevorgang. Welche Entladefrequenz ist daher optimal? Für die Mehrkopfwaage gilt: Je höher das Verhältnis der Zyklusauslastung des Zwangsförderers in jedem Zyklus (Zeitauslastung = Zyklus des Zwangsförderers / Wiederentladezyklus), desto besser. Im Allgemeinen sollte dieses Verhältnis 10:1 überschreiten. Dies liegt daran, dass die Genauigkeit der Zykluszeit des Zwangsförderers die Zykluszeit der Wiederentladung deutlich übertrifft. Je höher die Zyklusauslastung des Zwangsförderers, desto höher die Gesamtgenauigkeit der Mehrkopfwaage.

Die Frequenz des Umwälzsystems pro Zeiteinheit der Mehrkopfwaage wird üblicherweise als Frequenz des Umwälzsystems pro Stunde angegeben, wenn die Aschemenge größer ist, d. h. in Zyklen/h. Da die Voraussetzung auf der größeren Aschezufuhr pro Stunde basiert, ist die Aschezufuhr pro Zeiteinheit (z. B. pro Sekunde) eine Zeitkonstante. Je niedriger die Frequenz des Umwälzsystems, desto größer ist die pro Durchlauf abgegebene Materialmenge, desto größer sind Kapazität und Nettogewicht des Wiegebehälters und desto geringer ist die Genauigkeit der Gewichtsverlustmessung und -berechnung mit einem Mehrbereichs-Wiegesensor. Je höher die Frequenz des Umwälzsystems, desto geringer ist die pro Durchlauf abgegebene Menge, desto kleiner sind Kapazität und Nettogewicht des Wiegebehälters und desto höher ist die Genauigkeit der Gewichtsverlustmessung und -berechnung mit einem Wiegesensor mit kleinem Messbereich.

Die Frequenz des Zirkulationssystems ist jedoch zu hoch, die Zuführmaschine startet und stoppt häufig, und die Steuerung der Mehrkopfwaage wechselt oft zwischen der Zykluszeit des Zwangsförderers und der Zykluszeit der Nachdosierung, was nicht optimal ist. Die empfohlenen Nachdosierungsfrequenzen sind in Tabelle 1 aufgeführt, wobei die drei mittleren Frequenzen am wichtigsten und empfehlenswertesten sind. Erfahrungsgemäß eignet sich die Software der meisten gravimetrischen Dosiersysteme sehr gut für pulverförmige und körnige Materialien mit geringer Fließfähigkeit.

Bei geringerer Aschezufuhrmenge als bei größerer Aschezufuhrmenge reduziert sich die Nachschubfrequenz, wodurch die Zyklusauslastung des Zwangsförderers steigt und die Präzision verbessert wird. Erfahrungsgemäß können selbst bei Anwendungen mit sehr geringem Gesamtdurchsatz des Förderers und kleinem Trichtervolumen Rohmaterialien für eine Stunde oder länger gelagert werden, wobei die Nachschubzeit mehr als eine Stunde beträgt. Beispiel: Der Gesamtdurchsatz des größeren Förderers beträgt 2 kg/h. Das Verhältnis des Rohmaterialhaufens beträgt 803 kg/m³. Der Gesamtdurchsatz des größeren Förderers beträgt 2/803 = 0,0025 m³/h. Bei einem Trichtervolumen von 0,01 m³ (etwa 25x250 m × 25x250 m × Größe eines Würfeltrichters wie z. B. 25x250 m), ausreichendem Rohmaterialverbrauch für 2–3 Stunden und einer Zuführungsmenge von unter 10 kg ist keine automatische Zuführung erforderlich. Eine manuelle Zuführung kann gemäß den Produktions- und Fertigungsvorschriften in Betracht gezogen werden, der Gesamtdurchsatz ist jedoch linear etwas geringer.

3.2 Die Formel zur Berechnung des Rücklaufvolumens berücksichtigt die Rücklaufhäufigkeit. Daraus lassen sich das Rücklaufvolumen und das Gesamtvolumen des Dosierers berechnen. Laut Kennlinienanalyse einer Mehrkopfwaage beträgt der Gesamtdurchfluss des größeren Dosierers 275 kg/h, die Schüttdichte des Rohmaterials 485 kg/m³ und der Gesamtdurchfluss des größeren Dosierers 270/480 = 0,561 m³/h. Die Materialfrequenz wird auf 15 Mal/h festgelegt. Die Berechnung des Rücklaufvolumens erfolgt nach folgender Formel: Rücklaufvolumen = Aschemenge (kg/h) ÷ Dichte (kg/m³) ÷ Rücklaufhäufigkeit (Rücklaufhäufigkeit/h). In diesem Beispiel beträgt das Rücklaufvolumen 270 ÷ 480 ÷ 15 = 0,0375 m³. 3.3 Berechnung des Wiegebehältervolumens: Das Wiegebehältervolumen im Entwurf wird das berechnete Rücklaufvolumen mit Sicherheit überschreiten. Dies liegt daran, dass der Wiegebehälter bei Beginn des Rücklaufs zwangsläufig befüllt werden muss. Hinzu kommen Restrohstoffe und ein nicht vollständig gefüllter, freier Raum im oberen Bereich des Behälters. Wenn man jeweils 20 % berücksichtigt, wird das Rücklaufvolumen durch 0,6 geteilt. Daraus ergibt sich das benötigte Behältervolumen. Das endgültige Wiegebehältervolumen sollte entsprechend dem endgültigen Silovolumen berechnet werden. Berechnungsmethode für das Rücklaufvolumen: Wiegebehälterkapazität = Rücklaufvolumen ÷ Wobei k: k ist der berechnete Kapazitätsindex des Behälters, der zwischen 0,4 und 0,7 liegen kann, wobei 0,6 dringend empfohlen wird.

In diesem Beispiel beträgt das Fassungsvermögen des Wiegebehälters 0,0375 ÷ 0,6 = 0,0625 m³. Wenn das Formsilo Spezifikationen wie 0,6 m³, 0,2 m³, 1,25 m³ usw. aufweist, sollte es auf 0,08 m³ eingestellt werden, und das Fassungsvermögen des Wiegebehälters sollte 0,08 m³ betragen. 3.4 Die Austragsrate wird aufgrund der Mehrkopfwaage neu berechnet. Im Wiederaustragszyklus wird ein Dosierer mit geringer Präzision und konstanter Kapazität gewählt, daher wird die Wiederaustragsgeschwindigkeit des Vibrationsförderers höher eingestellt (im Allgemeinen sollte der Betrieb innerhalb von 5 s bis 20 s erfolgen). Berechnungsmethode der Wiederabgaberate: Wiederabgaberate = [Wiederabgabevolumen (m3)÷Wiederabgabezeit (s)×60(s/min)]+[Gesamtdurchfluss des größeren Zulaufs (m3/h)÷60 (min/h)] In Formel 2 besteht die Abgaberate wiederum aus zwei Komponenten.

Autor: Smartweigh– Hersteller von Mehrkopf-Gewichten

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