RU2620905C1 - Method of automatic dosing of bulk materials and device for its implementation - Google Patents

Abstract

FIELD: machine engineering.

SUBSTANCE: an automatic dosing method in which a vacuum is created in the hopper by degassing, as a result of which a mixture of bulk material with gas is fed into the hopper through a loading pipeline. When a certain value of pressure drop is obtained in the layer of material in the hopper, the material is unloaded by gravity through a discharge pipeline coupled with the bottom of the hopper. The pressure drop is measured between the points at the top and at the bottom of the hopper, and the material is discharged through a vertical pipeline with a constant cross-section by disconnecting the device which creates the vacuum. The hydraulic resistance of the discharge pipeline, when it sucks in air, is greater than the hydraulic resistance of the loading pipeline when the material mixture with gas is sucked through it. A dosage meter, that implements this method, is also claimed.

EFFECT: increased accuracy and reliability of the dosing process, while increasing the range of controlled flow variation and expanding the range of dosed bulk materials.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области дозирования сыпучих материалов и может быть использовано в технологических процессах химической, пищевой, фармацевтической отраслях промышленности, в производстве строительных материалов, в агропромышленном комплексе и других производствах, где необходима точная порционная подача сыпучих веществ и материалов в технологические аппараты или в тару.The invention relates to the field of dispensing bulk materials and can be used in technological processes of the chemical, food, pharmaceutical industries, in the production of building materials, in the agricultural sector and other industries, where an exact portion supply of bulk substances and materials to technological devices or containers is required.

Целью изобретения является повышение точности и обеспечение стабильности дозирования. Поставленная цель достигается за счет того, что через фильтр, установленный в верхней части бункера, устройством, создающим разрежение, откачивается газ, в результате чего за счет внешнего давления бункер по загрузочному трубопроводу заполняется дозируемым материалом, при этом измеряется перепад давления на слое материала. В момент, когда количество материала в бункере достигает заданного, по соответствующему этой величине перепаду давления формируется управляющий сигнал, по которому откачка газа из бункера прекращается, и материал покидает камеру через вертикальный разгрузочный трубопровод постоянного круглого сечения, при этом гидравлическое сопротивление разгрузочного трубопровода при всасывании через него газа больше, чем сопротивление загрузочного трубопровода при всасывании через него смеси сыпучего материала с газом.The aim of the invention is to improve the accuracy and ensure the stability of the dosage. This goal is achieved due to the fact that gas is pumped out through the filter installed in the upper part of the hopper with a rarefaction device, as a result of which, due to external pressure, the hopper is filled with dosing material through the loading pipeline, and the pressure drop across the material layer is measured. At the moment when the amount of material in the hopper reaches a predetermined one, a control signal is generated by the pressure drop corresponding to this value, by which the gas pumping out of the hopper is stopped, and the material leaves the chamber through a vertical discharge pipe of constant circular cross section, while the hydraulic resistance of the discharge pipe when suction through there is more gas than the resistance of the loading pipeline when a mixture of granular material with gas is sucked through it.

Наиболее распространенные в промышленности весовой и объемный способы дозирования и управления расходом сыпучих материалов, основанные на применении механических устройств [1, 2], не отвечают требованиям, предъявляемым к современному уровню автоматизации производства по точности, надежности функционирования, управляемости, экологической и промышленной безопасности. При объемном дозировании с переносом сыпучего материала в потоке воздуха или иного газа при отсутствии в конструкции подвижных элементов перечисленные показатели выше, чем в механических системах. В частности, способ импульсного дозирования в потоке газа по патенту RU 2503932 С2 [3] имеет улучшенные характеристики в плане точности и надежности, однако, недостатком этого способа является то, что выдача материала производится под давлением, из-за чего возникают потери материала, а также создается потенциальная угроза безопасности окружающей среды, особенно при работе с токсичными и агрессивными компонентами.The most common industrial and industrial weighing and volumetric methods for dispensing and controlling the flow of bulk materials, based on the use of mechanical devices [1, 2], do not meet the requirements for the modern level of production automation in terms of accuracy, reliability, controllability, environmental and industrial safety. When volumetric dosing with the transfer of bulk material in a stream of air or other gas in the absence of moving elements in the design, the above indicators are higher than in mechanical systems. In particular, the method of pulsed dosing in a gas stream according to patent RU 2503932 C2 [3] has improved characteristics in terms of accuracy and reliability, however, the disadvantage of this method is that the material is produced under pressure, due to which material losses occur, and it also poses a potential threat to environmental safety, especially when dealing with toxic and aggressive components.

Существенную эффективность, при дозировании агрессивных, токсичных и пылящих сред, а также продуктов, для которых недопустимо разрушение частиц твердой фазы, обеспечивает вакуумный метод перемещения сыпучих материалов. Преимущества всасывающих систем дозирования сыпучих материалов по сравнению с другими методами состоят, прежде всего, в отсутствии потерь и возможных выбросов материала и несущего газа в окружающую среду, что, помимо экологической безопасности, создает предпосылки к повышению точности дозирования, а также обеспечивает возможность произвольного расположения дозатора относительно расходной емкости. Наиболее часто перемещение твердых частиц под действием вакуума используется для разгрузки транспортных средств и перемещения на короткие расстояния, однако в некоторых случаях вакуумный транспортер позиционируется как устройство, выполняющее функцию дозирования. Недостатками таких устройств являются, прежде всего, управление по косвенному параметру, например по временному интервалу [4] при отсутствии отрицательной обратной связи по величине дозы, что приводит к возникновению погрешности отмеривания количества материала и усложняет конструкцию системы дозирования.Significant efficiency, when dosing aggressive, toxic and dusty environments, as well as products for which the destruction of solid particles is unacceptable, provides a vacuum method for moving bulk materials. The advantages of suction systems for dosing bulk materials in comparison with other methods are, first of all, in the absence of losses and possible emissions of material and carrier gas into the environment, which, in addition to environmental safety, creates the prerequisites for increasing the accuracy of dosing, and also provides the possibility of arbitrary location of the dispenser relative to the supply capacity. Most often, the movement of solid particles under vacuum is used to unload vehicles and move over short distances, but in some cases the vacuum conveyor is positioned as a device that performs the function of dispensing. The disadvantages of such devices are, first of all, control by an indirect parameter, for example, by the time interval [4] in the absence of negative feedback on the dose, which leads to an error in measuring the amount of material and complicates the design of the dosing system.

Наиболее близким к заявляемому является способ подачи сыпучего материала реализуемый питателем по АС СССР 142939 [5]. При создании разряжения в бункере, под действием атмосферного давления закрывается эластичный клапан, установленный на выходной горловине, расположенной в днище бункера. Происходит заполнение бункера сыпучим материалом, поступающим по загрузочному трубопроводу из расходной емкости. По мере накопления, сопротивление столба материала в емкости возрастает. При достижении перепадом давления на слое материала определенной величины, функционально связанной с величиной вакуума в бункере и характеристиками клапана, последний открывается, и материал высыпается через него до тех пор, пока сопротивление слоя материала не становится ниже величины создаваемого в емкости вакуума. Клапан закрывается, и количество материала в бункере вновь начинает увеличиваться. Таким образом, высыпание материала из бункера при постоянном его пополнении материалом происходит в режиме автоколебаний, амплитуда которых, а следовательно, и величина выдаваемых доз, зависит от величины вакуума. Опыт работы с устройством, аналогичным питателю для сыпучих материалов по АС 142939 показывает, что данный способ обеспечивает недостаточную надежность и невысокую точность отмеривания и выдачи доз материала. Недостатки прототипа определяются, в первую очередь, наличием выпускного клапана, изготовленного из эластичного материала, например, как указано в описании, из резины. Эллиптическое поперечное сечение клапана препятствует гравитационной разгрузке. Изменение характеристик (старение) материала клапана во времени также увеличивает погрешность дозирования и снижает надежность устройства. Погрешность отмеривания количества материала имеет большую случайную составляющую, которая определяется в основном случайным характером динамического состояния двухфазной смеси газа и материала непосредственно в локальной зоне над клапаном. Производительность питателя в прототипе предлагается изменять путем варьирования величины вакуума, что приводит к противоречию между силами, действующими на материал клапана и на массу выгружаемого материала. Величина разрежения является одновременно управляющим воздействием и побудителем расхода при заполнении бункера, что существенно снижает диапазон управления расходом сыпучего материала при определенных параметрах клапана, т.к. при небольших значениях разрежения наблюдается срыв колебаний и прекращение заполнения. Еще один недостаток прототипа определяется тем, что большинство сыпучих материалов, имеющих существенные размеры частиц (зернистые материалы или гранулы), содержат мелкую фракцию и склонны к пылению. Установка на входе в воздушный трубопровод коаксиального цилиндра не позволяет устранить попадание мелкой фракции сыпучего материала в воздушную линию и далее в устройство, создающее разряжение. Таким образом, область применения прототипа ограничивается слабо пылящими материалами.Closest to the claimed is the method of supplying bulk material sold by the feeder according to the USSR AS 142939 [5]. When creating a vacuum in the hopper, under the influence of atmospheric pressure, the elastic valve mounted on the outlet neck located in the bottom of the hopper closes. The hopper is filled with bulk material coming through the feed pipe from the supply tank. As it accumulates, the resistance of the column of material in the tank increases. When the pressure drop on the material layer reaches a certain value, functionally related to the vacuum in the hopper and the valve characteristics, the latter opens and the material falls out through it until the resistance of the material layer becomes lower than the value of the vacuum created in the tank. The valve closes and the amount of material in the hopper starts to increase again. Thus, the precipitation of material from the hopper with its constant replenishment of material occurs in the mode of self-oscillations, the amplitude of which, and therefore the magnitude of the doses given, depends on the magnitude of the vacuum. Experience with a device similar to the feeder for bulk materials according to AC 142939 shows that this method provides insufficient reliability and low accuracy of measuring and issuing doses of material. The disadvantages of the prototype are determined primarily by the presence of an exhaust valve made of an elastic material, for example, as indicated in the description, from rubber. An elliptical valve cross-section prevents gravity unloading. Changing the characteristics (aging) of the valve material over time also increases the metering error and reduces the reliability of the device. The error in measuring the amount of material has a large random component, which is determined mainly by the random nature of the dynamic state of a two-phase mixture of gas and material directly in the local zone above the valve. The performance of the feeder in the prototype is proposed to be changed by varying the magnitude of the vacuum, which leads to a contradiction between the forces acting on the valve material and the mass of material discharged. The rarefaction value is both a control action and a flow inducer when filling the hopper, which significantly reduces the range of control of the flow of bulk material at certain valve parameters, because at low rarefaction values, a breakdown of oscillations and a cessation of filling are observed. Another disadvantage of the prototype is determined by the fact that most bulk materials having significant particle sizes (granular materials or granules) contain a small fraction and are prone to dusting. Installation at the entrance to the air pipeline of the coaxial cylinder does not allow to eliminate the ingress of a fine fraction of granular material into the air line and further into the device that creates the vacuum. Thus, the scope of the prototype is limited to slightly dusty materials.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности, надежности и расширение области применения вакуумного способа дозирования сыпучих материалов.The aim of the invention is to improve the accuracy, reliability and expansion of the scope of the vacuum method for dispensing bulk materials.

Величина дозы по предлагаемому способу так же, как и в прототипе, определяется перепадом давления на слое материала в бункере, однако в заявляемом способе дозирования перепад давления измеряется датчиком-реле разности давлений с настраиваемым порогом срабатывания, что позволяет задавать величину дозы. Для защиты устройства, создающего разрежение в бункере, от попадания мелкой фракции материала на входе в воздушный трубопровод установлен фильтр. В заявляемом способе дозирования выгрузка заданного количества материала (одной дозы) осуществляется посредством отключения устройства, создающего разрежение. При этом материал высыпается через выпускной вертикальный трубопровод постоянного поперечного сечения, диаметр которого выбирается из условия отсутствия сводообразования и уверенного гравитационного истечения конкретного дозируемого сыпучего материала, что повышает надежность этапа выдачи дозы. Длина разгрузочного трубопровода при определенном исходя из указанных выше условий диаметре поперечного сечения выбирается такой, чтобы гидравлическое сопротивление трубопровода при движении по нему воздуха на этапе заполнения бункера материалом было больше, чем сопротивление загрузочного трубопровода при всасывании через него двухфазной смеси материала с газом. Соблюдение этих условий, в совокупности с работой устройства, создающего разрежение в бункере, в режиме постоянной производительности обеспечивает надежность работы дозатора в широком диапазоне настройки величины дозы.The dose rate according to the proposed method, as in the prototype, is determined by the pressure drop across the material layer in the hopper, however, in the inventive dosing method, the pressure drop is measured by a pressure difference sensor relay with an adjustable response threshold, which allows you to set the dose value. To protect the device that creates a vacuum in the hopper from getting a small fraction of the material at the entrance to the air pipe installed filter. In the inventive method of dosing, the unloading of a given amount of material (one dose) is carried out by turning off the device that creates the vacuum. In this case, the material is poured out through a vertical outlet pipe of constant cross-section, the diameter of which is selected from the condition that there is no arch formation and a reliable gravity flow of a particular dosed bulk material, which increases the reliability of the dose issuing stage. The length of the discharge pipeline, if the diameter of the cross section is determined on the basis of the above conditions, is chosen so that the hydraulic resistance of the pipeline when the air moves through it at the stage of filling the hopper with material is greater than the resistance of the loading pipeline when a two-phase mixture of material with gas is sucked through it. Observance of these conditions, in conjunction with the operation of the device that creates a vacuum in the hopper, in constant performance mode ensures the reliability of the dispenser in a wide range of settings for the dose.

Техническая реализация заявляемого способа дозирования иллюстрируется схемой, представленного на фиг. 1. Устройство 1, создающее разрежение (вакуум-насос, всасывающий вентилятор или др. в зависимости от вида дозируемого материала), соединено воздушным трубопроводом 2 через фильтр 3 с бункером 4, к которому подсоединен загрузочный трубопровод 5. К днищу бункера 6 присоединен вертикальный разгрузочный трубопровод 7. Под фильтром 3 и над верхним торцом разгрузочной горловины 6 установлены импульсные трубки датчика-реле разности давлений 8. Выход датчика-реле 8 соединен со входом системы управления 9 приводом устройства 1.The technical implementation of the proposed dispensing method is illustrated by the circuit shown in FIG. 1. The device 1, which creates a vacuum (vacuum pump, suction fan or others, depending on the type of material to be dosed), is connected by an air pipe 2 through a filter 3 to a hopper 4, to which a loading pipe is connected 5. A vertical discharge pipe is connected to the bottom of the hopper 6 pipeline 7. Under the filter 3 and above the upper end of the discharge neck 6, pulse tubes of the differential pressure sensor-relay 8 are installed. The output of the sensor-relay 8 is connected to the input of the control system 9 of the device 1 drive.

Заявляемый способ дозирования реализуется следующим образом. Газ при помощи устройства 1 по воздушному патрубку 2 через фильтр 3 откачивается из бункера 4, который заполняется сыпучим материалом, поступающим в смеси с газом по загрузочному трубопроводу 5. Когда перепад давления на слое материала в бункере достигает пороговой величины, установленной на датчике-реле перепада давления 8, формируется дискретный управляющий сигнал, который через систему управления приводом 9 отключает устройство 1. Под действием гравитационной силы происходит выгрузка материала через разгрузочный трубопровод 7. Набор очередной дозы осуществляется по внешней команде, включающей устройство 1 через систему управления 9.The inventive method of dispensing is implemented as follows. Gas using device 1 through the air pipe 2 through the filter 3 is pumped out of the hopper 4, which is filled with bulk material entering the mixture with gas through the loading pipe 5. When the pressure drop across the material layer in the hopper reaches the threshold value set on the differential pressure sensor pressure 8, a discrete control signal is generated, which disconnects the device 1 through the drive control system 9. Under the influence of gravitational force, the material is unloaded through the discharge pipe 7. Set of parts Independent user dose is administered by an external command comprising the device 1 via a control system 9.

Точность отмеривания единичной дозы обеспечивается тем, что заполнение бункера прекращается по сигналу обратной связи от датчика-реле разности давления при достижении соответственно заданной величины дозы сыпучего материала.The accuracy of measuring a single dose is ensured by the fact that the filling of the hopper is stopped by a feedback signal from a pressure difference sensor-relay when a correspondingly set dose of bulk material is reached.

В заявляемом способе дозирования отсутствуют механические подвижные элементы, контактирующие с сыпучим материалом, а воздушный трубопровод и устройство, создающее разрежение, защищены фильтром, и могут быть вынесены из производственной зоны, за счет чего достигается повышение надежности функционирования дозатора и увеличение его назначенного срока службы.In the inventive dosing method, there are no mechanical moving elements in contact with the bulk material, and the air pipe and the rarefaction device are protected by a filter and can be removed from the production area, thereby increasing the reliability of the functioning of the dispenser and increasing its designated service life.

Возможность настройки величины дозы в широком диапазоне изменения расхода разных по характеристикам сыпучих материалов обеспечивается за счет того, что заполнение бункера происходит при оптимальной с позиции уверенной загрузки производительности устройства, создающего разрежение.The ability to adjust the dose in a wide range of flow rates of different characteristics of bulk materials is provided due to the fact that the hopper is filled at the optimum capacity of the device that creates the vacuum from the position of confident loading.

Средний объемный расход сыпучего материала определяется по формулеThe average volumetric flow rate of bulk material is determined by the formula

гдеWhere

V_Дi - значение уставки (задания) объема дозы;V _Di is the value of the setting (task) of the dose volume;

- значение частоты выдачи доз.

- the value of the frequency of doses.

Устойчивая работоспособность дозатора обеспечивается при условии:Stable performance of the dispenser is provided provided:

гдеWhere

ΔР_{5 М} - потери давления при перемещении сыпучего материала по загрузочному трубопроводу 5;ΔP _{5 M} - pressure loss when moving bulk material through the loading pipe 5;

ΔР_{5 В} - потери давления при перемещении воздуха по загрузочному трубопроводу 5;ΔP _{5 V} - pressure loss when moving air through the loading pipe 5;

ΔР_{7 В} - потери давления при перемещении воздуха по разгрузочному трубопроводу 7.ΔP _{7 V} - pressure loss when moving air through the discharge pipe 7.

Способ дозирования был опробован в научно-исследовательской лаборатории кафедры автоматизации процессов химической промышленности Санкт-Петербургского государственного технологического института на дозаторах с объемами доз V_Дi=(0,3-1,0)⋅10^-3 м³.The dosing method was tested in the research laboratory of the Department of Chemical Process Automation of the St. Petersburg State Technological Institute on dispensers with dose volumes V _Di = (0.3-1.0) ⋅10 ^-3 m ³ .

Испытывались органические материалы:Organic materials tested:

- с частицами шаровидной формы диаметром d_M=(2±0,1)⋅10^-3 м, плотностью вещества ρ_M=1150 кг/м³ и насыпной плотностью ρ_Н=780 кг/м³;- with spherical particles with a diameter of d _M = (2 ± 0.1) ⋅10 ^-3 m, a substance density ρ _M = 1150 kg / m ³ and a bulk density ρ _N = 780 kg / m ³ ;

- с частицами в форме правильного тетраэдра со стороной s_М=(4,2±0,1)⋅10^-3 м, плотностью вещества ρ_М=1200 кг/м³ и насыпной плотностью ρ_Н=660 кг/м³;- with particles in the form of a regular tetrahedron with a side s _M = (4.2 ± 0.1) ⋅10 ^-3 m, a substance density ρ _M = 1200 kg / m ³ and a bulk density ρ _N = 660 kg / m ³ ;

- с частицами в форме неправильного многогранника с определяющим размером d₀=(0,55±0,1)⋅10^-3 м, плотностью вещества ρ_М=1440 кг/м³ и насыпной плотностью ρ_Н=670 кг/м³.- with particles in the form of an irregular polyhedron with a defining size d ₀ = (0.55 ± 0.1) ⋅ 10 ^-3 m, a substance density ρ _M = 1440 kg / m ³ and a bulk density ρ _N = 670 kg / m ³ .

Обработка по методике ГОСТ Р 8.736-2011 представительных массивов результатов многократных повторных измерений доз весовым методом на электронных весах с основной допустимой погрешностью 0,5% показала, что относительная погрешность выдачи единичных доз составляет 0,9-1,2%.Processing according to the GOST R 8.736-2011 method of representative arrays of results of repeated repeated dose measurements by the weight method on electronic scales with a basic permissible error of 0.5% showed that the relative error in the issuance of unit doses is 0.9-1.2%.

Claims (2)

1. Способ автоматического дозирования сыпучих материалов, в соответствии с которым в бункере путем откачки из него газа создается разрежение, в результате чего в бункер по загрузочному трубопроводу поступает смесь сыпучего материала с газом, и, при достижении определенной величины перепада давления на слое материала в бункере, под действием силы гравитации через разгрузочный трубопровод, сопряженный с днищем бункера, происходит выгрузка материала, отличающийся тем, что перепад давления измеряют между точками в верхней части и в нижней части бункера, а выгрузка материала осуществляется через вертикальный трубопровод постоянного поперечного сечения путем отключения устройства, создающего разрежение, причем гидравлическое сопротивление разгрузочного трубопровода при всасывании по нему воздуха больше, чем гидравлическое сопротивление загрузочного трубопровода при всасывании через него смеси материала с газом.1. A method for automatic dosing of bulk materials, according to which a vacuum is created in the hopper by pumping gas out of it, as a result of which a mixture of bulk material with gas enters the hopper through the loading pipe and, when a certain pressure drop across the material layer in the hopper is reached , under the action of gravitational force through the discharge pipe, conjugated with the bottom of the hopper, the material is unloaded, characterized in that the pressure drop is measured between the points in the upper part and in the lower h part of the hopper, and the material is unloaded through a vertical pipeline of constant cross-section by turning off the rarefaction device, and the hydraulic resistance of the discharge pipe when sucking air through it is greater than the hydraulic resistance of the loading pipe when suctioning a mixture of material with gas through it. 2. Дозатор сыпучего материала, реализующий способ автоматического дозирования по п. 1, отличающийся тем, что содержит воздушный фильтр, установленный между бункером и воздушным патрубком, и соединенное с бункером реле перепада давления, один вход которого расположен под фильтром, а второй - в месте сопряжения бункера с разгрузочным трубопроводом.2. A bulk material dispenser that implements the automatic dispensing method according to claim 1, characterized in that it contains an air filter mounted between the hopper and the air pipe, and connected to the hopper of the differential pressure switch, one input of which is located under the filter, and the second in place pairing the hopper with the discharge pipe.

Images