Využitie váh a vážiacich systémov v priemyselnej praxi (1)

V spolupráci s Úniou váharov SR sme pre vás pripravili súbor článkov zameraných na meranie hmotnosti.
Využitie váh a vážiacich systémov v priemyselnej praxi (1)

Úvod do problematiky

Cieľom tejto série článkov je poskytnúť čitateľovi praktický pohľad na problematiku váženia v priemyselnej praxi. Prejdeme si platnú legislatívu a základné požiadavky na systémy riadenia kvality a pozrieme sa na rôzne spôsoby rozdelenia váh. Zameriame sa na správny postup pri voľbe vhodnej váhy pre danú aplikáciu a odporučíme postup jej nákupu. Následne budeme pokračovať prevádzkou váhy od jej inštalácie, používania, kontroly až po údržbu. Získate informácie o celom rade postupov a praktických riešeniach postavených na mnohoročných skúsenostiach autorov s praktickou realizáciou vážiacich systémov naprieč celým priemyselným spektrom. Súčasná situácia na trhu ukazuje, že je pomerne ťažké orientovať sa v širokej ponuke technických možností a záplave predpisov a požiadaviek, ktoré sa na používateľov meradiel kladú. Do toho vstupuje aj kumulácia funkcií a moderný outsourcing. Funkcia metrológa sa často vníma ako okrajová, ako nutné zlo vyžadované legislatívou alebo systémom kvality. Tak ju mnohokrát kombinujú s inými tematicky nesúvisiacimi úlohami. Meranie, do ktorého spadá aj váženie, je často kľúčovým procesom rozhodujúcim o finálnej kvalite výrobku. Preto by sa mu mala v priemyselnej praxi venovať náležitá pozornosť.

V našich článkoch sa budeme zameriavať hlavne na statické váženie. Dôvodom je rozsah danej problematiky, ktorý by prekročil možnosti populárne technických článkov. Uvedené metrologické princípy však bude možné aplikovať na všetky meradlá všeobecne, a teda aj na váhy s automatickou činnosťou.

Informácie v tomto článku majú pomôcť uvedomiť si, že váha je pomerne presné meradlo, ktoré nájdeme vo väčšine priemyselných aplikácií od výskumu, vývoja, výroby prvotných surovín cez výrobu finálnych produktov až po ich balenie a distribúciu. Aj keď sa môže zdať, že váha je zariadenie ako ktorékoľvek iné, nie je to tak. Výsledky váženia majú vo väčšine prípadov priamy dosah na kvalitu výrobkov a v konečnom dôsledku aj na koncového spotrebiteľa. Okrem toho ovplyvňujú aj ekonomickú efektivitu výroby. Preplňovanie a chybné dávkovanie môže viesť na jednej strane k porušeniu legislatívy a generovať nepríjemné pokuty či náklady na stiahnutie výrobkov z trhu. Na druhej strane preplňovanie znamená plytvanie prostriedkami výrobného podniku. Preto slovenská aj európska legislatíva pamätajú na váženie a váhy sú predmetom metrologickej kontroly, ako aj kontroly orgánov dozoru nad trhom. Z týchto dôvodov nestačí váhu len kúpiť a dúfať, že sa nerozbije a bude dobre vážiť, ale treba sa o ňu aj veľmi dobre postarať.

Základné informácie o vážení

V tejto kapitole sa zjednodušene pozrieme na základné princípy váženia a najdôležitejšie pojmy, ktoré prispejú k pochopeniu ďalšieho textu.

Princíp váženia

Váženie funguje na princípe porovnávania tiaže telies. O tiaži hovoríme preto, že je kombináciou dvoch všeobecne známych síl pôsobiacich na teleso na Zemi – gravitačnej sily danej príťažlivosťou Zeme a odstredivej sily danej rotáciou Zeme. Pri vážení porovnávame pôsobenie závažia známej hmotnosti, resp. jeho tiažovej sily, s pôsobením tiaže váženého telesa (neznámej hmotnosti). Tiažová sila na danom mieste je určená podľa 2. Newtonovho zákona ako súčin hmotnosti a lokálne konštantného tiažového zrýchlenia. Takže ak je tiažové pôsobenie na dve telesá na danom mieste na Zemi rovnaké, hovoríme, že majú rovnakú hmotnosť.

Presné váženie však vyžaduje uvažovať s celým radom ďalších vplyvov. Je údaj, ktorý odčítame z displeja váhy, skutočnou hmotnosťou výrobku? Hmotnosť je vlastnosť hmoty, ktorá vyjadruje mieru zotrvačného účinku či mieru gravitačného účinku hmoty. Inými slovami, to, čo vidíme na displeji, nie je skutočná hmotnosť, ale de facto len sila pôsobiaca na misku váhy. Aby sme mohli určiť správnu hodnotu hmotnosti telesa, museli by sme poznať hustotu závažia, váženého materiálu a samotného vzduchu. To by vyžadovalo podrobnú fyzikálnu analýzu podmienok, pri ktorých sa meranie vykonáva.

Prvým meradlom používaným v praxi bola rovnoramenná váha známa už z čias starého Egypta. Na obr. 1 z egyptskej knihy mŕtvych (1285 p. n. l.) môžeme vidieť, ako takúto váhu používali na váženie ľudských sŕdc pri rozhodovaní o skutkoch mŕtveho a jeho ďalšej ceste. Tento princíp váženia sa v rôznych modifikáciách zachoval až do 40. rokov 20. storočia, keď sa začali používať prvé elektronické váhy.

Dnešné moderné priemyselné váhy sú elektronické, aj keď základný princíp je v podstate rovnaký ako v starom Egypte. V súčasných váhach sa uplatňuje niekoľko rôznych spôsobov merania na stanovenie hmotnosti telesa. Najpoužívanejší je založený na technológii tenzometrického snímača, ktorý je súčasťou väčšiny dnešných obchodných a priemyselných váh. Tenzometrický snímač meria na princípe zmeny elektrického odporu deformáciou telesa snímača vplyvom pôsobenia tiažovej sily bremena. Zmena odporu spôsobí v elektrickom obvode aj zmenu napätia. Z tejto zmeny sa určí veľkosť sily, ktorá na snímač pôsobí. Pomocou analógovo-digitálneho prevodníka sa premení na číslicovú informáciu, ktorá sa zobrazí na displeji, môže sa ďalej spracovať alebo vytlačiť.

Hmotnosť

Hmotnosť je základná fyzikálna veličina sústavy jednotiek SI. Charakterizuje všetky hmotné objekty a prejavuje sa zotrvačnosťou a ich vzájomným priťahovaním.

Etalóny

Etalón meracej jednotky alebo stupnice určitej veličiny je meradlo slúžiace na realizáciu a uchovávanie tejto jednotky alebo stupnice a na jej prenos na meradlá s nižšou presnosťou. Jednotkou hmotnosti je kilogram (kg). Je to základná jednotka sústavy SI definovaná ako hmotnosť medzinárodného prototypu kilogramu, ktorý je uložený v Medzinárodnom úrade pre miery a váhy v Sévres pri Paríži (definícia pochádza z roku 1901). Prototyp vyrobila firma C. Longue v Paríži zo zliatiny platiny a irídia (9 : 1).

Na vyjadrenie hmotnosti sa používajú násobky kilogramu (tab. 1).

jednotka väzba na kg
1 t – tona 1 000 kg … 103 kg
(1 metrický cent – metrák) (100 kg)
1 kg – kilogram 1 kg
(1 dg – dekagram) (0,01 kg (10-2 kg))
1 g – gram 0,001 kg (10-3 kg)
1 mg – miligram 0,000 001 kg (10-6 kg)

Jednotky v zátvorkách sa už dnes nesmú používať. Vzhľadom na to, že sa s nimi ešte vždy môžete stretnúť, tak ich uvádzame. Týmto si kilogram ako posledná jednotka zachoval výnimočné postavenie, pretože je definovaný medzinárodným etalónom, na ktorý nadväzujú všetky etalóny v civilizovanom svete. Pre váhy slúžia ako „etalóny“ závažia a pre závažia je etalónom medzinárodný prototyp kilogramu. V Slovenskej republike máme štátny etalón hmotnosti, ktorým je 1 kg z platiny a irídia uložený v Slovenskom metrologickom ústave v Bratislave. Informácie o štátnom etalóne nájdete na stránkach SMÚ www.smu.sk.

Nadväznosť

V praxi to znamená, že sa jednotlivé závažia reťazcom porovnávaní vykonaných na špeciálnych váhach nazývaných komparátory porovnajú s medzinárodným etalónom, ktorý je jediný na svete. Ak by sme zaznamenali, ktoré závažia sa s akými porovnávali a s akou chybou, dostali by sme tzv. schému nadväznosti.

Závažie

Ako sme už uviedli, meranie hmotnosti funguje na princípe porovnávania tiažovej sily známeho telesa – závažia s tiažovou silou váženého predmetu. Z toho vyplýva, že na váženie potrebujeme teleso so známou hmotnosťou. Tým je závažie alebo etalón. Kedysi sa pri vážení priamo používali závažia. Výnimočne ich môžete vidieť i dnes v obľúbených sklonných váhach, ktoré sa ešte vyskytujú na trhoch alebo v priemysle v kruhových váhach s okrúhlou stupnicou.

Na elektronických váhach sa už závažia priamo v obchodoch nepoužívajú. Sú však nimi vybavené servisné organizácie a výrobcovia váh, ktorí ich potrebujú pri nastavovaní, t. j. tzv. justáži váh. Takéto nastavenie spočíva v tom, že sa na váhu kladie závažie známej hmotnosti a váha si do pamäti ukladá príslušnú hodnotu signálu. Tak vznikne tzv. charakteristika váhy, ktorá hovorí, akej hmotnosti závažia zodpovedá aká hodnota na displeji (obr. 2a). Niekedy sa tento postup nesprávne nazýva kalibrácia. Keď na váhu položíme vážený tovar, váha porovná hodnotu uloženého signálu s aktuálnym signálom zo snímača. Zodpovedajúcu hodnotu zobrazí na displeji (obr. 2b).

Ľahko by mohol vzniknúť dojem, že by sa v priemyselnej praxi už závažia nemali vyskytovať a že môžeme 100 % dôverovať údajom na displeji elektronických váh. Omyl je pravdou! Odporúčame, aby každá prevádzka mala k dispozícii niekoľko kusov závaží na prevádzkovú kontrolu váh. Ak nastane na váhe porucha, môže sa stať, že stratí svoje vlastnosti, a údaje, ktoré zobrazuje na displeji, sú nesprávne. Pomocou kontrolného závažia možno takúto chybu ľahko odhaliť.

Z uvedeného vyplýva, že závažia sú dôležitou súčasťou procesu váženia. Problematika závaží je upravená v medzinárodných predpisoch. Závažia musia spĺňať požiadavky na tvar, hustotu, magnetizmus, triedu, ktorá určuje jeho presnosť. Podrobnejšie sa budeme závažím zaoberať v niektorom z ďalších článkov. Ak si však budete zabezpečovať závažia na prevádzkovú kontrolu, vždy kupujte závažia od odborných firiem. Pri voľbe závažia použite normu STN EN 45501: 2015 Metrologické aspekty váh s neautomatickou činnosťou. Etalóny hmotnosti používané pri overovaní váh nesmú mať chybu väčšiu ako 1/3 najväčšej dovolenej chyby váh pre dané zaťaženie (pozri kapitolu chyby váh). Akú má závažie chybu, dozviete sa z kalibračného listu, ktorý sa vždy k závažiu vyžadujte. Závažia dávajte pravidelne kalibrovať do akreditovaného kalibračného laboratória. Interval kalibrácie si stanovte podľa toho, ako často so závažím pracujete.

V nasledujúcej časti sa budeme venovať definícii viacerých technických pojmov súvisiacich s váhami a vážením a rozdeleniu váh podľa spôsobu obsluhy, prevádzky, rozsahu a príslušnej aplikácie. Stručne opíšeme aj legislatívu súvisiacu s váhami, najmä zákon o metrológii.

Ing. Daniel Šťastný
Daniel.Stastny@mt.com

Katarína Surmíková Tatranská, MBA
ktatranska@libra-vahy.sk

Únia váharov SR
www.uniavaharov.sk