1
Fejes István, okl. gépészmérnök, ügyvezető, MaHill ITD Ipari Fejlesztő Kft.; Álovits László, okl. villamosmérnök, ügyvezető, DIANTE Kft.:
Mikrohullámú nedvességmérés, konzisztencia kontrol a betontechnológiában A korszerű minőségi betongyártás egyik alapkövetelménye - legyen az transzportbeton, földnedves beton térkőgyártáshoz, vagy öntömörödő illetve nagyszilárdságú beton vasbeton termék előregyártáshoz - az egyenletes konzisztencia, melyet alapvetően a beton nedvességtartalmának szabályozásával tarthatunk kézben. A nedvességszabályozás vagy konzisztencia kontrol azonban távolról sem csak betonminőségi kérdés, igen jelentős hatással van a betongyártás költség oldalára és ezzel egyúttal a vállalkozás versenyképességére, túlélési esélyeire is. Nedvességtartalom a betonban A korszerű betonok és bedolgozási technológiák egyik meghatározó követelménye az egyenletes konzisztencia. Különösen igaz a fenti állítás az öntömörödő és nagyszilárdságú betonokra, általában a 4. generációs vegyszerekkel készített betonokra és a földnedves illetve színezett betonok esetére, csakúgy mint a korszerű bedolgozási technológiák közül a blokk- és térkőgyártó gépek, az extruderes és csúszózsalus bedolgozó gépek és a lézervezérlet padlóbeton terítőgépek által igényelt betonkeverékekre. A konzisztencia változásának egyik legjellemzőbb oka az adalékanyagok (elsősorban a homok) állandó nedvességtartalom változása két keverék között. Még a legideálisabbnak nevezhető torony rendszerű adaléktároló silókban is folyamatosan változik a nedvességtartalom az utántöltött anyagból származó víz drénhatása miatt. Az adalékanyagokkal a betonkeverékbe bevitt változó nedvességtartalomnak ugyanakkor meghatározó szerepe van a víz-cement tényezőre, a beton majdani szilárdságára illetve a színesbetonok színárnyalatára. Amíg a korszerű betongyári adagolórendszerekkel szemben elvárásként támasztjuk a ±0,5%-os adagolási pontosságot, addig csak az adalékanyagok nedvességtartalmának változása könnyen okozhat ±2,0%-os (vagy akár azt meghaladó) hibát. A megoldás az adalékanyagok nedvességtartalmának megbízható, folyamatos mérésében van. Miért fontos a nedvesség mérés? Azokban az üzemekben ahol nincs nedvességmérési lehetőség a keverőmester gyakorlati tapasztalatára bízzák a betonkeverék konzisztenciájának beállítását. Ez a gyakorlatban abból áll, hogy a keverék megvizsgálása (szemrevételezés, kézi mintavétel stb.) után csupán a recept szerinti vízmennyiséget korrigálják, az adalékanyag mennyiségét nem. Vagyis a keverőmester addig változtatja a hozzáadott vízmennyiséget, míg kellő konzisztenciát nem tapasztal. Könnyen belátható, hogy ez esetben az adalékanyagok közül a leginkább nedvesség-megtartó tulajdonságú 0-4 szemcseméretű anyagot (homok) nem pótolják a benne lévő nedvességtartalom arányában. Arról nem is beszélve, hogy általában csak a nedvszívó tulajdonságú anyagot veszik figyelembe, jóllehet a nagyobb szemcseméretű anyag (kavics) is hordoz a felületén nedvességet, különösen a mosott adalékanyag - ez a labormérési tapasztalatok (szárítószekrényes visszamérés) alapján akár a homokban található nedvességérték 10-30%-kát is elérheti. Tehát ha nem alkalmazunk nedvességmérést, illetve a korrekciót kizárólag a vízmennyiségnél érvényesítjük, akkor többszörös hibát követünk el - megváltoztatjuk a szárazanyagok (cement és adalékanyagok), illetve az adalékanyagok szitagörbe szerinti receptben meghatározott arányát, valamint ténylegesen kisebb össztömegű betont keverünk le, hiszen a homokból kevesebbet adagolunk. (Például 8%-os homoknedvesség (800kg/m3) esetén, 6 m3-es
2
betonkiadáskor közel 400 kg-mal kevesebbet keverünk le, mely megegyezik ½ m3 beton homok összetevő mennyiségével!) Nedvességkorrekció Ha tehát nincs nedvességmérővel felszerelve a betonüzem, akkor jobb megoldás ha „vízkorrekció” helyett „nedvességkorrekciót” használunk. Ezt automata vezérlésű betongyáraknál a vezérlőprogramban lehet elvégezni, rendszerint kétféle módon. Az egyik esetben a keverőmester az adalékanyag nedvesség értékét a nap első keverésénél tapasztalatból megállapítja, és ezt a százalékos értéket állítja be a programban, illetve a nap folyamán ezt beírással módosíthatja. A másik módszer szerint a nedvességértéket addig változtatja a keverőmester, míg a program által így korrigált vízmennyiség azonos nem lesz azzal az értékkel amellyel egyébként is csökkentette volna a vízmennyiséget. Ekkor ugyanis a vizet a szokásos rutin szerint kezelte, de ugyanakkor a program a homokpótlást is elvégezte. A nedvességkorrekció révén az alábbi előnyöket érhetjüke el: • valósidejű súlykorrekció az adalékanyaggal bevitt változó vízmennyiség kompenzálására, ezzel az anyag szárazsúlyának állandó értéken tartása, az az állandó adalék/cement arány biztosítása, • a keverékbe adagolt víz mennyiségének kontrolálása, ezzel állandó v/c (víz/cement tényező) tartása, a frissbeton keverék egyenletes bedolgozhatóságának biztosítása, • színes betonok esetében azonos színárnyalat garantálása a különböző keverések során. Mérési eljárások A homoknedvesség meghatározására a legmegbízhatóbb módszer a laborkörülmények között végzett kiszárításos mérés, amely hosszadalmas, de nagyon pontos eredménnyel jár. A nedvességérték folyamatos méréséhez azonban már mérőkészülékre van szükség. A szakma történelme során számos nedvességmérési eljárást próbáltak ki (infravörös, izotópos mérések), de a gyakorlatban végül a villamos tulajdonságok mérése maradt fenn. Ezeknél a nedvesség mérése minden esetben villamos úton történik, kezdve a már nagyon elavult rezisztív (ellenállás) méréstől, a még mindig létező kapacitív elven működő mérésen át a legkorszerűbb mikrohullámú mérésig. A kapacítiv nedvességmérők mérési elve nagyon leegyszerűsítve azon a fizikai alapon nyugszik, hogy egy kondenzátor-cella (esetünkben egy ismert térfogatú, zárt tartályba adagolt és vibrátorral összetömörített homok) kapacitása függ a benne lévő anyag relatív dielektromos állandójától. A nedvességmérést az teszi lehetővé, hogy a víz relatív dielektromos állandója 80, míg az egyéb összetevőké 5 alatt van. Azaz a kapacitás, a dielektromos állandón keresztül szoros kapcsolatban van a mérni kívánt nedvességtartalommal. Az ezen az elven működő mérés azonban több környezeti behatástól is függ. A mért érték függ a hőmérséklettől, a homok tömörödésétől, valamint kis részben a homok egyéb (pl. mágneses) paramétereitől. Ennél fogva ezek a készülékek alapvetően egy kalibrálási eljárás segítségével azt az összefüggést jelenítik meg, mely a tesztkondenzátor és a nedvesség között áll fent. Vagyis a gyakorlatban több ponton is fel kell venni a kapacítás-nedvesség görbét, hogy értékelhető eredményekhez jussunk. Az olcsóbb kapacítiv nedvességmérők eleve egy nonlineáris görbével rendelkeznek, a drágábbakban viszont már olyan mikroprocesszor van, mely a szükséges linearizálást is elvégzi. A ma legkorszerűbbnek modható mikrohullámú mérés a vízmolekulák azon tulajdonságán alapul, hogy bizonyos frekvenciákon rezonálni kezdenek a mikrohullámú elektromágneses tér hatására. (Ezt a hatást használják ki a háztartási mikrohullámú sütők is a vízmolekulák által elnyelt energia hasznosításával.) A mikrohullámok amplitúdója és frekvenciája az anyagnedvességtől függően változik, melyet a mérőrendszer 0,1% pontossággal képes mérni,
3
köszönhetően annak is, hogy a feldolgozó elektronika fejlesztése napról napra komoly eredményekkel jár. Miért éppen a mikrohullámú mérés? Amikor nedvességtartalmat akarunk mérni mikrohullámok segítségével, tulajdonképpen az anyagban lévő vízmolekulák számát próbáljuk meghatározni. A vízmolekula a két pozitív töltésű hidrogén atomjával felfogható úgy mint egy elektromos dipol. Amikor váltakozó elektromágneses térbe kerül akkor a mágneses térhez igazodóan próbál elhelyezkedni mint egy mágnes. Ha azonban egy váltakozó elektromágneses tér hat rá (mint az elektromágneses sugárzás ami váltokozóan pozitív-negatív polaritású), akkor már a változás sebességétől függően alakul a reakciója. Lassan változó térben (alacsony frekvenciájú sugárzás) a vízmolekula tud a mágneses mezőhöz igazodni. Nagyon nagy frekvencián a változás sebessége olyan nagy, hogy a vízmolekula nem képes követni azt. Köztes frekvenciák esetén (mint például a mikrohullámú sütőkben) képes még követni a tér változását, de a gyors váltakozás következtében rezonanciába kerül és energiát emittál (a sütő esetében felmelegíti a körülötte lévő ételt). A jelenség a víz dielektromos állandójával van összefüggésben. (A dielktromos állandó az anyagnak az a tulajdonsága hogy képes elektromos energiát tárolni vagy elnyelni ha váltakozó elektromágneses tér hat rá.) A dielektromos állandó mérése egy megfelelő frekvencián tehát alkalmas a nedvességtartalom meghatározására (mivel a víz dielektromos állandója mintegy nagyságrenddel nagyobb mint a homoké vagy a betoné). Elméletileg egy keskeny, nagy frekvenciájú (10 GHz) mikrohullám nyalábot keresztül bocsájthatunk az anyagon és egy vevő egységgel mérhetjük az elnyelt energiát. A gyakorlati mérések során azonban a Hydronix által kifejlesztett egy-mérőfejes egységek váltak be, ahol a jeladó egy sokkal alacsonyabb frekvenciájú (800 MHz) elektromágneses sugárzást bocsájt ki az anyagba és az ugyanazon fejben lévő antenna veszi a visszavert jeleket. A Hydronix rendszer, más mérőrendszerekhez képest egyedülállóan, kis teljesítményen és változó frekvencián dolgozik, méri az amplitudó különbséget és a frekvencia eltolódást is. A kis teljesítmény betáplálást az teszi lehetővé, hogy a rendszer rezonancia frekvencián működik. Növekvő nedvességtartalomnál a frekvencia és az amplitudó is változik (növekvő rezonancia frekvencia mellett csökken az amplitudo). A módszer előnye, hogy a mérés független a szenzoron lévő anyagréteg vastagságától, így alkalmazható silókban, keverőkben, szállítószalagokon. Az egység mechanikai védelme érdekében a szenzor egy kerámia lapka alatt kerül elhelyezésre - a kerámia ideális anyag, hiszen a mikrohullámok szempontjából „átlátszó”, miközben nagymértékben kopásálló. Az így analóg módon mért jelet egy a mérőszonda fejbe épített mikroprocesszoros kiértékelő egység linearizálja és kondícionálja, oly módon, hogy már egy közvetlenül a nedvességtartalommal arányos jel olvasható ki belőle. A mikrohullámú nedvességmérést az angol Hydronix vezette be a betontechnológiában mintegy 25 évvel ezelőtt. Mára a Hydronix több mint 50.000 szenzort épített be a világ 50 országában, miközben a mikrohullámú rendszer általánosan elfogadottá vált mint a nedvességmérés legsikeresebb és legkorszerűbb módszere. A rendszer elterjedésében nagy szerepet játszott a párhuzamosan fejlődő számítógépvezérlésű betongyártás, így lehetővé vált a két rendszer integrálása és közös fejlődése. A mikrohullámú technológia ma is folyamatosan fejlődik, mely fejlesztő munkában a Hydronix továbbra is úttörő szerepet tölt be. Időközben megjelentek a digitális mikrohullámú szondák, melyek pontosabb mérést tesznek lehetővé szélesebb nedvesség tartományban, valamint egyszerűbb a kommunikáció a jelfeldolgozó rendszerekkel és könnyebbé vált a kalibrálásuk. A digitális mérési technológiánál az amplitudót és a frekvenciát egymástól függetlenül mérjük és akár kombinálhatjuk is a legmegfelelőbb kimeneti jelkarakterisztika eléréséhez. A legcélszerűbb a frekvencia változás mérése a nedvességtartalom változásának meghatározására mivel a frekvenciaváltozás lineáris és közvetlenül arányos a nedvességtartalom változásával.
4
Nedvességmérés a gyakorlatban A betonüzemi gyakorlatban nedvességmérést végezhetünk az un. kézi műszerekkel, melyeknél egy szondát kell a homokba dugni, és leolvasható egy nedvességadat a kijelzőn. Ezt a műveletet célszerű több helyen is elvégezni, mert a nedvességérték nem homogén a tárolóban. Megjegyzendő, hogy a homok kb. 10%-nyi vizet képes megtartani, az ennél nagyobb mennyiségű víz egyszerűen különválva kifolyik a tárolóból. Ez azért fontos, mert természetesen egyetlen nedvességmérő sem képes magának a vízmennyiségnek a mérésére! Miközben az említett víz végül is belekerül az adalékanyag-mérlegbe, onnan pedig a keverőbe. Vagyis ekkor merül fel a valódi mérési igény, a nedvességet ott kell meghatározni, ahová valóban bekerül, ezt beépített nedvesség szondákkal érhetjük el. A nedvesség szondák (szenzorok) kiválasztásánál az alábbi szempontokat kell figyelembe vennünk: • a szenzornak kellően robosztusnak kell lennie a homok illetve beton koptató hatásának elviseléséhez, ugyanakkor egyszerűen és biztonságosan beépíthető kivitelűnek kell lennie, • könnyen illeszthetőnek kell lennie a meglévő vezérlő rendszerhez, egyértelmű kommunikációs protokollal kell rendelkeznie, • alapvető követelmény az egyszerű és megbízható kalibrálhatóság (a legpontosabban mérő szonda is használhatatlan megfelelő kalibrálás nélkül), • jó műszaki tanácsadási és szervíz háttérrel kell rendelkezzen a megbízható folyamatos üzem biztosításához.
1. Ábra: Hydronix Hydro-Probe homoknedvességmérő szenzor beépítése Az automatizált nedvesség-kezelés két újabb fontos kérdést vet fel: • A mérőszondák fizikai elhelyezésének helyes kiválasztását; • A vezérlés algoritmusának megválasztását a korrekt mérési adat elérése érdekében. A szondák megfelelő elhelyezése a legfontosabb. Erre a gyártók több applikációt is javasolnak, de a tényleges szerelési helyet mindíg az adott betonüzemben kell megtalálni. Egy konkrét gyakorlati példa a probléma szemléltetésére: Transzportbeton üzemben lévő soradagolóban egy-egy szektor 2 db ajtót tartalmaz (finomdurva adagolás). A kérdés, hogy hova helyezzük a szondát. A finom, illetve durva vezérlés értelemszerűen eltérő mennyiségű homokadagolást eredményez, vagyis a szalagmérlegen két különböző magasságú homokkupac keletkezik. A vezérlési és mérési feladat úgy fogalmazódik meg, hogy melyikben mérjünk és mikor. Azt a megoldást választottuk, hogy a nedvesség-szenzort a durva ajtó alá szereltük, mert ekkor biztosítottá vált, hogy a szenzor
5
minden körülmények között belemerül a homokba. A mérési mintákat folyamatosan vettük, és a szükséges átlagolásokat és digitális szűréseket követően a finom/durva váltáskor érvényesítettük a homoknedvesség adatot. A program azonnal kiszámolta a szükséges korrekciós mennyiséget és a finom-adagoláskor már ennek megfelelően adagolta a homokot. Természetesen a vízadagolásnál is érvényesült a korrekció. A program nagyon gyorsan képes számolni, ezért még arra is van mód, hogy a nedvesség értékével azonos homokvisszapótlásnál újra futassa le ugyanazt az algoritmust, hiszen ne feledjük, a korrekciós homok mennyiség is tartalmaz nedvességet.
2. Ábra: Nedvességkorrekciós folyamatábra Konzisztencia kontrol Az igényesebb megoldású készülékek (az un. „vízadagoló-komputerek”, vagy konzisztenciamérők) nem csak az adalékszektorokban, hanem magában a keverődobban is érzékelik a nedvességtartalmat, és ráadásul a vízadagolást is önállóan végzik a nedvességtartalomnak megfelelően.
6
3. Ábra: Hydronix Hydro-Mix fenékszonda beépítése a keverőgépbe Az ilyen berendezések a keverődobban elhelyezett fenék-, vagy oldalszondával mérik a nedvességet, illetve a Hydronix rendszer esetén akár az un. orbiterrel, mely a keverőlapátokhoz hasonlóan forog a keverékben.
4. Ábra: Hydronix Orbiter elhelyezése a keverőgép rotorján Ezek a „víz-komputerek” a betongyártást vezérlő egységekkel (számítógép) soros vonalon kommunikálnak. A kettő közötti adatfolyamot egy meghatározott protokoll rögzíti, azaz a kommunikáció egy pontos dialógus alapján folyik. Felmerül a kérdés, általában milyen paramétereket kér a betongyártó számítógéptől a „vízadagoló-komputer”? • Receptkód: ezzel azonosítja be a korábban felvett kalibrációs görbét • Keverési mennyiség: általában a keverődob kapacításának %-ában • Bemérlegelt cement mennyiség: kg-ban megadott tényleges kötőanyag mennyisége • V/C (víz-cement) tényező • Előviz (ha van): az a víz mennyiség melyet a vezérelő számítógép fog majd beadagolni. Ennek a paraméternek a megadásával gyorsítható a gyártás, ugyanis ezt a vízmennyiséget nem kell nagy pontosságú vízórán át adagolni a „víz-komputernek”. Az alkalmazott algoritmus tartalmazza továbbá azt a parancsot is, hogy mikor kezdődjék a nedvességmérés a szárazanyagban, hiszen ezt csak a vezérlés „tudja”. A biztonságos kommunikációt un. visszaigazolások segítik, illetve hibaüzenetek informálják a kezelőt (pl. „túl sok víz”, „nincs víz”). Ezek a konzisztencia-mérő készülékek a keverődobban lévő szárazanyag nedvesség meghatározásával (száraz-keverés) indítanak, majd a V/C tényezőt referenciaként kezelve adagolják nagy pontosságú vízórán keresztül a vizet. Ekkor kezdődik a nedves-keverés, melynek célja, hogy a receptnek megfelelő bedolgozhatóságú és homogén konzisztenciájú beton készüljön. Ez a szabályozási ciklus meglehetősen időigényes, hiszen a készülék a nedvességtartalom egy tűrésen belüli állandósult értékének elérésig várakozik, majd ezt követően jelzést ad a gyártást vezérlő számítógépnek a keverék ürítésére.
7
5. Ábra: A Hydronix Hydro-Control konzisztencia-komputere A vízadagoló célszámítógépek tehát egy kalibrálási procedúra után arra képesek, hogy egy meghatározott beton konzisztenciát beállítsanak, azaz sorozatban reprodukálják az igényelt bedolgozhatóságot. Ehhez azonban jelentős (akár 70-100 sec.) időre van szükség. Ebből következően a készülékek alapvetően csak előregyártó betonüzemekben alkalmazhatóak, ahol a nagyobb (sokszor 60 sec-ot is meghaladó) keverési idő lehetőséget is teremt erre. A transzportbeton üzemekben azonban, tapasztalataink szerint az egyszerűbb, de gyorsabb megoldást igénylik. Egyszerűbb konzisztencia meghatározási módszerek A fent ismertetett készülékek szolgáltatásuk magas színvonala miatt drágák. Ezért a még megfizethető, de ugyanakkor jól használható módszerek is elterjedtek a gyakorlatban. Ilyen például, amikor a keverőmotor áram (teljesítmény) felvételét mérjük, hiszen ez (ha nem is lineárisan de) arányos a betonkeverék konzisztenciájával. A mérési adatot aztán különféle módon lehet megjeleníteni a legegyszerűbb analóg, vagy digitális áramkijelzőtől a monitoron látható „bar-graf”, vagy osszcillogram képéig, amely képes mutatni az áramfelvétel időfüggvényét. Összegezve elmondható, hogy ezek az egyszerű megoldások csak kijelzéssel bírnak (szabályzással nem), ezért inkább kiegészítő funkciót töltenek be. De még mindig inkább javasolt alkalmazni őket, mint csupán becslés alapján meghatározni a beton konzisztenciáját. A költség oldal Elméletileg száraz adalékanyagok használatával a betonminőség egyszerűen kézbentartható lenne. Könnyen belátható azonban, hogy célszerűbb beruházni a nedvességmérésbe, mint az erre fordítandó összeg többszörösét elkölteni az adalékanyagok szárazon tartására. A gyakorlatban ha köbméterenként 10 liter vízzel többet adagolunk a betonhoz (illetve viszünk be az adalékok nedveségtartalmával) a tervezett értéknél, az 25 mm-el növeli a kúproskadást, 2 N/mm2-el csökkenti a nyomószilárdságot, 15 kg cement kötőhatásának elvesztését jelenti, 10%-al növeli a beton zsugorodási hajlamát, 50%-al növeli a beton porozitását, 20%-al csökkenti a fagyállóságot és csökkenti a beton olvasztósó-álló képességét. Nedvesség szabályozás nélkül ennek kompenzálása, az elvárt paraméterek biztos teljesítése csak az összetevők túladagolásával lehetséges. A „próbálgatásos” konzisztencia beállítás a beton túlkeveréséhez, ezzel többlet energia felhasználáshoz és a szétosztályozódás veszélyéhez vezet.
8
Konzisztencia kontrol segítségével ugyanakkor az adagolási pontosság az átlagos ±2,0%-ról ±0,5%-ra növelhető, az elvárt szilárdságú beton biztonságos előállításához így pontosabban adagolt, kisebb mennyiségű összetevők elegendőek. A korszerű nedvesség mérő rendszerek alkalmazása tehát igen látványos és gyors költség megtakarítást eredményez. A megtakarítás már néhány hónapnyi használat után kézzelfoghatóvá válik a cement, adalékanyag (esetleg festék) megtakarításon, a selejt betonok minimalizálásán és az energia megtakarításon, nem beszélve a betongyártó szakmai-piaci elismertségének növekedése révén realizált vállalkozási előnyökről. Összefoglalva A korszerű betontechnológia ma már megköveteli a folyamatos nedvességmérésen alapuló nedvességkorrekciót a transzportbeton gyártásnál, illetve konzisztencia kontrolt a vasbetontermék előregyártásban. A jelenleg legkorszerűbbnek tartott mérési módszer a nedvességtartalom meghatározására a mikrohullámú mérés, melynek úttörő kifejlesztője és piacvezető szállítója az angol Hydronix. A nedvességkorrekció segítségével nem csak az elvárt beton paraméterek (szilárdság, bedolgozhatóság, színárnyalat) egyenletessége biztosítható, de jelentős termelési költség megtakarítások is elérhetők növelve mindezzel a betongyártó vállalkozások piaci versenyképességét.
