Näytteenottolaitteen kehitys kiinteiden biopolttoaineiden online-kosteusmittaussovellukseen

Abstract

Insinöörityön tavoitteena oli suunnitella Vaisala Oyj:lle automaattinen näytteenottolaite demosovellukseen, joka perustuu kiinteiden biopolttoaineiden reaaliaikaiseen kosteuspitoisuuden määrittämiseen NMR-mittauksella. NMR-mittaus on luotettavampi ja tarkempi menetelmä useimpiin muihin kosteuden online-mittauksiin verrattuna, mutta sen kaupalliset sovellukset eivät vielä ole yleistyneet.

Näytteenottolaitteen suunnittelussa tuli huomioida sekä kosteusmittaussovelluksen asettamat reunaehdot että näytteenottoa koskevien standardien ohjeistukset. Työssä tutkittiin aluksi laitteen mekaanisia ja geometrisia vaatimuksia mallintamalla testiympäristö. Ratkaisuksi esitettiin erilaisia rakennevaihtoehtoja kahden lineaariakselin yhdistelmästä aina teollisuusrobottiin. Odotuksena oli kuitenkin kehittää liikeradoiltaan ja ohjattavuudeltaan mahdollisimman joustava ratkaisu, mikä tarkoitti useita ohjelmoitavia vapausasteita.

Eri vaihtoehtoja vertaamalla päädyttiin lopulta hankkimaan käytetty kuusiakselinen nivelrobotti. Nivelrobotin todettiin olevan joustavin ja edustavin ratkaisu, jolle myös demosovelluksen jälkeen voi löytyä muuta käyttöä. Robotille suunniteltiin tarttuja näyteastian käsittelyä varten sekä rajapinta, jolla robottiohjain saatiin kommunikoimaan mittalaitteen ja vaakaelementin ohjausjärjestelmän kanssa.

Näytteenoton toimivuutta NMR-mittaussovelluksessa testattiin kuljetinradalla, jossa näyte saatiin otettua putoavasta materiaalivirrasta. Testit onnistuivat odotetulla tavalla, ja niiden pohjalta järjestelmän kehitystä on tarkoitus jatkaa.

The purpose of this final project, commissioned by Vaisala Oyj, was to design an automatic sampler to be used in a demo application based on real-time determination of moisture content in solid biofuels. The moisture content is measured by an NMR analysis, which is a more reliable and accurate method compared with many other online measurement systems, but commercial NMR applications are still very rare.

Designing began by modeling the installation environment with different structures of the sampler. Not only the requirements set by the measurement application, but also instructions and recommendations according to technical standards had to be considered during the design work. As a result, few alternative structures from a simple linear axis system to an industrial robot were presented for comparison. The expectation, however, was to find a solution with flexible maneuverability and controllability, meaning several programmable degrees of freedom.

Comparing different options resulted as a decision to purchase a used industrial robot. The six-axis robot manipulator was assumed to be the most representative and flexible solution for this application. In addition, it can be used in other applications afterwards. The robot was equipped with a specially designed gripper to handle the sample container. To make the robot controller to communicate with the control unit of the NMR spectrometer and the scale, a simple software interface was programmed.

Operation of the entire system was tested with a real conveyor system built for research purposes. The robot was installed next to the intersection of two conveyor lines in order to cut the sample from freefalling material flow. The on-site tests were completed successfully, and the results will be used as a basis for the further development of both the sampler and the NMR spectrometer.