Измерение уровня сыпучих материалов
Имеется ряд обстоятельств, усложняющих задачу измерения уровня сыпучих материалов по сравнению с измерением уровня жидкостей. Прежде всего это неоднородность веществ в объеме, связанная с наличием пространства между твердыми частицами, заполненного газом. Степень неоднородности зависит от размеров частиц и непосредственно влияет на физические свойства материала, что усложняет применение методов измерения уровня, использующих определенные физические свойства. Следующая трудность измерения уровня обусловлена ограниченной подвижностью частиц из-за действия сил трения и сцепления между частицами, результатом чего является отсутствие горизонтальной плоскости раздела газ — материал.
Поверхность сыпучего материала расположена к горизонтали под углом естественного откоса, причем этот угол при заполнении или опорожнении емкости может быть различным. Ограниченная подвижность частиц приводит к сводообразованию, нарушающему нормальную работу измерительных устройств. Следствием ограниченной подвижности является зависимость давления внутри сыпучей массы от ориентации единичной площадки, формы бункера, коэффициента трения материала о стенки, что ограничивает применение методов измерения уровня, основанных на зависимости давления от уровня (по типу гидростатических).
Отрицательными качествами сыпучих материалов является способность к налипанию и абразивное воздействие. Усложнить работу уровнемеров может также запыленность газового пространства, что влияет на электрические свойства среды, а также предъявляет повышенные требования к обеспечению взрывобезопасности.
Простейшими по принципу действия уровнемерами для сыпучих материалов являются массовые, основанные на взвешивании бункера вместе с заполняющим его материалом. В качестве преобразователя в этих уровнемерах может быть использована гидравлическая мессдоза, которая служит опорой одной из лап бункера. Мессдоза представляет собой стальной корпус с поршнем, на который опирается лапа бункера. Поршень давит на герметизирующую металлическую мембрану. Внутренняя полость корпуса (под мембраной) заполнена жидкостью и соединена с манометром. Давление жидкости в системе мессдоза-манометр равно силе тяжести бункера с материалом, деленной на площадь поршня. Манометр градуируется в единицах массы или уровня. Погрешность таких уровнемеров достигает ±10%. В массовых уровнемерах вместо мессдозы могут применяться и более совершенные магнитоупругие преобразователи, обеспечивающие более высокую точность измерения (их погрешность не более ± 5 %). Основной элемент таких преобразователей — металлический чувствительный элемент, магнитная проницаемость которого изменяется при упругой механической деформации. Магнитоупругие преобразователи устанавливаются под опоры бункера и включаются в схему неуравновешенного моста, выходной сигнал которого зависит от степени деформации преобразователя, т.е. от количества материала в бункере.
Из всех электрических методов измерения уровня наиболее применимым является емкостный метод. Это объясняется как простотой конструкции емкостного преобразователя, так и малой чувствительностью их к неоднородностям. Как правило, преобразователи применяются одноэлектродными в виде зондов или изолированных тросов, вторым электродом является стенка бункера или вспомогательный электрод.
Основной недостаток таких уровнемеров — разрушение изоляционного покрытия преобразователя, налипание материала, зависимость показаний от изменения электрических свойств материала, вызванного, например, изменением его состава или влажности.
Специфическим уровнемером для сыпучих материалов является лотовый (рис. 1).
Рис. 1. Схема лотового уровнемера сыпучих материалов: 1 - лот; 2 - гибкий трос; 3 - сигнальное устройство; 4 - отсчетное устройство; 5 - механизм подъема лота
Чувствительным элементом таких уровнемеров представляет массивное тело — лот 1, подвешенное на гибком тросе 2. В начале цикла измерений лот зафиксирован в предельном верхнем положении. Цикл измерения уровня начинается с момента растормаживания лота, при этом под действием собственного веса лот начинает опускаться. В этот же момент сигнальным устройством 3, реагирующим на натяжение троса, включается отсчетное устройство 4, регистрирующее смещение лота относительно первоначального предельного положения. В момент касания лотом поверхности натяжение троса уменьшается и сигнальное устройство отключает отсчетное устройство, одновременно включая механизм подъема лота 5, возвращающее лот в исходное положение, после чего цикл измерения повторяется. Показания отсчетного устройства позволяют определить текущее значение уровня. Перед началом следующего цикла измерения показания отсчетного устройства должны быть сброшены. По такой схеме работает уровнемер сыпучих тел УСТ-2 (пределы измерения 0...25 м, основная относительная погрешность ± 2,5 %).
Возможен бесконтактный вариант лотового уровнемера. В схеме такого уровнемера чувствительный элемент — лот не касается поверхности материала, а при любом уровне удерживается на определенном расстоянии от поверхности. Принцип действия основан на зависимости какого-либо реактивного параметра (емкости или индуктивности) чувствительного элемента — лота от положения относительно поверхности материала. Если при исходном положении лота уровень увеличился (т.е. поверхность материала приблизилась к лоту), то изменится его реактивный параметр и следящая система поднимет лот в такое положение, при котором значение реактивного параметра восстановится. Это означает, что положение лота относительно поверхности восстановилось, т.е. по положению лота можно судить об уровне материала. Положение лота измеряется электромеханической схемой и преобразуется в выходной сигнал. Примером такого уровнемера служит уровнемер РУДА-ЛOT для сыпучих мелкодисперсных материалов. Его верхние пределы измерения от 6 до 40 м, класс 0,5, выходной сигнал аналоговый или цифровой.
Для сигнализации загрузки или опорожнения бункеров применяются сигнализаторы уровня. Среди сигнализаторов уровня электропроводных материалов наиболее простыми являются кондуктометрические. Принцип действия таких сигнализаторов заключается в замыкании электрической цепи «стенка бункера—материал— электрод» при касании поверхностью материала электрода. Основные недостатки при эксплуатации: механическое разрушение электродов под действием материала, возможность ложных срабатываний из-за утечек через запыленную среду (обычно во избежание этого на электроды устанавливают охранные кольца). Надежная работа обеспечивается сигнализаторами, установленными в местах, где исключена возможность образования пустот. В качестве сигнализаторов уровня используются емкостные сигнализаторы с резонансной схемой измерения, например типа СУС. В таких устройствах емкостной преобразователь, образованный электродом и стенкой бункера или двумя электродами, совместно с катушкой индуктивности образуют колебательный контур. На него от высокочастотного генератора подается напряжение постоянной амплитуды фиксированной частоты, близкой к резонансной частоте контура при отсутствии среды в зоне чувствительного элемента. В этом случае с контура снимается сигнал максимальной амплитуды. Появление контролируемой среды в зоне чувствительного элемента вызывает изменение емкости, что приводит к изменению резонансной частоты и вызывает уменьшение амплитуды снимаемого с контура сигнала в соответствии с его амплитудно-частотной характеристикой. При определенной амплитуде снимаемого сигнала срабатывает выходное реле.
Находят применение также сигнализаторы с механическим чувствительным элементом. В сигнализаторе СУСМ — ПЭМ чувствительным элементом является механический щуп, поворачивающийся вокруг собственной оси до момента торможения контролируемым материалом. Привод — пневматический, выходной дискретный сигнал — электрический или пневматический, погрешность срабатывания от ±1 до ±10 мм.