Измерване ниво на насипни материали
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 9, 2006
Методи за определяне нивото на насипни материали в определена точка или непрекъснато
За методите, подходящи за измерване нивото на течности, се говори и пише често. На темата за измерване нивото на насипни материали обикновено не се обръща толкова голямо внимание, въпреки че като приложна област те не отстъпват на инженерните задачи, при които се изисква да се следи нивото на течности. Ниво на насипни материали се измерва в области като добива на горива, фармацевтичната и хранително-вкусовата индустрии, химическата промишленост и много други. При това, следенето на нивото на запълване на определени съдове с насипни материали е свързано с редица специфики, които затрудняват приложението на някои от широко използваните принципи за измерване нивото на течности. В статията са разгледани някои методи, подходящи за следене нивото на насипни материали - в определени точки от височината на съда или непрекъснато.
Специфики, свързани с измерването
За разлика от течностите, които образуват хоризонтална разделителна повърхност с газовата среда над тях, такава при насипните материали не съществува. Причина е ограничената подвижност между частиците поради действащите сили на триене и сцеплението между тях. Отсъствието на хоризонтална разделителна повърхност между насипния материал и газовата среда над него затруднява - при това съществено - измерването на нивото им. Нормалната работа на измервателните уреди се нарушава допълнително и от т.нар. сводообразуване, дължащо се също на ограничената подвижност на частиците.
Измерването на нивото на насипни материали се усложнява най-вече поради нееднородността им в определен обем, дължащо се на наличието на газово пространство между твърдите частици. От своя страна, степента на нееднородност се определя от размера на твърдите частици. Физичните свойства на материалите зависят от степента на нееднородност. Поради тази причина, широко използвани за следене нивото на течности методи, базирани на промяна на определена физическа характеристика на средата при изменение на нивото на запълване на съда, при насипните материали са трудно приложими.
Друга трудност при измерване нивото на насипни материали се дължи на съществуващата зависимост на налягането вътре в насипния материал от ориентацията и формата на бункера, както и от коефициента на триене на материала в стената на съда. Поради тази причина, приложението на принципа, основан на връзката между нивото на запълване на определен съд и налягането на веществото в него, при насипните материали е силно ограничено.
Съхранението и транспортирането на насипни материали обикновено е съпроводено със силна запрашеност на газовото пространство над тях, което оказва влияние върху електрическите свойства на материалите. Върху измерването на нивото на насипните материали влияе и характерната за повечето от тях способност да полепват по стените на съда, както и абразивното им действие.
Тегловни нивомери за насипни материали
За измерване нивото на насипни материали в бункер широко се използват тегловни измервателни методи. При тях за нивото на запълване на съда се съди по изменението на теглото на бункера заедно със запълващия го материал. Предлагат се различни като конструкция тегловни нивомери. Например, съществуват модели нивомери, при които се използват магнитни преобразуватели. При тях основен елемент на преобразувателя е магнитен чувствителен елемент. Теглото на бункера, по което се съди за нивото на запълването му с насипен материал, е функционално свързано с еластичната деформация на металния чувствителен елемент. На всяка промяна в степента на деформация на елемента съответства точно определено изменение на магнитната му проницаемост. Магнитните преобразуватели се монтират под опорите на бункера и се включват в схемата на неуравновесен мост. Изходният сигнал от моста зависи от степента на деформация на преобразувателя, а тя е пряко свързана с нивото на запълване на бункера.
Освен с магнитен преобразувател, тегловните нивомери се изпълняват с херметично затворена мембрана със закрепено към нея бутало. При тези нивомери, буталото се опира в основата на бункера. Пространството под мембраната се запълва с течност. Всяка промяна в нивото на запълване на бункера с насипен материал води до съответстващата й промяна в налягането на течността под мембраната. Описаните нивомери са елементарни като конструкция, но за сметка на това са доста по-неточни в сравнение с моделите с магнитни преобразуватели.
Основно предимство на тегловните измервателни методи е, че дават възможност за непрекъснато следене нивото на запълване на съда с насипен материал. Предлаганите на пазара модели тегловни нивомери предлагат широко разнообразие от конструкции със съответстващите им метрологични и приложни характеристики.
Моментно измерване на ниво
Нивото на запълване на съд в даден момент е възможно да се определи чрез конструкцията на уред, при който като чувствителен елемент се използва масивно тяло, закрепено на гъвкава лента. Чувствителният елемент е свързан с отчитащо устройство. Преди старта на измервателния процес чувствителният елемент се намира в горно крайно положение. Съответно, измерването започва, когато се освободи чувствителният елемент. Отчитащото устройство следи преместването му прямо началното положение. Свободното падане на масивното тяло продължава до момента, в който то достигне до материала. Тогава, опъването на лентата намалява и се включва механизъм, повдигащ чувствителния елемент до крайно горно положение. Нивото на запълване на съда се определя в зависимост от показанията на отчитащото устройство.
Описаният нивомер се отличава с елементарна конструкция, но възможностите му позволяват нивото на насипния материал да се измерва в определен момент, а не непрекъснато. Освен това, поради отсъствието на хоризонтална разделителна повърхност между материала и намиращата се над него газова среда, измерването на нивото е само по определена вертикала.
Електрически методи за насипни материали
От електрическите методи за измерване нивото на насипни материали най-широко се използват капацитивните. Както и при уредите за течности, нивото на запълване се определя в зависимост от изменението на капацитета на кондензатор, образуван между два електрода в съда. Известно е, че най-общо капацитетът на един цилиндричен кондензатор се определя от диелектричната проницаемост на вакуума, относителната диелектрична проницаемост на средата, която запълва пространството между електродите, височината им и диаметрите на вътрешния и външния електрод. Лесно се извежда зависимостта на сумарния капацитет на кондензатора, в която участват и капацитетите на частта от преобразувателя, намираща се в насипния материал и в газовото пространство над него. От нея следва общовалидният извод, че за приложения, при които относителната диелектрична проницаемост на насипния материал, запълващ пространството между електродите, е константна величина, сумарният капацитет на кондензатора зависи еднозначно от измерваното ниво. Най-често за измерване на капацитета на кондензатора се използват мостови схеми.
Особености на капацитивните методи
Основна предпоставка за широкото използване на капацитивния метод за измерване нивото на насипни материали е ниската му чувствителност към нееднородностите, дължащи се на наличието на газово пространство между твърдите частици. Други предимства на метода са елементарната конструкция, лесното обслужване, отсъствието на подвижни елементи, удобството за монтаж на първичния преобразувател. Обикновено преобразувателите се изпълняват във вид на сонди, а във функцията на втори електрод се използва стената на бункера.
Основен недостатък на капацитивните методи при използването им за измерване нивото на насипни материали е зависимостта на показанията от изменението на електрическите им свойства. Причина за изменение на електрическите свойства на материалите са промени във влажността или състава им. Точността на метода се влошава и в резултат на полепването на материала по електрода, характерно за редица приложения. Не бива да се подценяват и проблемите, до които води разрушаването на изолационното покритие на електрода на преобразувателя.
Лопаткови нивосигнализатори
Разнообразието от конструкции технически средства за определяне нивото на насипни материали се допълва и от специално разработени модели лопаткови нивосигнализатори. Използват се във функцията на сигнализатори за крайно горно и/или крайно долно положение. Подходящи са за широко разнообразие от насипни материали с различна едрина и вид на частиците, включително гранулати и прахообразни вещества. Важно условие за оптималната им работа е материалът да е сух. Лопатковите нивосигнализатори са крайно неподходящи за материали с висока степен на влажност.
Чувствителният елемент на този вид сигнализатори представлява лопатка, свързана обикновено гъвкаво към вала на двигател. Предлагат се модели с различен брой, форма и големина на лопатките, включително с една, две, три, четири перки. Общото между тях е, че в отсъствието на материал лопатките се въртят свободно с определени обороти. Когато материалът достигне до сигнализатора, въртенето на лопатките се затруднява. Вграденият в корпуса на уреда преобразувател подава алармен сигнал, че нивото на запълване на съда с материала е достигнало крайно горно или долно положение. За да се удължи живота на двигателя, привеждащ в движение лопатките, веднага щом материалът достигне до тях, захранването му се спира. Съответно, щом нивото на материала спадне, двигателят се включва и лопатките започват да се въртят с номиналните си обороти.
Във възможностите на съвременните модели лопаткови нивосигнализатори е да разпознават кога преустановеното въртене на лопатките се дължи на електрическа или механична повреда, или е резултат от покачването на нивото на материала. Стриктният им монтаж според изискванията на производителя е от критично важно значение за оптималната им и надеждна работа. При всички случаи е важно да се спази изискването оста на вала, върху който са присъединени лопатките, да е перпендикулярна на стената на съда в мястото на монтаж.
Вибрационни нивосигнализатори
Друг принцип, използван в нивосигнализаторите за насипни материали, е вибрационният. Основно предимство на метода е възможността за използването му за материали с широк диапазон на изменение на плътността - от фини прахообразни материали до едрозърнести гранулати.
Чувствителният елементи при този тип нивосигнализатори е вибриращ прът. Той се захранва енергийно и довежда в състояние на резонанс. Съответно, когато материалът достигне до вибриращия с определена честота и амплитуда на вибрациите прът, се наблюдава процес на затихването им. Електронният блок на уреда моментално регистрира затихването и подава алармен сигнал за достигането на материала до определено ниво.
Вибрационните уреди се използват за сигнализация както на крайно горно, така и крайно долно ниво на запълване на силози и бункери, съдържащи захар, цимент, варовик, пясък и други насипни материали. Въпреки това се счита, че са по-подходящи във функцията на сигнализатори за крайно горно положение на бункера или силоза. Ако се използват като уреди, сигнализиращи когато материалът достигне определено ниво, намиращо се близо до дъното на съда, е необходимо да се вземат съответни предпазни мерки. В подобни приложения, вибриращият прът следва да се защити от високото налягане, което материалът би упражнявал върху него в ситуациите на запълване на силоза или бункера. Затова, когато се използват за сигнализация на крайно долно положение, чувствителният им елемент се екранира.
Обикновено моделите вибрационни нивосигнализатори са подходящи за използване при материали с плътност от 50 kg/m3 и нагоре. Сред предимствата им са лесното инсталиране и настройване на уреда.
Оптични методи
за измерване
Въпреки някои критики, за измерване нивото на насипни материали в различни области от индустрията, например хранително-вкусова, химическа, целулозно-хартиена и минна промишлености, се използват и лазерни нивомери. Предимство на този вид нивомери е високото бързодействие, дължащо се на голямата скорост на разпространение на светлината. Високата колимираност на лазерния сноп позволява използването на този вид нивомери за измерване нивото на запълване на тесни и дълбоки бункери и силози.
Принципът на действие на лазерните нивомери не се различава съществено от добре познатия ултразвуков принцип за определяне нивото на насипни материали. Отличителни характеристики на ултразвуковите нивомери са безконтактното измерване и високата им надеждност. Приложението на ултразвуковия и лазерните принципи за определяне нивото на различни насипни материали е свързано с редица специфики, които ще разгледаме в отделна статия.
Вижте още от Измервателна техника
Новият брой 6/2024
