Измерение уровня и расхода для сыпучих материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Измерение уровня и расхода для сыпучих материалов

Выполнил:

студент группы 5а98

Крахалева Н.В.

Проверил:

Шарова Е.С.

Томск-2012

1. Сыпучий материал

Наиболее распространенное определение «сыпучий материал - это коллектив частиц обладающих одной природой». Применительно к измерению уровня, под сыпучими материалами следует понимать не только коллектив частиц обладающих одной природой, но и смеси сыпучих материалов содержащие в определенных пропорциях два и более компонента. сыпучий материал газ

Физико-механические свойства сыпучих материалов и смесей описываются:

- гранулометрическим составом - количественным распределением его частиц по линейным размерам;

- насыпной плотностью или объемной массой - массой материала находящегося в единице занимаемого им объема;

- влажностью - отношением веса влаги в сыпучем материале к весу влажного материала;

- текучестью - способностью сыпучих материалов вытекать с той или иной скоростью из различных отверстий;

- углом естественного откоса - углом образуемым линией естественного отвала сыпучего материала и горизонтальной плоскостью;

- адгезией - способностью частиц сыпучих веществ, прилипать к твердым поверхностям.

Для выбора датчика уровня решающее значение имеют гранулометрический состав, насыпная плотность и адгезия для ротационного и вибрационного принципов; влажность и адгезия для емкостного принципа измерения уровня; угол естественного откоса для всех принципов измерения.

Большое разнообразие физико-механических свойств сыпучих материалов и огромное количество их видов требуют учета особенностей измерения уровня при выборе принципа измерения, подборе датчика уровня.

Для измерения уровня сыпучих веществ используют датчики механического принципа (ротационные, вибрационные, лотовые), емкостного, ультразвуковой эхолокации, микроволновой радиолокации, тензометрии.

Уровнемеры измеряют уровень цемента, гипса, песка, щебня, угля, угольной пыли, технического углерода (сажи), полипропилена, руды, компонентов минеральных удобрений, апатита, зерна, комбикорма и т.д.

В отличии от жидких продуктов, сыпучие материалы не имеют ровной поверхности границы раздела сред воздух/продукт. Поэтому погрешность измерения уровня будет определяться размером неровностей (единицы сантиметров) на поверхности, а не собственной погрешностью уровнемера (единицы миллиметров).

Дополнительным фактором влияющим, на процесс измерения уровня сыпучих материалов является образование на поверхности продукта конуса, при загрузке, либо впадины конусообразной формы, при отгрузке.

Лотовые датчики уровня:

Электромеханические преобразователи уровня, в которых чувствительный груз закреплен на конце троса или ленты намотанных на барабан (катушку) расположенный в датчике. Датчик устанавливается на верхней крышке емкости. Электродвигатель вращает катушку с тросом, в результате чего груз движется к нижнему уровню емкости. Как только чувствительный груз достигнет поверхности материала, изменится натяжение троса, что будет отслежено электроникой, направление вращения двигатели изменится на противоположное и трос вновь намотается на барабан. Число оборотов катушки с тросом отлеживается микроэлектроникой и переводится в значение уровня. Значение уровня на выходе лотового датчика уровня формируется в универсальном аналоговом стандарте 4 - 20 мА, Modbus, Profibus.

Установка только вертикально. Обнаруживает вещества с плотностью от 20 гр./литр. Температура процесса до 250єС. Измеряемый уровень до 40 метров. Допуски для использования в местах с опасностью взрыва газа и пыли. Точность измерения 1см/2,5см/5см/10см в зависимости от модели. Программируемый интервал периода измерения уровня (от 6 минут до 100 часов). Входы управления для останова измерения во время загрузки и ручного старта процесса измерения.

Ультразвуковые датчики уровня:

Бесконтактные датчики уровня непрерывного действия. Используют явление отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела сред газ - твердое вещество. Электронный блок ультразвукового уровнемера измеряет время прохождения излученного ультразвукового импульса от датчика до границы раздела сред и обратно. Чем больше уровень материала в емкости или силосе, тем меньше время прохождения импульса от датчика до материала и обратно. Так как скорость распространения звука в воздухе составляет 331 м/сек., а измеряемые уровни не превышают 70 метров, поэтому измерение уровня можно проводить ежесекундно. Благодаря этому ультразвуковые датчики осуществляют именно непрерывное измерение, тогда как, лотовым датчикам требуется намного большее время на разматывание и сматывание троса. Основа электронного блока - микропроцессорное устройство, которое позволяет запрограммировать отключение датчика на время периодического прохождения механизма, например лопасти мешалки. Ультразвуковые датчики изготавливаются в виде моноблока с индикаторным устройством и блоком программирования, либо с отсутствием таковых. В этом случае управление осуществляется через ПК. Выходные сигналы формируются по стандартным протоколам 4 - 20 мА, Modbus, Profibus и др.

Установка вертикально сверху или под небольшим углом в зависимости от профиля измеряемой поверхности. Диапазон измерения уровня до 60 метров. Точность измерения 0,25%. Температура процесса до 150єС. Взрывобезопасное исполнение. Автоматическая температурная компенсация.

Акустические датчики уровня:

Акустические уровнемеры - разновидность ультразвуковых датчиков непрерывного измерения уровня. Акустический датчик уровня излучает очень мощные акустические волны, которые отражаются от поверхности измеряемого вещества. Отраженный сигнал обрабатывается при помощи специально разработанного программного обеспечения (Nivowave ПО), для того чтобы отфильтровать полезный сигнал и подавить ложное эхо.
Метод обработки принятого эхо-сигнала позволяет снизить до минимума потери сигнала. Благодаря применению очень мощного импульса, затухания имеют гораздо меньшее влияние по сравнению с обычными ультразвуковыми приборами. Излучаются более мощные сигналы, соответственно, принимаются тоже более мощные отраженные сигналы. Приемная электроника позволяет распознать и обработать очень слабые эхо-сигналы, также в комбинации с сильными шумовыми помехами.

Микроволновые радарные уровнемеры:

Универсальные приборы непрерывного измерения уровня, по принципу работы аналогичны ультразвуковым уровнемерам, так же используют принцип отражения волн от границы раздела сред. Отличие заключается в том, что ультразвуковые датчики уровня работают в диапазоне излучения 5 - 50 кГц, а микроволновые радарные датчики используют частоты 6 - 95 ГГц. Радарный датчик уровня построен по принципу радиолокатора, что позволяет минимизировать влияние паразитных помех и помех, связанных с неровностью измеряемой поверхности. Так же как и ультразвуковые уровнемеры не имеют контакта с измеряемым объектом, но в отличие от ультразвуковых датчиков, обладают намного меньшей чувствительностью к влиянию температуры и давления в рабочей емкости, а так же их изменению. Радарные уровнемеры обладают большей устойчивостью к таким негативным для других приборов явлениям, как запыленность, пенообразование, испарения с измеряемой поверхности. Важной характеристикой влияющей на уровень измерения и точность, является размер и тип применяемой антенны. Различают рупорные, стержневые, трубчатые, параболические и планарные антенны. Чем больше размер антенны, тем более мощный и узконаправленный сигнал она формирует, соответственно обеспечивается максимальная дальность и максимальная разрешающая способность микроволнового радарного уровнемера.

Точность измерения уровня ±1мм., что позволяет использовать микроволновые радарные уровнемеры для целей коммерческого учета. Температура процесса до +250єС. Диапазон измерения уровня до 50 метров. Диэлектрическая постоянная измеряемого вещества должна быть более 1,6. Клейкие вещества могут вызывать отказы.

Рефлексные (волноводные) микроволновые преобразователи уровня:

По принципу работы аналогичны микроволновым радарным уровнемерам, но в отличие от них микроволновый импульс распространяется не в воздухе или другом газе, а по специальному волноводу - зонду. Микроволновые электромагнитные импульсы походят по зонду и отражаются от границы резкого изменения диэлектрической проницаемости - границы раздела воздуха (газа) и твердого или жидкого вещества. Разница во времени между моментом излучения микроволнового импульса и моментом приема отраженного сигнала пропорциональна расстоянию до продукта или границы раздела двух сред. Мощность отраженного сигнала тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость материала. Для измерения уровня раздела двух сред, например воды и шлама, используется остаточная энергия импульса от первого отражения, так как часть энергии микроволнового импульса не отражается от границы сред, а продолжает свое движение по волноводу. В качестве зонда - волновода могут применяться трос, стержень или коаксиальная конструкция.

Волноводная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с радарной, так как импульсы в волноводе практически не восприимчивы к изменениям окружающей среды в резервуаре. Это позволяет использовать их для решения задач измерения в сложных условиях - высокая температура, избыточное давление, запыленность, бурление, пенообразование, пары и газы над измеряемым продуктом. Рефлексные уровнемеры незаменимы в узких и высоких емкостях, где применение радаров ограничено диаграммой направленности антенн.

Диапазон измерения уровня до 30 метров. Точность измерения ±5 мм. Диэлектрическая проницаемость измеряемой среды от 1,3е. Температура измеряемой среды от -30 до +200єС. Выходные сигналы стандартных протоколов 4 - 20 мА, Modbus, Profibus, HART и др.

Емкостные преобразователи уровня:

Используют тот же принцип работы, что и емкостные сигнализаторы предельного уровня. Активный зонд прибора (трос, стержень, кабель) и проводящая стена емкости (или заземленный второй зонд, или специальная труба, одетая на зонд, если стена емкости сделана из не проводящих материалов) создают пластины конденсатора. Изолятором в этом конденсаторе является либо воздух, либо другой материал в емкости, которые будут являться диэлектриками между платинами простого конденсатора. Когда емкость пустая, тогда начальная емкость конденсатора будет равна С0, при этом диэлектрический коэффициент "е" для воздуха равен 1. Когда воздух будет вытеснен продуктом с диэлектрической константой выше чем у воздуха, емкость конденсатора изменится, то есть емкость будет меняться с увеличением измеряемого продукта в емкости. Это изменение емкости будет преобразовано прибором в выходной сигнал пропорционально изменению уровня. Показание уровнемера прямо пропорционально изменению уровня продукта и уровня емкости конденсатора. Емкость также зависит от расстояния между пластинами и выполнением условия о параллельности активного зонта и стены емкости или второго зонда. Применение второго зонда необходимо при измерении уровня в емкостях необычной формы, сферических, емкостей с отсутствующими строго вертикальными стенами, даже если стена изготовлена из проводящего материала, со стенками, изготовленными из слабо проводящих или не проводящих материалов.

Диапазон измерения уровня в зависимости от типа применяемого зонда до 30 метров. Точность измерения зависит от измеряемого уровня и как правило не хуже ±0,3%. Температура измеряемого продукта до +200єС. Регулируемое время задержки. Выходные сигналы стандартных протоколов 4 - 20 мА, HART и др.

2. Измерение массового расхода сыпучих материалов

Как известно, для измерения расхода жидкостей и газов не существует единого универсального способа измерений. В зависимости от свойств среды, таких как давление, температура, плотность, вязкость, электропроводность и т.п. применяются различные типы расходомеров. Точно также и для сыпучих веществ в зависимости от параметров среды используются различные типы приборов. Основными параметрами сыпучего материала, влияющими на тип прибора, является плотность потока и скорость перемещения материала.

В настоящее время существует необходимость измерения скорости движения (расхода) зернистых сыпучих материалов, перемещаемых по магистральным трубопроводам. При пневмотранспорте сыпучих материалов важными режимными показателями являются расход сыпучего материала, скорость транспортирования и его объемная концентрация. Способов измерения расхода сыпучих материалов и типов расходомеров достаточно много: тензометрические, центробежные, крыльчатые, на основе порционных весов, лотковые и вибролотковые, массомеры, на основе измерения геометрических и электрических параметров потока. Расходомеры сыпучих материалов используются в системах автоматического регулирования для оперативного контроля производительности соответствующих приемно-питающих устройств, могут использоваться в качестве датчиков автоматических дозаторов. Использование бесконтактных расходомеров при пневма-тическом транспортировании сыпучих материалов имеет некоторые преимущества перед контактными: не нарушается структура потока; нет необходимости замены датчиков при их изнашивании; не нарушается целостность пневмотрассы.

Количество бесконтактных методов не очень велико, что позволяет перечислить наиболее часто используемые. Приборы, основанные на методе Доплера, находят частотный сдвиг электромагнитной или акустической волны, переданной в поток вещества, и частично отраженной от движущихся частиц материала. Эти приборы в основном используются в потоках с низкой концентрацией вещества. Недостатком таких методов является ограничение проникновения вглубь плотного потока, что ограничивает возможности использования.

Корреляционные методы часто используют для измерений скорости потока материала. Принцип измерения состоит в том, что, два идентичных сенсора размещают на определенном расстоянии друг от друга вдоль направления потока. Источником информации являются колебания каких-либо параметров потока. Время, необходимое для перемещения таких колебаний от рабочей области одного датчика к другому получают с помощью взаимно корреляционной функции двух случайно изменяющихся параметров потока. Этот метод не ограничивается определенным принципом датчика, что позволяет использовать наиболее подходящий к конкретному случаю.

Датчики, используемые в этом методе, могут измерять ультразвук, оптический сигнал, диэлектрическую проницаемость, проводимость, электрический заряд или температуру. Основной недостаток корреляционных приборов - это уменьшение сходства сигнала с увеличением расстояния между датчиками. Для измерения расхода необходимо дополнить корреляционный прибор, измеряющий скорость потока, датчиком концентрации материала. Емкостный преобразователь (ЕП) можно использовать для измерения его коэффициента заполнения сыпучим веществом с диэлектрической проницаемостью, отличной от единицы.

Такой метод потребует использования нескольких датчиков и сложного алгоритма обработки информации от них, что усложняет реализацию метода и отразится на стоимости оборудования.

Способ измерения расхода сыпучих материалов с помощью лотка не нов и, вкратце, состоит в следующем. Жесткую пластину (лоток) определенной формы и размеров помещают под определенным углом в поток сыпучего материала. Сила реакции пластины на воздействие потока прямо пропорциональна массовому расходу, проще говоря, производительности потока. Лоток устанавливают на преобразователе силы, закрепленный на неподвижном основании. Датчик подключен к вторичному прибору, который показывает расход в натуральных единицах. Программа прибора, суммируя расход по времени, определяет количество (массу) прошедшего материала, и придает тем самым расходомеру дополнительную функцию весов непрерывного действия.

Размещено на Allbest.ru