Уровнемеры. Виды и функции

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.

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.

Радарные уровнемеры УЛМ применяются  для измерения уровня не только жидких, но и сыпучих материалов. Уровнемеры УЛМ измеряют уровень цемента, гипса, песка, щебня, угля, угольной пыли, технического углерода (сажи), полипропилена, руды, компонентов минеральных удобрений, апатита, зерна, комбикорма и т.д.

Основное преимущество радарных уровнемеров  УЛМ по сравнению с аналогичными моделями других производителей, это  высочайшая чувствительность и избирательность, т.е. способность стабильно работать в условиях слабых отражений и  нечувствительность к ложным эхо-сигналам.

Использование бесконтактного радарного  уровнемера для решения задач  измерения уровня сыпучих материалов имеет неоспоримые плюсы по сравнению  с другими методами: при контактных методах рано или поздно выходит  из строя чувствительный элемент, а  при применении лазерного уровнемера, в условиях высокой запыленности, измерения производить невозможно т.к. нет прямой видимости и лазерный луч не может "пробиться" к продукту.

Радарный метод измерения уровня обеспечивает нечувствительность к  пыли в пространстве между антенной и продуктом. В отличии от ультразвукового уровнемера (акустического) в радарном используется измерение времени задержки отраженной электромагнитной волны, а не звуковой (звуковая рассеивается в пылевом облаке).

Особенности применения.

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).

Т.к. отраженный сигнал от сыпучего материала слабее, чем от жидкого продукта (из-за неровной поверхности), то стабильность работы радарного уровнемера будет зависеть от его чувствительности. В условиях слабых отраженных сигналов наилучшим образом показывают себя непрерывные уровнемеры (FMCW-радары), в них для проведения измерений используется частота зондирующего сигнала, которая не зависит от его амплитуды.

Дополнительным фактором влияющим, на процесс измерения уровня сыпучих  материалов является образование на поверхности продукта конуса, при  загрузке, либо впадины конусообразной формы, при отгрузке. Это дополнительно ослабляет отраженный сигнал - большая часть сигнала отражается в сторону и если бы поверхность сыпучего продукта была гладкой, то проведение измерений было бы крайне проблематично. Но т.к. поверхность продукта неоднородна, отражения от нее происходят в разные стороны и чем чувствительнее уровнемер, чем больше его способность обработать слабый отраженный сигнал, тем стабильнее он будет работать.

Способы повышения  чувствительности.

Так как отражающая способность  сыпучего материала мала, то необходимо уменьшить потери отраженного сигнала  сконцентрировав излучаемую энергию  на определенном участке поверхности, тем самым минимизировать потери связанные с естественным рассеиванием отраженного сигнала. Поэтому многие производители радарных уровнемеров вынуждены, для измерения уровня в высоких бункерах, применять уровнемеры с параболической антенной которая обеспечивает ширину луча 6-10⁰.

Но данный способ имеет свои минусы, во-первых параболическая антенна, это громоздкая конструкция требующая наличия в крыше бункера отверстия с большим внутренним диаметром и сильно удорожающая уровнемер, во-вторых вынесенный облучатель, находящийся под антенной очень часто забивается пылью, что приводит к невозможности измерения уровня.

Применяется так же метод наклонной установки датчика уровня. Датчик уровня имеет подвижное крепление на фланце, позволяющее наклонять его. Таким образом можно подобрать оптимальный наклон прибора, обеспечив наилучшее отражение от поверхности продукта.

Очевидные недостатки этого метода состоят в том, что выбранный  наклон уровнемера будет оптимален  только для одного положения уровня продукта, а при его изменении (загрузка или отгрузка), картина  изменится и может стать совсем не оптимальной. Этот метод призван  скомпенсировать недостаточную чувствительность уровнемера и характерен для импульсных уровнемеров.

Уровнемеры УЛМ.

Уровнемеры УЛМ, при измерении  уровня сыпучих материалов, не требуют использования параболической антенны. Модельная линейка уровнемеров УЛМ состоит из различных модификаций имеющих ширину луча 4⁰, 15⁰, 22⁰, это позволяет перекрыть все необходимые диапазоны измерения уровня сыпучих материалов. Например, уровнемер УЛМ-11 имеет ширину луча 4⁰ и обеспечивает самый узкий луч из всех существующих на рынке радарных уровнемеров. Нет необходимости делать большие отверстия в крыше бункера! Нет необходимости усложнять конструкцию места установки для обеспечения наклона уровнемера!

Таким образом электромагнитная энергия максимально концентрируется на определенном участке продукта и имеет минимальное "непроизводительное" рассеивание. Отраженный сигнал возвращается в антенну уровнемера. Но при измерении уровня сыпучих материалов, при прочих равных условиях, отраженный сигнал будет значительно слабее, чем при измерении уровня жидкостей. Поэтому необходима высокая чувствительность уровнемера для обеспечения стабильных измерений.

В данном случае сказывается еще одно преимущество конструкции уровнемеров УЛМ: отраженный от поверхности сыпучего материала сигнал имеет малую амплитуду и при использовании импульсного метода измерения, измерение уровня, будет крайне затруднено - для нормальной работы импульсного уровнемера ключевую роль играет аплитуда отраженного сигнала. Но уровнемеры УЛМ применяют адаптивный FMCW-метод, в котором амплитуда отраженного сигнала играет второстепенную роль - информацию об уровне несет частота. Поэтому если отражение от продукта есть и оно "видно" на фоне эфирных шумов, то уровень будет измерен!

Оригинальные технологии ЛИМАКО и  алгоритмы, позволяют гарантировано  измерять уровень таких сложных  сыпучих продуктов как сажа, угольная пыль, компоненты минеральных удобрений. Необходимо только правильно осуществить подбор модели уровнемера и его конфигурации.