Угол естественного откоса сыпучих материалов как измерить

ПАО Акрон Измерение уровня сыпучих продуктов

Задача измерения уровня твердых сыпучих продуктов кардинальным образом отличается от измерения уровня жидких сред. Прежде всего, для твердых продуктов характерна 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 среды.

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 также к неровностям поверхности, влияющему на нормальную работу измерительных устройств.

Особенностями сыпучих материалов является способность к налипанию и абразивное воздействие. Усложнить работу уровнемеров может запыленность фазового пространства, что влияет на электрические свойства среды, а также предъявляет повышенные требования к обеспечению взрывобезопасности средств измерения.

Перед специалистами компании ПАО «Акрон» стояла задача измерения объема сыпучих сред: апатита в цилиндрических резервуарах высотой 26 м и диаметром 11 м. Данные среды являются коррозионно-активными. Также необходимо было понимание рельефа поверхности сыпучей среды.

Для решения данной задачи инженерами Промсенсор был применен акустический уровнемер Contour 3D производства компании Magnetrol (Бельгия).

Большинство приборов измерения уровня делает замер от места установки до одной точки поверхности. В то время как Contour 3D измеряет множество точек на поверхности. Это достигается за счет использования 3 антенн с углом излучения 70°, каждая из которых посылает акустический сигнал и принимает его отражения, тем самым формируя точное измерение объема над поверхностью среды.

Неровная поверхность и высокая запыленность не представляют проблемы для бесконтактного трехмерного сканера сыпучих материалов Contour 3D, который использует звуковые волны, способные проникать сквозь пыль, создавая изображение поверхности хранимых материалов и обеспечивая при этом точность измерения уровня сыпучих материалов. Contour 3D измеряет объем, а также минимальный, максимальный и средний уровни хранимых материалов. В итоге заказчик получил точные измерения объема и уровня, на основании которых производит отслеживание выработки продукции, контроля процессов, управления запасами и прогнозирования потребления. Точный контроль за запасами позволил уменьшить страховой запас и сократить стоимость содержания излишков.

Благодаря трехмерной визуализации в программном обеспечении можно полностью увидеть распределение материла внутри резервуара. Это позволяет решить вопрос безопасности. Ведь из-за неравномерных нагрузок на боковую стенку, вызванных скоплением сыпучего материала, или при заполнении/опустошении резервуар мог бы разрушиться. Использование Contour 3D позволяет повысить безопасность и избежать материальных и человеческих жертв.

В процессе эксплуатации специалистами Акрон была отмечена еще одна интересная особенность Contour 3D – функция самоочистки. В приборе используется энергия акустической вибрации для удаления отложений с антенны, обеспечивая надежную работу в условиях высокой запыленности. Высокая надежность обеспечивается отсутствием движущихся частей. Прибор при этом практически не требует технического обслуживания, сокращая время простоя и затраты на работу персонала. Нет необходимости в регулярном демонтаже и ручной очистке прибора.

После пробного оснащения данным объемным уровнемером емкости с апатитом на ПАО Акрон в дальнейшем, на основании положительных результатов работы, были оснащены все емкости по хранению апатита.

Кроме указанных сред, инженеры компании Промсенсор рекомендуют к применению объемный уровнемер Contour 3D для решения следующих задач:

• Энергетика – уголь, зольная пыль и биомасса;
• Химическая обработка – карбонат кальция, кальцинированная сода и
• производство моющих средств;
• Цемент и инертные материалы – производство клинкера и бетона;
• Переработка пищевых продуктов – переработка какао и производство круп, растительного масла, теста, пива, муки и сахара;
• Добыча полезных ископаемых – производство поташа, талька, извести и соли, а также переработка железной руды и угля.

Система для измерения объёма и массы сыпучих материалов СКАН-200

Загрузить:

Паспорт СКАН-200_вер_1.pdf

Презентация система измерения объёмов СКАН-200.pdf

Регистры ModBus СКАН-200.pdf

СКАН-200 Pro Руководство пользователя.pdf

Система измерения объемов «Скан-200» – служит для измерения объёма сыпучих продуктов в закрытых силосах. Это может быть цемент, зерно, комбикорм, удобрения, уголь и т.д.

Основные преимущества системы измерения объёма сыпучих материалов — «Скан-200»:

• Высокая точность
• Низкая стоимость
• Простота в настройке и обслуживании

Высокая точность измерения объёма сыпучего материала достигается благодаря тому, что прибор способен «увидеть» и обсчитать сложный рельеф поверхности продукта – со всеми его выступами и углублениями. Число точек сканирования может достигать до полутора сотен.

За счёт применения оригинальных алгоритмов обработки данных о высотах система измерения объёмов сыпучих материалов СКАН-200 вычисляет объём продукта, его минимальный, средний и максимальный уровень, а при наличии информации о плотности и массу.

Для настройки параметров сканирования используется программа SCAN-200 Pro, которая устанавливается на персональном компьютере и имеет полностью русскоязычный интерфейс, дружелюбный, интуитивно понятный.

Она же создает визуальное отображение поверхности продукта.

Рис.1 Форма отчёта о сканирования в программе SCAN-200 Pro

Точность определения объёма задаётся количеством точек сканирования и может устанавливаться в пределах от 7 до 127 точек.

Рис.2 Расположение точек сканирования для 7 точек и 61 точка

Место установки сканера моделируется с целью достижения максимального покрытия поверхности.

Рис.3 Моделирование зоны покрытия. Зелёным цветом указан конус сканирования, желтым — расположение продукта.

Защита от запыленности достигается за счёт уникальной конструкции вращения дальномера. Она не имеет выступающих частей, где могла бы осаждаться пыль. Также имеется возможность продувки через встроенный фитинг внутреннего пространства сканера, где расположены три линейных привода, воздухом. Продувка применятся в случае, если температура внутри силоса превышает 70 градусов.

Система измерения объёма сыпучих материалов СКАН-200 имеет развитую встроенную систему самодиагностики, которая анализирует состояние моторов, электроники и т.д. и при возникновении проблем информирует персонал о необходимости обслуживания.

Система сканирования сыпучих материалов СКАН-200 стандартно комплектуется радарным уровнемером модели УЛМ производства Российской фирмы Лимако г.Тула.

Этот уникальный радарный уровнемер единственный в мире, который работает на частоте 140гГц. Применение данного радара позволяет иметь очень узкий луч, который минимально подвержен ложным переотражениям внутри силоса. Немалое значение имеет небольшой вес и габариты этих радаров. Кроме того, радары фирмы Лимако стандартно имеют встроенные датчики углового положения, которые позволяет повысить точность позиционирования луча в пространстве.

В случае отсутствия запылённости прибор может комплектоваться лазерным дальномером фирмы АВВ. Хотя применение лазерного уровнемера позволяет увеличить скорость сканирования и точность, но цена такого решения существенно выше, чем применение радарных уровнемеров фирмы Лимако.

Основные технические характеристики сканера в составе системы СКАН-200

Основные технические характеристики сканера в составе системы СКАН-200

Присоединение к процессу — фланец DN350

Выходные сигналы 4-20мА -2 шт.

Каждый может быть настроен для вывода информации об объёме, среднем уровне или уровне в месте установки сканера.

Интерфейс RS485 – 2 шт.

Один интерфейс RS485 служит для настройки прибора по внутреннему протоколу.

Второй интерфейс RS485 для управления по протоколу Modbus.

Интерфейс CAN Open -2 шт.

Дальномер – Радарный или Лазерный

Питание 24-42 В постоянного напряжения 2 входа

Погрешность измерения объёма — не более 3% (количество точек сканирования 60)

Измерения объёма сыпучих материалов в больших силосах

В случае измерения объёма на больших хранилищах и силосах возникают зоны затенения. В таких случаях система состоит из нескольких сканеров и удалённого модуля питания и управления.

Для определения количества требуемых сканеров производится предварительный анализ с моделированием зоны покрытия. Количество сканеров зависит от угла естественного откоса сыпучего материала, геометрических размеров силоса, требуемой точности определения объёма.

Рис.4 Моделирования зоны покрытия для большого силоса. На рисунке справа показана ситуация, когда силос максимально заполнен. Для этого случая требуется 3 сканера.

Основные характеристики удалённого модуля управления МПИУ

Максимальное Количество подключаемых сканеров 6 шт

Напряжение питания 220В переменного тока

Протокол обмена между сканерами и модулем САN Open

Выходное напряжения для питания сканеров 42В постоянного тока

Топология — кольцо. Устойчива к однократному обрыву и короткому замыканию как по питанию так по цифровой шине CAN

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.

Датчики уровня сыпучих материалов

При измерении уровня к сыпучим материалам относят не только материалы, имеющие в составе твердые частицы, например мука или цемент, но и имеющие более крупные гранулы в составе и условную текучесть. К ним относятся щебень, рудная крошка и другие подобные материалы. Для измерения уровня не важно, является ли вещество однородным, или представляет собой разнородную сыпучую смесь.

Виды датчиков уровня сыпучих материалов

Датчики уровня сыпучих веществ подразделяются на сигнализаторы и измерители уровня.

Сигнализаторы предельного уровня подают сигнал при достижении материалом запрограммированного уровня. Они могут быть контактными, к таким относят вибрационные, роторные и емкостные, или бесконтактными, например, ультразвуковыми, микроволновыми и радиационными.

Уровнемеры непрерывно или дискретно информируют об уровне материала. Могут быть контактными (емкостные, электромеханические лотовые, микроволновые рефлексные), или бесконтактными (микроволновые, ультразвуковые, акустические).

Множество методов, которыми измеряют уровень «сыпучки», исходит из сложности процесса. Угол естественного откоса уменьшает точность измерения. Большое количество пыли снижает возможности ультразвукового и контактного методов. На контактный метод также влияет наличие адгезии.

Чтобы выбрать датчик уровня легкосыпучих материалов, нужно учитывать их свойства:

• гранулометрический состав для вибрационных сигнализаторов, акустических и ультразвуковых измерителей уровня;
• объемная масса для вибрационных и ротационных уровнемеров;
• влажность для сигнализаторов уровня микроволновых рефлексных и емкостных;
• текучесть для датчиков поточной скорости и измерителей расхода;
• угол естественного откоса важен для всех видов измерителей;
• адгезия для всех контактных сигнализаторов;
• диэлектрическая проницаемость для емкостных датчиков.

Мембранные сигнализаторы

Примером датчика уровня сыпучих материалов является сигнализатор СУМ-1, который можно приобрести на сайте сум-1.рф или по телефону +7(499) 677-16-74. При наполнении резервуара для складирования или транспортировки сыпучие материалы давят на мембрану, которая передает усилие на шток переключателя при прогибе, а затем на регулировочную мембрану.

После этого цепь переключателя замыкается, и электрический импульс передается в управляющую цепь. Компенсационная мембрана делает давление в камере датчика оптимальным, она нужна для уравнивания давления в сигнализаторе при перемещении рабочей мембраны.

Такие сигнализаторы используют в строительстве, промышленности, животноводстве, пищевом производстве, агрономии и транспортировке сыпучих грузов.

Емкостные уровнемеры

С их помощью происходит непрерывное измерение уровня «сыпучки». В состав входит датчик в форме стержня или кабеля с конденсатором, и вторичный преобразователь. Уровень измеряется контролем изменения емкости конденсатора, которая изменяется при помещении в сыпучий материал.

Вторичный преобразователь фиксирует данные и приводит их в цифровой вид. Отображение данных может выводиться на дисплей датчика или передаваться по сети на ПК.

Ротационные сигнализаторы уровня

Внутри такого прибора вращаются лопасти, приводимые в движение электрическим двигателем. При контакте с материалом движение лопастей прекращается. При возникшем реактивном моменте микровыключатель дает выходной сигнал и происходит отключение мотора. При освобождении лопасти мотор возвращается в первоначальное состояние, выходной сигнал изменяется и происходит последующее включение двигателя.

Подходят для «сыпучки», склонной к налипанию, порошкообразных или гранулированных составов. Существует возможность выбора чувствительности датчика в зависимости от вещества.

Вибрационные сигнализаторы уровня

В таких сигнализаторах установлена вибровилка, на которую происходит пьезоэлектрическое воздействие. За счет этого происходит вибрация на механической резонансной частоте. При покрытии вибровилки материалом происходит изменение амплитуды колебаний.

Затухание фиксируется электроникой. При освобождении зонда от материала вибрация вилки возобновляется. Эти колебания также учитываются электроникой. Такие датчики можно применять для практически всех сыпучих веществ, им не требуется обслуживание.

Микроволновые рефлексные датчики уровня

В работе использован принцип измерения времени отраженного импульса. Электроника, установленная в зонде, подает микроволновые импульсы. Энергия частично отражается от контролируемого материала и поступает обратно. Преобразователь анализирует полученные данные о времени возврата отраженного импульса и выдает цифровые данные. Может применяться в любой среде за счет равной скорости распространения импульсов.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _