قياس دقيق لمستوى المواد الصلبة - الأساليب الشائعة والصعوبات

الصلب الحبيبي هو مجموعة من الجسيمات، مثل الثلج، الرمل، الأرز أو الفحم. وعلى الرغم من أن شكل الصلب الحبيبي سهل التفسير، فإن سلوكه معقد ويختلف عن السوائل والغازات. قياس كمية المواد الصلبة بدقة في الخزانات أو الصوامع أمر بالغ الأهمية لإدارة المنتجات وتحكم وإدارة المستودعات والنقل.
نوع جهاز الاستشعار
مثل أجهزة قياس مستوى السوائل، يتم تقسيم معدات قياس مستوى المواد الصلبة أيضًا إلى فئتين: غير التلامسية والتلامسية. وفي هذه الفئات، يمكن تصنيف المعدات بشكل إضافي إلى مراقبة المستوى النقطي والمراقبة المستمرة. يتناول هذا المقال المبادئ التي تعمل عليها هذه الأجهزة وبعض التطبيقات.
قياس مستوى المواد الصلبة ليس دقيقًا ونظيفًا كما هو قياس مستوى السوائل. يمكن تحويل خصائص وزن السوائل إلى وزن مستوى السائل باستخدام جهاز ضغط ثابت؛ أما المواد الصلبة فتستطيع أن تخضع لتغيرات كبيرة داخل نفس الدفعة. كما أن السوائل تمتلك خاصية تسوية ذاتية ويمكنها تقديم سطح موحد للأجهزة القابلة للقياس دون الحاجة إلى الخلط أو أي تدخل آخر. وهذا يعتبر أحد التحديات التي تواجه قياس مستوى المواد الصلبة.

عادةً ما توفر المواد الصلبة أسطحًا غير منتظمة للأجهزة القابلة للقياس وتُحمل أو تستقر بشكل غير متساوٍ في الحاويات التي يتم تخزينها فيها. إيجاد سطح أفقي لعكس الإشارات يمثل تحديًا معينًا بالنسبة للمواد الصلبة.
المعدات غير الملامسة المستخدمة لقياس الحالة الصلبة، المشابهة للمعدات غير الملامسة المستخدمة لقياس مستوى السوائل، هي أكثر الأجهزة شيوعًا، وتتضمن الموجات فوق الصوتية، الرادار، والليزر. تتمتع أجهزة الموجات فوق الصوتية بميزة التكلفة المنخفضة، ونحن نفهم سلوكها بشكل واضح جدًا. لكن للأسف، قد يؤدي أحيانًا استخدامها بشكل خاطئ إلى نتائج غير متسقة. الشيء نفسه ينطبق على معدات الرادار.
من الصعب عادة تسوية المواد الصلبة إلى سطح موحد وأفقي. السيناريو الأكثر شيوعًا هو أن المواد الصلبة يتم نقلها إلى خزان ماء أو سيلو بواسطة ناقل، والذي يسكب المواد الصلبة في مكان معين، مما يشكل مخروطًا يحدده "زاوية الراحة" للمادة الصلبة. عندما تتجاوز الزاوية، يحدث استقرار كتلي أو انفصال. إذا كان الجهاز غير الملامس يراقب قمة المخروط، فسيتسبب هذا الانفصال في تغيير مفاجئ في مستوى المادة. عادةً، عندما يتم ترتيب المعدات بالقرب من منطقة التسليم، يكون من الصعب قياس مستوى المادة الفعلي، وسينتج عن أي انفصال تغيير مفاجئ آخر في مستوى المادة.
صعوبات قياس الحالة الصلبة
المشكلة هي انعكاس الأسطح المائلة. أجهزة فوق الصوتية، ورادار الموجة المرشدة (GWR)، وأجهزة الليزر تعتمد على انعكاس الإشارات على سطح المادة المختبرة. سطح السائل موحد ويقدم سطحًا جيدًا لانعكاس الإشارات. تختلف اتساق المواد الصلبة وحجم الجزيئات، وبالطبع زاوية الاستقرار. زاوية الاستقرار هي الزاوية التي تتجمع عندها المادة الصلبة بشكل طبيعي عند نقلها بسرعة تدفق منتظمة ومتسقة. لكل مادة صلبة زاوية استقرار فريدة. يمكن استخدام هذا في تطبيق قياس نقاط المواد.
يمكن تركيب مستشعر جهاز قياس بدون تلامس بزاوية الراحة لتحديد متى يصل المخروط الصلب إلى نقطة التحكم، مثل تنبيه مستوى عالٍ. قياس المستوى المستمر ليس سهلًا. عدم وجود سطح موحد سيمنع انعكاسات متماسكة من العودة إلى المرسل، وستؤدي الاختلافات في حجم الجسيمات إلى ظهور تأثيرات التشتت، وكلتا الحالتين يمكن أن تؤدي إلى إشارات غير موثوقة. الليزر هو جهاز أكثر موثوقية لقياس النقاط المادية وهو أكثر دقة في تحديد وجود المواد الصلبة عند نقاط التحكم.

إذا كان من غير العملي تركيب الليزر على حاوية الجهاز، فيمكن تركيبه على كتف الجهاز. على سبيل المثال، في تطبيق تحميل الطين على الشاحنات، فإن تركيب أجهزة مراقبة مستوى السائل على الشاحنات غير عملي بسبب معدات التعامل مع المواد ونقلها.
يمكن أن يؤثر الغبار، والتمدد الصلب، والأحمال غير المتوازنة في الحاويات على المعدات اللاسلكية. يرجى تذكر أن الغبار يمكن أن يشتعل. قبل تنفيذ إجراءات السلامة، كانت تحدث انفجارات غبار الفحم وصوامع الحبوب بشكل متكرر. يجب أخذ هذه الخاصية بعين الاعتبار أثناء تصميم النظام. بالإضافة إلى الوقود، والأكسجين، والإشعال اللازم لاحتراق الوقود، يحتاج الغبار إلى التشتت والحبس داخل حاويات مغلقة ليصبح قابلاً للاشتعال. قد يؤدي التشتت إلى تعطيل عمل معدات مستوي المواد اللاسلكية.
يجب تصميم أغلفة المعدات المناسبة في النظام لتقديم الحماية المناسبة. عندما يتكتل المادة الصلبة ويتم فصلها عن باقي مادة الحشو في الخزان لتشكيل كائن منفصل، يحدث تمدد صلب مثل التراكم على جانب واحد من الخزان. قد يؤدي هذا إلى استحالة التواصل مع المستوى أو عدم قدرة المستوى على التواصل مع المادة. إجراء شائع للإصلاح هو استخدام الاهتزاز أو الهواء لـ"تسييل" المادة الصلبة لضمان توزيع موحد. بسبب الأسباب المختلفة، قد يحدث تحميل غير متساوٍ. وفي بعض الحالات، يمكن أن يساعد خبرة موظفي تصميم وتشغيل النظام، بالاشتراك مع التحريك الميكانيكي، في تخفيف هذه المشكلة.
جهاز القياس المستخدم لهذه التطبيق فريد من نوعه لقياس الحالة الصلبة. تعتمد هذه الأجهزة على الاتصال المباشر أو الوزن مع المادة. تختلف حجم، الكثافة، محتوى الرطوبة، والوزن للمواد الصلبة. يمكن استخدام هذه الخصائص لاكتشاف أو استنتاج مستويات المواد. جهاز اكتشاف مستوى المواد النقطية الشائع هو مستشعر ربيع متذبذب أو نوع شوكة التuning. طريقة قياس شائعة أخرى هي استخدام أنظمة الوزن والكابلات. الجهاز ميكانيكي ويشمل مستشعر خط انزلاقي يمكن أن يتبع الآلية الميكانيكية للتحرك إلى الأسفل حتى يصل إلى الأرض. يتم استخدام مقاييس الإجهاد لتعديل الأوعية أو السilos الموجودة لتشير إلى الحمل الصلب داخل الحاوية.