Genaue Messung des Feststoffniveaus - Gängige Methoden und Schwierigkeiten

Ein körniger Feststoff ist eine Ansammlung von Partikeln, wie beispielsweise Schnee, Sand, Reis oder Kohle. Obwohl die Form körniger Feststoffe leicht zu erklären ist, ist ihr Verhalten komplex und unterscheidet sich von dem von Flüssigkeiten und Gasen. Die genaue Messung der Feststoffmenge in Tanks oder Silos ist für die Kontrolle und den Transfer von Produktmanagement und Lagerverwaltung von entscheidender Bedeutung.
Sensortyp
Wie bei der Füllstandsmessung von Flüssigkeiten wird auch bei der Füllstandsmessung von Feststoffen zwischen zwei Kategorien unterschieden: berührungslos und mit Kontakt. Innerhalb dieser Kategorien können die Geräte weiter unterteilt werden in Punktfüllstands- und kontinuierliche Füllstandsüberwachung. Dieser Artikel stellt die Prinzipien dieser Geräte und einige Anwendungen vor.
Die Messung des Feststoffpegels ist nicht so sauber und präzise wie die Messung des Flüssigkeitspegels. Die Gewichtseigenschaften von Flüssigkeiten können mithilfe eines statischen Druckgeräts in das Flüssigkeitspegelgewicht umgewandelt werden. Feststoffe können innerhalb derselben Charge erhebliche Veränderungen erfahren. Flüssigkeiten haben außerdem selbstnivellierende Eigenschaften und können Messgeräten eine gleichmäßige Oberfläche bieten, ohne dass sie sich vermischen oder anderweitig stören. Dies ist eine der Herausforderungen bei der Messung des Feststoffpegels.

Festkörper bieten Messgeräten im Allgemeinen nur unebene Oberflächen und sind in den Behältern, in denen sie gelagert werden, ungleichmäßig geladen oder abgesetzt. Bei festen Materialien stellt die Suche nach einer horizontalen Oberfläche zur Signalreflexion eine gewisse Herausforderung dar.
Berührungslose Geräte zur Festkörpermessung, ähnlich wie berührungslose Geräte zur Messung des Flüssigkeitsstands, sind die am häufigsten verwendeten Geräte, darunter Ultraschall, Radar und Laser. Ultraschallgeräte haben den Vorteil, dass sie kostengünstig sind, und wir kennen ihre Verhaltensmuster sehr genau. Leider kann es manchmal zu Fehlanwendungen kommen, die inkonsistente Ergebnisse zur Folge haben. Dasselbe gilt für Radargeräte.
Feststoffe lassen sich im Allgemeinen nur schwer auf einer gleichmäßigen und horizontalen Oberfläche absetzen. Ein häufigeres Szenario besteht darin, dass Feststoffe über ein Förderband in einen Wassertank oder ein Silo transportiert werden, das die Feststoffe in eine Position schüttet und einen Kegel bildet, der durch den „Ruhewinkel“ des Feststoffs bestimmt wird. Wenn der Winkel überschritten wird, kommt es zu einer Massenablagerung oder -ablösung. Wenn das berührungslose Gerät die Spitze des Kegels überwacht, führt diese Ablösung zu einer plötzlichen Änderung des Materialniveaus. Wenn das Gerät in der Nähe des Lieferbereichs aufgestellt ist, ist es normalerweise schwierig, den tatsächlichen Materialniveau zu messen, und jede Ablösung führt erneut zu einer plötzlichen Änderung des Materialniveaus.
Die Schwierigkeiten der Festkörpermessung
Das Problem ist die Reflexion geneigter Oberflächen. Ultraschall-, geführte Wellenradar- (GWR) und Lasergeräte sind auf die Signalreflexion an der Oberfläche des getesteten Materials angewiesen. Die Flüssigkeitsoberfläche ist gleichmäßig und bietet eine gute reflektierende Oberfläche für die Signalreflexion. Die Konsistenz, Partikelgröße und natürlich der Schüttwinkel von Feststoffen variieren. Der Schüttwinkel ist der Winkel, in dem sich ein Feststoff auf natürliche Weise absetzt, wenn er mit einer gleichmäßigen und konstanten Fließgeschwindigkeit transportiert wird. Jeder Feststoff hat einen einzigartigen Ruhewinkel. Dies kann bei der Anwendung zum Messen von Materialpunkten verwendet werden.
Ein berührungsloser Messgerätesensor kann in einem Ruhewinkel installiert werden, um zu bestimmen, wann der feste Kegel den Kontrollpunkt erreicht, z. B. einen Hochpegelalarm. Eine kontinuierliche Füllstandsmessung ist nicht einfach. Das Fehlen einer gleichmäßigen Oberfläche verhindert eine kohärente Reflexion, die zum Sender zurückkehrt, und die unterschiedliche Partikelgröße erzeugt Streueffekte, die beide zu unzuverlässigen Signalen führen können. Der Laser ist ein zuverlässigeres Gerät zum Messen von Materialpunkten und kann das Vorhandensein von Feststoffen an Kontrollpunkten genauer bestimmen.

Wenn es nicht praktikabel ist, den Laser am Gerätebehälter zu installieren, kann er auf der Schulter des Geräts installiert werden. Beispielsweise ist es beim Laden von Schlamm auf Lastwagen aufgrund der Materialhandhabungs- und Förderausrüstung nicht praktikabel, Geräte zur Überwachung des Flüssigkeitsstands auf Lastwagen zu installieren.
Staub, Feststoffausdehnung und ungleichmäßige Beladung von Behältern können berührungslose Geräte beeinträchtigen. Bitte denken Sie daran, dass Staub brennbar ist. Vor der Umsetzung von Sicherheitsmaßnahmen kam es häufig zu Explosionen von Kohlenstaub und Getreidesilos. Diese Eigenschaft muss bei der Auslegung des Systems berücksichtigt werden. Zusätzlich zu Brennstoff, Sauerstoff und Zündung, die für die Brennstoffverbrennung erforderlich sind, muss Staub verteilt und in geschlossenen Behältern eingeschlossen werden, damit er brennbar wird. Die Verteilung kann den Betrieb berührungsloser Füllstandsmessgeräte beeinträchtigen.
Im System sollten geeignete Gerätegehäuse vorgesehen werden, um einen angemessenen Schutz zu bieten. Wenn ein Feststoff „klumpt“ und sich vom Rest des Füllmaterials im Silo trennt und ein separates Objekt bildet, kommt es zu einer Ausdehnung des Feststoffs, z. B. wenn sich der Feststoff auf einer Seite des Silos anhäuft. Dies kann dazu führen, dass der Feststoff nicht mit dem Füllstand in Kontakt kommt oder der Füllstand nicht mit dem Material in Kontakt kommen kann. Eine übliche Abhilfemaßnahme besteht darin, den Feststoff durch Vibration oder Luft zu „verflüssigen“, um eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten. Aus verschiedenen Gründen kann es zu einer ungleichmäßigen Beladung kommen. In einigen Fällen kann die Erfahrung des Systemdesign- und Betriebspersonals in Kombination mit mechanischer Bewegung dazu beitragen, dieses Problem zu lindern.
Das für diese Anwendung verwendete Kontaktmessgerät ist einzigartig für die Festkörpermessung. Diese Geräte sind auf direkten Kontakt oder Gewicht mit dem Material angewiesen. Größe, Dichte, Feuchtigkeitsgehalt und Gewicht von Feststoffen variieren. Diese Merkmale können verwendet werden, um Materialfüllstände zu erkennen oder abzuleiten. Das übliche Gerät zur Erkennung von Materialfüllständen ist ein Sensor vom Typ einer Schwingfeder oder Stimmgabel. Eine weitere gängige Messmethode ist die Verwendung von Gewichts- und Kabelsystemen. Das Gerät ist mechanisch und enthält einen Gleitliniensensor, der dem mechanischen Mechanismus folgen kann, um sich nach unten zum Boden zu bewegen. Dehnungsmessstreifen werden verwendet, um vorhandene Behälter oder Silos zu modifizieren und die Feststoffladung im Behälter anzuzeigen.