Dokładny pomiar poziomu materiału stałego - typowe metody i trudności

Granulowane ciało stałe to zbiór cząstek, takich jak śnieg, piasek, ryż lub węgiel. Chociaż postać ziarnistych ciał stałych jest łatwa do wyjaśnienia, ich zachowanie jest złożone i różni się od cieczy i gazów. Dokładny pomiar ilości substancji stałych w zbiornikach lub silosach ma kluczowe znaczenie dla zarządzania produktami oraz kontroli i transferu w zarządzaniu magazynem.
Typ czujnika
Podobnie jak pomiar poziomu cieczy, sprzęt do pomiaru poziomu materiałów stałych jest również podzielony na dwie kategorie: bezdotykowy i kontaktowy. W tych kategoriach sprzęt można dalej podzielić na poziom punktowy i ciągły monitoring poziomu. W tym artykule przedstawiono zasady działania tych urządzeń i niektórych aplikacji.
Pomiar poziomu substancji stałych nie jest tak czysty i precyzyjny jak pomiar poziomu cieczy. Charakterystyki wagowe cieczy można przeliczyć na masę poziomu cieczy za pomocą urządzenia pod ciśnieniem statycznym; Substancje stałe mogą ulegać znaczącym zmianom w obrębie tej samej partii. Ciecze mają również właściwości samopoziomujące i mogą zapewnić jednolitą powierzchnię dla urządzeń pomiarowych bez mieszania lub innych zakłóceń. Jest to jedno z wyzwań stojących przed pomiarem poziomu materiałów stałych.

Substancje stałe mogą na ogół powodować jedynie nierówne powierzchnie urządzeń pomiarowych i są nierównomiernie ładowane lub osadzane w pojemnikach, w których są przechowywane. Znalezienie poziomej powierzchni odbijającej sygnały stanowi pewne wyzwanie w przypadku materiałów stałych.
Sprzęt bezkontaktowy używany do pomiaru stanu stałego, podobny do sprzętu bezdotykowego używanego do pomiaru poziomu cieczy, jest najpopularniejszym sprzętem, w tym ultradźwiękami, radarem i laserem. Urządzenia ultradźwiękowe mają tę zaletę, że są tanie i bardzo dobrze rozumiemy ich wzorce zachowania. Niestety, czasami może to prowadzić do niewłaściwego użycia, co skutkuje niespójnymi wynikami. To samo dotyczy sprzętu radarowego.
Ciała stałe są na ogół trudne do osadzenia na jednolitej i poziomej powierzchni. Bardziej powszechny scenariusz polega na tym, że ciała stałe są transportowane do zbiornika wody lub silosu za pomocą przenośnika, który rozsypuje je do odpowiedniego miejsca, tworząc stożek określony przez „kąt spoczynku” ciała stałego. Po przekroczeniu kąta następuje osiadanie lub odrywanie masy. Jeśli urządzenie bezdotykowe monitoruje szczyt stożka, to oderwanie spowoduje nagłą zmianę poziomu materiału. Zwykle, gdy sprzęt jest ustawiony w pobliżu obszaru dostawy, trudno jest zmierzyć rzeczywisty poziom materiału, a każde odłączenie spowoduje ponowną nagłą zmianę poziomu materiału.
Trudności pomiaru ciała stałego
Problemem jest odbicie nachylonych powierzchni. Urządzenia ultradźwiękowe, radarowe z falą kierowaną (GWR) i laserowe opierają się na odbiciu sygnału od powierzchni badanego materiału. Powierzchnia cieczy jest jednolita i zapewnia dobrą powierzchnię odbijającą dla odbicia sygnału. Konsystencja, wielkość cząstek i oczywiście kąt zsypu ciał stałych są różne. Kąt spoczynku to kąt, pod którym ciało stałe naturalnie osiada podczas transportu z równomiernym i stałym natężeniem przepływu. Każda bryła ma unikalny kąt spoczynku. Można to wykorzystać w zastosowaniu pomiarowych punktów materialnych.
Bezkontaktowy czujnik urządzenia pomiarowego można zainstalować pod kątem spoczynku, aby określić, kiedy pełny stożek osiągnie punkt kontrolny, np. alarm wysokiego poziomu. Ciągły pomiar poziomu nie jest łatwy. Brak jednolitej powierzchni uniemożliwi powrót spójnego odbicia do nadajnika, a różna wielkość cząstek spowoduje efekt rozproszenia, co może prowadzić do niewiarygodnych sygnałów. Laser jest bardziej niezawodnym urządzeniem do pomiaru punktów materiałowych i dokładniej określa obecność ciał stałych w punktach kontrolnych.

Jeżeli montaż lasera na pojemniku urządzenia jest niepraktyczny, można go zamontować na ramieniu urządzenia. Na przykład podczas załadunku osadów na ciężarówki instalowanie urządzeń monitorujących poziom cieczy w ciężarówkach jest niepraktyczne ze względu na sprzęt do transportu i transportu materiałów.
Pył, rozszerzanie się ciał stałych i nierówne obciążenie pojemników mogą mieć wpływ na sprzęt bezdotykowy. Należy pamiętać, że pył może się palić. Przed wdrożeniem procedur bezpieczeństwa często dochodziło do eksplozji pyłu węglowego i silosów zbożowych. Cechę tę należy uwzględnić przy projektowaniu systemu. Oprócz paliwa, tlenu i zapłonu niezbędnych do spalania paliwa, pył musi zostać rozproszony i zamknięty w zamkniętych pojemnikach, aby stał się palny. Dyspersja może zakłócać działanie bezdotykowego sprzętu do pomiaru poziomu materiału.
W systemie należy zaprojektować odpowiednie obudowy urządzeń zapewniające odpowiednią ochronę. Kiedy ciało stałe „zbija się” i oddziela się od reszty materiału wypełniającego w silosie, tworząc oddzielny obiekt, następuje rozszerzanie się ciała stałego, na przykład ciała stałego zgromadzonego po jednej stronie silosu. Może to skutkować brakiem możliwości kontaktu z poziomicą lub niwelacją z materiałem. Powszechnym środkiem zaradczym jest użycie wibracji lub powietrza w celu „fluidyzacji” ciała stałego w celu zapewnienia równomiernego rozprowadzenia. Z różnych powodów może wystąpić nierównomierne obciążenie. W niektórych przypadkach doświadczenie personelu zajmującego się projektowaniem i obsługą systemu w połączeniu z mieszaniem mechanicznym może pomóc w złagodzeniu tego problemu.
Urządzenie do pomiaru kontaktowego stosowane w tym zastosowaniu jest unikalne dla pomiarów półprzewodnikowych. Urządzenia te zależą od bezpośredniego kontaktu lub ciężaru z materiałem. Rozmiar, gęstość, zawartość wilgoci i masa ciał stałych są różne. Funkcje te można wykorzystać do wykrywania lub wnioskowania o poziomach materiałów. Powszechnym urządzeniem do wykrywania poziomu materiału jest czujnik typu sprężyna wibracyjna lub kamerton. Inną powszechną metodą pomiaru jest użycie systemów obciążników i linek. Urządzenie jest mechaniczne i zawiera czujnik linii przesuwania, który może podążać za mechanizmem mechanicznym i przesuwać się w dół do podłoża. Tensometry służą do modyfikowania istniejących kontenerów lub silosów w celu wskazania stałego ładunku wewnątrz kontenera.