Методы и средства измерения уровня сыпучих материалов

Свойства сыпучих материалов

Под измерением уровня сыпучих материалов понимается индикация степени заполнения сосуда однородными частицами твердого тела, обладающими определенной подвижностью друг относительно друга. Размеры этих частиц ничтожны по сравнению с размерами сосуда, а сцепление между ними столь мало, что позволяет им более или менее равномерно заполнять сосуд. Последнее обстоятельство сближает поведение сыпучих материалов и жидкостей. В то же время имеется целый ряд обстоятельств, делающих задачу измерения уровня сыпучих материалов более сложной, чем измерение уровня жидкостей. К ним следует в первую очередь отнести неоднородность вещества в объеме, связанную с существованием собственно частиц твердого вещества и некоторого пространства между ними, заполненного жидкостью или газом.

В зависимости от размеров частиц различают пылевидные, по­рошкообразные, зернистые и кусковатые сыпучие материалы. Естественно, что размер частиц определяет в какой-то степени и физические свойства сыпучих материалов - объемный вес, теплопроводность, электропроводность, диэлектрическую проницаемость.

Само понятие объемного веса является специфическим для сыпучих материалов и определяет вес единицы объема сыпучего материала. Характерно, что объемный вес не является постоянной величиной, а помимо размера частиц сыпучего материала определяется степенью уплотнения материала и его влажностью.

Неоднородность сыпучих материалов усложняет применение методов измерения уровня, при которых датчик находится в непосредственном контакте с веществом.

Вторым обстоятельством, затрудняющим измерение уровня сыпучих материалов, является ярко выраженная, по сравнению с жидкостями, ограниченность подвижности частиц из-за действия сил трения и сцепления между частицами. Следствием действия этих сил является отсутствие горизонтальной плоскости раздела газ — сыпучий материал или жидкость — сыпучий материал при заполнении или опорожнении сосуда.

Свободная поверхность сыпучего материала представляет собой поверхность, образующая которой наклонена к горизонтали под углом естественного откоса. Угол естественного откоса для легкосыпучих материалов равен углу внутреннего трения и не зависит от способа формирования поверхности. Для связанных сыпучих материалов угол естественного откоса несколько больше угла внутреннего трения и зависит от того, образуется ли поверхность раздела при опорожнении или заполнении сосуда, в связи с чем различают угол обрушения и угол насыпания (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Образование углов обрушения и насыпания

Другим следствием ограниченной подвижности, частиц сыпучих материалов является неподчинение их закону Паскаля. Давление внутри сыпучего материала зависит от ориентации единичной площадки, от ее положения относительно стенки сосуда, от формы самого сосуда и от коэффициента трения материала о стенки сосуда.

Нужно отметить, что подвижность частиц некоторых сыпучих материалов уменьшается со временем (называется слёживаемостью). Слёживаемость возрастает с увеличением давления, т. е. с увеличением уровня. Ограниченная подвижность частиц сыпучих материалов делает возможным существование в его толще пустот. Особенно часто наблюдается сводообразование — возникновение пустоты над выпускным отверстием сосудов (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Механизм возникновения сводообразования.

Одной из дополнительных причин сводообразования, помимо огра­ниченной подвижности частиц, может являться несоответствие размеров выходного отверстия и частиц (кусков) материала. Для устранения ограниченной подвижности частиц сыпучего материала используется вибрация. Под вибрационными нагрузками поведение сыпучего материала приближается к поведению жидкости, т. е. в объеме не возникают пустоты и свободная поверхность материала приближается к горизонтальной плоскости.

Ограниченная подвижность частиц сыпучего вещества исключает применение при измерении уровня камерных датчиков, так как невозможно обеспечить равенство уровней вещества в сосуде и в измерительной камере датчика.

Из контактных свойств сыпучих материалов следует отметить липкость и абразивность. Липкость характеризует способность частиц сыпучего материала прилипать к поверхности твердых тел, например, к стенкам сосуда. Липкость свойственна мелкодисперсным материалам — пылевидным и порошкообразным. Абразивное воздействие сыпучих материалов определяется твердостью частиц, давлением, прижимающим эти частицы к поверхности твердых тел, и скоростью их относительного перемещения. Следствием абразивного воздействия является разрушение поверхности тел, контактирующих с сыпучим материалом.

Немалым препятствием при измерении уровня сыпучих материалов яв­ляется запыленность пространства над его поверхностью. Помимо чисто ме­тодических затруднений (например, из-за изменения электропроводности, диэлектрической проницаемости среды, ее плотности или прозрачности) возникает аварийная ситуация из-за взрывоопасности пылегазовой смеси и ее повышенного абразивного воздействия на элементы конструкции датчика уровнемера и сосуда.