Механические методы контроля и измерения уровня сыпучих материалов

Значительное внутреннее трение сыпучего материала, ограничивающее подвижность его частиц, обуславливает еще одно свойство сыпучего материала — упругость формы. Это свойство проявляется в сопротивлении материала внедрению в него постороннего тела, причем сила сопротивления имеет место и при отсутствии перемещения тела относительно материала, т. е. при его нулевой скорости. На использовании этого свойства сыпучего материала и построено абсолютное большинство специфических методов измерения уровня сыпучих материалов. Если чувствительный элемент уровнемера вступает во взаимодействие с сыпучим материалом, то измерительная схема фиксирует возрастание нагрузки на чувствительный элемент, что и является сигналом о достижении уровнем определенного значения.

По характеру взаимодействия чувствительного элемента с материалом все эти методы измерения уровня можно объединить в группу механических методов измерения уровня.

По степени подвижности чувствительного элемента датчика механические уровнемеры можно разделить на уровнемеры с неподвижным чувствительным элементом и на уровнемеры с подвижным чувствительным элементом.

К уровнемерам с неподвижным чувствительным элементом относятся механические уровнемеры с гибким щупом и маятниковые уровнемеры. Чувствительный элемент первого из названных типов уровнемеров представляет собой тонкий металлический щуп 1 (рисунок 1.14), шарнирно закрепленный в специальной обойме 2 и поджатый с конца контактной втулкой 5. Обойма монтируется под некоторым углом на стенке сосуда.

Рисунок 1.14 Сигнализатор уровня сыпучего материала с гибким щупом:

1 — щуп; 2 — обойма; 3 — контакт; 4 — изоляционная втулка; 5 — контактная втулка.

Под воздействием сыпучего материала щуп упруго изгибается, поворачиваясь в месте шарнирного крепления, при этом элемент его, находящийся в обойме, касается контакта 3, установленного на изоляционной втулке 4 в обойме. Момент контакта фиксируется релейной схемой и свидетельствует о нахождении сыпучего материала в месте установки датчика.

Как следует из описания принципа работы механического уровнемера с гибким щупом, может быть использован только в качестве сигнализатора уровня. Уровнемер надежно работает только при понижении уровня, когда опускаются нижележащие слои материала; при заполнении сосуда срабатывание может и не произойти.

Чувствительный элемент маятникового уровнемера представляет собой маятник, подвешенный на жесткой или гибкой связи внутри сосуда. При наличии угла естественного откоса прохождение уровня сыпучего материала приводит к повороту маятника вокруг оси подвески. При этом замыкаются контакты ртутного реле, вмонтированного в маятник (рисунок 1.15), либо конечного реле, установленного у верхнего конца рычага подвески (рисунок 1.16).

Рисунок 1.15 Маятниковый сигнализатор уровня с концевым выключателем

Маятниковые уровнемеры используются только как сигнализаторы уровня. К недостаткам маятниковых уровнемеров следует отнести их неспособность к нормальному функционированию при беспорядочном заполнении сосуда, когда сыпучий материал обтекает маятник со всех сторон; попадание материала под шарнир рычага, налипание его на маятник может являться причиной выхода маятникового уровнемера из строя.

Менее чувствительным к направлению перемещения уровня сыпучего материала в сосуде и, одновременно, более надежным являются уровнемеры с подвижным чувствительным элементом. По виду движения, совершаемого чувствительным элементом, эти уровнемеры можно разделить на уровнемеры с поступательным, вращательным и колебательным движением чувствительного элемента.

Уровнемеры с поступательным движением чувствительного элемента называют лотовыми. Чувствительный элемент этих уровнемеров (рисунок 1.17) представляет собой массивное тело — лот 1, подвешенное внутри сосуда на гибкой связи 2 (ленте или тросе).

Рисунок 1.17 Лотовый следящий уровнемер: 1 — лот; 2 — гибкая связь; 3— сигнальное устройство; 4— механизм подъема лота; 5— отсчетное устройство.

Цикл замера уровня заключается в растормаживании лота, зафиксированного в предельном верхнем положении. Тогда под действием собственного веса лот начинает опускаться вниз, при этом сигнальное устройство 3, реагирующее на натяжение гибкой связи, подключает отсчетное устройство 5, регистрирующее по перемещению связи величину смещения лота относительно предельного верхнего положения. В момент касания лотом поверхности сыпучего материала натяжение связи уменьшается и сигнальное устройство 3 подает команды на отключение отсчетного устройства 5 и, одновременно, на механизм подъема 4, возвращающий лот в первоначальное положение. Показания отсчетного устройства позволяют определить текущее значение уровня. Перед проведением следующего замера необходимо осуществить сброс показаний отсчетного устройства. Как правило, эта операция осуществляется автоматически, цикличность замеров уровня определяется оператором, хотя уровнемер может работать и в автоматическом режиме.

Механические уровнемеры с вращающимися чувствительными элементами применяются для дискретного измерения уровня сыпучего материала. Чувствительный элемент представляет собой крыльчатку 1 (рисунок 1.18), установленную горизонтально или вертикально на контролируемом уровне, приводимую во вращение электродвигателем 2 через червячную передачу.

Рисунок 1.18 Сигнализатор уровня сыпучего материала с вращающейся крыльчаткой: 1 — крыльчатка; 2 — электродвигатель; 3 — червячное колесо; 4 — червяк; 5 — пружина; 6 — конечный выключатель.

По достижении сыпучим материалом крыльчатки ее вращение прекращается, останавливается и червячное колесо 3, сидящее на одном валу с крыльчаткой. Червяк 4, продолжая вращаться, перемещается по оси, преодолевая сопротивление пружины 5, и нажимает на стержень выключателя 6, размыкающего или замыкающего сигнальную цепь.

В химической промышленности для контроля количества сыпучих веществ, находящихся в бункерах, применяются приборы пневмомеханического измерения положения поверхности сыпучего вещества относительно дна бункера, называемые пневматическими уровнемерами сыпучего вещества (ПУС) (рисунок 1.19).

Рисунок 1.19 Пневмомеханический указатель положения поверхности сыпучего вещества

Чувствительный элемент и пневматический преобразователь устанавливают на крышке бункера. Внутри бункера проходит вертикальная труба 8, на конце которой находится жестко связанная с нею крыльчатка 9. Верхний конец трубы 8 связан гайкой 6, навернутой на винт 5, который через червячный редуктор с червяком 2 и шестерней 1 непрерывно вращается электродвигателем 3. Гайка 6 под действием силы тяжести легко свинчивается с многозаходной резьбы винта 5 и смещается вниз. Свободное вращение гайки 6, трубы 8 и крыльчатки 9 используется для опускания крыльчатки, которое прекращается в моменты соприкосновения ее лопастей с сыпучим веществом, благодаря тому, что сила тяжести оказывается недостаточной для преодоления трения при перемещении лопастей внутри сыпучего материала. При прекращении вращения гайки 6 непрерывно вращающийся винт 5 своей резьбой смещает гайку и связанную с нею крыльчатку вверх. Движение вверх прекращается, как только лопасти крыльчатки перестанут соприкасаться с сыпучим веществом; она получит свободу вращения, при котором опустится до соприкосновения с сыпучим веществом, где снова потеряет свободу вращения и затем начнет подниматься. Таким образом, поочередно опускаясь и поднимаясь на небольшую высоту, крыльчатка будет удерживаться на поверхности сыпучего вещества, следуя за изменениями положений поверхности относительно дна бункера. Перемещение крыльчатки и связанных с нею трубы и гайки через выступ диска 7 наклоняет рычаг 11, прикрепленный пружиной 10 к корпусу 4 прибора и через рычаг 18 перемещает заслонки пневматического реле 16, вызывая изменение выходного давления р, которое приводит в действие стрелку манометрического указателя 12 (шкала которого градуирована в единицах высоты h или объема). Для автоматического регулированиям количества или положения уровня воздух с давлением р может быть подан на механизм привода клапана, регулирующего подачу вещества в бункер, вместо подачи его на указывающий прибор 12.

Уровнемеры сыпучего вещества такого типа могут применяться для измерения положения поверхности в пределах от нуля до 1,8 м. Для питания прибора подается чистый сухой воздух давлением р₀ = 0,15 н/м². Величина давления р₀ контролируется манометром 15, а давления р -манометром 14 с основной погрешностью 2,5% (считая от наибольшего значения шкалы).

Основным недостатком прибора является громоздкость и большая строительная высота чувствительного элемента, устанавливаемого на крышке бункера, которая приводит к увеличению высоты здания над бункером и затрудняет обслуживание прибора.

Современные лопастные электро-механические (ротационные) сигнализаторы используются для дискретного определения уровня твердых сыпучих материалов

Применение:

· смесевые твердые материалы;

· гранулированные, шариковые, пудроподобные сухие продукты;

· сигнализация превышения или занижения уровня.

Основные характеристики:

 свободное вращение электромотора без нагрузки;

 универсальный принцип, позволяющий работатать почти на всех сухих материалах;

 монтаж сверху или на стенке сосудов;

 рабочая температура до +150 град.С; высокотемпературное исполнение до +400град.С;

 специального исполнения для пылевого применения;

 вытянутые подшипниковые узлы для монтажа на крышах силосных башен;

 имеются фланцы для установки.