固体水平测量的艺术和科学

正确设计和应用固体处理系统需要经验。准确测量储罐或筒仓中的固体数量对产品管理、保管控制和转移至关重要。

通过丹尼尔·e·卡帕诺 2019年3月1日

颗粒固体是宏观颗粒的集合，如雪、沙、米或煤。虽然颗粒固体的形式很容易解释，但它们的行为非常复杂。固体与液体和气体的表现不同，所以测量液位的方法是专门的，需要和技术一样多的“感觉”。所描述的技术是一门艺术，需要一定的经验才能正确设计和应用固体处理系统。准确测量储罐或筒仓中的固体数量对产品管理、保管控制和转移至关重要。为了讨论的目的，假定所监测的固体水平是颗粒状的。

传感器类型

与液位测量一样，设备分为两大类:非接触式和接触式。在这些类别中，设备被进一步分解为点级和连续级监视。本文描述了这些设备和一些应用程序背后的原理。固体液位测量不像液位测量那样简单。液体具有特性重量，可以使用静压装置将其转换为液位;固体在批次内变化很大。在没有混合或其他干扰的情况下，液体也会找到自己的水平，并在测量设备上呈现均匀的表面。这是固体测量的挑战之一。

固体在测量设备上往往呈现出不均匀的表面，并且在储存它们的容器中装载或沉降不均匀。找到一个水平的表面来反射信号是很有挑战性的。

用于固体测量的非接触式设备与用于液位测量的设备相同，其中超声、雷达和激光是最常见的设备。超声波装置的优点是价格便宜，而且其性能易于理解。不幸的是，这会导致误用，进而导致不一致的结果。雷达设备也是如此。其原因是固体不易沉淀成均匀和水平的表面。更常见的情况是，固体被输送到罐体或筒仓，由输送机倾倒固体到一个点，使其形成一个由固体的“休息角”决定的锥体。当超过这个角度时，就会出现质量沉降或崩落。如果一个非接触式设备正在监测锥顶，这种脱落将导致水平的突然变化。但是，通常情况下，设备放置在交付区域附近，将永远无法实现真正的水平，并且脱落将再次引起水平的突然变化。

测量问题

问题是一个有角度的表面反射的问题。超声波、导波雷达(GWR)和激光设备依赖于被测材料表面信号的反射。液体的表面是均匀的，为信号“反弹”提供了一个良好的反射表面。固体在稠度，颗粒大小，当然还有休息角度上有所不同。静止角是固体以连续流的形式输送时自然沉降的角度。前面提到的脱落是锥体高度产生的角度超过休息的结果。每一种固体都有其特有的静止角。这可以在点级应用程序中使用。

非接触式测量装置换能器可以安装在休止角，以确定固体锥何时达到控制点，如高电平警报。然而，连续的水平测量并不容易。缺乏均匀的表面阻止了相干反射返回到换能器，不同的颗粒大小产生散射效应——这两种情况都会导致信号不可靠。激光是更可靠的点级设备，更准确地确定控制点上固体的存在。然而，它们的价格更高。

激光也可以安装在“肩上”的安排，安装在容器上的设备是不切实际的。最近的一个应用是用泥饼填充卡车。由于物料搬运和运输设备的原因，在卡车上方安装液位监测装置是不切实际的。

影响非接触式设备的其他问题是容器内固有的灰尘环境，固体膨胀和负载不均匀。在第一种情况下，重要的是要记住灰尘可以燃烧和爆炸。在安全程序实施之前，煤尘和粮仓爆炸是非常常见的。在设计系统时必须考虑到这一特性。除了气体燃烧所需的燃料、氧气和点火外，灰尘还需要分散和限制才能成为可燃物。这种分散性也会干扰非接触式的电平设备操作。

应在系统中设计适当的设备外壳，以提供适当的保护。固体膨胀发生在固体“饼”和成为一个单独的质量从其余的筒仓内容，如固体堆积在筒仓的一边。这可能导致与水平设备没有接触或不接触。一种常见的补救方法是振动或与空气“流态化”固体，以确保其均匀分布。负载不均匀的原因有很多。然而，系统设计和操作员经验，以及在某些情况下的机械搅拌，可以帮助缓解这一问题。

测量设备解决方案

这种应用的接触测量设备是固体测量所特有的。这些装置要么依靠与材料的直接接触，要么依靠重量。所有固体的基本形态都不同:大小、密度、含水量和重量。这些特征用于检测或推断水平。应该注意的是，这里不考虑装载集装箱或筒仓的方法。最理想的情况是，操作人员将尽可能均匀地装入容器或筒仓。根据被处理的固体的特性，它要么自由流动，要么堆积成一堆，直到达到临界角度并释放。对于设计人员来说，这是一个特定于实体的问题，超出了本文的讨论范围。

来自Sapcon Instruments Pvt. Ltd.的coating - endure - t是一种紧凑型液位开关，带有交替有源和无源区域的环形探头。该设计帮助控制器通过测量单个电容和板载微控制器补偿来计算探针上的涂层。据说它适用于各种各样的粉末，固体，糊状，泥浆和液体。提供:Sapcon Instruments Pvt. Ltd.和CFE Technology公司的工程师新产品数据库。

另一种常用的测量方法是重量和电缆系统，通常称为“溜溜球”。这个装置是机械的，虽然它包含一个滑动线传感器，它跟随机构向下移动到固体表面。当重物接触固体表面时，它会停下来，然后卷绕回去。滑丝测量桨移动的深度。该设备自远古以来一直用于散装固体处理行业。除了它是一个机械设备，其他模式的失败是由桨和电线上的固体堆积造成的。这对设备的操作和准确性有累积的负面影响。

应变计也用于改造现有的容器或筒仓，以显示容器内的固体装载情况。这些设备可以固定在现有的结构上，允许操作人员根据结构的变形来推断容器内的固体水平或重量。这些非常简单，可以使用市售容器(“垃圾箱”)在飞行中使用，但校准和设置可能令人生畏。

最后，还有测压元件。这种方法要求在容器或筒仓的设计中包含测压元件。测压元件是结构的组成部分，必须在安装之前就位。其运作原理是众所周知的。通常，多个测压元件放置在容器或筒仓的支撑下，以提供由于加载不均匀而产生的平均。该系统根据所处理的固体进行校准，并根据所观察到的重量推断容器中的液位。根据所处理的固体，可以添加上述类型的二级监测作为高级检测设备或中间点级监测。

还有其他一些设备经常用于监测和测量固体水平，范围从相对简单到复杂。在底部末端有一个“桨轮”传感器，用于测量输送斜槽中固体的存在。然而，它也被用作点级测量的原始手段;当固体的主体到达那个点时，它会像桨一样移动。

另一端是微波或伽马辐射传感器，它们将源安装在血管的一侧，受体安装在另一侧。安装在容器外意味着没有接触，没有污垢或其他磨损。固体测量系统的选择和应用，就像任何其他仪器和控制系统设计一样，高度定制所涉及的材料和可用的物理系统来处理它们。

展望未来

应用、使用、放置以及监测和控制固体水平的方法依赖于对所处理固体的全面了解。虽然液体的行为相对简单且可预测，但固体的行为却非常不同——如此不同，事实上，有些人已经将颗粒固体描述为一种全新的物质形式。

考虑所处理的固体的所有特性，包括其产生可燃粉尘的倾向，这可能对生命安全构成威胁。一般来说，固体的测量不像大多数液位测量应用一样是一刀切的。这是一个经验与适当应用最先进仪器相结合的问题，可以适当应用现有的手段和方法。

丹尼尔·e·卡帕诺他是甘尼特·弗莱明工程与建筑公司的高级项目经理控制工程编辑顾问委员会成员。内容经理杰克·史密斯编辑，控制工程， CFE传媒，jsmith@cfemedia.com