5. Датчики уровня сыпучих и кусковых материалов

Измерение уровня сыпучих и кусковых материалов представляет значительно большие трудности, чем измерение уровня жидкостей. Это объясняется следую­щими обстоятельствами:

а) сыпучие и кусковые материалы при заполнении и опорожнении емкостей не образуют горизонтальной поверхности уровня; внешняя поверхность их может быть расположена под углом до 30—50° к горизонтали (угол естественного откоса);

б) для этих сред не действителен закон Паскаля;

в) при опорожнении емкостей возможны залипания материала на стенках;

г) ультразвуковые колебания не проходят через толщу кусковых и сыпучих материалов;

д) при загрузке материалов чувствительные элементы датчиков могут быть повреждены.

Указанные трудности существенно ограничивают круг возможных принципов измерения уровня [31].

Датчики данной категории:

1. Поплавковый датчик. Внутри поплавка помещен вибратор, обеспечивающий «плавучесть» поплавка в сы­пучих и кусковых материа­лах.

2. Лотовый датчик. С помощью специальных механизмов поплавку (ло­ту) сообщаются периоди­ческие движения вверх, вы­дергивающие его из слоя материала, после чего он опускается на поверхность.

3. Датчики с тормозя­щейся крыльчаткой. Многозаходный червяк непре­рывно вращается электро­двигателем. Крыльчатка укреплена на гайке, сидя­щей на червяке, без само­торможения.

4. Реле уровня с вибрирую­щей лентой.

5. Маятниковое реле уровня.

6. Реле уровня с гибким проволочным щупом.

7. Мембранные реле уровня

Данная группа датчиков уровня к нашей системе не подходит, поэтому рассматривать более детально их конструкцию и принцип действия было бы нецелесообразно.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что наиболее подходящим датчиком уровня, применительно к нашей системе, является регулятор уровня с пневматическим регулированием. Пневматические датчики представляют собой регулируемые сужающие устройства, располагаемые в потоке газа или жидкости. Входное перемещение воздействует на величину гидравлического сопротивления датчика и соответственно этому меняет давление в системе. Обычно применяются системы, состоящие из двух последовательно соединенных сужающих устройств. В этом случае выходной величиной является измерение давления в полости между ними. Основными исполнителями датчиков указанного типа являются золотники, регулируемые клапаны, сопло с заслонкой, струйная трубка. Датчики данной системы обеспечиваю достаточную точность измерения уровня, просты и надежны в эксплуатации.

В нашей системе будем использовать дифманометр типа ДМПК-4 с приделом измерения до 160 мм вод. ст. и максимальным допустимым давлением 4 кгс/см² (при использовании реле защиты типа Р3-4).

Рис 9. Дифманометр типа ДМПК-4.

Произведем расчет мембраны данного устройства:

Связь между прогибом центра мембраны x и давлением p определяется соотношением:

,

где

;

;

; ;

R – радиус мембраны;

r_жц – радиус жесткого центра;

p – давление;

E – модуль упругости материала;

 - толщина мембраны;

x – перемещение центра мембраны;

 - коэффициент Паусонна.

При отсутствии жесткого центра, при  = 0.3 и большого хода x »  получим:

.

Для бериллиевой бронзы со следующими параметрами:

R = 53 мм, ; E = 13,110⁵ кг/см²;  = 0,46 мм; x_макс = 0.65 мм;

а также используя зависимость создаваемого давления от уровня жидкости в погружной трубке:

; ;

где y – плотность жидкости, l – длина погружной трубки;

получим статическую характеристику, т.е. зависимость выходного пневматического сигнала от уровня жидкости в баке:

.

Рис. 10. Статическая характеристика датчика давления.

Технические характеристики устройства:

•Питание 1.4 кгс/см2;

•Выходной сигнал 0.2-1 кгс/см2;

•Мембрана: бериллиевая бронза, толщина 0.46 мм, диаметр 107 мм;

•Погрешность выходного давления не выше ±1% от рабочего диапазона;

•Глубина погружения 900 мм.