Pomiary poziomu materiałów sypkich

Określanie poziomu materiałów należy do grupy pomiarów najczęściej stosowanych w przemyśle. Wykorzystywane jest ono w górnictwie, hutnictwie, jak też wielu innych dziedzinach przemysłu, włącznie z branżą spożywczą oraz przetwórstwem tworzyw sztucznych. W artykule omówiono możliwości związane z zastosowaniem poszczególnych metod pomiarowych, przedstawiając ich zalety oraz ograniczenia.

Pomiary poziomu pozwalają na stosowanie racjonalnej polityki magazynowej oraz umożliwiają odpowiednie sterowanie procesami produkcyjnymi. Częstym ich zastosowaniem jest utrzymywanie stałej ilości danego surowca w zbiorniku. Oznacza to, że większość ciągłych pomiarów poziomu służy do określenia objętości lub masy materiału znajdującego się w zbiornikach magazynowych, oczywiście po wprowadzeniu zależności pomiędzy poziomem a objętością. Dlaczego do powyższego celu nie zastosować np. wagi zbiornikowej? Powodów, które wykluczają jej użycie, jest kilka. Najczęstszą trudnością jest brak możliwości ważenia spowodowany konstrukcją zbiornika, który może być wykonany w postaci betonowego silosu. Zbiornik taki może być także na sztywno połączony z innym zbiornikiem, a więc niemożliwe byłoby poprawne, niezależne mierzenie ich zawartości. Ponadto cena wagi przystosowanej do pomiaru tak dużych mas byłaby raczej wysoka – często o rząd wartości większa, niż koszt zakupu urządzenia do pomiaru poziomu.

Pomiary ciągłe materiałów sypkich można podzielić na dwa rodzaje. Pierwszym są pomiary kontaktowe, w przypadku których materiał w zbiorniku ma bezpośredni kontakt z liną wykorzystywaną do pomiaru. Przykładem takich rozwiązań są sondy elektromechaniczne, pojemnościowe oraz sondy mikrofalowe z falowodem. Drugim typem są metody bezkontaktowe, w których wykorzystuje się pomiary ultradźwiękowe lub radarowe. Istnieją również pomiary urządzeniami izotopowymi i laserowymi, ale zostały one pominięte w artykule ze względu na ich ograniczony zakres zastosowań.

Sondy elektromechaniczne

Sonda elektromechaniczna

Sondy elektromechaniczne były do połowy lat 90. zeszłego wieku traktowane jako standard przy pomiarach poziomu cementu, wapna czy popiołu w wysokich silosach. Do ich zalet należy zaliczyć całkowitą niewrażliwość na zapylenie w zbiorniku oraz praktycznie nieograniczony zakres pomiarowy (nawet do 70m). Po przełomie w zakresie techniki mikrofalowej sondy te zostały wyparte przez inne rozwiązania, które obnażyły ich wady. Precyzyjne układy elektroniczne sond elektromechanicznych są kosztowne i wymagają okresowych zabiegów konserwacyjnych. Największym problemem jest w ich przypadku pył, który dostaje się do wnętrza komory bębna za pośrednictwem oblepionej nim linki pomiarowej. Powoduje to, że sonda wymaga czyszczenia komory bębna, okresowej wymiany elementów napędowych, jak również samej linki. Dodatkową trudnością jest ryzyko, że ciężarek sondy zostanie przypadkowo zasypany przez obsuwający się materiał. W takim przypadku nastąpić może poważne uszkodzenie mechaniczne sondy, z zerwaniem linki włącznie. Utrudnione są także pomiary w zbiornikach napełnianych pneumatycznie - w ich przypadku proces pomiarowy może zostać uruchomiony dopiero po wyłączeniu pompy ponieważ mieszająca się wraz z masami powietrza linka z ciężarkiem łatwo może zahaczyć o elementy wewnętrzne zbiornika - np. o drabinki rewizyjne. Obecnie sondy elektromechaniczne są wymienianie są na inne, odporniejsze i tańsze urządzenia bezkontaktowe.

Sondy pojemnościowe

Sonda pojemnościowa

Sondy pojemnościowe są rozwiązaniem ekonomicznym, szczególnie w przypadku gdy dokładność pomiaru nie jest bardzo istotna. Oblepienie liny nie stanowi tutaj problemu, co najwyżej powodując minimalne zawyżenie wskazań. Przy zastosowaniu metody pojemnościowej dokładność pomiaru wynosi kilka procent, co jest spowodowane zmianą wilgotności materiału. Przykładowo stała dielektryczna cementu czy wapna kształtuje się na poziomie od 2% do 5%, podczas gdy wody aż 80%, a więc stabilność wilgotności materiału jest istotnym parametrem. Dużym utrudnieniem jest również konieczność kalibracji, co przy wielkich silosach powoduje, że czas oczekiwania związany z napełnieniem lub opróżnieniem zbiornika wynosić może nawet kilka tygodni. Sonda nie nadaje się natomiast do pomiaru poziomów materiałów sypkich o większej granulacji, gdyż grożą one uszkodzeniem liny. Dyskusyjnym problemem są także dopuszczalne naprężenia działające na linę, jakie występują podczas opróżniania zbiornika.

Sondy ultradźwiękowe

Pierwsza z metod, która spowodowała rewolucję w pomiarach poziomu, pozwalając na pomiar poziomu materiałów o dowolnej granulacji, jak też warstwy materiału na taśmociągach lub przesypach, bazuje na wykorzystaniu ultradźwięków. Pomiar polega przypadku na badaniu czasu, jaki potrzebny jest aby fala ultradźwiękowa o częstotliwości z zakresu 10 do 50kHz przebyła drogę od nadajnika do powierzchni medium i z powrotem do odbiornika. Głowica ultradźwiękowa umieszczona jest w dachu zbiornika, a zatem miejscu najbardziej bezpiecznym i łatwo dostępnym. Sonda ta jest praktycznie niezniszczalna i nie wymaga żadnych zabiegów konserwacyjnych. Jedynie w przypadku pneumatycznego napełnienia zbiornika sporadycznie może wystąpić oblepienie głowicy.

Stosunkowo szybko po pojawieniu się na rynku sond ultradźwiękowych wiele firm zdecydowało się na zastąpienie nimi starych sond elektromechanicznych i pojemnościowych. Niestety po pewnym czasie okazało się, że fala dźwiękowa jest silnie tłumiona podczas pneumatycznego napełniania zbiornika oraz podczas parowania, a wartość sygnału odbitego od powierzchni materiału sypkiego jest zdecydowanie mniejsza niż od powierzchni cieczy. Przyczyną tego zjawiska są stożki powstające w czasie napełniania oraz leje występujące podczas opróżniania, które powodują że większa część energii sygnału zostaje rozproszona i odbita w kierunku innym, niż głowica.

Stosując sondę ultradźwiękową należy pamiętać, aby odpowiednio dobrać jej zakres pomiarowy. W praktyce, w przypadku napełniania pneumatycznego należy podzielić zakres sondy podawany w materiałach reklamowych przez dwa, a w przypadku popiołu, sadzy, wapna czy cementu – nawet przez trzy. Niestety w przypadku zbiorników z cementem, wapnem czy popiołem nadal trzeba się liczyć z sytuacją, w której sonda nie jest w stanie odebrać sygnału odbitego z powodu wystąpienia kilku czynników zakłócających jednocześnie. Dlatego zalecane jest dodatkowe zabezpieczenie zbiorników przed przepełnieniem za pomocą sygnalizatorów wibracyjnych lub pojemnościowych. W przypadku małych zbiorników dodatkowym kłopotem jest tzw. strefa martwa, czyli minimalny dystans pomiędzy głowicą, a poziomem, którego przekroczenie grozi wskazaniem przez sondę echa wielokrotnego. Objawia się to np. wskazaniem 1m lub 2m zamiast 50cm, a zatem zaniżeniem poziomu. Sonda o zakresie 3m dla materiałów sypkich ma strefę martwą o wielkości 40cm, a sonda o zakresie 15m - aż 80cm. Dlatego sondy ultradźwiękowe stosowane są przede wszystkim w prostych aplikacjach, przy napełnianiu zbiorników za pomocą przenośników taśmociągowych, które stosowane są w przypadku węgla, piasku, kamienia, drewna czy też makulatury. O ile zastosuje się odpowiednią głowicę, sondy te mogą być używane w niewielkich zbiornikach (o wysokości 10-15m) z cementem, zbożem czy miałem węglowym.

Sondy mikrofalowe z liną

Sondy mikrofalowe z liną, inaczej nazywane sondami radarowymi z liną prowadzącą albo radarami kablowymi, działają na bardzo podobnej zasadzie jak sondy ultradźwiękowe. Różnica polega na tym, że zamiast fali ultradźwiękowej wykorzystywana jest fala elektromagnetyczna propagująca się wzdłuż falowodu (liny). Na granicy gaz-materiał następuje częściowe odbicie sygnału, a moc sygnału odebranego jest ściśle związana ze stałą dielektryczną - im stała jest wyższa, tym sygnał silniejszy.

Obecnie trudno jest znaleźć materiał, którego poziomu nie można by zmierzyć sondą mikrofalową z liną, choć w przypadku pomiarów grubości styropianu czy też poziomu suszonego drewna mogą wystąpić problemy. Z uwagi na fakt, że pomiar z wykorzystaniem fal elektromagnetycznych jest praktycznie całkowicie nieczuły na występowanie zapylenia lub zaparowania, sonda bardzo dobrze sobie radzi z poziomem materiałów sypkich, które transportowane są pneumatycznie. Kalibracja sondy jest prosta i podobna do stosowanej w sondzie ultradźwiękowej oraz radarowej. Polega ona na wprowadzeniu odległości sondy od poziomu minimalnego i maksymalnego.

Poza oczywistymi zaletami opisywanej metody, z uwagi na występowanie falowodu urządzenie ma identyczne ograniczenia, jak sonda pojemnościowa. Zbyt duże naprężenia falowodu mogą spowodować zerwanie się sondy. W zależności od materiału naprężenia te ograniczają zakres pomiarowy do 20-30m. Co prawda zmiana wilgotności materiału nie ma wpływu na wyniki pomiaru, jednak oblepienie liny może być przyczyną zablokowania się urządzenia. W związku z tym, w przypadku materiałów oblepiających, powstaje konieczność okresowego oczyszczania liny. Sondy tego typu stosuje się z powodzeniem w zbiornikach suchych, pylistych i nieoblepiających materiałów sypkich, jak np.: mąka, cukier, gips, cement, wapno, popiół.

Sondy radarowe

Sonda radarowa

Ogromny postęp w technice mikrofalowej spowodował, że na początku XXI wieku pojawiły się specjalizowane urządzenia do pomiarów mediów sypkich. Sondy radarowe dla tego typu zastosowań charakteryzują się sygnałem silniejszym o 30dB niż ich odpowiedniki przeznaczone do pomiarów ilości cieczy. Najnowsze radary produkowane są w wersji dwuprzewodowej i mają zakres pomiarowy do 70m oraz kąt wiązki wynoszący zaledwie 4°. Uwzględniając takie ich zalety, jak niewrażliwość na zapylenie, parowanie, ruchy powietrza w zbiorniku i dokładność absolutną na poziomie 2cm, sondy te stanowią dzisiaj najważniejszą odpowiedz techniki na problem pomiaru poziomu produktów sypkich, pylących lub wybuchowych. Radary są również jedyną uniwersalną metodą pomiarową, która w praktyce może zastąpić dowolną z wcześniej omawianych. Dodatkowo ten sam przyrząd może być stosowany do pomiaru cieczy i materiałów sypkich, co znacznie redukuje koszty magazynowania części zapasowych i ułatwia serwis. W przypadku mediów oblepiających np.: wapna lub mielonego lub wilgotnego drewna, sondy pozwalają standardowo na podłączenie anteny do układu sprężonego powietrza, co niweluje powyższy problem. Sondy radarowe mogą pracować w temperaturze do 200°C, a niektóre z nich nawet do 400°C. Moc radarów impulsowych jest wciąż poniżej dopuszczalnych limitów co powoduje, że urządzenie może być stosowane w dowolnych warunkach np.: na otwartych przestrzeniach w pomiarach na przesypach przenośników taśmociągowych.

Koszt zakupu sondy radarowej wynosi około 8 tys. złotych, jednak każdego roku obserwowany jest znaczący spadek cen tych produktów. W Polsce sondy tego typu pracują z powodzeniem w dużych silosach z cementem, popiołem lotnym, wapnem, cukrem, mielonym drewnem, tworzywami sztucznymi i węglem o różnych gralunacjach. Jedynym kryterium doboru sondy radarowej jest wskazanie jej zastosowania, co prowadzi do wyboru odpowiedniego modelu i rodzaju anteny. Prognozy wskazują że każdy rok przynosi wzrost sprzedaży sond radarowych o około 10%, jednocześnie na rynku nie ma obecnie innej, równie uniwersalnej metody pomiarowej do materiałów sypkich.

Robert Sowa