Методы и средства автоматического измерения уровня жидких и сыпучих материалов в технологических процессах горного производства

Уровень как физическая величина измеряется в единицах длины системы СИ в метрах (m - международное обозначение, м - русское обозначение). Стандарт рекомендует к использованию следующие кратные и дольные значения от единицы СИ: km - километр, международное обозначение, км - русское обозначение, сm - сантиметр (см), mm – миллиметр (мм); µm (мкм) -микрометр, nm (нм) - нанометр.

Уровень как технологический параметр характеризует состояние и работу многих технологических аппаратов, машин, оборудования и технологических процессов в целом. Диапазон изменения измеряемой величины уровня в процессах горного производства весьма широк: от нескольких миллиметров, как, например, при измерении уровня (высоты) пенного слоя во флотационной машине, до нескольких метров, как, например, уровень руды в приемных бункерах цеха измельчения.

Как известно, процессы горного производства характеризуются непрерывностью, накоплением материала в бункерах, емкостях и их последующим распределением по аппаратам, секциям и т. п.

Автоматический контроль уровня предотвращает опустошение емкостей, а, следовательно, нарушение непрерывности процесса, и, как следствие, потерю качества. Автоматический контроль уровня обеспечивает равномерную нагрузку на машины и оборудование, исключает переливы материалов, предотвращает аварийное развитие хода процессов и т. д.

В практике осуществления автоматических измерений уровня как сыпучих материалов (руда, компоненты шихты, концентраты), так и жидких продуктов (реагенты, пульпа, вода) мы сталкиваемся с необходимостью иметь постоянную непрерывную (или дискретную) информацию об уровне в объектах контроля, отличающихся большим конструктивным разнообразием и условиями измерений. Так, например, жидкость может находиться в открытой и закрытой емкости или под давлением. Жидкость может быть агрессивной, взрывоопасной, кристаллизующейся и т. д., что создает определенные трудности при выборе метода и средства измерения уровня.

По характеру выходного сигнала все средства измерения уровня делят на сигнализаторы уровня и уровнемеры.

Сигнализатор уровня — устройство, позволяющее осуществлять измерение (контроль) уровня в одной или в нескольких заданных точках.

Уровнемеры - осуществляют непрерывное автоматическое измерение уровня.

По принципу действия средства измерения уровня условно делят:

на механические;

электромеханические;

электрические;

радиоактивные;

фотоэлектрические;

акустические и др.

Рассмотрим возможные принципы и средства измерения уровня жидких продуктов. Система автоматического измерения уровня, как и любого другого параметра, состоит из измерительного преобразователи и вторичного прибора.

Поплавковые датчики. В качестве измерительного преобразователя используют поплавок с механическим и электрическим промежуточным и выходным преобразователями. С помощью поплавковых измерителей уровня (рис. 1) осуществляют измерение чистых, некристаллизующихся жидкостей, пульпообразных продуктов с постоянной плотностью.

Диапазон измерения с помощью поплавковых датчиков незначительный и определяется кинематической схемой промежуточного преобразователя.

Рис. 1. Схема измерения уровня поплавковым датчиком

Пневматические датчики уровня. Для измерения уровня жидких продуктов в открытыхмкостях применяют пневматические (пузырьковые) датчики уровня. Датчик представляет собой полую пьезометрическую трубку, в которую закачивается воздух под давлением 1,4 кгс/см² (137,3 кПа). Трубка опускается в жидкость, уровень которой измеряется (рис. 2).

При постоянной плотности жидкости давление в пьезотрубке будет отражать колебания уровня:

Р = h · δ,

где h - измеряемый уровень,

δ - плотность жидкости.

Рис. 2. Схема автоматического измерения уровня пневматическим датчиком

Диапазон изменения измеряемой величины (уровня) до одного метра. При организации измерений с помощью пьезометрических трубок необходимо соблюдать условие

Р_Г <Р_ПИТ,

где Р_Г - давление, развиваемое (создаваемое) столбом измеряемой жидкости;

Р_ПИТ - давление воздуха, подаваемое в пьезотрубку от источника сжатого воздуха.

Ультразвуковые уровнемеры. Уровень пульпы в зумпфах, камерах флотационных машин может автоматически измеряться с помощью ультразвуковых датчиков. Принцип их действия заключается в следующем. Источник ультразвуковых колебаний (1) испускает серию импульсов (рис. 3), отразившись от мишени, воспринимаются приемником излучения (2). Время прохождения ультразвукового сигнала в обе стороны (от излучателя до поверхности контролируемой жидкости и обратно до приемника излучения) преобразуется измерительным преобразователем (3), корректируется с учетом температуры (4, 5), фильтруется от помех (6) и преобразуется в токовый сигнал в блоке 7 (4 - 20 мА), пропорциональный измеряемому уровню (см. рис. 3)

Фильтрация сигнала необходима для устранения помех, возникающих вследствие работы электрических двигателей, вращения импеллеров в агитационных чанах, зумпфах, камерах флотомашин, где измеряется уровень.

Сигнал о текущем значении передается на дисплей (8), конструктивно расположенный вместе с элементами ультразвукового преобразователяю

Таким образом, расстояние от источника излучения до мишени определится как

h = c · t/2,

где с - скорость ультразвука в воздухе;

t - суммарное время прохождения сигнала от источника до мишени и от мишени до приемника.

Если ультразвук за время t проходит двойное расстояние h, следовательно, при определении расстояния до мишени (уровня жидкости) схема преобразования будет учитывать половинный временной интервал (t/2).

L = H - h

где L — уровень среды,

Н — геометрические параметры емкости.

Рис. 3. Структурная схема ультразвукового датчика уровня

Гидростатические уровнемеры. Измерение уровня жидкости в открытой емкости и в емкости, находящейся под давлением можно осуществлять на базе датчика
Метран-100-ДГ. Устройство датчика показано на рис.4.

Рис. 5. Возможная структурная схема гидростатического уровнемера

Датчик состоит из преобразователя давления (сенсорного блока) и унифицированного электронного преобразователя.

Измеряемая входная величина подается в камеру сенсорного блока и преобразуется в деформацию чувствительного элемента тензопреобразователя, вызывая при этом изменение электрического сопротивления тензорезисторов.

Электронный преобразователь датчика преобразует это изменение сопротивления в унифицированный аналоговый токовый выходной сигнал.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.

Сенсорный блок датчика состоит из корпуса 1, рычажного тензопреобразователя 2, разделительной мембраны 3, жесткого центра со штоком 4, электронного
преобразователя 5.

В датчиках гидростатического давления измеряемое давление Р воздействует на мембрану 3 и преобразуется в усилие на жестком центре, которое через шток 4 передается на рычаг тензопреобразователя 2. Избыточное статическое давление подводится к патрубку 6. Перемещение конца рычага вызывает деформацию измерительной мембраны тензопреобразователя. На измерительной мембране размещены тензорезисторы. Тензорезисторы соединены в мостовую схему. Деформация измерительной мембраны вызывает изменение сопротивления тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, подается в электронный преобразователь 5. Электронный преобразователь преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный токовый выходной сигнал.

Измерение уровня сыпучих материалов в емкостях (уровня дробленой руды в бункерах) может осуществляться различными методами. На предприятиях горной промышленности распространение получили кондуктометрический метод, радиоактивный и др.

Кондуктометрический сигнализатор уровня. Принцип действия кондуктометрических сигнализаторов уровня основан на различии электрического сопротивления контролируемой среды и воздуха.

Кондуктометрические сигнализаторы применяют, как правило, для контроля и сигнализации верхнего уровня пульп, влажных и сухих сыпучих материалов (концентратов, дробленой руды и т. п.) в емкостях, чанах, зумпфах. С помощью кондуктометрических датчиков возможно осуществлять контроль уровня в нескольких точках, например, верхний, средний, нижний, или как, например, при автоматизации шахтных водоотливных установок измеряют нижний уровень, верхний, повышенный и аварийный. В состав кондуктометрических уровнемеров входят: датчик (электрод), устанавливаемый в бункере (зумпфе), и усилительная схема (релейная или электронная). Схемы с релейными усилителями используют, как правило, в сигнализаторах, где сопротивление участка «электрод - земля» не превышает 1 МОм. При возрастании величины сопротивления этого участка до 20 МОм и выше применяют электронные схемы. На рис. 5 приведена структурная схема кондуктометрического датчика уровня.

Рис. 5. Упрощенная структурная схема кондуктометрического сигнализатора уровня

В кондуктометрических сигнализаторах уровня необходимо применять специальные меры для предотвращения ложных срабатываний из-за осаждающейся на электрод электропроводящей пыли.

Радиоактивные сигнализаторы уровня являются универсальными средствами контроля уровня на заданной отметке и могут использоваться как для контроля сыпучих сред, так и жидкостей. Они могут также применяться для контроля забивки течек (перегрузочных узлов), наличия материала на ленте конвейера и для других целей.

Принцип действия радиоактивных датчиков заключается в том, что интенсивность проникающего потока гамма-излучения зависит от плотности контролируемого материала. Принцип контроля уровня с помощью радиоактивных датчиков поясняется структурной схемой, изображенной на рис.6

.

Рис.6. Структурная схема контроля уровня с помощью радиоактивных датчиков уровня

В качестве источника излучения применяют изотопы кобальта - 60 или цезия - 137 (Со-60, Сs-137).

Современная элементная база (интегральные микросхемы, микропроцессорные устройства) позволяет разрабатывать и создавать различные по назначению гамма-электронные реле уровня со стандартными выходными сигналами, которые можно подключать к системным блокам ЭВМ. В настоящее время выпускаются радиоактивные реле уровня типа РОС-111 (контроль уровня в зумпфах) и РОС -301 (контроль уровня в бункерах).

Радиоактивные датчики уровня (как, впрочем, и другие радиоактивные датчики), обладая целым рядом преимуществ, в то же время требуют специальных мер по соблюдению техники безопасности, а также специальной службы на предприятии, занимающейся вопросами хранения радиоактивных веществ, их эксплуатации в системах контроля технологических параметров.