让固体测量不再复杂

Ingemar Serneby文中讨论测量容器中和筒仓中固体料位所面临的困难,介绍一些可用技术及其在不同应用中的适用性。

对于很多客户来说,选择一种合适的技术测量容器或筒仓中的固体料位是一个令人苦恼的过程。被测物料的特性通常使料位测量变得困难重重,并且结果不尽人意。很多应用需要将料位测量转换为质量测量,精确的结果依赖于测量物料密度的一致性以及对存储容器的尺寸及特性的充分了解。 

工业中料位测量的传统方法是使用称为“溜溜球”的机械设备。这类技术的基础是在预定时间将连接在线上的重物降低到物体表面。设备根据在重物接触表面之前展开的线长计算介质的料位。然而,因为线轴机构会接触介质,这些系统需要定期维护——操作员面临置身于高储罐顶上作业的危险。

需要持续测量时,有多种选择覆盖了过程工业中的多数应用。包括导波雷达(GWR)、非接触式雷达、超声波、声波、基于激光的技术和称重传感器。此外,对于无法使用其它技术的特殊应用场合可以应用核技术。

为什么固体测量如此困难?

表面倾斜

在填料和排空期,固体物料表面很少是平坦的或水平的,在入口下方有一个到最高点的倾斜面,在出口上方有一个“鼠洞”。堆角或表面倾斜角会随着容器的填料和排空而改变,这个角度会影响信号从表面反射的路径。对于陡峭的角度,不建议使用超声波传感器,因为会有信号损失。

粉尘

固体料位测量技术的一个常见问题是填料期产生的粉尘影响。很多物料在筒仓中会产生大量的粉尘,这可能造成超声波和激光设备故障。粉尘的出现会影响信号强度,进而影响测量数据可靠性。因此,超声波和激光设备不适用于这类应用。

尽管雷达信号不受粉尘影响,仍需要防止粉尘堆积在非接触式雷达的天线上,例如借助具有不粘特性的PTFE袋防止粉尘附着。空气吹扫也经常用于清洁传感器表面的粉尘。基于声波的测量系统是应用的低频脉冲信号,不受粉尘、填料噪声、湿度或温度影响。此外,它们可以用振动膜清除覆盖在喇叭口上的粉尘颗粒,实现自动清洁。

介质类型

介质的类型多种多样,它们的物理特性也大相径庭。例如,颗粒大小不同,从数微米大小的颗粒到如石块、鹅卵石这样的大颗粒。它们可能光滑或者有锋利的边缘。接触研磨介质的部分——比如GWR导波杆需要定期维护。

 

图1:固体颗粒大小不同,从粉末到鹅卵石甚至石块

轻质多孔材料有吸声特性,影响超声波和声波料位设备的性能。有些材料吸湿——容易吸收或捕获水分,这可能会导致容器内部结块或聚集。尤其是粗糙的材料更容易聚集、结块,留下孔隙和堆积起来。

谷物产品的特性,根据具体作物和含水量而有所不同。因此很难确定一个稳定的作物密度以获取精确的体积结果。

介电常数

许多固体的介电常数非常低。对于雷达技术来说,介电常数是一个关键指标,它反映了将要反射回仪表的信号量。如果测量物料的介电常数非常低(<2),可能需要使用GWR设备,它采用信号处理技术克服了低信号强度的影响。

体积密度

当监测散装固体库存时,单位体积的材料重量至关重要,因此体积密度(通常以Kg/m3为单位) 必须能够反映实际物料。持续料位测量传感器通常把传感器到物料表面的距离测量值转换为体积和重量/质量测量值。任何体积密度的误差都将转换成体积和重量/质量的误差。

拉力

这是GWR的特定问题,较重的物料会产生一个拉力,可能折断GWR电缆导波杆或者将负载传递到筒仓顶,导致筒仓损坏。虽然在高于50ft.(15 m)的容器中更容易出现这种问题,但是必须注意防止这种可能性。另一个考虑因素是,物料重量可能将柔性的GWR导波杆推向储罐内的其它结构,造成测量目标错误。

静电放电和电磁干扰

在一些应用中,例如塑料颗粒的料位测量,静电荷可能积聚并最终释放。因此,提供接地路径,保护测量设备中的敏感电子部件非常重要。此外,设备应设计为能够处理静电荷,并使多余能量远离电子部件。这个设计可减轻附近设备的电磁干扰,对于非金属筒仓来说,这一点非常重要。

技术简介

导波雷达(GWR)

导波雷达(GWR)技术在过程和生产工业中应用广泛,它可以提供精确可靠的储罐和容器料位测量。GWR自上而下直接测量到物料表面的距离。因为GWR并不依赖于平坦的反射面,所以它适用于很多粉末和谷物的物位测量,包括塑料、粉煤灰、水泥、沙子、糖和谷类。雷达技术可以对料位变化进行快速响应,因此,它适用于闭环过程控制和安全应用。

 

图2:导波雷达(GWR)变送器

GWR基于沿导波杆发射的低能量微波脉冲,当脉冲到达介质表面,反射就会被发回变送器。变送器测量脉冲到达介质表面和反射回来的时间。板载微处理器使用“飞行时间”原理准确计算出到介质表面的距离。因为没有移动部件,降低了维护成本,也避免了可能产生潜在危险的错误读数问题。 

为了改善低介电常数物料的最大测量范围,现已出现了可在表面脉冲微弱时进行测量的技术。例如,艾默生直接转换技术提供了比其它GWR变送器强2到5倍的回波信号。更高的信噪比意味着处理更长测量距离和更低介电常数等严苛测量条件的能力更强。

艾默生还开发了导波杆末端探测(PEP)技术 ,当表面脉冲太弱无法探测时,可以对低介电常数物料进行可靠的测量。该方法的基本原理是:微波在介质中比在空气中传播慢。通过监测导波杆末端回波的位置,可以在没有表面回波的情况下通过一种算法计算出表面位置。当表面回波太弱时可以激活PEP功能作为备用测量手段。

非接触式雷达

对于不需要与介质接触的应用,非接触式雷达可以作为GWR的替代技术,例如在侵蚀性和粗糙介质可能引起导波杆损坏或磨损的应用中。与GWR一样,非接触式雷达也是自上而向下直接测量到物料表面的距离。非接触式雷达通过蒸气空间发射信号,信号经表面反射,返回仪表。

 

图3:用于侵蚀性和粗糙介质的非接触式雷达变送器

非接触式雷达要求物料表面清晰可见,与倾斜的表面相比,相对平坦的表面能获得最好的测量结。然而,倾斜表面、低介电特性和高填料速度等特殊挑战可以通过使用专门开发的软件和算法来克服,这些软件和算法可以控制回波的某些特性。 

超声波

虽然超声波料位设备可以用于固体测量,但它存在诸多问题,如可能影响声波反射后离开表面的路径,并且/后者“假”回波会使正确料位信号的检测非常困难。例如,它们在某些特定应用中无法进行测量,例如粉尘环境、蒸气空间变化,堆角改变、大颗粒,容器内部存在障碍物和容器内表面形成团块的应用。

虽然现代设计和技术创新提高了超声波料位设备性能,但是在许多应用中,雷达和声波等新型技术通常可为广泛应用提供更好的测量结果。

声波

声波设备通过发送低频脉冲测量料位,低频脉冲从筒仓、槽或容器中的物质的表面反射离开。因为声波信号发送范围广的特性,从表面获取正确的回波颇具挑战性。例如艾默生的罗斯蒙特5708三维固体物位仪等声波系统使用三个喇叭形天线,不仅检测到表面的距离,还检测回波相对于反射信号的物体方向。然后数字信号处理器通过采样分析接收到的信号,提供整个存储物表面的精确测量数据,生成容器内产品实际分布的三维可视化图像,可在远程计算机屏幕上显示。因此通过筒仓尺寸计算容积非常简单。

 

图4:艾默生罗斯蒙特三维固体物位仪为散装固体和粉末提供料位、体积和质量测量。

罗斯蒙特5708三维固体物位仪基于物料表面显示,提供持续体积测量。它们非常适用于测量筒仓、大型开口储、散装固体储藏室,物料堆和仓库中的固体。它们几乎可以测量任何一种物料,包括粮食、石灰、水泥、塑料粉末,以及难以测量的粉煤灰和具有低介电常数的物料。即使在多尘的环境中使用,自清洁设计也可实现极低的维护需求。

激光技术

激光变送器采用光速实现料位测量,将很窄的光束聚焦到一个小区域。它们非常准确,并且可以远程操作。这使它们非常适用于需要精确位置的料位信息的应用,比如在筒仓的排空点。这样操作员就能了解存储容器中的物料情况并按需供应物料。

激光系统适用于高压、高温应用,使用专用视窗将变送器从过程中隔离出来。然而,激光料位变送器上的污垢、粉尘或其它涂层的堆积会严重削弱激光信号强度,影响它们的测量性能。定期维护对防止堆积和确保激光料位测量设备的正常运行非常重要。

专业系统

核系统通过在容器中引导辐射扇来工作。探测器接收到的辐射量随料位的升降而升降。测量系统不暴露在物料中,所以核系统是腐蚀性、粗糙、高温或高压过程条件的理想选择。然而,这些设备需要特殊许可证、培训和跟踪,增加了运营成本。此外,未来的废弃处置和相关的成本也值得深思熟虑。

需要认证的质量测量数据的应用通常选择称重传感器和应变计重系统,例如在食品、制药和聚合工业中。它们可用于支持财务计量应用或其它所有技术都不适合的场合。称重传感器往往在设计和安装时就内置在系统中,尽管它们可以改装。系统需要根据个体需求进行设计,往往难以标定。

小结

可用技术多种多样,因此应该仔细考虑每个应用的特性,确保为每个固体料位应用选择精确且经济高效的解决方案。例如,存储容器的尺寸有多大?容器中是否存在粉尘?测量介质的介电常数低吗?如果固体表面不均匀,单一的测量点是否能够提供精确的测量结果?

一般而言,对于小容器中的测量,艾默生罗斯蒙特5300系列导波雷达设备能够对固体提供精确、可靠、持续的料位测量。GWR接口尺寸小,易于安装并且适合多种容器类型和形状。它们对快速填料应用响应快,测量不受水分、密度和温度等物料波动的影响。然而,对于高容器或测量腐蚀性或粗糙介质来说,选择正确的导波杆类型很重要,安装也应予以特殊考虑。

对于低介电常数的固体或者离表面距离比较远的情况,或者有电磁干扰源的情况,应多加考虑。这些应用需要具有导波杆末端探测等技术的产品,如罗斯蒙特5300型 GWR变送器即采用了导波杆末端探测技术。导波杆末端探测技术能够在低信号强度条件下实现可靠的测量。

对于腐蚀性或粗糙介质等可能导致GWR导波杆损坏或磨损的应用,可以考虑使用非接触式雷达技术。但是,如果固体测量中信号反射强度低,那么正确安装和天线选择则非常重要。罗斯蒙特5402型非接触式雷达变送器等最新一代产品采用高级的软件和算法克服了固体测量的特殊挑战,包括倾斜表面、低介电特性和高填充速率。

对于高达70米的大型容器或筒仓,声波系统能够提供存储物质的高精度测量。它们还提供了持续体积测量,从而反映物料表面的实际情况。它们几乎可以测量任何一种物料,包括粮食、矿石和具有低介电常数的水泥物料。罗斯蒙特5708系列三维固体物位仪等设备可对固体应用中常见的不平整表面成像,并且可提供最小和最大料位、总容积和表面三维可视化图像。即使在多尘环境中,自清洁设计也只需要极少的维护。

 

图5:艾默生的声波物位仪提供的物体表面的三维视图。

对于仓库等较大区域中的应用,在很多工业应用中可以组合几个声波设备,从而为库存控制和生产过程控制提供一个精确、可靠的测量系统。

深思熟虑并选择最合适的技术可以最大程度地降低维护需求,并确保最长的设备使用寿命。 大多数供应商都可以提供多种技术,他们的技术和应用工程师对于常见应用都颇具经验,能够在选择过程中指导用户。

Ingemar Serneby是艾默生过程管理的高级应用程序专家

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