Примерами уровнемеров со следящей системой, являются зондовый механический и радиометрический уровнемеры.
В состав зондового механического следящего уровнемера (рис. 2.10, д) входит трос с грузом, намотанный на барабан. Трос переброшен через подвижный ролик, который через пружинную опору механически связан с выключателем. Периодически по сигналу, поступающему из схемы управления, электродвигатель через редуктор вращает барабан, разматывая трос. Это происходит до тех пор, пока груз не опустится на твердую поверхность. При этом натяжение троса ослабевает, ролик под действием пружинной опоры поднимается, контакты выключателя разрываются и электродвигатель останавливается. С редуктором кинематически связан передающий преобразователь.
Зондовые механические уровнемеры могут применяться для измерения уровня кусковых и сыпучих материалов, в том числе для измерения уровня засыпи шихтовых материалов на колошнике доменной печи.
Принцип работы радиометрического следящего уровнемера типа УРМС (УР-8МН) основан на том, что ионизирующее излучение поглощается веществом, уровень которого контролируется в значительно большей степени, чем средой, находящейся над ним.
Основными элементами радиометрического уровнемера (рис. 2.10, е) являются радиоактивный источник гамма-излучения, помещенным в блок, и блок детектирования, предназначенный для преобразования энергии ионизирующего излучения в электрические сигналы.
Слежение за уровнем осуществляется путем синхронного перемещения обоих блоков. Система настраивается так, чтобы блоки стремились занять положение, соответствующее среднему значению сигнала блока детектирования, которое достигается при расположении блоков против контролируемого уровня.
Блок источника и блок детектирования перемещаются в трубах стальными лентами, перекинутыми через блоки и закрепленными на барабане. При вращении барабана ленты одновременно разматываются или наматываются. Барабан приводится во вращение реверсивным двигателем через редуктор. Управление двигателем осуществляется блоком управления, связанным с блоком детектирования ионизирующего излучения. Трубы располагаются по разные стороны от объекта контроля, либо внутри него. С одним из блоков кинематически связан передающий преобразователь.
Как и зондовые механические уровнемеры, радиометрические уровнемеры применяются для контроля профиля и измерения уровня засыпи шихтовых материалов на колошнике доменной печи, а также для измерения уровня кусковых и сыпучих материалов. По сравнению с механическими зондами радиометрические уровнемеры обладают следующими преимуществами: высокая чувствительность, точность, быстродействие, непрерывность показаний, наличие непрерывного выходного сигнала, позволяющих их использовать в системах автоматизации, в том числе в автоматических системах управления загрузкой доменных печей.
При эксплуатации радиометрических уровнемеров на доменных печах следует помнить, что одной из причин выхода из строя уровнемеров (заклинивание источников и приемников излучения, обрыв лент и проводов) является деформация защитных труб в результате роста огнеупорной кладки шахты доменной печи. Особенно подвергается воздействию усилий, возникающих при движении шихты и росте огнеупорной кладки, часть защитных труб, выходящая за пределы нижней части защитных сегментов на 0,5 - 1,5 м при контроле уровня шихты в пределах 3 - 4 м. Для устранения этого при монтаже труб перед их нижней частью в огнеупорной кладке печи оставляют ниши, наполненные огнеупорной глиной, или устанавливают дополнительные сегменты.
На металлургических заводах широкое распространение получили сигнализаторы уровня (электроконтактные, емкостные и радиометрические устройства для сигнализации уровня среды).
Принцип действия электроконтактных сигнализаторов уровня основан на замыкании электрической цепи между электродами датчика или электродом и стенкой емкости при их соприкосновении с поверхностью электропроводящей среды. Контролируемыми средами могут быть твердые вещества и жидкости. Электроды необходимой длины устанавливают либо вертикально либо горизонтально на емкостях, в которых необходимо контролировать уровень среды. Когда электроды расположены выше заданного уровня, электроконтактный сигнализатор работает как сигнализатор повышения уровня. Если же электроды расположены ниже заданного уровня, прибор используется как сигнализатор понижения уровня.
Примеры конструкции и способов установки электроконтактных сигнализаторов уровня представлены на рис. 2.11 а, б. Выполненный из стального троса электрод сигнализатора наличия руды типа СНР-1063М (рис. 2.11, а) установлен на изоляторе и соединен с одним входом электронного блока. Второй вход электронного блока заземлен. В том случае, когда контролируемая среда не имеет электрического контакта с землей, устанавливается еще один заземленный электрод. При появлении на ленте конвейера руды электрическая цепь между электродами замыкается и на выходе электронного блока появляется дискретный сигнал.
Для повышения помехоустойчивости сигнализатора на изоляторе установлено металлическое кольцо, которое называют охранным. Потенциал его поддерживается выше, чем потенциал электрода. В результате при загрязнении поверхности изолятора через кольцо закорачиваются поверхностные токи утечки по изоляции датчика, чем исключается протекание тока от электрода на землю, что, в свою очередь, приводит к уменьшению количества ложных срабатываний. Рассмотренный сигнализатор применяется также для контроля верхнего уровня руды в бункерах, приемных воронках и т. п. В качестве электродов могут использоваться также металлические трубы или цепи.
Рисунок 2.11 – Конструкции и способы установки электроконтактных сигнализаторов уровня
Устройство контроля сопротивления типа УКС-1 и аналогичные устройства типа БКС-2, ИКС (рис. 2.11, б) применяются для контроля одного или двух уровней. В последнем случае оно имеет два электрода, установленных в изоляторах.
Устройство УКС-1 в случае контроля одного уровня работает следующим образом. По мере заполнения резервуара до контролируемого уровня электрод датчика входит в соприкосновение с измеряемой средой, в результате чего происходит замыкание цепи электрода датчика через слой измеряемой среды на «землю». При этом в релейном блоке срабатывает выходное реле, которое сигнализирует о заданном наполнении резервуара.
При контроле нижнего и верхнего уровней порядок работы устройства следующий. Пока резервуар не заполнен контролируемой средой, контакты выходного реле разомкнуты. Они остаются разомкнутыми и тогда, когда заполняющая среда вошла в соприкосновение с нижним электродом. При дальнейшем наполнении резервуара измеряемая среда входит в соприкосновение с электродом верхнего уровня. В цепи датчика верхнего уровня протекает ток и срабатывает выходное реле, которое сигнализирует о полном заполнении емкости. По мере понижения уровня измеряемой среды контакты выходного реле остаются замкнутыми. Схема возвращается в исходное положение, когда измеряемая среда выходит из соприкосновения с электродом нижнего датчика уровня.
Для сигнализации заполнения бункеров и других емкостей применяются также емкостные электродные сигнализаторы уровня типа ЭСУ, ЭРСУ и др., принцип действия которых аналогичен принципу действия описанных выше емкостных уровнемеров.
Надежность работы электродных сигнализаторов уровня в условиях металлургического производства в значительной степени определяется правильным выбором места установки сигнальных электродов, на что в первую очередь должны обращать внимание технологи, а также правильным выбором конструкции электродов и надежностью их изоляции от «земли».
В связи с этим при применении электродных сигнализаторов уровня установку электродов желательно во всех случаях производить сверху, независимо от высоты контролируемого уровня, поскольку при установке электродов на боковой стенке бункера труднее обеспечить их изоляцию от стенок бункера, так как поверхность изолятора с течением времени покрывается контролируемым материалом. Кроме того, размещение электродов сбоку способствует налипанию материала на стенки бункера.
Принцип действия радиометрических сигнализаторов уровня как и у радиометрических уровнемеров основан на различном поглощении гамма-излучения контролируемым веществом и окружающей его средой. Радиометрические сигнализаторы уровня применяются для контроля уровня различных материалов, в том числе для контроля уровня жидкого металла.
Блок гамма-источника (рис. 2.11, в) и блок детектирования устанавливаются на контролируемом уровне с противоположных сторон емкости. Уменьшение или увеличение плотности потока гамма-излучения, вызванное наличием или отсутствием материала, приводит к появлению сигнала на выходе электронного блока.
На металлургических заводах применяют также весовые измерители уровня или массы сыпучих материалов в бункерах. В качестве первичных преобразователей используются мессдозы, которые устанавливают под опоры бункера. В конструкцию мессдозы входят магнитоупругие преобразователи, служащие для преобразования силы тяжести бункера с заполняющим его материалом в электрический сигнал. Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости стальной пластины преобразователя при упругой механической деформации.
В черной металлургии основным методом измерения относительной влажности воздуха является психрометрический метод, использующий изменение охлаждения поверхности увлажненного тела при испарении с нее воды в зависимости от влажности тела. Чем меньше влажность воздуха, тем ниже температура тела. Приборы для измерения влажности по психрометрическому методу получили название психрометров. Действие психрометров типа ПЭ основано на принципе определения разности температур «сухого» и «мокрого» термометров (у «мокрого» резервуар обернут смоченной тканью). Влажность определяется по разности показаний «сухого» и «мокрого» термометров, зависящих от относительной влажности воздуха, а также от величины барометрического давления, температуры и скорости обтекания «мокрого» термометра исследуемым воздухом или газом.
Для измерения микроконцентрации влаги применяются кулонометрические измерители влажности (типа «Байкал»), принцип действия которых основан на непрерывном поглощении влаги из контролируемого газового потока пленкой гидрофильного вещества (фосфорного ангидрида) и одновременном разложении воды на водород и кислород в толще пленки путем электролиза. В установившемся режиме значение силы тока электролиза служит мерой влажности анализируемого газа. Чувствительный элемент представляет собой два платиновых электрода, между которыми расположена пленка фосфорного ангидрида.
Рисунок 2.12 – Измерение абсолютной влажности доменного дутья
Для измерения абсолютной влажности доменного дутья применяется комплекс средств типа КВД-201. Доменное дутье (рис. 2.12, а) из воздухопровода по теплоизолированной трассе поступает в устройство подготовки пробы. Для предотвращения выпадания влаги из анализируемой пробы ее температура должна быть выше точки росы, что обеспечивается нагревателем пробы. Подготовленная проба поступает в первичный преобразователь, принцип действия которого заключается в определении температуры гигротермического равновесия, наступающего между рабочей поверхностью подогреваемого элемента и анализируемой пробой. Преобразователь имеет два подогреваемых чувствительных элемента (электрода), которые размещены концентрически один в другом и пропитаны насыщенным раствором хлористого лития, являющегося сорбентом (поглощающим влагу).
С изменением влажности дутья изменяется количество впитанной сорбентом влаги, тем самым изменяется его сопротивление, что приводит к увеличению или уменьшению тока между подогревными электродами. Тепло, выделяемое подогревными электродами, расходуется на испарение впитанной хлористым литием влаги. Процесс сорбции - десорбции происходит до тех пор, пока подогревные элементы не приобретут такую температуру (температуру гигротермического равновесия), при которой количество впитываемой влаги будет равно количеству испаряемой.
Внутренняя спираль подогреваемого элемента, в качестве которой используется платиновый термометр сопротивления, подключена к измерительному преобразователю, обеспечивающему выходной сигнал, пропорциональный влажности доменного дутья. Устройства комплекса КВД-221 размещены в термостатическом шкафу с нагревателем и теплообменником, что предохраняет эти устройства от колебаний температуры окружающей среды.
Одним из наиболее распространенных методов контроля влажности сыпучих и кусковых материалов является нейтронный метод.
В нейтронном влагомере измерение влагосодержания основано на непрерывной регистрации потока медленных нейтронов, образующихся от соударения быстрых нейтронов с ядрами атомов водорода молекул воды в контролируемом влажном материале при облучении его потоком быстрых нейтронов, испускаемых плутоний-бериллиевым источником.
Быстрые нейтроны при прохождении через вещество сталкиваются с ядрами атомов, в результате чего теряют часть своей энергии и замедляются. Наиболее сильное замедление нейтроны получают при столкновении с ядрами атомов водорода, при котором нейтрон теряет в среднем половину энергии. Менее двух десятков таких столкновений бывает достаточно для того, чтобы быстрый нейтрон превратился в медленный (тепловой).
При соударении нейтрона с ядрами других элементов потеря энергии значительно меньше, причем она уменьшается с ростом массового числа ядра, на котором замедляется нейтрон. Начиная с некоторого значения массового числа ядра, потерей энергии можно вообще пренебречь. Таким образом, замедление нейтронов во влажной среде практически происходит только за счет соударения с ядрами водорода, и, следовательно, величина потока медленных нейтронов пропорциональна количеству влаги в контролируемом материале, т.е. прибор определяет абсолютную влажность. На этом принципе работают влагомеры типа «Нейтрон-ЗМ» и нейтронный стационарный влагомер кокса ВНСК.
Первичный преобразователь (датчик) нейтронного влагомера типа «Нейтрон-ЗМ» (рис. 2.12, б) состоит из источника нейтронного измерения и блока счетчиков (блока детектирования) медленных нейтронов. Для установки датчика влагомера необходимо в контролируемой емкости установить стальную трубу с дном (толщина стенки 2 - 5 мм, внутренний диаметр 60 мм) таким образом, чтобы она не препятствовала прохождению материала и на ней не образовывалось налипаний. Датчик вводится в эту трубу. Для обеспечения правильных показаний влагомера необходимо, чтобы вокруг датчика постоянно был слой контролируемого материала толщиной 250 - 300 мм и масса материала в контролируемом объеме была постоянной. Сигналы от блока счетчиков поступают на промежуточный преобразователь, вырабатывающий выходной сигнал пропорциональный влажности измеряемой среды. Первичный преобразователь влагомера типа ВНСК устанавливается в бункере с помощью закладной трубы, которая входит в комплект поставки.
По сравнению с другими влагомерами нейтронные обладают такими преимуществами, как бесконтактность измерения; независимость результатов от температуры, давления и других факторов; достоверностью измерений благодаря большому объему анализируемого материала.
Нейтронные влагомеры широко применяются в доменных цехах и системах автоматического контроля влажности скипового кокса и коррекции массы скипового кокса по его влажности. Измерение влажности и коррекция массы скипового кокса по его влажности позволяют стабилизировать массу кокса, загружаемого в доменную печь. Благодаря этому количество тепла, выделяемое при горении кокса в фурменной зоне, поддерживается на постоянном заданном уровне, что способствует стабилизации процесса нагрева продуктов плавки, экономии кокса, улучшению качества чугуна и повышению производительности доменной печи. Так, например, внедрение влагомеров на доменной печи № 9 объемом 5000 м3 завода «Криворожсталь» позволило снизить расход кокса на 0,5 % на 1 т чугуна и получить значительный экономический эффект.
Принцип действия кондуктометрического измерителя влажности основан на изменении электрической проводимости вещества при изменении его влажности (кондуктометрия - от английского слова электропроводность). Электрическое сопротивление контролируемого материала, измеряемое первичным преобразователем измерителя влажности, преобразуется в сигнал постоянного тока, поступающий на вторичный прибор.
Следует отметить, что существенным недостатком кондуктометрического способа является зависимость электрического сопротивления материала от целого ряда факторов, не связанных со степенью ею увлажнения. Так, например, помимо степени увлажнения шихты ее сопротивление зависит от содержания топлива, крупности, температуры и т. д. Поэтому надежная работа кондуктометрических измерителей влажности может быть обеспечена только при постоянстве химических и физических свойств шихты.