Результат интеллектуальной деятельности: Способ периодического измерения непрерывного расхода сыпучих материалов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области измерения расхода сыпучих материалов и может быть использовано в технологических процессах химической, металлургической, пищевой и фармацевтической промышленности, а также в промышленности строительных материалов и сельхозиндустрии. Способ состоит в том, что сыпучим материалом, непрерывно проходящим по вертикальному участку транспортного трубопровода, заполняют встроенную в этот трубопровод мерную емкость, создавая в ней разрежение постоянной величины путем откачки воздуха через фильтр, являющийся препятствием для частиц сыпучего материала. Расход материала F_TP определяют как отношение количества (дозы) материала в заполненной емкости к промежутку времени, затрачиваемого на ее заполнения, измеряемого от момента начала заполнения до момента скачкообразного увеличения разрежения в линии вакуума после фильтра при окончании заполнения.

Технический результат изобретения состоит в увеличении надежности, повышении точности и расширении диапазона применения способа изменения расхода сыпучих материалов, в том числе, имеющих повышенную влажность.

Известно большое число способов измерения расхода сыпучих материалов [1], каждый из которых имеет свою область применения. Ограничения области применения определяются характеристиками и свойствами материала (температурой, гранулометрическим составом, плотностью частиц, неравномерностью потока, электризуемостью частиц, их влажностью и др.), диапазоном расхода, материалом и конфигурацией трубопровода и т.д.

Общим недостатком расходомеров, принцип действия которых требует измерения массы или веса сыпучего материала [2], а также динамических (ударных) расходомеров [3], является зависимость погрешности измерения от изменения влагосодержания твердой фазы, т.е. от изменения плотности частиц. Такая погрешность отсутствует у расходомеров с объемным способом измерения количества материала, но для них действуют повышенные требования к постоянству гранулометрического состава материала.

Недостатком расходомеров объемного принципа действия, имеющих подвижные элементы, например, импеллерных, является низкая надежность вследствие возможности попадания материала в зазоры кинематических пар, а также зависимость погрешности измерения от изменения гранулометрического состава и ограничение по максимальной величине расхода.

В расходомерах, не имеющих подвижных элементов, но в которых чувствительные элементы находятся в постоянном динамическом контакте с измеряемой средой (ударные расходомеры с тензометрическими датчиками усилия, расходомеры с сужающими устройствами), происходит интенсивный износ поверхностей, подвергающиеся силовому воздействию сыпучих материалов, обладающих в той или иной мере абразивными свойствами. Широко применяемые в последние десятилетия микроволновые, а также емкостные расходомеры имеют достаточно большую погрешность (3-5%) [4].

Для уменьшения погрешности измерения количества и/или расхода сыпучих материалов в непрерывном потоке, этот поток разделяют на дозы, величину которых можно определить с высокой точностью, после чего с помощью различных сглаживающих устройств возобновляют непрерывное движение потока. Например, по авт. свид. СССР №1255865 [5], учет объемного количества сыпучего материала осуществляется путем измерения объема в мерной емкости, расположенной в разрыве линии непрерывной подачи материала. Недостатком устройства является низкая надежность вследствие наличия нескольких агрегатов, содержащих подвижные механические элементы, находящиеся в контакте с сыпучим материалом. Кроме того, функциональная надежность устройства снижается из-за сложной структуры системы обработки измерительной информации.

Наиболее близким к заявляемому способу измерения расхода является патент Республики Казахстан KZ №2959 [6] на способ измерения непрерывного расхода сыпучего материала, в соответствии с которым периодически осуществляют набор материала в емкость, производят два последовательных измерения веса и определяют расход как отношение разности результатов измерения веса к промежутку времени между двумя моментами измерения. Недостатком способа является чувствительность погрешности измерения к вариации влагосодержания материала, а также низкая надежность вследствие необходимости использования для прерывания потока шибера, перемещающегося в среде сыпучего материала.

Предлагаемое изобретение позволяет ликвидировать недостатки, свойственные аналогам и прототипу, и обеспечивает уменьшение погрешности измерения, повышение надежности функционирования измерительного преобразователя и расширение диапазона применения, в том числе на материалы, имеющие повышенное влагосодержание.

Поставленная цель достигается тем, что материалом, непрерывно проходящим через транспортный трубопровод, периодически заполняют мерную емкость постоянного объема, являющуюся частью этого трубопровода. Заполнение осуществляют путем подключения емкости к линии вакуума и откачивания из нее газа, например, воздуха, через фильтрующий элемент, расположенный в верхней части емкости. В момент окончания заполнения емкости, материал перекрывает фильтрующий элемент, вследствие чего его аэродинамическое сопротивление резко возрастает, и в воздуховоде над фильтром происходит скачкообразное увеличение разрежения. Время Δt, уходящее на заполнение мерной емкости, определяется разностью между моментом t₂ скачка разряжения при окончании заполнения и моментом начала заполнения мерной емкости t₁: Δt=t₂-t₁. Величина промежутка времени Δt, определяемого продолжительностью заполнения мерной емкости, зависит от измеряемого параметра - величины расхода материала F_TP, проходящего по транспортному трубопроводу. На рисунке фиг. 1 приведена зависимость Δt от F_TP, полученная экспериментально. Связь времени заполнения с величиной расхода F_TP материала имеет вид

где k - функция величины разрежения (-Р), гранулометрического состава и плотности частиц твердой фазы. Измерение величины Δt позволяет по формуле (1) определить расход материала.

Схема устройства для реализации предложенного способа измерения расхода сыпучего материала, представлен на рисунке фиг. 2. Устройство содержит встроенную в транспортный трубопровод мерную емкость 1, ограниченную в верхней части фильтром 2, через который к емкости подключена линия вакуума 3, запорный клапан 4, установленный на линии вакуума, вакуумное реле 5, вход которого подключен к линии вакуума над фильтром, а выход - ко входу секундомера 6, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу блока расчета и управления 7, подключенного выходом к секундомеру 6 и к запорному клапану 4.

Устройство работает следующим образом. Сыпучий материал, расход которого измеряется, перемещается по транспортному трубопроводу, например, под действием силы тяжести. Сигналом от блока расчета и управления 7 в момент времени t₁ открывается клапан 4, подключающий емкость 1 к линии вакуума. За счет образующегося в мерной емкости 1 разрежения материал начинает заполнять емкость. При этом возрастает сопротивление участка транспортного трубопровода, подключенного к выходу из емкости, и движение материала по нему прекращается. Одновременно с подключением емкости к линии вакуума и началом ее заполнения, сигналом от вакуумного реле 5 включается секундомер 6, и начинается отсчет времени заполнения емкости. При достижении слоем материала в емкости поверхности фильтра 2 снизу, сопротивление фильтра резко возрастает, и в линии вакуума в момент времени t₂ происходит скачок разрежения. Этот скачок воспринимается вакуумным реле 5, выходной сигнал которого поступает на блок расчета и управления 7, где фиксирует момент времни t₂. Выходной сигнал блока контроля и управления обнуляет секундомер, и перекрывает клапан 4, отключая емкость 1 от линии вакуума. Движение материала через емкость возобновляется. В блоке расчета и управления рассчитывается величина времени заполнения мерной емкости Δt=t₂-t₁ и по формуле (1) определяется величина расхода материала в транспортном трубопроводе.

Проверка работоспособности способа измерения расхода сыпучего материала и устройства для его реализации проводилась на лабораторной установке с использованием сыпучего материала в виде гранул органического вещества, по форме близких к сферическим, с плотностью ρ_М=1350 кг/м³ и средним диаметром Величина разрежения в мерной емкости при ее заполнении составляла Р=const=-2050 Па. Вес дозы материала при предельном заполнении мерной емкости составил 0,856±0,006 кг. Погрешность величины дозы определена по стандартной процедуре [7]. Коэффициент корреляции Пирсона для заданной и измеренной величины расхода в диапазоне от 0,015 до 0,17 кг/с составляет 0,9998.

Равномерность измеряемого потока, нарушающаяся из-за периодического отбора доз материала для выполнения процедуры измерения, восстанавливается за счет сглаживания пульсаций расхода в зависимости от величины проходного сечения и протяженности участка транспортного трубопровода, расположенного после мерной емкости. Точность измерения при использовании предлагаемого способа повышена по сравнению с прототипом, в том числе, при измерении расхода материалов с изменяющимся влагосодержанием, поскольку отмеривание дозы осуществляется по объему. Предлагаемый способ измерения расхода и устройство для его реализации обладают повышенной надежностью в силу отсутствия подвижных элементов, контактирующих с сыпучим материалом. Герметичность системы обеспечивает ее соответствие требованиям экологической и технической безопасности.

Источники информации

1 Кремлевский, П.П. Расходометры и счетчики количества веществ: справочник: Кн. 1 и 2. - СПб.: Политехника, 2002.

2 Першина, С.В. Весовое дозирование зернистых материалов / С.В. Першина, А.В. Каталымов, В.Г. Однолько, В.Ф. Першин. - М.: Машиностроение, 2009. - 260 с.

3 Siemens. - Расходомеры сыпучих материалов [Электронный ресурс]: Информационные материалы / http://simatic-market.ru/catalog/Siemens-CA01/10018053/#10018053/info/

4 SWR engineering - Оборудование для измерения сыпучих материалов [Электронный ресурс]: Измерение расхода сыпучих материалов // http://www.swrsystems.ru/izmerenie-rashoda-sypuchih-materialov.html.

5 Авт. свид. СССР №1255865 Устройство для измерения объема сыпучих материалов, G01F 13/00, опубл. 07.09.86, Б.И. №33

6 Патент KZ №2959 Способ измерения непрерывного расхода сыпучего материала // G01F 1/76. - опубл. 15.12.1995, Б.И. №4

7 ГОСТ Р 8.736-2011. Измерения прямые многократные. Обработка результатов измерений.