Уровнемеры и системы измерения сыпучих продуктов — радарный Sekee RADAR и комплексные решения от Технодара

Измерение сыпучих продуктов — это, в отличие от жидкости, газа и пара, в первую очередь измерение уровня в силосе или бункере, а не расхода в трубопроводе. Сыпучая среда не течёт по трубе, она хранится в ёмкостях разной геометрии (от плоских бункеров шихты до конических силосов высотой 70 метров), перегружается шнеками, конвейерными лентами, пневмотранспортом, и её количество определяется одним из двух методов: волюметрическим (объём = уровень × сечение силоса × насыпная плотность) или гравиметрическим (прямое взвешивание бункера или ленточные весы на конвейере). Для каждого типа сыпучего продукта — от пшеницы и цемента до древесной щепы и порошкового алюминия — нужен подбор по пяти физическим свойствам: размер частиц, насыпная плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость и угол естественного откоса.

ГК «Технодар» применяет для измерения уровня сыпучих радарный уровнемер Sekee RADAR на собственных CMOS-чипах миллиметрового диапазона 76–81 ГГц. Прибор работает по принципу FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) с полосой пропускания 5 ГГц и алгоритмом FFT-обработки сигнала, обеспечивает погрешность ±1 мм на дистанциях до 120 метров и не зависит от пыли, пара, конденсата над поверхностью продукта — это критическое отличие от ультразвуковых уровнемеров, которые на сыпучих средах теряют сигнал. Серия выпускается в 4 диапазонах измерения (15, 35, 85, 120 м) и 5 типах антенн (резьбовая, универсальная рупорная, плоская, плоская с теплоотводом до +200 °C, для высоких температур и давления до +400 °C и 4 МПа) — итого 20 конфигураций под конкретный силос, бункер или хранилище.

Для сред с налипанием — целлюлозная масса, влажный цемент, агрессивные порошки — применяется радарный уровнемер Sekee RADAR с подбором антенны и монтажа (уклон фланца, волноводное исполнение). Непрерывный уровень в малых бункерах также закрывает Sekee RADAR (подбор диапазона). Дискретные сигнализаторы предела — отдельный класс приборов (не SKU линейки уровнемеров Sekee на сайте). Приборы вносятся в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений (ФИФ ОЕИ). Главный профильный норматив — ГОСТ 8.321-2013 «Государственная поверочная схема для средств измерений уровня жидкостей и сыпучих материалов». Производство, аккредитованная поверочная лаборатория и склад готовой продукции — Петрозаводск, 6-й Гвардейский переулок, 7А, 185034. Гарантия производителя — 36 месяцев с даты подписания акта пусконаладки, межповерочный интервал — от 1 до 3 лет по ФИФ ОЕИ (зависит от исполнения Sekee RADAR).

Инженер-консультант ГК «Технодар» подберёт диапазон Sekee RADAR, тип антенны и угол луча по геометрии силоса и параметрам сыпучего продукта за 1 рабочий день.

Подобрать уровнемер под мой силос

Что такое «сыпучие продукты» в контексте измерения

Сыпучий продукт — это совокупность твёрдых частиц размером от микрометров до десятков миллиметров, способных свободно перемещаться под действием силы тяжести. С точки зрения метрологии сыпучие отличаются от жидкости и газа четырьмя ключевыми особенностями:

1. Поверхность не горизонтальна — при заполнении силоса продукт образует конус с углом естественного откоса, при опорожнении — обратный конус (воронку) над выпускным отверстием. Радарный луч может попасть на склон, а не на пик конуса, и систематически занижать или завышать показания на десятки сантиметров.
2. Плотность зависит от условий хранения — насыпная плотность сухого продукта отличается от уплотнённой на 10–30%, влажного — ещё больше. Один и тот же уровень в силосе соответствует разной массе продукта.
3. Запылённость пространства над продуктом — при загрузке и выгрузке в свободном объёме силоса образуется пылевое облако плотностью до 100 г/м³, которое полностью блокирует работу ультразвуковых уровнемеров и оптических лазерных приборов.
4. Налипание на стенках и приборах — влажный цемент, мука с конденсатом, древесная щепа налипают на корпуса контактных датчиков и постепенно их выводят из строя. Контактные методы измерения требуют регулярной очистки или специальных самоочищающихся конструкций.

Эти особенности определяют, что для сыпучих практически безальтернативным методом непрерывного измерения уровня остаётся радар FMCW — он работает через пыль, не контактирует со средой, не зависит от плотности и влажности продукта и измеряет расстояние до поверхности с миллиметровой точностью.

Пять физических свойств сыпучих, которые управляют выбором метода

1. Размер и форма частиц (гранулометрия)

Размер частиц задаёт нижнюю границу применимости радарного метода. Радар отражается от поверхности продукта только если размер неровностей сравним с длиной волны или больше неё. Для миллиметрового диапазона 76–81 ГГц длина волны около 4 мм — это значит, что радар уверенно работает на крупнозернистых и среднефракционных продуктах: зерно (3–8 мм), цемент гранулированный (0,5–2 мм), щебень (5–40 мм), уголь дроблёный (10–50 мм), полимерные гранулы (2–5 мм).

Для очень мелких порошков (мука, сухое молоко, цемент молотый 0,01–0,1 мм) сигнал ослаблен, но Sekee RADAR компенсирует это широкой полосой 5 ГГц и алгоритмом FFT — типовая работа с цементной пылью подтверждена в реальных применениях.

2. Насыпная плотность и её вариативность

Насыпная плотность — масса единицы объёма продукта в свободно насыпанном состоянии. Типовые значения:

• Пшеница: 720–820 кг/м³
• Кукуруза: 720–780 кг/м³
• Овёс: 410–510 кг/м³
• Цемент: 1100–1500 кг/м³ (свежий 1100, уплотнённый 1500)
• Песок сухой: 1500–1700 кг/м³
• Уголь каменный дроблёный: 800–1100 кг/м³
• Древесная щепа: 250–350 кг/м³
• Минеральные удобрения (карбамид, аммофос): 700–950 кг/м³
• Сахар-песок: 800–900 кг/м³
• Алюминиевая пудра: 500–800 кг/м³

При расчёте массы продукта в силосе по уровню применяется формула m = h × A × ρ, где h — измеренный уровень, A — площадь сечения силоса, ρ — насыпная плотность. Главная инженерная ловушка: уплотнение продукта со временем хранения. Цемент в нижней части силоса через 2–3 недели хранения уплотняется на 20–25% относительно верхнего слоя. Расчёт массы по уровню без учёта уплотнения даёт систематическую погрешность того же порядка. Для коммерческого учёта применяется гравиметрия — прямое взвешивание бункера на тензодатчиках.

3. Влажность

Влажность сыпучего продукта влияет на три параметра: насыпную плотность (влажный продукт плотнее на 10–25%), диэлектрическую проницаемость (важна для ёмкостного метода), отражательную способность поверхности (важна для радара). Кроме того, влажность критична для коммерческого учёта зерна и других продовольственных сыпучих — пшеница продаётся в пересчёте на базисную влажность 14,5%, любое отклонение пересчитывается по нормативу. Влажность контролируется отдельным влагомером в потоке или образцовым методом высушивания проб; уровнемер влажность не определяет.

4. Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость (ε) определяет, насколько хорошо среда отражает электромагнитные волны. Для радарного метода нижняя граница уверенной работы — ε ≥ 1,8; для большинства промышленных сыпучих эта граница выполняется с запасом:

• Цемент: ε = 2,5–3,5
• Зерно: ε = 2,3–4,0 (зависит от влажности)
• Уголь: ε = 4–6
• Песок сухой: ε = 2,5–3,0
• Песок влажный: ε = 5–10
• Полимерные гранулы (полиэтилен): ε = 2,2–2,5

Для ёмкостного метода диэлектрическая проницаемость определяет ёмкость измерительного зонда — ёмкостный метод работает при ε ≥ 2,0 для сыпучих. Очень сухие непроводящие порошки с ε < 2,0 (некоторые полимерные пудры) ёмкостным методом измеряются ограниченно.

5. Угол естественного откоса

Угол естественного откоса — угол наклона поверхности свободно насыпанного продукта к горизонту. Типовые значения:

• Зерно: 25–35°
• Цемент: 30–35°
• Песок сухой: 30–34°
• Уголь: 30–45°
• Щебень: 35–45°
• Древесная щепа: 35–45°

Угол откоса определяет геометрию поверхности в силосе во время заполнения и опорожнения. При загрузке в центр силоса продукт образует конус высотой Hк = R × tg(α), где R — радиус силоса, α — угол откоса. Для силоса диаметром 12 метров и угла откоса 30° высота конуса достигает 3,5 метра — это значит, что радарный луч, направленный по оси силоса, видит вершину конуса, тогда как фактический средний уровень ниже на 1,1–1,2 метра. Решение — установка датчика не строго по оси, а со смещением, либо коррекция показаний по геометрической модели в АСУ ТП. На крупных силосах применяют 3D-сканирование радаром по нескольким точкам.

Объёмный и массовый учёт — два подхода к измерению количества сыпучего

Волюметрический (объёмный) учёт

Измеряется уровень в силосе, объём вычисляется по геометрии (площадь сечения × уровень), масса — пересчётом через насыпную плотность. Точность ограничена тремя источниками погрешности:

• неоднородность поверхности (конус, воронка)
• вариативность насыпной плотности (уплотнение, влажность)
• мёртвый объём в нижней конической части силоса

Типовая итоговая погрешность волюметрии — ±5–15% от массы продукта в силосе. Для технологического контроля и автоматизации управления (запуск шнека загрузки при опустошении, остановка при заполнении) этой точности достаточно. Базовый прибор — Sekee RADAR.

Гравиметрический (массовый) учёт

Прямое взвешивание массы продукта. Применяется три основных метода:

1. Бункерное взвешивание — силос или промежуточный бункер устанавливается на тензодатчики (4 или 6 точек), вес продукта определяется разностью показаний между пустым и заполненным состоянием. Точность ±0,1–0,5%.
2. Ленточные весы — конвейерная лента с участком взвешивания на тензодатчиках, мгновенный массовый расход рассчитывается как произведение скорости ленты на массу на единицу длины. Точность ±0,5–2%.
3. Поточные весы (бункер-дозатор) — порционное взвешивание с автоматическим открытием и закрытием шибера. Точность ±0,2–1%.

Гравиметрия — единственный метод, дающий коммерчески приемлемую точность для дорогостоящих сыпучих (мука, сахар, минеральные удобрения) и для расчётов в торговых операциях. Sekee специализируется на уровнемерах; для бункерного взвешивания и ленточных весов применяется специализированное оборудование других производителей в составе общей АСУ ТП объекта.

Шесть технологий измерения уровня сыпучих — сравнение

Sekee RADAR — основной прибор Технодара для сыпучих. Главное преимущество FMCW против импульсного радара — широкая полоса пропускания 5 ГГц, которая даёт высокое разрешение по дистанции и устойчивость к помехам от внутренних элементов силоса (опор, лестниц, мешалок). Угол луча 3° или 6° выбирается по геометрии: для высоких узких силосов (зерновые элеваторы H/D > 4) — узкий 3° обязателен, иначе луч задевает стенки и даёт ложное эхо. Для широких плоских бункеров (цементохранилища, угольные склады) применяется угол 6°.

В небольших бункерах общего назначения непрерывный уровень закрывает Sekee RADAR (подбор диапазона). Дискретные сигнализаторы предела (заполнение/опорожнение) — отдельный класс приборов, не карточка каталога уровнемеров Sekee; для коммерческого учёта сыпучих ориентируются на радар, а не на ёмкостный метод (зависимость от ε).

Семь классов промышленных сыпучих и их особенности

Зерно, комбикорм, мука — АПК и элеваторы

Пшеница, рожь, кукуруза, ячмень, овёс — насыпная плотность 410–820 кг/м³, ε = 2,3–4,0, угол откоса 25–35°. Хранятся в зерновых силосах высотой до 35–50 метров, диаметром 8–27 метров. Базовый выбор — Sekee RADAR в исполнении на 35 или 85 м с антенной угла 3° (для высоких узких силосов). По данным карточки Sekee RADAR, для зернового силоса диаметром 27 м и высотой 35 м применяется именно эта связка — узкий луч обязателен, иначе он задевает стенки и даёт ложное эхо. Мука и комбикорм — более тонкие продукты, требуют дополнительной защиты от налипания и пыли; устанавливают защитный экран от пара и антенный обогрев при сезонных перепадах температуры.

Цемент, известь, гипс

Насыпная плотность 1100–1500 кг/м³, ε = 2,5–3,5, угол откоса 30–35°. Цементные силосы — это высокие узкие конструкции (диаметр 6–12 м, высота 25–40 м), при загрузке внутри образуется плотное пылевое облако концентрацией до 100 г/м³, при котором ультразвук и лазер бесполезны. Sekee RADAR с антенной на 35 или 85 м работает в этих условиях штатно — миллиметровые волны проходят через пыль без затухания. На свежем влажном цементе бывает налипание на корпус прибора: рекомендуется монтаж с уклоном фланца наружу или волноводное исполнение Sekee RADAR.

Уголь, руда, кокс

Насыпная плотность 800–1500 кг/м³, ε = 4–6 (уголь имеет высокую проницаемость из-за остаточной влаги), угол откоса 30–45°. Угольные бункеры на ТЭС и металлургических производствах — крупные конструкции с активным заполнением и подачей по лентам. Применяется Sekee RADAR в исполнении на 85 или 120 м, антенна угла 6° для широких бункеров. На угле с высокой влажностью возможно образование льда зимой — нужен антенный обогрев. Для контроля среднего и низкого уровня дополнительно ставятся вибрационные вилки как сигнализаторы.

Минеральные удобрения

Карбамид, аммофос, сульфат аммония, селитра — насыпная плотность 700–950 кг/м³, ε = 2,5–4,0. Сильно гигроскопичны, образуют конденсат внутри силосов при перепадах температуры, агрессивны к чёрным металлам. Sekee RADAR с корпусом из нержавеющей стали и защитой от конденсата применяется на удобренческих производствах и в портовых терминалах. На крупных терминалах хранения с диаметром силоса 30+ метров — диапазон 85 м или 120 м.

Полимерные гранулы

Полиэтилен, полипропилен, полистирол, ПВХ-гранулы — насыпная плотность 500–650 кг/м³, ε = 2,2–2,8. Хранятся в силосах диаметром 4–8 м, высотой 15–25 м после производства. Sekee RADAR в исполнении на 35 м, антенна угла 6° достаточна. Особенность — статическое электричество при пневмотранспорте полимеров; требуется заземление прибора и контактов кабельных вводов.

Древесные отходы — щепа, опилки, кора

Щепа на ЦБК и в производстве плитных материалов (ДСП, OSB) — насыпная плотность 250–350 кг/м³, ε = 2,5–4,5 (зависит от влажности), угол откоса 35–45°. Высокие бункеры щепы — до 60–70 м. Применяется Sekee RADAR на 85 м или 120 м с антенной 3° — узкий луч критичен из-за внутренних опор и стенок бункера. Древесная щепа имеет высокую гигроскопичность и налипает на корпус прибора, рекомендуется волноводное исполнение Sekee RADAR или монтаж с уклоном фланца для влажной щепы прямо с рубительной машины.

Прочие сыпучие — сахар, крахмал, химическое сырьё

Сахар-песок и крахмал на пищевых производствах хранятся в стерильных силосах с CIP-обработкой; применяется Sekee RADAR в исполнении из нержавеющей стали, соответствующем ТР ТС 021/2011. Химическое сырьё (катализаторы, гранулированные реагенты) — Sekee RADAR в Ex-исполнении для зон класса 21 (пыль) по ТР ТС 012/2011. Алюминиевая пудра и магниевый порошок — пожаро- и взрывоопасные среды, требуют отдельной классификации помещения и комплектации прибора антистатическим исполнением.

Узел учёта сыпучих продуктов — состав

Узел учёта сыпучих — это комплекс приборов для контроля уровня, массы и сигнализации предельных значений. Базовая комплектация для технологического силоса:

1. Радарный уровнемер — Sekee RADAR с подобранным диапазоном и типом антенны
2. Сигнализатор верхнего предельного уровня — вибрационная вилка или ёмкостный сигнализатор; при срабатывании останавливает шнек загрузки
3. Сигнализатор нижнего предельного уровня — вибрационная вилка или ротационный сигнализатор; при срабатывании запускает шнек загрузки или останавливает выпуск
4. Датчик температуры — Sekee TEMP — для контроля температуры внутри силоса (выявление самовозгорания угля, перегрева влажного зерна)
5. Контроллер АСУ ТП — приём сигналов 4–20 мА и Modbus RTU от всех приборов, управление шиберами и шнеками, передача данных на диспетчерскую панель
6. Защитные элементы — антенный обогрев Sekee RADAR при сезонных перепадах температуры, защитный экран от пара при активной загрузке/выгрузке, заземление от статического электричества

Для коммерческого учёта — дополнительно бункерные весы на тензодатчиках или ленточные весы на выпускном конвейере. Sekee специализируется на уровнемерах, тепловой и взвешивающей частью комплектуется отдельно.

Дополнительное оборудование для систем хранения сыпучих

• Уровнемеры Sekee — для сыпучих: радарный Sekee RADAR; в каталоге также FL и LL (жидкости/топливо), не как основной оффер сыпучих
• Датчики температуры Sekee TEMP — диапазон −200…+1600 °C, контроль температуры в силосе для предотвращения самовозгорания
• Датчики давления Sekee BAR — для контроля давления в пневмотранспортных линиях подачи сыпучих
• Фильтры Sekee — для пневмотранспортных линий и систем аспирации

Для пыльных и взрывоопасных производств (мука, сахар, алюминиевая пудра, магниевый порошок) применяются исполнения по ТР ТС 012/2011 для опасных зон класса 20, 21, 22 (взрывоопасные пылевоздушные смеси).