способ определения высоты слоя сыпучего материала на скате

Формула изобретения

Способ определения высоты слоя сыпучего материала на скате, заключающийся в том, что материал в необходимом количестве дозируют на скате и определяют контролируемый параметр, отличающийся тем, что предварительно получают дифференциальное распределение ссыпающегося со ската материала по горизонтальной координате и определяют массовую долю частиц, случайно вылетающих над поверхностью слоя, затем при повторном ссыпании материала параллельно плоскости ската на пороге ссыпания устанавливают тонкую гладкую пластину - делитель потока и измеряют расстояние между пластиной и плоскостью ската, при котором доля частиц, отделяемого от основного потока, не отличается более чем на 5% от доли частиц, случайно вылетающих над слоем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в химической, микробиологической и других отраслях промышленности при измерении высоты слоя сыпучего материала на скате.

Известен способ определения высоты слоя сыпучего материала на скате, заключающийся в том, что материал в необходимом количестве дозируют на скате и визуально определяют контролируемый параметр (Механика гранулированных сред. Теория быстрых движений: Сб. статей. Пер. с англ./ Сост. И.В.Ширко. - М.: Мир. 1985. - 289 с.)

Недостатки данного способа заключаются в низкой точности измерения высоты гравитационного потока. Это связано с тем, что гравитационное течение сыпучего материала, как правило, характеризуется хаотичным перемещением отдельных частиц у открытой поверхности слоя, Поэтому надежное визуальное определение высоты слоя является весьма проблематичным. Очевидно, что результаты измерений при этом содержат существенную субъективную составляющую погрешности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения высоты слоя сыпучего материала на скате (см. Savage S.V. Gravity Flow of cohesionless granular materials in Chutes and channels // J. Fluid Mech., 1979. 92. P.53), заключающийся в том, что материал в необходимом количестве дозируют в наклонном канале с прозрачными боковыми стенками, регистрируют слой материала с помощью скоростной киносъемки и покадровым анализом фильма определяют контролируемый параметр.

Недостатками данного способа являются следующие: 1) влияние граничных условий у боковых стенок канала; 2) субъективность в оценке высоты слоя; 3) высокая трудоемкость измерения из-за усреднения результатов по большому числу кадров.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения высоты слоя сыпучего материала на скате за счет уменьшения субъективной составляющей погрешности, возникающей вследствие влияния хаотического перемещения частиц над открытой поверхностью слоя, на результат измерения.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в способе определения высоты слоя путем дозирования сыпучего материала на скате и определения контролируемого параметра предварительно получают дифференциальное распределение ссыпающегося со ската материала по горизонтальной координате и определяют массовую долю частиц, случайно вылетающих над поверхностью слоя, затем при повторном ссыпании материала параллельно плоскости ската на пороге ссыпания устанавливают тонкую гладкую пластину-делитель потока и измеряют расстояние между пластиной и плоскостью ската, при котором доля частиц, отделяемых от основного потока, не отличается более чем на 5% от доли частиц, случайно вылетающих над слоем.

На фиг.1 показан один из возможных вариантов установки; реализующей предлагаемый способ определения высоты слоя сыпучего материала на скате.

Установка состоит из наклонного канала 1 прямоугольного сечения, бункера 2 и кюветы 3, разделенной перегородками на ячейки 4. Кювета, предназначенная для сбора вылетающих из канала частиц, устанавливается по отвесу на некотором расстоянии от порога ссыпания. Для регулирования толщины и длины скатывающегося слоя сыпучего материала в канале закреплена с возможностью смещения ограничительная планка 5. На пороге ссыпания параллельно плоскости ската установлена тонкая гладкая пластина - делитель 6 потока, заканчивающаяся емкостью 7 под нижней ее кромкой для сбора частиц, случайно вылетающих над слоем материала. Функциональное назначение пластины заключается в отборе из верхней части потока частиц хаотически движущихся и направлении их в емкость 7. Также на пороге ссыпания закреплен измеритель 8 высоты слоя сыпучего материала.

Сущность метода заключается в следующем.

Канал 1 устанавливается под углом к горизонту. В бункер 2 засыпают исследуемый сыпучий материал, который затем в необходимом количестве дозируют непосредственно в канале. Вначале скатывающийся материал принимают в буферную емкость. После достижения режима, близкого установившемуся гравитационному течению, открывают доступ ссыпающегося из канала материала в кювету 3. При этом фиксируют время заполнения ячеек кюветы материалом. Содержимое ячеек 4 после их заполнения в стационарном режиме взвешивают и по результатам взвешивания получают функцию распределения массы материала по ячейкам кюветы и на ее основе строят соответствующее дифференциальное распределение. По полученному распределению определяют массовую долю частиц, случайно вылетающих над поверхностью слоя, как долю частиц соответствующую пологому участку кривой распределения.

Вторая серия опытов проводится на той же установке с использованием пластины-делителя 6 и емкости 7. В режиме стационарного течения сыпучего материала путем многократных проб определяют положение пластины-делителя 6, при котором достигается отделение от основного потока такой его доли, которая не более, чем на 5% отличается от ранее установленной доли частиц, случайно вылетающих над слоем.

Найденная высота расположения пластины-делителя на пороге ссыпания, при которой по ней скатываются все частицы, случайно вылетающие над основным слоем, соответствует определяемой высоте слоя.

Прелагаемый способ базируется на учете взаимосвязи между распределением материала по высоте слоя на пороге осыпания и его распределением по горизонтальной координате. Для этого определяется экспериментальное распределение ссыпающегося материала по ячейкам горизонтальной кюветы и на его базе строится соответствующее дифференциальное распределение. Дифференциальная кривая, начиная с некоторой i-ой ячейки, вырождается в горизонтальную прямую, практически совпадающую с осью абсцисс. Это позволяет предположить, что именно эта i-ая ячейка соответствует границе слоя, выше которой имеет место движение отдельных не взаимодействующих друг с другом частиц случайно вылетающих над слоем. Очевидно, что эти частицы не оказывает существенного влияния на динамику течения среды. В связи с этим представляется возможным с помощью тонкой гладкой пластины отделить эти частицы на пороге ссыпания, не внося серьезных изменений в динамику основного потока. Тогда высота расположения пластины на пороге ссыпания, при которой по ней скатываются все частицы, вылетающие над основным слоем, будет соответствовать его высоте.

ПРИМЕР. Проведены измерения высоты гравитационного потока керамических шаров в наклонном канале прямоугольного сечения на установке, изображенной на фиг.1 Измерения проведены при расходе 1.381 кг·с^-1 материала в канале длиной 0,6 м и шириной 0,06 м, установленном под углом 37° к горизонту. По результатам первой серии опытов получено относительное распределение материала по ячейкам кюветы (кривая 1 фиг.2). На основании этой кривой построена дифференциальная кривая распределения (кривая 2 фиг.2). Определена i-я ячейка (i=15), начиная с которой дифференциальная кривая практически совпадает с осью абсцисс, и доля частиц материала в последних ячейках кюветы (М₁=0,03693). Затем определяется высота h установки пластины - делителя потока, при которой доля частиц М₂, отделяемых от основного потока, не отличается от М₁ более чем на 5%. При этом h=40 мм соответствует определяемой высоте слоя.

Преимуществом предлагаемого способа является его более высокая точность определения высоты слоя сыпучего материала на скате, вследствие исключения влияния хаотически движущихся частиц над открытой поверхностью слоя на результат измерения. Кроме того, при этом также повышается надежность результатов измерений, так как практически исключается влияние субъективных факторов. Экспериментально установлено, что погрешность определения высоты слоя с помощью данного способа не превышает ±0,25 мм.