Na wstępie warto dokonać rozróżnienia pomiędzy dwoma podobnymi problemami - pomiarem poziomu i sygnalizacją poziomu. Pomiar, często nazywany również ciągłym lub analogowym, dostarcza liczbowej informacji o ilości medium w instalacji, zbiorniku lub danym obiekcie. W przypadku sygnalizacji otrzymuje się jedynie binarną informację o przekroczeniu przez aktualny poziom pewnej granicy – dolnej lub górnej.
Dla kogo pomiary?
Trudno jest wymienić wszystkie dziedziny, w których wykonuje się
Rys. 1. Pomiar z wykorzystaniem metody izotopowej (od lewej): (a) źródło punktowe i czujnik liniowy, (b) źródło punktowe i czujnik punktowy, (c) źródło liniowe, czujnik liniowy
Rys. 2. Idea pomiaru z wykorzystaniem metody izotopowej
|
Metody pomiarów
Ze względu na sposób dokonywania pomiaru wyróżnia się metody kontaktowe i bezkontaktowe. W przypadku tych drugich czujnik jest odizolowany od mierzonego medium. Mają one zastosowanie głównie tam, gdzie badana ciecz mogłaby uszkodzić czujnik lub zakłócić pomiar np. poprzez oblepienie sondy. Warto zaznaczyć, że dostępne są również wersje czujników kontaktowych dostosowane do pracy w takich warunkach.
Istnieje wiele sposobów pomiaru poziomu. Najprostsze są metody mechaniczne, które polegają np. na pomiarze położenia pływaka unoszącego się na powierzchni cieczy. Główną zaletą tej metody jest prostota i bardzo niska cena. Jednakże zarówno precyzja jak i niezawodność pomiaru są bardzo ograniczone. Ze względu na ruchome części mechaniczne metoda ta jest wrażliwa na odkładanie się osadów na czujniku, a sam element mechaniczny wymaga okresowych przeglądów i czyszczenia. W związku z tym urządzenia pływakowe obecnie stosuje się raczej tylko do sygnalizacji niż do prawdziwych pomiarów. Innym rozwiązaniem jest pomiar długości linki z ciężarkiem. Jest ona rozwijana z bębna, aż do momentu zanurzenia się ciężarka w cieczy, bądź zetknięcia z powierzchnią materiału sypkiego, kiedy to wykrywana jest zmiana siły napięcia linki. Wartość zmierzonej długość rozwiniętej linki przełożyć można na wartość poziomu w zbiorniku. Pomiar ten nie jest zbytnio precyzyjny, ale za to może być stosowany w zbiornikach o nieograniczonej wysokości. Jest też zupełnie niewrażliwy na występowanie nawet silnego zapylenia nad powierzchnią materiału. Niemniej ze względu na swoją niedokładność, pomiar z linką jest obecnie stosunkowo rzadko wykorzystywany.
Inną równie prosta metodą jest pomiar hydrostatyczny, który polega na badaniu ciśnienia wywieranego przez słup cieczy, czyli w praktyce różnicy ciśnień na dole i na górze zbiornika. Analiza ta może być stosowana tylko dla cieczy o stałej gęstości lub przynajmniej o znanym jej rozkładzie. Ze względu na prostotę konstrukcji, łatwość instalacji i obsługi oraz odporność na drgania, a także niski koszt jest to sposób powszechnie stosowany. Najbardziej problematycznym elementem takiego systemu jest membrana sondy, która jest wrażliwa na tworzenie się osadów, lub zamulanie dna zbiornika, co powoduje zafałszowania wyników pomiaru.
| Laserowe pomiary poziomu
W przypadku aplikacji, gdzie kontakt elementu pomiarowego z mierzonym medium mógłby ograniczyć dokładność pomiaru lub znacząco zwiększyć koszty utrzymania sprzętu, stosuje się zazwyczaj bezdotykowe czujniki poziomu. Przykładem są ultradźwiękowe lub laserowe elementy pomiarowe, które są z reguły umieszczane nad mierzonym medium i w normalnych warunkach nie mają z nim kontaktu. Do bezpośredniego zetknięcia czujnika z materiałem może dochodzić tylko w razie nadmiernego wzrostu jego poziomu.
Odpowiednio do zastosowania
W przypadku opisywanych przyrządów pomiarowych, które umieszczane są nad powierzchnią medium, emitowany jest zazwyczaj odpowiedni sygnał, który zostaje odbity od powierzchni medium i odebrany przez układ czujnika. Tego typu pomiar poziomu może być ciągły, choć obejmuje on zazwyczaj jeden punkt na powierzchni materiału. Nie stanowi to zazwyczaj problemu w przypadku cieczy, gdy granica pomiędzy fazą ciekłą a gazową jest zazwyczaj pozioma w stosunku do powierzchni ziemi. W innych przypadkach stosowanie ultradźwiękowych urządzeń pomiarowych może być problematyczne, a z kolei urządzeń radarowych dla pomiarów materiałów o niskiej stałej dielektrycznej. Dodatkowo w przypadku materiałów sypkich granica między medium mierzonym a gazem może być zmienna - na przykład w miejscu wysypywania substancji sypkiej może tworzyć się w głębi pusta przestrzeń, w która później jest nagle zasypywana, powodując niespodziewaną zmianę poziomu. Czujnik, niezależnie od metody pomiarowej, powinien więc zostać tak umieszczony, aby wskazywał rzeczywisty poziom i nie być podatny na zakłócenia powodowane powstającymi pustymi obszarami. Jeśli takiej lokalizacji nie można się znaleźć, trzeba zastosować kilka czujników albo czujnik skanujący.
Pomiary laserowe
Czujnik laserowy emituje wiązkę impulsów świetlnych i rejestruje impulsy odbite od powierzchni mierzonego medium. Poziom substancji w zbiorniku określany jest na podstawie pomiaru czasu koniecznego na dotarcie i powrót promieniowania do jego powierzchni. Zmierzona odległość pozwala zazwyczaj w prosty sposób obliczyć procentowe zapełnienie zbiornika.
Na laserową technikę pomiaru poziomu nie ma wpływu stała dielektryczna materiału, ani szybkość rozchodzenia się dźwięku w gazie. Ponadto wiązka laserowa jest koherentna, tak więc sam pomiar skupia się na mniejszej powierzchni niż w |
|
|
Zasada działania czujnika wibracyjnego: (a) wzbudzanie drgań, (b) zależność częstotliwości drgań od głębokości zanurzenia czujnika
|
Pozostałe rodzaje czujników
Fot. 1. Czujnik wibracyjny Vegawave 61 oferowany przez firmę Introl
Jeszcze tańsze niże poprzednimi, a do tego proste w obsłudze, są czujniki
Przetwornik poziomu Mobrey 9700 firmy Emerson
Dla celów sygnalizacji poziomu można zasadniczo wykorzystać odpowiednie modyfikacje przedstawionych powyżej metod pomiarowych. Szczególnie duże znaczenie ma wtedy niezawodność i możliwość wykrycia awarii czujnika. Stąd w układach zabezpieczeń chętnie używane są czujniki wibracyjne (kamertonowe). Sensory te mają postać widełek, które są pobudzane do drgań. W stanie ustalonym kamerton drga ze swoją częstotliwością rezonansową, której dokładna wartość zależy od właściwości ośrodka, w którym się znajduje. Gdy czujnik zostanie zanurzony w cieczy lub innym medium, częstotliwość ta się zmienia. Zmiana wykrywana jest przez układ elektroniczny czujnika i powoduje włączenie sygnalizacji. Zazwyczaj stosuje się czujniki z histerezą, co oznacza, że częstotliwości rezonansowe dla włączania i wyłączania różnią się nawet o kilkadziesiąt herców. Zapobiega to częstym przełączeniom w przypadku, gdy poziom cieczy utrzymuje się w okolicach miejsca, w którym umieszczono detektor. Ze względu na to, że czujnik stale drga jest bardzo odporny na oblepianie. Można go montować w dowolnej pozycji, tj. pionowo, poziomo lub ukośnie. W niektórych wykonaniach czujnik jest na tyle mały, że możliwe staje się zastosowanie go również w rurociągach. Do sygnalizacji poziomu materiałów sypkich używa się też czujników prętowych, co ma uniemożliwić przypadkowe zaklinowanie się kawałka materiału w widełkach kamertonu.
Każda z wymienionych metod jest reprezentowana na rynku przez szeroką gamę produktów, pochodzących od różnych producentów. Są wśród nich czujniki dedykowane dla konkretnych gałęzi przemysłu - czyli takie, które spełniają różne specyficzne wymagania oraz te bardziej uniwersalne.
