Pomiary poziomu cieczy i materiałów sypkich

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 pomiary poziomu. Typowe, najczęściej spotykane aplikacje dotyczą przemysłu chemicznego i petrochemicznego oraz spożywczego. Ilekroć w zautomatyzowanym procesie produkcyjnym wykorzystywane są ciecze, konieczne jest zastosowanie metody kontroli ich ilości. W zależności od potrzeb dokonuje się zarówno pomiarów poziomu w zbiornikach, jak również w rurociągach i kanałach otwartych. W wielu procesach przemysłowych stosuje się zabezpieczenia przed przepełnieniem zbiornika lub przed wystąpieniem niedostatecznego poziomu cieczy w instalacji – czyli tzw. suchobiegiem. W tym celu wystarczające będą sygnalizatory poziomu, choć w praktyce często stosuje się elementy pomiaru poziomu, dzięki którym możliwe jest odpowiednie sterowanie procesami i kontrolę poziomu mierzonej cieczy.

Osobną grupę stanowią pomiary inwentaryzacyjne, których dokonuje się na potrzeby np. rozliczeń. W tym przypadku zakres zastosowań jest bardzo szeroki, począwszy od zbiorników rafineryjnych i tankowców po silosy zbożowe, cukrowe lub zawierające materiały takie jak cement i wapno.

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   źródło: Siemens 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 technice radarowej czy ultradźwiękowej. W niektórych zastosowaniach czujniki laserowe mogą być używane do pomiaru poziomu w miejscach trudnych do osiągnięcia innymi metodami - np. w zsypie zbiornika. W wielu laserowych miernikach poziomu używa się zazwyczaj laserów klasy 1, które w normalnych warunkach nie są niebezpieczne. Czasem stosuje się tutaj również lasery klasy 3, które w razie bezpośredniego oświetlenia mogą być niebezpieczne tylko dla oczu. Możliwe trudności Nadmierne zmniejszanie intensywności wiązki laserowej podczas pomiarów może uniemożliwić działanie poziomomierza laserowego. Degradacja sygnału następować może w samym czujniku, na drodze pomiędzy czujnikiem a materiałem i na powierzchni materiału. Detekowana wiązka laserowa może być również zbyt słaba na skutek zabrudzenia czy zakurzenia nadajnika i odbiornika czujnika. Gromadzenie się zanieczyszczeń na czujniku jest procesem naturalnym, a więc konieczne jest jego oczyszczanie w trakcie rutynowych czynności obsługowych. Często czujnik umieszczany jest w ochronnej rurce i utrzymywany w sprawności dzięki regularnemu przedmuchiwaniu gazem. Podobne zabiegi mogą być stosowane, gdy wiązka laserowa przechodzi przez podlegające zabrudzeniom szklane okienko. Dokładność laserowego pomiaru poziomu zależy od stanu i rodzaju powierzchni materiału od której odbijana jest wiązka laserowa. Trudności może sprawiać na przykład pomiar poziomu cieczy pokrytej pianą. Jeżeli piana jest przeźroczysta dla promienia lasera, odbicie następuje od powierzchni cieczy i mierzony jest jej poziom, a nie piany. Jeśli piana jest półprzeźroczysta, wynik pomiaru jest obarczony dużym błędem. Jeszcze gorzej, gdy właściwości piany zmieniają się w czasie. Duże trudności pomiarowe powodować mogą aplikacje ze zbiornikami pod ciśnieniem, w których w fazie gazowej unosi się znaczna ilość cząsteczek wprowadzających błąd pomiaru laserowego. Jednak jeśli pomimo tego powierzchnia mierzonego materiału jest widoczna, pomiar laserowy jest możliwy. Na zdolność penetracyjną promienia laserowego mają wpływ rozmiary cząstek pyłowych i ich cechy optyczne. Zawiesina pyłowa z większymi oraz ciemniejszymi cząsteczkami jest bardziej przejrzysta niż z mniejszymi i jasnymi, która łatwiej odbijają światło. Także natężenie światła odbitego i jego kolor mają wpływ na wyniki pomiarowe, dlatego dla zwiększenia jego dokładności często potrzebna jest kompensacja koloru. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach wysokotemperaturowych - na przykład przy pomiarach poziomu płynnej stali, której kolor i wygląd mogą się szybko zmieniać. Kwestia ceny Urządzenia do laserowych pomiarów poziomu należą do stosunkowo drogich elementów pomiarowych, tak więc wykorzystywane są one zazwyczaj tam, gdzie inne techniki nie mogą być stosowane lub nie zapewniają odpowiedniej dokładności. Przykładem są pomiary poziomu płynnego szkła lub metalu o temperaturze do kilku tys. stopni Celsjusza. Technikę tę stosuje się także do pomiaru poziomu materiału mokrego lub suchego w wysokich zbiornikach - w takich, gdzie technika radarowa lub ultradźwiękowa nie zdają egzaminu. Poziomomierze laserowe nie sprawdzają się natomiast, gdy przestrzeń gazowa jest nieprzeźroczysta lub, jak wspomniano wcześniej, zawiera drobiny materiału - szczególnie o dużym stopniu odbicia światła. Trudno jest więc zmierzyć poziom mąki, nad którą znajdują się odbijające światło i elektrycznie naładowane drobiny pyłu mącznego. Pochłaniają one i odbijają światło, a także mogą osadzać się na czujniku. Odbijać światło i powodować błąd pomiarowy może również para wodna. Z tych powodów przy stosowaniu laserowych czujników poziomu konieczne jest branie pod uwagę wszystkich czynników występujących w danej aplikacji i ich odpowiednie kompensowanie. Krzysztof Pochwalski

Metody elektroniczne pomiarów

Kolejne dwie metody - rezystancyjna – zwana też przewodnościową lub potencjometryczną oraz metoda pojemnościowa wykorzystują elektryczne właściwości badanego medium. W pomiarach rezystancyjnych w zbiorniku umieszczana jest pionowo sonda w postaci metalowego pręta, przez który płynie prąd. W miarę napełniania zbiornika, wskutek upływności prądu przez ciecz, zmienia się potencjał elementu, co pozwala na wyznaczenie aktualnej wartości poziomu. W wariancie sygnalizacyjnym tej metody zamiast pręta stosuje się dwie elektrody - przepływ prądu pomiędzy nimi następuje, gdy obie zanurzone są w tej samej cieczy. Pomiary rezystancyjne stosuje się zwłaszcza w rurociągach i niewielkich zbiornikach, ze względu na łatwość wykonania małych czujników.

Tymczasem w przypadku metody pojemnościowej mierzy się zmianę pojemności kondensatora utworzonego między elektrodą pomiarową a ścianami zbiornika, czy też elektrodą odniesienia. Zmiany wartości mierzonych powstają na skutek wypełnienia przestrzeni miedzy nimi przez ciecz. Metodę tę można stosować zarówno do mediów przewodzących, jak i nieprzewodzących. Dzięki temu pomiar jest niewrażliwy na występowanie piany w zbiorniku oraz można go stosować, gdy wewnątrz pojemnika znajdują się inne instalacje, które uniemożliwiałyby zastosowanie metod bezkontaktowych.

Obecnie bardzo szybko rozwijają się metody radarowe i ultradźwiękowe. Wykorzystują one zjawisko odbicia fali od powierzchni medium i bazują na pomiarze czasu przelotu sygnału. Sonda radarowa wysyła impulsy o częstotliwości 5,8GHz, 6,3GHz lub 26GHz, które po odbiciu od powierzchni medium są odbierane przez antenę sondy. Czas od momentu wysłania impulsu do jego odbioru zależy bezpośrednio od poziomu substancji w zbiorniku. Radary pracujące na niższej częstotliwości są mniej wrażliwe na zapylenie bądź zaparowanie zbiornika lub obecność piany. Z kolei wyższa częstotliwość zwiększa dokładność pomiaru. Właściwości medium znajdującego się w zbiorniku nie mają wpływu na pomiar, gdyż omawiana metoda daje się stosować w szerokim zakresie temperatury i ciśnienia. Silne zapylenie lub zaparowanie, jak również obecność instalacji wewnątrz zbiornika, takich jak np. mieszadła może niekiedy zakłócać pracę radaru. Aby się przed tym uchronić trzeba zastosować nowoczesny czujnik z zaawansowanym systemem analizy sygnału.

Alternatywą dla powyższych typów pomiarów może być instalacja sensora mikrofalowego z falowodem, czyli tzw. sondą prowadzącą (guided-wave radar). Wadą metody radarowej jest niestety stosunkowo duży koszt urządzeń. Zasada działania sondy mikrofalowej z falowodem zbliżona jest do funkcjonowania sondy radarowej. Podstawowa różnica polega na tym, że sygnał jest przesyłany falowodem o postaci pręta lub stalowej liny. W miejscu, gdzie zmieniają się właściwości magnetyczne ośrodka, w którym umieszczony jest falowód, następuje częściowe bądź całkowite odbicie fali. Podobnie jak w metodzie radarowej mierzony jest czas przelotu fali od detektora do zintegrowanego z nim odbiornika. Metoda ta jest niewrażliwa na zaparowanie lub zapylenie czy obecność instalacji wewnątrz zbiornika. Można ją też wykorzystać do pomiaru granicy rozdziału faz dwóch produktów znajdujących się w zbiorniku. Wystarczy odpowiednio przetworzyć uzyskany sygnał, gdyż w trakcie propagacji fali nastąpi więcej niż jedno odbicie. Technika ta jest wciąż nieco tańsza od zwykłej radarowej.

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 ultradźwiękowe. Zasada ich działania jest praktycznie taka sama, jak w przypadku czujników radarowych, z tym że używa się tu sygnałów akustycznych o częstotliwościach rzędu kilkudziesięciu kHz. Niestety sondy ultradźwiękowe są wrażliwe na zapylenie i obecność piany. Ich stosowanie jest ograniczone też do pewnego zakresu ciśnień i temperatur. Czujniki tego typu znajdują zastosowanie np. w gospodarce wodno-ściekowej lub do pomiarów niepylących produktów sypkich, takich jak np. węgiel i piasek.

W szczególnie trudnych warunkach środowiskowych oraz w przypadku produktów agresywnych i w razie niemożności ingerencji w konstrukcję zbiornika stosuje się metodę izotopową. Pomiar ten jest realizowany w oparciu o zjawisko różnego pochłaniania promieniowania przez substancję. Układ pomiarowy składa się z jednostki sterującej, detektora promieniowania oraz źródła izotopowego, takiego jak np. kobalt Co-60 lub cez Cs-137. Detektor i pojemnik ze źródłem są montowane na zewnątrz zbiornika, co jest istotną zaletą metody. Natężenie promieniowania rejestrowane przez urządzenie zależy od wartości poziomu substancji w zbiorniku.

Możliwe konfiguracje układu pomiarowego do ciągłego pomiaru poziomu to: detektor liniowy ze źródłem liniowym, detektor punktowy ze źródłem liniowym oraz zestaw w pełni punktowy. W przypadku stosowania jedynie sygnalizacji stosuje się układ w postaci detektora punktowego ze źródłem zainstalowanym na odpowiedniej wysokości. W tej sytuacji zmiana natężenia promieniowania powoduje załączenie sygnalizacji. Pomiary metodą izotopową stosuje się m.in. w hutnictwie w celu pomiaru ilości płynnej stali w zbiorniku oraz w niektórych aplikacjach związanych z płynami w reaktorach chemicznych.

Kilka słów o sygnalizacji

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.

Marek Strzelczyk