Czujniki poziomu. Jak wybrać najlepszy?

Pomiar poziomu polega na określeniu odległości w linii prostej od punktu odniesienia, którym zwykle jest podstawa zbiornika, do powierzchni cieczy, materiału sypkiego lub granicy faz. Do realizacji tego zadania można podejść na różne sposoby. Zasadniczo wyróżnia się dwie metody: pomiar ciągły oraz punktowy. Drugi dostarcza informacji o tym, czy zawartość zbiornika mieści się poniżej, czy powyżej określonego punktu. Przełączniki punktowe są przeważnie używane jako wskaźniki wyzwalające alarm, jeżeli poziom zapełnienia zbiornika przekroczy ten maksymalny dopuszczalny albo spadnie poniżej minimalnego progowego. Utrzymując ilość składowanego materiału między tymi dwoma skrajnościami, zapobiega się przepełnieniu zbiornika i rozlaniu lub rozsypaniu jego zawartości, a z drugiej strony chroni się pompę przed suchobiegiem. Tego typu przełączniki często też sterują pompami. W pomiarze ciągłym natomiast wyznaczany jest aktualny poziom zapełnienia zbiornika. Informacja ta jest kluczowa w kontroli procesów, które wymagają stałego dopływu surowców i w zarządzaniu zapasami. Często jej uzupełnieniem jest pomiar punktowy, jeżeli wymagana jest redundancja, na przykład gdy zawartość zbiornika jest toksyczna.

Poziom można mierzyć kontaktowo lub bezdotykowo. W pierwszym przypadku zawartość zbiornika styka się z elementami przetwornika, zaś w drugim nie ma z nimi kontaktu. Pomiar bezkontaktowy jest preferowany, jeżeli mierzony materiał ma właściwości ścierne, krzepnie, jest lepki, gorący albo korozyjny.

Rozróżnia się też bezpośredni oraz pośredni pomiar poziomu. W drugim mierzona jest inna wielkość, na przykład za pomocą przetwornika ciśnienia, na podstawie której poziom jest obliczany.

Przegląd przetworników poziomu

Najprostszym typem przetworników poziomu są pływaki, które unosząc się na powierzchni cieczy, wskazują jej górny poziom. Ich odmianą są wyporniki, które pozwalają na pomiar granicy płynów.

Do grupy przetworników punktowych zaliczane są też te wibracyjne widełkowe. W ich przypadku w zależności od stopnia zanurzenia widełek w zawartości zbiornika zmienia się częstotliwość ich drgań. Dostępne są też w wersji z prętem zamiast widełek.

Popularne są także sondy pojemnościowe. Przetworniki tego typu mierzą pojemność kondensatora utworzonego przez dwie elektrody. Jedną stanowi ściana zbiornika, a drugą sonda czujnika. Są one oddzielone mierzonym medium, od ilości którego zależy pojemność kondensatora. Poziom oblicza się na podstawie różnicy pojemności pustego zbiornika i jej zmierzonej wartości. Metoda sprawdza się w pomiarach różnych materiałów, o różnej temperaturze i ciśnieniu. Ułatwieniem jest swoboda montażu przetwornika w dowolnej części zbiornika.

Kolejna popularna technika wykorzystuje ultradźwięki. Przetworniki tego typu emitują do wnętrza zbiornika sygnał akustyczny o częstotliwości do kilkudziesięciu kHz. Ten odbija się od powierzchni medium, a czas, jaki upływa od wysłania impulsu do jego odebrania w przetworniku, jest mierzony. Na tej podstawie określa się odległość pomiędzy nim a powierzchnią zawartości zbiornika. Znając jego wymiary, można obliczyć poziom jego zapełnienia. Ważne, żeby między przetwornikiem a powierzchnią mierzoną nie występowały przeszkody, które mogą blokować fale dźwiękowe.

Przetworniki radarowe i laserowe

Często wykorzystuje się również przetworniki radarowe. Wyróżnia się dwa ich typy: sondy bezkontaktowe i falowodowe. W pierwszych impulsy elektromagnetyczne o częstotliwości mikrofalowej wysyłane przez antenę odbijają się od powierzchni medium z powodu różnicy wartości stałych dielektrycznych powietrza i zawartości zbiornika. Czas powrotu impulsów odbitych jest wprost proporcjonalny do pokonanej przez nie odległości.

W sondach drugiego typu impulsy mikrofalowe transmitowane są falowodem. Kiedy docierają do mierzonej powierzchni, zmienia się impedancja falowa ośrodka i część emitowanych impulsów ulega odbiciu. Czas od wysłania do powrotu impulsu jest mierzony i przeliczany na dystans dzielący sondę i powierzchnię zawartości zbiornika.

W przetwornikach laserowych odległość nadajnika do powierzchni materiału magazynowanego w zbiorniku również jest wyznaczana na podstawie pomiaru czasu przelotu, w tym przypadku wiązki światła. Zalety tej techniki to duży zasięg i krótki czas pomiarów, a wady – wrażliwość na zapylenie i spadek dokładności wywołany zabrudzeniem części optycznych.

Jak wybrać przetwornik poziomu?

Różnorodność metod pomiaru sprawia, że wybór typu przetwornika nie jest prosty. Choć większość z nich sprawdzi się w wielu przypadkach, nie ma jednego odpowiedniego do każdej aplikacji. Jeżeli jednak dobrze określi się wymagania, grupę przetworników, które się sprawdzą można zawęzić.

Pierwsze pytanie, które należy zadać, to jak dokładnej informacji potrzebujemy – czy wystarczy wskazanie przekroczenia poziomu progowego, czy musimy precyzyjnie wiedzieć, ile w danym momencie produktu znajduje się w zbiorniku. Odpowiedź determinuje wybór przetwornika punktowego lub mierzącego poziom w sposób ciągły.

Jeżeli mierzyć trzeba granicę dwóch płynów na podstawie różnicy ich stałych dielektrycznych, należy użyć przetwornika radarowego falowodowego. Sprawdzi się on w pomiarach m.in. w zbiornikach z: olejem i wodą, olejem i kwasem, rozpuszczalnikami organicznymi o małej stałej dielektrycznej (terpentyna, benzen) i wodą albo kwasem.

Na wybór przetwornika wpływają też warunki panujące w zbiorniku. Chodzi przede wszystkim o temperaturę i ciśnienie. Zakres dopuszczalnych wartości tych wielkości należy sprawdzić w specyfikacji urządzenia pomiarowego. Generalnie jednak przetworniki ultradźwiękowe nie sprawdzają się przy dużym ani przy małym ciśnieniu, mają także zwykle najwęższy zakres temperatur pracy.

Kolejne czynniki to turbulencje powstające w wyniku mieszania i obecność w przestrzeni nad produktem oparów. Ponieważ osłabiają a nawet mogą stłumić sygnał odbity od powierzchni zawartości zbiornika, nie zaleca się w tym przypadku przetworników, które poziom mierzą na podstawie tego sygnału zwrotnego. Nie wszystkie typy przetworników nadają się także do pomiaru poziomu cieczy pieniących się. Przykładami takich są mydło, piwo, mleko. Piana na powierzchni mierzonej może się również wytworzyć pod wpływem jego zbyt długiego lub zbyt intensywnego mieszania. W pomiarach cieczy o takich właściwościach nie sprawdzą się przetworniki ultradźwiękowe ani laserowe.

 

Rys. 1. Wybrane rodzaje przetworników poziomu i pokrewnych czujników

Pomiar poziomu materiałów sypkich

Ważna jest też specyfika mierzonej substancji. Szczególnej uwagi wymagają materiały sypkie. Pomiar w ich przypadku odbywa się zwykle przy silnym zapyleniu, a sam materiał może się formować w stożek. Przykładem są ziarna, z których tłoczy się oleje, m.in. słonecznika, soi, rzepaku, które gromadzi się w silosach, zwykle bardzo wysokich o średnicy kilkunastu metrów. Również mąka, która jest składowana w silosach przed zapakowaniem w worki i w piekarniach przed dodaniem do ciasta, pyli, zwłaszcza przy napełnianiu zbiornika. Dodatkowo ma tendencję do przyklejania się do ścian zbiornika. Podobnie cukier, przechowywany w dużych ilościach w cukrowniach i w piekarniach, tworzy nasypy, pyli, a poza tym może się przyklejać i oblepiać części przetwornika poziomu. Pyli też węgiel, zaś powstały w procesie jego spalania popiół lotny, wykorzystywany m.in. do produkcji betonu, ma dodatkowo tendencję do przywierania do zbiornika i formowania stożków. Kolejny problematyczny materiał to zrębki drzewne, pelety drzewne, trociny, które z kolei często się ze sobą sklejają, co nie tylko utrudnia pomiar poziomu, ale dodatkowo też utrudnia opróżnianie silosów. Silne zapylenie występuje również w przypadku zbiorników z cementem, który może się zbrylać, tworzyć nasypy. We wszystkich materiałach sypkich można się poza tym spodziewać powstawania kieszeni powietrznych, które mogą się zapadać.

W przypadku tego typu zawartości w pomiarach punktowych wykorzystuje się przetworniki wibracyjne widełkowe i prętowe oraz przełączniki pojemnościowe. Jeżeli natomiast jest konieczny pomiar ciągły, zaleca się przetworniki radarowe falowodowe i bezkontaktowe.

Pierwsze sprawdzają się zwłaszcza w silosach o mniejszych średnicach (poniżej 10 metrów), tam gdzie w zakresie instalacji przyrządów pomiarowych występują ograniczenia przestrzenne. Im jednak wyższy zbiornik, tym większe siły ciągnące oddziałują na sondę, a zatem łatwiej o jej uszkodzenie.

Z kolei przetworników radarowych bezkontaktowych, inaczej niż tych falowodowych, nie dotyczą ograniczenia w zakresie ciężaru mierzonego materiału, dzięki czemu można z nich korzystać, nawet jeżeli z powodu obaw o pęknięcie sondy zrezygnowano z radaru z falowodem. Przetworniki bezkontaktowe skanują także większy obszar powierzchni, są zatem dokładniejsze.

Monika Jaworowska