Jak dobrać przetwornik poziomu do aplikacji?

Generalnie zadania pomiaru poziomu można podzielić na kilka kategorii ze względu na stopień trudności realizacji wynikający z cech mierzonej substancji lub warunków pomiaru. Czasem, w przypadku niewymagających zastosowań, nadaje się każda z dostępnych metod. Wtedy wybór konkretnej zwykle jest uzasadniony kosztami. Istnieje też liczna grupa zastosowań, w których sprawdza się zaledwie kilka technik pomiarowych, a bywa, że tylko jedna.

By ułatwić wstępną selekcję, w katalogach przetworników poziomu producenci zamieszczają często przykładowe listy parametrów, w oparciu o które można od razu niektóre z typów przyrządów pomiarowych w danym przypadku wykluczyć (patrz tabela). Wśród cech, które pozwalają na wytypowanie najlepiej pasujących metod, są m.in.: duża lepkość, silna korozyjność, zdolność do wydzielania oparów i silna pienistość mierzonego medium.

Czym lepiej nie mierzyć cieczy lepkich?

W pomiarach poziomu cieczy o dużej lepkości, takich jak miody, melasa, tusze, spoiwa czy ścieki, nie są zalecane techniki, w których element pomiarowy ma bezpośrednią styczność z mierzonym medium.

Na przykład w razie, gdy płyn o takich właściwościach zostanie przed wlaniem do zbiornika podgrzany, po ostudzeniu utwardzi się, osadzając się na membranie przetwornika ciśnieniowego. Jego wskazania przestaną być wówczas wiarygodne. Podobnie ciecze o dużej lepkości mogą oblepić widełki wibracyjnych wskaźników poziomu. Nagromadzanie się ciężkich osadów może również być problemem w przypadku radarowych sond poziomu z falowodem bez regulowanego poziomu czułości.

Powyższe ograniczenia nie dotyczą metod bezkontaktowych. Przykładem techniki polecanej w pomiarach poziomu cieczy o dużej lepkości jest ta wykorzystująca ultradźwięki. Sondy tego typu transmitują do wnętrza zbiornika sygnał akustyczny o częstotliwości do kilkudziesięciu kHz, który odbija się od powierzchni medium. Czas, jaki upływa od wysłania impulsu do jego zarejestrowania w detektorze przetwornika, jest mierzony. Na tej podstawie określa się odległość pomiędzy nim a powierzchnią cieczy. Znając ją i wymiary zbiornika, można obliczyć poziom jego zapełnienia.

Pomiary ultradźwiękami w praktyce

Dla poprawnego działania sond ultradźwiękowych wymagane jest, by między przetwornikiem a medium w zbiorniku nie występowały przeszkody, na przykład rury, złącza, wypustki, kraty lub półki, które blokowałyby fale dźwiękowe. W razie gdy spełnienie tego warunku jest niemożliwe, lecz pomimo to zdecydowano się na miernik tego typu, warto wybrać model, w którym zostały zaimplementowane algorytmy tłumienia odbić od stałych elementów zasobnika zakłócających pomiar.

Przydatną opcją w przypadku sond ultradźwiękowych jest także wbudowany czujnik temperatury wykorzystywany do kompensacji zmian prędkości propagacji fali ultradźwiękowej. Czynnikiem, który także negatywnie wpływa na dokładność pomiarów tą metodą, jest kondensacja. Może ona wystąpić na przykład w zbiornikach, które znajdują się na zewnątrz i nie zostały zabezpieczone przed wpływem zmian temperatury.

Przez to nagrzewają się w dzień, a potem w nocy schładzają, co powoduje skroplenie pary wodnej na elemencie pomiarowym. Zimą możliwe jest jego oszronienie. Dodatkowa warstwa wody albo lodu będzie tłumić fale akustyczne, nadawane i odbierane. Spodziewając się wystąpienia silnej kondensacji, powinno się wybrać miernik ultradźwiękowy o większym zakresie pomiarowym. Można również pokryć element pomiarowy cienką warstwą środka hydrofobowego.

Specyfika cieczy korozyjnych i parujących

Jeżeli w przypadku cieczy korozyjnych zdecydowano się na wykorzystanie przetworników kontaktowych, należy je zabezpieczyć przed niszczącym oddziaływaniem medium. W tym celu elementy pomiarowe, na przykład sondy hydrostatyczne lub pływaki, pokrywa się powłokami ochronnymi z materiałów charakteryzujących się dużą odpornością chemiczną. Przykładami są: teflon (PTFE), polifluorek winylidenu (PVDF), chlorowany polichlorek winylu (CPVC).

Przyrządy kontaktowe w tym zastosowaniu mają jednak istotne ograniczenia: koszt i krótką żywotność. Dlatego w pomiarach mediów korozyjnych preferuje się przetworniki bezkontaktowe.

Korzysta się na przykład z sond ultradźwiękowych, pod warunkiem jednak, że dana ciecz nie wydziela oparów. Wymogu tego nie spełniają niestety m.in. kwasy, nad większością których, w przypadku zebrania ich w zbiorniku w dużym stężeniu, pary gromadzą się w znaczących ilościach, nierównomiernie rozprzestrzeniając się w wolnej przestrzeni. Silnie dymiący jest na przykład kwas chlorowodorowy. Problem ten dotyczy również wielu cieczy bez cech korozyjnych podgrzanych do wysokiej temperatury.

Opary tłumią falę dźwiękową, przez co warunki jej propagacji zmieniają się na odległości dzielącej nadajnik od powierzchni medium wielokrotnie w sposób całkiem nieprzewidywalny. To zwiększa błąd pomiaru, a nawet może go całkiem uniemożliwić.

Czym mierzyć ciecze pieniące się?

Przetworniki ultradźwiękowe nie radzą sobie także z pomiarami poziomu cieczy pieniących się. Przykładami takich są mydło, piwo, mleko. Piana na powierzchni medium może się też wytworzyć pod wpływem jego zbyt długiego albo intensywnego mieszania. Tłumi ona, podobnie jak opary, falę dźwiękową. W pomiarach poziomu cieczy silnie pieniących się nie sprawdzą się również przyrządy laserowe z powodu tłumienia światła wywołanego dyspersją.

W tym zastosowaniu warto rozważyć wykorzystanie przetwornika radarowego. Wyróżnić można dwie konfiguracje przyrządów pomiarowych tego typu. Są to radary bezkontaktowe i falowodowe. W pierwszych impulsy elektromagnetyczne o częstotliwości mikrofalowej wysyłane przez antenę odbijają się od powierzchni mierzonego medium, co jest możliwe dzięki różnicy wartości stałych dielektrycznych ośrodka gazowego oraz cieczy w zbiorniku. Czas powrotu odbitego impulsu jest wprost proporcjonalny do pokonanej odległości. W radarach drugiego typu impulsy mikrofalowe przesyłane są falowodem. Kiedy docierają do powierzchni cieczy, 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 ciecz.

 

Rys. 1. Sygnalizatory i czujniki poziomu

Na czym polega problem z pianą?

Stała dielektryczna mierzonego medium odzwierciedla współczynnik odbicia – im jest wyższa, tym jego powierzchnia silniej odbija sygnał emitowany przez radar. To poprawia dokładność i zwiększa zasięg radaru. Dawniej przetworniki tego typu nie były zalecane do pomiarów cieczy pieniących się z dwóch powodów (rys. 2). Po pierwsze, stała dielektryczna piany jest za mała, by radar mógł ją wykryć. Po drugie, ze względu na napowietrzenie piany sygnał mikrofalowy na odcinku nią wypełnionym zwalniał, a czas powrotu impulsu odbitego się wydłużał. Przez to odległość zmierzona była większa niż rzeczywista, a wyznaczony na jej podstawie poziom zapełnienia zbiornika zaniżony w stosunku do prawdziwego.

 

Rys. 2. Radarowe pomiary poziomu cieczy pieniących się są trudne

Aby obydwa problemy rozwiązać, przetworniki radarowe przez lata udoskonalano. Udało się to dzięki zaimplementowaniu algorytmów korygujących wyniki pomiaru na podstawie wartości stałych dielektrycznych piany i medium oraz kalibrowaniu przetwornika, które pozwala na określenie wymaganej poprawki opóźnienia propagacji fali przez pianę.

Po co mierzyć poziom granicy cieczy?

W branżach chemicznej i petrochemicznej często zachodzi potrzeba wyznaczenia poziomu granicy między dwoma niemieszającymi się cieczami znajdującymi się w jednym zbiorniku, na przykład między olejem i wodą, z których jedna ze względu na mniejszą gęstość unosi się na powierzchni drugiej. Zdarza się, że taki podział jest wyraźny, dzięki czemu ich granicę można łatwo wykryć. Czasem dodatkowo między cieczami występuje warstwa pośrednia w postaci emulsji (rys. 3). Wyznaczenie takiej nieostrej granicy jest trudniejsze. Komplikuje się to tym bardziej, jeśli w zbiorniku znajdują się więcej niż dwie niemieszające się ze sobą ciecze. Czasem trzeba też zmierzyć grubość górnej warstwy albo większej ich liczby.

 

Rys. 3. Granica między cieczami niemieszającymi się może być: a) wyraźna, b) nieostra z powodu występowania emulsyjnej warstwy pośredniej

Znajomość poziomów niełączących się ze sobą cieczy jest konieczna w wielu zastosowaniach, przykładowo jeżeli trzeba dokładnie oddzielić górną warstwę od dolnej. Taka sytuacja zachodzi m.in. w zbiornikach rafineryjnych. Precyzja jest wtedy bardzo ważna, ponieważ im więcej ropy naftowej zostanie usuniętej razem z wodą, tym większe będą straty surowca. Z kolei ropa silnie zanieczyszczona wodą będzie wymagała dodatkowego oczyszczania.

Pomiary poziomu granicy

W tytułowym zadaniu może się sprawdzić kilka typów przyrządów pomiarowych. Przykładem są pływaki, które unosząc się na powierzchni płynu, wskazują jego poziom. "Zwykły" pływak pozwala na wyznaczenie poziomu górnej cieczy. W celu wyznaczenia granicy, do której sięga ta pod spodem, powinno się użyć wypornika, który w górnej cieczy zatonie, ale będzie się utrzymywał na poziomie dolnej. Z prostoty tego rozwiązania wynika atrakcyjna cena. Pływaki i wyporniki mają jednak kilka istotnych ograniczeń.

Przede wszystkim wyporniki mogą mierzyć poziom tylko tych płynów, pod kątem właściwości których zostały zaprojektowane. Poza tym dokładność oraz niezawodność nie należą do mocnych stron tych przyrządów. Na precyzję pomiarów mogą na przykład wpływać turbulencje cieczy oraz fakt odkładania się na pływaku / wyporniku osadów z mierzonego medium. Przez to, stając się cięższe, tracą one zdolność do unoszenia się na powierzchni. Dlatego wymagają okresowych przeglądów i czyszczenia. W pomiarach poziomu granicy cieczy wykorzystywane są też sondy pojemnościowe.

Zalety i ograniczenia metody pojemnościowej

Przetworniki tego typu mierzą pojemność kondensatora tworzonego przez dwie elektrody. Jedną stanowi ściana zbiornika, zaś drugą sonda czujnika. Są one odseparowane mierzonym medium. Pojemność takiego kondensatora zmienia się w zależności od ilości tego płynu. Znając różnicę między pojemnością pełnego i pustego zbiornika, określa się poziom jego napełnienia. Zaletą techniki pojemnościowej jest generalnie możliwość jej wykorzystania do pomiarów różnych materiałów o różnych temperaturach i ciśnieniu. Istotna jest też swoboda instalacji – detektor można zamontować w dowolnej części zbiornika, nie powinien jedynie dotykać jego dna ani ścian.

By można było skorzystać z sondy pojemnościowej, w pomiarach poziomu granicy cieczy niemieszających się powinien zostać spełniony następujący warunek – jedna z nich musi przewodzić prąd elektryczny, a druga nie. Zaletą tej metody jest niezależność wyników od występowania emulsyjnej warstwy pośredniej. Niestety, na dokładność pomiarów mają wpływ zmiany przewodności cieczy. W zależności od tego, w jaki sposób został skonfigurowany układ pomiarowy, pojedynczy przetwornik pojemnościowy może zmierzyć tylko poziom granicy albo grubość warstwy cieczy przewodzącej. W celu wyznaczenia poziomu całkowitego zapełnienia zbiornika układ pomiarowy trzeba rozbudować.

Czym jeszcze mierzyć granicę cieczy?

W pomiarach poziomu granicy cieczy wykorzystywane są też sondy radarowe. Żeby sprawdziły się w tym zadaniu, powinien być spełniony następujący warunek: stała dielektryczna cieczy górnej musi być mniejsza niż 10, a zarazem co najmniej o tyle muszą się również różnić stałe dielektryczne płynów górnego i dolnego. Oprócz tego przetworniki radarowe nie są zalecane, jeżeli między cieczami występuje gruba warstwa emulsji.

W tytułowym zastosowaniu warto rozważyć użycie kombinowanych przyrządów pomiarowych, stanowiących połączenie przetworników pojemnościowego oraz radarowego zrealizowanych w obrębie jednej sondy. Domyślnie działa ona w trybie pomiarów radarowych, mierząc dzięki temu nie tylko poziom granicy cieczy, ale i całkowitego zapełnienia zbiornika. Jeżeli warstwa emulsji stanie się za gruba jak na możliwości pomiarowe czujników tego typu, sonda automatycznie jest przełączana w tryb pracy jako przetwornik pojemnościowy. Przetworniki kombinowane zatem pozwalają na ominięcie ograniczeń obu metod.

W pomiarach poziomu granicy cieczy korzysta się też z przetworników izotopowych. Przyrządy tego typu składają się z dwóch komponentów: źródła radioaktywnego w pojemniku ochronnym, umieszczanego z jednej strony i detektora promieniowania po drugiej stronie zbiornika. Ciecze, które w nim zgromadzono, z powodu innych gęstości w różnym stopniu absorbują promieniowanie, co znajduje odzwierciedlenie w osłabieniu natężenia sygnałów w detektorze, co pozwala określić ich poziom. Zaletą metody izotopowej jest całkowita niezależność od warunków panujących wewnątrz zbiornika oraz łatwość realizacji układu pomiarowego granic w wielowarstwowych układach cieczy dzięki wykorzystaniu wielu detektorów.

Pomiar osadu sondą ultradźwiękową

Na koniec warto dodać, że w przypadku, gdy wyznaczyć trzeba poziom granicy ciecz–substancja stała, można wykorzystać przetworniki ultradźwiękowe. Przykładowo sprawdzą się one w określaniu poziomu nierozpuszczonej soli na dnie zbiornika z solanką albo osadu w zbiorniku ze ściekami. Aby pomiar był możliwy, przetwornik powinien być cały czas zanurzony w cieczy, która staje się w tym przypadku ośrodkiem, w którym rozchodzi się sygnał akustyczny.

Monika Jaworowska