Przemysłowe pomiary poziomy. Część 1

Przez lata dziedzina ta ewoluowała, rozwijając się od wykorzystania prostych metod umożliwiających określanie poziomu w sposób przybliżony, do użycia przetworników pozwalających na pomiary z dużą dokładnością. Pojawiły się też przyrządy służące do określania poziomu substancji agresywnych chemicznie oraz mogące być stosowane w miejscach trudno dostępnych. W dwuczęściowym artykule przedstawiamy informacje związane z fizyką pomiarów poziomu, najpopularniejsze rozwiązania metrologiczne oraz przykłady ich wykorzystania.

Elektromechaniczny miernik poziomu

EE200 to przykład poziomomierza z linką. Urządzenie zawiera również przetwornik mikroprocesorowy, obciążnik, rolkę pomiarową oraz czujnik położenia. Opuszczany na lince obciążnik wprawia rolkę w ruch, a na podstawie sygnału z czujnika położenia obroty rolki są zliczane. Pozwala to zmierzyć odległość, jaką w czasie pomiaru przebywa linka.

Przyrząd automatycznie sygnalizuje przypadek, gdy w czasie pomiaru linka została zerwana lub zatopiony został obciążnik. Czujnik zabezpieczony jest przed zamarzaniem oraz sygnalizuje błędne działanie. EE200 ma trzy wyjścia: analogowe oraz impulsowe przekaźnikowe i tranzystorowe, a także interfejs RS-485. EE200 znajdziemy w ofercie gliwickiej firmy Zach Metalchem.

Budowa wewnętrzna miernika EE200

Tabela 1. Dane techniczne miernika poziomu EE200

Wymagania względem dokładności pomiarów poziomu są zróżnicowane. Czasami wystarczy ocena przybliżona, innym razem konieczne jest dokładne określenie poziomu substancji w zbiorniku, gdyż na jego podstawie obliczana jest objętość lub masa składowanego materiału. Stąd też przyrządy do pomiarów poziomu dzieli się zasadniczo na dwie grupy: czujniki do pomiarów ciągłych, które zapewniają dokładną informację o ilości przechowywanego materiału, oraz takie, które sygnalizują jedynie przekroczenie określonego poziomu.

Fot. 1. Introl oferuje kilka modeli wag zbiornikowych, w tym GPA-NT

Na wybór metody pomiarowej wpływ mają także ograniczenia przestrzenne w zakresie montażu czujników oraz rodzaj substancji, której poziom ma być mierzony. To ostatnie powoduje, że w niektórych przypadkach można od razu wykluczyć przyrządy do pomiarów kontaktowych. Przykładowo gdy mierzony jest poziom cieczy lepkich lub żrących, zazwyczaj stosuje się takie metody, gdzie w trakcie pomiarów detektor nie wchodzi w bezpośredni kontakt z substancją.

W dwuczęściowym artykule charakteryzujemy wybrane metody pomiaru poziomu, w tym wykorzystujące czujniki pojemnościowe, ultradźwiękowe, radarowe, laserowe i izotopowe oraz sondy elektromechaniczne i wagi zbiornikowe, podając przykłady konkretnych czujników z oferty polskich i zagranicznych producentów. Przedstawiamy też przykłady procesów produkcyjnych w różnych dziedzinach przemysłu, w których czujniki poziomu są niezbędne.

POMIARY Z LINKĄ

Chociaż obecnie nie stosuje się tak prymitywnych i dostarczających jedynie podstawowych informacji metod jak uderzanie młotkiem w ścianę zbiornika albo rzucanie o nią kamieniami i określanie poziomu wypełnienia na podstawie odgłosu uderzenia, niektóre mechaniczne metody - np. pomiary z linką - jeszcze w latach 90. ubiegłego wieku w niektórych branżach traktowane były jako standardowe.

Sondy linkowe składają się z obciążonej linki, która jest odwijana z bębna przez silnik elektryczny aż do momentu, gdy ciężarek osiągnie powierzchnię materiału. Długość odwiniętej linki jest wyznaczana na podstawie liczby obrotów bębna, za zliczanie czego odpowiedzialny jest układ elektroniczny.

Case study: Pomiary poziomu w przemyśle farmaceutycznym

Ze względu na duże wymagania dotyczące dokładności, a przede wszystkim sterylności produkcji, większość procesów technologicznych w przemyśle farmaceutycznym jest zautomatyzowana. W branży tej wykorzystywane są też liczne czujniki, w tym mierniki poziomu, które stanowią nieodłączny element niektórych urządzeń używanych w produkcji leków. Na wybór czujnika w przemyśle farmaceutycznym wpływ ma wiele czynników.

Oprócz dopasowania do specyfiki procesu i możliwości zintegrowania z instalacją, w której element ten będzie pracował, istotne jest, aby sam sensor nie był źródłem zanieczyszczeń. Ważne jest też, aby można go było wyczyścić w ramach procesów CIP (Cleaning In Place) i SIP (Sterilisation In Place), będących standardowymi dla tego typu linii produkcyjnych.

Systemy wody WFI

Czujniki poziomu są elementem systemów oczyszczania wody - tzw. WFI (Water For Injection), która jest wykorzystywana np. w produkcji kropli do oczu i nosa oraz środków wstrzykiwanych bezpośrednio do układu krwionośnego. Woda ta jest najpierw odpowiednio przygotowywana - filtrowana oraz destylowana, a następnie przelewa się ją do zbiorników, gdzie zostaje tymczasowo zmagazynowana. Aby zapobiec rozwojowi drobnoustrojów, wodę nieustannie przepompowuje się pod ciśnieniem kilku barów w obrębie systemu kilku zbiorników.

Naturalnym wyborem czujników poziomu montowanych w tego typu instalacjach są mierniki bezkontaktowe - np. radarowe. Wybierając produkt, należy sprawdzić, czy antena w danym modelu jest odpowiednio zabezpieczona przed wpływem silnie zjonizowanej wody i możliwe jest jej czyszczenie w procesach CIP i SIP.

Bioreaktory

Pomiar poziomu jest też przeprowadzany w obrębie reaktorów biochemicznych, w których hoduje się komórki lub mikroorganizmy wykorzystywane do produkcji leków. Sterylność tego procesu jest kluczowa, gdyż nawet minimalne zanieczyszczenia mogą skutkować rozwojem kolonii drobnoustrojów lub zajściem niepożądanej reakcji chemicznej, której produktem mogą być szkodliwe związki.

Ponadto możliwość określenie aktualnego poziomu napełniania reaktora jest często ważnym wskaźnikiem poprawności przebiegu procesu, gdyż jest to zazwyczaj produkcja zamknięta, a zbiornik zostaje otwarty i opróżniony dopiero, gdy zajdą wszystkie planowane reakcje. Oprócz poziomu w bioreaktorach mierzy się też wiele innych wielkości - temperaturę, poziom pH, stopień natlenienia oraz ciśnienie.

Mieszanie i składowanie

Pomiar poziomu przeprowadza się też na etapie mieszania poszczególnych składników leków, aby zapobiegać przepełnianiu zbiorników lub suchobiegowi pomp. W tym celu zainstalować można np. sygnalizatory poziomu. Wybierając konkretny typ przyrządu, należy jednak zwrócić uwagę, aby na jego dokładność nie wpływały: lepkość mieszanych substancji, ich temperatura, która w produkcji leków dochodzić może do kilkuset stopni oraz ciśnienie, sięgające w zależności od specyfiki procesu kilkudziesięciu barów.

Parametry te bowiem w procesie mieszania składników leków nieustannie zmieniają się, podobnie jak i konsystencja produktu, w którym ponadto powstawać mogą pęcherzyki oraz, na skutek pracy mieszadeł, wiry. Czujniki poziomu w przemyśle farmaceutycznym są też wykorzystywane do monitoringu zbiorników z agresywnymi chemicznie substancjami - np. kwasami. Poza tym wiele substancji niezbędnych do produkcji leków jest przechowywanych w postaci proszków i granulatów. Zbiorniki są często napełniane pneumatycznie, co należy uwzględnić w związku z tym, że nie wszystkie typy czujników poziomu nadają się do pomiarów w takich warunkach.

Wśród zalet tej metody wymienić można niski koszt oraz, w porównaniu do innych metod, duży zakres pomiarowy (do kilkudziesięciu metrów). Ponadto na wynik pomiaru nie mają wpływu takie czynniki jak zapylenie i wahania temperatury wewnątrz zbiornika oraz zmiany właściwości materiału. Przyrządy z linką są też proste w obsłudze.

Do ich wad zaliczane są z kolei koszty konserwacji (w przypadku środowisk silnie zapylonych pył oblepia linkę, co powoduje konieczność okresowego czyszczenia bębna), zużywanie się części mechanicznych oraz możliwość oberwania obciążnika lub zerwania linki. Stąd sondy tego typu nie mogą być używane np. w czasie napełniania silosu, gdyż grozi to ich uszkodzeniem pod ciężarem wsypywanego materiału.