Środa, 24 listopad 2010

Przemysłowe pomiary poziomu. Część 2

Określanie poziomu różnych substancji to niezbędny w przemyśle rodzaj pomiarów i jednocześnie obszerna współcześnie dziedzina metrologii. W pierwszej części artykułu, która została opublikowana w październikowym numerze APA, przedstawiliśmy wybrane metody pomiaru poziomu, w tym poziomomierze elektromechaniczne z linką, wagi zbiornikowe, przyrządy do pomiarów punktowych oraz czujniki pojemnościowe i ultradźwiękowe. W związku z tym, że dziedzina przemysłowych pomiarów poziomu jest obszerna, w tym miesiącu kontynuujemy tę tematykę. W drugiej części artykułu scharakteryzowane zostaną urządzenia radarowe, laserowe oraz izotopowe czujniki poziomu.

Przemysłowe pomiary poziomu. Część 2

Na obrazku tytułowym radarowy czujnik poziomu Rosemount 5300 firmy Emerson

Ostatnim z czujników omówionych w pierwszej części artykułu były przyrządy ultradźwiękowe. Zasada działania sond tego typu polega na transmisji do wnętrza zbiornika sygnału akustycznego, który po odbiciu od powierzchni składowanego materiału wraca do detektora czujnika. Na podstawie pomiaru czasu, jaki mija od wysłania impulsu do zarejestrowania jego powrotu, wyznaczana jest odległość dzieląca sondę czujnika i mierzony materiał. Znając całkowitą wysokość zbiornika, można na tej podstawie wyznaczyć poziom jego napełnienia. Na podobnej zasadzie działają sondy radarowe.

RADAROWE SONDY POZIOMU…

Rys. 1. Obrotowa głowica skanera LM 3D skanuje powierzchnię magazynowanego materiału

…są to popularne urządzenia pomiarowe, które różnią się między sobą głównie długością fali sygnału emitowanego przez sondę. Urządzenia te mogą pracować emitując impulsy mikrofalowe, czyli o częstotliwości z zakresu od 1 do 300 GHz, przy czym większość radarowych poziomomierzy pracuje w przedziale częstotliwości od 6 do 26 GHz. Przykładowo częstotliwość pracy jednego z pierwszych mikrofalowych czujników poziomu wynosiła 10 GHz i jest ona nadal często wykorzystywana w sondach do pomiaru poziomu cieczy.

Techniką radarową w pomiarach poziomu cieczy zaczęto się posługiwać w połowie lat 70. ubiegłego wieku, głównie w pomiarach przeprowadzanych w dużych zbiornikach. W miarę rozwoju tej techniki i dzięki obniżaniu jej początkowo bardzo wysokich kosztów, zaczęto stopniowo wykorzystywać tego typu pomiary w szerszym zakresie, także w mniejszych zbiornikach. Na początku metoda ta była używana do pomiaru poziomu jedynie cieczy, natomiast obecnie chętnie stosuje się ją też do ciał stałych.

Radarowe przetworniki poziomu firmy Emerson

Fot . 1. Radarowy przetwornik Rosemount 5400

W ofercie tego producenta znajdziemy dwie serie radarowych przetworników do bezkontaktowych pomiarów poziomu marki Rosemout: przetworniki dwuprzewodowe serii 5400 oraz czteroprzewodowe serii 5600. Pierwsza z wymienionych składa się z dwóch modeli: przetwornika 5401 o częstotliwości 6 GHz i 5402 o częstotliwości 26 GHz. W obu przypadkach dostępne są sondy z różnymi antenami, tubowymi lub prętowymi, w różnym wykonaniu, w tym ze stali nierdzewnej.

Podstawowe parametry przetworników Rosemount serii 5400 zebrano w tabeli. W przyrządach tych zastosowano kilka, zdaniem producenta, innowacyjnych rozwiązań, które poprawiają ich dokładność. Jednym z nich jest np. wykorzystanie dwóch oddzielnych portów do wysyłania i odbierania sygnałów, co pozwala zmniejszyć poziom szumów i wykrywać nawet bardzo słabe sygnały odbite. Ponadto anteny sond są dodatkowo wyposażone w uszczelkę z PTFE, która zabezpiecza je przed skraplaniem i zabrudzeniami, co jest szczególnie ważne w przypadku anten wysokoczęstotliwościowych.

Tabela 1. Parametry przetworników radarowych z serii Rosemount 5400

Ponadto, w przeciwieństwie do innych przetworników radarowych wykorzystujących bardziej podatne na zakłócenia mikrofale o polaryzacji liniowej, przetworniki serii 5400 wykorzystują mikrofale o polaryzacji kołowej. Dzięki temu występują mniejsze odbicia od ścian zbiornika i przeszkód. To z kolei poprawia dokładność pomiarów i pozwala na większą swobodę w zakresie wyboru miejsca instalacji przewrotnika, np. nie ma konieczności zachowania prześwitu do ściany zbiornika.

Oprócz bezkontaktowych przetworników radarowych Emerson oferuje też przetworniki z falowodem. Są to m.in. dwuprzewodowe falowodowe przetworniki radarowe z serii Rosemount 5300, w ramach której dostępne są trzy modele: 5301 i 5301 - przetworniki poziomu cieczy i granicy faz oraz 5303 - przetwornik poziomu ciał stałych.

Oprócz tego, że jest to metoda bezkontaktowa, w związku z czym nadaje się do pomiaru poziomu cieczy agresywnych chemicznie, a także ciał stałych charakteryzujących się dużą twardością, do jej zalet zalicza się też odporność na zapylenie występujące wewnątrz zbiornika oraz na zmiany właściwości materiału np. jego gęstości, temperatury i ciśnienia. Na dokładność pomiaru wpływa natomiast stała dielektryczna badanego materiału.

Odzwierciedla ona jego współczynnik odbicia - im jest wyższa, tym jego powierzchnia silniej odbija sygnał emitowany przez sondę, co poprawia dokładność i zwiększa zasięg przyrządu. Na wynik pomiarów tą techniką, podobnie jak w przypadku czujników ultradźwiękowych, wpływa też występowanie piany oraz zawirowań na powierzchni badanej cieczy - im jest ona spokojniejsza, tym większy zasięg sondy. O dokładności pomiarów w pierwszym wypadku decydują natomiast właściwości piany, w tym jej struktura i stała dielektryczna - jeżeli np. jest bardzo gęsta, może zafałszować wyniki pomiarów.

Zasięg czujnika zależy też od wielkości anteny czujnika. Instalując czujniki z dużą anteną, należy się jednak liczyć z różnymi problemami np. koniecznością wykonania dużych otworów, co w przypadku grubych pokryw zbiorników bywa kłopotliwe. Dlatego praktyczniej jest zdecydować się na urządzenia o wyższych częstotliwościach pracy, które dla danej mocy sygnału wykorzystywać będą mniejsze anteny.

Izotopowy miernik poziomu LB352

Przyrząd LB352 jest przeznaczony do pomiaru poziomu ciekłego metalu podczas ciągłego odlewania stali. Wykorzystując wyjścia analogowe lub przekaźnikowe tego czujnika, można automatycznie sterować tym procesem.

Główne elementy miernika przedstawia rysunek obok. LB352 składa się z liniowego źródła izotopowego Co60 w ochronnym pojemniku (1), punktowego detektora z układem chłodzenia wodnego (2) oraz przewodu (3) łączącego detektor z jednostką sterującą (4) czujnika.

Na rysunku a, b i c przedstawiono różne konfiguracje instalacji źródła (1) i detektora (2) w zależności od warunków przestrzennych w ramach danej linii ciągłego odlewania stali. W konfiguracji na rysunku a źródło w odpowiednio zabezpieczonej obudowie jest montowane na zewnątrz zbiornika z wodą chłodzącą. W zależności od ilości dostępnego miejsca detektor można zamontować wewnątrz lub na zewnątrz płaszcza wodnego.

Rozwiązanie to jest popularne w urządzeniach do ciągłego odlewania wlewków kwadratowych. Z kolei w konfiguracji z rysunku b, popularnej w instalacjach ciągłego odlewania wlewków płaskich, źródło promieniowania umieszczane jest wewnątrz płaszcza wodnego. Rozwiązanie z rysunku c jest natomiast wykorzystywane w przypadkach, gdy dostępna przestrzeń jest bardzo ograniczona.

SONDY Z FALOWODEM

Sondy radarowe dostępne są też w wykonaniu z falowodem, przy czym do ich głównych wad zalicza się ograniczony zakres pomiarowy (poniżej 30 metrów). Ponadto sond tego typu nie zaleca się do pomiarów w zbiornikach z materiałami bardzo ciężkimi i twardymi. Falowód może też zerwać lub splątać materiał przemieszczający się w zbiorniku. Wynik pomiaru może zostać zafałszowany w wyniku zetknięcia się przewodu ze ścianką silosu.

Dlatego koniec falowodu jest zwykle umocowany do dna zbiornika. Uniemożliwia to zmianę jego pozycji - np. w trakcie napełniania silosu. Zamontowanie sondy jest jednak w takim wypadku możliwe dopiero po całkowitym opróżnieniu silosu. Innym rozwiązaniem jest wykorzystanie przewodu z obciążeniem. Jego montaż również należy przeprowadzać w pustym zbiorniku. W ramce prezentujemy krótką charakterystykę przykładowych sond: radarowej i radarowej z falowodem oferowanych przez firmę Emerson.

Case study: Pomiary poziomu w przemyśle celulozowo-papierniczym

W pracy zakładów celulozowo-papierniczych wyróżnić można kilka głównych etapów, w tym składowanie i przygotowywanie drewna, produkcję masy celulozowej, produkcję papieru oraz obróbkę gotowych produktów. Większość procesów produkcyjnych jest zautomatyzowana. Nieodzownym elementem linii produkcyjnych i magazynów są też czujniki, w tym mierniki poziomu różnego typu, od ultradźwiękowych, przez radarowe i izotopowe, a nawet pływakowe. Wybór konkretnego typu przyrządu uzależniony jest przede wszystkim od tego, na jakim etapie produkcji zostanie wykorzystany, w jakich warunkach będzie pracował i jakiego materiału poziom będzie mierzył.

Przykład: produkcja celulozy

Surowcem do produkcji celulozy są odkorowane drewniane kłody rozrabniane mechaniczne w celu uzyskania tzw. ścieru drzewego, który gormadzi się następnie w specjalnych zbiornikach. Silosy te, często wysokie na 20 metrów, napełnia się porcjami, stąd wióry mogą układać się w nich w stożki i słupki. Dodatkowo procesowi napełniania zbiorników towarzyszy wytwarzanie dużej ilości pyłu - warto to uwzględnić, wybierając czujnik.

Usuwanie ligniny

Kolejnym etapem jest obróbka ścieru w celu odzyskania z niego celulozy przez usunięcie naturalnego spoiwa - ligniny. Realizuje się to, wykorzystując metodę chemicznej dekompozycji, w której wióry gotuje się w roztworze odpowiednio dobranych związków chemicznych, np. w kwasie siarkowym. Ze względu na wysokie temperatury, w jakich przeprowadza się ten proces, jest on przeważnie całkowicie zautomatyzowany, stąd wymaga kontroli poziomu napełnienia zbiornika, np. z wykorzystaniem czujnika izotopowego. Po osiągnięciu górnego poziomu zapełnienia zbiornika zatrzymywany jest przenośnik, z którego wióry są wsypywane do kotła.

Wybielanie celulozy

Kolejnym etapem jest wybielanie włókien celulozy, która ze względu na obecność resztek ligniny ma zabarwienie brązowe. W tym celu celulozę transportuje się do kolejnego zbiornika, gdzie wybiela się ją w temperaturze około 100ºC, wykorzystując różne środki, np. chlor. Oczyszczona celuloza jest transportowana dalej przenośnikiem. Ze względu na ich duży rozmiar, zbiorniki, w których włókna celulozy są wybielane, przeważnie nigdy nie są całkowicie opróżniane. By uzyskać jak najlepszy efekt tego procesu, należy utrzymać stały poziom napełnienia zbiornika.

Tu kolejny raz pomocne okazują się czujniki poziomu, dzięki którym można automatycznie sterować opróżnianiem i uzupełnianiem materiału w zbiorniku. Jednym z dalszych etapów przetwórstwa jest przetransportowanie bel celulozy do maszyny, w której z dodatkiem wody są one rozcierane przez mieszadła. Wybierając czujnik do zamontowania nad takim zbiornikiem, warto pamiętać, że procesowi rozcierania towarzyszą np. wiry tworzące się na skutek obrotu mieszadeł, a ponadto do zbiornika cyklicznie dorzucane są kolejne bele, które spadając, mogą przyrząd uszkodzić.

Polecane

Nowe produkty