7. Měření výšky hladiny Při měření výšky hladiny se jedná o určení polohy rozhraní kapaliny a plynnou látkou (voda - vzduch), mezi dvěma nemísitelnými kapalinami, nebo o signalizaci hladiny sypkých látek. Často se změřená výška hladiny používá k vypočtu objemu měřené látky. Moderní hladinoměry dosahují maximálně těchto parametrů: měřicí rozsah až 70 m, přesnost měření až 1 mm, tlak až 500 kPa, teplota až 500 °C.
7.1 Mechanické hladinoměry 7.1.1 Přímé hladinoměry Nejjednodušším přímým hladinoměrem je stavoznak. Je to obvykle skleněná trubice připojená přes uzavírací ventily. Stavoznak tvoří se zásobníkem spojité nádoby. Nejčastěji stavoznaky umožňují pouze vizuální sledování hladiny. Elektrický výstupní signál je možné případně získat např. umístěním plováku s feromagnetickým nástavcem v trubici, Plovák s nástavcem může představovat jádro indukčnostního snímače polohy. Plovákové hladinoměry Plovákově hladinoměry měří výšku hladiny nebo rozhraní dvou kapalin podle polohy plováku plovoucího na hladině. Vertikální změny jeho polohy se převádí různými převodníky na požadovaný výstupní signál. Pro měření velkých změn h1adin až do 40 m se používají plováky tvaru válce s polokulovými dny, které jsou vedeny vertikálně a které musí být tak vyváženy aby měřená hladina byla v úrovni válcové části plováku. Plovák tvaru koule musí být vyvážený tak, aby byl ponořen polovinou svého objemu. Válcový plovák bývá v nejjednodušším případě zavěšený na lanku a vyvážený protizávažím, jehož poloha je mírou výšky hladiny, nebo se lanko přímo navíjí na bubínek, jehož natočení indikuje stav hladiny.
Obr. 7.1 Princip plovákového hladinoměru Jiný způsob přenosu polohy prstencového plováku na vyhodnocovací stupnici bubínku je znázorněn na obr. 7.2
Obr. 7.2 Hladinoměr s prstencovým plovákem,1- prstencový plovák s magnetickou vložkou 2, 3 - jádro z feromagnetického materiálu, 4 bubínek Pro převedení pohybu plováku na elektrický signálu je možné použít odporové snímače polohy, nebo indukčnostní snímače. Plovák je veden vodicí trubkou, která na konci nese jádro z feromagnetického materiálu, zasahující do dutiny indukční cívky. Častý je dá1kový přenos polohy plováku selsyny, kdy plovák pomocí převodového mechanizmu pohybuje hřídelí rotoru selsynu vysílače a poloha hřídele rotoru selsynu přijímače se zapisuje.
Obr. 7.3 Plovák s indukčnostním snímačem Všechny uvedené převodové mechanismy působí silou tření Ft, která brzdí pohyb plováku. Plovák proto změní svou polohu teprve tehdy, když změna hladiny bude větší než což je tzv. necitlivost plováku. Jí odpovídající vztlaková síla se rovná síle Ft. Necitlivost plováku je tedy výška hladiny, která nezpůsobí pohyb plováku a je dána vztahem:
hP =
Ft S⋅ρ⋅g
kde S je průřez plováku, ρ hustota kapaliny. Známe-li sílu tření Ft, můžeme navrhnout takový plovák, při kterém dosáhneme požadovanou necitlivost.
7.1.2 Silové hladinoměry Silově hladinoměry měří výšku hladiny nebo rozhraní hladin dvou kapalin podle silových účinků kapaliny, a to na základě velikosti jejího vztlaku, kterým působí na ponořeně těleso, nebo podle hydrostatického tlaku v určitě výšce pod hladinou. Hladinoměry s ponorným tělesem Ponorně těleso je tvaru protáhlého válce. Je částečně ponořené v měřené kapalině, při měření rozhraní je ponořeno úplně. Změna vztlaku a tedy i efektivní tíhy ponorného tělesa je kompenzována deformaci pružiny, na které je ponorné těleso zavěšeno, nebo deformací torzní trubky, spojené táhlem s ponorným tělesem.
Obr.7.4 Hladinoměr s ponorným tělesem a) princip hladinoměru, b) hladinoměr s indukčnostním snímačem. 1-ponorně těleso, 2-pružina, 3-jádro cívky, 4-indukční cívka Při nulovém stavu hladiny je deformace pružiny taková, že ukazatel 3 stojí na nule stupnice. Zvedne-li se hladina o výšku h, pak se zvýší vztlak a plovák stoupne, tím se stlačí pružina o délku s, která je úměrná výšce hladiny. Síla Fp deformující pružinu
Fp = k ⋅ s kde k je tuhost pružiny. Na základě rovnosti této síly a síly vztlakové síly působící na těleso se odvodí statická charakteristika hladinoměru
s=
S ⋅h⋅ρ ⋅ g = K ⋅h k +S⋅ρ⋅g
Konstanta úměrnosti K je závislá na konstrukci a na měrné hmotnosti kapaliny a také na teplotě. Hydrostatické hladinoměry Hydrostatické h1adinoměry měří výšku hladiny nebo na zák1adě hydrostatického t1aku v určitém místě pod hladinou. K měření hydrostatických tlaků se používá rtuťových nebo deformačních manometrů. V případě znečištěných kapalin se před manometr přidávají
odkalovací nádobky. Princip uspořádání hydrostatického hladinoměru je na obr. 7.5, na kterém je vidět, že zák1adnu, od které měříme hladinu tvoří měřicí systém.
Obr.7.5 Princip hydrostatického hladinoměru Změna tlaku v měrném potrubí manometru je přímo úměrná změně výšky hladiny. Aby mohla mít stupnice hladinoměru pevnou nulu, používají se hydrostatické hladinoměry s pomocnou nádrží (obr. 7.6). Pomocná nádrž může být umístěnaV ní se udržuje konstantní hladina pomocí přepadu. Použitý manometr musí být diferenční.
Obr. 7.6 Hladinoměr s pomocnou nádrží v úrovni minimální hladiny Pro údaj manometru dle obr. 7.6 platí rovnice ∆p = h ⋅ ρ 2 ⋅ g Diferenční manometr lze ocejchovat přímo v hodnotách výšky hladiny.
Pro měření a signalizaci hladin sedimentujících kapalin, nebo sypkých látek se používají hydrostatické hladinoměry se zabudovanou ocelovou membránou ve stěně nádrže. Ta přenáší tlak na připojený měřicí manometr. Pro měření výšky rozhraní dvou nemísitelných kapalin se používají dva tlakoměry, jak je znázorněno na obr.7.7. První manometr M1 ukazuje výšku kapaliny o větší hustotě, druhý manometr M2 celkovou výšku hladiny.
Obr. 7.7 Měření rozhraní dvou kapalin hydrostatickým hladinoměrem Pneumatické hladinoměry Sem patří provzdušňovací hladinoměry (s trvalým přívodem vzduchu) a hladinoměry se zvonem. Hladinoměry s trvalým přívodem vzduchu (také probublávací) měří výšku hladiny podle velikosti odporu, který klade kapalina výtoku vzduchu z tzv. impulzní trubky, jejíž ústí je u dna nádrže. Tento odpor úměrný hydrostatickému tlaku se projevuje jako tlak v impulzní trubce, který měříme.
Obr. 7.8 Princip provzdušňovacího hladinoměru 1-manometr 2-regulátor průtoku Hladinoměry se zvonem počítáme mezi pneumatické bez trvalého přívodu vzduchu. Princip je na obr. 7.9. Jejich zvon je umístěn nad dnem nádrže (nad vrstvou usazenin). Do zvonu přivedeme vzduch nebo inertní plyn, takže se uvnitř vytvoří hladina kapaliny. Zvon má být takových rozměrů, aby se výška hladiny uvnitř se změnou vnější hladiny příliš neměnila, protože tvoří základnu pro měření hladiny. Výhodou těchto hladinoměrů je to, že nečeří hladinu jako provzdušňovací hladinoměry a že nepotřebují trvalý přívodu vzduchu. Musí mít však zajištěnou dokonalou těsnost přívodního potrubí. Měříme-li hladinu agresivní kapaliny, její páry mohou klidovým prostorem zvonu a trubky stoupat k manometru. V tom případě Je tedy nutné chránit tlakoměrný systém oddělovací kapalinou, např. olejem, nebo zvon uzavřít pružnou membránou. Přívod tlakového vzduchu slouží pouze pro naplnění zvonu.
Obr. 7.9 Hladinoměr se zvonem a) otevřeným, b) uzavřeným membránou
7.2 Elektrické hladinoměry 7.2.1 Optické hladinoměry V nepřístupných prostorách např. sklářských a hutních pecí je možné měřit výšku hladiny taveniny pomocí odrazu světelných paprsků od hladiny. Funkce světelného hladinoměru je zřejmá z obr.7.10.
Obr.7.10 Optický hladinoměr Při signalizaci stavu hladiny je signalizační obvod spínáním obvodů fotodiod umístěných ve stěně nádrže tak, aby byla vždy jedna osvětlena paprskem odraženým od určité výšky hladiny. Jestliže chceme plynulé měření pak je systém fotodiod přestavován servomechanizmem ovládaným tak, aby byla osvětlena vždy prostřední fotodioda. Mírou výšky hladiny je pak její poloha. Radioisotopové hladinoměry využívají zářivého toku Φ radioaktivního gamma záření, které klesá úměrně s druhou mocninou vzdálenosti L mezi zdrojem a detektorem podle vztahu L Φ = Φ0 0 L
2
Intenzita záření klesá také úměrně s tloušťkou materiálu d mezi zdrojem a detektorem podle vztahu Φ = Φ 0 exp(−α d ) kde α je lineární součinitel zeslabení.
Této platnosti fyzikálních zákonů lze využít pro měření výšky hladiny kapalin a sypkých materiálů. Výhodou izotopových měřidel hladiny je možnost měření bez zásahu do vnitřku nádrží.
Obr.7.11 Princip izotopového hladinoměru Existuje řada dalších různých provedení radioizotopových hladinoměrů. Radioizotop může být umístěn na plováku detektor zářeni na víku nádrže. Se změnou výšky hladiny se mění také tloušťka materiálu přes kterou záření prochází. Tím se mění i tok záření dopadajícího na detektor. 7.2.2 Kapacitní hladinoměry Tyto hladinoměry převádějí měření hladiny na měření kapacity snímacího kondenzátoru, jehož vnitřní elektroda je částečně ponořena do sledované kapaliny. Vnitřní elektrodou je kovová tyč, která v případě vodivé kapaliny může být elektricky izolována. Vnější elektrodou je vodivý plášť nádoby. Uspořádání je na obr. 7.12.
Obr.7.12. Kapacitní stavoznaky s neizo1ovanou elektrodou Je-li vnější nádoba ve tvaru válce potom pro kapacity platí následující vztahy.
C = C0 + C1 + C2 C1 =
2πε 0ε r1 ⋅ (H − h ) d2 ln d1
C2 =
2πε 0 ε r 2 ⋅h d2 ln d1
C 0 = konst
kde εr2 je poměrná permitivita měřené kapaliny, εr1 poměrná permitivita prostoru nad měřenou hladinou (pro vzduch rovna 1). Z uvedených vztahů lze odvodit celkovou kapacitu za předpokladu, že εr1 = konst, εr2 = konst C = k1 ⋅ h + k 2 Kapacita C se měří střídavým můstkem podle obr.7.13.
Obr.7.13. Převodník kapacitního hladinoměru 7.2.3 Konduktometrické hladinoměry
Konduktometrické h1adinoměry vyžadují elektrický vodivé kapaliny nebo sypké látky a používají se především pro signalizaci hladiny. Hladinoměr má ve sledovaných stavech hladiny, např. v minimálním, středním,nebo maximálním umístěné válcové elektrody upevněné na tyčích, elektrody jsou za pojeny do obvodu střídavého napětí, z bezpečnostních důvodů 12 - 24 V. Jestliže hladina vodivé látky dostoupí k elektrodě, uzavře se prostřednictvím vodivé látky její obvod, v němž je zapojeno signalizační zařízení, (žárovka, LED dioda). Jednou elektrodou může být kovová vodivá nádrž kapaliny. Není-li to možné, umístíme ve výši minimálního stavu hladiny další elektrodu.
Obr.7.14 Hladinoměr s elektrodami 1 –elektrody, 2 - signalizační žárovky, 3 - izolace elektrod 7.2.4 Ultrazvukově hladinoměry
Ultrazvukově hladinoměry měří výšku hladiny na základě času, za který ultrazvukový impulsní signál odražený od měřené hladiny dopadne na přijímač. Vysílač umístěný na víku zásobníku vyšle ultrazvukový signál, který po odrazu od hladiny dopadne na přijímač. Ten potom vyšle impuls k čítači impulsů a spustí vyslání dalšího signálu. Mírou výšky hladiny je frekvence ultrazvukových impulsů, čím je jejich frekvence větší, tím je hladina vyšší. Ultrazvukové měření hladiny je vhodně pro kapaliny i sypké látky, Jo to měření bezdotykové s rozsahem od několika cm až do 70 m, ovšem za předpokladu, že mezi snímačem a měřenou hladinou je čistý vzduch bez prachu a kondenzujících par. Výhodou ultrazvukových hladinoměrů je to, že jejich instalování nevyžaduje porušení stěn zásobníku - snímač s vysílačem a přijímačem může být umístěn vně zásobníku. Jejich použití je omezeno teplotou (do 150°C) a tlakem (do 500 kPa).
Obr. 7.15 Princip ultrazvukových hladinoměrů, 1-přijímač, 2-vysílač, 3-převodník
