Měřená média
MĚŘENÍ VÝŠKY HLADINY
Velmi široká škála vlastností → množství metod
• zjišťování výšky hladiny kapalin případně sypkých hmot v zásobnících a provozních nádobách (nádrže, reaktory, odparky, krystalizátory, mísicí nádoby apod.)
• kapaliny – čistá voda, roztoky, hořlavé kapaliny, viskózní kapaliny a pod.
• suspenze
• slouží většinou ke zjišťování množství
– jemné suspenze, suspenze s abrazivními účinky
– vyčíslení množství z údaje o výšce hladiny je jednoduché pro nádrže, jejichž průřez se s výškou nemění – obtížnější vyčíslení je např. pro ležaté válcové zásobníky s vyklenutým dnem, nebo kulové zás. (existují výpočetní programy)
• sypké látky – volně tekoucí suché prášky, vlhké a spékající se hrudkovité sypké látky
Volba snímače hladiny
• často vystačíme v praxi s měřením bodovým – měření mezního stavu – limitní snímače pro indikaci určité úrovně stavu hladiny
• měření spojité poskytuje univerzální informaci, je náročnější
– závisí na vlastnostech měřeného média – je třeba uvažovat vliv okolního prostředí (teplota, tlak, korosivní účinky, míchání a pod.) – požadovaný způsob zpracování informace
1
Přehled snímačů hladiny
Mechanické hladinoměry
• Mechanické hladinoměry
Mechanická měřidla: • Tyčové měřidlo je historicky nejstarším měřidlem výšky hladiny. • Průhledové stavoznaky (skleněná trubice nebo průzor) se často
– plovákové hladinoměry – hladinoměry s ponorným tělesem – vibrační a vrtulkové snímače
využívají pro vizuální sledování stavu hladiny.
• Hydrostatické hladinoměry
Nevýhody:
– přímé měření hydrostatického tlaku – měření s probubláváním
• neposkytují signál pro další zpracování • zanášení nečistotami (rez)
• Elektrické hladinoměry
Hladinoměry založené na měření hmotnosti:
– vodivostní – kapacitní – fotoelektrické
• výšku hladiny lze zjišťovat i měřením hmotnosti nádrže s materiálem • hmotnost nádrže se zjišťuje pomocí siloměrného členu • citlivým prvkem siloměrného členu bývá nejčastěji tenzometrický senzor • hladinoměry založené na měření hmotnosti se používají např. při dávkování a směšování různých materiálů
• Fyzikální hladinoměry – – – –
2
ultrazvukové radarové s radioaktivním zářičem s měřením přenosu tepla 3
Plovákové hladinoměry
5
Provedení plovákových snímačů
• pohyb plováku, který plave na hladině měřené kapaliny je vyveden z nádrže:
Plováky s pákovým převodem:
– řetízkem nebo lankem přes kladku (obvykle s protizávažím) – pákovým mechanizmem – mezní spínač může být ovládán např. magneticky
• převod na elektrický signál může být zajištěn např.: – při signalizaci mezních stavů kontakty spínače – při spojitém měření odporovým vysílačem
spínač
plovák
Plováky s vodicí tyčí:: plovák
magnetický spínač
plovák
h vodicí tyč 6
7
Snímač hladiny s ponorným tělesem
Provedení snímače s ponorným tělesem
• založen na platnosti Archimédova zákona • ponorné těleso zavěšené na pružině a částečně ponořené do kapaliny • pracuje na principu vyrovnání sil (síla tíhová, vztlaková, síla pružiny)
π r 2 (∆ h - ∆ l ) ρ g = k . ∆ l
S1
P
S2
∆l
ponorné těleso
ukazovací zařízení
diferenční transformátor
pružina
pružina
hmax
φd
ponorné těleso
ρ ∆l
ponorné těleso
∆h hmin 8
Vibrační snímače hladiny
9
Instalace vibračních snímačů
• kmitající element vidlicového nebo tyčkového tvaru – prostředí obklopující snímač ovlivňuje mechanické oscilace – při dotyku rezonátoru s hladinou se tlumí kmity oscilátoru • vhodné pro kapaliny i sypké látky
Provedení:
Limitní snímače:
kmitající element
10
Provedení snímačů hydrostatického tlaku
HYDROSTATICKÉ HLADINOMĚRY
Membránový snímač tlaku
Přímé měření hydrostatického tlaku Měření v otevřené nádrži
Tenzometrický snímač tlaku:
p
zesilovač a převodník
Měření v uzavřené nádrži p1
h
11
oddělovací membrána
tenzometrická membrána olej
h Kapacitní snímač tlaku
p p=hρg
P
∆p=hρg
Pd
Ovlivnění: hustota měřeného média ⇒ teplota
membrána 12
zesilovač a převodník
kondenzátor 13
Měření hladiny probubláváním a měřením hydrostatického tlaku
Provedení snímačů hydrostatického tlaku Ponorná sonda:
• trubkou přivedenou ke dnu nádrže proudí tlakový vzduch • měří se hydrostatický tlak, který musí vzduch překonávat
Vlastní provedení
• membrána s tenzo metrickým snímačem
Měření v otevřené nádrži
Měření v uzavřené nádrži
p=hρg Pd
• přívod referenčního tlaku propojovací hadicí
P
• měření v zásobnících od 1 m
p1 regulátor průtoku
• měření ve vrtech až do 200 m
h
regulátor průtoku
h
tlakový vzduch
14
kompre sor
pn > hmax ρ g
ELEKTRICKÉ HLADINOMĚRY
Kapacitní snímače hladiny
Vodivostní snímače hladiny
Princip:
15
Pro elektricky nevodivé kapaliny:
– pro elektricky vodivé kapaliny
Spojité snímání stavu hladiny:
C =ε0ε
CB
hmax
CA
h
h
S/d
ε0 - permitivita vakua εr - relativní permitivita prostředí
S - plocha elektrod d - vzdálenost elektrod
Referenční kondenzátor pro kompenzaci změn permitivity média:
Snímač válcového typu:
C=CA+CB ⇒ C=k•h+q
h
r
CB
G =γ ⋅
S l
CB
Indikace mezních stavů hladiny: hmax
G = vodivost, γ = měrná vodivost = f(t,c…) S = plocha, l = vzdálenost elektrod
CA
hmin
h
CA
h
h
CR
16
17
Pro elektricky vodivé kapaliny:
Provedení kapacitního snímače hladiny
• snímač je tvořen kovovou elektrodou, která je opatřena izolačním povlakem (např. teflonem)
Kapacitní snímač pro spojité snímání stavu hladiny: vyhodnocovací jednotka
• druhou elektrodu válcového kondenzátoru vytváří vodivá kapalina • s rostoucí výškou hladiny se zvětšuje plocha elektrod kondenzátoru a roste kapacita
Limitní kapacitní snímač:
sonda
kapacitní sonda elektroda s izolací
h
převodník
Použití kapacitních snímačů hladiny:
Vodivá kapalina
18
• vhodné pro měření kapalných i sypkých medií • pro měření při teplotách (-40 až +200) °C a vysokém tlaku • možnost snímání mezihladiny dvou nemísitelných kapalin (např. rozhraní vody a oleje) • nevhodné pro měření pěnicích medií
19
Ultrazvukové hladinoměry
Cesta ultrazvukového signálu
• senzor hladiny tvoří:
– generátor a vysílač ultrazvukového signálu – přijímač ultrazvuku a zesilovač signálu – elektronické vyhodnocovací zařízení
• u snímačů pro spojité měření výšky se měří doba průchodu ultrazvukového impulsu (při známé rychlosti ultrazvuku v daném prostředí)
L=c⋅
V
P
L Lmax h
t 2
h = Lmax − c ⋅
t 2
c - rychlost šíření ultrazvuku v prostředí [m.s-1] cca = 330 m/s t - čas [s] L - vzdálenost [m] Ovlivňující veličiny: • hustota prostředí c = f (t , ρ ...) • teplota • přítomnost míchadla • pěna na hladině 20
Měření útlumu (jednodušší hladinoměry)
21
Potlačení falešných odrazů
22
Provedení ultrazvukového hladinoměru
Ultrazvukový hladinoměr s kompenzací
kompaktní snímač
• kompenzace vlivu změn hustoty prostředí • periodická kontrola rychlosti šíření UZ v daném prostředí • automatická korekce referenční prvek
L1 L3
přijímač
přepínač vysílač/přijímač
L2
23
elektronický obvod
L3
inteligentní převodník
h = L3 - L2
vysílač a přijímač UZ
senzor ve víku nádrže
L2 vysílač
elektronické obvody
• vysílač a přijímač UZ využívá piezoelektrického principu • elektronické obvody řízené µP • unifikovaný analogový i číslicový výstup
Čas pro překonání referenční vzdálenosti slouží pro výpočet rychlosti UZ v prostředí 24
vysílač a přijímač UZ
25
Frekvenční metoda měření radarem
Měření hladiny radarem • aplikace mikrovlnného záření s frekvencí kolem 10 GHz
• anténa vysílá spojitý signál s plynule se měnící frekvencí
• elektromagnetické záření ze zdroje mikrovlnného záření je směrováno do prostoru nádrže pomocí antény • na rozhraní dvou prostředí (na hladině) se vlna částečně odrazí zpět k vysílači a částečně prochází do druhého prostředí • z časového údaje mezi vyslanou a přijatou vlnou se stanoví výška hladiny
frekvence
A
anténa radaru
f1
• v krátkých intervalech je vysílán impuls • vyhodnocuje se čas (řádově v ps) • náročné na přesnost měření času
h
L =c⋅
t 2
h = Lmax − c ⋅
c - rychlost šíření mikrovln v prostředí cca = 3 ·108 m/s t - čas [s] l - vzdálenost [m]
t 2
A
f1
f0
Pulsní metoda:
L
Lmax
vysílaný odražený
fmax
f0
fmin t0
čas
t1
• při příjmu signálu o frekvenci f0 vysílá anténa signál o frekvenci f1
26
Aplikační možnosti radarových snímačů
• ze zjištěné diference ∆ f = f1 − f0 je možno stanovit odpovídající ∆ t = t1 − t0 a vypočítat vzdálenost hladiny • rozdíl frekvence je možno stanovit velmi přesně
Provedení radarových snímačů
• vhodné pro měření médií s relativní permitivitou ε > 2 • materiálem s nízkou permitivitou (izolanty např. oleje) mikrovlnné záření proniká a odráží se až od rozhraní s vyšší permitivitou (dno nádoby) • parazitní odrazy od stěn či míchadla se odlišují softwarově • vysoká přesnost měření (± 1 mm)
Různá provedení antény radarových senzorů:
Výhody: • vysoká přesnost, spolehlivost • bez pohyblivých mechanických součástí • bez kontaktu s měřenou látkou • možnost využití při náročných provozních podmínkách (vysoká teplota, tlak, agresivní prostředí)
displej
Nevýhody: • nevhodné pro měření medií s nízkou permitivitou • poměrně vysoká cena
Umístění antény radarových senzorů ve víku nádrže:
inteligentní snímač • sdružuje anténu vysílače i přijímače, elektronické obvody řízené µP • analogový a číslicový výstup • možnost výpočtu objemu náplně
anténa
28
29
Fotoelektrické snímače hladiny
Snímače hladiny s radioaktivním zářičem
• senzor hladiny tvoří:
• radioaktivní zářič – gama-záření (silně proniká materiálem, ale nevyvolává jeho radioaktivitu) – isotop s delším poločasem rozpadu, např. Co 60, Cs 137, aby nebylo nutno často kalibrovat • detektor záření (Geiger-Müllerova trubice, scintilační detektor)
– zdroj světla (žárovka, svíticí dioda) – detektor světla (fotodioda, fototranzistor, fotodpor)
• senzory pracují s IČ nebo viditelným zářením
Příklady limitních snímačů: zdroj světla
detektor světla
skleněný hranol
Limitní snímače:
D
Snímač pro spojité měření: intenzita záření je funkcí D výšky hladiny
Z Z
27
Z
D
D Aplikace:
zářič
• agresivní prostředí • viskózní média • vysoké tlaky a teploty • kapaliny i sypké látky
detektor
Z Z
D 30
D Z
zářič
31
Snímače hladiny s měřením přenosu tepla
Výběr vhodného typu snímače hladiny
• topný element se snímačem teploty – prostředí obklopující snímač ovlivňuje přenos tepla – informačním parametrem je změna teploty
• fyzikální a chemické vlastnosti měřeného média • charakter okolního prostředí a podmínky měření • požadavek na spojité či nespojité snímání stavu hladiny • účel měření – signalizace mezních stavů – regulace úrovně hladiny – zjišťování množství náplně (bilanční účely) • měřicí rozsah • požadovaná přesnost • cena zařízení
Limitní snímače: Provedení:
topný element se snímačem teploty
topný element
snímač teploty
32
33
