Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Fakulta chemicko-inženýrská Ústav fyziky a měřicí techniky
Návod na laboratorní úlohu
Snímače hladiny se spojitou funkcí
Návod na laboratorní úlohu: Snímače hladiny se spojitou funkcí
Teoretický úvod Výška hladiny kapalin či sypkých látek v nádržích nebo zásobnících patří mezi základní technologické veličiny měřené v průmyslové praxi. Pro měření výšky hladiny se používá široké spektrum hladinoměrů, které měří hladinu spojitě anebo jenom v mezních stavech a využívají různé principy (např. plovákové, vodivostní, kapacitní, ultrazvukové, radarové, aj. více viz [1]). Údaje z hladinoměrů pak slouží pro zjišťování množství látek, bilanční výpočty, nebo jako vstupní informace pro řízení procesů. Úkolem této laboratorní úlohy je seznámit se se čtyřmi rozšířenými typy spojitě pracujících snímačů hladiny, jejich vlastnostmi a obsluhou. 1. Kapacitní snímač hladiny Kapacitní snímače výšky hladiny patří mezi jednoduché a spolehlivé hladinoměry schopné měřit výšku hladiny kapalných i sypkých látek. Základem těchto hladinoměrů je kondenzátor s proměnnou kapacitou, která je mírou výšky hladiny. Existují dva odlišné přístupy v uspořádání kapacitního hladinoměru v závislosti na tom, zda je měřena výška hladiny elektricky vodivé či nevodivé kapaliny. a) u nevodivých kapalin je hladinoměr tvořen dvěma elektrodami (např. tyčovou kovovou elektrodou a vodivou stěnou nádrže), dielektrikum kondenzátoru vytváří měřená nevodivá kapalina v nádrži; b) u vodivých kapalin je nejjednodušší uspořádání tvořené tyčovou elektrodou potaženou teflonovým či gumovým povlakem (dielektrikum kondenzátoru), druhou pohyblivou elektrodu, která mění plochu kondenzátoru, tvoří vlastní vodivá kapalina, viz obrázek 1.
Obrázek 1: Schéma kapacitního snímače hladiny vodivých kapalin, který je použit v úloze.
2
Návod na laboratorní úlohu: Snímače hladiny se spojitou funkcí Jako kapacitní snímač výšky hladiny v této úloze je použit snímač Liquicap FMI21 od firmy Endress+Hauser, který je uzpůsoben pro práci v nádržích, jejichž stěny jsou z nevodivého materiálu a měřeným médiem je vodivá kapalina. Hladinoměr je tvořen dvěma tyčovými elektrodami, z nichž jedna je izolována vrstvou teflonu od okolní vodivé kapaliny. Druhá elektroda není izolována a má funkci zemnící (spojením s elektrodou tvořenou vodivou kapalinou dotváří kondenzátor). Hladinoměr je vybaven elektrickým obvodem s výstupem o velikosti 4 až 20 mA, který je zobrazován na ampérmetru OM 36 (Orbit Merret). 2. Ultrazvukový snímač hladiny Ultrazvukový snímač hladiny použitý v úloze pracuje na principu měření doby šíření ultrazvuku. Z času, který ultrazvuková vlna potřebuje pro překonání vzdálenosti od vysílače k hladině v nádrži a po odrazu zpět k přijímači a znalosti rychlosti šíření ultrazvuku ve vzduchu se vyhodnocuje uražená vzdálenost. Rozdíl celkové výšky nádrže a poloviny uražené vzdálenosti je výška hladiny v nádrži viz obrázek 2 a vztah 1. Jako ultrazvukový hladinoměr je v úloze použit přístroj Probe PL-517 od firmy Milltronic. Hladinoměr je vybaven vlastním displejem zobrazujícím vzdálenost sondy od objektu odrážejícího ultrazvukovou vlnu a je opatřen výstupem ve formě proudové smyčky 4 až 20 mA.
Obrázek 2: Ultrazvukový snímač výšky hladiny pracující na principu měření doby šíření ultrazvuku 3
Návod na laboratorní úlohu: Snímače hladiny se spojitou funkcí Vztah pro výpočet výšky hladiny měřené ultrazvukovým hladinoměrem je poté: max
(1)
U
kde Lmax je výška nádrže a LU je vzdálenost uražená ultrazvukem vypočítaná se ze vztahu: ·
(2)
c je rychlost ultrazvuku ve vzduchu. 3. Měření výšky hladiny zjišťováním hmotnosti nádrže Třetím hladinoměrem použitým v úloze jsou tenzometrické váhy. Princip funkce tohoto hladinoměru spočívá v tom, že tenzometrické váhy měří hmotnost nádrže naplněné kapalinou. Za předpokladu, že známe hustotu měřené kapaliny ρ a geometrické rozměry nádrže (zde vnitřní průměr nádrže d) lze výšku hladiny spočítat z následujícího vzorce: (3) Při výpočtu je však nutné uvažovat závislost hustoty na teplotě, a proto je třeba měřit teplotu kapaliny v nádrži vhodným teploměrem. V úloze se setkáte s tenzometrickou váhou M230 od firmy Utilcell. Hmotnost měřená touto váhou je zobrazována zobrazovačem pro tenzometry OM 501T (Orbit Merret). Teplota kapaliny v nádrži je snímána odporovým teploměrem Pt100 a zobrazována jednotkou Omega iSeries. Hustotu vody při změřené teplotě je nutné odečíst z tabulek. 4. Měření výšky hladiny pomocí snímače hydrostatického tlaku Posledním spojitým snímačem výšky hladiny použitým v úloze je piezorezistivní snímač tlaku LMP 331 (BD Sensors). Tento snímač využívá jednoduchého vztahu pro výšku hladiny vypočítanou z hydrostatického tlaku: (4) Snímač LMP 331 má standardní výstup proudovou smyčkou 4 až 20 mA. Programovatelný logický automat (PLC) Ovládání aparatury zajišťuje programovatelný logický automat (PLC, z angl. Programmable Logic Controller) Simatic S7 313C. Jedná se o počítač, který je schopen cyklicky vykonávat zadaný program. PLC má řadu unifikovaných vstupů či výstupů, díky nimž je schopen získávat informace z hladinoměrů, nebo naopak ovládat čerpadla a ventily, které umožňují v tomto případě cyklické napouštění či vypouštění aparatury. PLC v této úloze je řízeno řadou jednoduchých programů napsaných v jazyce Ladder Logic.
4
Návod na laboratorní úlohu: Snímače hladiny se spojitou funkcí
Úkoly měření 1. Seznamte se s aparaturou pro měření výšky hladiny, určete jednotlivé hladinoměry, prohlédněte si jejich provedení a umístění na nádržích. 2. Z přiloženého manuálu se seznamte se základy ovládání a způsobem nahrávaní programu do paměti PLC. 3. Proveďte kalibraci kapacitního hladinoměru na nulovou výšku hladiny a na zaplněnou nádrž. 4. Proveďte kalibraci ultrazvukového hladinoměru na nulovou výšku hladiny a na zaplněnou nádrž. 5. Proveďte kalibraci tenzometrických vah a jako etalonový hladinoměr použijte ultrazvukový snímač hladiny.
Postup při řešení úkolů ad 1) Na obrázku 3 je zobrazeno schéma aparatury včetně způsobu propojení jednotlivých nádrží a osazení přítoků a odtoků do nádrže čerpadly a ventily.
Obrázek 3: Schéma aparatury použité v úloze Aparaturu na obrázku 3 tvoří tři vzájemně propojené nádrže – dvě experimentální a jedna zásobní. Obě nádrže A i B jsou osazeny hladinoměry. Nádrž A je osazena kapacitním 5
Návod na laboratorní úlohu: Snímače hladiny se spojitou funkcí snímačem hladiny Liquicap FMI21 a piezorezistivním snímačem tlaku LMP331, nádrž B je uložena na tenzometrické váze M230, dále je osazena ultrazvukovým hladinoměrem Probe PL-517 a rovněž piezorezistivním snímačem tlaku LMP331. V úloze jsou dále použity dvoupolohové ventily označené jako SOL1, 2, 3 a 4 a odstředivá čerpadla C1, 4 a 5. Ovládání ventilů a čerpadel je řízeno pomocí předpřipravených programů pro PLC Simatic S7 313C napsaných v jazyce Ladder Logic. Propojení, které je vyznačené na obrázku 3 tečkovanou čarou, nebude v úloze použito. ad 3) Kapacitní snímač hladiny je obvykle nastaven na celý rozsah svých měřicích elektrod. Pokud potřebujeme změnit rozsah tohoto hladinoměru, je nutné provést novou kalibraci. Vašim úkolem bude změnit rozsah kapacitního hladinoměru na novou maximální výšku hladiny zadanou asistentem. Postup: Ujistěte se, že nádrž A je zcela vypuštěna. Pokud není, zaveďte do PLC program prazdna_nadrz_A a spusťte PLC (dojde k otevření ventilu SOL3 a spuštění čerpadla C4 a vyprázdnění nádrže). Odšroubujte kryt kapacitního hladinoměru a zkontrolujte nastavení přepínače pro měření ve vertikální nádrži (symbol obdélníku) a horizontální nádrži (symbol kolečka). Tento přepínač musí být přepnut na měření ve vertikální nádrži. Dále nastavte přepínač pro kalibraci nulové a plné výchylky na nulovou výchylku (symbol prázdného obdélníku). Stiskněte najednou obě tlačítka označená jako „+“ a „-“ a držte je po dobu 2 s, poté se na panelovém ampérmetru OM36 zobrazí hodnota 4 mA a po 10 s se tato hodnota uloží do paměti hladinoměru. Zaveďte do paměti PLC program s názvem plna_nadrz_A. Dojde ke spuštění čerpadla C1 a otevření ventilu SOL1, čerpadlo C4 je vypnuto a SOL3 je uzavřený. Nádrž A se napustí na výšku hladiny nastavenou asistentem v programu (PLC po celou dobu získává informace o výšce hladiny z piezorezistivního snímače tlaku). Výšku hladiny zkontrolujte vizuálně podle stavoznaku. Nyní přepněte přepínač kalibrace plné a prázdné výchylky na plnou výchylku (symbol plného obdélníku). Opět stiskněte najednou tlačítka „+“ a „–“ po dobu 2 s a vyčkejte, až se na ampérmetru zobrazí hodnota 20 mA, po 10 s dojde k uložení hodnoty do paměti přístroje. Na závěr proveďte test správné kalibrace. Do paměti PLC zaveďte program test_kal_kapacita. V tuto chvíli PLC získává informace o výšce hladiny v nádrži z kapacitního snímače hladiny a pokud jste vše správně nastavili, bude docházet k postupnému napouštění a vypouštění nádrže nejprve na čtvrtinu, na polovinu, tři čtvrtiny a nakonec na celý nastavený rozsah výšky hladiny v zásobníku. Hodnoty výšky hladiny zkontrolujte vizuálně na stavoznaku. ad 4) Ultrazvukový snímač výšky hladiny je podobně jako kapacitní snímač hladiny nutné kalibrovat na prázdnou a plnou nádrž. Kalibrace bude prováděna na proporcionální rozsah (se zvětšující se výškou hladiny bude proudový výstup vzrůstat). Postup: Ujistěte se, že nádrž B je zcela vypuštěna. Pokud není, zaveďte do PLC program prazdna_nadrz_B a spusťte PLC (dojde k otevření ventilu SOL4 a spuštění čerpadla C5 a vyprázdnění nádrže). 6
Návod na laboratorní úlohu: Snímače hladiny se spojitou funkcí Otevřete přední kryt ultrazvukového hladinoměru. Stiskněte tlačítko 4 pro zobrazení aktuální vzdálenosti předmětu odrážejícího ultrazvuk (dno nádrže), stiskněte jej znovu pro uložení aktuální vzdálenosti; po cca 6 s se hladinoměr přepne do operačního módu. Zaveďte do PLC program plna_nadrz_B a spusťte jej. Nádrž se napustí na výšku hladiny nastavenou asistentem. Po ustálení hladiny proveďte kalibraci na plnou nádrž. Stiskněte tlačítko 20, zobrazí se dříve uložená hodnota maximální výšky hladiny v nádrži. Stiskněte opět tlačítko 20 a tím uložte aktuální hodnotu do paměti přístroje. Na závěr proveďte test správné kalibrace. Do paměti PLC zaveďte program test_kal_ultrazvuk. V tuto chvíli PLC získává informace o výšce hladiny v nádrži z ultrazvukového snímače hladiny a pokud jste vše správně nastavili, bude docházet k postupnému napouštění a vypouštění nádrže nejprve na čtvrtinu, na polovinu, tři čtvrtiny a nakonec na celý nastavený rozsah výšky hladiny v zásobníku. Hodnoty výšky hladiny zkontrolujte vizuálně na stavoznaku. ad 5) Měření výšky hladiny v zásobníku pomocí tenzometrických vah spočívá ve vážení nádrže s vodou a následném výpočtu výšky hladiny ze znalosti geometrických rozměrů nádrže a hustoty měřeného média v závislosti na teplotě viz vztah (3). Vaším úkolem bude nalézt kalibrační závislost mezi údaji získanými z tenzometrických vah a signálem přesného ultrazvukového hladinoměru. Postup: Ujistěte se, že nádrž B je zcela vypuštěna. Pokud není, zaveďte do PLC program s názvem prazdna_nadrz_B a spusťte PLC (dojde k otevření ventilu SOL4 a spuštění čerpadla C5 a vyprázdnění nádrže). Zkontrolujte, zda je panelový zobrazovač pro tenzometrické váhy OM501T správně nastaven a ukazuje nulovou hodnotu. Pokud ne, vytárujte váhy podle pokynů asistenta. Do PLC zaveďte program s názvem kal_tenzometr a PLC spusťte. V intervalech půl minuty bude do nádrže po dobu 5 s přitékat voda ze zásobní nádrže a postupně zaplňovat nádrž. Odečítejte vždy hmotnost vody v nádrži a vzdálenost od odražené hladiny na displeji ultrazvukového hladinoměru. Geometrické rozměry jsou uvedeny na každé z nádrží. Na závěr odečtěte teplotu vody v nádrži. Z tabulek odečtěte hustotu vody při dané teplotě a vypočítejte výšku hladiny v zásobníku pro jednotlivé body. Na závěr sestavte kalibrační závislost mezi ultrazvukovým hladinoměrem, který považujte za etalonové měřidlo a tenzometrickými váhami.
Pokyny k vypracování protokolu 1. Formální a obsahová stránka protokolu musí splňovat požadavky zadané vedoucím laboratoří před zahájením Laboratoří z měřicí a řídicí techniky. 2. K úloze 5 zhotovte kalibrační diagram, porovnejte přesnost obou hladinoměrů. 3. Nakreslete technologické schéma obou nádrží, zakreslete umístění a funkce jednotlivých hladinoměrů. Vyznačte řízení aparatury PLC. 4. Do protokolu uveďte stručné zhodnocení jednotlivých hladinoměrů, podle zkušeností, které jste prací s nimi získali.
7
Návod na laboratorní úlohu: Snímače hladiny se spojitou funkcí
Použité zdroje informací [1] K. Kadlec: Měřicí a řídicí technika, Měření hladiny, elektronické výukové pomůcky www.vscht.cz/ufmt
8
