Ako merať hladinu v nádrži s penou, parou alebo kondenzáciou

Meranie hladiny v čistej nádrži s pokojnou hladinou patrí medzi relatívne jednoduché meracie úlohy. Priemyselná realita však býva podstatne komplikovanejšia.

Nad hladinou môže vznikať pena, para, kondenzácia alebo aerosól. Médium môže meniť teplotu, počas plnenia môže byť hladina turbulentná a na anténe alebo meracom prvku sa môže vytvárať kondenzát.

V takomto prostredí môže technológia, ktorá za ideálnych podmienok funguje bez problémov, začať vykazovať:

• nestabilnú hodnotu,
• výpadky signálu,
• falošné odrazy,
• skokové zmeny hladiny,
• alebo úplnú stratu merania.

Preto pri výbere hladinomeru nestačí poznať iba výšku nádrže a merací rozsah.

Dôležité je vedieť, čo sa skutočne deje vo vnútri nádrže a v priestore nad hladinou.

Prečo pena komplikuje meranie hladiny?

Pena vytvára medzi snímačom a skutočnou hladinou ďalšiu vrstvu s vlastnými fyzikálnymi vlastnosťami.

A to môže jednotlivé meracie princípy ovplyvňovať rozdielne.

Výsledok závisí napríklad od:

• hrúbky peny,
• jej hustoty,
• veľkosti bublín,
• obsahu kvapaliny v pene,
• stability peny,
• vlastností samotného média.

Veľmi ľahká pena môže byť pre niektoré elektromagnetické merania takmer transparentná, zatiaľ čo hustá mokrá pena môže vytvárať výraznejší odraz.

Preto otázka nemá znieť iba:

„Je v nádrži pena?“

Dôležitejšie je:

„Aká pena tam vzniká a čo vlastne chceme merať – povrch peny alebo skutočnú hladinu kvapaliny pod ňou?“

Ultrazvuk a pena

Ultrazvukový hladinomer vysiela akustický impulz smerom k hladine a vyhodnocuje čas jeho návratu.

Pri pene však môže dochádzať k absorpcii a rozptylu ultrazvukového signálu.

Najproblematickejšia býva mäkká, hustá a nepravidelná pena, ktorá dokáže akustický impulz výrazne utlmiť.

Výsledkom môže byť slabý odraz alebo úplná strata echa.

To neznamená, že ultrazvuk nemožno použiť v každej aplikácii s penou. Znamená to však, že pena musí byť pri návrhu merania jednoznačne zohľadnená.

Radar sa s penou správa inak

Radarový hladinomer používa elektromagnetické vlny, nie zvuk.

Preto ho podmienky v priestore nad médiom ovplyvňujú iným spôsobom ako ultrazvuk.

Moderné bezkontaktné radarové hladinomery – najmä vysokofrekvenčné riešenia – dokážu veľmi dobre pracovať aj v náročných procesných podmienkach.

Ani pri radare však nemožno jednoducho povedať:

„Radar vidí cez každú penu.“

To by nebolo technicky správne.

Výsledok závisí od vlastností peny, média, frekvencie zariadenia, geometrie nádrže a intenzity odrazeného signálu.

Čo ak je nad hladinou para?

Para predstavuje ďalší problém, najmä pri procesoch s vysokou teplotou.

Typickými aplikáciami sú:

• horúca voda,
• kondenzát,
• technologické nádrže,
• chemické procesy,
• varné nádoby,
• nádrže s ohrevom.

Pri ultrazvukovom meraní je podstatné, že rýchlosť zvuku závisí od vlastností prostredia, ktorým sa zvuk šíri.

Ak sa nad hladinou výrazne menia teplotné podmienky alebo zloženie plynnej fázy, môžu sa meniť aj podmienky šírenia ultrazvukového impulzu.

To môže zhoršovať stabilitu a presnosť merania.

Radar je voči zmenám atmosféry nad hladinou odolnejší

Radar využíva elektromagnetické vlnenie.

V porovnaní s ultrazvukom preto nie je jeho meranie rovnakým spôsobom závislé od rýchlosti zvuku v priestore nad médiom.

To je jeden z dôvodov, prečo sa radarové hladinomery často používajú v aplikáciách s:

• parou,
• vysokou teplotou,
• meniacimi sa procesnými podmienkami,
• podtlakom alebo pretlakom,
• náročnou atmosférou nad hladinou.

Pri extrémnych podmienkach však treba preveriť konkrétne limity snímača, procesného pripojenia a anténneho systému.

Kondenzácia môže byť problém priamo na snímači

Para môže na chladnejších častiach zariadenia kondenzovať.

Na anténe alebo procesnom pripojení potom vzniká vrstva vody alebo procesného média.

A práve tu sa často hľadá chyba na nesprávnom mieste.

Elektronika môže fungovať úplne správne, ale merací signál je ovplyvnený nánosom priamo na aktívnej časti snímača.

Situácia môže byť ešte horšia, ak médium:

• kryštalizuje,
• je lepkavé,
• vytvára usadeniny,
• obsahuje oleje,
• zanecháva povlak po odparení.

Nie každý radar reaguje na kondenzáciu rovnako

Konštrukcia antény má veľký význam.

Pri náročných aplikáciách môže byť vhodné použiť zariadenie s:

• zapuzdrenou anténou,
• vhodným materiálom procesného pripojenia,
• minimálnymi miestami na zachytávanie kondenzátu,
• konštrukciou vhodnou na pravidelné čistenie.

V niektorých aplikáciách môže byť potrebné aj oplachovanie alebo iný spôsob udržiavania meracej časti v čistote.

Výber hladinomeru preto nie je iba otázkou meracieho princípu. Dôležité je aj mechanické vyhotovenie snímača.

Vyššia frekvencia radaru môže byť veľkou výhodou

Moderné radarové hladinomery často pracujú na vysokých frekvenciách, napríklad okolo 80 GHz.

Jednou z hlavných výhod je možnosť vytvoriť veľmi úzky merací lúč.

To je užitočné v nádržiach, kde sa nachádzajú:

• miešadlá,
• rebríky,
• výstuhy,
• vykurovacie špirály,
• potrubia,
• technologické konštrukcie.

Úzky lúč umožňuje lepšie nasmerovať meranie na požadovanú oblasť hladiny a obmedziť neželané odrazy od vnútorných častí nádrže.

Pozor na turbulentnú hladinu

Pena často nevzniká sama.

Môže byť dôsledkom intenzívneho:

• plnenia,
• miešania,
• chemickej reakcie,
• prevzdušňovania média.

Hladina potom nemusí byť rovná.

Pri silnom miešaní môže byť naklonená, zvlnená alebo lokálne výrazne deformovaná.

Merací bod preto treba zvoliť tak, aby snímač nemeral priamo:

• do prúdu napúšťaného média,
• nad najintenzívnejšiu časť miešania,
• na výraznú prekážku,
• do nevhodne umiestneného hrdla.

Aj kvalitný radar môže poskytovať zlé výsledky, ak je nesprávne namontovaný.

Montážne hrdlo môže pokaziť dobrý návrh

Častou chybou je kúpiť vhodný hladinomer a následne ho namontovať do nevhodného procesného hrdla.

Dlhé a úzke hrdlo môže ovplyvňovať vyžarovanie alebo vytvárať neželané odrazy.

Pri návrhu treba rešpektovať odporúčania výrobcu týkajúce sa:

• priemeru hrdla,
• jeho dĺžky,
• polohy antény,
• vzdialenosti od steny,
• orientácie zariadenia.

Zvlášť pri existujúcich nádržiach je vhodné preveriť montážne miesto ešte pred objednaním snímača.

A čo vedený radar TDR?

Pri náročných aplikáciách nemusí byť jediným riešením bezkontaktný radar.

Ďalšou možnosťou je vedený radar – TDR (Guided Wave Radar).

Elektromagnetický impulz sa v tomto prípade šíri pozdĺž sondy vloženej do média.

Výhodou môže byť stabilné vedenie signálu a dobrá použiteľnosť v mnohých procesných aplikáciách.

TDR však nie je univerzálne riešenie.

Treba zohľadniť napríklad:

• nánosy na sonde,
• mechanické namáhanie,
• miešadlá,
• viskozitu média,
• geometriu nádrže,
• dĺžku sondy.

Pri silne lepkavých médiách alebo výrazných nánosoch môže byť bezkontaktné riešenie výhodnejšie.

Kedy môže pomôcť hydrostatické meranie?

Ak podmienky nad hladinou komplikujú bezkontaktné meranie, možno zvážiť aj hydrostatický princíp.

Tlakový snímač meria tlak kvapalinového stĺpca.

Pri otvorenej nádrži približne platí, že hydrostatický tlak závisí od:

• výšky hladiny,
• hustoty média,
• gravitačného zrýchlenia.

Výhodou je, že pena na povrchu kvapaliny nemusí mať na meranie taký zásadný vplyv ako pri niektorých bezkontaktných princípoch.

Pri hydrostatike však pozor na hustotu

Ak sa hustota média mení, mení sa aj hydrostatický tlak pri rovnakej výške hladiny.

To môže byť problém napríklad pri:

• výrazných zmenách teploty,
• zmenách koncentrácie,
• procesoch s rôznymi médiami.

Pri uzatvorených tlakových nádržiach navyše treba kompenzovať tlak nad hladinou, často pomocou diferenčného tlakového merania.

Preto ani hydrostatika nie je automatickou odpoveďou na každú komplikovanú nádrž.

Ktorá technológia je vhodná?

Orientačne možno situáciu zhrnúť takto:

Toto je iba orientačný výber. Samotná informácia „v nádrži je pena“ nestačí na správny návrh.

Čo potrebujeme vedieť pred výberom hladinomeru?

Pred návrhom je vhodné pripraviť:

• merané médium,
• minimálnu a maximálnu hladinu,
• výšku a priemer nádrže,
• pracovnú teplotu,
• pracovný tlak,
• informáciu o pene,
• informáciu o pare a kondenzácii,
• hustotu média a jej zmeny,
• prítomnosť miešadla,
• spôsob plnenia nádrže,
• vnútorné prekážky,
• rozmery existujúceho hrdla,
• materiálové požiadavky,
• požadovaný výstup,
• ATEX požiadavky, ak sú relevantné.

Veľmi pomôže aj výkres alebo fotografia nádrže.

Pri komplikovaných aplikáciách môže byť geometria nádrže rovnako dôležitá ako samotné médium.

Najčastejšie chyby

V praxi sa stretávame najmä s tým, že:

1. technológia sa vyberie iba podľa meracieho rozsahu,
2. zákazník neuvedie prítomnosť peny,
3. nezohľadní sa para alebo kondenzácia,
4. ultrazvuk sa použije v nevhodných procesných podmienkach,
5. predpokladá sa, že radar automaticky vyrieši každú penu,
6. snímač smeruje do prúdu napúšťaného média,
7. ignorujú sa vnútorné prekážky,
8. použije sa nevhodné montážne hrdlo,
9. nezohľadnia sa nánosy na anténe alebo sonde,
10. nepreverí sa skutočný stav média počas všetkých prevádzkových režimov.

Problém teda často nevzniká v samotnom hladinomere, ale už pri neúplnom zadaní aplikácie.

Zapamätajte si

Pena, para ani kondenzácia automaticky neznamenajú, že hladinu nemožno spoľahlivo merať. Znamenajú však, že technológiu treba vyberať podľa skutočných procesných podmienok.

Radar býva pri pare a meniacich sa podmienkach nad hladinou veľmi silným riešením, ale ani on nie je univerzálny.

Pri náročnej nádrži treba vždy posudzovať spoločne:

médium + pena + para + kondenzácia + tlak + teplotu + geometriu nádrže + spôsob montáže.

Záver

Meranie hladiny v nádrži s penou, parou alebo kondenzáciou patrí medzi aplikácie, pri ktorých sa oplatí venovať návrhu viac pozornosti.

Rozhodnutie medzi radarom, ultrazvukom, TDR alebo hydrostatickým meraním nemožno robiť iba podľa ceny zariadenia alebo výšky nádrže.

Dôležité je pochopiť, čo sa deje medzi snímačom a skutočnou hladinou média.

Správne zvolená technológia potom dokáže poskytovať stabilné meranie aj tam, kde jednoduchšie riešenie vykazuje výpadky, falošné odrazy alebo výrazné kolísanie hodnoty.

REFLOW SK zabezpečuje návrh a dodávku technológií na kontinuálne aj limitné meranie hladiny vrátane radarových, TDR, ultrazvukových a tlakových riešení podľa konkrétnych podmienok aplikácie.