Meranie hladiny v nádržiach: akú technológiu zvoliť?

Meranie hladiny patrí medzi základné úlohy priemyselnej automatizácie. Na prvý pohľad môže pôsobiť jednoducho – potrebujeme vedieť, koľko kvapaliny alebo sypkého materiálu sa nachádza v nádrži.

V praxi však neexistuje jedna technológia vhodná pre všetky aplikácie.

Iný princíp môže byť optimálny pre čistú vodu v otvorenej nádrži, iný pre chemikáliu v tlakovej nádobe a úplne iné riešenie môže vyžadovať silo s práškovým materiálom.

Pri výbere preto nestačí poznať iba výšku nádrže. Rozhoduje médium, tlak, teplota, pena, para, hustota, geometria nádrže, požadovaná presnosť aj spôsob montáže.

Kontinuálne meranie alebo iba kontrola limitnej hladiny?

Ešte pred výberom technológie treba určiť, čo vlastne potrebujeme merať.

Kontinuálne meranie hladiny

Kontinuálny hladinomer poskytuje informáciu o aktuálnej výške hladiny v celom meracom rozsahu.

Riadiaci systém tak môže vedieť napríklad:

• aktuálnu hladinu v mm alebo metroch,
• percentuálne naplnenie nádrže,
• približný objem média,
• trend plnenia alebo vyprázdňovania.

Používa sa tam, kde potrebujeme poznať priebeh hladiny počas prevádzky.

Limitné snímanie hladiny

Limitný snímač odpovedá iba na otázku, či médium dosiahlo konkrétnu úroveň.

Typickou aplikáciou je:

• ochrana proti preplneniu,
• ochrana čerpadla proti chodu nasucho,
• signalizácia minimálnej hladiny,
• signalizácia maximálnej hladiny.

V jednej nádrži sa preto veľmi často nachádza kontinuálny hladinomer aj samostatné limitné snímače.

Radarové meranie hladiny

Radarové hladinomery patria medzi najuniverzálnejšie riešenia pre bezkontaktné meranie hladiny.

Zariadenie vysiela elektromagnetický signál smerom k povrchu média a vyhodnocuje jeho odraz.

Veľkou výhodou je, že meranie nevyžaduje mechanický kontakt snímača s hladinou.

Radar je preto vhodný pre široké spektrum kvapalín a podľa konštrukcie zariadenia aj sypkých materiálov.

Kedy je radar vhodný?

Radarové meranie je zaujímavé najmä pri:

• tlakových nádržiach,
• vyšších teplotách,
• agresívnych médiách,
• chemických aplikáciách,
• väčších meracích vzdialenostiach,
• aplikáciách s parou alebo kondenzáciou,
• náročných priemyselných podmienkach.

Moderné radarové hladinomery pracujú napríklad na vysokých frekvenciách, ktoré umožňujú vytvoriť úzky merací lúč.

To je výhodné v nádržiach s vnútornými konštrukciami, miešadlami alebo obmedzeným priestorom.

Ultrazvukové meranie hladiny

Ultrazvukový hladinomer pracuje na podobnej myšlienke ako radar, ale používa akustické ultrazvukové impulzy.

Snímač vyšle impulz smerom k hladine a následne meria čas potrebný na návrat odrazeného signálu.

Výhodou je:

• bezkontaktné meranie,
• jednoduchá montáž,
• žiadne pohyblivé časti,
• dobrý pomer ceny a možností pri menej náročných aplikáciách.

Veľmi dobre sa môže uplatniť napríklad pri meraní vody a odpadovej vody v otvorených nádržiach.

Kedy môže mať ultrazvuk problém?

Ultrazvuk sa šíri prostredníctvom plynu nad hladinou.

Meranie preto môže ovplyvňovať:

• výrazná zmena teploty,
• para,
• hustá kondenzácia,
• silné prúdenie vzduchu,
• pena,
• nevhodná geometria nádrže.

V náročnejších podmienkach preto môže byť radar vhodnejším riešením.

Radar alebo ultrazvuk?

Tieto dve technológie sa často porovnávajú, pretože obe umožňujú bezkontaktné meranie.

Rozdiel je však v princípe šírenia signálu.

Neznamená to, že radar je automaticky lepší.

Pre jednoduchú otvorenú nádrž s vodou môže byť ultrazvukový hladinomer úplne postačujúcim a ekonomicky výhodným riešením.

TDR – vedený radar

Samostatnou kategóriou je TDR (Time Domain Reflectometry), označovaný aj ako vedený radar alebo Guided Wave Radar.

Na rozdiel od bezkontaktného radaru sa elektromagnetický impulz šíri pozdĺž sondy vloženej do média.

Sonda môže byť napríklad:

• tyčová,
• lanová,
• koaxiálna.

Po dosiahnutí rozhrania média sa časť signálu odrazí späť.

TDR je zaujímavý najmä tam, kde potrebujeme robustné meranie v náročných procesných podmienkach alebo kde bezkontaktné riešenie nie je optimálne.

V závislosti od aplikácie možno túto technológiu použiť aj na meranie rozhrania dvoch kvapalín.

Hydrostatické meranie hladiny

Pri hydrostatickom princípe sa hladina neurčuje podľa vzdialenosti od povrchu, ale podľa tlaku vytvoreného stĺpcom kvapaliny.

Zjednodušene platí:

vyššia hladina = vyšší hydrostatický tlak.

Výhodou je relatívne jednoduchý princíp a veľmi dobrá použiteľnosť napríklad pri:

• vodných nádržiach,
• studniach,
• vrtoch,
• zásobníkoch,
• čističkách odpadových vôd.

Použiť možno ponornú sondu alebo tlakový prevodník namontovaný pri dne nádoby.

Najväčšie obmedzenie – hustota

Hydrostatické meranie predpokladá znalosť hustoty média.

Ak sa hustota výrazne mení napríklad vplyvom:

• teploty,
• koncentrácie,
• zmeny produktu,

môže sa meniť aj výsledok merania bez toho, aby sa skutočná výška hladiny zmenila.

To je zásadný rozdiel oproti radaru, ktorý meria vzdialenosť k povrchu média.

A čo uzavretá tlaková nádrž?

Pri tlakovej nádobe nestačí jednoducho zmerať tlak pri jej dne.

Na kvapalinu totiž pôsobí aj tlak plynu alebo pary nad hladinou.

Jedným z riešení je meranie diferenčného tlaku.

Jedna strana diferenčného prevodníka sníma tlak pri dne nádoby a druhá tlak nad hladinou.

Rozdiel medzi nimi potom zodpovedá hydrostatickému tlaku stĺpca kvapaliny.

Pri návrhu však treba správne zohľadniť hustotu média, impulzné vedenia, prípadné membránové oddeľovače a procesné podmienky.

Kapacitné meranie hladiny

Kapacitné snímače využívajú zmenu elektrickej kapacity spôsobenú prítomnosťou média.

Možno ich použiť na kontinuálne aj limitné meranie podľa konkrétneho vyhotovenia.

Uplatnenie nachádzajú pri:

• kvapalinách,
• sypkých materiáloch,
• olejoch,
• chemických médiách,
• rôznych procesných nádržiach.

Pri výbere však treba poznať elektrické vlastnosti média a preveriť, ako môže meranie ovplyvňovať tvorba nánosov na sonde.

Plavákové meranie

Plavák patrí medzi najstaršie a zároveň stále veľmi používané princípy merania hladiny.

Plavák sa pohybuje spolu s hladinou média a jeho poloha sa mechanicky alebo magneticky prenáša na merací či spínací systém.

Výhodou býva:

• jednoduchý princíp,
• ľahko pochopiteľná funkcia,
• dostupnosť rôznych konštrukcií,
• použiteľnosť bez zložitého vyhodnocovania.

Nevýhodou môže byť prítomnosť pohyblivých častí a kontakt s médiom.

Pri viskóznych, znečistených alebo kryštalizujúcich médiách preto nemusí ísť o optimálne riešenie.

Vibračné snímače pre limitnú hladinu

Ak nepotrebujeme kontinuálne merať výšku hladiny, ale iba spoľahlivo zistiť dosiahnutie určitej úrovne, veľmi zaujímavým riešením sú vibračné snímače.

Typickým príkladom je vibračná vidlička.

Zmena jej vibračných vlastností po kontakte s médiom umožňuje vyhodnotiť prítomnosť produktu.

Takéto snímače sa často používajú ako:

• ochrana proti preplneniu,
• minimálna hladina,
• ochrana čerpadla,
• nezávislý bezpečnostný bod.

Pena môže zásadne ovplyvniť výber technológie

Pena patrí medzi časté problémy pri meraní hladiny.

Niektoré technológie môžu reagovať na hornú vrstvu peny, iné ju môžu čiastočne alebo úplne ignorovať.

Výsledok závisí od:

• hustoty peny,
• jej hrúbky,
• elektrických vlastností,
• použitej frekvencie,
• konkrétneho meracieho princípu.

Preto nestačí v zadaní uviesť iba „kvapalina“.

Ak médium počas procesu výrazne pení, je to dôležitá informácia pre výber hladinomeru.

Miešadlo môže vytvárať falošné odrazy

Nádrže často obsahujú:

• miešadlá,
• výstuhy,
• rebríky,
• vykurovacie špirály,
• potrubia,
• ďalšie technologické prvky.

Pri bezkontaktnom meraní môžu tieto konštrukcie vytvárať neželané odrazy signálu.

Dôležité preto nie je iba to, aký hladinomer použijeme, ale aj kam ho namontujeme.

Moderné radarové systémy dokážu mnohé falošné odrazy potlačiť, správne navrhnutá montáž je však stále základom spoľahlivého merania.

Hladinomer nemontujte automaticky do stredu nádrže

Stred nádrže nemusí byť ideálnym meracím miestom.

Problémom môže byť napríklad:

• miešadlo,
• plniaci prúd média,
• vnútorná konštrukcia,
• nevhodná geometria strechy,
• silné turbulencie.

Rovnako nie je vhodné smerovať meranie priamo do miesta, kde médium vstupuje do nádrže.

Meracie miesto treba posudzovať podľa konkrétnej geometrie nádoby.

Agresívne médium mení požiadavky na materiály

Ak sa snímač alebo jeho procesná časť dostáva do kontaktu s médiom, treba preveriť chemickú kompatibilitu.

Rozhodovať môže materiál:

• procesného pripojenia,
• membrány,
• sondy,
• tesnenia,
• antény,
• ochranného povlaku.

Nerezová oceľ nemusí byť vhodná pre každú chemikáliu.

Pri agresívnych médiách sa preto používajú aj špeciálne materiály a povlaky.

Pri sypkých materiáloch platia iné podmienky

Meranie hladiny v sile s granulátom, cementom alebo práškom nemožno posudzovať rovnako ako nádrž s vodou.

Povrch sypkého materiálu nemusí byť rovný.

Pri plnení môže vzniknúť kužeľ, pri vyprázdňovaní lievik a počas procesu sa môže vytvárať veľké množstvo prachu.

Dôležité sú preto:

• vlastnosti produktu,
• prašnosť,
• veľkosť sila,
• spôsob plnenia,
• uhol násypu,
• umiestnenie snímača.

V náročných silách býva radar jednou z veľmi zaujímavých možností.

Ako teda vybrať správnu technológiu?

Výber možno zjednodušene orientovať podľa aplikácie:

Tabuľku treba vnímať ako prvotnú orientáciu, nie ako univerzálne pravidlo.

Čo potrebujeme vedieť pred výberom hladinomeru?

Pri technickom návrhu je dobré pripraviť minimálne tieto údaje:

• čo sa bude merať,
• kvapalina alebo sypký materiál,
• minimálna a maximálna hladina,
• výška a priemer nádrže,
• otvorená alebo tlaková nádoba,
• pracovný tlak,
• pracovná teplota,
• hustota média,
• tvorba peny,
• para alebo kondenzácia,
• miešadlo,
• spôsob plnenia,
• vnútorné konštrukcie,
• požadovaná presnosť,
• procesné pripojenie,
• výstupný signál,
• prípadné požiadavky ATEX/Ex.

Čím lepšie poznáme aplikáciu, tým menšie je riziko, že vyberieme síce kvalitný hladinomer, ale nevhodný pre konkrétny proces.

Zapamätajte si

Pri výbere hladinomeru neexistuje univerzálne „najlepšia technológia“.

Radar je veľmi univerzálny a dobre zvláda množstvo náročných procesných podmienok.

Ultrazvuk môže byť ekonomickým a spoľahlivým riešením jednoduchších bezkontaktných aplikácií.

TDR využíva vedený radarový impulz a môže byť vhodný aj pre náročné procesné merania.

Hydrostatika je jednoduchá a účinná, ale výsledok závisí od hustoty média.

A ak potrebujeme iba informáciu MAX/MIN, kontinuálny hladinomer nemusí byť vôbec potrebný – vhodnejší môže byť limitný snímač hladiny.

Najdôležitejšie preto nie je vybrať technológiu podľa katalógu, ale podľa konkrétnych podmienok v nádrži.

Záver

Meranie hladiny môže byť jednoduchou aplikáciou s ponornou tlakovou sondou, ale aj náročnou meracou úlohou v tlakovej chemickej nádobe s vysokou teplotou, parou, penou a miešadlom.

Radarové, ultrazvukové, TDR, hydrostatické, kapacitné a mechanické princípy majú svoje výhody aj obmedzenia. Správne riešenie preto vzniká až po posúdení média, geometrie nádoby a reálnych prevádzkových podmienok.

Spoločnosť REFLOW SK dodáva technológie pre kontinuálne aj limitné meranie hladiny a pomáha zákazníkom s výberom vhodného princípu, meracieho rozsahu, procesného pripojenia a materiálového vyhotovenia podľa konkrétnej aplikácie.