4.4  Měření výšky hladiny

Zjišťování výšky hladiny kapalin a případně sypkých hmot v zásobnících a provozních nádobách, jako jsou různé tanky, rezervoáry, nádrže, destilační kolony, odparky, krystalizátory, mísicí nádoby apod., je jedním z velmi častých úkolů provozního měření. Ačkoli mluvíme o měření výšky hladiny, jedná se většinou o zjišťování množství. Z údajů zjištěných měřením výšky hladiny je možno toto množství vypočítat, přičemž samozřejmě záleží na tvaru zásobníku, ve kterém se kapalina nachází. Pokud se měření provádí v nádobách, u kterých se průřez s výškou nemění, je vyčíslení velmi snadné. Obtížnější z tohoto hlediska je měření např. v ležatých zásobnících, kde závislost objemu na výšce hladiny je dána nejen válcovým tvarem, ale i vyklenutím dna.

Kapaliny, suspenze a sypké materiály, s kterými přicházíme do styku se mohou značně odlišovat: od čisté vody ke kapalinám hořlavým, viskózním, lepkavým a korozivním až po suspenze s abrasivními účinky; od jemných volně tekoucích prášků až po vlhké a spékající se hrudkovité sypké látky. Rovněž okolní prostředí, ve kterém pracují snímače hladiny může být značně rozdílné - od vakua až po vysoké tlaky při různých teplotách. Tato různorodost požadavků se odráží ve velkém počtu měřicích metod a přístrojů, které byly vyvinuty pro měření stavu hladiny. Volba vhodné metody je ovlivněna celou řadou faktorů. Jsou to hlavně tlak (otevřené, uzavřené nádoby), teplota, korozivní účinky měřeného média, rozsah a citlivost, potřeba plynulého měření či indikace mezních stavů atd.

Pro vizuální sledování stavu hladiny se nejčastěji používá průhledových stavoznaků se skleněnou trubicí nebo průzorů. Jejich hlavní předností je jednoduchost, nevýhodou je nutnost častého čištění od rzi a dalších nečistot, které se na skle usazují. Průzorů lze použít i pro vysoké tlaky až do 10 MPa. Jejich nevýhodou je i to, že neposkytují signál pro další zpracování.

Přístroje pro měření stavu hladiny můžeme rozdělit do tří hlavních skupin:

·     stavoznaky mechanické,

·     stavoznaky hydrostatické,

·     stavoznaky elektrické.

4.4.1  Mechanické hladinoměry

Pro otevřené nádrže se používají plovákové hladinoměry. Pohyb plováku, který plave na hladině měřené kapaliny, je vyveden z nádrže přes kladku lankem nebo řetízkem, obvykle ve spojení s protizávažím. Plovák zavěšený na lanku či řetězu je obvykle veden tak, aby nedocházelo k jeho rozkývání při neklidné hladině. Výška hladiny, tj. poloha plováku se určuje buď přímo odečtením polohy protizávaží na podložené stupnici, nebo se převádí na elektrický signál pomocí převodníku.

Vhodným převodníkem může být odporový vysílač mechanicky spojený např. s kladkou plo­vákového snímače. Odporový vysílač je speciálně uzpůsobený měřicí potenciometr, u něhož se působením měřené veličiny mění poloha kontaktu (jezdce), který se posouvá po odporové dráze. Snímače tohoto typu jsou jednoduché a spolehlivé. Musí být dokonale mechanicky provedeny, aby vykazovaly malý třecí moment a dlouhou životnost.

V uzavřených nádržích se používá plováku obvykle ve tvaru prstence, jehož pohyb je usměrněn pomocí vodicí tyče. Poloha plováku je snímána např. prostřednictvím jednoho či několika magnetických spínačů (obr. 4.47 vpravo). Plovákové hladinoměry se používají i pro měření hladiny v tlako­vých nádobách. Pohyb plováku, který bývá v těchto případech upevněn na rameni páky, se vyvádí z tlakového prostoru např. magnetic­kou spojkou (obr. 4.47 vlevo).

Přesnost měření je dána především tvarem plováku a jeho průřezem, pasivními odpory v převodovém mechanismu a změnami hustoty měřené kapaliny. Tvar plováku by měl být takový, aby neobsahoval pokud možno žádné horizontální plochy, na kterých se mohou udržovat kapky kapaliny a usazovat případné nečistoty. To pak vyvolává změnu hmoty plováku, a tím i změnu jeho ponoření. Plováky, určené pro tlakové prostory, mají nejčastěji kulový tvar a v některých případech bývají naplněny inertním plynem na tlak odpovídající maximálnímu tlaku v nádrži.

Hladinoměry s ponorným tělesem jsou založeny na platnosti Archimedova zákona a pracují na principu vyrovnání sil. Princip je patrný z obr. 4.48. Ponorné těleso 1 válcového tvaru je zavěšeno na pružině 2. Síla působící na pružinu je dána vlastní tíhou tělesa, zmenšenou o sílu vztlakovou. Změnou výšky hladiny o  Dh  se změní vztlaková síla a dojde k ustavení nové rovnováhy sil v jiné poloze tělesa. Pro rovnováhu ponorného tělesa pak platí

kde je  S  průřez ponorného tělesa,  Dh  změna výšky hladiny,  Dl  změna polohy tělesa a tedy i změna stlačení pružiny,  r  hustota kapaliny,  k  konstanta pružiny.

Obr. 4.48  Ponorné těleso	Obr. 4.49  Spojení ponorného tělesa s jádrem diferenčního transformátoru

Z rovnice (4.48) vyplývá, že při měření hladiny musí být konstantní hustota měřené kapaliny. Délka ponorného tělesa pro daný měřicí rozsah nesmí být menší než hodnota výrazu (Dh - Dl).  Tíha tělesa musí být větší než vztlak při plném ponoření.

Zdvih ponorného tělesa při maximální změně hladiny měřené kapaliny je poměrně malý. Způsob, jakým se snímá změna polohy tělesa, závisí na typu dálkového přenosu. Převod polohy na elektrický signál s využitím diferenčního transformátoru je znázorněn na obr. 4.49. Diferenční transformátor je příkladem indukčnostního snímače. Na trubce z nemagnetického materiálu je navinuto primární a sekundární vinutí. Sekundární vinutí je vinuto od poloviny opačným směrem. Uvnitř uzavřené trubky se pohybuje železné jádro, které je mechanicky spojeno s ponorným tělesem zavěšeným na pružině. Změnou polohy jádra, ke které dochází změnou měřené veličiny, se mění koeficient vzájemné indukčnosti mezi primárem a sekundárem. Maximálního rozdílu se dosáhne při zasunutí jádra přesně do poloviny cívky. Tímto způsobem je možno měřit hladinu i v uzavřených tlakových nádobách. Z tlakových prostorů se pohyb tělesa vyvádí rovněž torzní trubkou, která vedle kompenzačního momentu plní i funkci dokonalé ucpávky. Pohyb konce torzní trubky se převádí na pneumatický nebo elektrický signál.

4.4.2  Hydrostatické hladinoměry

Výška hladiny  h  se vyhodnocuje z hydrostatického tlaku  p  sloupce kapaliny v nádrži.

Z rovnice (4.49) vyplývá, že výsledek měření závisí na hustotě  r  a tedy i na teplotě kapaliny.

Často používanou metodou, zvláště pro měření agresivních, silně znečištěných a viskózních kapalin je metoda probublávací (provzdušňovací, pneumatická). Tzv. pneumatický stavoznak je znázorněn na obr. 4.51. Trubkou přivedenou ke dnu nádrže, proudí stále malé množství vzduchu nebo jiného neutrálního plynu. Unikající vzduch musí překonat hydrostatický tlak kapaliny. Je-li průtok vzduchu tak malý, aby bylo možno zanedbat odpor trubky, pak přetlak v systému, měřený vhodným tlakoměrem, bude úměrný výšce hladiny. V přívodním potrubí pro vzduch je zařazen regulátor 3, který udržuje konstantní průtok vzduchu bez ohledu na velikost hydrostatického tlaku.

text k obrázku

Stejného způsobu lze použít i pro uzavřené nádoby (obr. 4.51b), pokud napájecí tlak je vyšší než tlak v nádobě. K měření je pak zapotřebí vhodný diferenční tlakoměr.

4.4.3  Elektrické hladinoměry

V této skupině přístrojů uvedeme hladinoměry využívající změn kapacity a odporu, dále pak hladinoměry ultrazvukové, radarové a izotopové.

4.4.3.1  Kapacitní hladinoměry

Kapacitní hladinoměry převádějí měření hladiny na měření kapacity. Těchto snímačů se používá jak ke kontinuálnímu měření, tak i k signalizaci mezních stavů hladiny kapalin i sypkých hmot. Konstrukce snímače závisí jednak na vlastnostech měřeného média, jednak na tvaru nádoby. U kapalin elektricky nevodivých se využívá kapacitního snímače, u něhož dochází ke změně dielektrika. Principiální schéma je znázorněno na obr. 4.52.

Celková kapacita je dána součtem dvou dílčích kapacit C_A  a C_B

kde je  e_A  permitivita posuvného dielektrika,  e_B  permitivita vzduchu,  a  šířka desky. Význam ostatních symbolů je zřejmý z obr. 4.52. Po úpravě vztahu (4.50) dostaneme

Při měření hladiny tvoří nevodivá kapalina "posuvné" dielektrikum. Průběh statické charakteristiky snímače je znázorněn na obr. 4.52 vpravo. V praxi může jednu elektrodu snímače tvořit např. svislá tyč, druhou představuje stěna nádoby. Dielektrikem je nevodivá kapalina, která při změně výšky hladiny zaplavuje elektrodu. V případě, že nádoba má nevhodný tvar, nebo je nádoba vyrobena z nevodivého materiálu, používá se jako druhé elektrody děrované trubice, obklopující tyčovou elektrodu.

Při měření elektricky vodivých kapalin (obr. 4.53) je kovová tyčová elektroda opatřena izolačním povlakem například z teflonu, který tvoří dielektrikum. Vodivá kapalina pak představuje druhou elektrodu, jejíž plocha je závislá na výšce hladiny. Snímače pro signalizaci mezních stavů bývají zabudovány ve svislé stěně zásobníku. Přesnost měření v obou případech ovlivňuje vodivá vrstva kapaliny, pěny nebo nánosů ulpívajících na povrchu snímačů.

K vyhodnocení změn kapacity se používá metody přímé, substituční, rezonanční anebo některého můstkového zapojení. S měřicím obvodem se kapacitní snímač, který má obvykle velkou impedanci, spojuje speciálním měřicím kabelem. U současně vyráběných snímačů bývají elektronické vyhodnocovací obvody zabudovány přímo v připojovací hlavici snímače. Snímač pak poskytuje analogový nebo číslicový signál vhodný pro dálkový přenos a další zpracování.

4.4.3.2  Vodivostní hladinoměry

Vodivostní hladinoměry jsou tvořeny elektrodami umístěnými v nádrži s vodivou kapalinou. Měří se změna elektrického odporu (resp. vodivosti) se změnou výšky hladiny. Přesnost je silně závislá na změnách složení, vodivosti i teplotě média. Vodivostních snímačů se používá zejména k signalizaci mezních stavů a k dvouhpolohové regulaci. Ukázka umístění vodivostních snímačů hladiny v provozních nádržích je na obr. 4.54.

4.4.3.3  Ultrazvukové hladinoměry

Princip ultrazvukových hladinoměrů je založen na měření dráhy ultrazvukového impulsu mezi vysílačem a přijímačem. Nejčastěji se měří tak, že se ultrazvukový impuls odráží od fázového rozhraní a měření délky dráhy se převádí na měření času. Na obr. 4.55 je nakresleno zjednodušené schéma ultrazvukového hladinoměru. Senzor stavu hladiny tvoří:

·         generátor a vysílač ultrazvukového signálu

·         přijímač ultrazvuku a zesilovač signálu

·         elektronické vyhodnocovací zařízení

kde je  c  rychlost šíření ultrazvuku v daném prostředí (m.s^-1),  t  naměřený čas (s),  L  vzdálenost hladiny od snímače (m),  L_max  výška nádrže.

Údaj ultrazvukového hladinoměru je ovlivňován hustotou a teplotou prostředí, přítomností míchadla, tvarem a kvalitou povrchu fázového rozhraní, přítomností pěny i činností míchadla. Poněvadž rychlost ultrazvuku závisí na hustotě a tedy i na teplotě prostředí, bývají přesné ultrazvukové hladinoměry vybaveny příslušným korekčním obvodem. Korekci je možno provádět na základě měření teploty. Výstupní signál je zpracován v analogové nebo číslicové formě elektronickými obvody. Při měření kapalin lze určit hladinu s chybou ±2 mm.

Bude-li docházet ke změnám hustoty prostředí i z jiných příčin než je změna teploty, je možno aplikovat ultrazvukový hladinoměr s automatickou korekcí, který je vybaven referenčním prvkem např. ve tvaru U, který vymezuje pevnou referenční vzdálenost (obr. 4.56). Elektronický obvod změří jednak dobu, kterou potřebuje ultrazvukový signál pro překonání referenční vzdálenosti a jednak dobu pro vzdálenost k hladině a zpět. Čas pro překonání referenční vzdálenosti slouží pro výpočet rychlosti ultrazvuku v daném prostředí. Výšku hladiny h stanoví elektronický obvod na základě znalosti vzdálenosti, naměřené při nulovém stavu hladiny. Informace o stavu hladiny získané touto měřící metodou nezávisí na změnách rychlosti ultrazvuku v prostředí nad hladinou.

4.4.3.4  Radarové hladinoměry

kde je  c  rychlost šíření mikrovln (m.s^-1),  t  naměřený čas (s),  L  vzdálenost hladiny od snímače (m),  L_max výška nádrže.

Při této tzv. pulsní metodě je mirkovlnný signál vysílán periodicky v krátkých intervalech. Metoda je velmi náročná na přesnost měření času, protože se jedná o časové intervaly řádově v pikosekudnách . Vhodnější je tzv. frekvenční metoda, založená na vysílání spojitého signálu s proměnnou frekvencí (obr. 4.58). Vysílaný signál mění plynule svoji frekvenci od  f_min do f_max. Ze známé rychlosti přelaďování a změřených hodnot frekvencí vyslaného a přijatého signálu v čase t₁ je možno vypočítat vzdálenost odpovídající výšce hladiny. Ze zjištěné diference frekvence  Df = f₁ – f₀  se stanoví odpovídající  Dt = t₁ – t₀  a vypočte se vzdálenost hladiny. Hlavní předností frekvenční metody je, že frekvenční rozdíl lze měřit velmi přesně, a to umožňuje stanovit výšku hladiny s přesností až ±1 mm.

Složení atmosféry nemá vliv na rychlost šíření mikrovln, ale při vysoké koncentraci par může docházet k útlumu signálu. Pro aplikaci radarových snímačů je důležitá znalost relativní permitivity  e_r  měřeného média. Materiál s nízkou permitivitou má vyšší propustnost pro elektromagnetické záření, a proto velký podíl záření proniká rozhraním. Pro úspěšnou aplikaci se obecně požaduje, aby  e_r >2.

Elektronické vyhodnocovací zařízení radarových snímačů spolu s příslušným programovým vybavením umožňuje odlišit parazitní odrazy od stěn, vnitřních částí aparatur či míchadel. Radarové snímače vykazují vysokou přesnost a spolehlivost i ve velmi náročných provozních podmínkách (vysoká teplota, tlak, agresivní prostředí). Jsou vhodné i pro měření vysoce viskózních a lepivých médií, pro pasty a kaly, pro zkapalněné plyny i těkavé a agresivní kapaliny. Nevýhodou je poměrně vysoká cena zařízení a nevhodnost aplikace pro kapaliny s nízkou permitivitou.

4.4.3.5  Izotopové hladinoměry

Izotopové hladinoměry využívají skutečnosti, že intenzita radioaktivního záření klesá úměrně s tloušťkou vrstvy materiálu mezi zářičem a detektorem. Jejich nevýhodou je nutnost ochrany obsluhy před účinky radioaktivního ozáření. Aplikace těchto přístrojů přichází proto v úvahu tehdy, když není možno užít jiných metod, tj. např. při měření látek silně agresivních, viskózních, při extrémně vysokých tlacích a teplotách. Na obr. 4.59a je ukázána jedna z možností provedení izotopového hladinoměru. Radioaktivní zářič 1 je uložen v ochranném pouzdru ve spodní části pomocné trubky 2, propojené s nádrží. V horní části trubky je umístěn detektor 3. Jako zdrojů gama-záření se používá izotopů s relativně dlouhým poločasem rozpadu (např. Co 60 či Cs 137), aby nebylo zapotřebí provádět často kalibraci. Gama-paprsky silně pronikají materiálem, ale nemají schopnost jej aktivovat (vyvolávat jeho radioaktivitu), a proto je lze používat pro účely měření a to i v potravinářském průmyslu. Důležitou předností použití gama-paprsků pro měření hladiny kapalin a sypkých látek je možnost použití zářiče i přijímače vně stěn zásobníku. Detektorem bývá zpravidla Geiger-Müllerova trubice nebo scintilační detektor. Obr. 4.59b ukazuje zařízení pro signalizaci mezního stavu násypu sypké látky. Zářič v ochranném pouzdře i detektor jsou instalovány na vnějším plášti zásobníku.

4.4.4  Výběr vhodného typu snímače hladiny

Při výběru vhodného typu snímače pro konkrétní provozní aplikaci je zapotřebí brát v úvahu:

·         fyzikální a chemické vlastnosti měřeného média

·         charakter okolního prostředí a podmínky měření

·         požadavek na spojité či nespojité snímání stavu hladiny

·         specifikace účelu měření

-   signalizace mezních stavů

-   regulace stavu hladiny

-   zjišťování množství náplně (bilanční měření)

·         měřicí rozsah

·         požadavek na přesnost měření

·         ekonomické náklady na zařízení