Aktuální vydání

celé číslo

08

2018

MSV 2018 v Brně

celé číslo

Měření výšky hladiny kapacitní metodou v praxi

Automa 5/2001

Ing. Jiří Techl, ZPA EKOREG spol. s r. o.

Měření výšky hladiny kapacitní metodou v praxi

V první části článku je popsán princip měření výšky hladiny kapacitní metodou.
V druhé části jsou uvedeny možnosti použití kapacitní metody, s popisem a rozborem jednotlivých faktorů určujících volbu vhodného typu kapacitní elektrody a její umístění v měřeném prostoru.

Jednou z klasických metod měření výšky hladiny je kapacitní metoda. Tato metoda, založená na elektrickém principu, má univerzální použití. Umožňuje limitní i kontinuální měření výšky hladiny elektricky vodivých i nevodivých zrnitých, sypkých a kapalných látek s různými vlastnostmi.

Měřené látky se pro použití kapacitní metody rozdělují na základě hodnoty měrného elektrického odporu na:

  • látky elektricky vodivé – měrný elektrický odpor je menší než 1·105 W·m
  • látky elektricky nevodivé – měrný elektrický odpor je větší než 1·105 W·m.

Při měření výšky hladiny látek elektricky nevodivých kapacitní metodou se vyhodnocuje změna kapacity mezi neizolovanou kapacitní elektrodou, zasahující do měřeného prostoru, a elektricky vodivou protielektrodou (stěna měřeného prostoru, protielektroda) v závislosti na výšce hladiny měřené látky.

Je-li měřený prostor prázdný, je dielektrikem vzduch s dielektrickou konstantou přibližně rovnou jedné a kapacita měřeného prostoru je minimální. V závislosti na plnění měřeného prostoru a obklopení kapacitní elektrody měřenou látkou, jejíž dielektrická konstanta je větší než jedna, kapacita vzrůstá.

Při měření výšky hladiny látek elektricky vodivých tvoří dielektrikum izolace na kapacitní elektrodě. Vyhodnocuje se změna kapacity mezi izolovanou kapacitní elektrodou a elektricky vodivou protielektrodou, která je v kontaktu s měřenou látkou.

Vzniklé změny kapacity se vyhodnocují v limitních nebo kontinuálních měřičích kapacity.

Kapacitní elektrody, které se používají pro měřiče kapacity, se dělí na dva základní typy: tyčové a závěsné, které jsou izolované nebo neizolované. Použití kapacitního měření výšky hladiny je určováno výškou měřeného prostoru, možností montáže a umístění elektrody, druhem měření (limitní nebo kontinuální), chemickou agresivitou a vlastnostmi měřené látky. Vlastní konstrukce kapacitní elektrody závisí na mechanickém namáhání, zejména na tahovém zatížení elektrody, a na velikosti tlaku a teploty v měřeném prostředí.

Pro nejrůznější aplikace je používána celá typová řada kapacitních elektrod.

Možnosti použít kapacitní metodu pro limitní nebo kontinuální měření výšky hladiny závisí na řadě faktorů, které vyplývají z vlastností měřené látky a charakteristiky měřeného prostoru. Jednotlivé faktory určují volbu vhodného typu kapacitní elektrody a její umístění v měřeném prostoru.

1. Limitní měření

1.1 Vlastnosti měřené látky

1.1.1 Elektrická vodivost
Podle elektrické vodivosti se používá izolovaná elektroda u látek elektricky vodivých nebo neizolovaná u látek nevodivých.

1.1.2 Dielektrická konstanta
Dielektrikum představují pouze látky elektricky nevodivé, u kterých je pro kapacitní měření třeba znát velikost jejich dielektrické konstanty. Dielektrická konstanta určuje velikost spínací diference. Podle velikosti dielektrické konstanty měřené látky lze pro kapacitní elektrodu stanovit potřebnou délku obklopení elektrody měřenou látkou ve svislé pracovní poloze nebo potřebnou celkovou délku elektrody ve vodorovné pracovní poloze.

Lze měřit i směsi látek, jejichž složení se mění a jejichž jednotlivé složky mají rozdílné dielektrické konstanty. Bude se však měnit spínací diference, a proto je třeba záležitost posoudit pro každý jednotlivý případ.

Při měření kapalných látek s malou dielektrickou konstantou lze kapacitní elektrody umístit do trubky jako koncentrické protielektrody. Dosáhne se tím větší změny kapacity při změně výšky hladiny. Při měření zrnitých a sypkých látek s malou dielektrickou konstantou se použije elektroda v podobě tyče nebo desky umístěné co nejblíže kapacitní elektrody, nebrání-li tomu jiné důvody.

1.1.3 Chemické vlastnosti
Chemické vlastnosti měřených látek, především jejich agresivita, jsou určující pro výběr materiálu neizolované kapacitní elektrody nebo použití izolované kapacitní elektrody. Druh izolace se volí podle agresivních účinků. Při velké agresivitě měřené látky lze k signalizaci maximální úrovně hladiny použít bezdotykové snímání.

1.1.4 Teplota
Tam, kde je nutné použít izolovanou kapacitní elektrodu, ovlivňuje maximální teplota měřené látky volbu druhu použité izolace.

1.1.5 Abraze
Abrazivním účinkům měřených zrnitých nebo sypkých látek a rovněž kapalných látek obsahujících abrazivní pevné částice je nutné přizpůsobit typ kapacitní elektrody. Tam, kde je nutné použít izolovanou kapacitní elektrodu, je třeba zvolit vhodný druh izolace odolávající otěru. Umístění kapacitní elektrody při měření abrazivních látek se volí tak, aby se elektroda při plnění nebo vyprazdňování měřeného prostoru nenacházela v proudu měřené látky.

1.1.6 Granulace
Se změnou granulace měřených zrnitých látek se mění tzv. činitel plnění. Tím se částečně mění spínací diference.

1.1.7 Vlhkost
Změna vlhkosti měřených zrnitých nebo sypkých elektricky nevodivých látek ovlivňuje jejich měrný odpor. V závislosti na změně vlhkosti se částečně mění spínací diference.

Změna vlhkosti může způsobit zmenšení granulace měřené látky, např. drolením, nebo naopak zvětšení granulace měřené látky, např. slepováním. Uvedenými změnami se mění činitel plnění – viz bod 1.2.6.

1.1.8 Viskozita
Při měření kapalných látek o velké viskozitě se použije izolovaná kapacitní elektroda s antiadhezivním povrchem. Viskozitě je nutné přizpůsobit též instalaci kapacitní elektrody.

Pro signalizaci maximální úrovně hladiny je možné aplikovat bezdotykové snímání.

1.1.9 Tvoření pěny
Některé kapalné látky vytvářejí na svém povrchu pěnu, která se v průběhu technologického procesu může měnit. Může se měnit výška pěny i kvalita pěny nebo její složení.

Při signalizaci maximální úrovně hladiny je požadováno snímat hladinu pěny nebo hladinu kapaliny. Podle příslušného požadavku se nastavuje odpovídající citlivost snímání.

1.1.10 Kondenzace
Někdy se nad měřenou kapalnou látkou vytvářejí páry, které kondenzují a mohou na povrchu elektrod vytvořit vodivé kondenzáty. Použije-li se u izolované kapacitní elektrody izolace s antiadhezivním povrchem, vliv kondenzace se zmenší. V některých aplikacích lze též snížit citlivost snímání.

1.1.11 Vzlínavost
Vzlínavost měřené kapalné látky limitní měření neovlivní.

1.1.12 Tvoření nálepů a usazenin
Tvoření nálepů a usazenin se projevuje především u práškových, hygroskopických a kašovitých látek. Tyto látky mají nejen vlastní dobrou soudržnost, ale i velkou přilnavost k ostatním materiálům. Následkem toho se tyto látky v různě silné vrstvě usazují na stěnách měřeného prostoru a rovněž na elektrodě. Tloušťka vrstvy se může časem měnit. Uvedené vlastnosti ovlivní instalaci kapacitní elektrody a volbu vhodného typu. Používá se především svislé umístění elektrody. Je-li nutné umístit kapacitní elektrodu z boku do měřeného stěny prostoru, umístí se s odklonem dolů a volí se elektroda větší délky, umožňující pracovat s nižší citlivostí. U silně ulpívajících látek se používá speciální kapacitní elektroda s odizolovaným krkem. Pro signalizaci maximální výšky hladiny lze použít bezdotykové snímání.

1.1.13 Tvoření násypného a výsypného kužele, svahu, klenby
Tvoření násypného a výsypného kužele, svahu nebo klenby se projevuje u zrnitých nebo sypkých látek a je závislé na způsobu plnění a vyprazdňování měřeného prostoru a na vlhkosti těchto látek. Tento stav ovlivňuje volbu vhodného typu kapacitní elektrody, především z hlediska mechanického namáhání, a její instalaci v měřeném prostoru.

1.2 Charakteristika měřeného prostoru

1.2.1 Uspořádání, tvar, konstrukce, rozměry
Uspořádání, tvar, konstrukce, rozměry určují umístění kapacitní elektrody v měřeném prostoru a volbu vhodného typu kapacitní elektrody.

1.2.2 Materiál
Pro měření je podstatné, zda bude možné využít stěnu měřeného prostoru jako protielektrodu. Je tedy třeba znát, zda je stěna z elektricky vodivého materiálu.

Skládá-li se z více vrstev, z nichž alespoň jedna je elektricky vodivá, je stěna považována za elektricky vodivou a je možné ji využít jako protielektrodu. To znamená, že stěnu lze jako pritielektrodu využít i tam, kde je vnitřní plocha stěny izolována elektricky nevodivou vrstvou, např. smaltem, pryží nebo plasty.

V případě, že stěna měřeného prostoru je z elektricky nevodivého materiálu, používá se protielektroda instalovaná do měřeného prostoru souběžně s kapacitní elektrodou.

Při měření ve volném měřeném prostoru (např. na volných skládkách) lze jako protielektrodu využít potenciál země.

1.2.3 Tlak
Podle velikosti tlaku v měřeném prostoru se volí příslušný typ kapacitní elektrody a způsob instalace.

1.2.4 Technologie
Technologický proces (např. míchání, čeření, provzdušňování, způsob plnění a vyprazdňování) včetně instalovaného technologického zařízení uvnitř měřeného prostoru ovlivňuje volbu vhodného typu kapacitní elektrody a způsob její instalace.

2. Kontinuální měření

2.1 Vlastnosti měřené látky

2.1.1 Elektrická vodivost
Při měření elektricky vodivých látek je nutné z funkčních důvodů používat izolovanou kapacitní elektrodu. Rovněž při měření elektricky nevodivých hygroskopických látek, tj. látek, které přijímají vodu a tím se mění jejich vodivost, se volí izolovaná kapacitní elektroda. Izolovaná kapacitní elektroda se použije také při měření elektricky nevodivých zrnitých nebo sypkých látek s proměnnou vlhkostí.

2.1.2 Dielektrická konstanta
Velikost dielektrické konstanty ovlivňuje, stejně jako u limitního měření, jen měření hladiny elektricky nevodivých médií. U těchto látek je nutným předpokladem správného měření stálost dielektrické konstanty. Nelze tedy měřit směsi látek, jejichž složení se mění a kde jednotlivé složky mají značně rozdílné dielektrické konstanty. Co se týče homogenních látek, je dielektrická konstanta většinou stálá.

Při měření kapalných, zrnitých nebo sypkých látek s malou dielektrickou konstantou se používá stejné uspořádání elektrod jako u limitního měření (1.1.2).

2.1.3 Chemické vlastnosti, teplota, abraze, granulace, vlhkost, viskozita
Vliv chemických vlastností média, teploty, abraze, granulace, vlhkosti a viskozity na výběr materiálu elektrody a její umístění je shodný jako u limitního měření (1.1.3 až 1.1.8). U kontinuálního měření bude změna vlhkosti ovlivňovat přesnost měření. Kontinuální kapacitní měření hladiny nelze použít u vodivých látek o velké viskozitě.

2.1.4 Tvoření pěny
Otázku možnosti použít kapacitní metody pro kontinuální měření výšky hladiny kapaliny s pěnou je nutné posuzovat v každém jednotlivém případě.

2.1.5 Kondenzace
Vliv kondenzace na měření je stejný jako u limitního měření (1.1.10)

2.1.6 Vzlínavost
Vzlínavost kapalných látek, především elektricky vodivých, může ovlivnit přesnost měření. Pro vyloučení tohoto vlivu se používá izolovaná kapacitní elektroda s antiadhezivním povrchem.

2.1.7 Tvoření nálepů a usazenin, násypného a výsypného kužele, svahu, klenby
Při měření látek tvořících nálepy a usazeniny je třeba použít, stejně jako u limitního měření, izolovanou kapacitní elektrodu s antiadhezivním povrchem. Opatření omezující vliv násypného a výsypného kužele, svahu a klenby jsou stejná jako u limitního měření.

2.2 Charakteristika měřeného prostoru

2.2.1 Uspořádání, tvar, konstrukce, rozměry
Při měření elektricky nevodivých látek je třeba dodržet souběžnost kapacitní elektrody se stěnou měřeného prostoru, slouží-li stěna jako protielektroda. V takovém případě bude závislost signálu a výšky hladiny lineární. Nelze-li tuto souběžnost zaručit, bude měření nelineární. Je-li třeba tuto nelinearitu odstranit, musí se do měřeného prostoru souběžně s kapacitní elektrodou instalovat protielektroda. Při měření kapalných látek může být protielektrodou koncentrická trubka.

Při měření zrnitých nebo sypkých látek může být protielektrodou ocelová tyč, ocelové lano nebo ocelový pás.

2.2.2 Materiál
Výběr protielektrody je stejný jako u limitního měření (1.2.2), je však nutné respektovat předchozí pokyny pro volbu protielektrody s ohledem na linearitu výstupu. Využití potenciálu země jako protielektrody u kontinuálního měření  není možné.

2.2.3 Tlak
Vliv tlaku je stejný jako u limitního měření (1.2.3).

2.2.4 Technologie
Technologický proces ovlivňuje kontinuální měření podobně jako limitní měření. Při měření zvlněných nebo zčeřených kapalných látek se pro integraci používá trubka, ve které je umístěna tyčová elektroda.

Nelze-li při měření kapalných látek umístit elektrodu do měřeného prostoru, volí se měření v trubce spojené s měřeným prostorem pomocí bočních odběrů.