Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Jak určit polohu mezihladiny (1. část)

Jürgen Lau
Dvě kapaliny v jedné nádrži? V mnoha technologických procesech – zejména při práci s ropou – funguje nádrž i jako separátor. A z jednoduchého měření polohy hladiny se náhle stává složitá měřicí úloha – neboť je třeba zjistit, kde jedna kapalina končí a druhá začíná. Měřit polohu rozhraní mezi kapalinami v nádrži je komplikované proto, že je při něm nutné přesně znát jak vlastnosti obou kapalin za běžného (ustáleného) stavu, tak i způsob, jakým se mění během příslušného (dynamického) procesu. Článek uvádí, co je třeba při měření polohy rozhraní mezi kapalinami (mezihladiny) vědět, aby dostupné měřicí metod poskytovaly optimální výsledky.
 
Two liquids in one tank? ln numerous processes – particularly those working with oil – the tank acts as a separator. All of a sudden, a simple level problem becomes complex measuring technology – for how do we know where one liquid stops and the other starts? Interface measurement is thus a complicated task since we need to know the exact properties of the two liquids in terms of how they are normally, and how they change during a (dynamic) process. This article examines what we need to know, and looks at where interface measurement works best and how we can achieve optimum results.
 

1. Úvod

 
Obsahuje-li nádrž dvě navzájem se nemísící kapaliny, vytvoří se na přechodu mezi nimi více či méně patrné rozhraní označované jako mezihladina. V převážné většině úloh, při nichž se měří poloha mezihladiny, jde o rozhraní mezi vodou a nějakou jinou kapalinou. Tou „jinou kapalinou“ je obvykle ropa či nějaký produkt získaný jejím zpracováním. Separací ropy, vody a písku začíná již samotný postup prvotního zpracování vytěžené surové ropy. Ačkoliv se může zdát, že jednodušší měření snad neexistuje, jsou požadavky kladené při jednotlivých úlohách velmi různorodé. Proč?
 
Důvody je třeba hledat ve značně proměnlivých fyzikálních vlastnostech kapalin a rozmanitosti požadavků na přesnost měření i způsobu provedení nádrží, s nimiž se lze u jednotlivých úloh v praxi setkat.
 
Která měřicí metoda je pro danou úlohu nejvhodnější? Odpověď závisí především na vlastnostech obou kapalin a na tom, zda tyto vlastnosti zůstávají konstantní, nebo zda se v během měření mění. Zejména jde o hustotu a relativní permitivitu (dielektrickou konstantu). Dalšími kritérii jsou znečištění kapaliny, tvorba úsad na snímači, požadavky na přesnost měření a vlastní charakter rozhraní – mezi kapalinami je jasná dělicí čára (rovina), nebo smíšená přechodová zóna (emulze)?
 
Na následujících několika málo stránkách se s použitím uvedených kritérií blíže podíváme na většinu běžně používaných měřicích principů, a to včetně reflektometrického (radar s vedenou vlnou), který se jako moderní způsob měření prosazuje v posledních několika letech. Nicméně ale začneme starým dobrým vztlakovým hladinoměrem.
 

2. Vztlakové hladinoměry

 

2.1 Princip činnosti

Vztlakový snímač polohy hladiny kapaliny nebo rozhraní mezi kapalinami je založen na principu měření vztlakové síly působící na těleso ponořené do kapaliny. Tato síla je rovna tíze kapaliny vytlačené tělesem. Válcové vztlakové těleso s délkou odpovídající požadovanému měřicímu rozsahu snímače je ponořeno do kapaliny (obr. 1). Změna účinné tíhy vztlakového tělesa je rovna tíze vytlačené kapaliny.
 

2.2 Klasický vztlakový hladinoměr s „celorozsahovým“ ponorným tělesem

Při měření polohy mezihladiny vztlakovým hladinoměrem se využívá rozdíl mezi hustotami dvou sousedících kapalin. Je-li vztlakové těleso zcela ponořeno do kapaliny s větší hustotou, odpovídá jeho účinná tíha vytlačenému objemu kapaliny s větší hustotou. Je-li vztlakové těleso zcela ponořeno do kapaliny s menší hustotou, odpovídá jeho účinná tíha vytlačenému objemu kapaliny s menší hustotou.
 
Rozdíl mezi účinnou tíhou vztlakového tělesa při jeho úplném ponoru v uvažovaných kapalinách je veličinou použitelnou ke stanovení polohy rozhraní mezi kapalinami. Vztlakové těleso určené k měření polohy mezihladiny musí být zcela ponořeno. Vyčnívá-li nad hladinu v nádrži, je výsledkem velká chyba.
 
Nejistota měření je přímo úměrná změně hustoty kapalin. Jakýkoliv nános na vztlakovém tělese bude mít vliv na vytlačený objem kapaliny, a tudíž negativní dopad na nejistotu. Základní přednosti a nedostatky klasického měření z hlediska polohy mezihladiny jsou shrnuty v tab. 1.
 

2.3 Motorizované „pohyblivé“ vztlakové těleso

Délka klasického vztlakového tělesa musí být nejméně rovna měřicímu rozsahu snímače. Statické těleso poskytuje jediný údaj, jehož intepretace závisí na kapalinách v nádrži.
 
Elegantní malé vztlakové těleso servomechamického hladinoměru (odtud označení„Proservo“, použité společností Endress+Hauser) pohybující se nahoru a dolů změří postupně polohu hladiny, hustotu a polohu mezihladiny.
 
Nevelké vztlakové těleso je zde pomocí servomotoru přesně nastavováno do učité polohy v kapalině. Těleso je zavěšeno na měřicím lanku navinutém na jemně drážkovaném bubnu umístěném uvnitř pouzdra přístroje. Buben je poháněn prostřednictvím magnetické spojky s permanentními magnety umístěné v tělese bubnu. Vnější magnety spojky jsou připevněny k bubnu a vnitřní k jeho hnací hřídeli (motoru snímače). Při otáčení hřídele s vnitřními magnety se vlivem magnetických sil otáčejí i vnější magnety a s nimi celý buben.
 
Tíha vztlakového tělesa na lanku vytváříbkrouticí moment pohybující bubnem s vnějšímibmagnety a způsobující změny magnetickéhobtoku mezi oběma částmi spojky. Tytobzměny jsou detekovány zvláštním elektromagnetickýcmbsnímačem na vnitřním magnetu.bHnací motor potom natáčí buben tak, abybelektrické napětí vznikající v důsledku změnbmagnetického toku ve spojce bylo v rovnováze s referenčním napětím odvozeným z řídicího povelu (obr. 2).
 
Pohybuje-li se vztlakové těleso směrem dolů a dotkne se kapaliny, jeho účinná tíha v důsledku působení vztlaku v kapalině poklesne. Tím se změní krouticí moment působící na magnetickou spojku. Změna je snímána pěti soupravami Hallových snímačů (patentované čipy), které jsou teplotně kompenzované. Signál indikující polohu vztlakového tělesa vzhledem k hladině je veden do řídicí jednotky motoru. Jestliže se hladina pohne, jedno zda směrem nahoru nebo dolů, motor vždy příslušně obnoví polohu vztlakového tělesa vzhledem k hladině. Stejně toto funguje na mezihladině (mezihladinách). Natočení bubnu s měřicím lankem je měřeno natolik přesně, že polohu hladiny (mezihladiny) lze určit s nejistotou až ±0,7 mm.
 
Základní přednosti, nedostatky a typické oblasti použití přístroje při měření polohy mezihladiny jsou shrnuty v tab. 2.
 

3. Reflektometrický hladinoměr

(radar s vedenou vlnou, Time Domain Reflectometry – TDR)
 

3.1 Základní uspořádání

Podél kovové tyče nebo ocelového lana umístěných vertikálně v nádrži je vyslán velmi krátký mikrovlnný pulz o frekvenci v rozsahu od 0,3 do 1,5 GHz. Pulz putuje z místa, z něhož byl vyslán, směrem ke konci tyče nebo lana. Elektromagnetické pole provázející pulz sahá do vzdálenosti asi 300 mm okolo tyče. Při použití koaxiálního kabelu nebo při instalaci v uklidňovací trubce je elektromagnetické pole soustředěno mezi středový vodič a kovový obal.
 
Ve vakuu se mikrovlnný pulz šíří rychlostí rovnou rychlosti šíření světla. Rychlost šíření pulzu v elektricky nevodivém médiu závisí v praxi na hodnotě relativní permitivity εr média (známé také jako dielektrická konstanta). Vakuum má εr = 1 a jedničce se blíží i εr vzduchu při malém tlaku (vzduch při absolutním tlaku 1 013 hPa má εr = 1,000 633). V průmyslové praxi se tudíž předpokládá rychlost šíření mikrovlnného pulzu ve vzduchu c = 300 000 km/s.
 

3.2 Odraz na rozhraní plynné a kapalné fáze

Každá náhlá změna elektrické impedance podél tyče zapříčiní odraz mikrovlnného pulzu. U elektricky vodivých kapalin jde o odraz totální. V případě kapalin elektricky nevodivých závisí stupeň odrazu na hodnotě εr kapaliny (obr. 4). Neodražená část energie pulzu proniká hladinou kapaliny a zeslabený pulz pokračuje ve svém pohybu podél tyče. Už se však nepohybuje rychlostí světla. Místo toho zpomalí na rychlost v = cεr–1/2. Například ropa s εr = 2 zmenší rychlost šíření pulzu z hodnoty c = 300 000 km/s na rychlost v = 212 000 km/s. Vzdálenost d celkové hladiny (povrchu) kapaliny v nádrži od vysílače/přijímače pulzu se určí s použitím odrazu pulzu na rozhraní plynu a kapaliny z celkové doby letu t pulzu podle vztahu d = ct/2.
 

3.3 Odraz na rozhraní mezi kapalinami (mezihladině)

Stejné zákony odrazu jako v plynné fázi platí i pro pulz pokračující v pohybu kapalinou. Náhlá změna (impedance, vodivosti nebo εr) zapříčiní odraz. Je-li dolní z kapalin vodivá nebo má-li εr mnohem větší než horní kapalina, pulz se od jejich rozhraní odrazí. Situace je schematicky znázorněna na obr. 5. Tloušťka vrstvy horní z obou kapalin musí být ovšem natolik velká, aby bylo možné jasně rozlišit oba částečné odrazy vyslaného pulzu. S přístrojem Levelflex od společnosti Endress+Hauser (obr. 6) lze díky použitému speciálnímu zpracování odraženého signálu pomocí dekonvoluce detekovat mezihladinu od tloušťky vrstvy pouhých 60 mm (obr. 7).
 
Je-li rozhraní mezi kapalinami nezřetelné, tj. tvoří-li mezihladinu vrstva emulze, odrazivost mezihladiny klesá (obr. 8). Emulzní vrstvy tloušťky větší než 50 mm mohou pulz zcela pohltit. Taková mezihladina obvykle není shora viditelná. Protože přístroj Levelflex ukazuje intenzitu signálu odraženého od mezihladiny, může jeho uživatel zjistit, s jakou spolehlivostí měří.
 

3.4 Nejistota

Poloha celkové hladiny kapaliny se určí na základě odrazu pulzu od hladiny z celkové doby jeho letu. Výšku sloupce horní ze dvou kapalin v nádrži lze zjistit z rozdílu dob letu prvního a druhého odraženého pulzu (na mezihladině s dolní z kapalin). Ovšem jen tehdy, vezme-li se v úvahu menší rychlost šíření pulzu v kapalině.
 
Skutečností je, že následkem opatření uskutečňovaných za účelem zrychlit separaci – a tak optimalizovat technologický proces – je často změna hodnoty εr. Při výpočtu výšky sloupce horní z kapalin v nádrži jsou fluktuace relativní permitivity přímým zdrojem chyb měření. Změní-li se její hodnota z εr = 2 na εr = 3, klesne rychlost šíření pulzu z 212 000 km/s na 173 000 km/s, tj. o 18 %. Taková by byla i chyba při výpočtu výšky sloupce horní z kapalin, a tudíž i polohy mezihladiny v nádrži (obr. 9).
 
Základní přednosti, nedostatky a typické oblasti použití reflektometrického hladinoměru při měření polohy mezihladiny jsou shrnuty v tab. 3.
 

3.5 Detekce vody u dna nádrže

Jde o speciální typ měření polohy mezihladiny ve velkých nádržích na skladování kapalných uhlovodíků, kde je třeba velmi přesně stanovovat polohu hladiny (objem) vody nashromážděné u dna nádrže. Do nádrže se obvykle lze dostat pouze shora. Mikrovlnný pulz by tudíž měl proniknout celým sloupcem skladované kapaliny. Při výšce hladiny 20 m a více nade dnem nádrže ale kapalina pulz zcela pohltí. Současně je tato metoda málo přesná. Při dlouhé dráze pulzu skladovanou kapalinou mají i malé fluktuace εr média za následek velkou chybu v určení polohy jeho rozhraní s vodou v nádrži. Například nerozpoznaná změna z εr = 2 na εr = 2,05 způsobí při výšce sloupce skladovaného média 20 m chybu v určení polohy hladiny vody u dna nádrže o velikosti 254 mm.
 
Tato měřicí úloha spadající do oblasti přesného měření hladiny produktu (Tank Gauging) se obvykle řeší pomocí kapacitní sondy potřebné délky (obvykle 500 až 1 000 mm), která je umístěna na konci vícebodového teploměru a průběžně měří změnu kapacity způsobenou posunem dělicí vrstvy mezi produktem (εr < 4) a vodou (εr > 50).
 
Pro spolehlivé měření musí být εr spodní vrstvy desetkrát větší než εr produktu, což je v tomto případě bez problémů splněno.
 
(pokračování)
 
Jürgen Lau, Level Product Manager,
Endress+Hauser
 
Obr. 1. Klasické ponorné těleso vztlakového hladinoměru má délku rovnající se nejméně měřicímu rozsahu přístroje
Obr. 2. Základní uspořádání servomechanického hladinoměru s přímou detekcí krouticího momentu
Obr. 3. Servomechanický hladinoměr při měření polohy hladiny a mezihladin v nádrži
Obr. 4. V případě elektricky nevodivých kapalin závisí stupeň odrazu na skoku v hodnotě εr: petrolej s εr = 1,8 odrazí 2 %, benzin s εr= 2 odrazí 2,9 % a bionafta s εr= 3,5 odrazí 9,2 energie pulzu
Obr. 5. Princip činnosti reflektometrického hladinoměru (radar s vedenou vlnou, TDR)
Obr. 6. Radar s vedenou vlnou: reflektometrický hladinoměr Levelflex od společnosti Endress+Hauser předinstalovaný v obtoku k montáži vně nádrže
Obr. 7. Mezihladina při tenkých vrstvách – při tloušťce vrstvy horní z kapalin menší než 100 mm odražené pulzy splývají a oddělit je lze při použití dekonvoluce
Obr. 8. Vrstva emulze příliš velké tloušťky na rozhraní mezi oběma kapalinami může mikrovlnný pulz zcela pohltit (emulzi obvykle nelze zjistit shora)
Obr. 9. Reflektometrické měření polohy mezihladiny: při výpočtu výšky sloupce horní z kapalin v nádrži jsou fluktuace εrpřímým zdrojem chyb měření (změna relativní permitivity z εr = 2 na εr = 3 způsobí pokles rychlosti šíření pulzu z 212 000 km/s na 173 000 km/s, tj. o 18 % – taková je pak i chyba určení výšky sloupce horní z kapalin)
 
Tab. 1. Použití vztlakového hladinoměru
Tab. 2. Použití servomechanického hladinoměru
Tab. 3. Použití reflektometrického hladinoměru (radar s vedenou vlnou, TDR)