Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Jak určit polohu mezihladiny (2. část)

Jürgen Lau
(dokončení z čísla 1/2010)
 

4. Kapacitní snímače (impedanční, admitanční)

 

4.1 Princip činnosti

Kovová tyč nebo lano (zcela izolované) a přilehlá stěna nádrže tvoří elektrický kon­denzátor. Vzdálenost d mezi sondou a stěnou nádrže i velikost A povrchu sondy (daná je­jím průměrem a délkou) jsou stálé. Proměnné jsou pouze vlastnosti prostředí mezi sondou a stěnou nádrže. U klasických kondenzátorů se toto prostředí označuje jako dielektrikum. Při prázdné nádrži je mezi sondou a stěnou nádrže vzduch. Vzduch není elektricky vodi­vý a jeho relativní permitivita εr = 1. Při pl­nění nádrže je tento vzduch nahrazován pro­duktem s větší hodnotou εr = 1, tj. kapacitan­ce kondenzátoru C = ε0εrA/d roste. Vlastnosti kondenzátoru se mění i tehdy, je-li nádrž pl­něna dvěma různými kapalnými médii.
 
Má-li kapacitní snímač měřit polohu me­zihladiny, musí příslušná média mít zřetelně rozdílné elektrické vlastnosti. V ideálním pří­padě má mít horní z médií εr < 10 a dolní má být dobře vodivé (vodivost větší než 100 pS). Zejména při měření polohy mezihladiny je často problémem možné kolísání hodnoty εr horní z kapalin, jak je tomu např. v separáto­ru ropy a vody. Následující jednoduché po­souzení jednotlivých proměnných ukáže je­jich vliv na nejistotu.
 

4.2 Nejistota: vzduch, ropa a voda

Předmětem následujícího rozboru je zce­la elektricky izolovaná kapacitní sonda ve tvaru tyče o průměru 16 mm namontovaná v kovové nádrži ve vzdálenosti d = 500 mm od stěny: 1 000 mm délky sondy ve vzduchu (εr = 1) představuje kondenzátor s kapacitancí 12 pF. Nahradí-li vzduch ropa s εr = 2, kapa­citance pomyslného kondezátoru se zdvojná­sobí na 24 pF. Při nevodivé kapalině v nádrži – zde ropě – platí klasický vztah pro závislost kapacitance na změně dilektrika mezi dvěma deskami kondenzátoru. Jde-li o kapalinu dob­ře elektricky vodivou, je velikost její dielek­trické konstanty εr irelevantní. Z elektrického hlediska vytvoří vodivá kapalina druhou des­ku kondenzátoru, jako by nádrž byla naplně­na tekutým kovem, např. rtutí. Kapacitance je nyní 360 pF. Uvedené tři situace ukazuje názorně obr. 10.
 

4.3 Analýza chyb

Při měření polohy mezihladiny mezi naf­tou a vodou s měřicím rozsahem snímače rov­ným 1 000 mm bude kalibrační hodnotě 0 % na stupnici polohy mezihladiny odpovídat 1 000 mm délky sondy obklopených naftou, tj. kapacitance 24 pF. Naproti tomu kalibrační hodnotě 100 % na stupnici polohy mezihla­diny bude odpovídat těchže 1 000 mm délky sondy obklopených vodou, tj. kapacitance 360 pF. Skutečné rozpětí kapacitance repre­zentující pohyb mezihladiny mezi polohami 0 a 100 % je 336 pF. Vzroste-li hodnota εr ropy z εr = 2 na εr = 3, kapacitance by měla vzrůst nejvýše o 12 pF. Je patrné, že největší možná chyba vznikne tehdy, když 1 000 mm délky sondy bude obklopeno ropou, jejíž re­lativní permitivita se změní z εr = 2 na εr = 3.Výsledných přídavných 12 pF bude nespráv­ně interpretováno jako změna polohy me­zihladiny mezi naftou a vodou o +3,6 %. Změna polohy celkové hladiny (změna polo­hy horní hladiny vrstvy ropy) zapůsobí stej­ným směrem jako změna hodnoty εr ze 2 na 3. Když v uvedeném případě celková hladina ropy klesne nebo dojde ke změně směrem z εr = 2 k εr = 1, bude chyba opačná, tj. jest­liže klesá celková hladina ropy, klesá i údaj polohy mezihladiny mezi ropou a vodou.
 

4.4 Uklidňovací trubka, sonda s uzemněným pláštěm

Při použití uklidňovací trubky se chyby způsobené kolísáním velikosti εr nebo polohy celkové hladiny projevují podstatně výrazně­ji. Kapacitance při smáčení 1 000 mm délky sondy vodivou kapalinou je zde také 360 pF. Kapacitance ve vzduchu s εr = 1 však činí 55 pF, tj. mnohem více než při sondě umístě­né volně v nádrži. Ropa s εr = 2 zdvojnásobí tuto hodnotu na 110 pF. Výsledkem je pokles rozpětí reprezentujícího 100% změnu polohy mezihladiny na pouhých 250 pF, takže chyba v důsledku změny relativní permitivity ropy z εr = 2 na εr = 3 by byla 22 %.
 

4.5 Úsady na sondě

Elektricky nevodivé úsady původem z hor­ní z kapalin v nádrži působí stejně jako tlust­ší izolační povlak sondy, což má závažný vliv na naměřenou hodnotu při smáčení son­dy vodivou kapalinou. Vrstva ropy tloušťky 0,5 mm na izolačním potahu sondy zapříčiní chybu o velikosti –10 %.
 

4.6 Emulzní vrstvy

Kapacitní snímač pracuje i při výskytu smíšené přechodové zóny mezi oběma ka­palinami. V případě emulzní vrstvy (např. emulze vody a oleje) má podstatný význam větší podíl vody v její dolní části, který způsobuje větší změnu kapacitance. Klesající podíl vody v horní části emulzní vrst­vy nemá na celkový výsledek významnější vliv. Zkušenost ukazuje, že naměřená hod­nota polohy mezihladiny je v daném případě asi v úrovni jedné třetiny tloušťky emulzní vrstvy nahlížené zdola.
 

4.7 Detekce vody u dna nádrže

Při vysokém sloupci ropy nacházející se nad vodou shromážděnou u dna zapříčiní chybu i malá změna hodnoty εr ropy. Tato chyba je příliš velká, než aby bylo možné mě­řit polohu mezihladiny vody s potřebnou milimetrovou přesností. Existují proto speciální varianty sond nesoucí na konci nosného lana aktivní kapacitní sondu, popř. v kombinaci se snímačem teploty. Aktivní sonda svou délkou koresponduje s měřicím rozsahem potřeb­ným ke sledování polohy mezihladiny vody a ropy. Ropa nad touto sondou nemá vliv na její funkci. Takto lze měřit polohu mezihla­diny hladiny u dna nádrže mimořádně přesně (také např. v kombinaci s reflektometrickou podle kap. 3.5 – pozn. red.). Téhož efektu lze dosáhnout montáží sondy z boku směrem šik­mo k vodní zóně u dna nádrže. Většinou ale takto nelze postupovat z důvodu chybějících bočních nátrubků na nádrži.
 
Základní přednosti, nedostatky a typické oblasti použití kapacitního snímače k měře­ní polohy mezihladiny jsou shrnuty v tab. 4.
 

5. Radioizotopové hladinoměry

 
Radioizotopový zdroj na stěně nádrže vy­zařuje ionizující záření typu gama, jehož in­tenzita při průchodu stěnami nádrže a měře­ným médiem klesá. Detektor namontovaný zvnějšku na opačné straně nádrže poskytu­je elektrický signál úměrný intenzitě dopa­dajícího záření. Činnost snímače je zalo­žena na absorpci ionizujícího záření měře­ným médiem.
 
Při měření polohy mezihladiny se využí­vá skutečnost, že média s různou hustotou také různou měrou pohlcují ionizující záře­ní. Snímače se kalibrují přímo na nádrži při použití reálných médií (tzv. mokrá kalibra­ce). Je-li snímač zkalibrován na médium jak s menší, tak i s větší hustotou, získá se auto­maticky převodní závislost pro měření polo­hy mezihladiny. Lze měřit i polohu rozhraní mezi kapalinou a pevnou látkou.
 
Nejistota výsledku měření je přímo úměr­ná kolísání hustoty měřených médií. Základní charakteristiky radioizotopových hladinomě­rů z hlediska jejich použití k měření polohy mezihladiny jsou shrnuty v tab. 5.
 

6. Shrnutí

 
Reflektometrický hladinoměr (radar s ve­denou vlnou) přináší do oblasti měření polo­hy mezihladiny zcela nové možnosti: jediný přístroj měří současně dvě veličiny – polohu celkové hladiny a polohu mezihladiny. Vliv úsad na přístroji i změn hustoty kapalin na nejistotu přístroje je pouze malý, popř. žád­ný, a nevelké jsou i požadavky na údržbu. To jsou nejvýznačnější vlastnosti této mě­řicí metody.
 
Reflektometrický hladinoměr přestavuje optimální způsob řešení mnoha měřicích úloh zaměřených na optimalizaci kvality i množ­ství vyráběných produktů při minimálních požadavcích na údržbu zařízení. Při výbě­ru měřicí metody jsou rozhodující provozní podmínky při měření a schopnost přístroje se jim přizpůsobit. Princip „oddělit nejlepší od ostatního“ platí nejen při měření polohy mezihladiny, ale i při volbě vhodného měři­cího přístroje. Vztlakové, kapacitní, reflekto­metrické nebo radioizotopové hladinoměry – vždy je třeba zvážit technické i ekonomické přednosti i nedostatky každé z těchto měři­cích metod s ohledem na dynamiku sledova­ného procesu a vlastnosti měřených kapalin.
Jürgen Lau,
Level Product Manager,
 
Z anglického originálu How to draw the line (The intricacies of interface measurement); Exchange, 2008/2, Endress+Hauser, 2008; překlad a úprava redakce; publikováno se souhlasem Endress+Hauser Czech, s. r. o.
 
Obr. 10. K rozboru nejistoty kapacitního snímače polohy mezihladiny (viz text)
Obr. 11. Použití radioizotopového hladino­měru: současné měření polohy mezihladin při separaci ropy, vody a písku při zpracování surové ropy
 
Tab. 4. Použití kapacitního snímače polohy hladiny/mezihladiny
Tab. 5. Použití radioizotopového hladinoměru