Při měření polohy hladiny kapalných či sypkých látek ve skladovacích a provozních nádobách se lze setkat se dvěma skupinami snímačů. Jsou to jednak snímače se spojitou funkcí, které se používají ke spojitému měření polohy hladiny v určitém rozmezí a jednak snímače nespojité (limitní, mezní, bodové), které se využívají ke zjišťování mezní polohy hladiny a často jsou označovány jako hladinové spínače. Snímače se spojitou i nespojitou funkcí využívají mnoho různých funkčních principů, a to v závislosti na druhu a vlastnostech náplně v nádrži, podmínkách měření, požadavcích na přesnost, na ceně apod. [1], [2], [3]. Pro nespojité snímání polohy hladiny se využívají zejména následující typy snímačů: plovákové, vibrační, rotační (pádlové či vrtulkové), vodivostní, kapacitní, ultrazvukové, fotoelektrické, radioizotopové, tepelné. Tento článek, který doprovází přehled trhu na str. 24 až 28, se věnuje speciálně plovákovým a vibračním hladinovým spínačům.
Instalace hladinových spínačů
Hladinový spínač se umísťuje do provozní nádoby buď ze strany, nebo do horního víka (obr. 1). Při boční (horizontální) montáži je třeba počítat se skutečností, že každý hladinový spínač, který se nachází na boku nádrže, je potenciálním zdrojem úniků kapaliny z nádrže. Je-li třeba spínač opravit nebo vyměnit, je nutné vypustit kapalinu z nádrže minimálně do úrovně nižší než úroveň umístění spínače. V mnoha případech se využívá i několik spínačů v jedné nádobě. Často jde o tři spínače, které signalizují tyto stavy: minimum, maximum a havarijní maximum, popř. čtyři stavy (s havarijním minimem).
Při vertikální montáži spínače do horního víka nádrže může být sonda vyjmuta bez vypouštění kapaliny. Toto umístění spínače je preferováno u tanků s hořlavinami. Jedna sonda ve víku může zahrnovat i více hladinových spínačů. Problémy však mohou vznikat při použití dlouhých sond např. v nádobách s míchadlem.
Vznikají-li na hladině turbulence, je vhodné umístit hladinový spínač do uklidňovací trubice k zabránění oscilací a mnohonásobného spínání.
Plovákové spínače
Základní součástí plovákového spínače je plovák, který plave na hladině. Plovák je udržován na hladině vztlakovou silou, a hustota plováku tedy musí být vždy výrazně menší než hustota měřeného média. Plováky bývají k dispozici v různých tvarech i velikostech a vyrobeny z různých materiálů (mosaz, korozivzdorná ocel, polyethylen, polypropylen, PVC, pěnový polystyren aj.). Tvar plováku by neměl mít žádné horizontální plochy, na kterých se mohou udržovat kapky kapaliny a usazovat případné nečistoty. Ty jsou příčinou změny hmotnosti plováku, a tím i změny jeho ponoření. Při měření silně znečištěných a viskózních kapalin se mohou vytvářet usazeniny a nánosy na celém povrchu plováku a omezovat jeho pohyblivost, ten dokonce může uvíznout v jedné poloze. Plováky proto mají ve většině případů tvar koule nebo válce. Plováky určené pro tlakové prostory bývají kulového tvaru a jsou naplněny inertním plynem o tlaku odpovídajícím maximálnímu tlaku v nádrži.
K indikaci polohy rozhraní dvou kapalin musí hodnota hustoty plováku ležet mezi hustotami obou kapalných médií v nádrži. Takový plovák zaujme polohu na rozhraní kapalných fází.
Při použití plovákových spínačů je pohyb plováku snímán obvykle vhodným dvouhodnotovým senzorem polohy. Nejčastěji jsou voleny mikrospínače a magneticky ovládané jazýčkové spínače.
Schéma plovákového spínače s magnetickou spojkou je na obr. 2. Plovák je zavěšen na rameni, na němž je upevněn magnet, který ovládá jazýčkový spínač umístěný uvnitř pouzdra připojovací krabice přimontované na vnější stěně nádrže.
U miniaturních plováků je permanentní magnet umístěn přímo v těle plováku (obr. 3). Při vzestupu hladiny se magnet přiblíží k jazýčkovému kontaktu a kontakty sepnou. Při oddálení magnetu direktivní síla pružných kontaktů způsobí jejich rozpojení. Povrch spínacích kontaktů je většinou opatřen vzácným kovem a kontakty jsou uloženy v malé skleněné baňce naplněné inertním plynem, a tím jsou chráněny proti jiskrovému a mechanickému opotřebení.
Plovákové spínače s vodicí tyčí
Místo výkyvného zavěšení může být plovák umístěn na vodicí tyči (obr. 4). Jazýčkový kontakt je uložen v tyči z korozivzdorné oceli nebo plastu (o průměru do 10 mm) a permanentní magnet ve tvaru prstence je zabudován uvnitř plováku, který má tvar válce nebo koule. Plovák je veden tyčí a mění svou polohu v závislosti na hladině kapaliny. Pohyb plováku bývá omezen dorazovými kroužky na vodicí tyči. Na obr. 4a, b jsou znázorněny dva režimy spínání a na obr. 4c ukázáno upevnění spínačů do víka nádoby.
Jeden plovák může ovládat i několik oddělených spínacích kontaktů umístěných nad sebou ve vodicí tyči v různých polohách hladiny: havarijní minimální, minimální, střední, maximální a havarijní maximální (obr. 5). Pro některé účely je vhodné umístit několik plováků s omezeným pohybem na jednu vodicí tyč. V takovém případě jeden spínač nahrazuje několik samostatných hladinových spínačů použitých k signalizaci několika poloh hladiny (horní/dolní) nebo k signalizaci naplnění a vyprázdnění nádrže.
Pro praxi je důležité věnovat vždy pozornost spínací kapacitě jazýčkových kontaktů, protože při překročení maximálního proudu mohou být poškozeny („slepení“ kontaktů). Problémy mohou nastávat i při rozpínání indukčních zátěží, kdy může mezi kontakty vzniknout oblouk.
Překlápěcí plovákové spínače
Překlápěcí (překlopné) plovákové spínače s připojovacím kabelem jsou někdy označovány jako kabelové plovákové spínače. Plovák bývá vyroben z plastu a uvnitř hermeticky uzavřené komory je zabudován rtuťový spínač nebo mikrospínač ovládaný těžkou ocelovou kuličkou. Spínací rozdíl se nastavuje pomocí protizávaží, které je posouvatelné podél kabelu spínače. Spínací úhel u systémů s mikrospínačem bývá 30 až 45°, se rtuťovým spínačem přibližně 10° (obr. 6). Tento typ spínačů je často používán ke spínání úrovní kapalin v odpadních šachtách, nádržích, bazénech či cisternách. Spínače se rtuťovým kontaktem se nepoužívají v systémech s pitnou vodou a vzhledem k ohrožení životního prostředí jsou pro jiné účely stále častěji voleny bezrtuťové spínače.
Uplatnění plovákových spínačů
Plovákové spínače patří k velmi často využívaným typům spínačů hladiny, které se uplatní převážně při měření čistých a málo viskózních kapalin; pro měření znečištěných kapalin jsou vhodné kabelové plovákové spínače. Výhodou uvedených relativně jednoduchých a levných plovákových spínačů je skutečnost, že pracují s dostatečnou přesností. Naproti tomu jde o mechanické zařízení, které je často vhodné jen k měření čistých tekutin.
Vibrační spínače
Vibrační hladinové spínače pracují na principu porovnání charakteristik kmitání tělesa ve volném prostoru oproti kmitání v prostoru zaplněném kapalinou nebo sypkým materiálem. Vibrujícím prvkem je nejčastěji vidlice nebo tyč (obr. 7), která je rozkmitávána na rezonanční frekvenci piezoelektrickým nebo elektromechanickým měničem. Ve volném prostoru kmitá vibrující prvek na rezonanční frekvenci, a jakmile přijde do styku s měřeným médiem, nastává útlum amplitudy kmitů a mění se frekvence kmitání.
Buzení a vyhodnocování kmitů
Vibrační hladinový spínač je kompaktní zařízení, které zahrnuje vedle kmitajícího prvku potřebné elektronické obvody pro buzení i vyhodnocování kmitů. Vyhodnocovací část spínače může pracovat na principu buď měření útlumu kmitů, nebo vyhodnocení změny rezonanční frekvence. Při měření útlumu vibrací jeden piezoelektrický měnič rozkmitává měřicí prvek a druhý piezoelektrický měnič vyhodnocuje útlum signálu, který nastane při styku kmitajícího prvku s měřeným materiálem. U snímačů, které vyhodnocují změnu rezonanční frekvence, je kmitání měřicího prvku buzeno piezoelektrickým měničem a oscilace systému jsou udržovány na rezonanční frekvenci. Při obklopení snímače měřeným materiálem se změní rezonanční frekvence, která se vyhodnotí. Elektronika vyhodnocovacího obvodu porovná okamžitou hodnotu signálu, a jakmile frekvenční posun dosáhne nastavené žádané hodnoty, změní spínač svůj stav.
Elektronické obvody moderních vibračních spínačů (např. spínač hladiny Rosemount 2120) umožňují přepínat pracovní režimy (dolní alarm, horní alarm). Pro zvolený režim je možné nastavit velikost časového zpoždění. Při měření v prostředí s turbulencí hladiny nebo při rozstřiku kapaliny lze zvýšením hodnoty časového zpoždění v podstatě eliminovat riziko chybného spínání. Některé snímače jsou vybaveny obvody pro monitorování poruchových stavů. Například spínač Sitrans LVL 200 od firmy Siemens [9] nepřetržitě monitoruje změny ve frekvenci signálu, což je využíváno ke zjišťování silné koroze nebo poškození ladičky, dále zaznamenává výpadek vibrací nebo poruchy piezoelektrických prvků.
Typy kmitajícího prvku
Pro různá měřená média se používají spínače s kmitajícími měřicími prvky různého tvaru a velikosti:
-
spínače s tyčí pro sypké látky,
-
spínače vybavené kmitající vidlicí s dlouhými hroty pro sypká média a granuláty,
-
spínače s krátkými vidličkami pro kapalná média.
Různé typy spínačů se liší i délkou (obr. 8). Například spínače s vidlicí nabízejí výrobci ve třech velikostech:
-
standardní s délkou přibližně 200 mm pro boční montáž,
-
prodloužená s volitelnou délkou přibližně 0,3 až 3 m pro vertikální montáž do horního víka nádrže,
-
krátká s vidličkou délky 40 až 50 mm pro standardní boční montáž v nádržích pro signalizaci mezních stavů i pro umístění přímo do potrubí k signalizaci jeho zaplnění, např. jako kontrola běhu čerpadla.
Piezoelektrický nebo elektromagnetický budič kmitů rozkmitává na rezonanční frekvenci dvě ramena kovové vidlice. Frekvence kmitů vidlice s dlouhými hroty ve vzduchu bývá 100 až 500 Hz. Krátké vidličky kmitají s vyšší frekvencí; např. vlastní frekvence vidličky spínače Rosemount 2120 od firmy Emerson [4] je asi 1 300 Hz. Frekvence je volena tak, aby se předešlo rušení od vibrací provozu, které by mohly způsobit chybné spínání. Vidlice pro sypké látky jsou delší než vidlice pro kapalná média, a kmitají tedy menší frekvencí.
Uplatnění vibračních hladinových spínačů
Činnost vibračního hladinového spínače téměř nezávisí na fyzikálních vlastnostech měřené látky (hustota, elektrická vodivost, permitivita apod.). Na funkci moderních spínačů s krátkou vidličkou nemají v podstatě žádný vliv vlastnosti kapaliny a změny produktu, velikost proudění a turbulence kapalného média, bubliny, pěna, vibrace technologického zařízení, obsah pevných částic v kapalině a vytváření povlaku na snímači. Mechanické vibrace indikačního prvku mají samočisticí funkci. Při jejich uvádění do provozu není nutné je kalibrovat.
Vibrační spínače hladiny lze využít k indikaci mezních úrovní kapalin (čisté i znečištěné kapaliny, detekce úrovně kalu v odpadní vodě), sypkých hmot a prášků (cement, písek, cukr, sůl, mouka, sušené mléko, sušená káva, uhelný prach), granulátů a kusového materiálu (obiloviny, plastové pelety, kamenivo, kusové uhlí apod.).
Sypké látky měřené vidlicí s nízkou frekvencí musí mít hustotu obvykle vyšší než 50, popř. 20 kg/m3 (spínač Sitrans LVS 200). Hustota kapalných médií měřených při vyšších frekvencích musí být vyšší než 500, popř. 700 kg/m3.
Vibrační hladinové spínače lze použít i při vysokých provozních teplotách (např. do 250 °C) a jsou vyráběny i pro použití v tlakových nádobách i v prostředí s nebezpečím výbuchu. Pro spínače určené pro potravinářský a farmaceutický průmysl jsou voleny materiály a povrchové úpravy tak, aby splňovaly příslušná kritéria hygienických předpisů. Například spínač Liquiphant M FTL50H od firmy Endress+Hauser [5] je vhodný pro použití v prostředích s nebezpečím výbuchu, v potravinářském a farmaceutickém průmyslu.
Montáž vibračních spínačů hladiny
Na obr. 9 jsou znázorněna doporučení pro správnou montáž vibračních spínačů. Spínač by neměl být vystaven proudu přitékajícího materiálu do nádrže, v případě potřeby je vhodné jej shora chránit stříškou proti padajícímu materiálu. Při horizontální instalaci se snímač umísťuje tak, aby ramena vidlice kmitala horizontálně, aby materiál mohl volně propadat a neovlivňoval oscilace senzoru. Příslušnou pozornost je třeba věnovat správnému umístění spínače v horní i dolní části zásobní nádrže s ohledem na rozložení hladiny sypkých látek při plnění či vyprazdňování nádrže. Bude-li např. spínač namontován blízko dna nádrže, může se stát, že spínač bude zakryt zbytkem materiálu i po vyprázdnění nádrže.
Literatura:
[1] ĎAĎO, S. – BEJČEK, L. – PLATIL, A.: Měření průtoku a výšky hladiny. BEN, Praha, 2005.
[2] KADLEC, K.: Snímače polohy hladiny. Automa, 2005, č. 5 a 6.
[3] SMITH, C. J.: Basic Process Measurement. Wiley, 2009.
Odkazy na internet:
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
VŠCHT Praha
Obr. 1. Příklady umístění hladinových spínačů v provozní nádrži: a) horizontální montáž, b) vertikální montáž
Obr. 2. Plovákový spínač s magnetickou spojkou
Obr. 3. Plovákový spínač s jazýčkovým kontaktem
Obr. 4. Plovákový spínač s vodicí tyčí ve dvou spínacích režimech: a) spínač je při nízké hladině rozepnutý a sepne při pohybu plováku nahoru, b) spínač je při nízké hladině sepnutý a při pohybu plováku nahoru rozepne, c) upevnění spínačů do víka nádoby
Obr. 5. Plovákový spínač s vodicí tyčí firmy Nivelco [8]
Obr. 6. Překlápěcí plovákový spínač
Obr. 7. Vibrační spínače hladiny s kmitající vidlicí a tyčí firmy Level Instruments CZ – Level Expert [7]
Obr. 8. Spínače hladiny s vibračním prvkem různé délky od firmy Krohne [6]
Obr. 9. Vhodné a nevhodné umístění vibračních snímačů v provozní nádrži