Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Radarové hladinoměry Kobold NGM s vedenou vlnou

Článek popisuje radarové hladinoměry Kobold NGM s vedenou vlnou (TDR), které jsou vhodné pro měření polohy hladiny kapalin i sypkých látek. Měření nezávisí na hustotě, vodivosti nebo vlhkosti média a není ovlivněno teplotou ani tlakem. Rozsah měření je až 20 m.

 

Radarové hladinoměry NGM od firmy Kobold jsou hladinoměry s vedenou vlnou využívající metodu TDR (Time Domain Reflectometry). Princip této metody spočívá v tom, že elektronické obvody v hlavici hladinoměru vysílají podél sondy, jež je ponořena v měřeném médiu, elektromagnetické impulzy s vysokou frekvencí. Když impulz dosáhne hladiny média, jeho část se odrazí a šíří se podél sondy zpět. V hlavici je odražený impulz detekován a z doby mezi okamžikem generování impulzu a návratem odraženého signálu je možné spočítat polohu hladiny.

 

Použití

Radarové hladinoměry s vedenou vlnou umožňují přesné a velmi spolehlivé měření polohy hladiny, stejně jako detekci mezních poloh hladiny téměř všech kapalin a mnoha sypkých látek. Měření přitom není ovlivněno měnícími se vlastnostmi média ani provozními podmínkami, jako jsou teplota, tlak a vlhkost nad hladinou média nebo teplota, hustota či vodivost média. Hladinoměry jsou vhodné do menších nádob, včetně úzkých a vysokých. Spolehlivě měří i v nádobách se složitým tvarem nebo v blízkosti konstrukcí, které by u jiných hladinoměrů způsobovaly rušení. Zvláště vhodné jsou do komor obtoků a uklidňovacích jímek. Na rozdíl od jiných radarových hladinoměrů spolehlivě měří i média s malou relativní permitivitou, jako jsou oleje nebo kapalné uhlovodíky.

 

Základní součásti

Hladinoměry NGM od firmy Kobold (obr. 1) mají tři základní součásti: hlavici, průchodku a sondu. Jedinými součástmi, které jsou vystaveny atmosféře uvnitř nádoby, jsou sonda a spodní část průchodky. Hlavice hladinoměru obsahuje elektronické obvody a připojovací svorky. Tato část není atmosféře uvnitř tanku vůbec vystavena, ale je vystavena okolnímu prostředí, které může být také nepříznivé. Proto je kryt hlavice z hliníkové slitiny nebo z korozivzdorné oceli.

Průchodka (obr. 2) je velmi důležitou součástí hladinoměru. Její vnější část spojuje hladinoměr s nádobou a její vnitřní částí prochází elektromagnetický signál skrz stěnu nádoby. Sonda je upevněna na spodní část průchodky a zasahuje až do měřeného média. Funguje jako vlnovod: elektromagnetický impulz se šíří podél ní.

Hladinoměry NGM mají modulární konstrukci, tzn. že k jakékoliv hlavici je možné prostřednictvím průchodky připevnit jakoukoliv sondu.

 

Typy sond

Hladinoměry NGM používají tři typy sond.

První je jednoduchá tyčová sonda. Ta má maximální délku 3 m a je vhodná pro většinu měření. Její nevýhodou je poměrně velký poloměr elektromagnetického pole kolem sondy, takže signál může být snáze zarušen. Avšak je možné tomu zabránit dodržením jednoduchých doporučení k montáži (např. mezi sondou a stěnou nádoby by mělo být min. 100 mm, průměr komory obtoku je min. 25 mm) a vhodným nastavením senzoru.

Hladinoměry s tyčovou sondou jsou zvláště vhodné pro měření v komorách obtoků nebo v uklidňovacích jímkách. Uklidňovací jímka je v podstatě ochranná kovová trubka, takže s tyčovou sondou tvoří jednu velkou koaxiální sondu.

K hladinoměrům NGM se dodávají tyčové sondy o průměru 6 mm a délce 0,1 až 3 m. Jsou z korozivzdorné oceli 1.4571 (316 Ti), volitelně s povlakem z PTFE.

Lanová sonda je vhodná pro kapaliny a lehké sypké látky, zejména ve velmi vysokých nádobách: délka sondy je až 20 m. Pro poloměr elektromagnetického pole však platí to samé jako u tyčové sondy: je poměrně velký a signál může být zarušen externími vlivy.

Lano má průměr 4 mm a je z oceli 1.4404/316L.

Třetím typem je koaxiální sonda. V tomto případě je vysokofrekven­ční signál uzavřen uvnitř sondy a nemůže být rušen vnějšími vlivy nebo objekty, které by u tyčové nebo lanové sondy snižovaly jeho kvalitu. Koaxiální sonda proto může být použita bez omezení i v obtížných podmínkách. Je vhodnou volbou zvláště pro měření médií s malou odrazivostí (tj. s malou relativní permitivitou), jako jsou oleje a kapalné uhlovodíky: zatímco s tyčovou nebo lanovou sondou je možné měřit od relativní permitivity 1,8, s koaxiální sondou již od 1,4.

Koaxiální sondu je však možné použít jen pro kapaliny, k měření sypkých látek není vhodná. Stejně tak se nedoporučuje používat ji u velmi viskózních nebo krystalizujících kapalin a není vhodná ani pro lepivé látky a látky, které mohou vytvářet nánosy a povlaky (u tyčové nebo lanové sondy je možné měřit média do viskozity 5 000 cP, kdežto u koaxiální sondy jen do 500 cP). Ani pro kapaliny s obsahem vláken (např. v papírenském průmyslu) nebo pevných částic není vhodná; nelze ji použít ani pro kaly a kašovité látky. Takové kapaliny totiž mohou vytvářet uvnitř koaxiální sondy nánosy a zanášet ji.

Koaxiální sonda hladinoměrů NGM má průměr 17,2 mm, délku do 6 m a je z korozivzdorné oceli 1.4404 (316L).

tab. 1 je přehled použití jednotlivých typů sond.

Při výběru sondy je třeba pamatovat na to, že délka sondy není shodná s měřicím rozsahem. Radarové hladinoměry s vedenou vlnou mají mrtvé zóny na začátku i na konci sondy; signál v těchto oblastech je tak výrazně zkreslený, že zde není možné měřit. Délka těchto úseků je dána typem sondy a relativní permitivitou měřeného média. Například pro vodu s relativní permitivitou er = 80 je mrtvá zóna na dolním konci sondy 10 mm a na horním konci 50 mm pro tyčovou a lanovou sondu a 30 mm pro sondu koaxiální, u médií s relativní permitivitou er = 2 (benzín, petrolej apod.) je na dolním konci mrtvá zóna 50 mm a na horním konci 80 mm pro tyčovou a lanovou sondu a 50 mm pro koaxiální sondu. Ještě je třeba podotknout, že koaxiální sonda se může dotýkat dna nádoby, u tyčové a lanové sondy musí být mezi dnem nádoby a koncem sondy volná vzdálenost minimálně 2 mm.

 

Technické detaily

Hladinoměry NGM měří s přesností ±3 mm nebo 0,03 % z měřené hodnoty (co je větší). Rozlišení je 1 mm a opakovatelnost měření 2 mm (platí pro referenční podmínky: voda, er = 80, nádoba o průměru 1 m, kovová příruba DN 200). Maximální rychlost změny hladiny je 1 m/s.

Měří-li se poloha hladiny vody s olejem na hladině, hladinoměr není schopen detekovat hladinu oleje, je-li vrstva tenčí než 70 mm. V takovém případě měří jen hladinu vody (o něco níže, než skutečně je). U vrstev oleje přes 70 mm hladinoměr detekuje celkovou polohu hladiny, tj. horní hladinu oleje.

Sondy jsou použitelné zpravidla pro teploty –40 až +150 °C, existují ale i varianty s odlišným těsněním pro teploty média od –200 do +250 °C. K dispozici je i tyčová sonda s pláštěm z PTFE (obr. 3). Pracovní teplota okolí (hlavice) je –25 až +80 °C.

Hladinoměry mají analogový výstup 4 až 20 mA s protokolem HART. Mají čtyřvodičové zapojení (dva vodiče pro napájení, dva vodiče pro signály) a napájecí napětí je 12 až 30 V DC. Odezva je 0,5 s, volitelně 5 s. K dispozici je také spínací dvoustavový tranzistorový výstup. Elektronické obvody jsou plně galvanicky oddělené od vstupů a výstupů, ale i od nádoby, aby se zabránilo problémům s její ochranou proti elektrochemické korozi.

Dodávají se rovněž verze do prostředí s nebezpečím výbuchu s příslušnými certifikáty ATEX.

 

Shrnutí

Radarové hladinoměry Kobold NGM jsou vhodné pro měření polohy hladiny kapalin a pevných látek. Měření nezávisí na hustotě, teplotě, tlaku, vlhkosti ani vodivosti. Rozsah měření je do 20 m, rozsah teplot média je –200 až +250 °C, tlak v nádobě může být –100 kPa až +4 MPa. Výstup je 4 až 20 mA s protokolem HART a volitelně jsou k dispozici ještě dva volně programovatelné tranzistorové spínací výstupy.

[Kobold Messring GmbH: Guided Wave Radar Level Transmitter (TDR). 09/2022.]

 

Petr Bartošík

 

Obr. 1. Hladinoměry NGM s vedenou vlnou od firmy Kobold

Obr. 2. Modulární konstrukce průchodky

Obr. 3. Hladinoměr s tyčovou sondou s pláštěm z PTFE

 

Tab. 1. Přehled použití jednotlivých typů sond