Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Vedoucí postavení plováku při měření polohy hladiny

Hledáme-li univerzální princip měření polohy hladiny, nejspíše dospějeme k plováku. V konkurenci ostatních známých principů uplatňujících se při měření polohy hladiny, jako je např. vibrační senzor, měření hydrostatického tlaku, volně se šířící nebo vedené mikrovlnné záření a ultrazvuk, si plováky udržely své majoritní postavení zejména pro svou všestrannou použitelnost. Přestože plovákové hladinoměry, založené na Archimédově zákonu, měly původně čistě mechanickou funkci, jejich současná provedení již nabízejí velké množství různých doplňkových funkcí, díky kterým přístroje splňují
i ty nejnáročnější provozní požadavky, včetně bezdotykového měření. Poloha hladiny je „kopírována“ plovákem. Magnet, který je v něm vestavěný, dovoluje bezdotykově ovládat navazující čidla, s jejichž pomocí lze hladinu sledovat i na dálku. V oborech, jako jsou těžba ropy, a to i na volném moři, plynárenství, petrochemie, chemie, farmacie, recyklace kapalin, energetika, potravinářství, strojní výroba atd., patrně nelze nalézt oblast, kde se tyto přístroje nevyskytují.
Stejně jako u všech měřicích metod rozhodují o použitelnosti tohoto principu nejen provozní podmínky (tlak, teplota, hustota atd.), ale i druh požadované signalizace. Jevy, které mají významný vliv na použitelnost ostatních bezkontaktních metod měření polohy hladiny (např. pohyby hladiny při míchání nebo varu, elektrická vodivost a permitivita média, tvorba pěny, plynná atmosféra nad hladinou, mezihladina apod.), činnost magnetických plovákových přístrojů neruší. To je také jeden z důvodů, proč je tento princip používán nejčastěji. Tělesa přístrojů, zejména jejich plováky, se podle povahy měřeného média vyrábějí z různých materiálů odpovídajících chemické povaze měřeného média. Kromě standardní korozivzdorné oceli mohou být zhotoveny např. z titanu, ze slitin niklu, ze skla, z různých druhů plastů a také s různými povrchovými povlaky, včetně sanitárních úprav (obr. 1).
Magnetické plovákové hladinoměry lze rozdělit do tří hlavních skupin na:
  • magnetické limitní spínače (a to i k detekci několika úrovní hladiny),
  • magnetické snímače (pro spojité měření v daném rozmezí poloh hladiny),
  • magnetické stavoznaky (jen k přímému vizuálnímu odečtu).
Čtvrtou skupinou jsou přístroje vytvořené vzájemnou kombinací uvedených tří typů zařízení.
 

Magnetické plovákové spínače

Plovákové hladinové spínače s magnetickým snímáním polohy plováku se používají zejména tam, kde je třeba sledovat konkrétní mezní polohy hladiny, a to s velkou spolehlivostí a přesností (obr. 2). Typickými úlohami jsou např. detekce hladiny mazacího oleje u dieselových motorů, hladiny chladiv, galvanických a lakových lázní či kapalin v těsnicích systémech turbín apod. V předem nastavených polohách jsou magneticky, tj. bezkontaktně, ovládány jednotlivé jazýčkové kontakty, jejichž univerzální výstupní signál je dále zpracováván, ve shodě s normou NAMUR DIN 60947-5-6, vstupy PLC a oddělovacími zesilovači. Použití je omezeno těmito technickými parametry: maximální tlak 10 MPa, teplota od –196 do +300 °C a minimální hustota média 400 kg/m3. Magnetické plovákové spínače se standardně dodávají s rozpínacími, spínacími nebo přepínacími kontakty. Název je vždy odvozen od požadované funkce při pohybu plováku vzhůru, přičemž jejich poloha a počet závisejí pouze na požadavku uživatele. S výhodou se tyto spínače používají také jako čidla při automatickém doplňování různých náplní s předem stanovením rozpětím hladin. Instalace magnetických spínačů plovákového typu je v porovnání s ostatními měřicími systémy jednoduchá a spolehlivá. Nízké jsou i počáteční náklady a náklady na údržbu.
 

Magnetické plovákové snímače pro přesné kontinuální sledování polohy hladiny

Plovákové snímače s průběžným sledováním hladiny se používají všude tam, kde je třeba sledovat polohu hladiny v širším měřicím rozsahu a je třeba kdykoliv znát konkrétní stav hladiny. Výrobci dodávají různé senzorové systémy.
Kvazikontinuální systém je založen na měření odporu řetězce rezistorů proměnné délky při různém rozlišením (např. u výrobků firmy KSR Kuebler od 5 do 20 mm). Třívodičový výstup je zde zapojen jako potenciometr a při délce aktivní části měřidla např. 500 mm lze dosáhnout přesnosti až 1 % (relativní přesnost závisí na délce). Odporový signál je zpracováván dvouvodičově napájenými převodníky (obr. 3), kde je převáděn na výstupní proudový signál 4 až 20 mA s možností použít protokol HART. Signál potom může být přímo úměrný výšce hladiny nebo objemu v nádrži. Dostupné jsou i převodníky komunikující po sběrnici Profibus-PA. Přesnějšími přístroji pro kontinuální sledování hladiny jsou magnetostrikční snímače, které dosahují přesnosti lepší než 1 mm. Při použití těchto systémů, vyznačujících se velkým rozlišením, lze sledovat polohu hladiny „inteligentním způsobem“, kdy výstup ze snímače je současně vstupem do kompaktní jednotky řídící plnění, popř. vyprazdňování nádrže. Tato „inteligentní vazba“ je naprogramována tak, že rozpozná, zaznamená a následně i vyhodnotí i velmi malé změny polohy hladiny. Jde o způsob vhodný např. k včasné detekci netěsnosti nádoby v předstihu před její případnou havárií. Při vhodné instalaci do čerpacích okruhů lze také zabránit případnému chodu čerpadla naprázdno apod. Při současném sledování různých provozních veličin, jako je poloha hladiny, teplota, průsak, množství kondenzátu apod., je možné kompletně sledovat chod tekutinových soustav (hydraulických, čerpacích apod.).
Pro menší nádrže, se změnou polohy hladiny v rozmezí do asi 500 mm, je nyní k dispozici nový typ tohoto plovákového snímače měřící s přesností až 0,05 % při volitelném výstupním signálu 4 až 20 mA nebo 2 až 10 V. Napájecí napětí snímače je 24 V DC a jeho provozní omezení jsou následující: teplota od –80 do +200 °C, maximální tlak 10 MPa a hustota nejméně 400 kg/m3.
 

Vizuální sledování polohy hladiny

Vizuální signalizace polohy hladiny je konstruována jako „navěšená“ na tělo stavoznaku (obr. 4), přičemž souměrně orientované radiální magnetické pole magnetu umístěného ve válcovém plováku ovládá protilehlé magnety umístěné v otočných válečcích. Válečky, složené ze dvou různobarevných polovin, se při posuvu magnetického pole (při změně polohy plováku, tj. hladiny) po řadě postupně otáčejí o 180°, čímž se změní barva viditelné strany válečků. Aktuální poloha (výška) hladiny je tudíž snadno identifikovatelná, a to i z dálky, neboť tvoří, namísto původního sloupce bílé barvy, sloupec červený nebo modrý (při keramických válečcích). Tyto magnetické válečkové ukazatele hladin jsou často s výhodou používány jako náhrada tradičních stavoznaků se skleněnou trubicí. Nabízejí totiž mnoho výhod, např. nulové náklady na údržbu a žádné riziko průsaku nebo rozbití. Vzhledem ke konstrukci zde také nepřichází v úvahu zašpinění, běžně se vyskytující u všech průzorových typů přístrojů.
Veškeré magneticky ovládané spínací a měřicí části hladinoměru se nacházejí vně nádoby, a jsou tudíž kdykoliv volně přístupné, aniž je nutné přerušovat provoz technologického zařízení.
 

Vzájemné kombinace

Obtokové stavoznaky s vizuální signalizací lze díky jejich uspořádání kombinovat nejen se širokou škálou technicky zralých provedení přesuvných limitních spínačů, ale i se všemi ostatními, v úvodu uvedenými typy hladinoměrů. Je tak možné vytvářet téměř nekonečně velké množství variant, o jejichž výhodných vlastnostech se zde není třeba rozepisovat. Použitá konkrétní kombinace závisí jen na konkrétních požadavcích provozu, přičemž jakákoliv z nich vždy bezpečně umožňuje jak řídicí nebo záložní, tak i havarijní signalizaci. Meze použitelnosti vybraných speciálních kombinací hladinoměrů různých principů jsou: teplota až +450 °C, tlak až 42 MPa a minimální hustota média 400 kg/m3. Aby bylo možné používat je i v prostorech s nebezpečím výbuchu, jsou uvedené elektronické systémy pro měření polohy hladiny schváleny podle předpisu ATEX 100a a vyhovují odpovídajícím standardům. Od května 2002 jsou tyto přístroje také klasifikovány jako zařízení vhodná do tlakových soustav (vyhovují směrnici o tlakových zařízeních 97/23/EC).
 

Přístroje pro libovolnou úlohu

Uvedené plovákové metody měření polohy hladiny s podporou dlouholetých zkušeností z mnoha aplikací nabízejí uživatelům širokou škálu hladinoměrných přístrojů, které lze ideálně přizpůsobit požadavkům dané úlohy. Základem těchto všech kombinací jsou standardní sériové produkty, což je zárukou spolehlivé činnosti přístrojů i v těch nejsložitějších provozních podmínkách. Moderní magnetické plovákové hladinoměry od firmy KSR Kuebler dodává v ČR společnost D-Ex Limited, spol. s r. o.
 
Kurt Rexroth,
KSR Kuebler
 
Podle anglického originálu Heads Under Water – Float lead i search for universal fill level measurement, KSR Kuebler, 2007; překlad a úprava Miroslav Havlíček, Jiří Havlík a redakce; otištěno se svolením D-Ex Limited, spol. s r. o.
 
Obr. 1. Plováky se vyrábějí v rozličných tvarech a z různých materiálů podle způsobu použití
Obr. 2. Magnetické plovákové spínače jsou přesné a spolehlivé
Obr. 3. Při kvazikontinuálním sledování hladiny je signál ze snímače vyhodnocován dvouvodičovými převodníky
Obr. 4. Obtokový stavoznak v kombinaci s dvoubarevnou vizuální signalizací, dvěma stavitelnými limitními spínači a kvazikontinuálním snímačem