Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Vodivostní hladinoměry – princip, vlastnosti a použití

Karel Kadlec

 
Vodivostní hladinoměry patří mezi principiálně velmi jednoduché snímače, které mohou spolehlivě pracovat i v obtížných podmínkách v četných provozních zařízeních. V článku je připomenut princip měření a jsou uvedeny některé zásady při použití této metodiky v praxi.
 
Princip měření
Princip vodivostních hladinoměrů je založen na měření elektrické vodivosti mezi elektrodami, které jsou ponořeny do měřeného média. Využívány jsou při tom schopnosti některých kapalin vést elektrický proud. Tuto schopnost mají:
  • roztoky elektrolytů obsahující ionty (např. vodné roztoky kyselin, zásad a solí),
  • taveniny (např. sklo),
  • některé kapaliny (např. rtuť).
 
V obvodech napájených stejnosměrným proudem je elektrická vodivost (konduktance) G převrácenou hodnotou odporu (rezistance) R (G = 1/R). Jednotkou vodivosti je siemens (S), v některé literatuře se lze setkat i se starší jednotkou mho (Ω–1), přičemž číselné hodnoty v obou jednotkách jsou stejné [1]. Elektrická vodivost v roztocích elektrolytů závisí na velikosti a vzdálenosti elektrod, na koncentraci iontů v roztoku, na jejich pohyblivosti, na velikosti náboje jednotlivých iontů a na teplotě. Z těchto důvodů je údaj o elektrické vodivosti obtížně porovnatelný, a proto byla zavedena měrná (specifická) vodivost (konduktivita) γ. Vztah mezi konduktancí G a konduktivitou γ vyjadřuje rovnice
 
γ = G (1/s)
 
kde
l je délka,
S průřez vodiče.
 
Hlavní jednotkou měrné vodivosti je siemens na metr (S/m). Měrná vodivost je nejčastěji vyjadřována v násobcích jednotek S/cm, a představuje tedy vodivost válce látky s délkou 1 cm a plochou 1 cm2.
 
Měrná vodivost je převrácenou hodnotou měrného odporu (rezistivity) ρ.
 
γ = 1/ρ
 
Na obr. 1 jsou uvedeny orientační hodnoty měrné vodivosti některých provozních médií. Deionizovaná čistá voda má velmi malou měrnou vodivost, tj. velkou rezistivitu, naopak média obsahující elektrolyty, jako jsou pitná voda, odpadní vody, různé vodné roztoky, vykazují mnohdy i vysoké hodnoty měrné vodivosti. Elektrická vodivost je vlastnost aditivní, tzn. že se sčítají účinky jednotlivých elektrolytů rozpuštěných v roztoku. U většiny vodivostních hladinoměrů je uváděn požadavek na minimální konduktivitu asi 10 μS/cm. Citlivější snímače jsou schopny pracovat i při nižších hodnotách konduktivity.
 
U vodivostních spínačů hladiny je využívána skutečnost, že konduktivita mnoha kapalných provozních médií je podstatně větší než konduktivita vzduchu (popř. jiného plynu) nad hladinou kapaliny. Elektrický proud v obvodu, jehož součástí jsou elektrody spínače, je tedy významně větší v případě, kdy jsou elektrody ponořeny do vodivé kapaliny, nežli při obklopení elektrod vzduchem [3].
 

Vodivostní snímače a spínače hladiny

Vodivostní hladinoměry jsou tvořeny elektrodami umístěnými v nádrži s vodivou kapalinou. Vodivostní snímače hladiny vyhodnocují změnu elektrického odporu (resp. vodivosti) mezi elektrodami a slouží ke spojitému měření polohy hladiny v nádrži [4]. Přesnost měření je značně závislá na změnách složení, vodivosti i teplotě média. Umístění elektrod při spojitém měření polohy hladiny v nevodivé a kovové nádobě je schematicky znázorněno na obr. 2. Při měření v kovové nádobě postačuje jedna elektroda, druhou tvoří kovový plášť nádoby.
 
Vodivostní spínače poskytují informaci o mezních stavech polohy hladiny a jsou využívány ke spínání. U hladinových spínačů je vyhodnocován odpor mezi hrotem sondy a referenční elektrodou (obr. 3a). Spínače bývají vybaveny i několika elektrodami (třemi až pěti), které slouží k signalizaci mezních stavů, nebo jako čidla při dvoupolohové regulaci (obr. 3 b) [2]. U kovových nádob není nutné používat referenční elektrodu a její funkci plní stěna nádoby. Je-li nádrž z plastu, betonu nebo jiného nevodivého materiálu, je referenční elektroda nutná.
 
Hladinové spínače se vyrábějí s elektrodami různé délky a jsou uzpůsobeny pro monotáž jak ve svislé, tak i ve vodorovné poloze. Na obr. 4 je znázorněna montáž ve vodorovné poloze jednak dvouelektrodových spínačů pro signalizaci mezních stavů hladiny v nádobě z nevodivého materiálu a jednak jednoelektrodového spínače v kovovém potrubí, který funguje jako ochrana čerpadla proti běhu nasucho.
 
Při detekci polohy turbulentní hladiny (např. v nádržích s míchadly) je vhodné použít spínač se dvěma elektrodami se svislou montáží (obr. 5). Potřebná svislá vzdálenost hrotů elektrod je zapotřebí k vymezení neutrálního (mrtvého) pásma pro elektronický logický obvod a ochraňuje signalizační či akční člen před nevhodným cyklováním. U čidel s jedinou elektrodou lze vliv zvlněné hladiny eliminovat použitím spínacího obvodu s nastavitelnou hysterezí. Analogicky může být využit i elektronický obvod se zpožďujícím členem k potlačení nežádoucího spínání, které může být vyvoláno stříkající kapalinou [3].
 
Pro vysoké nádrže nebo k měření polohy hladiny ve vrtech jsou k dispozici spínače s lanovými nebo kabelovými elektrodami o délce i několika desítek metrů.
 
Hladinové spínače se vyrábějí s variabilním procesním připojením, které umožňuje splnit konkrétní požadavky při instalaci. Jsou k dispozici i spínače se širokým spektrem hygienických procesních připojení, popř. v provedení pro prostory s nebezpečím výbuchu. Pouzdro snímače bývá kovové (např. z hliníkové slitiny) nebo z plastu a v požadovaném krytí. Na obr. 6 jsou příklady několika typů vodivostních snímačů hladiny, další jsou uvedeny v tabulkovém přehledu trhu, který je věnován tomuto typu snímačů.
 

Snímací elektrody

Snímací elektrody, které přicházejí do styku s měřeným médiem, jsou vyráběny z korozivzdorné oceli, titanu či speciálních slitin (hastelloy).
 
Izolace elektrod proti kovové aparatuře bývá vyrobena z různých materiálů, jako je např. PTFE (polytetrafluoretylen, známý pod obchodním názvem teflon), PEEK (polyéter-éter-keton, termoplast s vynikající mechanickou, a tepelnou odolností) a další.
 
Povrch elektrod hladinových spínačů bývá částečně pokryt izolačním povlakem z PTFE (teflon), ECTFE (etylen-chlortrifluoretylen, vysoce účinný termoplast s velmi dobrou chemickou odolností), PVC aj.
 
Délka elektrod závisí na konstrukci snímače a pohybuje se u tyčových elektrod od několika milimetrů až do několika metrů, u kabelových a lanových je až několik desítek metrů [3].
 
U některých typů snímačů lze nastavit požadovanou polohu elektrod, popř. zkrátit jejich délku i bez použití speciálního nářadí.
 

Elektronické obvody

Elektronická jednotka zabezpečuje napájení snímače elektrickým proudem a zpracování výstupního signálu. Elektronické obvody mohou být integrovány do připojovací krabice snímače nebo tvoří oddělený modul. Přípustná délka kabelu mezi vyhodnocovací jednotkou a hlavicí s elektrodami závisí na kapacitě a vodivosti kabelu a je uvedena v technické dokumentaci.
 
K propojení je doporučováno použít stíněný kabel, aby se předešlo rušení signálu. Vzhledem k tomu, že stejnosměrné napětí na elektrodách by vedlo k elektrolýze a postupnému ničení elektrod, používá se napájení střídavým proudem. Při použití střídavého proudu je elektrolýza do značné míry omezena. Napájecí napětí na sondě je řádově v jednotkách voltů, protékající proud je velmi malý, jeho velikost se pohybuje v desetinách miliampéru (popř. až v mikroampérech) [5]. Obvod bývá většinou navržen tak, aby nevznikalo jiskření mezi povrchem hladiny vodivé kapaliny a hrotem elektrody. Prostřednictvím elektronické jednotky je možné nastavovat citlivost spínače požadovanou pro konkrétní úlohu v závislosti na konduktivitě měřeného média. Nastavovat lze i velikost časového zpoždění spínacího obvodu (jednotky sekund). Součástí jednotky jsou i logické obvody k ovládání akčních členů (ventilů, čerpadel) [6].
 

Vlastnosti a využití vodivostních hladinoměrů

Vodivostní hladinoměry jsou konstrukčně jednoduché a provozně spolehlivé snímače, které jsou široce použitelné k měření téměř všech elektricky vodivých médií od čistých kapalin až po agresivní kapaliny, suspenze a kaly. Nezbytným předpokladem pro jejich použití je minimální konduktivita měřeného média, která se u většiny vodivostních hladinoměrů pohybuje okolo 10 μS/cm.
 
Existují i speciální typy vodivostních hladinoměrů, např. Krohne BM 500 [7], které je možné použít i pro méně vodivé kapaliny s konduktivitou 1 μS/cm, jako je např. destilovaná voda. Speciálním vodivostním hladinoměrem jsou i přístroje Hydrastep a Hydratec firmy Emerson [8], u nichž je rovněž využívána vysoká citlivost senzoru k detekci rozhraní mezi vodou a párou. Systém Hydrastep, určený k měření polohy hladiny vody v parních kotlích, může mít osm až 32 elektrod, které poskytují informaci o poloze rozhraní voda/pára. Systém Hydratec má dvě elektrody a lze jej využít např. k detekci kondenzátu v potrubí.
 
Spojité vodivostní snímače hladiny se v praxi využívají poměrně zřídka vzhledem k tomu, že výstupní signál je významně závislý na konduktivitě média, a závisí tedy na jeho složení, koncentraci a teplotě.
 
Hladinové vodivostní spínače nacházejí široké uplatnění v provozech chemického, petrochemického, potravinářského a farmaceutického průmyslu, v tepelné energetice, ve vodním hospodářství a v provozech zpracování odpadních vod. Například v potravinářství lze vodivostní snímače použít k měření hladiny ovocných šťáv, piva či mléka. Používají se často při naplňování a vyprazdňování nádob, nádrží či jímek mezi dvěma polohami hladiny (čerpadla či ventily jsou řízeny klopným obvodem s logickou funkcí), pro signalizaci mezních stavů polohy hladiny, jako jištění proti přeplnění nádrží apod. Příklad řídicího obvodu s hladinovými spínači je na obr. 7.
 
Hladinové spínače lze použít i pro signalizaci mezních stavů násypu sypkých hmot, vykazuje-li sypká látka potřebnou elektrickou vodivost. Spínače je možné využít i k detekci rozhraní mezi vodivou a nevodivou kapalinou; příklady se svislou a vodorovnou montáží elektrod v kovové či plastové nádobě jsou na obr. 8.
 
Kabelové a lanové sondy jsou vhodné k měření polohy hladiny, zejména k měření ve studních a vrtech hlubokých i několik desítek metrů, popř. ve velkých nádržích, kde by velmi dlouhé tyčové elektrody nebyly praktické. Například ponorné sondy Mave PSV [9] umožňují indikovat jednu polohu hladiny nebo dvě polohy s pevně nastavenou diferencí (50 mm) a mohou mít délku až 100 m. Jedním z faktorů, které omezují použitelnost kabelových sond, je chemická, teplotní a mechanická odolnost kabelu. Někteří výrobci nabízejí kabely s různými druhy izolace.
 
Spínače mohou pracovat v široké oblasti provozních teplot a tlaků (obvykle od –20 do 200 °C, v přetlaku obvykle do 1 až 4 MPa, speciálně až do 16 i více MPa [3], [6]). Vodivostní snímače s vyšší citlivostí lze použít ke snímání polohy hladiny vody v expanzních nádržích, nádržích kondenzátů a v nízkotlakých a středotlakých kotlích. Takovým příkladem je tlaková vodivostní sonda Mave PP [9], která je určena ke snímání dvou hladin s rozdílem 35 mm při max. teplotě 110 °C a tlaku vody 4 MPa.
 
Určitá omezení v použitelnosti vodivostních spínačů nastávají v případech, kdy existuje nebezpečí vytváření nevodivých povlaků na elektrodách (tukové povlaky či jiné nevodivé usazeniny). Na závadu může být i ulpívání velmi viskózních médií na elektrodách.
 
Vodivostní spínače hladiny jsou seřizovány a kalibrovány poměrně jednoduše přímo na technologickém zařízení při použití provozního média. Potřebné nastavovací prvky jsou běžnou součástí vyhodnocovací jednotky snímače.
 
Při použití elektrod zhotovených z vhodných materiálů lze vodivostní hladinoměry využít i v nepříznivých provozních podmínkách (vysoké teploty, agresivní média, velké požadavky na hygienu a sanitovatelnost). Přednosti a omezení vodivostních hladinoměrů jsou shrnuty v tab. 1.
 
Literatura:
[1] SMITH C. L.: Basic process measurements. John Wiley, 2009.
[2] McMILLAN G. K. – CONSIDINE D. M.: Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. McGraw/Hill, New York, 1999.
[3] LIPTÁK, B. G.: Process Measurement and Analysis. CRC Press, 2003.
[4] BOYES, W.: Instrumentation Reference Book. Elsevier, 2010.
[5] Ďaďo , S. – Bejček , L. – Platil , A.: Měření průtoku a výšky hladiny. BEN Praha, 2005.
[6] Nivocont – conductive level switches. Katalog firmy Nivelco [on-line]. [cit. 24. 6. 2015]. Dostupný na: www.nivelco.com/download/pdf/krk5s08a0602b_netre.pdf.
[7] Katalog Krohne F PIRO 01 CZ, 03/2001 [on-line]. [cit. 24. 6. 2015]. Dostupný na: http://cdn.krohne.com/dlc/FL_LS7xxx_cz_72.pdf.
[8] BENGTSSON, C.: The Engineer’s Guide to Level Measurement. Emerson Process Management Rosemount, Inc., 2013.
[9] Katalog MAVE Nymburk. [on-line]. [cit. 24. 6. 2015]. Dostupný na: www.mave-nymburk.cz/index.php?q=katalog-vyrobku.
 
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
Ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha
 
Obr. 1. Měrná elektrická vodivost a oblasti použití vodivostních hladinoměrů (upraveno podle [2])
Obr. 2. Spojité vodivostní snímače hladiny: a) nádoba z nevodivého materiálu, b) kovová nádoba
Obr. 3. Hladinové vodivostní spínače
Obr. 4. Dvouelektrodové snímače a ochrana čerpadla proti běhu nasucho
Obr. 5. Měření při turbulentním povrchu hladiny
Obr. 6. Příklady provedení vodivostních hladinoměrů: a) snímače Liquipoint s tyčovými a lanovými elektrodami (jedna až pět eletrod), Endress+Hauser, b) válcové sondy CNP (krátká pro vodorovnou montáž a prutová pro svislou montáž), Dinel, c) tlaková vodivostní sonda PP a ponorná kabelová sonda PSV-1, Mave, d) limitní spínače Vegakon a EL8 (ochrana proti přeplnění nebo ochrana proti chodu čerpadel nasucho), Vega Grieshaber
Obr. 7. Řídicí obvod s hladinovými spínači
Obr. 8. Hladinové spínače při detekci polohy rozhraní kovová nádoba
 
Tab. 1. Přednosti a omezení vodivostních hladinoměrů
Přednosti Omezení a nevýhody
jednoduchý princip funkce, snadná instalace, bezúdržbový provoz měřené médium musí být elektricky vodivé
neobsahují pohyblivé mechanické součásti u spojitých snímačů je signál ovlivněn změnami konduktivity v závislosti na koncentraci a teplotě měřeného média
velmi vhodné pro spínací účely, signalizaci mezních stavů a pro dvoupolohovou regulaci
vhodné i k měření agresivních i značně znečištěných médií ulpívání nevodivých médií na elektrodách může omezit či znemožnit fungování spínače
značný rozsah měření (kabelové sondy až 100 m) možnost jiskření mezi hladinou a hrotem sondy
příznivá cena při změně měřené kapaliny s odlišnou konduktivitou je nutné seřídit citlivost spínače