Snímače polohy hladiny – principy, vlastnosti a použití (část 1)

Snímače polohy hladiny – principy, vlastnosti a použití (část 1)

Karel Kadlec

Článek poskytuje přehled základních metod měření polohy hladiny kapalných a sypkých látek. Popsány jsou snímače využívající mechanické, hydrostatické, elektrické a fyzikální principy. Jsou diskutovány vlastnosti jednotlivých typů hladinoměrů a uvedeny jejich přednosti a nedostatky spolu s příklady jejich použití.

1. Úvod

Zjišťování polohy hladiny kapalin a sypkých hmot v zásobnících a provozních nádobách, jako jsou různé tanky, zásobní a provozní nádrže, destilační kolony, odparky, krystalizátory, mísicí nádoby apod., je v provozní praxi jednou z velmi častých úloh. Ačkoliv se běžně hovoří o měření polohy (výšky) hladiny, jedná se velmi často o zjišťování množství látky v nádrži. Z údajů zjištěných měřením polohy hladiny je možné toto množství vypočítat, přičemž záleží na tvaru nádoby, ve které se kapalina nachází. Pokud se měří v nádobách, u kterých se průřez s výškou nemění, je vyčíslení poměrně snadné. Obtížnější z tohoto hlediska je měření např. v ležatých zásobnících, kde závislost objemu na poloze hladiny je dána nejen válcovým či jiným tvarem nádoby, ale i vyklenutím dna a popř. různými vestavbami uvnitř nádrže. Pro výpočet množství kapaliny z údaje o poloze hladiny v takové nádrži se využívají více či méně složité výpočetní postupy a odpovídající počítačové programy. Proměřováním nádrží a tvorbou potřebných matematických závislostí mezi polohou hladiny a uskladněným množstvím se zabývají specializované firmy [1].

Kapaliny, suspenze a sypké materiály, jejichž poloha hladiny se v průmyslu měří, se mohou značně odlišovat: od čisté vody, přes hořlavé, viskózní, lepkavé a korozivní kapaliny až po suspenze s abrazivními účinky; od jemných volně tekoucích prášků až po vlhké a spékající se hrudkovité sypké látky. Velmi různorodé může být i prostředí, ve kterém snímače polohy hladiny pracují – od vakua až po velké tlaky v širokém rozmezí teplot. Tato různorodost požadavků se odráží ve velkém počtu měřicích metod a přístrojů, které byly pro měření polohy hladiny vyvinuty. Volba vhodné metody je ovlivněna mnoha faktory. Jsou to zejména tlak (otevřené a uzavřené nádoby), teplota, korozivní účinky měřeného média, rozsah, citlivost a požadovaná přesnost měření, potřeba plynulého měření či jen indikace a signalizace určitých (mezních) stavů apod.

Snímače polohy hladiny je možné klasifikovat podle různých hledisek. Nejčastěji se třídí podle použitého funkčního principu. Rozdělení snímačů hladiny použité v tomto příspěvku je přehledně uvedeno v tab. 1 spolu se stručnou charakteristikou a hlavními možnostmi použití příslušného měřicího principu.

Tab. 1. Snímače polohy hladiny

2. Mechanické hladinoměry

2.1 Jednoduchá mechanická měřidla

Historicky nejstarším měřidlem výšky hladiny je tyčové měřidlo, které se i dnes využívá k orientačnímu měření. Další skupinu tvoří průhledové hladinoměry (skleněné trubice nebo průzory), které se používají pro vizuální sledování polohy hladiny zejména v malých kotlích a nádržích. Průhledové hladinoměry se často zanášejí nečistotami, jako je rez a jiné úsady. Průzory lze použít i pro velké tlaky až do 10 MPa. Předností těchto měřidel je jednoduchost, nevýhodou je skutečnost, že neposkytují vhodný signál pro přenos a další zpracování naměřených údajů [2].

Obr. 1. Plovákové hladinoměry

2.2 Hladinoměry založené na měření hmotnosti

Ke zjišťování polohy hladiny (množství materiálu v nádrži) lze využít i měření hmotnosti nádrže s materiálem. Hmotnost nádrže se zjišťuje vážením při použití např. vhodného siloměrného členu, jehož citlivým prvkem nejčastěji bývá tenzometrický senzor. Tento způsob měření se často používá při dávkování a směšování různých kapalných i sypkých materiálů.

2.3 Plovákové hladinoměry

Základní součástí plovákového hladinoměru je plovák, obvykle v podobě lehkého dutého tělesa nebo tělesa vyrobené z materiálu o velmi malé hustotě. Plovák je ponořen do kapaliny jen velmi málo (poměr ponořené části plováku k jeho celkové výšce se rovná poměru hustot plováku a kapaliny). Při měření menších změn polohy hladiny (do 1 m) se používají plováky ve tvaru koule, pro měření velkých změn hladiny (do 40 m) se používají plováky válcového tvaru s vodicí tyčí.

Plováky mohou být umístěny přímo v provozních nádobách zavěšené na tyčích, lanech, řetězech nebo planžetách. Pohyb plováku může být vyveden z otevřené nádrže přes kladku lankem nebo řetízkem, obvykle ve spojení s protizávažím. Takto zavěšený plovák je obvykle veden tak, aby se při neklidné hladině nerozkývával. Poloha plováku se určuje buď přímo přečtením polohy protizávaží na podložené stupnici, nebo se převádí na elektrický signál prostřednictvím převodníku.

Obr. 2. Plovákový hladinoměr s magnetostrikčním senzorem (Level Instruments)
Obr. 3. Provedení plováků u hladinoměrů (KSR Kübler)
Obr. 8. Hladinoměr (a) vibrační, (b) vrtulkový (po řadě: Krohne, Endress+Hauser)

Vhodným převodníkem může být odporový vysílač mechanicky spojený např. s kladkou plovákového snímače. Odporový vysílač je speciálně uzpůsobený měřicí potenciometr, u něhož se působením měřené veličiny mění poloha kontaktu (jezdce) pohybujícího se po odporové dráze. Snímače tohoto typu jsou jednoduché a spolehlivé. Musí být dokonale mechanicky provedeny, aby vykazovaly malý třecí moment a dlouhou dobu života.

Obr. 4. Obtokový hladinoměr s magnetickými válečky (KSR Kübler)

Přesnost plovákových hladinoměrů závisí především na tvaru a průřezu plováku, pasivních odporech v převodovém mechanismu a na změnách hustoty měřené kapaliny. Plovák by pokud možno 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. Plováky určené pro tlakové prostory jsou nejčastěji kulového tvaru. Někdy bývají naplněny inertním plynem na tlak odpovídající maximálnímu tlaku v nádrži.

Obr. 5. Ponorné těleso (S – průřez ponorného tělesa, Dh – změna polohy hladiny, Dl – změna polohy tělesa, a tedy i změna stlačení pružiny, r – hustota kapaliny, k – konstanta pružiny)

Plováky se často zhotovují z mosazi, korozivzdorné oceli, polyethylenu, polypropylenu, PVC, polystyrenu atd. Některá provedení plováků jsou ukázána na obr. 3.

Plovákové hladinoměry jsou vhodné pro nelepkavé a neviskózní kapaliny. Jejich předností je jednoduchost a spolehlivost.

Zajímavým typem plovákového hladinoměru je obtokový hladinoměr s magnetickými válečky (obr. 4). Plovák pohybující se v trubici hladinoměru je opatřen magnetem a poloha hladiny je zobrazena magnetickou zobrazovací lištou, jež je tvořena sloupcem magnetických dvoubarevných válečků. Magnet v plováku při svém pohybu válečky převrací a poloha hladiny je prezentována výraznou barvou (modrá, červená). Z pohledu uživatele jde o indikaci polohy hladiny analogickou indikaci u průhledového hladinoměru. Magnet může také spínat jazýčkové kontakty potenciometrického vysílače s kvazikontinuálním výstupním signálem (analogový proudový výstup). Tento snímač je vhodný pro snímání a indikaci polohy hladiny horkých, agresivních, hořlavých i toxických kapalin. Je použitelný při teplotách od –160 do +470 °C a od vakua až do tlaku 42 MPa.

Obr. 6. Ponorné těleso v kombinaci s diferenčním transformátorem
Obr. 9. Měření hydrostatického tlaku v (a) otevřené a (b) uzavřené nádrži (g – tíhové zrychlení)
Obr. 11. Ponorná sonda k měření hydrostatického tlaku (provedení Endress+Hauser)

2.4 Vztlakové hladinoměry

Hladinoměry se vztlakovým (ponorným) tělesem využívají Archimédův zákon a pracují na principu vyrovnání sil. Princip je patrný z obr. 5. Ponorné těleso válcového tvaru je zavěšeno na pružině. Síla působící na pružinu je dána vlastní tíhou tělesa zmenšenou o vztlakovou sílu. Změnou polohy hladiny o Dh se změní vztlaková síla a ustaví se nová rovnováha sil v jiné poloze tělesa. Pro rovnováhu ponorného tělesa pak platí vztah uvedený na obr. 5. Z rovnice vyplývá, že při měření hladiny musí být hustota měřené kapaliny konstantní. Délka ponorného tělesa pro daný měřicí rozsah nesmí být menší než hodnota výrazu (Dh – Dl). Tíha tělesa musí být větší než vztlak při plném ponoření.

Obr. 7. Elektromechanický hladinoměr (Level Instruments)

Zdvih ponorného tělesa při maximální změně hladiny měřené kapaliny může být poměrně malý (řádově několik milimetrů). Způsob, jakým se snímá změna polohy tělesa, závisí na typu dálkového přenosu měřícího signálu. Převod polohy na elektrický signál s využitím diferenčního transformátoru je znázorněn na obr. 6. Diferenční transformátor je příkladem indukčního snímače. Na trubce z nemagnetického materiálu je navinuto primární a sekundární vinutí. Sekundární vinutí je od poloviny vinuto opačným směrem. Uvnitř uzavřené trubky se pohybuje železné jádro, jež je mechanicky spojeno s ponorným tělesem zavěšeným na pružině. Změnou polohy jádra, ke které dochází změnou měřené veličiny, se mění koeficient vzájemné indukčnosti mezi primárním a sekundárním vinutím, převáděný vyhodnocovacími obvody na elektrický výstupní signál.

Uvedeným způsobem lze měřit polohu hladiny i v uzavřených tlakových nádobách. Z tlakových prostorů se pohyb ponorného tělesa vyvádí také torzní trubkou, která vedle kompenzačního momentu plní i funkci dokonalé ucpávky. Pohyb konce torzní trubky se převádí na pneumatický nebo elektrický signál.

V nádobách bez proudění a turbulencí se vztlakové těleso umísťuje přímo do provozní nádoby, v případě nezanedbatelných turbulencí a při proudění náplně v nádrži se vztlakové těleso umísťuje do pomocné spojené nádoby. Při měření polohy rozhraní dvou kapalin s rozdílnou hustotou (měření mezihladiny) musí být vztlakové těleso v místě rozhraní a musí být zcela ponořeno (údaj však neinformuje o celkovém stavu hladiny).

Obr. 10. Membránový (přírubový) snímač hydrostatického tlaku (Endress+Hauser)

Ke vztlakovým snímačům lze zařadit i servomechanické hladinoměry [3]. Vztlakové těleso zavěšené na laně je při použití servomotoru udržováno v rovnovážné poloze odpovídající poloze hladiny. Výstupní signál je odvozen od natočení navíjecího bubnu. Servomechanický hladinoměr je možné použít i k měření polohy mezihladiny nemísících se kapalin.

2.5 Elektromechanické hladinoměry

Závaží ve tvaru válce nebo talíře upevněné na laně, řetízku nebo pásce je periodicky spouštěno do nádrže obsahující sypký, hrubozrnný nebo kusový materiál. Délka odvinutého lanka, navinutého na měřicím bubnu, udává polohu hladiny násypu. Dotyk s hladinou se zjistí z uvolnění lanka navíjeného motorem (obr. 7). Měření elektromechanickou sondou je spolehlivé. Naměřené hodnoty nezávisejí na hustotě a zrnitosti materiálu ani na jeho teplotě a vlhkosti. Tyto sondy se používají zejména v silech a velkých zásobnících s měřicím rozsahem až do 70 m.

Obr. 12. Měření výšky hladiny probubláváním v (a) otevřené a (b) uzavřené nádrži

2.6 Vibrační a vrtulkové hladinoměry

Podstatnou součástí vibračního hladinoměru (obr. 8a) je kmitající indikační prvek vidlicového nebo tyčkového tvaru, obvykle rozkmitávaný piezoelektricky. Indikační prvek kmitá při rezonanční frekvenci např. 1 200 Hz. Prostředí, které ho obklopuje, ovlivňuje mechanické oscilace. Při dotyku rezonátoru s hladinou jsou utlumovány kmity, popř. se mění jejich frekvence. Tyto snímače jsou vhodné pro detekci mezních stavů hladiny kapalin i sypkých látek. Jako jejich přednosti lze uvést:

• měření není ovlivněno změnami hustoty, vodivosti, relativní permitivity ani viskozity měřeného média,
• na měření polohy hladiny nemají vliv pěna na hladině ani změny tlaku a teploty a vnější vibrace,
• použitelnost i při vysokých provozních teplotách (např. do 250 °C),
• mechanické vibrace indikačního prvku mají samočisticí funkci,
• při uvádění do provozu není nutné snímač seřizovat.

Obr. 13. Vodivostní snímače polohy hladiny pro (a, b) spojité snímání a (c) indikaci mezních stavů

Vrtulkové hladinoměry (obr. 8b), podobně jako vibrační, využívají útlum, popř. zastavení otáčení vrtulky zavěšené nad hladinou a poháněné elektromotorkem. Při dotyku s hladinou měřené látky se vrtulka zpomalí či zastaví a tím signalizuje dosažení určené polohy hladiny (indikace mezního stavu). Vrtulkový hladinoměr se často používá jako pojistka proti přeplnění nádrží. Výhodou je, že měření není ovlivněno změnami hustoty, vodivosti, relativní permitivity ani viskozity média.

3. Hydrostatické hladinoměry

3.1 Přímé měření hydrostatického tlaku

Poloha hladiny h se vyhodnocuje z hydrostatického tlaku p sloupce kapaliny v nádrži. Z rovnice na obr. 9 vyplývá, že výsledek měření závisí na hustotě r, a tedy i na teplotě kapaliny.

K měření hydrostatického tlaku se používá vhodný tlakoměr; současné systémy často využívají snímače tlaku s polovodičovými tenzometry. Na obr. 9a je znázorněno měření hydrostatického tlaku v otevřené nádobě. Měří-li se poloha hladiny v uzavřeném, tlakovém zásobníku, užívá se uspořádání podle obr. 9b. V případě, že v referenčním přívodu k manometru mohou kondenzovat páry, je nutné zařadit kondenzační nádoby nebo se referenční přívod plní vhodnou oddělovací kapalinou. Ukázka řešení membránového snímače hydrostatického hladinoměru je na obr. 10. Pro měření polohy hladiny hydrostatickou metodou se s výhodou využívá také ponorná sonda (obr. 11). Její podstatnou součástí je membrána s tenzometrickým snímačem. Sonda je opatřena propojovací hadicí, která funguje jako přívod referenčního tlaku. Sonda je vhodná pro měření polohy hladiny v zásobnících s výškou větší než 1 m, zejména je vhodná pro měření ve vrtech (s hloubkou např. až 200 m). Předností hydrostatických hladinoměrů je nezávislost výstupu na tvorbě pěny a na elektrických vlastnostech měřené látky (elektrická vodivost, permitivita). Nevýhodou je závislost na hustotě (teplotě) média a nebezpečí zamrznutí přívodů ke snímači rozdílu tlaků v nádržích mimo uzavřené objekty.

Obr. 14. Kapacitní snímač s proměnnou permitivitou (nevodivá kapalina): (a) schéma, (b) charakteristika (e_A – permitivita posuvného dielektrika, e_B – permitivita vzduchu, a – šířka desky)

3.2 Měření s probubláváním

Často používanou metodou, zvláště při práci s agresivními, silně znečištěnými či viskózními kapalinami, je metoda pneumatická (provzdušňovací, probublávací): tzv. pneumatický hladinoměr je znázorněn na obr. 12a. Trubkou přivedenou ke dnu nádrže proudí stálé malé množství vzduchu nebo jiného neutrálního plynu. Unikající vzduch musí překonat hydrostatický tlak kapaliny. Je-li průtok vzduchu tak malý, aby bylo možné zanedbat tlakovou ztrátu v trubce, přetlak v systému, měřený vhodným tlakoměrem, bude úměrný výšce hladiny. V potrubí přivádějícím vzduch je zařazen regulátor udržující konstantní průtok vzduchu bez ohledu na velikost hydrostatického tlaku. Stejný způsob lze použít i k měření v uzavřených nádobách (obr. 12b), pokud napájecí tlak je větší než tlak v nádobě. K měření je pak třeba použít vhodný snímač rozdílu tlaků.

4. Elektrické hladinoměry

4.1 Vodivostní hladinoměry

Vodivostní hladinoměry jsou tvořeny elektrodami umístěnými v nádrži s vodivou kapalinou. Měří se změna elektrického odporu (resp. vodivosti) se změnou polohy hladiny. Přesnost je silně závislá na změnách složení, vodivosti i teplotě média. Vodivostní snímače se používají zejména k signalizaci mezních stavů a k dvoupolohové regulaci. Používají se např. při naplňování a vyprazdňování nádob mezi dvěma polohami hladiny (čerpadla či ventily jsou řízeny klopným obvodem s logickou funkcí) a k řízení čerpadel v provozech zpracovávajících odpadní vody. Některá umístění vodivostních snímačů polohy hladiny v provozních nádržích jsou ukázána na obr. 13. Hlavní předností těchto snímačů je jednoduchý princip a snadná instalace, lze je však využít pouze v případě elektricky vodivých kapalin.

Obr. 15. Kapacitní snímač polohy hladiny pro nevodivé kapaliny

4.2 Kapacitní hladinoměry

Podstatnou část kapacitního hladinoměru tvoří elektrický kondenzátor s proměnnou kapacitou. Většinou se neměří jen kapacita, ale i impedance, a někteří výrobci tudíž tyto snímače označují jako impedanční nebo admitanční. Kapacitní snímače se používají jak ke spojitému snímání polohy hladiny, tak i k signalizaci mezních stavů hladiny kapalin i sypkých hmot. Konstrukce snímače závisí na vodivosti měřeného média. U elektricky nevodivých kapalin se využívá kapacitní snímač, u něhož se změnou polohy hladiny nastává změna dielektrika (obr. 14).

Okamžitá celková kapacita C je dána součtem dvou dílčích kapacit C_A a C_B podle obr. 14a. Při měření polohy hladiny tvoří nevodivá kapalina „posuvné“ dielektrikum. Vztah pro výpočet statické charakteristiky snímače a její průběh pro deskový kondenzátor jsou na obr. 14b. Kapacitní sonda má obvykle tvar válce. Jednu elektrodu snímače může tvořit např. svislá tyč, druhou představuje stěna nádoby. Dielektrikem je nevodivá kapalina, která při změně polohy hladiny zaplavuje elektrodu (obr. 15). Při spojitém měření je nutné dodržet souběžnost elektrody se stěnou měřeného prostoru (při nedodržení souběžnosti bude charakteristika nelineární). V případě, že nádoba má nevhodný tvar nebo je vyrobena z nevodivého materiálu, se jako druhá elektroda používá děrovaná trubice obklopující tyčovou elektrodu. Skládá-li se stěna nádoby z několika vrstev, stačí, je-li alespoň jedna vrstva vodivá (jako protielektrodu lze využít i stěnu, jejíž vnitřní povrch je pokryt smaltem, pryží nebo plasty).

Obr. 16. Kapacitní snímače polohy hladiny pro vodivé kapaliny

Při měření polohy hladiny elektricky vodivých kapalin (obr. 16) je kovová tyčová elektroda opatřena izolačním povlakem, např. z teflonu, tvořícím dielektrikum. Vodivá kapalina představuje druhou elektrodu s plochou závislou na výšce hladiny. Snímače pro signalizaci mezních stavů bývají zabudovány ve svislé stěně zásobníku. Přesnost měření v obou případech ovlivňuje vodivá vrstva kapaliny, pěny nebo nánosů ulpívajících na povrchu snímačů.

K vyhodnocení změn kapacity se používají můstkové nebo frekvenční metody. S měřicím obvodem se kapacitní snímač, který má obvykle velkou impedanci, spojuje speciálním měřicím kabelem. U snímačů vyráběných v současné době jsou elektronické vyhodnocovací obvody zabudovány přímo v připojovací hlavici snímače. Snímač tak poskytuje analogový nebo číslicový signál vhodný pro přenos na dálku a pro další zpracování.

Obr. 17. Principiální uspořádání limitních fotoelektrických snímačů polohy hladiny

K přednostem kapacitních snímačů lze počítat jejich jednoduchou a robustní konstrukci bez pohyblivých částí, možnost dobře odolávat korozi, snadné čištění a použitelnost v prostředí s nebezpečím výbuchu. K nedostatkům patří nebezpečí pokrývání povrchu sondy vodivým materiálem (nánosy, kaly) a závislost na relativní permitivitě měřeného materiálu, měnící se zejména vlivem teploty. Kapacitní snímače jsou vhodné pro měření polohy hladiny kapalných i sypkých médií v širokém rozmezí délek asi od 0,2 do 30 m, teplot (–40 až +400 °C) či při velkém tlaku. Vhodné jsou i pro snímání mezihladiny dvou nemísitelných kapalin (např. rozhraní vody a oleje). Nejsou vhodné pro měření pěnících médií a měření může rušit i kondenzace par na elektrodě a vzlínavost vodivé kapaliny.

4.3 Tepelné hladinoměry

Základem snímacího prvku tepelného hladinoměru je sonda s vyhřívaným elektrickým rezistorem, nejčastěji termistorem. Prostředí obklopující snímač ovlivňuje přenos tepla z topného prvku do okolí (např. odvod tepla do kapalného média bude intenzivnější než do vzduchu). Při styku snímače s hladinou kapaliny se náhle ochladí vyhřívaný termistor, a tudíž se změní i jeho odpor. Tepelné hladinoměry se využívají jako limitní snímače polohy hladiny.

4.4 Fotoelektrické hladinoměry

Fotoelektrické snímače jsou principiálně velmi jednoduché (obr. 17). Tvoří je vhodný zdroj infračerveného nebo viditelného záření (žárovka, svítivá dioda) a detektor (fotodioda, fototranzistor, fotoodpor). Snímač s hranolem nebo světlovodem využívá změnu indexu lomu při změně okolního prostředí [4]. Dosažení hladiny je indikováno, když se kapalina dotkne koncovky světlovodu. Fotoelektrické snímače jsou vhodné i pro extrémní teploty (až do 400 °C) a lze je montovat i do nádrží s agresivními kapalinami.

(dokončení v příštím čísle)