Pomiary poziomu cieczy i materiałów sypkich

Niemal we wszystkich dziedzinach przemysłu spotkać można się z pomiarami
poziomu cieczy, zawiesin lub materiałów sypkich. Właściwości substancji, której
poziom ma być mierzony, cel pomiaru oraz wymagania procesowe mogą być
przy tym bardzo różne. Z tego powodu stosowanych jest też wiele rozmaitych
metod pomiarowych.

Na wstępie warto dokonać rozróżnienia pomiędzy dwoma podobnymi problemami
- pomiarem poziomu i sygnalizacją poziomu. Pomiar, często nazywany również
ciągłym lub analogowym, dostarcza liczbowej informacji o ilości medium w

instalacji, zbiorniku lub danym obiekcie. W przypadku sygnalizacji otrzymuje się jedynie binarną
informację o przekroczeniu przez aktualny poziom pewnej granicy – dolnej lub górnej.

Dla kogo pomiary?

Trudno jest wymienić wszystkie dziedziny, w których wykonuje się

pomiary poziomu

. Typowe,

najczęściej spotykane aplikacje dotyczą przemysłu chemicznego i petrochemicznego oraz spożywczego.
Ilekroć w zautomatyzowanym procesie produkcyjnym wykorzystywane są ciecze, konieczne jest
zastosowanie metody kontroli ich ilości. W zależności od potrzeb dokonuje się zarówno pomiarów
poziomu w zbiornikach, jak również w rurociągach i kanałach otwartych. W wielu procesach
przemysłowych stosuje się zabezpieczenia przed przepełnieniem zbiornika lub przed wystąpieniem
niedostatecznego poziomu cieczy w instalacji – czyli tzw. suchobiegiem. W tym celu wystarczające będą
sygnalizatory poziomu, choć w praktyce często stosuje się elementy pomiaru poziomu, dzięki którym
możliwe jest odpowiednie sterowanie procesami i kontrolę poziomu mierzonej cieczy.

Osobną grupę stanowią pomiary inwentaryzacyjne, których dokonuje się na potrzeby np. rozliczeń. W
tym przypadku zakres zastosowań jest bardzo szeroki, począwszy od zbiorników rafineryjnych i
tankowców po silosy zbożowe, cukrowe lub zawierające materiały takie jak cement i wapno.

Metody pomiarów

Ze względu na sposób dokonywania pomiaru wyróżnia się metody kontaktowe i bezkontaktowe. W
przypadku tych drugich czujnik jest odizolowany od mierzonego medium. Mają one zastosowanie głównie
tam, gdzie badana ciecz mogłaby uszkodzić czujnik lub zakłócić pomiar np. poprzez oblepienie sondy.
Warto zaznaczyć, że dostępne są również wersje czujników kontaktowych dostosowane do pracy w
takich warunkach.

Istnieje wiele sposobów pomiaru poziomu. Najprostsze są metody mechaniczne, które polegają np. na
pomiarze położenia pływaka unoszącego się na powierzchni cieczy. Główną zaletą tej metody jest

Rys. 1. Pomiar z
wykorzystaniem metody
izotopowej (od lewej): (a)
źródło punktowe i czujnik
liniowy, (b) źródło
punktowe i czujnik
punktowy, (c) źródło
liniowe, czujnik liniowy

Rys. 2. Idea pomiaru z
wykorzystaniem metody
izotopowej

http://www.automatykab2b.pl/content/view/1213/33/

Polecamy

prostota i bardzo niska cena. Jednakże zarówno precyzja jak i niezawodność pomiaru są bardzo
ograniczone. Ze względu na ruchome części mechaniczne metoda ta jest wrażliwa na odkładanie się
osadów na czujniku, a sam element mechaniczny wymaga okresowych przeglądów i czyszczenia. W
związku z tym urządzenia pływakowe obecnie stosuje się raczej tylko do sygnalizacji niż do prawdziwych
pomiarów. Innym rozwiązaniem jest pomiar długości linki z ciężarkiem. Jest ona rozwijana z bębna, aż
do momentu zanurzenia się ciężarka w cieczy, bądź zetknięcia z powierzchnią materiału sypkiego, kiedy
to wykrywana jest zmiana siły napięcia linki. Wartość zmierzonej długość rozwiniętej linki przełożyć
można na wartość poziomu w zbiorniku. Pomiar ten nie jest zbytnio precyzyjny, ale za to może być
stosowany w zbiornikach o nieograniczonej wysokości. Jest też zupełnie niewrażliwy na występowanie
nawet silnego zapylenia nad powierzchnią materiału. Niemniej ze względu na swoją niedokładność,
pomiar z linką jest obecnie stosunkowo rzadko wykorzystywany.

Inną równie prosta metodą jest pomiar hydrostatyczny, który polega na badaniu ciśnienia wywieranego
przez słup cieczy, czyli w praktyce różnicy ciśnień na dole i na górze zbiornika. Analiza ta może być
stosowana tylko dla cieczy o stałej gęstości lub przynajmniej o znanym jej rozkładzie. Ze względu na
prostotę konstrukcji, łatwość instalacji i obsługi oraz odporność na drgania, a także niski koszt jest to
sposób powszechnie stosowany. Najbardziej problematycznym elementem takiego systemu jest
membrana sondy, która jest wrażliwa na tworzenie się osadów, lub zamulanie dna zbiornika, co
powoduje zafałszowania wyników pomiaru.

Laserowe pomiary poziomu

W przypadku aplikacji, gdzie kontakt elementu pomiarowego z
mierzonym medium mógłby ograniczyć dokładność pomiaru lub
znacząco zwiększyć koszty utrzymania sprzętu, stosuje się
zazwyczaj bezdotykowe czujniki poziomu. Przykładem są
ultradźwiękowe lub laserowe elementy pomiarowe, które są z
reguły umieszczane nad mierzonym medium i w normalnych
warunkach nie mają z nim kontaktu. Do bezpośredniego zetknięcia
czujnika z materiałem może dochodzić tylko w razie nadmiernego
wzrostu jego poziomu.

Odpowiednio do zastosowania

W przypadku opisywanych przyrządów pomiarowych, które
umieszczane są nad powierzchnią medium, emitowany jest
zazwyczaj odpowiedni sygnał, który zostaje odbity od powierzchni medium i odebrany przez układ
czujnika. Tego typu pomiar poziomu może być ciągły, choć obejmuje on zazwyczaj jeden punkt na
powierzchni materiału. Nie stanowi to zazwyczaj problemu w przypadku cieczy, gdy granica
pomiędzy fazą ciekłą a gazową jest zazwyczaj pozioma w stosunku do powierzchni ziemi. W
innych przypadkach stosowanie ultradźwiękowych urządzeń pomiarowych może być
problematyczne, a z kolei urządzeń radarowych dla pomiarów materiałów o niskiej stałej
dielektrycznej. Dodatkowo w przypadku materiałów sypkich granica między medium mierzonym a
gazem może być zmienna - na przykład w miejscu wysypywania substancji sypkiej może tworzyć
się w głębi pusta przestrzeń, w która później jest nagle zasypywana, powodując niespodziewaną
zmianę poziomu. Czujnik, niezależnie od metody pomiarowej, powinien więc zostać tak
umieszczony, aby wskazywał rzeczywisty poziom i nie być podatny na zakłócenia powodowane
powstającymi pustymi obszarami. Jeśli takiej lokalizacji nie można się znaleźć, trzeba zastosować
kilka czujników albo czujnik skanujący.

Pomiary laserowe

Czujnik laserowy emituje wiązkę impulsów świetlnych i rejestruje impulsy odbite od powierzchni
mierzonego medium. Poziom substancji w zbiorniku określany jest na podstawie pomiaru czasu
koniecznego na dotarcie i powrót promieniowania do jego powierzchni. Zmierzona odległość
pozwala zazwyczaj w prosty sposób obliczyć procentowe zapełnienie zbiornika.

Na laserową technikę pomiaru poziomu nie ma wpływu stała dielektryczna materiału, ani szybkość
rozchodzenia się dźwięku w gazie. Ponadto wiązka laserowa jest koherentna, tak więc sam pomiar
skupia się na mniejszej powierzchni niż w

technice radarowej

czy

ultradźwiękowej

. W niektórych

zastosowaniach czujniki laserowe mogą być używane do pomiaru poziomu w miejscach trudnych
do osiągnięcia innymi metodami - np. w zsypie zbiornika.

W wielu laserowych miernikach poziomu używa się zazwyczaj laserów klasy 1, które w
normalnych warunkach nie są niebezpieczne. Czasem stosuje się tutaj również lasery klasy 3,
które w razie bezpośredniego oświetlenia mogą być niebezpieczne tylko dla oczu.

Możliwe trudności

Nadmierne zmniejszanie intensywności wiązki laserowej podczas pomiarów może uniemożliwić
działanie poziomomierza laserowego. Degradacja sygnału następować może w samym czujniku,
na drodze pomiędzy czujnikiem a materiałem i na powierzchni materiału. Detekowana wiązka
laserowa może być również zbyt słaba na skutek zabrudzenia czy zakurzenia nadajnika i
odbiornika czujnika. Gromadzenie się zanieczyszczeń na czujniku jest procesem naturalnym, a
więc konieczne jest jego oczyszczanie w trakcie rutynowych czynności obsługowych. Często
czujnik umieszczany jest w ochronnej rurce i utrzymywany w sprawności dzięki regularnemu
przedmuchiwaniu gazem. Podobne zabiegi mogą być stosowane, gdy wiązka laserowa przechodzi
przez podlegające zabrudzeniom szklane okienko.

Dokładność laserowego pomiaru poziomu zależy od stanu i rodzaju powierzchni materiału od
której odbijana jest wiązka laserowa. Trudności może sprawiać na przykład pomiar poziomu
cieczy pokrytej pianą. Jeżeli piana jest przeźroczysta dla promienia lasera, odbicie następuje od
powierzchni cieczy i mierzony jest jej poziom, a nie piany. Jeśli piana jest półprzeźroczysta, wynik
pomiaru jest obarczony dużym błędem. Jeszcze gorzej, gdy właściwości piany zmieniają się w

źródło: Siemens

Metody elektroniczne

Kolejne dwie metody - rezystancyjna – zwana też przewodnościową lub potencjometryczną oraz metoda
pojemnościowa wykorzystują elektryczne właściwości badanego medium. W pomiarach rezystancyjnych
w zbiorniku umieszczana jest pionowo sonda w postaci metalowego pręta, przez który płynie prąd. W
miarę napełniania zbiornika, wskutek upływności prądu przez ciecz, zmienia się potencjał elementu, co
pozwala na wyznaczenie aktualnej wartości poziomu. W wariancie sygnalizacyjnym tej metody zamiast
pręta stosuje się dwie elektrody - przepływ prądu pomiędzy nimi następuje, gdy obie zanurzone są w tej
samej cieczy. Pomiary rezystancyjne stosuje się zwłaszcza w rurociągach i niewielkich zbiornikach, ze
względu na łatwość wykonania małych czujników.

Tymczasem w przypadku metody pojemnościowej mierzy się zmianę pojemności kondensatora
utworzonego między elektrodą pomiarową a ścianami zbiornika, czy też elektrodą odniesienia. Zmiany
wartości mierzonych powstają na skutek wypełnienia przestrzeni miedzy nimi przez ciecz. Metodę tę
można stosować zarówno do mediów przewodzących, jak i nieprzewodzących. Dzięki temu pomiar jest
niewrażliwy na występowanie piany w zbiorniku oraz można go stosować, gdy wewnątrz pojemnika
znajdują się inne instalacje, które uniemożliwiałyby zastosowanie metod bezkontaktowych.

Obecnie bardzo szybko rozwijają się metody radarowe i ultradźwiękowe. Wykorzystują one
zjawisko odbicia fali od powierzchni medium i bazują na pomiarze czasu przelotu sygnału. Sonda
radarowa wysyła impulsy o częstotliwości 5,8GHz, 6,3GHz lub 26GHz, które po odbiciu od powierzchni
medium są odbierane przez antenę sondy. Czas od momentu wysłania impulsu do jego odbioru zależy
bezpośrednio od poziomu substancji w zbiorniku. Radary pracujące na niższej częstotliwości są mniej
wrażliwe na zapylenie bądź zaparowanie zbiornika lub obecność piany. Z kolei wyższa częstotliwość
zwiększa dokładność pomiaru. Właściwości medium znajdującego się w zbiorniku nie mają wpływu na
pomiar, gdyż omawiana metoda daje się stosować w szerokim zakresie temperatury i ciśnienia. Silne
zapylenie lub zaparowanie, jak również obecność instalacji wewnątrz zbiornika, takich jak np. mieszadła
może niekiedy zakłócać pracę radaru. Aby się przed tym uchronić trzeba zastosować nowoczesny czujnik
z zaawansowanym systemem analizy sygnału.

Alternatywą dla powyższych typów pomiarów może być instalacja sensora mikrofalowego z falowodem,
czyli tzw. sondą prowadzącą (guided-wave radar). Wadą metody radarowej jest niestety stosunkowo
duży koszt urządzeń. Zasada działania sondy mikrofalowej z falowodem zbliżona jest do funkcjonowania
sondy radarowej. Podstawowa różnica polega na tym, że sygnał jest przesyłany falowodem o postaci
pręta lub stalowej liny. W miejscu, gdzie zmieniają się właściwości magnetyczne ośrodka, w którym
umieszczony jest falowód, następuje częściowe bądź całkowite odbicie fali. Podobnie jak w metodzie
radarowej mierzony jest czas przelotu fali od detektora do zintegrowanego z nim odbiornika. Metoda ta
jest niewrażliwa na zaparowanie lub zapylenie czy obecność instalacji wewnątrz zbiornika. Można ją też
wykorzystać do pomiaru granicy rozdziału faz dwóch produktów znajdujących się w zbiorniku. Wystarczy
odpowiednio przetworzyć uzyskany sygnał, gdyż w trakcie propagacji fali nastąpi więcej niż jedno
odbicie. Technika ta jest wciąż nieco tańsza od zwykłej radarowej.

czasie.

Duże trudności pomiarowe powodować mogą aplikacje ze zbiornikami pod ciśnieniem, w których w
fazie gazowej unosi się znaczna ilość cząsteczek wprowadzających błąd pomiaru laserowego.
Jednak jeśli pomimo tego powierzchnia mierzonego materiału jest widoczna, pomiar laserowy jest
możliwy. Na zdolność penetracyjną promienia laserowego mają wpływ rozmiary cząstek pyłowych
i ich cechy optyczne. Zawiesina pyłowa z większymi oraz ciemniejszymi cząsteczkami jest bardziej
przejrzysta niż z mniejszymi i jasnymi, która łatwiej odbijają światło. Także natężenie światła
odbitego i jego kolor mają wpływ na wyniki pomiarowe, dlatego dla zwiększenia jego dokładności
często potrzebna jest kompensacja koloru. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach
wysokotemperaturowych - na przykład przy pomiarach poziomu płynnej stali, której kolor i
wygląd mogą się szybko zmieniać.

Kwestia ceny

Urządzenia do laserowych pomiarów poziomu należą do stosunkowo drogich elementów
pomiarowych, tak więc wykorzystywane są one zazwyczaj tam, gdzie inne techniki nie mogą być
stosowane lub nie zapewniają odpowiedniej dokładności. Przykładem są pomiary poziomu
płynnego szkła lub metalu o temperaturze do kilku tys. stopni Celsjusza. Technikę tę stosuje się
także do pomiaru poziomu materiału mokrego lub suchego w wysokich zbiornikach - w takich,
gdzie technika radarowa lub ultradźwiękowa nie zdają egzaminu. Poziomomierze laserowe nie
sprawdzają się natomiast, gdy przestrzeń gazowa jest nieprzeźroczysta lub, jak wspomniano
wcześniej, zawiera drobiny materiału - szczególnie o dużym stopniu odbicia światła. Trudno jest
więc zmierzyć poziom mąki, nad którą znajdują się odbijające światło i elektrycznie naładowane
drobiny pyłu mącznego. Pochłaniają one i odbijają światło, a także mogą osadzać się na czujniku.
Odbijać światło i powodować błąd pomiarowy może również para wodna. Z tych powodów przy
stosowaniu laserowych czujników poziomu konieczne jest branie pod uwagę wszystkich czynników
występujących w danej aplikacji i ich odpowiednie kompensowanie.

Krzysztof Pochwalski

Pozostałe czujniki

Jeszcze tańsze niże poprzednimi, a do tego proste w obsłudze, są czujniki

ultradźwiękowe

. Zasada ich działania jest praktycznie taka sama, jak w

przypadku czujników radarowych, z tym że używa się tu sygnałów
akustycznych o częstotliwościach rzędu kilkudziesięciu kHz. Niestety sondy
ultradźwiękowe są wrażliwe na zapylenie i obecność piany. Ich stosowanie
jest ograniczone też do pewnego zakresu ciśnień i temperatur. Czujniki
tego typu znajdują zastosowanie np. w gospodarce wodno-ściekowej lub
do pomiarów niepylących produktów sypkich, takich jak np. węgiel i
piasek.

W szczególnie trudnych warunkach środowiskowych oraz w przypadku
produktów agresywnych i w razie niemożności ingerencji w konstrukcję
zbiornika stosuje się metodę izotopową. Pomiar ten jest realizowany w
oparciu o zjawisko różnego pochłaniania promieniowania przez
substancję. Układ pomiarowy składa się z jednostki sterującej, detektora
promieniowania oraz źródła izotopowego, takiego jak np. kobalt Co-60 lub
cez Cs-137. Detektor i pojemnik ze źródłem są montowane na zewnątrz
zbiornika, co jest istotną zaletą metody. Natężenie promieniowania
rejestrowane przez urządzenie zależy od wartości poziomu substancji w
zbiorniku.

Możliwe konfiguracje układu pomiarowego do ciągłego pomiaru poziomu to: detektor liniowy ze źródłem
liniowym, detektor punktowy ze źródłem liniowym oraz zestaw w pełni punktowy. W przypadku
stosowania jedynie sygnalizacji stosuje się układ w postaci detektora punktowego ze źródłem
zainstalowanym na odpowiedniej wysokości. W tej sytuacji zmiana natężenia promieniowania powoduje
załączenie sygnalizacji. Pomiary metodą izotopową stosuje się m.in. w hutnictwie w celu pomiaru ilości
płynnej stali w zbiorniku oraz w niektórych aplikacjach związanych z płynami w reaktorach chemicznych.

Kilka słów o sygnalizacji

Dla celów sygnalizacji poziomu można zasadniczo wykorzystać
odpowiednie modyfikacje przedstawionych powyżej metod pomiarowych.
Szczególnie duże znaczenie ma wtedy niezawodność i możliwość wykrycia
awarii czujnika. Stąd w układach zabezpieczeń chętnie używane są
czujniki wibracyjne (kamertonowe). Sensory te mają postać widełek,
które są pobudzane do drgań. W stanie ustalonym kamerton drga ze
swoją częstotliwością rezonansową, której dokładna wartość zależy od
właściwości ośrodka, w którym się znajduje. Gdy czujnik zostanie
zanurzony w cieczy lub innym medium, częstotliwość ta się zmienia.
Zmiana wykrywana jest przez układ elektroniczny czujnika i powoduje
włączenie sygnalizacji. Zazwyczaj stosuje się czujniki z histerezą, co
oznacza, że częstotliwości rezonansowe dla włączania i wyłączania różnią
się nawet o kilkadziesiąt herców. Zapobiega to częstym przełączeniom w
przypadku, gdy poziom cieczy utrzymuje się w okolicach miejsca, w
którym umieszczono detektor. Ze względu na to, że czujnik stale drga jest bardzo odporny na oblepianie.
Można go montować w dowolnej pozycji, tj. pionowo, poziomo lub ukośnie. W niektórych wykonaniach
czujnik jest na tyle mały, że możliwe staje się zastosowanie go również w rurociągach. Do sygnalizacji
poziomu

materiałów sypkich

używa się też czujników prętowych, co ma uniemożliwić przypadkowe

zaklinowanie się kawałka materiału w widełkach kamertonu.

Każda z wymienionych metod jest reprezentowana na rynku przez szeroką gamę produktów,
pochodzących od różnych producentów. Są wśród nich czujniki dedykowane dla konkretnych gałęzi
przemysłu - czyli takie, które spełniają różne specyficzne wymagania oraz te bardziej uniwersalne.

Marek Strzelczyk

Zasada działania czujnika wibracyjnego: (a) wzbudzanie drgań, (b) zależność częstotliwości drgań

od głębokości zanurzenia czujnika

Fot. 1. Czujnik wibracyjny
Vegawave 61 oferowany
przez firmę Introl

Przetwornik poziomu

Mobrey 9700 firmy

Emerson