Pomiary poziomu należą do grupy pomiarów najczęściej stosowanych w przemyśle. Ze względu na różnorodność warunków procesowych, ograniczenia instalacyjne i właściwości medium do pomiaru poziomu stosuje się różne metody. Najbardziej uniwersalną, mającą wiele zalet, jest metoda radarowa. W artykule omawiamy metodę radarową ? falowodową oraz pokazujemy, jak dobrać przetwornik do określonej aplikacji.
Przetworniki z falowodem są przeznaczone do ciągłego pomiaru poziomu produktów sypkich i cieczy. Zastosowanie najnowszych technologii przyczyniło się do stworzenia oferty niezawodnych metod pomiarów poziomu dla szerokiego zakresu aplikacji ? pomiarów niezależnych od zmian warunków procesowych ? tzn.: gęstości produktu, oparów, temperatury i zapylenia. Możliwe stały się pomiary w zbiornikach z turbulencjami i przeszkodami. Jeden przetwornik może jednocześnie mierzyć poziom i granicę faz. Falowodowe przetworniki radarowe świetnie nadają się do zbiorników, w których jest mało miejsca na pomiar (wąskie, wysokie silosy, zbiorniki z wewnętrzną zabudową) oraz instalacje (zbiorniki podziemne), gdzie nie sprawdzają się metody bezkontaktowe.
Zasada pomiaru
Zasada działania przetworników falowodowych polega na pomiarze czasu przelotu fali elektromagnetycznej pomiędzy punktem odniesienia a powierzchnią medium. Fala w postaci nanosekundowych impulsów małej mocy rozchodzi się w pręcie, linie lub dwóch równoległych prętach stanowiących falowód o długości równej zakresowi pomiaru poziomu. Kiedy impulsy radarowe docierają do substancji o innej stałej dielektrycznej, następuje częściowe ich odbicie.
Pomiar czasu, który upłynął od chwili wysłania impulsów do ich powrotu, umożliwia obliczenie poziomu produktu:
s ? odległość od nadajnika fali elektromagnetycznej do powierzchni produktu,
v ? prędkość propagacji fali elektromagnetycznej wzdłuż falowodu,
t ? czas przelotu impulsów radarowych,
c ? prędkość światła,
er? względna przenikalność dielektryczna ośrodka propagacji fali.
Przy znanej wysokości zbiornika ?H? poziom ? L? obliczany jest z równania
Propagacja fali w falowodzie nie zależy od temperatury, ciśnienia, zapylenia w zbiorniku oraz od gęstości i stałej dielektrycznej medium. Przetwornik falowodowy umożliwia pomiar poziomu w zbiornikach z substancjami sypkimi w zakresie do około 40 m, z cieczą około 60 m. Aby dane pomiarowe przetwornika mogły być odczytane przez inne urządzenie, sondy wyposażone są w analogowe wyjścia prądowe 4-20 mA. Można również spotkać sondy z wyjściem cyfrowym, w europejskim standardzie Profibus lub amerykańskim Fieldbus.
Kryteria doboru
Mimo dużej różnorodności opracowanych rozwiązań konstrukcyjnych nie ma uniwersalnego przetwornika, który można zastosować we wszystkich sytuacjach pomiarowych. Dlatego bardzo ważną czynnością na etapie projektowania instalacji jest dobór właściwego urządzenia.
Przetwornik falowodowy zbudowany jest z obudowy, przyłącza do zbiornika oraz sondy. Istotnym elementem jest sonda. To od jej doboru zależy zakres i dokładność pomiaru. Producenci oferują różne typy sond, tj.: prętowe, linowe, koncentryczne.
Dla materiałów sypkich zaleca się stosowanie sond linowych. Sondy prętowe są odpowiednie dla mniejszych zakresów pomiarowych. Z kolei dla cieczy zaleca się stosowanie sond prętowych lub koncentrycznych. Dla wyższych zbiorników należy stosować sondy linowe.
Sondy koncentryczne stosuje się do cieczy o lepkości do około 500 cP oraz w mediach nienarażonych na zanieczyszczenia. Zaletą tego falowodu jest niezależność pomiaru od warunków montażowych w zbiorniku, takich jak: geometria króćca, wewnętrzne elementy zbiornika. Sonda zapewnia również odporność na zakłócenia elektromagnetyczne.
Do pomiarów poziomu ciał stałych zaleca się stosowanie sond linowych. Są one dostępne w wersjach wytrzymujących różne naprężenia, mających różne długości i średnice. Sonda linowa o średnicy 4 mm wytrzymuje obciążenie rozciągające o wartości około 12 kN, a sonda o średnicy 6 mm ? około 30 kN.
Na etapie projektowania instalacji należy pamiętać, że:
a) medium może spowodować duże obciążenia dachu silosa,
b) wytrzymałość na rozciąganie sondy linowej zależy od: wielkości silosa, gęstości materiału i współczynnika tarcia,
c) siła działająca na sondę mocowaną od dołu jest kilka razy większa od siły działającej na sondę z obciążeniem swobodnym.
Strefy martwe i zakresy pomiarowe
Wybierając sondę, należy wziąć pod uwagę fakt, że od jej typu zależy wielkość strefy martwej i zakres pomiarowy przetwornika. Strefy martwe to obszary, w których pomiary są nieliniowe ? górna strefa martwa jest odległością pomiędzy kołnierzem przetwornika a maksymalnym poziomem medium. W górnej i dolnej strefie martwej wiarygodność pomiaru nie jest zagwarantowana.
Zakres falowodu jest ściśle związany z typem i długością sondy. Sondy elastyczne umożliwiają pomiar w zakresie do około 60 m, sondy prętowe około 4 m.
Czynniki wpływające na zmianę zakresu pomiarowego:
a) media o wyższej stałej dielektrycznej silniej odbijają fale i dają większy zakres pomiarowy,
b)silne zanieczyszczenia, pokrycie sond osadem, piana na powierzchni medium, zapylenie zbiornika mogą zmniejszyć zakres pomiarowy.
Mimo wielu zalet są aplikacje, w których przetwornik falowodowy nie sprawdza się:
a) dla pomiaru poziomu materiałów sypkich, gdy medium ma właściwości abrazyjne i może powodować ścieranie sondy;
b) dla aplikacji pomiaru poziomu cieczy, gdy w zbiorniku z mieszadłami sonda narażona jest na duże obciążenia boczne;
c) dla pomiaru poziomu lepkich i silnie kleistych produktów tworzących trudno usuwalny z sondy osad.
W wymienionych przykładach producent sugeruje stosowanie pomiaru metodą bezkontaktową, na przykład radaru bezkontaktowego.
Jeśli już zdecydowano o wyborze sondy, to w następnym etapie należy wybrać spośród wielu typów przetworników wersję najbardziej odpowiednią, tzn. przystosowaną do pracy w istniejącej instalacji i wygodną w obsłudze.
Obudowa przetwornika
Odczytywanie wartości mierzonych oraz obsługa lokalna przetwornika realizowane są za pomocą zintegrowanego wyświetlacza wyposażonego w przyciski. Inne rozwiązanie to brak wskaźnika z możliwością zdalnego sterowania itd. Zdalna obsługa realizowana jest za pomocą oprogramowania pozwalającego na pełną diagnostykę i konfigurację przetwornika.
Warto zwrócić uwagę na propozycje firm dotyczące obudowy przetwornika. W ofercie występują obudowy kompaktowe i rozdzielne ? dwukomorowe z oddzielnymi komorami do elektroniki i przyłączy kablowych. Obudowa może być obracana o 360° i zdejmowana na czas konserwacji zbiornika, bez konieczności demontażu sondy. Cechy te zmniejszają koszty instalacji i zwiększają bezpieczeństwo obsługi.
Kwestie instalacyjne
Należy także rozważyć kwestie instalacyjne. Oto kilka cennych wskazówek:
a) sonda nie może dotykać elementów wewnętrznych zbiornika, w razie potrzeby zakończenie sondy linowej może być zamocowane;
b) należy zapewnić brak możliwości kontaktu sondy z metalową ścianą lub dnem zbiornika;
c) przyłącze zbiornika składa się z uszczelnienia, kołnierza lub przyłącza gwintowego; wymienione podzespoły wrażliwe są na temperaturęi ciśnienie procesowe; dlatego też, oprócz rozwiązań standardowych, producenci oferują przyłącza wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe;
d) podczas montażu sond w króćcu pomocne będą adaptery montażowe;
e) przy pomiarze poziomu cieczy korozyjnych istnieje możliwość montażu sondy prętowej w zamkniętej rurze z tworzywa sztucznego;
f) należy dobrać długość sondy do wymaganego zakresu pomiarowego; większość sond można skracać w warunkach polowych;
g) dodatkowy osprzęt instalacyjny będzie potrzebny do montażu sond w zbiorniku z tworzywa sztucznego lub betonu; prawidłowy pomiar gwarantowany jest tylko w przypadku metalowej powierzchni przyłącza procesowego.
Na ostatnim etapie wyboru należy zdecydować, czy stawiamy na wygodę i komfort obsługi, czy dokładność pomiaru, a może jedno i drugie. Jeśli przetwornik ma służyć na przykład do pomiarów rozliczeniowych, ważnym jego parametrem będzie dokładność pomiaru. Wówczas dokładność każdego przetwornika określa fabryczny certyfikat wzorcowania dokumentujący wartość błędów.
Mgr inż. Elżbieta Banaczyk jest absolwentką Politechniki Śląskiej.