Pomiar poziomu oraz inwentaryzacja w zbiornikach

Aktualna sytuacja i zaznaczające się trendy na światowym rynku sprzętu do pomiaru poziomu: pomiar poziomu to bardzo ważny parametr oraz istotny fragment rynku pomiarów i automatyki, szeroka gama metod.
Urządzenia do pomiaru poziomu określają zmiany w wypełnieniu zbiorników, kontenerów, silosów czy bunkrów materiałami ciekłymi i sypkimi. Ostatnie badania rynku przeprowadzone w 2004 roku przez korporację VDC na światowym rynku oszacowały wartość urządzeń do pomiaru poziomu na 1,32 miliarda USD, w tym urządzenia służące do inwentaryzacji zapasów i do rozliczeń (ang. – Inventory Tank Gauging – ITG) stanowiły 25% (327 mln USD). Badania potwierdziły przy tym wielką liczbę stosowanych metod określania poziomu napełnienia zasobników załadowanym materiałem.
Czujniki używane do pomiaru poziomu są wykorzystywane zarówno w przyrządach do sygnalizacji określonego stanu, jak też w aparaturze do analogowego pomiaru stopnia napełnienia. Sygnalizacja poziomu to możliwość wizualizacji stanu i stwierdzeniu: czy w chwili dokonywania obserwacji poziom przekroczył określoną wartość, czy nie. Służy on głównie jako informacja dla użytkownika, czy pojemnik jest pusty, czy z ładunkiem lub czy już zapełniony, czy jeszcze nie. Może też być użyty do przybliżonego określenia stopnia napełnienia, jeśli w jednym zasobniku umieści się więcej czujników. Pomiar ciągły (analogowy) daje nam sygnał informujący, jaki jest aktualny, wyrażony liczbowo, stan napełnienia zasobnika materiałem.
Pojęcie pomiarów o charakterze inwentaryzacyjnym (ITG) przy pomiarach poziomu ma swoiste znaczenie. Chodzi tu bowiem o ustalenie ilości materiału w zbiorniku za pomocą mierzenia poziomu zapełnienia i ma istotne znaczenie przy sporządzaniu bilansów lub w rozliczeniach. W przypadku rozliczeń może jeszcze dodatkowo wystąpić zagadnienie przeliczania jednostek: np. benzynę produkuje się i magazynuje w ujęciu wagowym (w tonach), a sprzedaje użytkownikom w litrach. W tym przypadku wchodzi nam w grę utrudnienie, jakim jest zmiana gęstości (zależna od temperatury) w chwili dokonywania pomiaru. Stąd przy inwentaryzacji będziemy mieli ogromny nacisk na wysoką dokładność pomiaru, znacznie większy niż przy pomiarach poziomu, typowych dla procesu produkcyjnego.
Technika pomiarów poziomu załadowania
Pomiarpoziomu w gospodarce obejmuje zarówno pomiary punktowe (sygnalizację), jak i pomiary ciągłe. Te drugie nie powinny być stosowane w przypadku materiałów wprawionych w drgania. Poniżej przytoczona jest charakterystyka głównych metod dokonywania tych pomiarów.
Metoda hydrostatyczna pomiaru poziomu (pomiar ciśnienia przy dnie) jest najszerzej reprezentowana (licząc według wartości sprzedaży) w przemysłowych procesach produkcyjnych i w ogromnej większości jest to pomiar ciągły. Najprostszy pomiar tą metodą wykonuje się za pomocą przyrządu z głowicą mierzącą ciśnienie hydrostatyczne w otwartych zbiornikach. Umieszczona przy dnie głowica mierzy ciśnienie, które jest iloczynem ciężaru właściwego (gęstość x przyspieszenie ziemskie) i wysokości słupa cieczy nad głowicą. Przy znanym (i niezmiennym) ciężarze właściwym ciśnienie jest wprost proporcjonalne do wysokości słupa cieczy napierającego na czuły element głowicy pomiarowej.
W przypadku zbiorników zamkniętych, w których ciśnienie nad lustrem cieczy jest różne od atmosferycznego, stosuje się przyrządy do pomiaru różnicy ciśnień: jedna głowica z czujnikiem umieszczona zostaje przy dnie, druga ponad lustrem cieczy (np. pod górną pokrywą). Tak wykonany pomiar daje możliwość określenia wysokości słupa cieczy nad dolną głowicą. Pomiar będzie poprawny, jeśli ciecz ma stałą gęstość na całej wysokości. Jeśli tak nie jest, mamy do czynienia ze znaczącym błędem pomiaru i koniecznością dokonania korekty (kompensacji) pomiaru poziomu od różnic gęstości, spowodowanej pewnym rozkładem temperatury na różnych wysokościach słupa cieczy.
W sektorze przyrządów do pomiaru poziomu VDC prognozuje niewielką zmianę sytuacji na rynku globalnym w ciągu najbliższych pięciu lat. Hydrostatyczne pomiary ciągłe nadal będą zajmować najszerszy segment rynku, szczególnie w automatyce przemysłowej. Jest to metoda znana od lat i niektórzy z użytkowników mogą odczuwać niepokój z tytułu nadchodzących zmian, jednak same zmiany nie będą zbyt radykalne.
Utrzymująca się dominacja hydrostatycznej metody pomiaru poziomu może być przypisywana wielu przyczynom, różnie ocenianym zależnie od zastosowania. Atrakcyjność tej metody wynika z jej charakterystycznych właściwości, a są to:

  • niskie koszty wyrobu i czynności obsługi w ruchu,
  • łatwe instalowanie,
  • odporność na drgania,
  • sprawdzona niezawodność,
  • przydatność do szerokiej gamy mediów,
  • prostota obsługi.

Koszt urządzenia hydrostatycznego wydaje się być cechą dominującą. Pośród metod ciągłego pomiaru poziomu (w 2004 roku było to około 1% wartości światowego rynku) jedynie urządzenia stosujące metody akustyczne lub ultradźwiękowe wykazywały średnio niższą cenę od urządzeń hydrostatycznych, przy czym była to różnica niewielka.
Urządzenia bezkontaktowe, radarowe i mikrofalowe dominują w segmencie inwentaryzacji, a jest to wartościowo 60% światowego rynku w segmenciepomiarów poziomu w 2004 roku, podczas gdy udział przyrządów do pomiarów metodą hydrostatyczną ocenia się na 6%. Przykładem ekspansji mogą tu być urządzenia firmy Saab Marine Electronics stosowane we flocie tankowców USA: w 1991 r. było ich 10%, w 1997 r. – 14%, zaś w 2002 r. już 22%. Należy przy tym zaznaczyć, że przytoczone powyżej dane dla USA nie są miarodajne dla całego świata, bowiem przyrządy tej techniki są montowane głównie na nowych statkach, a tych w Ameryce Północnej jest stosunkowo mało. Najwięcej nowych tankowców jest w rejonie Azji i w basenie Pacyfiku, nieco mniej w Europie.
Badania przeprowadzone przez VDC w 2004 roku wykazały, że dostawy na rynek tankowców dla Ameryki Północnej to niespełna 2% całości sprzętu pomiarowego poziomu dla celów inwentaryzacji (ITG) w świecie, dla Azji i rejonu Pacyfiku oszacowano na 73%, zaś zpozostałych 25% większość przypada na rynek europejski.
Metoda bezkontaktowa (bez kontaktu części mechanicznych urządzenia pomiarowego z mierzonym medium) polega na umieszczeniu urządzenia pomiarowego na szczycie zbiornika. Fale emitowane przez nadajnik urządzenia skierowane są w dół, w stronę powierzchni materiału wypełniającego zbiornik. Odbity od tej powierzchni sygnał (jako echo) jest odbierany przez część odbiorczą urządzenia. Czas upływający między wysłaniem sygnału a jego powrotem jest miarą odległości powierzchni materiału od urządzenia pomiarowego. Następnie w prosty sposób następuje obliczenie stopnia wypełnienia zbiornika (znana jest wysokość umiejscowienia przyrządu pomiarowego nad dnem zbiornika).
Przy tej metodzie mamy do czynienia z dwoma rodzajami sygnału pomiarowego:

  • sygnał w postaci pojedynczych impulsów – w tym przypadku mierzy się czas od nadania impulsu do odbioru sygnału odbitego,
  • sygnał w postaci ciągłej mikrofali z modulacją częstotliwości – odbity sygnał miesza się z sygnałem nadawanym, a przesunięcie określonej częstotliwości w tej mieszaninie jest proporcjonalne do drogi odbytej przez sygnał.

Użyta częstotliwość mikrofali ma znaczący wpływ na jakość przetwarzania danych w urządzeniu pomiarowym. Wyższe częstotliwości (krótsze fale) są bardziej czułe, ale wtedy są wrażliwe na zakłócenia od pary wodnej, piany bądź zanieczyszczeń zbierających się na powierzchni medium. W przypadku fal o częstotliwości 24 GHz nawet małe ilości pary wodnej wykazują znaczącą absorbcję fal (powodują znaczne zakłócenia). Mała częstotliwość sygnału (fale o dużej długości) oraz szeroki kąt (duże rozproszenie) emitowanej wiązki dają rezultat w postaci zwielokrotnionego echa od ścian zbiornika i od mieszadeł. Optymalne częstotliwości znajdują się w pobliżu 10 GHz.
Metody bezkontaktowe (mikrofalowe lub radarowe) są całkowicie lub w poważnym stopniu niewrażliwe na utrudnienia pomiarów spowodowane przez:

  • zmiany gęstości,
  • zmiany stałej dielektrycznej,
  • pojawianie się piany, kurzu lub zmiana gęstości oparów,
  • intensywność czynności utrzymania ruchu,
  • zmiany ciśnienia,
  • występowanie podciśnienia,
  • wrażliwości na zmiany temperatury,
  • przeskalowanie.

Metody bezkontaktowe nadają się szczególnie do pomiaru mediów agresywnych lub oblepiających sondę. Niemniej w praktyce najczęściej spotykamy je w przemyśle paliwowym z rafineriami włącznie zarówno na lądzie, jak i na morzu. We wnioskach końcowych z prezentowanych tu badań przeprowadzonych przez VDC okazało się, że w tym sektorze gospodarki zgrupowanych jest aż 87% pomiarów ilości materiału w zbiorniku (ITG), zaś większość z nich była realizowana metodami stosującymi aparaturę mikrofalową lub radarową. Taka aparatura jest kosztowna, co jest podstawową przeszkodą w jej rozpowszechnianiu się. Prawdopodobnie powoduje to, że w systemach automatyki przemysłowej sprzęt radarowy i mikrofalowy stanowił zaledwie 6% całego sprzętu pomiarów poziomu (to także wniosek z badań korporacji VDC). Jednakże ceny tych urządzeń spadają, a obserwuje się to we wszystkich dziedzinach ich stosowania. Poważniejszego zróżnicowania w średnich cenach przyrządów tej techniki można oczekiwać w ciągu najbliższych kilku lat. Przyczyniają się do tego: stosowanie tańszych elementów, wykonania uboższe w funkcje użytkowe oraz wzrost liczby ofert wyrobów tańszych. Ogólny rozwój tego segmentu światowego rynku spowoduje wzrost ekonomicznych korzyści dla użytkowników. Jednocześnie zwiększająca się liczba firm wchodzących na ten segment rynku wytworzy presję na dalsze obniżanie cen.
Wyroby o wysokim wzroście zastosowań
Przewiduje się, że urządzeniabezkontaktowe mikrofalowe/radarowe znajdą się w grupie najszybciej rosnących ilościowo wyrobów do pomiarów poziomu i to zarówno w zastosowaniu w procesach produkcyjnych, jak i w układach bilansowych (ITG). Przewiduje się jeszcze wyższe tempo wzrostu urządzeń mikrofalowych/radarowych z sondą prowadzącą (falowodem) i akustycznych/ultradźwiękowych w układach bilansowych. Jednak urządzenia wykorzystujące do pomiaru poziomu technikę dźwięku/ultradźwięku stosowane w układach bilansowych stanowią niewielką część światowego rynku (1%).
W 2004 roku zastosowanie na całym świecie przyrządów radarowych z sondą prowadzącą w procesach produkcyjnych wynosiło ok. 4% i ok. 3% w układach bilansowych.
Jest to najwięcej z wdrożonych ostatnio metod pomiarów poziomu. O wielkości dostaw urządzeń zastosowanych do pomiarów poziomu w procesach produkcyjnych korporacja VDE otrzymała pierwsze informacje w 1997 roku od firm Bindicator i Krohne, a o zastosowanych w układach bilansowych w 2002 roku od firmy Barton Instrument Systems.
Przyrządy mikrofalowe/radarowe z sondą prowadzącą mogą być zastosowane do pomiarów poziomu: cieczy, past, zawiesin, proszków i materiałów granulowanych. W 2004 roku dostawy na rynku światowym tego rodzaju przyrządów do pomiarów poziomu w procesach produkcyjnych materiałów sypkich wynosiły 8,8% i 3,1% do cieczy. Przyrządy tego rodzaju są montowane w szczytowej części zbiornika. Sygnały o częstotliwości radiowej przesyłane są sondą prowadzącą, zanurzoną w materiale znajdującym się w zbiorniku. Podobnie jak przyrządy mikrofalowe/ radarowe do pomiarów poziomu bez kontaktu z medium przyrządy z sondą prowadzącą dostępne są zarówno w wykonaniu z sygnałem impulsowym, jak i z falą ciągłą o modulowanej częstotliwości.
Przyrządy z sondą prowadzącą działają przy znacznie niższych częstotliwościach wysyłanych sygnałów niż przyrządy działające bez kontaktu z medium. Przyrządy te są tańsze niż przyrządy bezkontaktowe, a zapewniają wiele takich samych korzyści. Ponadto zazwyczaj są łatwiejsze w dopasowaniu ich położenia na zbiorniku i montaż ich jest tańszy niż przyrządów bezkontaktowych. Zastosowanie tych przyrządów nie wymaga spełniania wymagań żadnych specjalnych norm czy wymagań organów państwowych.
Wszystkie te elektroniczne przyrządy mogą mierzyć poziom różnych materiałów zarówno na krótkich, jak i długich odcinkach i są odporne na: zapylenie, ruch powietrza, zmiany temperatury i ciśnienia.
Jednakże osadzanie się stałego, twardego materiału na sondzie prowadzącej może powodować błędy pomiarowe. Przyrządy te mają również trudności przy pomiarach poziomu tworzyw sztucznych o szczególnie małej stałej dielektrycznej, takich jak na przykład polistyren spienialny (EPS). Natomiast przyrządy te bardzo dobrze działają przy pomiarach poziomu granulek i płatków z tworzyw sztucznych.

Jim Taylor jest kierownikiem działu
w Venture Development Corp. (VDC);
www.vdc-corp.com.
ce
Artykuł pod redakcją
Józefa Czarnula i Janusza Pieńkowskiego


Techniki pomiarowe poziomu

  • Magnetyczny wskaźnik poziomu firmy Mobrey, wchodzącej w skład Emerson Process Management, zapewnia niezawodny pomiar poziomu wszystkich cieczy z chemicznie agresywnymi lub toksycznymi włącznie. Przyrządy te nie wymagają zewnętrznego źródła zasilania i mogą działać w temperaturze od -160OC do +400OC i ciśnieniach znamionowych od 6 do 420 barów. Komora przyrządu jest szczelnie zamknięta, a ruchomy element przyrządu – pływak, który jest w kontakcie z ciekłym medium – wykonany jest ze stali nierdzewnej lub stopu tytanowego, co znacznie ogranicza prace konserwacyjne i zwiększa trwałość przyrządu.www.emersonprocess.pl
  • Modułowa budowa oraz szeroka gama wykonań sygnalizatorów z czujnikiem wibracyjnym (kamertonowym) Soliphant M firmy Endress+Hauser daje możliwość dopasowania tego przyrządu do różnych zastosowań. Przyrząd ma szeroki wybór wersji elektroniki (przekaźnik, tyrystor, sygnał PFM itd.), różne wykonania czujnika, obudowy, przyłączy procesowych oraz ma szereg certyfikatów i świadectw dopuszczeń. Nowe widełki o zmniejszonej długości umożliwiają zastosowanie przyrządu do pomiarów w małych zbiornikach. Elektronika w wykonaniu iskrobezpiecznym umożliwia regulację czułości przyrządu i opóźnienia sygnalizacji, sygnalizację obecności osadu i korozji czujnika. Przyrząd jest dostępny w wykonaniu kompaktowym (FTM50), z wydłużeniem rurowym (FTM51) i z wydłużeniem linowym (FTM52).www.pl.endress.com
  • Rodzina czujników do pomiarów poziomu cieczy firmy Honeywell Sensing and Control wykorzystuje zasadę całkowitego odbicia wewnętrznego, w celu uzyskania zwiększenia prędkości pomiarów i niezawodności działania półprzewodnikowego czujnika. Czujnik ten ma optyczny przerzutnik Schmitta, który wysyła cyfrowy sygnał wyjściowy, wskazujący obecność lub nieobecność cieczy. Czujniki umieszczone są w szczelnej obudowie IP67 i zaprojektowane są do pracy w ekstremalnych temperaturach, ciśnieniu, drganiach i udarach.www.honeywell.pl
  • Firma Siemens Milltronics oferuje rozmaite przyrządy do pomiarów poziomu cieczy, materiałów sypkich i zawiesin (np. szlamy) wraz z pełnym osprzętem. W zależności od postawionego zadania może być wykonywany pomiar dwupunktowy poziomu (gdy poziom medium spadnie poniżej lub wzrośnie powyżej, na wyjściu pojawia się sygnał binarny sygnalizując występujący stan), jak również pomiar ciągły poziomu (w dynamicznych procesach przetwórczych poziom w zbiornikach technologicznych jest mierzony w sposób ciągły i jego mierzona wartość jest przesyłana w postaci analogowego lub cyfrowego sygnału wyjściowego). Dostępne są różne techniki pomiarowe, takie jak: metoda ultradźwiękowa, radarowa, pojemnościowa i hydrostatyczna.www.siemens.pl
  • Przetwornik różnicy ciśnień EJX110A firmy Yokogawa Electric może być zastosowany zarówno do pomiarów przepływu cieczy, gazów i pary, jak również do pomiarów poziomu cieczy, gęstości i ciśnienia. Przetwornik jednocześnie mierzy różnicę ciśnień oraz ciśnienie statyczne w przewodzie i wartości te pokazuje na wbudowanym wyświetlaczu ciekłokrystalicznym LCD. Komunikacja cyfrowa pozwala na zdalne monitorowanie mierzonych parametrów procesu. Jest to najlepszy przyrząd do wykrywania obecności lub nieobecności cieczy.www.yokogawa.pl