Rozwój technik pomiaru poziomu

Technologia półprzewodnikowa pozwoliła na stworzenie tzw. czujników inteligentnych. Wykonano je w postaci układu scalonego, zawierającego elementy i bloki funkcyjne, takie jak: czujnik, układ pomiarowy, przetwornik analogowo-cyfrowy i inne. Czujniki inteligentne pozwoliły na korektę nieliniowości funkcji przetwarzania sygnału pomiarowego oraz na wyeliminowanie sygnałów zdefiniowanych jako zakłócenia.

Inteligentne poziomomierze coraz częściej pracują w systemach pomiarowych. Mają one wydzielone układy elektroniczne, które umożliwiają pełnienie funkcji interfejsowych. Komunikacja z poziomomierzem odbywa się najczęściej za pomocą protokołów HART lub PROFIBUS. Większe możliwości daje system PROFIBUS. Umożliwia on monitorowanie wielu zmiennych procesowych (poziom, temperatura i inne), a także sterowanie i wymianę danych w rozproszonych systemach automatyki. Wielu producentów poleca połączenie przyrządu pomiarowego z serwerem obiektowym. Połączenie poziomomierza z serwerem umożliwia zdalną transmisję i monitorowanie danych pomiarowych za pomocą Internetu. Serwery obiektowe realizują także funkcję ostrzeżeń. Informacje o stanach alarmowych przekazywane są poprzez wiadomości e-mail lub SMS. Zdalna diagnostyka poziomomierza eliminuje czynności serwisowe producenta do minimum.
W grupie czujników inteligentnych oddzielną klasę tworzą czujniki bezprzewodowe. Mają wyjście cyfrowe wyposażone w układ interfejsu radiowego. Czy w niedługim czasie pomiar poziomu będzie pomiarem bezprzewodowym?
Nowe technologie
Wykonanie pomiaru w ramach działania systemu pomiarowego spowodowało zmniejszenie jego niepewności. Jakie nowe technologie przyczyniły się do poprawienia dokładności pomiaru?
Radarowemierniki poziomu skonstruowano dla wykonania pomiarów w szczelnych zbiornikach, w warunkach wysokiego ryzyka zapłonu par lub samej cieczy, w których nie sprawdzały się metody tradycyjne. Obecnie, po wprowadzeniu wielu udoskonaleń, stały się konkurencyjne dla mierników tradycyjnych. W połączeniu ze skomplikowaną elektroniką są prawie nieczułe na warunki procesowe. Niestety, ich wadą jest skomplikowana technika pomiarowa oraz obróbka sygnałów. Aby poziomomierze miały dużą czułość, dokładność i były w miarę uniwersalne, producenci stosują coraz bardziej zaawansowane technologie. Zasada pomiaru we wszystkich poziomomierzach radarowych jest taka sama, tzn. mierzy się drogę fali elektromagnetycznej poprzez pomiar czasu, jaki upłynął od chwili wysłania impulsu do pojawienia się w antenie sygnału odbitego. Różnica polega na sposobie przetwarzania sygnału. Ponieważ fala elektromagnetyczna przemieszcza się z prędkością światła, problemem był pomiar bardzo krótkich czasów przelotu fali na drodze antena – powierzchnia medium – antena.
Do pomiaru poziomu zastosowano metodę fali ciągłej o modulacji częstotliwościowej. Sygnał wysłany przez antenę zmienia w sposób ciągły swoją częstotliwość. Sygnał odbity odpowiada przebiegiem sygnałowi wysłanemu, lecz jest przesunięty w czasie (rys. 2).
Oba sygnały zostają zmieszane, powstaje dudnienie o częstotliwości proporcjonalnej do odległości od powierzchni medium.
W niektórych poziomomierzach polaryzację liniową fali elektromagnetycznej zastąpiono polaryzacją kołową, zmniejszono w ten sposób wpływ przeszkód w zbiorniku na pomiar. Polaryzacja kołowa pozwoliła czujnikom eliminować sygnały odbite parzystą liczbę razy (rys. 3).
Czujniki, w których wydzielono odrębne porty do wysyłania i odbierania sygnałów antenowych, zapewniają większą pewność pomiaru, szczególnie w pomiarach poziomu cieczy o niskich stałych dielektrycznych. Producenci stosujący tę technologię twierdzą, że czujnik jest w stanie odebrać sygnał o 50% mniejszej energii niż w przypadku standardowych poziomomierzy, w których zastosowano jeden port do wysyłania i odbierania sygnału.
Piana na powierzchni medium, zapylenie zbiornika, pokrycie sond osadem, to czynniki osłabiające sygnał mikrofalowy. Wskutek tego zmianie ulega zakres pomiarowy. W niektórych czujnikach stosuje się optymalizację wzmocnienia. Wzmocnienie sygnału rośnie wraz z odległością od anteny, osiągając największą wartość przy dnie zbiornika.
Poziomomierze falowodowe przeznaczone do pracy w trudnych warunkach procesowych wyposażono w algorytm detekcji końca sondy. Jeśli medium o małej stałej dielektrycznej nie odbija sygnału, to przetwornik wykorzystuje zakończenie sondy jako wartości do obliczeń aktualnego poziomu. Energia fali elektromagnetycznej jest rozpraszana przez powietrze oraz pochłaniana przez parę wodną i tlen. Zarówno pochłanianie, jak i rozpraszanie rosną wraz z częstotliwością.
Zakłócenia elektromagnetyczne najmniejszą wartość przyjmują w paśmie 1–10 GHz. Im większy rozmiar elektryczny anteny, tym węższą wiązkę można uzyskać. Dla fali o małej częstotliwości rozmiary liniowe anteny muszą być duże, aby wiązka była wąska. Mała szerokość wiązki oznacza duży zysk energetyczny anteny, a co za tym idzie, większą koncentrację energii w danym kierunku i możliwość zwiększenia zakresu pomiarowego (rys. 4). Dlatego typ anteny dobiera się do określonej aplikacji.
Jakim przemianom poddawały się anteny radarowe?
W latach 90. powstają pierwsze, wykonane w technologii 4-przewodowej, poziomomierze radarowe o częstotliwości 6 GHz, wkrótce technologia 2-przewodowa umożliwia ograniczenie kosztów okablowania i łatwe połączenie z istniejącymi systemami sterowania. Następnym krokiem technologicznym była produkcja anteny 26 GHz. Nowa antena pozwoliła poziomomierzom na pomiar w zbiornikach o wąskich przyłączach w pobliżu ścian i przeszkód powodujących zakłócenia (rys. 5).
Proces udoskonalania technik pomiarowych trwa nadal. Anteny wysokoczęstotliwościowe wyposażono:

  • w układy elektroniczne poprawiające dynamikę sygnału,
  • w złącza do czyszczenia pneumatycznego (w warunkach dużego zapylenia),
  • w przesłonę teflonową o zwiększonej odporności na zawilgocenie i kondensację cieczy przewodzących (w aplikacjach przemysłu chemicznego),
  • w innowacyjne dławienie gazoszczelne, które chroni przed rozszczelnieniem punktu pomiarowego, a tym samym poprawia bezpieczeństwo pracy użytkowników.

Pomiar metodą pojemnościową polega na określeniu pojemności kondensatora, którego jedną elektrodą jest pręt lub linka wprowadzona do wnętrza zbiornika, drugą elektrodą jest obudowa zbiornika. Medium wypełniające zbiornik ma określoną przenikalność dielektryczną, dlatego też zmiana poziomu medium powoduje zmianę pojemności utworzonego kondensatora. Zaletą sondy pojemnościowej jest liniowa charakterystyka przetwarzania poziomu na pojemność.
Jakość czujnika zależy od jakości izolowanych elektrod. Większość materiałów izolacyjnych zwiększa swoją przenikalność dielektryczną pod wpływem wilgoci. Powodem jest higroskopijność materiałów izolacyjnych.
Pozostawiony na elektrodach płyn lub osad powoduje istotne przekłamanie pomiaru. Redukcję zjawiska uzyskano w drodze zmniejszania elektrod i zastosowania izolacji hydrofobowej (np. teflon). W inteligentnych czujnikach wykorzystano nową technologię realizującą funkcję aktywnej kompensacji osadu. Metoda wykrywania osadu polega na pomiarze przesunięcia fazowego pomiędzy prądem przemiennym a napięciem. Składowa czynna prądu zależy od rezystancji układu, a rezystancja od przylegającego do elektrod osadu. Metoda ta w prosty sposób wykrywa osad lub uszkodzenie sond.
Nowe pomysły na niezawodny pomiar poziomu
Potrafimy mierzyć z dużą dokładnością nawet w bardzo trudnych warunkach procesowych. Problematycznym okazał się pomiar poziomu materiałów sypkich. W napełnianym i opróżnianym zbiorniku powstaje usyp i lej. Nigdy nie mamy pewności, czy miejsce zainstalowania sondy pomiarowej jest optymalne (rys. 6). Problem ten został rozwiązany przez innowacyjny pomiar poziomu 3D. Metoda 3D nie bazuje na jednym punkcie pomiarowym, a na całej ich siatce.
Przed pomiarem do pamięci poziomomierza wprowadza się geometrię zbiornika. Antena generuje niskoczęstotliwościowe impulsy pomiarowe, następnie odbiera echa tych impulsów. Procesor sygnałów cyfrowych czujnika analizuje otrzymane sygnały, tj. porównuje czas odpowiedzi i kierunki, z których odpowiedź nadeszła. Różnica między wartością zmierzoną a tym, co zostało wprowadzone do pamięci, jest podstawą do wyznaczenia objętości materiału. Dzięki nowej technologii procesor generuje trójwymiarową mapęodwzorowującą rzeczywisty rozkład materiału w zbiorniku (rys. 7).
Elżbieta Banaczyk jest doktorantką Politechniki Śląskiej.