Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Hydrostatické hladinoměry – princip, vlastnosti a použití

Hydrostatické hladinoměry patří mezi principiálně jednoduché snímače, které mo­hou spolehlivě pracovat za různých podmínek v celém spektru provozních zařízení. V článku je připomenut princip měření a jsou uvedeny některé zásady při použití této metodiky v praxi.

 

Princip měření

Hydrostatické hladinoměry určují polohu hladiny kapaliny v nádobě měřením hydro­statického tlaku. Hydrostatický tlak p, který je vytvářen tíhovou silou sloupce kapaliny, je úměrný výšce sloupce kapaliny h, hustotě ka­paliny ρ a tíhovému zrychlení g:
 
p = h ρ g
 
Vzhledem k tomu, že podle Pascalova záko­na působí tlak v kapalině rovnoměrně do všech stran, je možné k měření tlaku použít libovol­ně orientovaný snímač. Jako nejvhodnější mís­to k zabudování snímače se nabízí dno nádoby. Nevýhodou je však mnohdy nebezpečí zane­sení snímače usazeninami z provozního mé­dia, a proto bývá snímač nejčastěji zabudován blízko dna ve stěně nádoby. Vedle toho se po­užívají i závěsné sondy, u nichž je snímač tla­ku zavěšen na kabelu a spuštěn ke dnu nádoby.
 
Hodnota tlaku měřeného snímačem v pro­vozní nádobě je ovlivněna těmito třemi faktory:
  • výškou sloupce kapaliny,
  • hustotou kapaliny,
  • tlakem nad hladinou kapaliny.
Výška sloupce kapaliny je požadovaný výstupní údaj hladinoměru; případné změny hustoty a změny tlaku nad hladinou kapaliny představují veličiny, které ovlivňují přesnost výsledku měření. Změny hustoty mohou být způsobeny změnami teploty kapalného média nebo změnami jeho složení v průběhu technologického procesu. Důležitým faktem je, zda jde o nádobu otevřenou, kde je nad hla­dinou kapaliny atmosférický (barometrický) tlak patm, nebo o nádobu uzavřenou, kde se hodnota tlaku p1 nad hladinou může měnit a může tam být jak přetlak, tak podtlak vzhle­dem k atmosférickému tlaku (obr. 1).
 
Na obr. 1a je znázorněno měření hydrosta­tického tlaku v otevřené nebo v odvětrávané nádobě, kde lze k měření tlaku použít jak sní­mač přetlaku vzhledem k atmosféře, tak i sní­mač rozdílu tlaků (tzv. diferenční snímač), je­hož druhý přívod je propojen do atmosféry. Je-li měřena poloha hladiny v uzavřeném zásobníku s proměnným tlakem nad hladinou, užívá se uspořádání buď podle obr. 1b se sní­mačem rozdílu tlaků, nebo uspořádání podle obr. 1c, kdy jsou použity dva snímače přetla­ku; pak vyhodnocovací elektronika vypočte rozdíl měřených signálů, který bude odpoví­dat hydrostatickému tlaku kapaliny.
 
Snímače hydrostatického tlaku
K měření hydrostatického tlaku je mož­né použít snímače různých typů s odpovída­jícím měřicím rozsahem. V současné době jsou nejčastěji voleny snímače s tenzomet­rickým nebo kapacitním senzorem tlaku [3].
 
Tenzometrický senzor tvoří křemíková membrána s polovodičovými tenzometry (piezorezistory), u nichž se při mechanic­kém namáhání tlakem nebo tahem mění elektrický odpor. Piezorezistory jsou za­pojeny do měřicího můstku, jehož signál je vyhodnocován (obr. 2). Samotným kře­míkovým senzorem lze měřit pouze čistý, suchý vzduch nebo jiné neagresivní plyny. V průmyslových podmínkách je tedy třeba křemíkové čidlo chránit před stykem s mě­řeným médiem. K tomu je ve snímačích tla­ku používána kovová oddělovací membrána. Prostor mezi ní a měřicím prvkem je vypl­něn olejem. Oddělovací membrána musí být zkonstruována tak, aby neovlivňovala vlast­nosti křemíkového čidla. Například průměr oddělovací membrány snímače s křemíko­vou membránou o činné ploše asi 2 mm2 je přibližně 10 mm. Robustní konstrukce sní­mačů s křemíkovými čidly velmi dobře odo­lává vibracím a rázům.
 
Základem kapacitního senzoru je speciál­ní keramická membrána. Na ni jsou naneseny kovové elektrody vytvářející dva deskové kon­denzátory, v nichž se při působení tlaku mění kapacita (obr. 3). Keramická membrána je vy­soce odolná proti vlivům prostředí a je zapo­třebí ji chránit před mechanickým poškozením.
 
Signál tenzometrického či kapacitního sen­zoru je dále zpracováván v elektronických ob­vodech snímače. Současné snímače jsou ve­směs vybaveny automatickou teplotní kom­penzací a elektronika řízená mikroprocesorem poskytuje analogový i číslicový signál vhodný k dalšímu zpracování s komunikací HART, Pro­fibus PA nebo Foundatioin Fieldbus. Některé firmy nabízejí i snímače s bezdrátovým přeno­sem signálu (WirelessHART). Inteligentní sní­mače jsou vybaveny automatickou diagnostikou a možností konfigurovat funkční parametry.
 
Součásti snímače tlaku, které přicháze­jí do styku s měřeným médiem, jsou vyro­beny z korozivzdorné oceli, popř. z dalších speciálních slitin; pouzdro snímače je ko­vové (např. hliníková slitina) nebo z plastu a v požadovaném krytí. Snímače jsou vyrá­běny s variabilním procesním připojením, které umožňuje splnit konkrétní požadavky při instalaci.
 
V případech, kdy není přípustné, aby mě­řené médium přišlo do kontaktu s měřicím ústrojím tlakoměru, je před vlastní snímač tlaku zařazen membránový oddělovač. To je třeba např. při měření značně viskózních ka­palin, sedimentujících kalů, agresivních teku­tin, horkých tekutin, které tuhnou nebo krys­talizují při poklesu teploty apod. Měřený tlak působí přes membránu na pracovní kapalinu, která vyplňuje prostor za membránou a pře­náší tlak do prostoru snímače (obr. 4). Jako inertní kapalinová náplň je používán silikono­vý nebo minerální olej, jedlý olej (v potravi­nářství), glycerin nebo směs glycerinu a vody. Membrána přicházející do styku s agresivní látkou bývá vyrobena z ušlechtilého materiá­lu (tantal, zirkon, titan), korozivzdorných sli­tin (Hastelloy, Monel) nebo je chráněna tef­lonem apod. Rozměry membrány jsou vole­ny tak, aby její tuhost nezkreslovala měřený tlak nad rámec přípustných chyb. Membrá­nové oddělovače se často uplatňují ve far­maceutickém a potravinářském průmyslu při požadavcích na dokonalé pročištění techno­logických aparatur. Základním předpokladem dlouhodobého a spolehlivého provozu je do­konalé utěsnění prostoru vyplněného inert­ní kapalinou. Membránové oddělovače jsou k dispozici v různém provedení s ohledem na konkrétní provozní podmínky. Oddělovače s chladicím nástavcem jsou používány např. k měření tlaku médií při vysokých teplotách anebo k měření tlaku tavenin, které by moh­ly zatuhnout uvnitř snímače. Membránové oddělovače však mohou být i zdrojem chyb souvisejících s nevhodnou velikostí a tuhostí membrány a také s tepelnou roztažností ka­palinové náplně [7], [8].
 

Připojení snímačů hydrostatického tlaku

Snímač hydrostatického tlaku může být připojen k nádobě různým způsobem v zá­vislosti na konkrétních provozních podmín­kách ([1] až [6]). Velmi důležitou okolností je, zda jde o čistou neagresivní kapalinu, nebo o kapalné médium s nepříznivými vlastnost­mi, jak bylo zmíněno v předchozím odstavci. Takové médium působí nepříznivě na snímač a ztěžuje i vlastní měření.
 
Na obr. 5 obr. 9 jsou znázorněny pří­klady připojení snímačů k provozním nádo­bám a v obrázcích jsou uvedeny i vztahy mezi měřeným tlakem a výškou kapaliny v nádo­bě. Pro znázornění čistých kapalin je použi­ta modrá barva, pro médium s nepříznivými vlastnostmi barva hnědá.
 

Měření v otevřené nádobě

Snímač tlaku může být připojen k otevře­né nádobě buď přímo pomocí přírubového připojení (obr. 5a), nebo pomocí tzv. impulz­ního potrubí* (obr. 5b). Snímač je umísťován tak, aby byl pod úrovní minimální hladiny, impulzní potrubí musí být vyplněno kapali­nou a spádováno tak, aby případné bubliny plynu unikaly do nádoby. K měření hladi­ny média s nepříznivými vlastnosti je využí­váno připojení s membránovým oddělova­čem (obr. 5c).
 

Měření v uzavřené nádobě

K měření v uzavřené nádobě, kde se může měnit tlak nad hladinou, je většinou používán snímač rozdílu tlaků. Zapojení podle obr. 6a je označováno jako tzv. suché připojení (dry leg). V tomto případě je prostor nad hladinou propojen impulzním potrubím se snímačem rozdílu tlaků. Toto zapojení lze použít pou­ze tehdy, kdy nehrozí kondenzace par v mi­nusovém rameni impulzního potrubí; taková situace však není v praxi příliš obvyklá. Jest­liže je teplota okolí impulzního potrubí nižší než teplota uvnitř nádoby, v impulzním po­trubí kondenzují páry, zkondenzovaný slou­pec kapaliny změní tlak v minusovém rameni a to vyvolá chybu v měření hladiny. Je proto účelné zařadit pod přívodem ke snímači kon­denzační nádobu s indikací stavu naplnění.
 
Častěji je používáno tzv. mokré připojení (wet leg), kdy je impulzní potrubí zcela napl­něno kapalinou (obr. 6b, c). Od propojení sní­mače s parním prostorem přichází do snímače tlak zvýšený o hydrostatický sloupec kapaliny v impulzním potrubí. Příslušné vztahy uve­dené v obr. 6 jsou platné za předpokladu, že hustota kapaliny v impulzním potrubí je stej­ná jako hustota média (např. při naplnění im­pulzního potrubí provozní kapalinou). Snímač rozdílu tlaků pracuje v reverzním režimu; mi­nimální rozdíl tlaků bude vykazovat při maxi­mální poloze hladiny a naopak při minimál­ní hladině bude rozdíl tlaků maximální. Tato skutečnost musí být zohledněna při zpraco­vání signálu snímače.
 
Připojení snímače a impulzního potrubí je doplňováno uzavíracími ventily a pomocný­mi přívody, které umožňují případné odsta­vení snímače a vypuštění či doplnění kapali­nové náplně. Podle potřeby jsou zařazovány odkalovací nádoby (lapače nečistot), které po­máhají udržovat impulzní potrubí průchodné (obr. 6b). Snímač rozdílu tlaků je vhodné při­pojit prostřednictvím třícestné nebo pěticest­né ventilové soupravy pro jeho snadné odpo­jení od aparatury (není ve schématu vyznače­no). Při měření hladiny ve varných nádobách je impulzní potrubí zaplňováno kondenzátem, což je zajištěno zařazením kondenzační nádo­by (obr. 6c). Snímač je v tomto případě na­pojen přírubovým připojením. U „mokrého“ připojení může v některých případech hrozit zatuhnutí (zamrznutí) náplně v impulzním potrubí; není-li jiná možnost, musí být im­pulzní potrubí vyhříváno.
 
Přesnost měření polohy hladiny hydrosta­tickými hladinoměry je do značné míry ovliv­něna změnami hustoty a teploty provozního média. Vliv změn hustoty způsobených změ­nami teploty lze kompenzovat elektronicky na základě měření teploty. V případech, kdy se mění hustota provozního média z jiných, např. technologických příčin, je možné využít zapojení podle obr. 7. K měření jsou použity tři snímače přetlaku, jejichž signály jsou zpraco­vány v elektronických obvodech (tento způsob měření bývá označován jako HTG – Hydrosta­tic Tank Gauge), viz [1], [9]. Funkce snímačů A a B odpovídá schématu na obr. 1c; z rozdílu jejich signálů je odvozován hydrostatický tlak média. Snímač C je umístěn ve vzdálenosti l pod snímačem B a z rozdílu tlaků těchto dvou snímačů se vypočte hustota média. Podle ak­tuální hodnoty hustoty je korigován výpočet hydrostatického tlaku měřeného snímači A a C a vypočte se výška hladiny:
 
pCpB = l ρ g
 
ρ = (pCpB)/(l g)
 
h = [(pBpA)/(pCpB)]l
 
 

Měření s membránovými oddělovači

Při měření látek s nepříznivými vlastnostmi je nutné použít membránové oddělovače. Agresivní charakter mohou vykazovat i páry nad hladinou kapalné náplně a v takovém pří­padě je třeba použít membránový oddělo­vač i u odběru tlaku z prostoru nad hladinou (obr. 8a). Impulzní potrubí je vyplněno inertní kapalinou (nejčastěji vhodným olejem). Hus­tota náplně impulzního potrubí je obvykle od­lišná od hustoty měřeného média. Tato skuteč­nost je respektována ve vztazích na obr. 8. Ka­palina v impulzním potrubí by měla vykazovat malý koeficient objemové teplotní roztažnosti, jinak je třeba počítat s chybou při změně tep­loty okolí. Tuto chybu lze kompenzovat sy­metrickým zapojením podle obr. 8b, kdy obě větve impulzního potrubí mají přibližně stej­nou délku a stejnou teplotu. Se změnou teplo­ty okolí se však mění i hustota plnicí kapaliny, a tím i hydrostatický tlak v impulzním vedení, což vyvolá další přídavnou chybu. Tuto chybu není symetrické zapojení schopno kompenzo­vat. Existují však způsoby zapojení, které do­kážou potlačit nebo i zcela odstranit vliv jak teplotní roztažnosti, tak i hustoty [1].
 

Měření ponornou sondou

Pro měření polohy hladiny hydrostatickou metodou je s výhodou využívána ponorná sonda zavěšená na kabelu či na lanku, popř. umístěná na tyči (obr. 9). Je to v podstatě běž­ný snímač tlaku, který je konstrukčně upra­ven tak, aby mohl být ponořen do kapaliny a aby měřil hyd­rostatický tlak v daném mís­tě. Měřicím členem nejčastě­ji bývá piezorezistivní snímač s oddělovací membránou, ke­ramická destička s tenzometry nebo kapacitní senzor.
 
Od snímače je požadováno, aby měřil přetlak daný výš­kou sloupce kapaliny vzhle­dem k atmosféře, a proto je třeba, aby vnitřní část sníma­če byla propojena (odvětrána) do atmosféry. K tomu je urče­na dutá odvětrávací žíla (kapi­lára), která je vedena kabelem spolu s elektrickými vodiči. Vyústění kapiláry do atmosféry je opatřeno filtrem proti vniknutí nečis­tot a pronikání vlhkosti. Druhou možností je koncipovat ponornou sondu jako snímač ab­solutního tlaku. V tom případě není odvětrání zapotřebí, ale atmosférický tlak je třeba mě­řit referenčním snímačem; hydrostatický tlak se vypočítá jako rozdíl obou měřených tlaků. Atmosférický tlak kolísá zpravidla v pásmu asi 0,3 m vodního sloupce, a tak je při měření výšky hladiny ve velkém rozsahu (přibližně od 30 m vodního sloupce) možné toto kolísá­ní atmosférického tlaku zanedbat a měření se obejde bez referenčního snímače.
 
Hydrostatický snímač měří výšku hladi­ny pouze od snímače směrem nahoru, a proto je zpravidla umísťován až u dna nádrže, kde bývá zvýšená koncentrace kalu, která může snímač zanášet; někdy je třeba počítat i s pů­sobením vodních živočichů. Měřicí, resp. od­dělovací membrána většinou bývá zakryta víčkem opatřeným otvory, aby nebyla nára­zem do dna nebo do předmětů pod hladinou poškozena. Nevýhodou zakryté membrány je nebezpečí hromadění kalu anebo schránek ži­vočichů pod krytem, což může vést k ucpá­ní snímače. Proto jsou snímače konstruovány s odkrytou membránou; ty se sice neucpou, ale membrána musí být přiměřeně odolná proti případnému mechanickému poškození. Měřicí, resp. oddělovací membrány uložené pod víčkem bývají dosti choulostivé, a proto se nesmí mechanicky čistit, pouze oplacho­vat jemným proudem kapaliny. I tenký polo­průhledný povlak uhličitanu vápenatého může způsobit offset signálu; tento povlak lze snad­no odstranit namočením do kyseliny octové.
 
Ponorné sondy jsou vhodné pro měření po­lohy hladiny v zásobnících s výškou obvykle větší než 0,6 m, zejména jsou vhodné pro mě­ření ve studních a vrtech hlubokých až 200 m. Hmotnost sondy bývá nejčastěji do 0,2 kg, a tak sonda může viset na kabelu; zavěše­ní na lanko je voleno u velkých délek zejmé­na z důvodu hmotnosti samotného kabelu. V proudící kapalině nebo u nádrží s míchadly nebo s vířením jsou sondy zavěšovány do trub­ky s fixovanou polohou. Trubka zabrání rozký­vání ponorného hladinoměru v nádrži. Jedním z faktorů, které omezují použiteltelnost hydrostatických sond, je chemická, teplotní a mechanic­ká odolnost kabelu. Většina vý­robců sice nabízí kabely s ně­kolika druhy izolace, ale i tak jsou možnosti plastů omezené.
 

Měření s probubláváním

Jinou variantou určování polohy hladiny podle hydro­statického tlaku je probublá­vací (provzdušňovací, pneu­matická, bubbler) metoda, která je znázorně­na na obr. 10a. Trubkou přivedenou ke dnu nádrže proudí malé množství vzduchu nebo jiného neutrálního plynu. Unikající vzduch musí překonat hydrostatický tlak kapaliny. Je--li průtok vzduchu tak malý, aby bylo možné zanedbat ztrátu tlaku v trubce, přetlak v sys­tému, měřený vhodným tlakoměrem P, bude úměrný výšce hladiny. V potrubí přivádějí­cím vzduch je zařazen regulátor, který udr­žuje konstantní průtok vzduchu bez ohledu na velikost hydrostatického tlaku. Stejný způ­sob lze použít i k měření v uzavřených nádo­bách (obr. 10b), jestliže je napájecí tlak vyš­ší než tlak v nádobě. K měření je zapotřebí vhodný snímač rozdílu tlaků Pd.
 
Měření s probubláváním lze s výhodou vy­užít při práci s agresivními, silně znečištěný­mi a viskózními kapalinami. Tlakoměr P je totiž umístěn zvenku nádoby, mimo působe­ní agresivní kapaliny. Přesnost měření hladi­ny s probubláváním je poněkud horší než při přímém měření hydrostatického tlaku.
 
V souvislosti s měřením hydrostatického tlaku pneumatickou metodou uveďme ještě hydrostatický hladinoměr, který využívá plat­nost Boyleova-Mariottova zákona a uplatňuje se při méně náročných měřeních (např. spí­nač hladiny v automatických pračkách) [7].
 
V nádrži je umístěna trubice, která je na dolním konci otevřená a k hornímu kon­ci je připojen snímač tlaku P (obr. 11). Jestli­že je hladina pod úrovní sondy, tlak ps v son­dě je roven barometrickému tlaku pb. Objem vzduchu uzavřeného v sondě je V. Při vzestupu hladiny h se tlak v sondě zvýší o hodnotu hydrostatického tlaku a pod­le Boyleova-Mariottova záko­na (pV = konstanta, za před­pokladu konstantní teploty) se zmenší objem vzduchu uza­vřeného v sondě na hodnotu V2. Význam dalších symbolů a příslušné vztahy jsou uvede­ny v obr. 10. Připojený snímač tlaku vyhodnocuje hydrostatic­ký tlak jako přetlak vzhledem k atmosféře. Je však nutné při­pomenout, že hodnota tlaku se výrazně mění se změnami tep­loty (není splněna podmínka konstantní teploty) a je ovlivněna i rozpouš­těním vzduchu v kapalině nebo odpařováním kapaliny. Tento způsob měření lze tedy využí­vat pouze při malých požadavcích na přesnost.
 

Vlastnosti a využití hydrostatických hladinoměrů

Hydrostatické hladinoměry jsou relativně jednoduché a spolehlivé snímače, které jsou široce použitelné k měření téměř libovolné­ho média od čistých kapalin až po suspenze a kaly. Snímače nacházejí uplatnění v pro­vozech chemického, petrochemického, po­travinářského a farmaceutického průmyslu i v tepelné energetice. Umožňují měřit polo­hu hladiny v širokém rozpětí provozních tlaků a teplot. Měřicí rozsahy hydrostatických hladi­noměrů pokrývají velmi široké rozmezí; nej­nižší se pohybují řádově v desítkách centimetrů, horní mez není vlastně omezena a je dána výškou provozní nádoby. Ponorné snímače lze používat až do hloubek několika stovek metrů.
 
Protože snímače měří silové účinky hydro­statického tlaku, je třeba respektovat chyby spo­jené se změnami hustoty a také teploty média. Tento jev ovšem přináší i jistou výhodu: jestli­že hladina v nádrži kolísá vlivem teploty a vli­vem teplotní objemové roztažnosti dané kapali­ny, hydrostatický snímač nezaznamená kolísání hladiny, ale bude správně měřit konstantní údaj úměrný hmotnosti kapaliny v nádobě. Nejisto­ta měření se liší v závislosti na případu použití a na druhu měřeného média. Typická hodnota nejistoty je ±0,5 % z měřicího rozsahu; v někte­rých případech lze dosáhnout nejistoty ±0,1 %. Nejistota samotných snímačů tlaku dosahuje hodnot ±0,1 % z měřicího rozsahu, u některých inteligentních snímačů ±0,04 %.
 
Při vybavení vhodným oddělovačem lze hydrostatické hladinoměry využít k měření i za extrémních provozních podmínek (vy­soké teploty, agresivní média, vysoké poža­davky na hygienu a sanitovatelnost). Přednos­ti a nevýhody hydrostatických hladinoměrů jsou shrnuty v tab. 1.
 
Literatura:
[1] BENGTSSON, C.: The Engineer’s Guide to Level Measurement. Emerson Process Manage­ment Rosemount, Inc., 2013.
[2] ĎAĎO, S. – BEJČEK, L. – PLATIL, A.: Měření průtoku a výšky hladiny. Praha, BEN, 2005.
[3] KADLEC, K.: Snímače polohy hladiny. Auto­ma, 2005, č. 5, s. 5.
[4] LIPTÁK, B. G.: Process Measurement and Analysis. CRC Press, 2003.
[5] McMILLAN, G. K. – CONSIDINE, D. M.: Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. New York, McGraw/Hill, 1999.
[6] Měření průtoku a měření výšky hladiny. Zpra­vodaj pro měření a regulaci č. 4. NEWPORT OMEGA 1995. [on-line] <www.omegaeng.cz/literature> [cit. únor 2014].
[7] VACULÍK, J.: Hydrostatické snímače úrovně hladiny. Automa, 2003, č. 5, s. 6.
[8] VACULÍK, J.: Membránové oddělovače pro měření tlaku. Automa, 2000, č. 4, s. 8.
[9] WEBSTER, J. G.: Measurement, Instrumenta­tion, and Sensors Handbook. CRC Press, 1999.
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., ústav fyzi­ky a měřicí techniky, VŠCHT Praha,
Jan Vaculík, BHV senzory
 
 
Obr. 1. Měření hydrostatického tlaku
Obr. 2. Schéma tenzometrického senzoru
Obr. 3. Keramická membrána kapacitního senzoru
Obr. 4. Princip membránového oddělovače
Obr. 5. Měření hladiny v otevřené nádobě
Obr. 6. Měření hladiny v uzavřené nádobě
Obr. 7. Kompenzace vlivu změn hustoty média
Obr. 8. Měření v uzavřené nádobě s membránovými oddělovači
Obr. 9. Měření ponornou sondou
Obr. 10. Měření probubláváním
Obr. 11. Měření podle Boyleova-Mariottova zákona
 
Tab. 1. Přednosti a nevýhody hydrostatických hladinoměrů
 
* Přívodní potrubí ke snímačům tlaku je v praxi i v literatuře běžně označováno jako impulzní potrubí, přestože vhodnější výraz by byl signálové potrubí.