Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Jak měřit polohu hladiny a průtok v potravinářství

Automatizační prostředky pro zpracovatelské procesy pronikají v současnosti ve stále větší míře také do výroby potravin. Úlohou měřicí techniky v tomto oboru je nahradit lidské smysly a poskytovat řídicímu systému adekvátní obraz reality, aby bylo možné přijímat správná rozhodnutí, ať již automaticky, či pracovníkem, který sleduje výrobní proces na obrazovce.
 

Přístroje pro měření polohy hladiny

Při výběru techniky pro měření polohy hladiny je třeba se nejprve rozhodnout mezi kontinuálním měřením a limitním spínáním. Pro kontinuální měření jsou v různých oborech používány odlišné metody v závislosti na fyzikálních vlastnostech a nákladech na jednu měřicí stanici. Čím je měřená látka cennější nebo čím je důležitější, aby byla do procesu dodávána ve správném množství, tím dražší přístroje se pro měření obvykle volí.
 

Ultrazvukové snímače

Pro jednoduchá měření prokážou dobrou službu kapacitní nebo ultrazvukové snímače. V oblasti ultrazvukového měření byl zdokonalen senzor i převodník hladinoměru Prosonic S FMU95, takže nyní může být zvolen jako cenově příznivé řešení sledování stavu v zásobnících. Jeden převodník může přitom vyhodnocovat signály až z deseti senzorů. Tuto metodu nenákladného hlídání stavu je možné použít ve veškerých pomalých procesech, kde doby cyklů nehrají žádnou roli. Avšak uvedená metoda, využívající dobu průchodu ultrazvukové vlny, nemůže být použita, je-li na povrchu měřené látky hustá pěna nebo vakuum či plynné výpary o tlaku větším než 5 kPa.
 
Předpokladem úspěšného měření je rovnoměrné šíření zvukových vln. Přístroje, nastavované pomocí menu, se velmi snadno instalují. Převodník může být dodán v provedení pro venkovní použití nebo k montáži na lištu DIN. U sypkého materiálu je možné na základě několika měření získat přesnější obraz o jeho povrchu, což vede k přesnějšímu stanovení objemu.
 

Kapacitní měřicí technika

Výhodou kapacitních měřicích přístrojů je rychlá odezva. Měřená látka však musí být vodivá a je třeba do ní umístit snímač. Proto v tomto případě neplatí omezení ve vzdálenosti hladiny od snímače, která jsou vlastní metodám založeným na měření průletu impulzu. Zde se měří anténou v celé délce. Přístroje, jako je Liquicap M FMI51 (obr. 1), jsou optimální k měření ve velmi malých nádržích, např. vyrovnávacích, ale také v plnicích zařízeních, kde je nutné velmi rychle zaznamenávat změny v poloze hladiny. Kapacitními senzory je možné měřit dělící rovinu např. mezi vodou a olejem. K tomu musí obě kapaliny vykazovat jasně rozlišitelné rozdíly ve vodivosti nebo v hodnotě permitivity.
 

Radarová měřicí technika

Největší přesnosti dosahují měřicí přístroje založené na mikrovlnném neboli radarovém principu. I zde jde o metodu měření průchodu vln. Je závislá pouze na permitivitě měřené látky, která musí mít určitou minimální hodnotu. Rozlišují se dvě metody měření: s volným a vedeným mikrovlnným signálem. Výhoda přístrojů s vedeným signálem je v tom, že proniknou i přes pěnu a dodávají stabilní výstupní signál i při měření zvířených povrchů. Za tuto výhodu však platí tím, že anténa musí být osazena přímo v měřené látce. U všech systémů jsou tyčové antény omezeny délkou 3,5 až 4 m. Je však možné použít lanovou anténu délky až 35 m. Tyčové antény mohou být podle přání vyrobeny z ušlechtilé oceli nebo potaženy plastem PFA. Obě verze umožňují čištění. Nový přístroj Levelflex FMP43 je vybaven anténou z ušlechtilé oceli. Všechny součásti nad anténou lze demontovat, aniž by bylo třeba přerušit výrobní proces. Toto zajímavé řešení umožňuje především kalibraci za provozu.
 
Micropilot M FMR245 (obr. 2) je přístroj v hygienickém provedení pro měření polohy hladiny. Tento radarový hladinoměr s volným signálem nemá přímý kontakt s měřenou látkou a může být čištěn spolu s nádrží (CIP). Větší přesnosti a pružnosti těchto přístrojů bylo dosaženo použitím modifikované elektroniky s větší dynamikou. Díky tomu se ve velké míře výborně osvědčují v tlakových nádobách pivovarů a v nádržích na mléko. Uvedené řešení poslouží velmi dobře, není-li povrch měřeného média pokryt souvislou vrstvou pěny.
 
Hladinoměry se dále uplatní při hlídání mezních stavů. Jejich úkolem je chránit zásobník proti přeplnění a následnému poškození nebo zjistit, že je zásobník skutečně prázdný, a poté dát signál k vykonání opatření, která zamezí nasávání plynu nebo běhu čerpadla nasucho. V zájmu zpětné návaznosti je vhodné vědět, že bylo silo před opětovným plněním skutečně prázdné.
 

Kapacitní nebo vodivostní snímače

Mezní stav v silech i v nádržích se určuje na základě indexu lomu (vhodné jen pro kapaliny) nebo kapacitními nebo vodivostními snímači (pro kapalné i pevné látky). Uplatňují se zde také vibrační přístroje, jako je Liquiphant a Soliphant. Jejich mnohokrát osvědčený princip spočívá v tom, že materiál v okolí sondy tlumí kmity. Velikost tohoto tlumení nebyla až dosud vyhodnocována, při výskytu tlumení byl pouze vydán spínací signál. Nyní je však možné signál o tlumení na výstupu z přístroje Liquiphant FTL 50 H kvantifikovat a získat výpověď o hustotě kapaliny obklopující sondu. Výpočet hustoty se provádí v řídicím počítači FML621 (obr. 3). Ke kompenzaci teplotních vlivů je do výpočtu zahrnut odpovídající signál o teplotě. Tím je k dispozici velmi jednoduchý způsob měření hustoty látek v potrubí, ale i v zásobnících.
 

Hydrostatické snímače

Při měření polohy hladiny jsou využívány principy z jiných oblastí měřicí techniky. Jednou z nich je měření tlaku. Hydrostatické snímače (obr. 4) mají v úlohách měření polohy hladiny nezanedbatelný podíl. Jejich nevýhodou je nutnost znát hustotu měřeného produktu. Změní-li se hustota, musí být příslušně upraven výsledek. Dalším problémem jsou nádoby s tlakem nad hladinou média, který může představovat mnohonásobek hydrostatického tlaku, a tím může neúměrně zkreslit výsledek měření polohy hladiny.
 
Výhodou zase je, že výsledky měření nejsou ovlivněny pěnou, turbulencemi na povrchu, výpary měřené látky nebo potrubím. Současné hydrostatické systémy mohou být osazeny novými měřicími čidly s rozsahem 1 MPa, která lze používat i ve velkých nádržích. Rozlišení je v současnosti tak dobré jako u čidel s rozsahem 0,4 MPa.
 

Průtokoměry

Polohu hladiny lze také zjistit na základě údaje o průtoku látky. Údaje z průtokoměrů na přítoku nebo odtoku z nádoby lze použít k výpočtu polohy hladiny. Přitom je však nutné zohlednit některé fyzikální a technické okolnosti. Objem je závislý na teplotě měřené látky. Proto je měření objemového průtoku ovlivňováno tím, zda je látka ohřáta či ochlazena.
 

Magneticko-indukční průtokoměry

Ve výrobě potravin jsou všeobecně používány magneticko-indukční měřicí přístroje bez teplotní kompenzace. V tomto oboru je lépe použít Coriolisovy hmotnostní průtokoměry, které již také obsahují teplotní kompenzaci a jejichž přesnost významně snižuje chybu měření. Dále to již záleží jen na instalaci. Pokud je však nádrž opakovaně částečně vyprazdňována a plněna, je dost komplikované určovat aktuální hodnoty polohy hladiny.
 
Mezi přednosti současné techniky pro měření průtoku patří lepší rozlišení a velký měřicí rozsah přístrojů, které jsou vyvinuty speciálně pro náročné hygienické podmínky v potravinářství. Elektronické jednotky umožňují lépe vyhodnotit, co se v potrubí děje. Magneticko-indukční přístroje, jako je Promag 55H (obr. 5), mohou být použity v úlohách, kde to bylo až dosud problematické, např. při výskytu pevných částic v látce. Velkým problémem při měření objemu jsou bubliny plynu. Existují výpočetní modely, které umožňují, aby senzor stále ukazoval určitou hodnotu, ale ve skutečnosti je velmi těžké tyto bubliny kvantifikovat. Kolik jich je a jak jsou velké, nelze zvnějšku stanovit. Velmi důležitá je i správná instalace přístroje.
 

Coriolisovy hmotnostní průtokoměry

Vedle magneticko-indukčních průtokoměrů hrají v potravinářství stále důležitější roli Coriolisovy přístroje. Z hygienického hlediska je ideální, že jsou vyrobeny výhradně z ušlechtilé oceli a jsou samovypustitelné. Jsou dodávány ve dvou provedeních, jedno- nebo dvoutrubkovém. Nový typ přístroje Promass S (obr. 6) byl vyvinut speciálně pro potravinářství. Přístroj s jednou trubkou je jako první vyroben celý z ušlechtilé oceli a snáší čisticí a sterilizační postupy. Poskytuje také v těchto náročných provozech korektní signál o průtoku. Snímač je šetrný k produktu a zároveň poskytuje velmi přesné údaje. Podstatnou předností Coriolisových přístrojů je jejich pružnost. Vedle průtoku měří také hustotu nebo viskozitu a poskytují signál o teplotě.
 
Značné přesnosti senzoru se dosáhne, zvláště když je kalibrován na vhodném zařízení. Ve švýcarském Reinachu je komerční kalibrovací zařízení společnosti Endress+Hauser, které bylo akreditováno institucí METAS pro přesnost 0,015 %. Pomocí tohoto zařízení je možné připravit Coriolisovy přístroje skutečně na použití ve výrobních procesech. V tomto prostředí panují proměnlivé podmínky, jako jsou měnící se teplota i tlak, které nesmí ovlivňovat přesnost měření. Zde se velmi dobře uplatní přístroje se zahnutými trubkami. Zvláště u Coriolisových průtokoměrů je velmi důležité, aby pouzdro chránilo měřicí systém před vlivy okolního prostředí, jako jsou pnutí a vibrace.
 

Shrnutí

Vcelku lze říci, že se měřicí technika rozvíjí ve všech oblastech. Pro známé měřicí metody se objevují stále nové oblasti použití. Rostoucí přesnost, ale obzvláště reprodukovatelnost otevírají nové možnosti, jak provozovat procesy v blízkosti optimálního stavu, a tím šetřit suroviny, energii a výrobní kapacity. Jsou vyvíjeny přístroje, které vyhovují hygienickým požadavkům a snesou vlivy nepříznivého provozního prostření. Konstrukce přístrojů a použitý materiál splňují požadavky mezinárodních standardů FDA, 3A a EHEDG. V této oblasti existuje jen málo osvědčených receptů, výběr vhodné měřicí techniky pro každý případ by měl být vždy prodiskutován s výrobcem. Jen tak lze nalézt řešení, které je optimální z technického i ekonomického hlediska.
 
Holger Schmidt,
 
 
Obr. 1. Kapacitní snímač polohy hladiny Liquicap M FMI51
Obr. 2. Radarový hladinoměr FMR 245 s připojením tri-clamp
Obr. 3. Měření hustoty za použití vibračního hladinoměru Liquiphant M FTL50H (vlevo), kompaktního teploměru TMR35 a řídicího počítače FML621
Obr. 4. Hydrostatický snímač polohy hladiny Deltapilot FMB 70
Obr. 5. Magneticko-indukční hladinoměr Promag 55H
Obr. 6. Coriolisův hmotnostní průtokoměr Promass S se znázorněním jeho funkce