Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Plovákové a vibrační hladinové spínače

Při měření polohy hladiny kapalných či sypkých látek ve skladovacích a provozních ná­dobách se lze setkat se dvěma skupinami snímačů. Jsou to jednak snímače se spojitou funkcí, které se používají ke spojitému měření polohy hladiny v určitém rozmezí a jednak snímače nespojité (limitní, mezní, bodové), které se využívají ke zjišťování mezní polohy hladiny a často jsou označovány jako hladinové spínače. Snímače se spojitou i nespojitou funkcí využívají mnoho různých funkčních principů, a to v závislosti na druhu a vlastnos­tech náplně v nádrži, podmínkách měření, požadavcích na přesnost, na ceně apod. [1], [2], [3]. Pro nespojité snímání polohy hladiny se využívají zejména následující typy sní­mačů: plovákové, vibrační, rotační (pádlové či vrtulkové), vodivostní, kapacitní, ultra­zvukové, fotoelektrické, radioizotopové, tepelné. Tento článek, který doprovází přehled trhu na str. 24 až 28, se věnuje speciálně plovákovým a vibračním hladinovým spínačům.
 

Instalace hladinových spínačů

 
Hladinový spínač se umísťuje do provozní nádoby buď ze strany, nebo do horního víka (obr. 1). Při boční (horizontální) montáži je třeba počítat se skutečností, že každý hladino­vý spínač, který se nachází na boku nádrže, je potenciálním zdrojem úniků kapaliny z nádr­že. Je-li třeba spínač opravit nebo vyměnit, je nutné vypustit kapalinu z nádrže minimálně do úrovně nižší než úroveň umístění spína­če. V mnoha případech se využívá i několik spínačů v jedné nádobě. Často jde o tři spí­nače, které signalizují tyto stavy: minimum, maximum a havarijní maximum, popř. čtyři stavy (s havarijním minimem).
 
Při vertikální montáži spínače do horní­ho víka nádrže může být sonda vyjmuta bez vypouštění kapaliny. Toto umístění spínače je preferováno u tanků s hořlavinami. Jedna sonda ve víku může zahrnovat i více hladi­nových spínačů. Problémy však mohou vzni­kat při použití dlouhých sond např. v nádo­bách s míchadlem.
 
Vznikají-li na hladině turbulence, je vhod­né umístit hladinový spínač do uklidňovací trubice k zabránění oscilací a mnohonásob­ného spínání.
 

Plovákové spínače

 
Základní součástí plovákového spínače je plovák, který plave na hladině. Plovák je udr­žován na hladině vztlakovou silou, a hustota plováku tedy musí být vždy výrazně menší než hustota měřeného média. Plováky bývají k dis­pozici v různých tvarech i velikostech a vyro­beny z různých materiálů (mosaz, korozivzdor­ná ocel, polyethylen, polypropylen, PVC, pě­nový polystyren aj.). Tvar plováku by neměl mít žádné horizontální plochy, na kterých se mohou udržovat kapky kapaliny a usazovat případné nečistoty. Ty jsou příčinou změny hmotnosti plováku, a tím i změny jeho ponoře­ní. Při měření silně znečištěných a viskózních kapalin se mohou vytvářet usazeniny a nánosy na celém povrchu plováku a omezovat jeho pohyblivost, ten dokonce může uvíznout v jedné poloze. Plováky proto mají ve většině přípa­dů tvar koule nebo válce. Plováky určené pro tlakové prostory bývají kulového tvaru a jsou naplněny inertním plynem o tlaku odpovída­jícím maximálnímu tlaku v nádrži.
 
K indikaci polohy rozhraní dvou kapa­lin musí hodnota hustoty plováku ležet mezi hustotami obou kapalných médií v nádrži. Takový plovák zaujme polohu na rozhraní kapalných fází.
 
Při použití plovákových spínačů je pohyb plováku snímán obvykle vhodným dvouhodnotovým senzo­rem polohy. Nejčastěji jsou voleny mikrospínače a magneticky ovláda­né jazýčkové spínače.
 
Schéma plovákového spínače s magnetickou spojkou je na obr. 2. Plovák je zavěšen na rameni, na němž je upevněn magnet, který ovlá­dá jazýčkový spínač umístěný uvnitř pouzdra připojovací krabice přimontované na vnější stěně nádrže.
 
U miniaturních plováků je per­manentní magnet umístěn přímo v těle plováku (obr. 3). Při vzestupu hladiny se magnet přiblíží k jazýčkovému kontaktu a kontakty sepnou. Při oddálení magnetu di­rektivní síla pružných kontaktů způsobí je­jich rozpojení. Povrch spínacích kontaktů je většinou opatřen vzácným kovem a kontak­ty jsou uloženy v malé skleněné baňce na­plněné inertním plynem, a tím jsou chráně­ny proti jiskrovému a mechanickému opo­třebení.
 

Plovákové spínače s vodicí tyčí

Místo výkyvného zavěšení může být plo­vák umístěn na vodicí tyči (obr. 4). Jazýčkový kontakt je uložen v tyči z korozivzdorné oceli nebo plastu (o průměru do 10 mm) a perma­nentní magnet ve tvaru prstence je zabudo­ván uvnitř plováku, který má tvar válce nebo koule. Plovák je veden tyčí a mění svou po­lohu v závislosti na hladině kapaliny. Pohyb plováku bývá omezen dorazovými kroužky na vodicí tyči. Na obr. 4a, b jsou znázorně­ny dva režimy spínání a na obr. 4c ukázáno upevnění spínačů do víka nádoby.
 
Jeden plovák může ovládat i několik od­dělených spínacích kontaktů umístěných nad sebou ve vodicí tyči v různých polohách hla­diny: havarijní minimální, minimální, střední, maximální a havarijní maximální (obr. 5). Pro některé účely je vhodné umístit několik plo­váků s omezeným pohybem na jednu vodicí tyč. V takovém případě jeden spínač nahra­zuje několik samostatných hladinových spí­načů použitých k signalizaci několika poloh hladiny (horní/dolní) nebo k signalizaci na­plnění a vyprázdnění nádrže.
 
Pro praxi je důležité věnovat vždy pozor­nost spínací kapacitě jazýčkových kontaktů, protože při překročení maximálního proudu mohou být poškozeny („slepení“ kontaktů). Problémy mohou nastávat i při rozpínání in­dukčních zátěží, kdy může mezi kontakty vzniknout oblouk.
 

Překlápěcí plovákové spínače

Překlápěcí (překlopné) plovákové spínače s připojovacím kabelem jsou někdy označo­vány jako kabelové plovákové spínače. Plo­vák bývá vyroben z plastu a uvnitř hermeticky uzavřené komory je zabudován rtuťový spínač nebo mikrospínač ovládaný těžkou ocelovou kuličkou. Spínací rozdíl se nastavuje pomocí protizávaží, které je posouvatelné podél kabelu spínače. Spínací úhel u systémů s mikrospína­čem bývá 30 až 45°, se rtuťovým spínačem při­bližně 10° (obr. 6). Tento typ spínačů je často používán ke spínání úrovní kapalin v odpad­ních šachtách, nádržích, bazénech či cister­nách. Spínače se rtuťovým kontaktem se nepo­užívají v systémech s pitnou vodou a vzhledem k ohrožení životního prostředí jsou pro jiné účely stále častěji voleny bezrtuťové spínače.
 

Uplatnění plovákových spínačů

Plovákové spínače patří k velmi často vyu­žívaným typům spínačů hladiny, které se uplat­ní převážně při měření čistých a málo viskóz­ních kapalin; pro měření znečištěných kapa­lin jsou vhodné kabelové plovákové spínače. Výhodou uvedených relativně jednoduchých a levných plovákových spínačů je skutečnost, že pracují s dostatečnou přesností. Naproti tomu jde o mechanické zařízení, které je často vhodné jen k měření čistých tekutin.
 

Vibrační spínače

 
Vibrační hladinové spínače pracují na principu porovnání charakteristik kmitání tě­lesa ve volném prostoru oproti kmitání v pro­storu zaplněném kapalinou nebo sypkým ma­teriálem. Vibrujícím prvkem je nejčastěji vi­dlice nebo tyč (obr. 7), která je rozkmitávána na rezonanční frekvenci piezoelektrickým nebo elektromechanickým měničem. Ve vol­ném prostoru kmitá vibrující prvek na rezo­nanční frekvenci, a jakmile přijde do styku s měřeným médiem, nastává útlum amplitudy kmitů a mění se frekvence kmitání.
 

Buzení a vyhodnocování kmitů

Vibrační hladinový spínač je kompakt­ní zařízení, které zahrnuje vedle kmitající­ho prvku potřebné elektronické obvody pro buzení i vyhodnocování kmitů. Vyhodno­covací část spínače může pracovat na principu buď měření útlumu kmi­tů, nebo vyhodnocení změny rezo­nanční frekvence. Při měření útlumu vibrací jeden piezoelektrický mě­nič rozkmitává měřicí prvek a dru­hý piezoelektrický měnič vyhodno­cuje útlum signálu, který nastane při styku kmitajícího prvku s měřeným materiálem. U snímačů, které vy­hodnocují změnu rezonanční frek­vence, je kmitání měřicího prvku buzeno piezoelektrickým měničem a oscilace systému jsou udržovány na rezonanční frekvenci. Při obklo­pení snímače měřeným materiálem se změní rezonanční frekvence, která se vy­hodnotí. Elektronika vyhodnocovacího ob­vodu porovná okamžitou hodnotu signálu, a jakmile frekvenční posun dosáhne nasta­vené žádané hodnoty, změní spínač svůj stav.
 
Elektronické obvody moderních vibrač­ních spínačů (např. spínač hladiny Rosemount 2120) umožňují přepínat pracovní režimy (dol­ní alarm, horní alarm). Pro zvolený režim je možné nastavit velikost časového zpoždění. Při měření v prostředí s turbulencí hladiny nebo při rozstřiku kapaliny lze zvýšením hodnoty časového zpoždění v podstatě eliminovat ri­ziko chybného spínání. Některé snímače jsou vybaveny obvody pro monitorování porucho­vých stavů. Například spínač Sitrans LVL 200 od firmy Siemens [9] nepřetržitě monitoruje změny ve frekvenci signálu, což je využíváno ke zjišťování silné koroze nebo poškození la­dičky, dále zaznamenává výpadek vibrací nebo poruchy piezoelektrických prvků.
 

Typy kmitajícího prvku

Pro různá měřená média se používají spí­nače s kmitajícími měřicími prvky různého tvaru a velikosti:
  • spínače s tyčí pro sypké látky,
  • spínače vybavené kmitající vidlicí s dlou­hými hroty pro sypká média a granuláty,
  • spínače s krátkými vidličkami pro kapalná média.
 
Různé typy spínačů se liší i délkou (obr. 8). Například spínače s vidlicí nabízejí výrobci ve třech velikostech:
  • standardní s délkou přibližně 200 mm pro boční montáž,
  • prodloužená s volitelnou délkou přibližně 0,3 až 3 m pro vertikální montáž do horní­ho víka nádrže,
  • krátká s vidličkou délky 40 až 50 mm pro standardní boční montáž v nádržích pro signalizaci mezních stavů i pro umístění přímo do potrubí k signalizaci jeho zapl­nění, např. jako kontrola běhu čerpadla.
Piezoelektrický nebo elektromagnetický budič kmitů rozkmitává na rezonanční frek­venci dvě ramena kovové vidlice. Frekvence kmitů vidlice s dlouhými hroty ve vzduchu bývá 100 až 500 Hz. Krátké vidličky kmitají s vyšší frekvencí; např. vlastní frekvence vid­ličky spínače Rosemount 2120 od firmy Emer­son [4] je asi 1 300 Hz. Frekvence je volena tak, aby se předešlo rušení od vibrací provozu, které by mohly způsobit chybné spínání. Vid­lice pro sypké látky jsou delší než vidlice pro kapalná média, a kmitají tedy menší frekvencí.
 

Uplatnění vibračních hladinových spínačů

Činnost vibračního hladinového spínače té­měř nezávisí na fyzikálních vlastnostech mě­řené látky (hustota, elektrická vodivost, per­mitivita apod.). Na funkci moderních spínačů s krátkou vidličkou nemají v podstatě žádný vliv vlastnosti kapaliny a změny produktu, velikost proudění a turbulence ka­palného média, bubliny, pěna, vibra­ce technologického zařízení, obsah pevných částic v kapalině a vytváře­ní povlaku na snímači. Mechanické vibrace indikačního prvku mají sa­močisticí funkci. Při jejich uvádění do provozu není nutné je kalibrovat.
 
Vibrační spínače hladiny lze využít k indikaci mezních úrovní kapa­lin (čisté i znečištěné kapaliny, de­tekce úrovně kalu v odpadní vodě), sypkých hmot a prášků (cement, pí­sek, cukr, sůl, mouka, sušené mléko, sušená káva, uhelný prach), granu­látů a kusového materiálu (obilovi­ny, plastové pelety, kamenivo, kuso­vé uhlí apod.).
 
Sypké látky měřené vidlicí s níz­kou frekvencí musí mít hustotu obvykle vyš­ší než 50, popř. 20 kg/m3 (spínač Sitrans LVS 200). Hustota kapalných médií měře­ných při vyšších frekvencích musí být vyšší než 500, popř. 700 kg/m3.
 
Vibrační hladinové spínače lze použít i při vysokých provozních teplotách (např. do 250 °C) a jsou vyráběny i pro použití v tlakových nádobách i v prostředí s nebezpečím výbuchu. Pro spínače určené pro potravinář­ský a farmaceutický průmysl jsou voleny ma­teriály a povrchové úpravy tak, aby splňovaly příslušná kritéria hygienických předpisů. Na­příklad spínač Liquiphant M FTL50H od fir­my Endress+Hauser [5] je vhodný pro použití v prostředích s nebezpe­čím výbuchu, v potravinářském a farmaceutic­kém průmyslu.
 

Montáž vibračních spínačů hladiny

Na obr. 9 jsou zná­zorněna doporučení pro správnou montáž vib­račních spínačů. Spínač by neměl být vystaven proudu přitékajícího ma­teriálu do nádrže, v pří­padě potřeby je vhodné jej shora chránit stříškou proti padajícímu materi­álu. Při horizontální in­stalaci se snímač umísťu­je tak, aby ramena vidli­ce kmitala horizontálně, aby materiál mohl vol­ně propadat a neovliv­ňoval oscilace senzo­ru. Příslušnou pozornost je třeba věnovat správ­nému umístění spína­če v horní i dolní čás­ti zásobní nádrže s ohle­dem na rozložení hladiny sypkých látek při plnění či vyprazdňování nádrže. Bude-li např. spínač namontován blízko dna nádrže, může se stát, že spínač bude zakryt zbytkem materiálu i po vyprázdnění nádrže.
 
Literatura:
[1] ĎAĎO, S. – BEJČEK, L. – PLATIL, A.: Měření průtoku a výšky hladiny. BEN, Praha, 2005.
[2] KADLEC, K.: Snímače polohy hladiny. Auto­ma, 2005, č. 5 a 6.
[3] SMITH, C. J.: Basic Process Measurement. Wiley, 2009.
 
Odkazy na internet:
[5] www.endress.com; www.endress.cz (duben 2011)
[6] www.krohne.com; www.krohne.cz (duben 2011)
[7] www.levelexpert.cz (duben 2011)
[8] www.nivelco.com (duben 2011)
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
VŠCHT Praha
 
 
Obr. 1. Příklady umístění hladinových spínačů v provozní nádrži: a) horizontální montáž, b) vertikální montáž
Obr. 2. Plovákový spínač s magnetickou spojkou
Obr. 3. Plovákový spínač s jazýčkovým kon­taktem
Obr. 4. Plovákový spínač s vodicí tyčí ve dvou spínacích režimech: a) spínač je při nízké hladině rozepnutý a sepne při pohybu plováku nahoru, b) spínač je při nízké hladině sepnutý a při pohybu plováku nahoru rozepne, c) upevnění spínačů do víka nádoby
Obr. 5. Plovákový spínač s vodicí tyčí firmy Nivelco [8]
Obr. 6. Překlápěcí plovákový spínač
Obr. 7. Vibrační spínače hladiny s kmitající vidlicí a tyčí firmy Level Instruments CZ – Level Expert [7]
Obr. 8. Spínače hladiny s vibračním prvkem různé délky od firmy Krohne [6]
Obr. 9. Vhodné a nevhodné umístění vibračních snímačů v provozní nádrži