Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Provozní snímače hustoty kapalin (část 1)

Karel Kadlec
 
Hustotu lze v praxi využít jako charakteristickou veličinu mnoha provozních médií. Informace o hustotě je použitelná např. k měření koncentrace rozpuštěných látek nebo k určení složení kapalného nebo plynného média. Článek je věnován provozním snímačům hustoty kapalin, jejich principům a možnostem použití.
 
Při řízení technologických procesů se nelze obejít bez měřicích přístrojů umožňujících získat informace o složení surovin, meziproduktů, finálních výrobků a různých provozních médií. Hustota patří k základním fyzikálním vlastnostem látek a její znalost může poskytnout informaci využitelnou k určení složení sledovaného média. Vzhledem k tomu, že hustota není vlastnost selektivní, lze z měření hustoty vyhodnocovat koncentraci pouze u binárních anebo pseudobinárních směsí. Moderní snímače hustoty však využívají k měření různé funkční principy a specifické vlastnosti těchto snímačů umožňují určovat složení i vícesložkových směsí.
 
K provoznímu měření hustoty tekutin mohou být použity různé měřicí přístroje od nejstarších a velmi jednoduchých, jako je např. měření na základě vztlaku nebo hydrostatického tlaku, až po moderní, jako jsou ultrazvukové hustoměry, snímače vibračního typu nebo hustoměry radiační. Článek se podrobněji zabývá vybranými provozními snímači hustoty kapalných médií.
 

Hydrostatické hustoměry

 
Hydrostatické hustoměry využívají závislost hydrostatického tlaku na hustotě a lze je velmi snadno sestavit z běžně dostupných komponent. Pro velikost hydrostatického tlaku p platí vztah
 
p = hρg          (1)
 
a při zachování konstantní výšky h bude hydrostatický tlak p přímo úměrný hustotě ρ.
 
Principy uspořádání měřicího zařízení při měření hustoty na základě hydrostatického tlaku jsou patrné z obr. 1. Při uspořádání podle obr. 1a je použit snímač rozdílu tlaků, v případě podle obr. 1b jsou použity dva snímače tlaku umístěné v různých výškách. Pro splnění podmínky konstantní výšky h nesmí hladina v nádobě klesnout pod vyznačenou úroveň Lmin. Údaj tlakoměru Δp je potom úměrný hustotě ρ podle vztahu
 
Δp = hρg = kρ          (2)
 
kde k je konstanta hydrostatického hustoměru.
 
Výstupní údaj hydrostatického hustoměru je závislý na teplotě kapaliny a v tomto smyslu je třeba provádět příslušnou korekci. Vhodných provozních snímačů tlaku či rozdílu tlaků je na trhu velké množství, např. [8], [9], [12], [13].
 
Hydrostatická metoda je vhodná v případě, že je k dispozici dostatečné množství kapaliny a není požadována velká přesnost měření. Výhodou hydrostatického hustoměru je nízká cena a jednoduchá instalace. Omezení spočívá v nutnosti zajistit dostatečnou výšku hladiny v provozní nádobě (při malé hodnotě h bude malá i citlivost měřicího zařízení). Problémy mohou nastat také v případě, když se v provozním médiu objeví několik vrstev s různou hustotou.
 

Ultrazvukové hustoměry

 
Rychlost šíření ultrazvukových vln v kapalinách je závislá na složení kapaliny, na její hustotě, viskozitě a teplotě. Rychlost šíření ultrazvuku v kapalině závisí na hustotě ρ kapaliny podle vztahu
 
V = √(c/ρ)          (3)
 
kde C je modul objemové pružnosti prostředí.
 
Závislost rychlosti šíření ultrazvuku na složení a koncentraci kapalného média bývá složitější a nelze ji jednoznačně vyjádřit. Například u vodných roztoků solí jde o závislosti přibližně lineární, přičemž pásmo linearity je poměrně široké (obr. 2). U vodných roztoků některých kyselin jsou závislosti složitější, jak je patrné z obr. 3 platného pro roztoky kyseliny sírové, který ukazuje také závislost na teplotě. Křivky vykazují jeden, popř. i dva extrémy a použitelnost ultrazvukového snímače je pak omezena jen na určité rozmezí koncentrací, ve kterém je závislost rychlosti šíření ultrazvuku na koncentraci jednoznačná a vykazuje dostatečnou strmost. Ve využitelné oblasti by měla charakteristika média vykazovat gradient rychlosti 0,5 m/s při změně hmotnostní koncentrace o jeden procentní bod.
 
Princip ultrazvukových snímačů hustoty je založen na určování rychlosti šíření ultrazvukových vln v měřeném médiu. Rychlost šíření ultrazvuku v se určuje z doby τ, kterou ultrazvukový pulz potřebuje na překonání vzdálenosti L mezi vysílačem a přijímačem ultrazvukového vlnění podle vztahu
 
v = L/ τ          (4)
 
Základními prvky ultrazvukového snímače hustoty jsou tedy vysílač a přijímač ultrazvuku, které jsou nejčastěji konstruovány na bázi piezoelektrických měničů. Integrální součástí ultrazvukového snímače hustoty bývá i čidlo teploty, jehož signál je využíván k automatické korekci výstupního signálu. Signál ze snímače je vyhodnocován v převodníku, jehož výstupní signál poskytuje informaci buď o hustotě média, nebo přímo o koncentraci sledované složky kapalné směsi.
 
Provozní snímače hustoty bývají dvojího typu; jsou to jednak snímače ponorné, určené pro měření v zásobnících, a jednak snímače průtočné, uzpůsobené k montáži do potrubí. Na obr. 4 je ukázáno základní uspořádání ponorného snímače. Vysílač a přijímač ultrazvukových pulzů jsou umístěny v pevné vzdálenosti L v ramenech vidlice snímače. Na obr. 5 je provozní ultrazvukový snímač od firmy Anton Paar [7]; snímač se vyrábí ve variantě jak průtočné, tak i ponorné, a ty se od sebe liší délkou ultrazvukové sondy. Materiály použitými pro smáčenou část snímače mohou být korozivzdorná ocel, popř. potažená zlatem, nebo slitiny Hastelloy nebo Monel. Na obr. 6 je analogický snímač Sonatec Ultrasonic Concentration Sensor, dodávaný firmou Centec [11].
 
Ultrazvukové snímače hustoty a koncentrace vybavené inteligentními převodníky signálu patří mezi moderní a perspektivní měřicí zařízení. Provozní snímače průtočného nebo ponorného typu umožňují měřit rychlost šíření ultrazvuku s přesností 0,1 až 0,01 m/s, což odpovídá přesnosti měření hustoty 0,001 g/cm3.
 
Rychlost šíření ultrazvuku v kapalném médiu je funkcí jak chemického složení, tak i teploty a u vícesložkových směsí dále závisí na vzájemných interakcích mezi jednotlivými složkami směsi. Další komplikace nastávají v několikafázových systémech, když jsou v kapalném médiu přítomny suspendované částice anebo bubliny plynu. U běžných snímačů je proto požadováno, aby kapalina byla čirá, protože emulze, disperze a kaly rozptylují zvukové vlny a způsobují chyby měření. Skutečnost, že v plynech je útlum ultrazvuku výrazně větší než v kapalinách, lze využít k získání informace o množství nerozpuštěného plynu. U proudících kapalin může být vyhodnocení komplikováno změnou frekvence ultrazvuku v důsledku Dopplerova jevu.
 
Na obr. 7 je schéma měřicího zařízení s ultrazvukovým snímačem průtočného typu. Ultrazvukový pulz z vysílače se odrazí od odrazné plochy na protější straně potrubí a vrátí se k přijímači. Překonává tudíž dráhu rovnou dvojnásobku průměru potrubí. Způsob zpracování signálů Ei v zařízení je naznačen blokovým schématem. Vzájemné vztahy mezi výstupním signálem a koncentrací sledované komponenty se určí při kalibračním měření a získané údaje se uloží v paměťových obvodech převodníku pro zpracování signálu.
 
Ultrazvukové snímače lze využít k měření koncentrace při výrobě nápojů (obsah extraktu, alkoholu, cukru apod.), v chemickém průmyslu při měření koncentrace alkálií (KOH, NaOH), kyseliny sírové a olea, kyseliny octové aj. Na obr. 8 je příklad umístění ultrazvukového snímače hustoty Sonatec (dodává Centec [11]) do potrubního systému při měření hustoty (stupňovitosti) piva.
 

Vibrační hustoměry

 
Ve vibračních hustoměrech se využívá mnoho různých typů vibrujících prvků a současně existuje mnoho provedení těchto přístrojů. V průmyslových provozech se lze setkat zejména s hustoměry s kmitající trubicí, kterou protéká měřené médium, a s hustoměry s vibrující vidlicí ponořenou do měřeného média.
 

Hustoměry s kmitající trubicí

Ve vibračních hustoměrech s kmitající trubicí se měří oscilace, které vznikají v soustavě tvořené pružným silovým systémem a známým objemem kapaliny umístěné v dutině rezonátoru. Principiální schéma vibračního snímače hustoty je na obr. 9. Dutina rezonátoru o objemu V je naplněna kapalinou o hustotě ρ. Rezonátor o hmotnosti m je zavěšen na pružině se součinitelem tuhosti materiálu k. Rezonanční frekvence f je funkcí hmotnosti celého systému. Platí
 
vztah (5)
 
a protože dutina rezonátoru má konstantní objem, je rezonanční frekvence funkcí hustoty kapaliny. Komerčně vyráběné přístroje nejčastěji využívají čidlo tvořené pružně připojenou trubkou tvaru U, která je naplněna měřenou látkou. U kontinuálně pracujících snímačů látka trubkou protéká.
 
Uspořádání vibračního snímače hustoty s kmitající trubicí ve tvaru U je schematicky znázorněno na obr. 10. Trubka s měřenou látkou, která je nejčastěji rozkmitávána elektromagneticky, tvoří rezonanční soustavu elektromechanického oscilátoru, jejíž rezonanční frekvence je ovlivněna hustotou měřené látky. Měřicí trubka bývá vyrobena z borosilikátového skla, korozivzdorné oceli, tantalu, niklu nebo slitiny Hastelloy. Aby byl vyloučen vliv teploty, musí být měřicí systém buď termostatován, nebo vybaven čidlem teploty a obvodem automatické teplotní kompenzace.
 
Skutečné provedení měřicí trubice vibračního snímače hustoty od firmy Anton Paar ukazuje obr. 11. Provozní hustoměr typu
DPRn 427S využívající tento rezonanční prvek je na obr. 12. Měřené médium kontinuálně protéká vibrující měřicí trubicí, vyhodnocovací jednotka měří rezonanční frekvenci a přepočítává tento signál na hodnotu hustoty nebo koncentrace. Teplotní
kompenzace je zajišťována integrovaným čidlem teploty typu Pt1000. Snímače analogického typu DPRn 427 (I) se používají
např. ke sledování hustoty a obsahu alkoholu v rozmezí koncentrace od 0 do 100 % [7].
 
Vedle přístrojů pro kontinuální měření a řízení spojitých technologických procesů existují také přístroje pro příležitostná kontrolní měření. Jednu z variant přenosného vibračního hustoměru ukazuje obr. 13. Přístroj DMA 35 lze díky jeho robustní konstrukci použít i v obtížných podmínkách průmyslových provozů a při terénních měřeních. Měřicí rozsah je 0 až 3 g/cm3 při přesnosti 0,001 g/cm3 a rozlišení 0,000 1 g/cm3.
 
Vibrační snímače hustoty s měřicími trubicemi z borosilikátového skla o malé světlosti lze používat jen pro čisté kapaliny s malou viskozitou. Jejich přednostmi jsou ovšem velmi malé množství média postačující ke změření hustoty (u přenosných přístrojů např. jen 0,1 až 1 ml), snadná temperace a velmi příznivé dynamické vlastnosti.
 
Přímá vibrační trubice, jejíž rezonanční kmitočet se vyhodnocuje, je použita u snímačů hustoty a koncentrace Micro Motion 7835 a 7845 od společnosti Emerson Process Management [12]. Z obr. 14 je patrné uspořádání snímače s přímou trubicí a na obr. 15 je ukázka provozního hustoměru. Přístroje tohoto typu jsou vhodné pro případy, kdy jsou požadovány malá tlaková ztráta a snadné čištění a sanitovatelnost aparatury (např. v potravinářství).
 

Hustoměry s kmitající vidlicí

Vibrační hustoměry s kmitající vidlicí používají jako senzor jednoduchou vidlicovou ladičku, která je ponořena do měřené kapaliny (obr. 16). Vibrace ramen vidlice jsou buzeny elektromagneticky a jsou elektronickými obvody udržovány v rezonanci při snímání např. piezoelektrickým snímačem vibrací. Rezonanční frekvence je závislá na hustotě média obklopujícího vidlici. Vedle měření frekvence jako měronosné veličiny pro měření hustoty lze vyhodnocovat i tlumení vibrací, které je úměrné viskozitě měřeného média. Jako příklad vibračních hustoměrů s vidlicí jsou na obr. 17 ukázány přístroje Micro Motion 7826/7829 od společnosti Emerson Process Management. Jde o robustní snímače s minimálními požadavky na údržbu vhodné k použití i za velmi náročných provozních podmínek [12]. Lze je instalovat do potrubí, do otevřených či uzavřených skladových i provozních nádrží i jiných technologických aparatur (jsou k dispozici se stonkem o délce až 4 m).
 
Hlavní zásady pro instalaci vibračních snímačů hustoty s vidlicí jsou patrné ze schématu na obr. 18. U nádrží s míchadly se doporučuje umístit snímač hustoty do obtoku s cirkulací měřené kapaliny. V uzavřených nádržích se dává přednost udržování přetlaku, při němž se z kapalného média méně uvolňují plyny. Nedoporučuje se instalovat snímače v nádržích, v nichž vznikají vrstvy s různou hustotou apod.
 
Významnou předností vibračních snímačů hustoty s vidlicí je, že provozní tlak, průtok vzorku a změny viskozity nijak znatelně neovlivňují výsledek měření. Moderní přístroje vyráběné v současné době jsou vybaveny elektronickými obvody s mikroprocesorem pro zpracování signálu. Blokové schéma zpracování signálu u vibračního hustoměru Liquiphant M Density s výpočetní jednotkou Density Computer FML621 od firmy Endress+Hauser je na obr. 19. Schéma na obr. 19a ukazuje přepočet hustoty na referenční podmínky, na obr. 19b je naznačen přepočet hustoty na koncentraci a na obr. 19c je uvedena možnost rozlišení mezi dvěma médii (v paměti jsou uloženy údaje o závislosti hustoty na teplotě pro několik médií; systém potom může rozlišovat mezi dvěma médii, popř. dvěma různými koncentracemi).
 
Při kalibraci vibračních snímačů hustoty s vidlicí se pracovní konstanty daného přístroje určují ve dvou bodech (dvoubodová
kalibrace, viz obr. 20). Jedno měření se provádí při vidlici obklopené vzduchem (ρ20 °C; 101,3 kPa = 0,001 2 g/cm3) a druhé s vidlicí ve vodě (ρ20 °C = 0,998 2 g/cm3).
 
Karel Kadlec
(dokončení v příštím čísle)
 
Obr. 1. Hydrostatický hustoměr: a) se snímačem rozdílu tlaků, b) se dvěma snímači tlaku
Obr. 2. Závislost rychlosti šíření ultrazvuku na koncentraci pro roztoky některých solí
Obr. 3. Závislost rychlosti šíření ultrazvuku na koncentraci a na teplotě v roztocích kyseliny sírové
Obr. 4. Schéma ultrazvukového snímače hustoty
Obr. 5. Ul traz vukov ý snímač hustot y SPRn 4115 2T (zdroj: Anton Paar [7])
Obr. 6. Ultrazvukový snímač hustoty Sonatec (zdroj: Centec [11])
Obr. 7. Schéma zpracování signálů v ultrazvukovém snímači hustoty průtočného typu (UZ – ultrazvuk)
Obr. 8. Instalace ultrazvukového snímače hustoty Sonatec v potrubním systému (zdroj: Centec [11])
Obr. 9. Princip vibračního snímače hustoty
Obr. 10. Schéma vibračního snímače s U-trubicí
Obr. 11. Měřicí trubice vibračního snímače hustoty značky Anton Paar (zdroj: Anton Paar [7])
Obr. 12. Provozní hustoměr DPRn 427S (zdroj: Anton Paar [7])
Obr. 13. Přenosný hustoměr DMA 35 (zdroj: Anton Paar [7])
Obr. 14. Schéma snímače hustoty s přímou vibrující trubicí
Obr. 15. Hustoměr Micro Motion 7835 s přímou měřicí trubicí (zdroj: Emerson [12])
Obr. 16. Schéma vibračního snímače hustoty (viskozity) s kmitající vidlicí
Obr. 17. Vibrační hustoměry Micro Motion: a) hustoměr typu 7826, b) hustoměr a viskozimetr typu 7829 (zdroj: Emerson [12])
Obr. 18. Instalace vibračních hustoměrů s vidlicí na technologickém zařízení
Obr. 19. Zpracování signálu vibračního hustoměru s vidlicí (upraveno podle [13])
Obr. 20. Dvoubodová kalibrace vibračního hustoměru s vidlicí vzduchem a vodou