Snímače polohy hladiny – principy, vlastnosti a použití (část 2)

Snímače polohy hladiny – principy, vlastnosti a použití (část 2)

(dokončení z čísla 5/2005)

5. Fyzikální hladinoměry

5.1 Ultrazvukové hladinoměry

Ultrazvukové hladinoměry využívají dva principy. V jednom případě se měří doba průchodu ultrazvukové vlny od vysílače přes odraz od hladiny zpět k přijímači a z naměřené doby se při známé rychlosti šíření ultrazvuku v daném prostředí vypočítá vzdálenost. Tato metoda se využívá ke spojitému měření polohy hladiny. Ve druhém případě se vyhodnocuje útlum ultrazvukových vln v závislosti na složení prostředí, kterým ultrazvuk prochází. Tato metoda se využívá k limitnímu měření úrovně hladiny.

Obr. 18. Princip ultrazvukového hladinoměru pro spojité měření (c – rychlost zvuku v prostředí, t – naměřený čas)

Na obr. 18 je nakresleno zjednodušené schéma ultrazvukového hladinoměru, který využívá měření doby šíření ultrazvukového impulsu. Měřicí zařízení tvoří:

• generátor a vysílač ultrazvukového signálu,
• přijímač ultrazvuku a zesilovač signálu,
• elektronické vyhodnocovací zařízení.

Vysílač a přijímač ultrazvukových impulsů tvoří konstrukční celek, umístěný obvykle v horní části nádrže. Funkci celého zařízení řídí generátor pulsů. Na počátku měřicího cyklu je z vysílače vyslán ultrazvukový impuls, který se po odrazu od hladiny vrací k přijímači. Doba t, naměřená elektronickým obvodem, závisí na délce dráhy ultrazvukového impulsu, a tím i na poloze hladiny. Poloha hladiny h se stanovuje odečtením poloviny naměřené dráhy impulsu od maximální vzdálenosti (vzdálenost ke dnu nádrže). Měřené doby se pohybují od desetin až po jednotky sekund.

Jako vysílače a přijímače ultrazvuku se nejčastěji používají piezoelektrické nebo magnetostrikční měniče. Pracuje se s ultrazvukem s frekvencí od 20 do 50 kHz. Ukázky provedení ultrazvukových senzorů jsou na obr. 19 a obr. 20. Ultrazvukové sondy lze umístit také u dna nádoby. Pro šíření ultrazvuku je nezbytné látkové prostředí. Protože ve vakuu se zvuk nešíří, nelze ultrazvukové hladinoměry použít při tlaku menším než 60 kPa.

Měřicí rozsah ultrazvukového hladinoměru je mimo jiné závislý i na útlumu (energetických ztrátách) ultrazvukového signálu na cestě od vysílače zpět k přijímači. Energetické poměry jsou znázorněny na obr. 21. Minimální požadovaná energie dopadající na přijímač bude určovat maximální měřitelnou vzdálenost v daném prostředí. Minimální měřitelná vzdálenost závisí na tzv. mrtvém pásmu, jehož velikost je ovlivněna délkou a dozvukem vysílaného ultrazvukového impulsu.

Obr. 19. Ultrazvukové snímače polohy hladiny (Dinel)
Obr. 20. Ultrazvukový snímač polohy hladiny s inteligentním převodníkem (Level Instruments)
Obr. 21. Energetická bilance ultrazvukového hladinoměru (1 – energie vyslaného ultrazvukového signálu, 2 – ztráta energie útlumem v prostředí, 3 – energie dopadající na povrch cíle, 4 – ztráta energie absorpcí v měřené látce, 5 – odražená energie, 6 – ztráta energie útlumem v prostředí, 7 – energie signálu navracející se k senzoru)

Údaj ultrazvukového hladinoměru je ovlivňován hustotou a teplotou prostředí, přítomností míchadla, tvarem a kvalitou povrchu fázového rozhraní, přítomností pěny, činností míchadla, přítomností vestavěných částí uvnitř nádrže apod. Poněvadž rychlost ultrazvuku závisí na hustotě, a tedy i na teplotě prostředí, bývají přesné ultrazvukové hladinoměry vybaveny příslušným korekčním obvodem, který provádí korekci podle výsledků měření teploty. Jestliže se bude měnit hustota prostředí i z jiných příčin, než je změna teploty, lze ultrazvukový hladinoměr vybavit automatickou korekcí. V takovém případě je senzor opatřen referenčním prvkem (např. drát ve tvaru U), který vymezuje pevnou referenční vzdálenost (obr. 22). Elektronický obvod změří jednak dobu, kterou potřebuje ultrazvukový signál pro překonání referenční vzdálenosti L₁, a jednak dobu jeho průletu k hladině L₂ a zpět. Doba potřebná k překonání referenční vzdálenosti je potřebná pro výpočet rychlosti ultrazvuku v daném prostředí. Polohu hladiny h stanovuje elektronický obvod na základě znalosti vzdálenosti L₃, naměřené při prázdné nádrži. Informace o poloze hladiny získané touto měřicí metodou nezávisejí na změnách rychlosti ultrazvuku v prostředí nad hladinou. Výstupní signál poskytují elektronické obvody snímače v analogové nebo číslicové formě.

Obr. 22. Ultrazvukový hladinoměr s kompenzací

Přesnost měření ultrazvukovými snímači se zhoršuje u nádrží se zabudovanými přírubami, potrubím, míchadly, různými přepážkami apod. U tzv. inteligentních snímačů se proto při prázdné nádobě vykoná tzv. mapování nádoby, kdy se zaznamenají všechny odrazy, které přijímač přijme, a zaznamená se doba průchodu i amplituda odraženého signálu. Výsledek se statisticky vyhodnotí a tzv. zvukový obraz prázdné nádoby se v digitální formě uloží do paměti. Za použití vhodného softwaru při vyhodnocování měření je pak brán v úvahu pouze signál odražený od hladiny a nežádoucí signály (falešné odrazy) se eliminují (obr. 23) [5].

V některých úlohách je zapotřebí vyloučit styk sondy s médiem v nádrži (potravinářské účely, tlakové nádrže). Polohu hladiny je v tomto případě možné detekovat ultrazvukovou sondou umístěnou na vnější straně kovové nádrže. Senzor je upevněn pomocí nalepeného nebo navařeného hrdla a ultrazvukový impuls prochází spojovacím gelem zvnějšku nádrže do její stěny, dále prochází stěnou a následně je několikrát odražen. Podle doby trvání odrazu senzor rozliší, zda je za stěnou plyn, nebo kapalina, a popř. i detekuje polohu fázového rozhraní [6].

Obr. 23. Softwarové potlačení falešných odrazů

Ultrazvukové hladinoměry jsou vhodné ke spojitému bezdotykovému měření polohy hladiny v otevřených i uzavřených nádržích s kapalnými či sypkými látkami. Lze je použít i pro znečištěné, kašovité a pastovité hmoty a za určitých okolností i k detekci úrovně pěny. Měřicí rozsah se pohybuje od desetin až po desítky metrů, chyba měření dosahuje 0,1 % měřicího rozsahu.

Při instalaci je vhodné snímač umístit dostatečně daleko od potenciálních zdrojů falešných odrazů (potrubí uvnitř nádrže, lopatky míchadla, stěna s nánosem produktu). V praxi se ukazuje, že je lepší odstranit zdroj falešných odrazů, než za pomoci softwarové filtrace potlačovat následky. Snímač je nutné umístit dále od přítoku nebo násypky do zásobníku (nebezpečí, že po dobu plnění bude snímač vyřazen z činnosti). Ve ztížených podmínkách (značná prašnost, těžké páry) je lépe volit snímač s větším výkonem. Při neklidné hladině se impulsy nevracejí směrem k přijímači, a je proto vhodné použít svislé trubky, které zajistí místní klidnou hladinu.

Není vhodné umísťovat snímač do osy nádrže s parabolickým víkem, protože vzniká nebezpečí mnohonásobných odrazů mezi víkem a hladinou. Hlavní osa vysílače signálu by měla směřovat kolmo k povrchu měřené látky a při měření sypkých látek je třeba respektovat jak násypný, tak vyprazdňovací úhel produktu.

Obr. 24. Radarový hladinoměr (c – rychlost šíření mikrovln, t – naměřený čas, L – vzdálenost hladiny od snímače, L_max – vzdálenost snímače ode dna nádrže)

Jako přednosti ultrazvukových hladinoměrů lze uvést absenci pohyblivých součástí, bezkontaktní spojité měření, možnost instalace z vnější strany nádrže bez porušení její těsnosti, nezávislost na elektrické vodivosti a dielektrických vlastnostech materiálu, kompaktní provedení snímačů, rozlišovací schopnost až 1 mm, přesnost měření řádu desetin procenta měřicího rozsahu. Nedostatkem může být ovlivnění signálu v přítomnosti těžkých par a prachu a rušivé působení turbulentního povrchu hladiny a přítomnosti pěny.

5.2 Radarové hladinoměry

Radarové snímače hladiny pracují analogicky jako ultrazvukové hladinoměry, ovšem při použití elektromagnetického vlnění (mikrovlnné záření), které se šíří prostředím rychlostí světla. Jako mikrovlnné záření se označuje vlnění o frekvenci větší než asi 2 GHz. Radarové hladinoměry využívají dvě měřicí metody, a to časovou (pulsní) metodu a frekvenční metodu (s rozmítaným spojitým signálem).

Pulsní radar pracuje s krátkými mikrovlnnými impulsy s frekvencí např. 5,8 MHz a s dobou trvání asi 1 ns, které jsou směrovány do prostoru prostřednictvím antény (obr. 24). Na rozhraní dvou prostředí (na hladině) se vlna částečně odrazí zpět k vysílači a částečně prochází do druhého prostředí. Měří se doba potřebná k průchodu elektromagnetických vln z vysílače k hladině a zpět k přijímači. Z doby uplynulé mezi vysláním a přijetím impulsu se podle vztahů uvedených na obr. 24 stanovuje poloha hladiny h.

Obr. 25. Princip frekvenční metody

Další vysílaný impuls následuje po přestávce trvající asi 300 ns. Po dobu přestávky je vysílač přepnut do funkce přijímače. Jedna perioda měření trvá méně než 10^–6 s. Technická realizace tohoto principu naráží na problémy měření velmi krátkých úseků času. Má-li být vzdálenost hladiny měřena s chybou menší než 1 mm, je třeba měřit čas s rozlišením 6 · 10^–12 s.

Vzhledem k velkým požadavkům na přesnost měření času u pulsního radaru je vhodnějším řešením radar s rozmítaným spojitým signálem, využívající frekvenční metodu (Frequency Modulated Continuous Wave – FMCW), jež je založena na vysílání spojitého signálu s proměnnou frekvencí (obr. 25). Vysílaný signál je obvykle modulován pilovitě a plynule mění svoji frekvenci od f_min do f_max. Ze známé rychlosti přelaďování a hodnot frekvencí vyslaného a přijatého signálu změřených v čase t₁ je možné vypočítat vzdálenost odpovídající poloze hladiny. Přijímaný signál je směšován s vysílaným a hodnota mezifrekvenčního kmitočtu je mírou vzdálenosti cíle. Ze zjištěného rozdílu frekvencí Df = f₁ – f₀ se stanovuje odpovídající Dt = t₁ – t₀ a vypočítává se vzdálenost hladiny. Hlavní předností frekvenční metody je, že rozdíl frekvencí (řádově v kilohertzech), a tudíž i polohu hladiny, lze stanovit velmi přesně (s chybou až ±1 mm).

Podobně jako u ultrazvukového hladinoměru lze i u radarového systému sledovat energetickou bilanci měřicího zařízení, a to podle schématu na obr. 26 a podle tzv. rovnice radaru

Přijímaný výkon P_P závisí na výkonu vysílače P_V, na zisku vysílací antény G₁ (vyjadřuje větší hustotu signálu získanou směrováním), na útlumu v prostředí D₁, popř. D₂, na součiniteli odrazivosti R, který charakterizuje odrazovou plochu snímané hladiny, a na zisku přijímací antény G₂.

Na odraz mikrovlnného záření od hladiny má významný vliv permitivita měřeného média. Poměrná permitivita e_r je bezrozměrné číslo charakterizující vlastnosti látky v elektrickém poli. Obecně je permitivita vyjádřena komplexním číslem. Jeho imaginární část, popisující ztráty v dielektriku, je u většiny kapalin při frekvencích větších než 1 GHz rovna nule. Pro vakuum platí e_r = 1, u plynů je hodnota e_r > 1, kapaliny mají permitivitu zpravidla podstatně větší než 1 (obvykle větší než 2, voda má e_r = 80). U granulátů ovlivňuje hodnotu permitivity prostor vyplněný vzduchem. Kovový povrch, hladina dobře vodivé kapaliny, kyselina, solný roztok apod. téměř všechno vlnění odrazí. V případě „dielektrické“ kapaliny o permitivitě e_r = 3,5 se odrazí od hladiny kapaliny asi 10 %, při e_r = 1,5 se odrazí jen asi 1 % výkonu dopadajícího záření. Pro posuzování možnosti použití radaru k měření hladiny má tedy hodnota e_r měřeného média zásadní význam. Pro součinitel odrazivosti R platí vztah

Hodnota e_r klesá s rostoucí frekvencí mikrovlnného záření, a tak je důležitým krokem i výběr správné frekvence. Větší frekvence znamená kratší vlnovou délku, což činí senzor citlivějším k negativním vlivům, jako jsou páry, pěna (nad 24 GHz způsobí i malé množství par značnou absorpci signálu). Naproti tomu menší frekvence, tj. větší vlnová délka, znamená větší úhel rozptylu s následnou řadou rušivých odrazů od stěn nádrže, míchadel apod. Využívaná optimální frekvence se tak pohybuje okolo 10 GHz.

Obr. 26. Schéma radarového systému

Při průchodu mikrovlnného záření atmosférou klesá výkon exponenciálně se vzdáleností od antény vysílače. Útlum mikrovlnného záření ve vzduchu má celkem zanedbatelný význam, např. při výšce nádrže 30 m činí útlum 1 dB. Bude-li však v tlakové nádobě při teplotě 20 °C a tlaku 1 MPa nad hladinou kapalného amoniaku plynný amoniak, mikrovlnné záření se absorbuje v takové míře, jako by se od hladiny kapaliny vůbec neodráželo. V takovém případě nelze radarový hladinoměr použít.

Inteligentní radarový snímač hladiny sdružuje anténu vysílače i přijímače a potřebné elektronické obvody řízené mikroprocesorem. Pro vysílání a příjem je velmi často používána jedna a táž anténa. Existuje mnoho typů antén (obr. 27), lišících se tvarem i průřezem (anténa trychtýřová s kruhovým nebo pravoúhlým průřezem, válcová či tyčová, parabolické zrcadlo aj.). Vyzařovací úhel antény je tím menší, čím větší je výstupní plocha antény, přičemž zisk antény je přímo úměrný ploše jejího výstupního průřezu.

Přijatý odražený signál může být oproti ideálnímu odrazu zčásti nebo i zcela znehodnocen různými vlivy. V úvahu přichází složení atmosféry v nádrži, rušivé odrazy, násobné odrazy nebo šíření signálu několika cestami. Rušivé vlivy je při vyhodnocování signálu nutné potlačit, aby nedošlo k chybné interpretaci měření polohy hladiny [7]. Podobně jako u ultrazvukových hladinoměrů se pro efektivní zpracování, filtraci a analýzu signálu radarového hladinoměru používá vhodný software. Přesnost měření lze zvětšit automatickou kalibrační kontrolou, při níž se vyhodnocuje referenční signál, který se odráží od přepážky zabudované ve známé vzdálenosti. Inteligentní snímač poskytuje analogový i číslicový výstup a může i počítat objem média v nádrži.

Obr. 27. Příklad provedení radarových hladinoměrů (Endress+Hauser)

Radarové hladinoměry pracují bez pohyblivých mechanických součástí a vykazují velkou přesnost (±1 mm) a spolehlivost i ve velmi náročných provozních podmínkách (vysoká teplota, tlak, agresivní prostředí). Pracují bez kontaktu s měřenou látkou a jsou vhodné i pro měření polohy hladiny velmi viskózních a lepivých médií, past a kalů, zkapalněných plynů i těkavých a agresivních kapalin. Nevýhodou je poměrně nákladné zařízení nevhodné k použití s kapalinami s malou permitivitou.

Zvláštní skupinu mezi radarovými hladinoměry tvoří reflektometrické hladinoměry. Jsou to zařízení s vedeným mikrovlnným signálem. Mikrovlny jsou „vedeny„ tělesem z pevného materiálu, které je ponořeno do média (obr. 28). Využívá se šíření elektromagnetického impulsu po dvou vodičích instalovaných v nádrži (dvě tyče, dvě lana s případným teflonovým povlakem, koaxiální kabel). Funkce reflektometrického hladinoměru vychází ze skutečnosti, že pokud není vedení zakončeno charakteristickou impedancí, odráží se přenášený signál v rovině hladiny, přičemž intenzita odraženého signálu závisí na permitivitě média. Vyhodnocuje se doba mezi vysláním impulsu a přijetím odraženého impulsu (princip označovaný v odborné literatuře jako Time Domain Reflection – TDR).

Při použití reflektometrického hladinoměru lze pracovat s médii s permitivitou větší než 1,5. Čím je permitivita větší, tím je odraz intenzivnější (u vody se odráží až 80 % energie impulsu). Přesnost měření u kapalin do rozsahu 6 m je lepší než 5 mm.

Obr. 28. Reflektometrický hladinoměr: (a) princip činnosti, (b) příklad provedení (Krohne)

Použití reflektometrického hladinoměru přináší mnoho výhod. Signál není ovlivňován falešnými a několikanásobnými odrazy. Protože se impulsy šíří po vedení, nejsou tlumeny prostředím a na přesnost měření nemají vliv teplota ani tlak, ani přítomnost prachu, par nebo pěny. Je možné měřit polohu hladiny kapaliny i práškových a granulovaných materiálů. Reflektometrický snímač lze použít i k měření polohy rozhraní dvou kapalin. Předností je i velká spolehlivost a opakovatelnost měření a možnost použití v širokém rozmezí teploty a tlaku v nádrži (–50 až +200 °C, popř. od 0,1 do 10 MPa). Nevýhodou je kontakt antény s měřeným médiem.

5.3 Radioizotopové hladinoměry

Radioizotopové hladinoměry využívají skutečnost, že intenzita radioaktivního záření úměrně klesá s tloušťkou vrstvy materiálu mezi zářičem a detektorem. Vyhodnocuje se tedy zeslabení svazku ionizujícího záření při jeho průchodu sledovaným hmotným prostorem. Měřicí zařízení tvoří radioaktivní zářič a detektor záření s elektronickými obvody.

Jako radioaktivní zářiče se používají zdroje záření gama, které velmi dobře proniká materiálem, ale nemá schopnost jej aktivovat (vyvolávat jeho radioaktivitu). Lze je proto používat i v potravinářském průmyslu. Aby nebyly nutné časté kalibrace, používají se izotopy s delším poločasem rozpadu, např. Co 60 (poločas 5,5 roku) nebo Cs 137 (30,5 roku). Zářič musí být opatřen olověným ochranným krytem tloušťky několik desítek centimetrů. K detekci záření se používá buď Geigerův-Müllerův detektor (při teplotách větších než 60 °C je elektronická část oddělena od detektoru) nebo citlivý scintilační detektor s fotonásobičem. Scintilační detektory jsou citlivé na teplotu, která by neměla překročit limitní hodnotu asi 55 °C. Intenzita záření dopadající na detektor závisí na tloušťce vrstvy měřeného materiálu.

Obr. 29. Radioizotopové hladinoměry při (a) spojitém a (b) limitním snímání polohy hladiny

Na obr. 29a je ukázána jedna z možností spojitého měření polohy hladiny radioizotopovým hladinoměrem. Radioaktivní zářič je uložen v ochranném pouzdru ve spodní části pomocné trubky propojené s nádrží. V horní části trubky je umístěn detektor. Důležitou předností radioizotopových hladinoměrů je možnost montáže zářiče i přijímače na vnější stranu stěn zásobníku. Příklad takového bezkontaktního měření se signalizací mezního stavu násypu sypké látky v zásobníku je na obr. 29b.

K přednostem radioizotopových hladinoměrů patří bezkontaktní měření (montáž vně nádrže), nezávislost na teplotě, tlaku a změnách chemického složení média a minimální poruchovost i ve ztížených pracovních podmínkách. Nevýhodou je nutnost ochrany obsluhy před účinky radioaktivního ozáření a povinnost zajistit pravidelné kontroly ve smyslu zákona 18/97 Sb.

Radioizotopové hladinoměry se uplatní zejména v náročných provozních podmínkách, při kterých jiné metody nevyhovují, tj. při měření polohy hladiny látek silně agresivních, viskózních, při extrémních teplotách a tlacích, včetně vakua, při velké prašnosti i při vibracích nádoby.

6. Výběr vhodného typu snímače hladiny

V tab. 2 je uveden přehled základních možností použití hlavních typů snímačů hladiny.

Tab. 2. Přehled aplikačních možností snímačů polohy hladiny¹⁾

¹⁾ význam symbolů: V: vhodné, N: nevhodné, M: možné použití za určitých podmínek, –: běžně se nepoužívá

Na závěr stručně shrňme hlediska důležitá pro volbu hladinoměru:

• fyzikální a chemické vlastnosti měřeného média (hustota, teplota, tlak v nádrži, viskozita, elektrická vodivost, permitivita),
• charakter okolního prostředí a podmínky měření (teplota, chvění, nebezpečí hoření či výbuchu apod.),
• účel měření, požadavek na spojité či limitní snímání polohy hladiny,
• charakter výstupního signálu, signalizace mezních stavů, regulace hladiny,
• zjišťování množství náplně (bilanční účely),
• měřicí rozsah, požadovaná přesnost měření,
• způsob montáže, požadavky na údržbu a kalibraci,
• náklady na pořízení a provoz.

Poděkování
Práce vznikla s podporou výzkumného záměru MSM 6046137306.

Literatura:
[1] Katalog firmy Houdek spol. s r. o. Liberec, 2002.
[2] JONES, C.: Classical means of tank level measurement in the petroleum industry. Petro Industry News, 2005, roč. 6, č. 1, s. 40.
[3] Prostředky pro měření a evidenci obsahu nádrží. Automa, 2005, roč. 11, č. 3, s. 46–47.
[4] CHUDÝ, V. – PALENČÁR, R. – KUREKOVÁ, E. – HALAJ, M.: Meranie technických veličín. STU Bratislava, 1999.
[5] KAMP, W. van de: The theory and practice of level measurement. Endress+Hauser, Narden, Holland 2001.
[6] Levelprox – katalog firmy Turck s. r. o. Hradec Králové, C101287, 2002.
[7] BRUMBI, D.: Základy radarové techniky pro měření výšky hladiny. Automatizace, 1999, roč. 42, č. 6, s. P1–P20.

Internetové odkazy:
http://www.bdsensors.cz
http://www.bcmcontrol.cz
http://www.datacon.cz
http://www.dinel.cz
http://www.endress.com
http://www.endress.cz
http://www.emersonprocess.cz
http://www.krohne.cz
http://www.krohne.com
http://www.ksr-kuebler.com
http://www.levelin.cz
http://www.nivelco.cz
http://www.turck.cz
http://www.vega.com

Karel Kadlec,
ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha
(karel.kadlec@vscht.cz)