Jste zde

Vibrační snímače sypkých materiálů i kapalin

Antonín Vojáček, 25. Duben 2017 - 21:19

Metoda tzv. vibrující vidlice je spolehlivý detektor výšky hladiny kapalin a sypkých materiálů, kterou lze detekovat přítomnost téměř libovolných kapalných i sypkých materiálů, jako např. písek, pilulky, obilí, vodu, kyseliny apod. Následující článek vysvětluje princip i ukazuje průmyslové provedení.

Ve velkém množství průmyslových aplikací je potřeba detekovat přítomnost nebo úroveň hladiny kapalných nebo sypkých materiálů v potrubí, zásobnících, krabicích a jiných uzavřených i otevřených prostorech. Pro elektricky vodivou kapalinu, jako je například voda, a nenáročnou detekci její přítomnosti lze použít třeba jen dvě kovové tyčky, které jsou při zaplavení vodou elektricky spojeny a tak je zapnuta indikace.

Toho to jednoduchého principu se například využívá pro kontrolu zaplavení výměníkové stanice pod domem. Ale v případě spolehlivé a přesnější detekce nebo detekce elektricky nevodivých materiálů je ale nutné použít jiné metody. Zde právě je vhodné použít dále popisovanou metodu na principu tlumení vibrací kovu - vibrující vidlice nebo sondy.

Princip vibračního snímače hladiny

Samotný základní fyzikální princip je velmi jednoduchý. Každý jistě zná princip mechanické ladičky, kdy se "kus kovu" ve tvaru vidlice rozvibruje úderem například kladívka a ta pak sama dlouhou dobu rezonuje na vlastní mechanické rezonanční frekvenci. Kmity vidlic se přenáší na kmity molekul vzduchu a tím je slyšet zvukový signál o frekvenci rovné kmitočtu vibrací kovu. Pokud dáme do blízkosti další stejnou ladičku, začne také rezonovat. Vlivem tření o vzduch či případně jiný materiál však dochází k tlumení kmitů, kdy se mění amplituda (výchylka) kmitů až do úplného zatlumení.

Na stejném principu pracují i tzv. vibrační senzory úrovně a hladiny (vibrating level forks sensors). Jednoduše řečeno jde o vyhodnocení útlumu mechanických kmitů vlivem kontaktu rezonující vidlice s detekovaným materiálem.

Vibrační senzory/detektory úrovně hladiny, nebo také někdy označené jako spínače hladiny, detekují útlum nebo změnu frekvence kmitů, ke kterým dochází při ponoření vibrujícího senzoru do média. Obecně existují tři provedení vibračních senzorů:

Reedův spínač
Sonda
Vidlice

V praxi - průmyslovém použití se dnes nejvíce využívá druhé a třetí varianty jejichž rezonační/vibrační frekvence je obvykle v rozsahu 100 až 400 Hz.

Mezi nejzajímavější patří právě poslední varianat - vibrující vidlice. Ta v praxi vypadá skoro jako dva konce šroubováku zabudované do soklu a je dnes obvykle vyráběna z materiálů typu PVDF, polypropylen, nerezová ocel, nebo hliník. V případech, kde je nutné dosáhnout kvalitní samočisticí schopnosti, se využívá teflon. Samočištění schopnost je důležitá v sypkých materiálech nebo kapalinách s velkou viskozitou, aby po poklesech a nárůstech hladiny či úrovně docházelo k co nejrychlejší a nejvýraznější reakci na tuto změnu. Pod provedením hladinového senzoru typu vibrující sonda, lze naopak najít vibrující "trubičku" z nerezové oceli nebo též teflonu.

Jinak obě provedení pracují na stejném principu: Piezoelektrický element (piezokrystal), který pracuje jako převodník proměnného napětí mechanické kmity, rozvibruje a udržuje mechanické vibrace senzoru na rezonanční frekvenci vidlice nebo sondy. Ponořením senzoru do média typu kapalina nebo sypký materiál dojde k tlumení kmitů nebo ke změně rezonanční frekvence, která je vyhodnocována přes druhý piezokrystal vnitřní elektronikou obvykle řízenou mikroprocesorem.

Vibrační hladinové senzory/detektory jsou v obvyklém průmyslovém provedení vybaveny samotným senzorem (vibrační jednotkou), vyhodnocovacími obvody a spínacími výstupními obvody, které umožňují spínat i výkonovou zátěž. Příklad blokového schéma dvou provedení detektorů, lišící se provedením výstupu, jsou na obrázku 5. V prvním schéma (VTO) je výstup tvořený kontakty relé umožňující spínat síťová napětí i proudy několika ampér. Naopak schéma VT1 má na výstupu spínací tranzistor s otevřeným kolektorem a logický výstup OV, což je vhodné pro napojení na PLC.

Blokové schéma vibračního hladinového senzoruPrůmyslové provedení senzorů

Obvyklé průmyslové provedení vibračních senzorů hladiny je podobné snímačům teploty a tlaku v průmyslovém provedení pro zabudování do potrubí. Samotný obal chránící vnitřní elektroniku a kontakty se běžně vyrábí z odolných umělých hmot, hliníku nebo nerezové oceli. Takto provedené senzory jsou určeny pro teplotní rozsahy -100 až 150°C, vysokou okolní vlhkost i prašnost (běžně krytí IP65 až IP68). Vibrující měřící části pak mohou mít délku 60 až 3000 mm a být odolné proti korozi i vysokým tlakům uzavřených nádob i přes 200 psi, což je přibližně 14 barů (přepočet 1 psi = 0.069 bar). Materiál je pak volen podle vlastností detekované látky.

Příklady průmyslového provedení vibračního hladinového senzoru typu vidlice (vlevo a uprostřed) a typu sonda (vpravo).

Z pohledu elektrických vlastností jsou asi prakticky nejdůležitější v katalogu uváděné údaje o napájecím napětí a provedení výstupu. Napájení tedy může být střídavým napětím (AC) často v rozsahu 24 až 230 V nebo samozřejmě i stejnosměrným obvykle někde v rozsahu 12 až 60 V DC. Výstup může být analogový, kdy je narůstající napětí nebo proud (proudová smyčka) přímo úměrný rostoucí hladině, nebo častěji spínaný či logický, kdy výstup sepne nebo dojde ke změně úrovně napětí při nárůstu hladiny nad určitou úroveň. Ty lze najít v následujících provedeních:

Spínané kontakty výkonového relé - mohou spínat střídavá napětí až 260 V a proud až 10 A
Solid-State spínače - mohou spínat proudy stovek mA a pracovat v režimu NPN nebo PNP
3vodičový výstup PNP/NPN se spínaným tranzistorem - pro proudy stovek mA a desítky V (např. 55 V a 350 mA)
Logický výstup typu otevřený kolektor tranzistoru - pro malé proudy a připojení na signálové vstupy například PLC
Logický výstup typu TTL/CMOS - spínané proudy max. 10 mA

Reakční doba výstupu bývá od stovek ms až po jednotky sekund, dle parametru a vlastností detekovaných kapalin nebo pevných materiálů.

Příklad praktického provedení senzoru a zapojení vnitřní svorkovnice se spínanými výstupy NO (Normally Open) a NC (Normally Close).

Příklady použití

Detekce přítomnosti skupenství:
- kapaliny - různé s různou viskozitou a hustotou, kyselé i zásadité
- pevné látky - různé materiály v sypkém nebo granulovém provedení
Detekce hladiny a úrovně následujících materiálů:
- Plastické hmoty - prášek, kuličky
- Dřevěná a papírová drť - celulóza, piliny
- Zbytkové materiály -popel, vápenec (vápno), saze
- Potraviny - obilí, cukr, mouka, zrno, voda, víno
- Suroviny - uhlí, písek, cement, zemina, jíl
- Drogistické výrobky - lubrikační a opalovací oleje, prací prášky, pasty, pilulky
- Různé chemické preparáty - kapaliny, kyseliny, prášky, pilulky, krystaly
Detekce průtoku a turbulencí
Kontrola přeplnění
Ochrana pumpy - detekce, že je v potrubí kapalina
Upozornění na stav vysoké hladiny
Detekce unikání kapaliny

Příklady umístění vibračních senzorů hladiny.

Závěr

Vibrační senzory pro detekci úrovně a výšky hladiny nebo prostě jen existenci kapalin nebo sypkých materiálů v místě okolo senzoru patří obecně mezi ty méně známé, ale docela zajímavé. Lze je nalézt v nabídkách mnoha firem. Některé zahraniční firmy v tomto oboru mají i zastoupení na českém trhu.