Moderní hladinoměry

Měření výšky hladiny kapalin a sypkých materiálů je důležité všude tam, kde potřebujeme dlouhodobě či dočasně kontrolovat jejich množství uložené v nějaké nádrži, silu, jímce, nádobě, bazénu nebo případně průběžně monitorovat výšku průtoku otevřeným kanálem. V případě sypkých materiálů lze například i monitorovat aktuální výšku jejich vrstvy při přepravě na dopravním pásu.

K průběžnému a spojitému měření výšky hladiny slouží snímače zvané hladinoměry. Nezávisle na použité metodě funkce vždy provádění průběžné, v čase kontinuální měření, přičemž jejich výstupem je konkrétní hodnota výšky hladiny. Ta je následně průběžně zobrazována jako uživatelská informace přímo na displeji hladinoměru nebo prostřednictvím analogového či digitálního číslicového signálu pravidelně odesílána do nadřazeného elektronického systému. Tam může sloužit pro archivaci stavu (vytvoření statistiky) či v automatizovaných systémech jako řídící veličina pro regulaci přítoku a odtoku. Služby hladinoměrů tak využije jak běžný uživatel typu chatař, který například potřebuje pohodlně si monitorovat množství vody ve studni, tak průmyslový výrobce vyžadující správu a řízení množství produktu v nádržích a zásobnících.

V nabídkách výrobních společností a dodavatelů hladinoměrů však existuje několik různých typů hladinoměrů, které se v základu liší použitou metodou měření. Vynecháme-li čistě mechanické nebo elektromechanické systémy založené na plováku, jsou dnes nejběžnější následující provedení:

• Radarové hladinoměry s vedenou vlnou.
• Ultrazvukové hladinoměry.
• Kapacitní hladinoměry.
• Hydrostatické hladinoměry.

Každé provedení má svoje specifické výhody a nevýhody dané použitým fyzikálním principem měření a tím se více či méně nebo zcela hodí či nehodí pro určité typy materiálů a provozní podmínky. Předem je však dobré si vytipovat vhodnou metodu pro danou konkrétní aplikaci a až pak detailně vybírat mezi jednotlivými produkty.

Radarové hladinoměry s vedenou vlnou

Principem funkce tzv. impulsního radarového (mikrovlnného) hladinoměru je metoda TDR (Time Domain Reflectometry), tedy reflektometrie v časové oblasti spočívající v měření doby odrazu elektrického signálu od aktuální výšky hladiny. Změřená doba potřebná od vyslání do přijetí pulsu je pak přímo úměrná výšce hladiny. Konkrétně elektronika hladinoměru vybudí velmi krátký elektrický impuls (cca 0,5 ns), který je navázán na jednovodičové vedení (měřicí elektrodu). Ta má podobu tyče, tyče s referenční trubkou nebo lana, po kterém se šíří vygenerovaný impuls ve formě elektromagnetické vlny směrem k hladině. Zde se částečně odráží a odražená složka se vrací zpět do přijímacího modulu elektroniky hladinoměru. Elektronika měří dobu letu elektromagnetické vlny, přepočítá na výšku hladiny a vyšle ve formě signálu analogovým vystupem nebo jako číselnou hodnotu po průmyslové sběrnici.

Výhodou radarových hladinoměrů je odolnost měření jak proti změnám atmosféry nad hladinou (tlak, teplota, prach, páry), tak proti změnám parametrů samotného měřeného média (změny dielektrické konstanty, vodivosti) a materiálu nádrže. Přesnost měření je v řádu jednotek milimetrů. Hlavní nevýhodu představuje nutnost neustálého přímého kontaktu snímače (jeho elektrody) s měřeným produktem, a tedy nutnost přizpůsobení materiálu elektrody povaze a vlastnostem produktu (hlavně v případě agresivních nebo naopak hygienicky čistých látek, které by mohli s elektrodou nějak interagovat). Primárně je radarový hladiměr určen pro spolehlivé univerzální měření výšky kapalin, sypkých materiálů a kašovitých či pastovitých materiálů s možností přímé montáže do různých zásobníků, sil, nádrží a jímek.

Český výrobce hladinoměrů DINEL s.r.o. například nabízí v tomto směru řadu s označením GRLM s měřícím dosahem až 40 m s deklarovanou přesností měření +/-2 mm v celém rozsahu. Měřící elektronika ve formě hlavice je vybavena displejem s tlačítky a analogovým výstupem podporující průmyslovou komunikaci HART nebo sériovým přenosem protokolem MODBUS-RTU. K dispozici jsou i provedení do prostředí s nebezpečím výbuchů plynů nebo vznícením prachu.

Měřící elektrody jsou nabízeny v provedení:

• neizolované tyčové elektrody a lana z nerezová oceli (vhodné typu voda, oleje, nafta, mouka, písek, různé granuláty apod.),
• izolované tyčové elektrody a lana s izolací PFA nebo FEP pro agresivní látky, nápoje či podobné hygienicky závadné produkty a velmi čisté látky.

Příklad správné a špatné montáže radarového hladinoměru DINEL GRLM.

Ultrazvukové hladinoměry

Princip funkce ultrazvukových hladinoměrů je založen na měření doby zpoždění odrazu vygenerované akustické vlny od hladiny. Konkrétně snímač provádí vysílání akustických vln v podobě řady ultrazvukových impulsů, které se šíří od čela snímače směrem k hladině. Na ní dojde k jejich odrazu a následně se šíří zpět k čelu hladinoměru. Zde jsou ultrazvukové pulsy přijaty a opět přeměněny na elektrický signál. Vnitřní elektronika hladinoměru pak nejdříve provede odfiltrování rušivých signálů, porovnání vyčištěného přijatého signálu s dříve vytvořenou mapou falešných odrazů (např. od míchadel, žebříků, výztuh, apod.) a následný výběr žádoucího odrazu (echa). Z něho změří dobu letu pulsů od vyslání až po opětovný příjem, provede teplotní kompenzaci a dle nastavení udělá přepočet na vzdálenost mezi čelem snímače a hladinou, resp. přepočet na výšku hladiny. Následně je hodnota zobrazena na displeji snímače a vyslána do nadřazeného systémy prostřednictvím úměrného analogového signálu nebo jako číselná hodnota prostřednictvím komunikační sběrnice.

Hlavní výhodou ultrazvukového principu měření je fakt, že snímač není v přímém kontaktu s měřeným médiem a tedy nijak s ním vzájemně neinteraguje. Tím je tato metoda odolná vůči změnám parametrů média (změny dielektrické konstanty, vodivosti). Hlavní nevýhodou je vliv nepříznivých jevů v atmosféře nad hladinou (pěnění, prudké turbulence a rychlé proudění vzduchu, velmi silné odpařování) na přesnost měření a v případě nádoby s vakuem jej nelze vůbec použít. Také perioda měření, tedy i reakce na změnu hladiny, je výrazně delší než například v porovnání s radarovým hladinoměrem. Pohybuje se v řádu jednotek sekund.

Ultrazvukovými hladinoměry lze měřit hladiny kapalných látek, pastovitých hmot a sypkých materiálů v otevřených i uzavřených jímkách, otevřených kanálech, nádobách apod. v rozsazích od desítek centimetrů až po desítky metrů. Ideální je jejich použití pro kontinuální měření výšky hladiny kapalin, odpadních vod, kalů, suspenzí, lepidel, pryskyřic. Použitelnost pro měření hladiny sypkých materiálů může být omezená, protože zde obvykle dochází ke snížení měřicího rozsahu vlivem absorpce akustické vlny při dopadu na měřený materiál. V tomto případě je vhodnost použití hladinoměru lepší předem odzkoušet nebo konzultovat s výrobcem konkrétního snímače. Hladinoměry se instalují vždy do horního víka nádrže (nádoby) pomocí upevňovací matice nebo příruby, nebo v případě instalace v otevřeném kanále (jímce, žlabu apod.) na konzolu co nejblíže k očekávané maximální hladině. Osa snímače musí vždy směřovat kolmo k měřené hladině.

Například ultrazvukové hladinoměry DINEL řady ULM jsou nabízeny v měřících rozsazích od 1 do 20 m s přesností měření od +/- 1,5 mm, přičemž minimální měřitelný vzdálenost je od 0,1 m (tzv. mrtvá zóna ultrazvukového hladinoměru). Perioda vysílání akustické vlny, tedy perioda měření, je nastavitelná v rozsahu 1 až 4 sekund. K dispozici jsou i provedení do prostředí s nebezpečím výbuchů plynů nebo vznícením prachu.

Příklady provedení ultrazvukových hladinoměrů DINEL ULM.

Kapacitní hladinoměry

Princip kapacitních hladinoměrů je založen na měření změny hodnoty el. kapacity způsobené změnou výšky hladiny média. Konkrétně je snímací část hladinoměru tvořena elektrodou, která je zasunuta do měřeného materiálu. Zvýšení hladiny způsobí větší zaplavení (zasypání) měřicí elektrody a tím změnu její kapacity. Změřená hodnota kapacity je pak vnitřní elektronikou hladinoměru přepočtena na výšku hladiny a následně zobrazena ma displeji snímače a vyslány v podobě analogové hodnoty napětí či proudu nebo v podobě číselné hodnoty po komunikační sběrnici do nadřazeného systému (např. PC či PLC).

Principy kapacitního snímání výšky hladiny: elektricky vodivá elektroda pro elektricky nevodivé látky (obr. vlevo) a elektricky izolovaná elektroda pro elektricky vodivé látky (obr. vpravo).

Podle dielektrických vlastností měřeného materiálu je pak nutné volit jeden z následujících způsobů měření, resp. provedení elektrody:

• Elektricky vodivá elektroda pro elektricky nevodivé látky - zde je kapacita měřena mezi elektricky vodivou elektrodou snímače a elektricky vodivou kovovou stěnou nádoby. Dielektrikem je v tomto případě vzduch nebo měřená látka (kapalina či sypký materiál).
• Elektricky izolovaná elektroda pro elektricky vodivé látky - zde je kapacita měřena mezi vnitřní elektricky vodivou elektrodou snímače a měřenou látkou vytvářející druhou elektrodu. Dielektrikem je zde izolace měřící elektrody.

Výhodou kapacitních hladinoměrů je poměrně vysoká rychlost měření (krátká reakční doba na změnu hladiny) a vysoká mechanická, teplotní, i chemická odolnost na podmínky v měřené nádrži. Kapacitní metoda je také imunní vůči veškerým změnám v atmosféře nad hladinou (vakuum, přetlak, páry, prach) a rovněž částečně imunní vůči tvorbě pěny na hladině. Naopak její nevýhodou je nutný přímý kontakt s měřeným produktem a tak velký vliv nejen vlastností měřeného média, ale také materiálu, tvaru a provedení nádrže. Metodu tak nelze použít v případě média s v čase se měnící dielektrickou konstantou. Avšak dochází-li  pouze ke změnám vodivosti média (např. pitná voda vs. parní kondenzát) a pokud je použita elektroda s izolací, nemá to na měření vliv. Proti radarovým nebo ultrazvukovým snímačům je však volba jejich správného umístění a  nastavení obvykle o něco náročnější.

Pokyny pro "výpočet" vhodné délky elektrody a místa montáže kapacitnách hladinoměrů DINEL CLM podle typu elektrody.

I přes výše zmíněné nevýhody, lze kapacitními hladinoměry, v závislosti na provedení jejich elektrody, použít v širokém rozsahu aplikací. Například snímače DINEL řady CLM-36  jsou určeny pro měření výšky hladiny v rozsahu 1 až 20 metrů s přesností od 10 mm u kapalných látek a sypkých materiálů v nádržích, zásobnících a silech s možností lineárního měření i v nevodivých a různě tvarovaných nádobách.

Příklady použití kapacitních hladinoměrů vzávislosti na provedení elektrody:

• olejů, nafty, benzínu, mouky, cementu, písku a plastového granulátu (neizolovaná tyčová elektroda),
• čisté i znečištěné vody v kovových nádržích a betonových jímkách (FEP izolovaná tyčová elektroda),
• měření elektricky vodivých i agresivních těkavých nebo velmi horkých kapalin v potravinářství, chemické a farmaceutickém průmyslu (PFA izolovaná elektroda),
• sypkých materiálů (zeminy, písek, mouka, cement apod.) ve vyšších silech nebo pro měření velkého rozsahu hladin elektricky nevodivých kapalin (neizolovaná nerezová lanová elektroda).

Speciální provedení DINEL CLM-40 slouží pro měření hladiny motorové nafty, olejů a jiných ropných produktů v nákladních automobilech, stavebních a zemědělských strojích, lokomotivách apod.

Příklady provedení elektrod kapacitních hladinoměrů DINEL DLM-35.

Ponorné hydrostatické hladinoměry

Zatímco u všech doposud uvedených typů hladinoměrů byla vždy je alespoň část zařízení nad hladinou, v případě hydrostatických hladinoměrů se celá snímací část musí trvale nacházet pod hladinou. Jejich princip měření totiž využívá přímé závislosti hydrostatického tlaku (p) na výšce sloupce hladiny (h) kapaliny, dle vzorce  p = h*ρ*g, kde konstantami úměrnosti jsou hustota kapaliny (ρ) a gravitační zrychlení země (g). Při změně výšky hladiny h se tak automaticky mění i měřená hodnota tlaku p, která je následně v elektronice snímače opět přepočítána na výšku hladiny.

Moderní hydrostatické hladinoměry jsou kompaktní měřicí zařízení, které obsahující křemíkové tenzometrické čidlo a vyhodnocovací elektroniku v nerezové sondě. Z pouzdra sondy vychází kabel s kapilárou, která slouží k přivedení porovnávacího atmosférického tlaku do sondy. Opačný konec sondy je opatřen nerezovou demontovatelnou krytkou, zabraňující mechanickému poškození membrány.

Velkou výhodou hydrostatické metody je odolnost vůči tvorbě pěny na hladině a hlavně možnost měření výšky hladin až do 100 m, což jiná metoda nedokáže. Mezi hlavní nevýhody, již na první pohled z principu funkce, patří použitelnost pouze na kapaliny (obvykle vodu) a přímá závislost měření na její hustotě (specifické hmotnosti). Při její změně je tak nutné pokaždé provést dodatečnou korekci. Hydrostatické hladinoměry jsou vhodné pro měření výšky hladiny neagresivních kapalin bez hrubých nečistot v beztlakých nádržích, vrtech, studnách, jímkách, vodojemech a bazénech. Vhodnost použití hladinoměru pro měření jiných kapalin než vody je dobré předem vyzkoušet či konzultovat s výrobcem.

Konkrétně lze zmínit například snímače DINEL řady HLM, kterou jsou v závislosti na provedení pouzdra určeny pro spolehlivé měření hladiny vody v otevřených nádržích, vrtech, studnách, jímkách a bazénech s hloubkou až 100 m s přesností od 0,1 do 0,5 m. Dle provedení pouzdra snímače je možné měřit dešťovou, pitnou nebo říční vodu (nerezové pouzdro) nebo mírně znečištěnou či zakalenou vodu (keramické pouzdro).

Příklady provedení hydrostatických hladinoměrů DINEL HLM

Závěrem...

Výška hladiny patří k stále důležitějším veličinám měřeným veličinám moderní výroby i běžného života. Ještě poměrně nedávno se využívalo hlavně na mechanickém plováku založeném měření, byť byl nakonec jeho pohyb převáděn na elektrický signál. Použití plováku je sice velmi jednoduché, ale dlouhodobá přesnost měření není dobrá. Z tohoto důvodu je dnes již výhodné téměř vždy využívat moderní elektrické měření jedním z výše uvedených principů.

 Mezi přední specializované výrobce hladinoměrů, i v celosvětovém kontextu, patří česká firma DINEL s.r.o., jejíž sortiment zahrnuje všechny výše uvedené metody měření a jejiž poskytnuté informace pomohly vzniku tohoto článku. Většina jejich zařízení již v základu obsahuje ovládací část v podobě hlavice s tlačítky a displejem a hlavně digitální komunikaci s nadřazeným systém po sériové sběrnici protokolem Modbus-RTU.

Odkazy:

• Webové stránky specializovaného českého výrobce hladinoměrů - společnosti DINEL s.r.o: http://www.dinel.cz