Výška hladiny kapaliny v nádobě patří mezi základní snímané a regulované parametry v oblasti MaR. Hydrostatické snímače či senzory umožňují spojitě měřit výšku hladiny prakticky od několika desítek cm až po stovky m, např. 300 m. Lze s nimi měřit kapaliny různých teplot i různých viskozit, např. studené i teplé, vodu, olej i benzín.

Výška hladiny kapaliny v nádobě patří mezi základní snímané a regulované parametry v oblasti MaR. Existuje moc principů a senzorů, kterými lze úroveň hladiny měřit. Pokud je však nutné spojitě měřit a regulovat výšku hladiny čistých i špinavých, studených i horkých kapalin v otevřených nebo uzavřených nádobách, jsou hydrostatické hladinové snímače velmi dobrou volbou. Tyto senzory jsou prakticky upravené snímače tlaku, které místo měření tlaku plynu (vzduchu) měří hydrostatický tlak kapaliny (vody). Proto jsou vždy ponořeny pod hladinou, nejčastěji umístěné na dně nebo ve stěně u dna nádoby.

Vlastnosti

Hydrostatická metoda měření výšky hladiny přináší následující výhody:

• snímače neobsahují pohyblivé části (jako např. plováky)
• měření neovlivňují páry ani pěny nad hladinou nebo na hladině; nevadí ani kal u dna nebo vznik vrstev kapaliny o různé hustotě
• rozsah měření výšky hladiny je směrem nahoru v podstatě neomezený
• může být použita při měření hladiny silně viskózních nebo znečištěných kapalin, dokonce i agresivních chemikálií
• snímače mohou být vyrobeny v provedení určeném pro aseptické nebo čistitelné provozy (sanitovatelné provedení)

• měřit lze i hladiny kapalin o vysoké teplotě (do 400 °C)
• chyba měření typ. 0,1 až 1% z rozsahu (tj. např. 1 mm na 10 m rozsahu)

Použití

• Měření výšky hladiny
• Čističky odpadních vod, úpravny vod
• Měření hladiny ve studních a v otevřených nádržích
• Monitoring spodních vod
• Měření hladiny na vodních tocích, přehradních nádržích
• Chemický průmysl
• Lékařská technika
• Farmaceutický průmysl
• Vyrovnávací nádrže
• Nádrže s palivem a oleji
• Nádrže užitkové a odpadní vody
• Měření mořské vody
• Lodní stavitelství
• atd.

Princip a struktura

Nezávisle na níže uvedených rozděleních, pracují všechny hydrostatické snímače/senzory výšky hladiny na stejném principu, tj. na měření hydrostatického tlaku, který na stěny nádoby, potažmo i na snímač, vyvíjí tíha sloupce vody. Prakticky jde o modifikované klasické snímače tlaku, které převádějí tlak působící na snímací membránu (sílu způsobující průhyb membrány) na elektrický analogový nebo digitální signál. Protože se tlak mění úměrně s výškou hladiny, je měření plynulé a kontinuální a tedy vhodné i pro přesnou PID regulaci.

 

Měřená výška hladiny h se tedy vyhodnocuje z hydrostatického tlaku p sloupce kapaliny v nádrži, dle základní fyzikálního vzorce: Z rovnice vyplývá, že výsledek měření závisí na hustotě kapaliny ρ a tedy přeneseně i na teplotě kapaliny. Tyto dvě závislosti pak v praxi mohou být hlavním zdrojem chyby měření. Proměnná g je konstanta tíhového zrychlení.

Hydrostatické snímače lze podle charakteru měření tlaku rozdělit na:

• snímače pro otevřené, resp. odvětrané nádoby, které měří hydrostatický tlak jako přetlak proti atmosféře
• snímače pro uzavřené neboli tlakové nádoby, které pracují jako diferenční, tj. měří rozdíl mezi tlakem u dna nádoby a tlakem nad hladinou.

První skupina je logicky na realizaci jednodušší a tedy i cenově levnější řešení.

I v závislosti na výše uvedeném rozdělení, se podle uspořádání snímače a podle způsobu montáže hydrostatické snímače rozdělují do několika následujících skupin:

• Ponorné závěsné sondy reprezentují nejjednodušší uspořádání hydrostatického snímače. Vyznačují se malými rozměry a snadnou montáží, zpravidla jsou zavěšeny na kabelu u dna nádoby. Vnitřní prostor sondy je odvětrán do atmosféry pomocí duté žíly v přívodním kabelu. 

• Vestavné hydrostatické senzory s membránovým oddělovačem se obvykle montují do stěny nádoby. Tělo převodníku se nachází vně nádoby a je odvětráno do atmosféry.

• Diferenční snímače, tj. snímače rozdílu tlaku, připojené přes potrubí nebo prostřednictvím kapilár se používají zejména u tlakových nádob. Snímač bývá umístěn pod úrovní minimální hladiny. Potrubí, které přivádí tlak z horní části nádoby.

• Čidlo tlaku umístěné nad hladinou - hladinový spínač používaný v automatických pračkách. Čidlo tlaku je umístěno nad úrovní maximální hladiny a měří tlak vzduchu a par v uzavřeném objemu V. Vztah mezi tlakem p a úrovní hladiny h závisí mj. i na vnitřním objemu snímače. Toto řešení je vhodné tam, kde jsou malé nároky na přesnost.

Co se týče samotné konstrukce snímací části senzoru, tj. převodníku hydrostatického tlaku vody na elektrický signál, v zásadě se výrobci snaží používat stejné nebo podobné struktury jako u svých nabízených klasických senzorech tlaku. Obvyklé jsou dvě nejvíce prověřené a spolehlivé konstrukce: Snímače s tenzometrickým snímáním prohnutí membrány - využívá se zde klasické funkce tenzometrů, tj. změny odporu při mechanické změně rozměrů. Tenzometry jsou dnes již miniaturní křemíkové a přímo implantované na křemíkové snímací membráně. Snímače s kapacitním snímáním prohnutí membrány - využívá se zde změny kapacity způsobené různou šířkou vzduchové mezery mezi snímací membránou (elektrodou) a pevnou elektrodou. Nezávisle na principu snímání, je vždy přítomna snímací membrána, jejíž průhyb je přímo úměrný působícímu tlaku vody a tedy přes výše uvedený vztah i měřené výšce hladiny kapaliny.

Příklady dostupných snímačů na trhu

Výrobců hydrostatických snímačů výšky hladiny kapaliny je celosvětově mnoho a i na českém trhu jich lze nalézt pěknou řádku. V následující stručné ukázce určené spíše pro představu, jak v reálu takové senzory vypadají a co lze zhruba od nich očekávat, jsem vybral dva české výrobce:

Hydrostatické senzory firmy BD Sensors s.r.o

LMP 308 - Nerezová ponorná sonda výšky hladiny je určena ke kontinuálnímu měření výšky hladiny kapalin slučitelných s nerezovou ocelí. Polovodičový tenzometr s nerezovou oddělovací membránou Jmenovité rozsahy: od 0 ... 1 m v.s. do 0 ... 250 m v.s. (0 ... 100 mbar do 0 ... 25 bar) Největší průměr: 35 mm Výstupní signál / napájení: 2-vodič 4 ... 20 mA / UB = 12 ... 36 V DC

 

LMP 808 - Plastová ponorná sonda výšky hladiny je určena ke kontinuálnímu měření výšky hladiny kapalin slučitelných s nerezovou ocelí. Polovodičový tenzometr s nerezovou oddělovací membránou. Jmenovité rozsahy: od 0 ... 1 m v.s. do 0 ... 100m v.s. (0 ... 100 mbar do 0 ... 10 bar) Největší průměr: 35 mm Výstupní signál / napájení: 2-vodič: 4 ... 20 mA / UB = 12 ... 36 VDC 3-vodič: 0 ... 20 mA / UB = 14 ... 36 VDC, 0 ... 10 V / UB = 14 ... 36 VDC

 

LMK 351 - Vestavná sonda LMK 351 byla navržena speciálně pro procesní měřící techniku a pro měření výšky hladiny. Ke snímání je použit kapacitní keramický senzor s čelní membránou a bez olejové náplně s vysokou odolností proti agresivním mediím jako jsou kyseliny a louhy. Jmenovité rozsahy: od 0 ... 40 mbar do 0 ... 10 bar (0 … 40 cm v.s. do 0 ... 100 m v.s.) Největší průměr: 60 mm Výstupní signál / napájení: 2-vodič: 4 ... 20 mA / UB = 9 ... 36 VDC 3-vodič: 0 ... 10 V / UB = 14 ... 36 VDC

 

LMK 457 - Snímač výšky hladiny LMK 457 byl vyvinut speciálně pro aplikace v lodních výstrojích. Snímače jsou určeny pro měření výšky hladiny kapalných až pastovitých médií v otevřených nádržích. Mechanicky robustní a přitom citlivý kapacitní senzor zaručuje přesné měření již nízkých úrovní hladiny.Ponorné nebo přírubové provedení Jmenovité rozsahy: od 0 ... 40 cmvs do 0 … 200 mvs (0 ... 40 mbar do 0 ... 20 bar) Největší průměr: 40 mm Výstupní signál / napájení: 4 ... 20 mA / UB = 9 ... 32 VDC

Hydrostatické senzory firmy DataCon s.r.o

„SMART“ PONORNÝ SNÍMAČ HLADINY typ DC I PL 4x - je určen k přesnému měření stavu hladiny v průmyslových provozech, vody v nádržích, studnách, vrtech, přehradách, jezerech, vodních tocích, čistírnách odpadních vod a jinde. Snímač je vybaven závažím pro snadnější montáž v úzkém vrtu. Tomu též odpovídá vnější průměr kompaktního snímače, který je 32 mm. Ponorný snímač je zavěšen přímo na kabelu s nosným lankem a referenční kapilárou. Vestavěný polovodičový piezorezistivní senzor převádí hydrostatický tlak na elektrický signál. Uvnitř pouzdra snímače je mikropočítačový převodník, který nejprve převede signál z čidla na číslo, provede všechny potřebné přepočty a korekce parametrů a nakonec opět převede signál na požadovaný tvar. Snímače jsou vyráběny ve standardním provedení se sériovým rozhraním RS 485 a s proudovou smyčkou s komunikačním protokolem HART.

• Měřicí rozsahy: od 0 až 1 m vod. sloupce do 0 až 100 m (200 m) vod. sloupce
• Přesnost: 0.1 %; (0.05 %)
• Napájení: 24 V DC (ev. 9; 12 V DC podle typu převodníku)
• Výstupní signál: sériová linka RS 485, protokol HART , ADAM- ADVANTECH, ev. jiný
• Krytí: IP 68
• Teplota měřeného media: - 30 °C až + 60 °C

 

SNÍMAČ HLADINY DO STĚNY NÁDRŽE typ DC P PG 3 - je určen k měření výšky hladiny v otevřených nebo uzavřených beztlakých nádržích, jímkách, vodojemech, výpustích přehrad aj. Snímač hladiny se montuje na přírubu do dna, stěny nebo výpustného potrubí nádrže a vestavěný senzor převádí hydrostatický tlak na elektrický signál. Uvnitř pouzdra snímače je převodník na unifikovaný elektrický výstupní signál ve dvouvodičovém, třívodičovém nebo čtyřvodičovém zapojení.

• Měřicí rozsahy: od 0 až 0.1 m vod. sloupce do 0 až 60 m vod. sloupce
• Přesnost: 0.6 %; 0.4 %; 0.25 %
• Přetížitelnost: min. 150 %
• Napájení: 24 V DC (7.5 až 36 V, podle typu převodníku)
• Výstupní signál: 0 až 20 mV; 0 až 40 mV; 0 až 5 V; 0 až 10 V; 1 až 5 V; 2 až 10 V; 0 až 20 mA; 4 až 20 mA
• Krytí: IP 54; IP 65; IP 67; (IP 68)
• Šroubení (tlak.vstup): příruba nebo příruba s vysunutou membránou
• Teplota měřeného media: - 30 °C až + 80 °C

Závěr

V tomto článku jsem chtěl zhruba představit a poukázat na hydrostatické snímače úrovně hladiny, které jsou sice jen jednou z mnoha skupin a principů "hladinoměrů" na celosvětovém i českém trhu, ale jde o vcelku spolehlivý systém, jak spojitě měřit výšku hladiny téměř libovolné kapaliny. Možná pod propagací novějších technologií využívající ultrazvuk, optické systémy nebo elektromagnetické pole, jsou hydrostatické tlakové snímače trošku "mediálně" ve stínu. Ale i zde postupuje vývoj a dnešní sondy včetně kompenzací a elektroniky jsou uzavřeny v malém odolném nerezovém, plastovém nebo keramickém pouzdru a není nic jednoduššího než například ponorný senzor spustit pod hladinu a už je možné měřit a detekovat. Pro bližší informace o technických parametrech senzorů a jejich použití a instalaci odkazuji na níže uvedené stránky výrobců, kde najdete nejen podrobné datasheety zde ukázaných senzorů, ale i mnoho dalších typů a variant.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránka českého výrobce hladinových senzorů, firmy BD Sensors s.r.o - www.bdsensors.cz
• Stránka českého výrobce hladinových senzorů, firmy DataCon s.r.o - www.datacon.cz

• Stránky českého distributora americké firmy Omega, výrobce různých senzorů - www.omegaeng.cz
• Článek o hydrostatických snímačích úrovně hladiny - www.bhvsenzory.cz/texty/au050306.html
• Karel Kadlec: "Snímače polohy hladiny – principy, vlastnosti a použití", AUTOMA 5/2005  
• Další články týkající se senzorů najdete na serveru automatizace.HW.cz