Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace měření hladiny 2 P-10b-hl ZS 2015/2016 2015 - Ing. Václav Rada, CSc.
Hladinoměry Principy, vlastnosti, použití Jedním ze základních úkolů potřebných pro sledování a řízení celé řady technologických procesů je sledování úrovně hladiny pro potřeby získání informací např. o stavu zásob nebo pro potřeby řídících a regulačních procesů. V prezentaci je využita řada článků z časopisů i ze studijních pomůcek různých škol - zákaz jakéhokoliv kopírování
principy, vlastnosti, použití patří mezi principiálně jednoduché snímače, které mohou spolehlivě pracovat za různých podmínek v celém spektru provozních zařízení. Mají určité podmínky a zásady při použití této metody a navazující metodiky v praxi. V prezentaci je využit článek [*] - zákaz jakéhokoliv kopírování a další publikace.
určují polohu hladiny kapaliny v nádobě měřením hydrostatického tlaku. Hydrostatický tlak p, který je vytvářen tíhovou silou sloupce kapaliny, je úměrný výšce sloupce kapaliny h, hustotě kapaliny ρ a tíhovému zrychlení g platí klasický vztah: p = h * ρ * g
Podle Pascalova zákona působí tlak v kapalině rovnoměrně do všech stran lze použít libovolně orientovaný snímač. Nejvhodnější místo k zabudování snímače je dno nádoby. Nevýhodou je snadné zanesení snímače usazeninami. Proto se snímač zabuduje ve stěně nádoby co nejníže blízko dna, Používají se i závěsné tlakové sondy zavěšené na kabelu a spuštěné dolů ke dnu nádoby. Tím je minimalizováno ovlivnění vlastností i funkce vlastního snímače. Snímače se užívají v provozech chemického, petrochemického, potravinářského a farmaceutického průmyslu i v tepelné energetice.
Hodnota tlaku je ovlivněna těmito třemi faktory: výškou sloupce kapaliny, hustotou kapaliny, tlakem nad hladinou kapaliny.
Výška sloupce kapaliny je požadovaný výstupní údaj hladinoměru. Ovlivnění přesnosti výsledku měření: - změny hustoty - změny tlaku nad hladinou kapaliny Změny hustoty mohou být způsobeny změnami teploty kapalného média nebo změnami jeho složení v průběhu technologického procesu..
. Změny tlaku nad hladinou kapaliny ovlivěny stavem: - nádoba otevřená - nad hladinou kapaliny je atmosférický (barometrický) tlak patm - nádoba uzavřená - hodnota tlaku p 1 je nad hladinou a může se měnit - jak přetlak, tak podtlak - vzhledem k atmosférickému tlaku - užívá se dvojí uspořádání = se snímačem rozdílu tlaků, nebo dva snímače přetlaku - elektronika vypočte rozdíl měřených signálů odpovídající hydrostatickému tlaku kapaliny
Snímačem hydrostatického tlaku může být prakticky libovolný typ s odpovídajícím měřicím rozsahem. V současné době jsou nejčastěji voleny snímače s tenzometrickým nebo kapacitním senzorem tlaku. Tenzometrické čidlo je křemíková membrána s polovodičovými tenzometry (piezorezistory) v můstkovém zapojení..
. Samotným křemíkovým senzorem lze měřit pouze čistý, suchý vzduch nebo jiné neagresivní plyny - v průmyslovém prostředí podmínkách je nutno čidlo chránit kovovou oddělovací membránou. Prostor mezi ní a měřicím prvkem je vyplněn olejem. Oddělovací membrána nesmí neovlivňovat vlastnosti křemíkového čidla. Obvyklý průměr oddělovací membrány o činné ploše asi 2 mm 2 je přibližně 10 mm. Robustní konstrukce snímačů s křemíkovými čidly velmi dobře odolává vibracím a rázům.
Základem kapacitního senzoru je speciální keramická membrána. Na ni jsou naneseny kovové elektrody vytvářející dva deskové kondenzátory, v nichž se při působení tlaku mění kapacita. Keramická membrána misí být vysoce odolná proti vlivům prostředí a musí být chráněna před mechanickým poškozením, Součásti snímače tlaku přicházející do styku s měřeným médiem, jsou vyrobeny z korozivzdorné oceli, popř. z dalších speciálních slitin. Pouzdro snímače je kovové (např. hliníková slitina) nebo z plastu a v požadovaném krytí chránící snímač před vlivy procesního okolí.
Přesnost měření polohy hladiny hydrostatickými hladinoměry je do značné míry ovlivněna změnami hustoty a teploty provozního média. Vliv změn hustoty způsobených změnami teploty lze kompenzovat elektronicky na základě měření teploty. V případech, kdy se mění hustota provozního média z jiných, např. technologických příčin, je možné využít vhodné zapojení - měření používá tři snímače přetlaku s následným elektronickým zpracováním. (tento způsob měření bývá označován jako HTG Hydrostatic Tank Gauge).
Podle aktuální hodnoty hustoty je korigován výpočet hydrostatického tlaku měřeného snímači a vypočte se výška hladiny: p C p B = l * ρ * g ρ = (p C p B )/(l * g) h = [(p B p A )/(p C p B )] )/l
Snímače měří silové účinky hydrostatického tlaku - je třeba eliminovat chyby spojené se změnami hustoty a se změnami teploty média. Tento jev ovšem přináší i jistou výhodu: jestliže hladina v nádrži kolísá vlivem teploty a vlivem teplotní objemové roztažnosti dané kapaliny, hydrostatický snímač nezaznamená kolísání hladiny, ale bude správně měřit konstantní údaj úměrný hmotnosti kapaliny v nádobě.
Nejistota měření se liší v závislosti na případu použití a na druhu měřeného média. Typická hodnota nejistoty je ±0,5 % z měřicího rozsahu; v některých případech lze dosáhnout nejistoty ±0,1 %. Nejistota samotných snímačů tlaku dosahuje hodnot ±0,1 % z měřicího rozsahu, u některých inteligentních snímačů ±0,04 %.
Příklady různých způsobů umístění a připojení snímačů.. POZN.: Přívodní potrubí ke snímačům tlaku je v praxi i v literatuře běžně označováno jako impulzní potrubí, přestože vhodnější výraz by byl signálové potrubí.
Měření hydrostatického tlaku.
Kapacitní senzor
Měření hladiny v otevřené nádobě
Měření hladiny v uzavřené nádobě
Kompenzace vlivu změn hustoty média
Měření v uzavřené nádobě s membránovými oddělovači
Měření ponornou sondou.
a to by bylo k tomuto tématu vše.
VR - ZS 2015/2016