Podstawą automatyki w przemyśle chemicznym i w przemysłach pokrewnych są pomiary parametrów procesów technologicznych i wykorzystanie uzyskanego sygnału do regulacji i sterowania tymi procesami. Artykuł prezentuje wybrane metody pomiaru przepływu i poziomu.

W procesach technologicznych obok pomiarów temperatury i ciśnienia kluczową pozycję zajmują pomiary przepływu i poziomu. Znanych jest wiele metod pomiarowych przepływu w rurociągach instalacji technologicznych w otwartych kanałach gospodarki wodnościekowej i poziomu w zbiornikach technologicznych i magazynowych w przemyśle, energetyce, w oczyszczalniach ścieków.

Rys. 1. Przepływomierz elektromagnetyczny Promag 10D firmy Endress+Hauser

Przepływomierze ultradźwiękowe

W zależności od warunków obiektowych przepływ w rurociągach może być mierzony lub sygnalizowany. Sygnalizatory przepływu mają wyjścia dwustanowe. Zazwyczaj stosowane są do sygnalizacji przekroczenia natężenia przepływu poniżej lub powyżej określonej wartości oraz do jego regulacji. Do pomiaru natężenia przepływu stosowane są różnego rodzaju przepływomierze, które wartość zmierzoną przetwarzają na znormalizowany sygnał analogowy lub cyfrowy proporcjonalny do przepływu. W zależności od pełnionej funkcji i miejsca zainstalowania, mogą być one wyposażone w wyświetlacze LCD lub w wyjścia przekaźnikowe. Do pomiarów przepływu stosowane są przepływomierze o różnych zasadach działania, np. elektromagnetyczne, owalnokołowe, różnicy ciśnień, wirnikowe, turbinowe, kalorymetryczne. Jedną z konstrukcji są przepływomierze ultradźwiękowe.

Rys. 2. Przepływomierz ultradźwiękowy Sonoelis SE 404 firmy Apator Powogaz

Ultradźwiękowe metody pomiaru znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach techniki, m.in. do pomiarów przepływu. Do pomiarów przepływu w rurociągach zamkniętych najczęściej stosuje się dwa rodzaje przepływomierzy ultradźwiękowych. Jedne z nich wykorzystują pomiar czasu przebiegu sygnału w przepływającym medium mierzonym, drugie zaś wykorzystują zjawisko Dopplera.

Rys. 3. Zasada działania przepływomierza elektromagnetycznego do cieczy przewodzących

Pomiaru czasu przebiegu sygnału
Przepływomierze działające na zasadzie pomiaru czasu przebiegu sygnału mierzą różnicę czasu przebiegu dwóch sygnałów dźwiękowych w przepływającym medium w odcinku rurociągu o określonej długości. Jeden sygnał jest wysyłany w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu medium, drugi zaś w kierunku przeciwnym. Prędkość przepływu mierzonego medium wynika z różnicy czasów przebiegu wysłanych sygnałów ultradźwiękowych. Tego rodzaju przepływomierze mogą działać na zasadzie bezpośredniego pomiaru czasu przebiegu dwóch impulsów dźwiękowych, w których informacja o ruchu medium wynika z różnicy czasów tych przebiegów, lub przy użyciu tych samych czujników lecz z natychmiastowym przetworzeniem odbieranych sygnałów na impulsy, których częstotliwość jest proporcjonalna do zmierzonego czasu przebiegu sygnału w przepływającym medium. Ze względu na to, że generowane sygnały wysyłane są w dwóch kierunkach, muszą być również generowane dwie różne częstotliwości. Różnica tych częstotliwości jest proporcjonalna do prędkości przepływu medium.

Pomiar wykorzystujący zjawisko Dopplera
W przepływomierzach wykorzystujących zjawisko Dopplera najczęściej wysyłany jest ciągły sygnał dźwiękowy o stałej częstotliwości. Wnika on do medium pod określonym kątem w stosunku do kierunku przepływu. Cząstki stałe zawarte w płynącym strumieniu, pęcherzyki powietrza lub wiry odbijają ten sygnał, po czym wraca on do odbiornika. Następuje zmiana częstotliwości odbitego sygnału uzależniona od prędkości przepływu medium z zawartymi w nim wtrąceniami (tzw. zjawisko Dopplera). Można powiedzieć, że w przepływomierzach Dopplera wykorzystywane są sygnały przechodzące pomiędzy przetwornikiem i wtrąceniami w płynącym medium, a nie pomiędzy dwoma przetwornikami. Powoduje to, że mamy do czynienia z wiązką odbitych sygnałów o przypadkowym rozkładzie częstotliwości, bowiem dźwięk odbija się od wtrąceń o przypadkowym stanie fizycznym i przypadkowej prędkości przepływu. Po zsumowaniu poszczególnych częstotliwości, do odbiornika dochodzi pojedynczy sygnał o uśrednionej częstotliwości. Różnica częstotliwości wysyłanej i odbieranej fali dźwiękowej jest proporcjonalna do prędkości ruchu wtrąceń, a zatem do prędkości przepływu medium.

Rys. 4. Sygnalizator pływakowy firmy Kari

Możliwości pomiaru
Przepływomierze ultradźwiękowe na ogół umożliwiają:
• pomiar przepływu objętościowego w standardowych jednostkach objętości,
• zliczanie objętości,
• pomiar przepływu masowego w standardowych jednostkach masy,
• zliczanie masy,
• pomiar prędkości fali dźwiękowej w ośrodku.
Pomiar jest niezależny od zmian temperatury cieczy, jej gęstości, ciśnienia i przewodności elektrycznej.

Rys. 5. Zasada działania magnetostrykcyjnego przetwornika poziomu

Przepływomierze elektromagnetyczne

Zasada działania przepływomierzy elektromagnetycznych (rys. 3) polega na pomiarze siły elektromotorycznej indukowanej zgodnie z prawem Faradaya w cieczy przewodzącej przepływającej w zmiennym polu magnetycznym elektromagnesu zasilanego napięciem wolnozmiennym. Między elektrodami umieszczonymi na drodze przepływającej cieczy powstaje napięcie określone wzorem:
U = k x B x L x V
gdzie:
k – stała głowicy pomiarowej,
B – indukcja magnetyczna,
L – odległość między elektrodami,
V – prędkość przepływu cieczy.
Napięcie to jest próbkowane i przetwarzane na sygnał wyjściowy analogowy lub cyfrowy proporcjonalny do prędkości przepływu cieczy. Obróbka sygnału pomiarowego pozwala na: eliminację zakłóceń częstotliwości sieciowej i jej harmonicznych, autokompensację dryftu zera, niską amplitudę napięcia zasilającego głowicę i mały pobór mocy. Przepływomierz nie zawiera wewnętrznych części mechanicznych, co pozwala na niezakłócony przepływ mierzonego medium pełnym przekrojem rurociągu. Pomiar przepływu jest niezależny od:
• ciśnienia cieczy,
• lepkości, gęstości,
• temperatury,
• przewodności elektrycznej (powyżej wartości minimalnej).
Głowicę pomiarową stanowi zazwyczaj odcinek rury stalowej wyłożonej wewnątrz wykładziną izolacyjną, np. PCW, gumą lub ceramiką. Na wewnętrznej powierzchni wykładziny umieszczone są elektrody pomiarowe. Na zewnątrz rury umieszczone są bieguny elektromagnesu. Elektrody pomiarowe połączone są z przetwornikiem, zaś zaciski uzwojenia elektromagnesu z zasilaniem. Przetwornik przepływomierza elektromagnetycznego zazwyczaj składa się ze wzmacniacza sygnału, układu eliminującego zakłócenia i dryft zera, układu detekcji przepływu wstecznego i przetwornika. Część cyfrowa przetwornika oddzielona jest galwanicznie od pozostałych obwodów; zawiera ona specjalizowany mikroprocesor wyposażony w zegar czasu rzeczywistego RTC, nieulotną pamięć statyczną oraz układy programowalne. Podstawowe funkcje części cyfrowej to:
• przetwarzanie sygnału cyfrowego na wielkości proporcjonalne do przepływu,
• zliczanie przepływu przez dwa liczniki w dwóch kierunkach,
• zachowanie nastaw, stanu liczników i informacji w czasie pracy,
• sterowanie wyjściami.

Rys. 6. Magnetostrykcyjny czujnik poziomu Torrix firmy Fafnir

Czteroprzyciskowa klawiatura umożliwia przeglądanie wskazań na wyświetlaczu LCD i wprowadzanie nastaw. Wyświetlacz LCD standardowo wskazuje przepływ chwilowy i stan jednego z liczników. Wyjścia umożliwiają współpracę z układami automatyki. Ponadto przetwornik może być wyposażony w sygnalizację „pustej rury”.
Przepływomierze elektromagnetyczne produkowane są w dwóch rodzajach budowy: kompaktowej i rozdzielnej. Przepływomierze w wersji kompaktowej mają przetwornik umieszczony na czujniku pomiarowym, co daje możliwość odczytu wartości mierzonej bezpośrednio w miejscu pomiaru. Przepływomierze w wersji rozdzielnej mogą mieć przetwornik umieszczony w dowolnej odległości od czujnika pomiarowego, co daje możliwość zdalnego odczytu zmierzonej wartości i jej regulacji.
Przepływomierze elektromagnetyczne przeznaczone są do dwukierunkowego pomiaru przepływu cieczy czystych i zanieczyszczonych, agresywnych i obojętnych chemicznie oraz mieszanin i pulp przewodzących prąd elektryczny, np. wody w rurociągach zamkniętych i kanałach otwartych. Przewodność elektryczna mierzonego medium przy pomiarach standardowych i specjalizowanych jest określana przez wytwórcę urządzenia. Przepływomierze elektromagnetyczne znajdują zastosowanie m.in. w przemyśle chemicznym, spożywczym, petrochemicznym w gospodarce wodno ściekowej, energetyce.

Rys. 7. Ultardźwiękowy czujnik poziomu
MIC+ 340 firmy Microsonic

Pomiary poziomu

W zakresie urządzeń do pomiaru poziomu oferowane są m.in.:
• sygnalizatory poziomu,
• regulatory poziomu,
• magnetostrykcyjne przetworniki poziomu,
• hydrostatyczne sondy głębokości do pomiarów poziomu cieczy w zbiornikach, studniach głębinowych, poziomu ścieków itp.,
• ultradźwiękowe mierniki do ciągłego, bezkontaktowego pomiaru poziomu w zbiornikach otwartych i zamkniętych,
• pojemnościowe czujniki poziomu do ciągłego pomiaru poziomu cieczy oraz materiałów sypkich w studniach, zbiornikach, zasobnikach silosach itp.

Pływakowe regulatory poziomu
Pływakowe, dwustanowe sygnalizatory poziomu (rys. 4) mogą być stosowane do regulacji poziomu cieczy, np. wody, kwasów, zasad, olejów ścieków, szlamów, sygnalizacji alarmowej maksimum/minimum i do bezpośredniego sterowania pompą w zbiornikach zamkniętych, otwartych i ciśnieniowych. W zależności od wykonania mogą pracować w cieczach agresywnych.

Magnetostrykcyjne przetworniki poziomu
Miernik tego typu składa się z sondy pomiarowej z rozciągniętą struną metalową i z pływaka z magnesem (rys. 5 i 6), który porusza się pionowo wzdłuż sondy. Połączony ze struną przetwornik elektroniczny generuje impuls ultradźwiękowy, który przemieszcza się wzdłuż struny, albo do jej końca, albo do punktu, w którym natrafi na zmianę parametrów struny. Takim punktem jest miejsce, w którym znajduje się pływak z magnesem wytwarzającym pole magnetyczne, od którego odbije się impuls. Powracający sygnał pomiarowy jest przetwarzany w przetworniku na sygnał znormalizowany analogowy 4…20 mA lub na sygnał cyfrowy HART. Sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do czasu pomiędzy emisją i odbiorem impulsu pomiarowego.

Ultradźwiękowe mierniki poziomu
Ultradźwiękowe mierniki poziomu i objętości (sondy ultradźwiękowe) działają na zasadzie pomiaru czasu między wysłaniem impulsu pomiarowego i odebraniem echa. Czas ten jest przetwarzany przez przetwornik elektroniczny sondy na sygnał wyjściowy. Mogą one mierzyć poziom i objętość większości cieczy i pulp (mas gęsto-płynnych) w zbiornikach otwartych i zamkniętych, w zbiornikach magazynowych i w prostych zbiornikach procesowych. Są głównie przeznaczone do stosowania w przemyśle chemicznym i w gospodarce wodno-ściekowej. Podczas pomiaru sonda nie ma bezpośredniego kontaktu z mierzonym medium, co umożliwia pomiar poziomu również cieczy zanieczyszczonych z zawiesinami. Sonda ultradźwiękowa może być wykorzystywana jako element składowy układu do pomiaru przepływu cieczy w kanałach otwartych.
Przetworniki ultradźwiękowe są wyposażane w zintegrowane wewnętrzne czujniki temperatury służące do kompensacji zmian temperatury otoczenia. Elektronika miernika, przetwarzając odbite impulsy potrafi je zidentyfikować i oddzielić od fałszywego echa pochodzącego od mieszadeł, zakłóceń elektrycznych, akustycznych itp. Sondę ultradźwiękową należy instalować nad powierzchnią mierzonej cieczy, prostopadle do tej powierzchni. Kondensacja pary wodnej na głowicy pomiarowej, spieniona lub falująca powierzchnia mierzonego medium negatywnie wpływają na wynik pomiaru, a nawet mogą go uniemożliwić.

Pojemnościowe czujniki poziomu
Do pomiarów wielkości fizycznych metodami pojemnościowymi wykorzystywane są zmiany pola elektrycznego między okładzinami kondensatora. Elementem pomiarowym jest czujnik pojemnościowy, charakteryzujący się wysoką dokładnością, przeciążalnością, stabilnością długoterminową oraz krótkim czasem odpowiedzi. Kondensator może mieć formę sondy stanowiącej tylko jedną okładzinę, np. przy pomiarach poziomu. Przy pojemnościowym pomiarze poziomu jedną elektrodę kondensatora stanowi izolowana lub nieizolowana sonda czujnika, drugą zaś metalowa ścianka zbiornika, a w przypadku zbiorników z tworzyw nieprzewodzących, sonda pomocnicza w postaci pręta umieszczonego w pobliżu sondy pomiarowej i do niej równoległego lub rury umieszczonej koncentrycznie wokół sondy pomiarowej. Dielektrykiem między okładzinami tak utworzonego kondensatora jest medium w zbiorniku, gaz ponad poziomem medium i ewentualnie izolacja sondy pomiarowej. Zmiana poziomu mierzonego medium powoduje zmianę pojemności kondensatora i wraz z nią zmianę jego impedancji. Zmiana impedancji kondensatora przetwarzana jest na sygnał elektryczny. Do pomiaru poziomu cieczy przewodzących stosowane są sondy izolowane, zaś do pomiaru poziomu cieczy nieprzewodzących sondy nieizolowane.

Rys. 8. Sonda pojemnościowa Vegacal 69 firmy Vega do pomiaru poziomu cieczy agresywnych

Ze względu na to, że względna stała dielektryczna i gęstość mierzonego medium nie są zazwyczaj znane, po zainstalowaniu, miernik poziomu musi być indywidualnie kalibrowany w normalnych warunkach pracy zbiornika. Względna stała dielektryczna cieczy i materiałów sypkich zawiera się w przedziale 1 do 80, ale zazwyczaj wynosi poniżej 10. Roztwory wodne i materiały wilgotne mają względną stałą dielektryczną w przedziale 10 do 80. Przy pomiarach poziomu miernikiem pojemnościowym trzeba brać pod uwagę zależność stałej dielektrycznej materiałów jednorodnych od ich temperatury. Natomiast stała dielektryczna materiałów niejednorodnych zależy nie tylko od temperatury, ale również od proporcji poszczególnych składników. W większości materiałów względna stała dielektryczna wzrasta proporcjonalnie do wzrostu ich temperatury. Jednym z wyjątków od tej reguły są tworzywa sztuczne, których stała dielektryczna zachowuje stałą wartość do pewnej temperatury granicznej, a po jej przekroczeniu gwałtownie wzrasta. Pomiar poziomu oparty na pomiarze zmian pojemności jest możliwy tylko wtedy, gdy względna stała dielektryczna jest większa od 1,5.
Ze wzglądu na budowę i parametry techniczne, sondy pojemnościowe stosuje się do pomiaru poziomu cieczy i materiałów sypkich o małej granulacji w temperaturach do 200^oC oraz w zbiornikach ciśnieniowych. Czujniki pojemnościowe nie wymagają konserwacji, nie zużywają się, dają bardzo wyraźne impulsy bez iskrzenia i drgań zestyków.

Hydrostatyczne sondy głębokości
Hydrostatyczne sondy głębokości (rys. 9 i 10) są przeznaczone do pomiaru poziomu cieczy czystych, zabrudzonych, ścieków, cieczy zawierających zawiesiny i podobnych. Mogą być stosowane w szerokim zakresie pomiarów poziomu i głębokości w zbiornikach, studniach itp. Charakteryzują się dokładnością, stabilnością długoterminową, wysoką przeciążalnością oraz krótkim czasem odpowiedzi. Sonda wyposażona jest w membranę czołową ułatwiającą czyszczenie.

Rys. 9. Zasada działania hydrostatycznego miernika poziomu

Sondy hydrostatyczne działają na zasadzie prostej zależności między wysokością słupa cieczy, a wywołanym ciśnieniem hydrostatycznym. Pomiar polega zatem na zmierzeniu różnicy ciśnień między ciśnieniem hydrostatycznym w miejscu wykonywania pomiaru, a ciśnieniem atmosferycznym mierzonym przez kapilarę umieszczoną w przewodzie połączeniowym.

Rys. 10. Hydrostatyczna sonda głębokości
CPA-320 firmy Simex

Elementem pomiarowym jest piezorezystancyjny czujnik krzemowy oddzielony od medium przez membranę separującą. Wzmacniacz elektroniczny współpracujący z czujnikiem standaryzuje sygnał. W pomiarach poziomu cieczy w zbiornikach zamkniętych, tam gdzie konieczne jest zastosowanie separatorów membranowych, a punkty poboru impulsów ciśnienia mogą być od siebie oddalone, szeroko wykorzystywane są przetworniki różnicy ciśnień. Typowym zastosowaniem są hydrostatyczne pomiary poziomu w zbiornikach zamkniętych, gęstości i granicy fazy.
Połączenie przewodu łączącego sondę z systemem automatyki powinno być wykonane w szczelnej puszce. Sondy hydrostatyczne wyposażane są w układy mikroprocesorowe przetwarzające sygnały pomiarowe na sygnał analogowy lub cyfrowy. Zapewniają one wysoką dokładność i stabilność pomiaru oraz możliwość zawężenia zakresu pomiarowego. Sondy mogą być wyposażone w wyświetlacz LED wskazujący aktualną wartość mierzoną. Wyświetlacz umożliwia ustawienie zakresu wskazań, wprowadzenie linearyzacji użytkownika.
Poza wymienionymi urządzeniami na rynku oferowane są różnego typu przyrządy do pomiarów poziomu.

Michał Świerżewski
Opracowano na podstawie
materiałów firmowych