Pomiar poziomu materiałów sypkich. Metody i urządzenia

Wyróżniamy wiele metod pomiaru poziomu materiałów sypkich, ale wszystkie można podzielić na metody kontaktowe i bezkontaktowe.

Metody kontaktowe

W przypadku pomiaru kontaktowego mierzony surowiec, znajdujący się w zbiorniku, ma bezpośredni kontakt z urządzeniem pomiarowym opuszczanym na linie. Metody kontaktowe stosowane są podczas pomiarów materiałów o małej granulacji. Wówczas są stosowane sondy elektromechaniczne, pojemnościowe, a także sondy mikrofalowe z falowodem.

Sondy elektromechaniczne

Pomiar za pomocą sondy elektromechanicznej polega na badaniu poziomu w zbiorniku z użyciem ciężarka, umieszczonego na końcu liny rozwijanej i zwijanej na bębnie. Specjalny układ elektroniczny wykrywa moment, w którym ciężarek osiada na powierzchni medium i przelicza liczbę obrotów bębna na aktualny poziom substancji w zbiorniku. Po wykryciu poziomu następuje zwinięcie linki lub taśmy na bęben. Pomiar uruchamiany jest cyklicznie, w stałych odstępach czasu, lub przez podanie sygnału do układu sterującego.
Obecnie urządzenia te są zastępowane metodami radarowymi. Sondy elektromechaniczne były do połowy lat 90. ubiegłego wieku traktowane jako standard przy pomiarach poziomu cementu, wapna czy popiołu w wysokich silosach. Do ich zalet należy zaliczyć całkowitą niewrażliwość na zapylenie w zbiorniku oraz praktycznie nieograniczony zakres pomiarowy (nawet do 70 m). Po przełomie w zakresie techniki mikrofalowej sondy te zostały wyparte przez inne rozwiązania, które obnażyły ich wady. Precyzyjne układy elektroniczne sond elektromechanicznych są kosztowne i wymagają okresowych zabiegów konserwacyjnych. Największym problemem jest w ich przypadku pył, który dostaje się do wnętrza komory bębna za pośrednictwem oblepionej nim linki pomiarowej. Powoduje to, że sonda wymaga czyszczenia komory bębna, okresowej wymiany elementów napędowych oraz samej linki. Dodatkowym problemem jest ryzyko, że ciężarek sondy zostanie przypadkowo zasypany przez obsuwający się materiał. W takim przypadku może nastąpić poważne uszkodzenie mechaniczne sondy, łącznie z zerwaniem linki.
Utrudnione są także pomiary w zbiornikach napełnianych pneumatycznie – w ich przypadku proces pomiarowy może zostać zapoczątkowany dopiero po wyłączeniu pompy, ponieważ mieszająca się wraz z masami powietrza linka z ciężarkiem może łatwo zahaczyć o elementy wewnętrzne zbiornika, np. o drabinki rewizyjne. Obecnie sondy elektromechaniczne są wymienianie na inne, odporniejsze i tańsze urządzenia bezkontaktowe.

Sondy pojemnościowe

Metoda pomiaru za pomocą sondy pojemnościowej polega na określaniu pojemności elektrycznej między elektrodą kablową a ścianą zbiornika. Ponieważ wzrost pojemności jest ściśle powiązany ze stałą dielektryczną materiału sypkiego, konieczna jest kalibracja urządzenia pomiarowego, polegająca na zasymulowaniu dwóch poziomów w zbiorniku (producenci zalecają, aby różnica poziomów nie była mniejsza niż 50 proc.). Warunkiem pracy sondy jest brak kontaktu elektrody ze ścianą lub dnem zbiornika.
Sondy pojemnościowe są rozwiązaniem ekonomicznym, szczególnie w przypadku, gdy dokładność pomiaru nie jest bardzo istotna. Oblepienie liny nie stanowi w tym przypadku problemu, powoduje jedynie minimalne zawyżenie wskazań. Dokładność metody pojemnościowej pomiaru wynosi kilka procent, co jest spowodowane zmianą wilgotności materiału. Przykładowo stała dielektryczna cementu oraz wapna kształtuje się na poziomie 2–5, podczas gdy wody – aż 80. Tak więc stabilność wilgotności materiału jest istotnym warunkiem poprawności pomiaru. Dużym utrudnieniem jest konieczność kalibracji, co przy wielkich silosach powoduje, że czas oczekiwania związany z napełnieniem lub opróżnieniem zbiornika może wynosić nawet kilka tygodni. Sonda nie nadaje się natomiast do pomiaru poziomów materiałów sypkich o większej granulacji, gdyż grożą one uszkodzeniem liny.

Metody bezkontaktowe

W metodach bezkontaktowych stosowane są urządzenia pomiarowe ultradźwiękowe lub radarowe. Dodatkowo stosowane są pomiary urządzeniami izotopowymi i laserowymi.

Metoda ultradźwiękowa

Pomiar metodą ultradźwiękową polega na tym, że nadajnik wysyła falę ultradźwiękową, która po odbiciu od powierzchni produktu dociera do odbiornika. Mierząc czas potrzebny na pokonanie drogi, czyli czas przelotu wiązki, oraz mnożąc go przez prędkość propagacji fali, przetwornik określa odległość między nadajnikiem a powierzchnią medium. Po uwzględnieniu wysokości zbiornika mikroprocesor oblicza rzeczywisty poziom produktu, który jest w nim zgromadzony.
Metoda ta umożliwia dokonanie pomiaru poziomu materiałów sypkich o dowolnej granulacji, a także pomiar grubości warstwy materiału na taśmociągach czy przesypach. Sonda ultradźwiękowa jest urządzeniem bardzo trwałym w eksploatacji. Podczas stosowania metody ultradźwiękowej konieczna jest kompensacja błędu od temperatury.
Poważnym problemem jest silne tłumienie fali w czasie pneumatycznego napełniania zbiornika. Innym problemem są powstające stożki i leje w zbiornikach, które przyczyniają się do rozpraszania sygnału. W przypadku metody ultradźwiękowej wysyłana jest fala, którą trudno ukierunkować, ze względu na kąt propagacji, wynoszący około 9°. Jeżeli mamy do czynienia z coraz większą odległością w zbiorniku, to jednocześnie zwiększa się szerokość wiązki. Jeżeli pomiar jest wykonywany w zbiorniku zamkniętym, należy wziąć pod uwagę to zjawisko, gdyż wiązka może odbić się od przeszkody a nie od mierzonego surowca.
W przypadku dokonywania pomiaru np. w zbiornikach z cementem sonda może nie odebrać sygnału odbitego z powodu przeszkód zakłócających wiązkę i wówczas pomiar będzie nieprawidłowy. W celu zabezpieczenia zbiorników przed przepełnieniem stosowane są sygnalizatory wibracyjne lub pojemnościowe.
Podczas pomiarów w małych zbiornikach istotnym problemem jest strefa martwa, oznaczająca minimalny dystans między głowicą a poziomem, którego przekroczenie może spowodować wskazanie przez sondę echa wielokrotnego. Wówczas zostaje zaniżony wynik pomiaru, np. sonda o zakresie 15 m ma strefę martwą 80 cm. Najczęściej sondy ultradźwiękowe wskazane są w zbiornikach napełnianych węglem, piaskiem, kamieniem itp.

Metoda radarowa

Radarowe przetworniki poziomu są sprawdzonymi przyrządami w przemyśle chemicznym i petrochemicznym, ale od lat 90. stosuje się je również do pomiaru poziomu materiałów sypkich. Zasada działania bazuje na pomiarze czasu przelotu impulsów mikrofalowych (o częstotliwości 6–78 GHz), emitowanych przez antenę i odbijanych od powierzchni produktu na skutek zmiany impedancji falowej.
W wyniku rozwoju techniki mikrofalowej już kilkanaście lat temu pojawiły się sondy radarowe do pomiarów materiałów sypkich. Mają one sygnał silniejszy o 30 dB niż ich odpowiedniki, przeznaczone do pomiarów cieczy. Najnowsze radary produkowane są w wersji dwuprzewodowej i mają zakres pomiarowy do 100 m oraz kąt wiązki wynoszący zaledwie 4°.
Bardzo ważną zaletą technologii radarowej jest to, że na propagację mikrofal nie wpływa zapylenie. W praktyce ma to ogromny wpływ na uzyskanie wiarygodnego pomiaru poziomu materiałów sypkich, nawet w środowiskach o ekstremalnie wysokim stężeniu pyłu. W zależności od warunków pewna ilość pyłu mimo wszystko będzie odkładać się na czujniku, jednak to, czy wpłynie to na precyzję pomiaru zależy od wilgotności oblepienia. Dlatego obecnie stosowanych jest wiele osłon z różnych materiałów, zapobiegających nadmiernemu zabrudzeniu systemów antenowych. Na rynku dostępne są ochronne pokrywy wykonane z PP lub PTFE, a także elastyczne osłony materiałowe lub pneumatyczne układy czyszczenia.
Radary są również jedyną uniwersalną metodą pomiarową, która w praktyce może zastąpić większość wcześniej omawianych. Dodatkowo ten sam przyrząd może być stosowany do pomiaru cieczy i materiałów sypkich, co znacznie redukuje koszty magazynowania części zapasowych i ułatwia serwis. Sondy radarowe mogą pracować w temperaturze do 200 °C, a niektóre z nich nawet do 400 °C. Moc radarów impulsowych jest wciąż poniżej dopuszczalnych limitów, co powoduje, że urządzenie może być stosowane w dowolnych warunkach, np. na otwartych przestrzeniach – w pomiarach na przesypach przenośników taśmociągowych. Metoda radarowa może być też stosowana do pracy w strefie zagrożenia wybuchem.
Prognozy wskazują, że każdy rok przynosi wzrost sprzedaży sond radarowych o około 10 proc. Jednocześnie na rynku nie ma obecnie innej, równie uniwersalnej metody pomiarowej do materiałów sypkich.

Sonda radarowa z falowodem

Sonda radarowa z falowodem umożliwia pomiar poziomu zarówno dla cieczy, jak i materiałów sypkich. Metoda pomiaru jest niewrażliwa na kształt usypania surowców i kąt odbicia fali elektromagnetycznej od jego powierzchni. Sondy takie znajdują zastosowanie m.in. w przemyśle rafineryjnym i w energetyce.
Ich zasada działania bazuje na pomiarze czasu przelotu impulsów elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości, wysyłanych wzdłuż falowodu. Jeżeli impulsy napotykają na swej drodze zmianę impedancji falowej (np. powierzchnię produktu), następuje ich częściowe lub całkowite odbicie. Znajomość wysokości zbiornika i zmierzonej odległości pozwalają obliczyć poziom produktu. Ze względu na zastosowanie falowodu, urządzenie ma takie same ograniczenia, jak sonda pojemnościowa, ponieważ zbyt duże naprężenia falowodu mogą spowodować zerwanie sondy. W przypadku dokonywania pomiarów materiałów, które mogą zanieczyszczać linę, należy regularnie ją oczyszczać. Zaletą tej metody są pewne wyniki pomiaru poziomu materiałów sypkich, nawet przy intensywnym zapyleniu
(np. zboża).

Laserowe przetworniki poziomu

Laserowe przetworniki poziomu charakteryzują się dużą szybkością odpowiedzi oraz wysoką dokładnością pomiaru. Rozwiązania te bardzo dobrze sprawdzają się przy dokonywaniu pomiaru poziomu wypełnienia silosów, rozdrabniarek i stosów materiałów sypkich. Dzięki laserowemu pomiarowi za pomocą skanera 3D otrzymuje się bardzo dokładną mapę badanej powierzchni. W przypadku, gdy laserowe przetworniki poziomu działają samodzielnie, uzyskuje się pomiar odległości w postaci sygnału prądowego 4–20 mA.
W trakcie pomiaru czujnik laserowy emituje wiązkę impulsów świetlnych i rejestruje impulsy odbite od powierzchni mierzonego materiału. Poziom substancji w zbiorniku określany jest na podstawie pomiaru czasu koniecznego na dotarcie i powrót promieniowania z jego powierzchni. Zmierzona odległość pozwala zazwyczaj w prosty sposób obliczyć procentowe zapełnienie zbiornika.
Istotne jest to, że w porównaniu do metody ultradźwiękowej, na dokładność pomiaru metodą laserową nie ma wpływu temperatura powietrza. Metodę laserową wyróżnia to, że czujnik może być odseparowany od mierzonego medium. Czujnik może być zamontowany poza zbiornikiem, a pomiar odbywać się będzie przez szklany wziernik.
Dodatkowym atutem jest fakt, iż wiązka laserowa jest koherentna, w wyniku czego pomiar skupia się na mniejszej powierzchni niż w przypadku metod radarowej i ultradźwiękowej. Urządzenia laserowe są stosowane w zbiornikach wielkogabarytowych, ale jednocześnie należy zaznaczyć, że nie są skuteczne, gdy mamy do czynienia z dużym zapyleniem. W takim przypadku, z powodu unoszącego się pyłu, który pochłania i odbija światło, nie można poprawnie zmierzyć poziomu.

Nowości produktowe

Ultradźwiękowe mierniki poziomu serii GaugerGSM są elastycznymi, ekonomicznymi i bezkontaktowymi przyrządami, przeznaczonymi do pomiaru poziomu cieczy, materiałów sypkich oraz przepływu w kanałach otwartych. Ich dokładność wynosi 0,2 proc. Są zbudowane w oparciu o opatentowaną technologię, cechują się wysoką dokładnością i powtarzalnością pomiaru, wbudowanym modemem GSM, automatyczną adaptacją do warunków procesu i zintegrowanym wyświetlaczem graficznym LCD. Mają obudowę z PVDF, ale są dostępne też w odmianach przeznaczonych do pracy z cieczami agresywnymi oraz – opcjonalnie – do stref zagrożonych wybuchem. Wykonywane są w wersji kompaktowej, ze zintegrowanym czujnikiem pomiarowym lub w wersji z rozdzielonym czujnikiem pomiarowym. Przeznaczone są do pomiaru poziomu cieczy w zakresie 0,15–8 m (lub 0,35–9,5 m) i materiałów sypkich w zakresie 0,15–5 m (lub 0,35–6 m). Oprócz predefiniowanych w pamięci zwężek i przelewów, mierniki Gauger mają możliwość użycia formuły Manninga do pomiaru przepływu w kanałach okrągłych, gdzie z różnych powodów nie można zabudować zwężki i/lub przelewu.
Nową serię czujników ultradźwiękowych UT2F można uznać za wyjątkową dzięki szerokiej gamie wykonań. Dostępne są wersje z wyjściem kablowym i konektorowym, jednoprogowe, dwuprogowe, PNP, NPN oraz z wyjściem analogowym lub mieszane. Przy zasięgu do 6 m tzw. „martwa strefa”, wynosząca tylko 350 mm, oraz wygodne programowanie jednym przyciskiem, czynią tę serię bardzo atrakcyjną na rynku czujników ultradźwiękowych. Dostępne modele z podwójnymi wyjściami cyfrowymi i regulowaną histerezą umożliwiają bezpośrednią regulację procesu dozowania w zbiornikach z cieczą i materiałami sypkimi. Modele z wyjściem analogowym mogą dodatkowo mieć wyjście cyfrowe. Dzięki kompaktowej obudowie M30, wykonanej z tworzywa, o długości jedynie 99 mm i średnicy zaledwie 40 mm, instalacja czujnika, nawet w wąskich i trudno dostępnych miejscach, nie stwarza większych problemów.
Niski poziom zasilania czujnika (akumulator 12 V DC – wersje progowe) sprawia, że jest to zarazem idealne rozwiązanie w aplikacjach dla pojazdów i maszyn rolniczych.
Zestawienie parametrów przykładowych urządzeń do pomiaru materiałów sypkich oraz opinie przedstawicieli polskiego rynku na temat właściwego doboru urządzenia, uwzględniający potrzeby użytkowników oraz warunki środowiska można znaleźć w numerze PAR 5/2014. Zapraszamy do lektury!